四川盆地冷鋒特征及其對逆溫和大氣污染的影響

李 媛, 馮鑫媛, 馬冰霞, 王式功

(成都信息工程大學大氣科學學院/高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室,四川 成都 610225)

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟的快速發(fā)展,大氣污染問題得到了越來越廣泛的關(guān)注。四川盆地人口稠密,工業(yè)發(fā)展迅速,加之特殊的地理位置和地形,使其上空極易產(chǎn)生逆溫,影響污染物的擴散[1-3]。隨著近幾年大氣綜合治理力度的加大,氣溶膠的排放得到了一定程度的控制,在此背景下氣象條件對污染過程發(fā)生發(fā)展的影響程度加大,污染的區(qū)域性傳輸和跨界傳輸?shù)膯栴}引起了廣泛關(guān)注[4]。天氣發(fā)生污染時,氣溶膠主要集中在大氣邊界層內(nèi),然而大氣邊界層會受到不同尺度天氣系統(tǒng)和近地面氣象要素的共同影響導致污染物的稀釋擴散能力不同[5-9]。其中冷鋒過程會導致污染物的上游輸送和本地累積[10-13]。

天氣過程是影響大氣逆溫和擴散傳輸條件的重要外強迫因素,冷鋒天氣過程對大氣擴散能力有較大影響[14-15],從而改變污染物濃度。中國北方城市冷鋒過境前污染加重,過境時大風和降水使污染物濃度下降,冷鋒過程也會減輕或消除日間逆溫[16]。程念亮等[17]在對中國東部春季一次強冷鋒活動的模擬中發(fā)現(xiàn),強冷鋒前后污染物濃度為先升后降又上升,鋒前出現(xiàn)一條高濃度污染帶,冷鋒過境后污染物濃度迅速降低。陳燕玲等[18]研究發(fā)現(xiàn)冷空氣南下由于西北風增加和強冷空氣、降水的雙重作用,會對污染物有一定的清除。鋒面過境最明顯的特征是氣象要素突變,氣象要素的變化勢必引起氣象參數(shù)和大氣擴散能力的變化,從而引起污染物濃度的變化[19]。Lin 等[20]指出造成亞洲春季污染物輸送的主要機制:污染物被向東南移動的冷鋒鋒面前部抬升,同時在冷鋒后部的邊界層內(nèi)進行傳輸。因此,冷鋒等移動的天氣系統(tǒng)可能會對沿其移動路徑的空氣質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

冷鋒天氣系統(tǒng)對顆粒物等污染物的清除作用明顯[21-22]。冷鋒過境前,常常會出現(xiàn)灰霾,形成逆溫層,氣壓下降,阻礙污染物的擴散,使能見度降低,或小部分冷平流先到達,形成區(qū)域性的平流霧,更不利于污染物的擴散,加重污染。冷鋒到達前,空氣中污染物的濃度會持續(xù)升高,尤其是懸浮顆粒物的濃度,冷空氣到達后,隨之而來的大風和降水使污染物濃度下降,空氣得到改善。冷鋒過境后,大氣中的污染物濃度開始累積[23]。

現(xiàn)階段對于冷鋒的研究多集中在中國北方和東部大氣,對西南地區(qū)冷鋒研究較少,尤其缺乏四川盆地這一復雜地形地區(qū)冷鋒特征的認識。四川盆地因其背靠青藏高原的特殊地理位置以及獨特的深盆地形,逆溫和大氣污染過程頻發(fā)。通過對2015-2019年四川盆地冷鋒特征進行研究,分析冷鋒天氣過程對四川盆地逆溫和污染的影響,以期為進一步改善四川盆地大氣環(huán)境質(zhì)量提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

氣象數(shù)據(jù)使用2015-2019年中央氣象臺歷史天氣圖、地面氣象觀測數(shù)據(jù)(包括溫度、露點、風向、風速等氣象要素)和成都市溫江站、達州市達川站2 個高空氣象觀測站探空觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來自國家生態(tài)環(huán)境保護部網(wǎng)站發(fā)布的同期空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)日報和小時報以及6 種主要污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO)濃度逐小時監(jiān)測資料。

