沈陽市區(qū)灰霾污染的外來影響因素

吳宇童+程墨+李崇+柴曉玲+魯楊+李典+李曉鷗

摘要：本文利用空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)資料、地面氣象資料分析得出，沈陽市區(qū)灰霾天氣形勢(shì)分別為高壓均壓場(chǎng)型、長(zhǎng)白山小高壓型、弱低壓場(chǎng)型、地形槽型四類。通過計(jì)算沈陽站（41.83N，123.4E）氣團(tuán)的后向軌跡，沈陽地區(qū)灰霾污染外來影響主要有兩個(gè)：一是西南的京津冀方向，主要天氣形勢(shì)為高壓后部西南大風(fēng)型；二是偏北的內(nèi)蒙古和吉林方向，主要影響天氣形勢(shì)為高壓前、內(nèi)部和長(zhǎng)白山小高壓型。

關(guān)鍵詞：灰霾；天氣分型；外來影響；影響機(jī)制

中圖分類號(hào)： P429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.23.063

霾[1-3]是近年來主要污染空氣的問題之一，隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，灰霾污染發(fā)生頻率不斷增加，成霾區(qū)域面積也開始增大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的灰霾事件的根本原因是大氣中的PM2.5或PM10及其前體污染物（SO2、NO2、NH3等）嚴(yán)重超過了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境容量，當(dāng)與持續(xù)出現(xiàn)的靜穩(wěn)天氣相配合時(shí)，將有利于污染物的二次積累，從而不利于污染物擴(kuò)散。同時(shí)灰霾污染出現(xiàn)了區(qū)域性污染的特征，各區(qū)域間空氣污染相互影響日益嚴(yán)重[4-6]。由于天氣系統(tǒng)的多樣性及其尺度影響的跨地理區(qū)域的特性，一個(gè)區(qū)域或一個(gè)城市群的污染及其污染物的排放，有可能造成跨區(qū)域的影響。為了進(jìn)一步提高霾天氣預(yù)報(bào)水平，在研究霾天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)的同時(shí)，也要研究當(dāng)?shù)匚廴疚锓e累，天氣形勢(shì)變化及污染物的長(zhǎng)距離輸送。

1 沈陽市區(qū)灰霾污染過程天氣形勢(shì)分型

本文將AQI（Air Quality Index）為3 級(jí)（>150）以上且主要污染物為可吸入顆粒物的污染作為灰霾污染。

圖1為2015年沈陽市區(qū)AQI日均值分布圖。從圖中得知，2015年沈陽市區(qū)三級(jí)污染以上的灰霾污染有24個(gè)過程，共56 天。其中，五級(jí)重度污染為23天，六級(jí)嚴(yán)重污染為6天，其余27天為四級(jí)中度污染。

利用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型（HYSPLIT-4）軌跡模式系統(tǒng)計(jì)算沈陽站（41.83°N，123.4°E）氣團(tuán)的后向軌跡，計(jì)算的時(shí)間起始點(diǎn)為每日08時(shí)，向后延至24小時(shí)，因?yàn)楹笙蜍壽E模擬結(jié)果的不確定度會(huì)隨著推算距離和時(shí)間的增加而變大，所以選取時(shí)間為24小時(shí)；軌跡的起始高度選取距地500米高度，因?yàn)?500米高度被廣泛的用于對(duì)流層自由大氣的區(qū)域輸送研究中，但氣溶膠主要分布于邊界層以內(nèi)，500米高度對(duì)氣溶膠有更大的影響，所以軌跡的高度選用500米。計(jì)算發(fā)現(xiàn)在灰霾污染的56天中有38天氣團(tuán)來自不同方向的遠(yuǎn)距離輸送，占灰霾天氣的67.9%，具有重要研究意義。

利用現(xiàn)代化人機(jī)交互氣象信息處理和天氣預(yù)報(bào)制作系統(tǒng)（Micaps）資料研究灰霾污染日天氣形勢(shì)，灰霾污染過程的天氣分型可分為5類，即高壓均壓場(chǎng)型、長(zhǎng)白山小高壓型、弱低壓場(chǎng)型、地形槽型、鞍型場(chǎng)型，下面主要對(duì)高壓均壓場(chǎng)型、長(zhǎng)白山小高壓型、弱低壓場(chǎng)型和地形槽型這4 種天氣類型的污染天數(shù)、天氣形勢(shì)和污染機(jī)制進(jìn)行分析。圖2是高壓均壓場(chǎng)型、長(zhǎng)白山小高壓型、弱低壓場(chǎng)型、地形槽型，4類天氣類型代表日的海平面氣壓場(chǎng)和850hPa溫度場(chǎng)疊加圖。

1.1 高壓均壓場(chǎng)型

該種天氣形勢(shì)下發(fā)生灰霾污染的天數(shù)為35天，占2015年AQI指數(shù)3級(jí)以上污染天數(shù)的63%。以高壓后均壓場(chǎng)型和高壓內(nèi)部均壓場(chǎng)型為例，分析污染形成機(jī)制。

1.1.1高壓后均壓場(chǎng)型 高壓均壓場(chǎng)形勢(shì)下灰霾污染天氣中高壓后均壓場(chǎng)型有16天占46%，3月27日和29日均屬于高壓后部型。此時(shí)沈陽地區(qū)地面形勢(shì)南高北低，沈陽地區(qū)受低壓控制，華東及東海海域大部地區(qū)維持高壓。沈陽處于高壓后部低壓前部，形成氣壓梯度很大的西南大風(fēng)，加之春季地表干燥，易形成揚(yáng)沙或浮塵天氣，造成灰霾污染。

