沈陽冬季一次顆粒物污染過程的氣象條件研究

摘要：利用常規(guī)氣象觀測資料、大氣污染物監(jiān)測資料、ERA-Interim氣候再分析數(shù)據(jù)和風(fēng)廓線雷達資料，對沈陽2017年11月1-3日污染過程的氣象要素變化、天氣形勢和污染物傳輸路徑等特征進行分析。結(jié)果表明：此次過程高低空均受偏西氣流影響，有利于大氣增濕。地面為弱氣壓場，且逆溫層長時間維持，為污染天氣形成提供有利的環(huán)流形勢?；旌蠈痈叨仍? 000 hPa上下，大氣環(huán)境容量小，有利于污染物濃度增長。過程期間，污染物濃度出現(xiàn)兩個峰值，但峰值前的氣象要素特征和峰值時的污染物輸送路徑均不同。

關(guān)鍵詞：污染天氣；氣象條件；逆溫層

中圖分類號：X513 文獻標志碼：B

前言

隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市擴大化，燃煤排放及機動車尾氣等因素導(dǎo)致大氣污染日益嚴重，往往會對城市環(huán)境、交通運輸和人身健康造成較大影響。近年來，相關(guān)學(xué)者針對污染天氣過程開展了大量的研究工作。靳甜甜等對沿海城市一次污染過程進行分析，指出持續(xù)的西南風(fēng)、高溫高濕和較高的靜穩(wěn)指數(shù)均有利于污染物的生成與累積。張宸赫等對沈陽一次持續(xù)性重污染天氣探討了大氣污染物質(zhì)量濃度、地面氣象要素變化和大氣環(huán)流配置等特征，指出均壓場、地面風(fēng)場弱及輻合、高溫高濕是本次重污染天氣的成因。鄭颯颯等利用風(fēng)廓線雷達對成都兩次污染過程進行分析，并探討了成都冬季重污染過程的形成機制。李姝霞等對河南中部大霧期間污染特征進行分析，指出風(fēng)和大氣的垂直運動對顆粒物起到了稀釋作用，大霧中水汽充沛有利于SO2的轉(zhuǎn)化。沈陽作為東北地區(qū)重要的中心城市，冬季采暖期以燃煤為主，加之大量秸稈焚燒的影響，易出現(xiàn)污染天氣。2017年11月1日-3日沈陽出現(xiàn)中度到重度污染，部分時次達到嚴重污染。利用多源觀測資料，分析氣象要素變化、天氣形勢和污染物傳輸路徑等特征，希望為進一步做好空氣污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

大氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于遼寧省沈陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心的11個國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點（新秀街、京沈街、小何沿、森林路、太原街、文化路、東陵路、陵東街、裕農(nóng)路、渾南東路和沈遼西路），監(jiān)測站點均位于沈陽市區(qū)內(nèi)，污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)進行平均處理。地面和探空氣象要素觀測資料來源于沈陽國家氣象站。天氣形勢分析資料選用ERA-Interim氣候再分析數(shù)據(jù)，其空間分辨率0.75°×0.75°。風(fēng)廓線雷達位于沈陽市渾南區(qū)（41.7°N，123.5°E），該雷達存在高、低兩種探測模式，選用低模式探測結(jié)果，起始高度為150 m，垂直分辨率為120 m。污染物來源分析采用HYSPLIT軌跡模式，研究高度為300 m、500 m和800 m，模擬時長為48 h。

2結(jié)果與分析

2.1污染過程實況

如圖1所示，沈陽地區(qū)污染物濃度從1日夜間開始逐漸升高，2日09時達到峰值，PM2.5濃度從47 ug·m-3增加到289 ug·m-3，PM10濃度從101 ug·m-3增加到370 ug·m-3，增速分別為18.6和20.7 ug·（m-3·h-1）。之后污染物濃度快速下降，2日夜間再次升高，在3日09時再次出現(xiàn)峰值，但峰值強度較前期弱，PM2.5濃度為183 ug·m-3，PM10濃度為212 ug·m-3。1日-3日，共有12個時次出現(xiàn)AQ1超過150的中度污染級別以上的天氣，其中3個時次出現(xiàn)AQI超過300的嚴重污染天氣。

2.2地面氣象要素

如圖2所示，1日夜間相對濕度逐漸增加，最大值達到80%，地面風(fēng)速均在2m·s-1以下，這有利于污染物的積累。最小能見度下降到5.4 km，這可能是由于水汽和污染物濃度對光具有一定的散射和吸收作用，從而導(dǎo)致能見度降低。污染物濃度達到峰值前后，相對濕度快速減小，能見度有所好轉(zhuǎn)，這可能與太陽輻射增加有關(guān)。2日午后出現(xiàn)弱降水，對近地面層起到增濕作用，相對濕度接近90%。2日夜間，相對濕度始終維持80%以上，能見度在4-10 km之間。雖然存在較高的水汽含量，但降水過后冷空氣的入侵，使地面風(fēng)速逐漸增大，導(dǎo)致污染物濃度增長緩慢，因此，污染物濃度再次出現(xiàn)峰值時，強度變?nèi)酢?日13時相對濕度下降到50%以下，能見度達到35 km，污染天氣得到清除。