冷鋒的識別采用歷史天氣圖普查的方法。利用中央氣象臺1日4 次的天氣分析資料,普查出2015-2019年四川盆地出現(xiàn)的冷鋒天氣過程,篩選出24 小時降溫≥1 ℃的冷鋒過程。根據(jù)冷鋒的來向以及在四川盆地的移動路徑,將冷鋒劃分為西北路徑冷鋒、偏北路徑冷鋒和偏東路徑冷鋒。再根據(jù)代表站的24 小時降溫幅度將冷鋒分為強冷鋒和一般冷鋒。在此基礎上,分析2015-2019年四川盆地出現(xiàn)的冷鋒的活動特征,以及冷鋒對該地區(qū)逆溫和大氣污染的影響。

2 冷鋒特征分析

2.1 冷鋒路徑

冷鋒是指鋒面移動過程中,冷氣團起主導作用,推動鋒面向暖氣團一側(cè)移動的天氣過程,且鋒面兩側(cè)有明顯的溫差,冷鋒后通常存在24 小時負變溫。2015-2019年四川盆地共計48 例冷鋒。其中2015-2019年分別出現(xiàn)14 例、11 例、10 例、6 例和7 例冷鋒。由于四川盆地被四周高大山地環(huán)抱和位于青藏高原背風坡的地理位置,四川盆地冷鋒的移動特征有其獨特之處。根據(jù)冷鋒的來向、進入盆地的位置及其在盆地內(nèi)的移動路徑,可將四川盆地冷鋒過程劃分為西北路徑(沿青藏高原東北緣進入)、偏北路徑(翻越秦嶺、大巴山進入)和偏東路徑(東灌進入)(圖1)。西北路徑冷鋒從青藏高原東北緣進入四川盆地向東南方向移動,偏北路徑冷鋒翻越秦嶺、大巴山進入四川盆地向南移動,偏東路徑冷鋒從巫山東北處東灌進入四川盆地并向西南方向移動,其中(圖2)偏北路徑冷鋒最多,占64.6%,西北路徑次之,占20.8%,偏東路徑最少,占14.6%。此外,由于冷空氣進入四川盆地時大多要翻越盆地四周高大山脈,受其阻擋造成四川盆地冷鋒過程有時存在不連續(xù)性。

圖1 2015-2019年四川盆地冷鋒移動路徑圖及示意圖

圖2 2015-2019年不同路徑冷鋒數(shù)量圖

冷鋒的強度可用24 小時變溫衡量[5],冷鋒強度的確定選取冷鋒過程中24 小時變溫最大的冷鋒日,為方便統(tǒng)計,統(tǒng)一選取08 時的變溫進行判斷。若該冷鋒過程持續(xù)時間較短,不包含08 時,則選擇冷鋒過境后的08時作為代表。根據(jù)冷鋒移動路徑和進入盆地的位置,選擇四川盆地溫江站、達川站和沙坪壩站3 站的平均24小時的降溫幅度作為冷鋒強度的衡量標準。根據(jù)冷鋒強度的頻率分布(圖3),將四川盆地冷鋒分為強冷鋒(|ΔT24|≥4)和一般冷鋒(1≤|ΔT24|＜4)兩個等級。

圖3 2015-2019年四川盆地冷鋒24 小時變溫的頻率分布圖

2.2 冷鋒強度

研究期間強冷鋒共計8 次,占16.7%,一般冷鋒共計40 次,占83.3%。強冷鋒平均24 小時變壓為5.7 hPa,冷鋒日08 時平均地面風速為1.6 m/s；一般冷鋒平均24 小時變壓為3.7 hPa,平均地面風速為1.5 m/s(表1)。強冷鋒的24 小時變壓明顯強于一般冷鋒,地面風速也較大,表明這種分類方法是可行的。

表1 2015-2019年不同強度、不同季節(jié)、不同路徑冷鋒平均24 小時變溫、變壓及地面平均風速

冷鋒強度存在季節(jié)差異也與其移動路徑有關(guān)(表1)。2015-2019年四川盆地出現(xiàn)的冷鋒過程中,秋季冷鋒強度最大,平均24 小時變溫為-2.7 ℃,其地面平均24 小時變壓為4.2 hPa,地面平均風速為1.5 m/s。其次是春季,平均24 小時變溫為-2.4 ℃,春季平均24 小時變壓相對較大為5.2 hPa,地面風速1.6 m/s。夏季和冬季冷鋒強度最小,平均24 小時變溫均為-2 ℃,且夏季平均24 小時變壓僅為1.8 hPa。