1.1.2高壓內(nèi)均壓場(chǎng)型 高壓均壓場(chǎng)形勢(shì)下灰霾污染天氣中高壓內(nèi)均壓場(chǎng)型有7天占20%，12月7日屬于典型的高壓內(nèi)部型。沈陽地區(qū)受大范圍高壓控制，風(fēng)速較小，并伴有空氣的下沉運(yùn)動(dòng)，同時(shí)存在逆溫層，抑制了湍流發(fā)展和污染物的擴(kuò)散， 造成污染物累積，形成高污染天氣。

1.2長(zhǎng)白山小高壓型

長(zhǎng)白山小高壓型天氣型下發(fā)生灰霾天氣污染日數(shù)為5天，代表日期為1月12日。沈陽地區(qū)處于大范圍高壓控制，在長(zhǎng)白山地區(qū)出現(xiàn)閉合的長(zhǎng)白山小高壓，高壓底部提供冷濕氣流，造成地面逆溫，夜間晴空輻射作用下逆溫強(qiáng)度加強(qiáng)，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，污染得不到有效擴(kuò)散。

1.3弱低壓場(chǎng)型

弱低壓場(chǎng)型發(fā)生灰霾天氣的日數(shù)為7天，2月15日就屬于低壓內(nèi)部弱低壓場(chǎng)型。15日華東地區(qū)低壓入海北上，沈陽地區(qū)位于低壓頂部倒槽附近，朝鮮高壓的后部，伴隨著濕潤(rùn)的偏南風(fēng)，850hPa為脊前冷氣流，500hPa處于槽前冷平流控制，此天氣型一般伴隨著大霧天氣同時(shí)發(fā)生。

1.4地形槽型

地形槽型發(fā)生灰霾天氣的日數(shù)為6天，11月7～9日為地形槽型的典型代表日期。地面受江淮氣旋頂部控制，在華北地區(qū)形成地形槽，地面吹東北或東南風(fēng)，850hPa受暖脊控制，500hPa為槽前暖濕氣流，不易于污染物的擴(kuò)散。

2 受外來影響的灰霾天氣類型

通過表1，對(duì)2015年沈陽市區(qū)AQI指數(shù)為3級(jí)以上污染的天氣分型及500米高度上24小時(shí)后向污染來源方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

從污染日的來流方向看，氣流來向?yàn)槲?，西南方向的?9天，占52%；來向?yàn)槲鞅焙推狈较虻挠?5天，占45%；其余只有2天來自偏東方向。在56天后向氣流軌跡中，除了有遠(yuǎn)距離輸送還有局地饒璇型（見圖3），將局地饒璇型剔除后，有38天灰霾日污染物來源于遠(yuǎn)距離輸送。

其中來自西、南和西南方向的天數(shù)為12天，占31.6%，在這12天中有8天是高壓均壓場(chǎng)型，其中7天是高壓后部西南大風(fēng)型。這說明京津冀地區(qū)由西南向東北區(qū)域遠(yuǎn)距離傳送與高壓后部西南大風(fēng)型有密切聯(lián)系。來自北和西北方向的天數(shù)為23天，占41.1%，其中高壓前、內(nèi)部和長(zhǎng)白山小高壓型有18 天，是該方向的主要天氣類型。表2顯示2015年沈陽3級(jí)以上空氣污染過程中高壓后均壓場(chǎng)型污染物來源方向統(tǒng)計(jì)和前期及同期北京地區(qū)空氣質(zhì)量狀況。高壓后均壓場(chǎng)型沈陽地區(qū)出現(xiàn)灰霾污染時(shí)北京地區(qū)也出現(xiàn)了同等或更嚴(yán)重等級(jí)的污染。同2015年沈陽3級(jí)以上空氣污染過程中高壓內(nèi)、前和長(zhǎng)白小高壓型沈陽地區(qū)為灰霾天氣時(shí)，長(zhǎng)春地區(qū)前期或同期也出現(xiàn)了同等或更嚴(yán)重等級(jí)的污染。

所以，沈陽地區(qū)灰霾污染外來影響主要有兩個(gè)：一是西南的京津冀方向，主要天氣形勢(shì)為高壓后部西南大風(fēng)型；二是偏北的內(nèi)蒙和吉林方向，主要影響天氣形勢(shì)為高壓前、內(nèi)部和長(zhǎng)白山小高壓型。

3結(jié)論

通過對(duì)沈陽市區(qū)AQI指數(shù)3 級(jí)以上空氣污染日的分析可以看出：沈陽地區(qū)灰霾天氣影響的天氣形勢(shì)共4類，分別為高壓均壓場(chǎng)型、長(zhǎng)白山小高壓型、弱低壓場(chǎng)型、地形槽型。

沈陽地區(qū)灰霾污染外來影響因素主要有兩個(gè)：一是西南的京津冀方向，主要天氣形勢(shì)為高壓后部西南大風(fēng)型；二是偏北的內(nèi)蒙和吉林方向，主要影響天氣形勢(shì)為高壓前、內(nèi)部和長(zhǎng)白山小高壓型。

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作者簡(jiǎn)介：吳宇童，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警。