2.3天氣形勢

從環(huán)流形勢（圖略）上分析，可知，1日20時，500 hPa高空為緯向型環(huán)流，有短波槽活動，沈陽處于槽前偏西氣流影響。850 hPa存在低空切變線，沈陽位于切變線前側(cè)偏西氣流中。高低空均受偏西氣流影響，一方面有利于高低層增濕，另一方面也易受西部外來污染物輸送影響。地面冷高壓位于貝加爾湖以北地區(qū)，沈陽處于高壓前部弱氣壓場區(qū)，有利于污染天氣的不斷積累。2日14時，短波槽東移南下加強，并分裂為南北兩支，北支槽劃過東北大部地區(qū)，配合850 hPa低空切變線，沈陽地區(qū)出現(xiàn)弱降水。南支槽位于貝加爾湖以南地區(qū)，槽后偏北氣流引導(dǎo)地面冷高壓南下。3日08時，南支槽加深東移繼續(xù)影響沈陽地區(qū)，850 hPa切變線位于遼寧東部，地面冷高壓南下發(fā)展，沈陽處于高壓東南側(cè)，地面為東北風(fēng)，表明冷空氣前沿已影響到沈陽地區(qū)，故2日夜間污染物濃度呈緩慢增長趨勢。

2.4大氣層結(jié)

從沈陽探空曲線（如圖3所示）上分析，可知，1日20時，500 hPa以下溫度露點差gt;9℃，大氣相對較干。1 000 hPa以下存在明顯逆溫層結(jié)，近地面層回暖，溫度達到6℃。大氣的垂直結(jié)構(gòu)不利于污染物的垂直擴散，為污染天氣發(fā)生提供了熱力條件。3日08時，1000 hPa以下溫度露點差≤5℃，存在濕區(qū)，1 000 hPa以上受偏北風(fēng)影響，為干區(qū)。逆溫層雖然強度減弱，但其長時間維持，為污染物堆積提供有利條件。另外，大氣混合層高度是影響大氣污染物擴散的主要因子之一，其上部覆蓋逆溫層，下部溫度呈中性或不穩(wěn)定分布。分析上述2個時次的溫、濕曲線，混合層高度均在1 000 hPa上下，較低的混合層高度表明大氣環(huán)境容量小，湍流擴散弱，有利于污染物濃度增長。

2.5水平風(fēng)廓線

分析水平風(fēng)場對大氣污染物濃度的影響（如圖4所示），可知，1日夜間到2日早晨，500 m以下風(fēng)速小，且風(fēng)向凌亂，有利于污染物堆積。500 m以上以偏西風(fēng)為主，這與大尺度環(huán)流特征相吻合。2日早晨，500 m以上風(fēng)向開始出現(xiàn)隨高度順轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表明存在暖平流，暖濕空氣的輸送有利于污染物濃度增長，故2日09時污染物濃度出現(xiàn)第一個峰值。2日午后1000m以下轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，之后1500 m以下，陸續(xù)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)或東北風(fēng)，一直持續(xù)到3日白天，表明冷空氣已持續(xù)影響沈陽地區(qū)，估3日09時污染物濃度出現(xiàn)第二次峰值時，強度變?nèi)酢?/p>

2.6污染物輸送來源

為進一步追蹤外來污染氣團來源，利用軌跡模式HYSPLIT對2次出現(xiàn)峰值時的污染物進行后向軌跡模擬。如圖5所示，2日09時模擬結(jié)果顯示：300m和500m氣團為偏西路徑，氣團48 h前從內(nèi)蒙古中部地區(qū)出發(fā)，向東傳輸，在通遼境內(nèi)折向東南，到達沈陽上空。800 m氣團為西北路徑，氣團由外蒙古國出發(fā)，向東南輸送到沈陽上空。3日09時模擬結(jié)果顯示：邊界層內(nèi)三層氣團均以偏北路徑為主，氣團48 h前均從黑龍江西北部地區(qū)出發(fā)，向南輸送到沈陽上空。此次過程受到外來污染物輸送影響，但2次出現(xiàn)峰值時污染物輸送路徑不同。

3結(jié)論

2017年11月1日-3日沈陽出現(xiàn)中度到重度污染，部分時次達到嚴重污染。高低空均受偏西氣流影響，有利于大氣增濕。地面為弱氣壓場，且逆溫層長時間維持，為污染天氣形成提供有利的環(huán)流形勢?；旌蠈痈叨仍?000 hPa上下，大氣環(huán)境容量小，湍流擴散弱，有利于污染物濃度增長。此次過程分別在2日09時和3日09時污染物濃度出現(xiàn)兩個峰值，第一次峰值前，500 m以下風(fēng)速小，且風(fēng)向凌亂，500 m以上存在暖平流．地面相對濕度增加，風(fēng)速在2m·s-1以下，能見度下降，有利于污染物的積累。第二次峰值前，地面出現(xiàn)弱降水，雖然對近地面層起到增濕作用，但冷空氣的人侵，使地面風(fēng)速增大，同時1500 m以下陸續(xù)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)或東北風(fēng)，且長時間維持，導(dǎo)致污染物濃度增長緩慢，峰值強度變?nèi)?。此次過程受到外來污染物輸送影響，但2次出現(xiàn)峰值時污染物輸送路徑不同，第一次以偏西或西北路徑為主，第二次以偏北路徑為主。