不同路徑冷鋒平均24 小時變溫也存在差異,其中,偏北路徑冷鋒最強,平均24 小時變溫為-2.5 ℃,平均24 小時變壓和08 時地面風速也最大,分別為5.3 hPa、1.6 m/s。其次是西北路徑冷鋒,平均24 小時變溫為-2.2 ℃,平均24 小時變壓為1.7 hPa,地面08 時平均風速為1.5 m/s。偏東路徑冷鋒的強度最弱,平均24 小時變溫為-2 ℃,平均24 小時變壓和地面平均風速也最小,分別為1.5 hPa、1.2 m/s。

2.3 冷鋒活動頻數(shù)

四川盆地不同強度的冷鋒存在明顯的月變化(圖4a)。4月、5月和9月冷鋒頻數(shù)高于其他月份,3月最少。強冷鋒過程僅出現(xiàn)在1月、4月、5月、8月、9月和10月,5月和9月最多。一般冷鋒的月變化不如強冷鋒的明顯,各月頻數(shù)相差不大。不同路徑冷鋒(圖4b)中,偏北路徑冷鋒是四川盆地出現(xiàn)頻率最高的冷鋒,除7月外其他月份均有出現(xiàn),其中4月、5月最多。西北路徑冷鋒5月和7月最多。偏東路徑冷鋒僅出現(xiàn)在1月、2月、6月、9月和10月,其中2月和9月最多。

圖4 2015-2019年四川盆地冷鋒頻數(shù)的月變化

四川盆地的冷鋒頻數(shù)存在明顯的季節(jié)變化,春、秋兩季冷鋒最多,夏季最少,不同強度冷鋒季節(jié)變化存在差異(圖5a)。強冷鋒的季節(jié)差異較大,春、秋兩季最多,占強冷鋒總數(shù)的75.0%,夏季和冬季較少,各占12.5%。一般冷鋒頻數(shù)的季節(jié)變化不如強冷鋒明顯。不同路徑冷鋒頻數(shù)的季節(jié)變化存在明顯的差異(圖5b)。其中,偏北路徑冷鋒春季和秋季最多,夏季最少；而西北路徑冷鋒夏季最多,冬季最少；偏東路徑冷鋒則是秋、冬季節(jié)最多,春季無偏東路徑冷鋒出現(xiàn)。

圖5 2015-2019年四川盆地冷鋒頻數(shù)的季節(jié)變化

2.4 冷鋒日數(shù)

四川盆地出現(xiàn)的冷鋒過程中,不同冷鋒過程影響四川盆地的持續(xù)時間(即冷鋒日數(shù))存在差異。2015-2019年的48 次冷鋒過程總計74 個冷鋒日。持續(xù)1日和持續(xù)2日的冷鋒過程頻數(shù)相差不大,一個冷鋒過程包含3 個冷鋒日的情況僅出現(xiàn)1 次,發(fā)生在2015年冬季,為偏北路徑冷鋒。

從圖6(a)可以看出,不同季節(jié)冷鋒過程中冷鋒日數(shù)存在一定差異。只有1 個冷鋒日的冷鋒過程在春季和夏季最多。2 個冷鋒日的冷鋒過程的季節(jié)變化較1個冷鋒日明顯,秋季明顯多于其他季節(jié),夏季最少。不同季節(jié)的冷鋒過程所包含的冷鋒日數(shù)也有一定的差別,秋季冷鋒過程以持續(xù)2 個冷鋒日的為主,而夏季則以1 個冷鋒日為主,春季和冬季1 個冷鋒日和2 個冷鋒日的情況各占約一半。不同強度冷鋒過程的冷鋒日數(shù)存在一定差異(圖6b),但差異較小。強冷鋒過程中,1 個冷鋒日的冷鋒過程略多；而一般冷鋒過程中,2個冷鋒日的冷鋒過程略多。不同路徑下冷鋒的冷鋒日數(shù)(圖6c)也存在一定差異。其中,西北路徑冷鋒影響時間較短,1 個冷鋒日的冷鋒過程較多,約占2/3。而偏北或偏東路徑的冷鋒過程影響時間較長,2 個冷鋒日的相對較多。

圖6 2015-2019年四川盆地不同冷鋒日數(shù)的冷鋒過程數(shù)

3 冷鋒過程對逆溫的影響

逆溫是指溫度隨高度的增加不變甚至升高的一種現(xiàn)象,反映了大氣層結(jié)的穩(wěn)定程度。冷鋒過程對大氣擴散能力有很大影響,會對原有逆溫層造成一定的影響[24]。根據(jù)冷鋒在四川盆地的移動路徑和探空站的地理位置選出兩個探空代表站,其中西北路徑以成都市溫江站為代表,偏北或偏東路徑以達州市達川站為代表。在48 次冷鋒過程中,成都市溫江站為代表站的冷鋒過程(西北路徑)共計10 次,達州市達川站為代表站的冷鋒過程(偏北和偏東路徑)共計38 次。在48 次冷鋒過程中有7 次探空數(shù)據(jù)缺失,均出現(xiàn)在2019年。因此文中分析冷鋒過程對逆溫和污染物濃度的影響時使用2015-2018年的冷鋒過程,總計41 個冷鋒過程。

3.1 冷鋒過境對逆溫出現(xiàn)頻數(shù)的影響

冷鋒過境對四川盆地的逆溫出現(xiàn)頻數(shù)有明顯的影響。逆溫頻數(shù)以該冷鋒過程08 時和20 時代表站的垂直探空資料為判斷依據(jù),若代表站在該時刻出現(xiàn)溫度隨高度的增加不變甚至升高則判定該站有逆溫發(fā)生,從2015-2018年的四川盆地發(fā)生的41 次冷鋒過程可以看出(表2),無論是08 時還是20 時,冷鋒過境當日均使四川盆地的逆溫頻數(shù)減少,在冷鋒過境后,逆溫的數(shù)量再次升高。這與李燕等[25]對大連春季強對流雨雪天氣過程的研究類似。從探空觀測結(jié)果可知,在冷鋒過境前,當?shù)厣峡粘霈F(xiàn)逆溫17 ～18 次,而冷鋒位于四川盆地時,當?shù)爻霈F(xiàn)逆溫的頻數(shù)減少。冷鋒離開四川盆地后,逆溫頻數(shù)明顯回升,08 時冷鋒過境后逆溫頻數(shù)甚至高于過境前。

表2 2015-2018年冷鋒過境前后逆溫頻數(shù)的變化

不同路徑冷鋒過境前后逆溫頻數(shù)的變化存在差異(圖7)。08 時西北路徑冷鋒過境前后,逆溫頻數(shù)持續(xù)增加,偏北路徑冷鋒過境逆溫頻數(shù)先減少再增加。20時西北路徑冷鋒的逆溫頻數(shù)先減少再增加,而偏北路徑冷鋒過境前后逆溫頻數(shù)持續(xù)降低。不論08 時還是20 時,偏東路徑冷鋒過境對逆溫頻數(shù)的影響很小,但過境后逆溫頻數(shù)略有升高。

圖7 四川盆地不同路徑冷鋒過境前后逆溫頻數(shù)的變化

3.2 冷鋒過境前后的逆溫類型

研究表明,四川盆地的逆溫按其底高可分為三類:貼地逆溫(底高≤0 m的逆溫)、脫地逆溫(1000 m≥底高≥0 m的逆溫)、對流層低層逆溫(5000 m≥底高≥1000 m的逆溫)[26]。不同類型逆溫在冷鋒過境前后的出現(xiàn)頻率及其變化存在明顯差異(表3)?？傮w而言,脫地逆溫在冷鋒過境時和過境后,出現(xiàn)頻率持續(xù)降低,20 時冷鋒過境后脫地逆溫頻率降至0%；而對于貼地逆溫和對流層低層逆溫,冷鋒過境后逆溫頻率均有不同程度的升高。此外,冷鋒過程期間,08 時在3 種類型逆溫中脫地逆溫的出現(xiàn)頻率最高。這與通常情況下四川盆地對流層低層逆溫頻率最高、貼地逆溫頻率最低[27]的特征存在明顯差異。

表3 2015 ～2018年冷鋒過境前后不同類型逆溫的發(fā)生頻率 單位:%

表3 指出,08 時,冷鋒過境前脫地逆溫頻率較高,約為31.7%,冷鋒日的脫地逆溫和對流層低層逆溫相差不大且發(fā)生頻率均高于貼地逆溫,冷鋒后對流層低層逆溫發(fā)生頻率明顯高于其他兩種類型逆溫,貼地逆溫和脫地逆溫發(fā)生頻率相差不大。08 時的貼地逆溫在冷鋒過境前后發(fā)生頻率先降低后升高,冷鋒過境后貼地逆溫發(fā)生頻率明顯升高由7.3%上升至14.6%；脫地逆溫發(fā)生頻率則為持續(xù)下降,冷鋒過境前約為31.7%,冷鋒過境時約為24.4%,冷鋒過境后約為17.1%；對流層低層逆溫發(fā)生頻率與脫地逆溫恰好相反,冷鋒過境使其發(fā)生頻率持續(xù)升高,至冷鋒過境后由過境前的19.5%升高到46.3%,發(fā)生頻率是冷鋒過境前的兩倍多。20 時冷鋒過境前后對流層低層逆溫發(fā)生頻率明顯高于貼地逆溫和脫地逆溫,冷鋒過境前后貼地逆溫發(fā)生頻率持續(xù)升高,脫地逆溫發(fā)生頻率持續(xù)下降,至冷鋒過境后已無脫地逆溫出現(xiàn),冷鋒過境前后對流層低層逆溫發(fā)生頻率則表現(xiàn)為先降低后升高,且冷鋒過境后的發(fā)生頻率低于冷鋒過境前。

四川盆地的多層逆溫是一種并不少見的現(xiàn)象。根據(jù)定義,多層逆溫是指同時出現(xiàn)貼地逆溫、脫地逆溫和對流層低層逆溫中的兩類或三類逆溫,而一般逆溫則指僅出現(xiàn)一種類型逆溫[26]。四川盆地冷鋒過境前后一般逆溫的出現(xiàn)頻率高于多層逆溫(圖8)。08 時一般逆溫出現(xiàn)頻率在冷鋒日未變化、冷鋒過境后升高,而多層逆溫出現(xiàn)頻率在冷鋒日降低、冷鋒過境后又升高。20 時冷鋒過境前后對多層逆溫和一般逆溫出現(xiàn)頻率的影響與08 時多層逆溫類似,出現(xiàn)頻率均為在冷鋒日降低、冷鋒過境后又升高。其中,在冷鋒日多層逆溫的出現(xiàn)頻率均會降低,表明冷鋒過境對此時多層逆溫的減弱和破壞作用顯著。

圖8 冷鋒過境前后一般逆溫和多層逆溫出現(xiàn)頻率的變化

4 冷鋒過程對AQI 和大氣污染物濃度的影響

為了得到冷鋒過境對當?shù)乜諝赓|(zhì)量和大氣污染物濃度的影響,選取冷鋒前一日、當日和后一日進行污染物濃度進行對比。AQI 和污染物濃度變化可分為3 種類型:直接降低型、先升高再降低型和升高型。多數(shù)情況下,冷鋒過境會使AQI 和污染物濃度降低,表現(xiàn)為直接降低或先升高后降低,但仍有少數(shù)情況下污染物濃度會呈現(xiàn)升高的情況。

4.1 冷鋒過境前后AQI 及6 種污染物濃度的變化

冷鋒過境對AQI 和不同污染物的影響存在差異?？傮w而言,對顆粒物(PM2.5和PM10)的影響高于氣態(tài)污染物,以清除作用為主,而對O3濃度的影響與其他污染物相反(圖9),冷鋒過境可能會造成O3濃度增加。冷鋒前AQI 平均值為77.2,冷鋒過境當日AQI 下降23.7%,至冷鋒過境后有所回升,但均值仍低于冷鋒過境前,相較冷鋒過境前降低10.1%；冷鋒過境前PM2.5濃度為52.9 μg/m3,冷鋒到達四川盆地PM2.5濃度明顯降低,下降35.9%,至冷鋒過境后PM2.5濃度上升至43.3 μg/m3,低于冷鋒過境前PM2.5濃度,濃度降低18.1%；PM10濃度冷鋒過境前為79.2 μg/m3,冷鋒過境時濃度下降28.3%,降為56.8 μg/m3,冷鋒過境后濃度上升至70.7 μg/m3,較冷鋒過境前濃度下降10.7%；冷鋒過境SO2濃度也表現(xiàn)為先降低后升高,至冷鋒日SO2濃度下降11.2%,冷鋒過境后SO2濃度相較冷鋒過境前有些許降低,濃度下降1.7%；NO2濃度冷鋒過境前為38.8 μg/m3,至冷鋒日濃度變?yōu)?1.3 μg/m3,濃度下降19.3%,冷鋒后濃度變?yōu)?5.5 μg/m3,較冷鋒過境前濃度下降8.5%；CO 濃度冷鋒過境前為0.98 mg/m3,至冷鋒日濃度為0.79 mg/m3,濃度下降19.4%,冷鋒過境后CO 濃度為0.82 mg/m3,較冷鋒過境前下降16.3%；O3濃度變化相較其他污染物明顯不同,冷鋒過境前O3濃度為47.7 μg/m3,至冷鋒日O3濃度變?yōu)?3.5 μg/m3,O3濃度上升12.1%,冷鋒過境后O3濃度變?yōu)?0.6 μg/m3,相比冷鋒過境前濃度上升6.1%。從污染物的濃度變化可以看出冷鋒過境對顆粒物的清除效果更為明顯,O3濃度變化與其他污染物濃度變化相差較大,冷鋒過境O3濃度不降反增。

圖9 冷鋒過境前后AQI 和污染物濃度平均值

4.2 冷鋒移動路徑對污染物濃度的影響

冷鋒日AQI 及6 種污染物濃度相對前一日的變化率如表4 所示。不同路徑冷鋒的影響存在差異,整體來看,除O3外,西北路徑冷鋒對四川盆地污染物的清除作用優(yōu)于其他兩種。其中西北路徑冷鋒日AQI、PM2.5、PM10和SO2濃度下降率明顯高于其他兩種路徑,尤其是顆粒物的濃度下降率明顯高于其他污染物,其中PM2.5濃度下降率高達49.4%。偏東路徑冷鋒日SO2濃度下降率為負值,即冷鋒過境使其濃度不降反而小幅上升。對于NO2濃度和CO 而言,西北路徑和偏北路徑冷鋒引起的濃度下降率相差不大,但都大于偏東路徑的濃度下降率。對于O3濃度,不同路徑冷鋒的影響差異較大,西北路徑冷鋒的濃度下降率為正值,即冷鋒過境O3濃度降低,而偏北路徑為較大的負值,即偏北路徑冷鋒過境造成臭氧濃度反而明顯上升,原因有待進一步研究。

表4 2015-2018年不同路徑冷鋒日AQI 及6 種污染物濃度下降率 單位:%

冷鋒后AQI 及6 種污染物濃度相對冷鋒日的變化率如表5。整體而言,偏北路徑冷鋒對污染物的清除作用可持續(xù)到冷鋒過境后,使污染物濃度持續(xù)降低；西北路徑和偏東路徑冷鋒過境后,污染物濃度繼續(xù)小幅下降或有所回升。其中,冷鋒過境后偏北路徑中AQI、PM2.5、PM10和SO2濃度變化率明顯高于其他路徑,這可能與偏北路徑冷鋒過程的持續(xù)時間較長、冷鋒強度也較強有關(guān)。不同路徑冷鋒過境后AQI 變化率存在一定的差異,偏北路徑在冷鋒過境后AQI 指數(shù)仍有明顯的下降,而在西北路徑和偏東路徑中AQI 指數(shù)較冷鋒過境前有些許升高；冷鋒過境后西北路徑和偏北路徑PM2.5濃度較冷鋒過境前仍有較大的降低,PM2.5濃度變化率分別為11.3%和27.4%,冷鋒過境后偏東路徑冷鋒過程使當?shù)豍M2.5濃度升高；冷鋒過境后不同路徑PM10濃度變化率有些許不同,但均為正值,冷鋒過境當?shù)豍M10濃度持續(xù)下降,偏北路徑作用更為明顯,不同路徑對PM10濃度的影響中偏北路徑的持續(xù)時間更長；從不同路徑冷鋒對SO2濃度影響來看,偏北路徑冷鋒過境后SO2濃度持續(xù)下降,西北路徑中SO2濃度變化率為-1.2%,相較冷鋒過境前濃度有些許升高,偏東路徑中SO2濃度至冷鋒過境后有明顯的升高,冷鋒過境后 SO2濃度由10.3 μg/m3上升至13.2 μg/m3；冷鋒過境后不同路徑的NO2濃度和CO濃度變化類似,偏北和偏東路徑的冷鋒過程至冷鋒過境后NO2濃度和CO 濃度有較為明顯的持續(xù)降低,西北路徑中NO2濃度較冷鋒過境前有些許上升,CO 濃度持續(xù)下降但不明顯,濃度變化率僅為2.6%；不同路徑冷鋒過程對O3濃度的影響與其他污染物有較大的差別,偏北路徑和偏東路徑冷鋒過程至冷鋒過境后O3濃度均有較為明顯的升高,偏北路徑O3平均濃度由42.0 μg/m3上升至46.5 μg/m3,偏東路徑O3平均濃度冷鋒過境前為37.2 μg/m3, 至冷鋒日變?yōu)?3.9 μg/m3,至冷鋒后平均濃度變?yōu)?1.8 μg/m3,而西北路徑則為O3平均濃度持續(xù)下降的趨勢。

表5 2015-2018年不同路徑冷鋒至冷鋒后AQI 及6 種污染物濃度變化率 單位:%

4.3 冷鋒強度對污染物濃度的影響

冷鋒強度對AQI 及6 種污染物濃度的影響也存在差異(表6)?？傮w而言,無論是冷鋒日還是冷鋒過境后,強冷鋒過程對AQI 及6 種污染物濃度的影響均高于一般冷鋒,表現(xiàn)出明顯更強的清除作用。此外,無論強冷鋒過程還是一般冷鋒過程,冷鋒過境都會使O3濃度上升,一般冷鋒過程O3濃度上升明顯,但冷鋒過境后的強冷鋒過程中O3濃度下降明顯,濃度下降率為9.8%。

表6 2015-2018年不同強度冷鋒AQI 及6 種污染物濃度變化率 單位:%

5 結(jié)論

利用歷史天氣圖普查四川盆地2015-2019年出現(xiàn)的冷鋒過程,在此基礎上,統(tǒng)計分析四川盆地冷鋒特征及其對逆溫和大氣污染的影響。

(1)2015-2019年四川盆地冷鋒共計48 例,年均9.6例。冷鋒在春、秋兩季最多,夏季最少?？紤]到四川盆地被眾多高大山脈圍繞,根據(jù)冷鋒來向、進入盆地的位置及移動路徑,四川盆地冷鋒可分為西北路徑(沿青藏高原東北緣進入)、偏北路徑(翻越秦嶺、大巴山進入)和偏東路徑(東灌進入)冷鋒。不同路徑冷鋒的強度、持續(xù)時間、季節(jié)變化特征存在明顯差異。其中偏北路徑冷鋒最多,偏東路徑冷鋒最少。冷鋒強度存在明顯的季節(jié)變化,冷鋒在秋季最強,其次是春季,夏季和冬季最弱。不同路徑冷鋒的強度存在差異,偏北路徑冷鋒最強,平均24 小時變溫為-2.5 ℃,平均24小時變壓為5.3 hPa,平均地面風速為1.6 m/s；其次是西北路徑冷鋒,平均24 小時變溫為-2.2 ℃,平均24小時變壓為1.7 hPa,地面08 時平均風速為1.5 m/s；偏東路徑冷鋒的強度最小,平均24 小時變溫為-2 ℃,平均24 小時變壓為1.5 hPa,地面08 時平均風速為1.2 m/s。

(2)冷鋒過境對四川盆地的逆溫出現(xiàn)頻率有明顯的影響,過境時四川盆地的逆溫頻數(shù)減少,而在冷鋒過境后,逆溫的頻數(shù)回升。冷鋒對不同類型逆溫的影響存在差異,脫地逆溫在冷鋒過境時和過境后,出現(xiàn)頻率持續(xù)降低；而對于貼地逆溫和對流層低層逆溫,冷鋒過境后逆溫頻率均有不同程度的升高。冷鋒過境前后對多層逆溫和一般逆溫出現(xiàn)頻率的影響類似,通常會造成其出現(xiàn)頻率在冷鋒日降低、冷鋒過境后又升高。其中,冷鋒日20 時多層逆溫的出現(xiàn)頻率降低最為明顯,冷鋒過境對此時多層逆溫的破壞作用顯著。

(3)冷鋒過境對AQI 和不同污染物濃度有明顯的影響,對PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 以清除作用為主,冷鋒過境時濃度降低,過境后濃度回升,其中對顆粒物(PM2.5和PM10)的影響高于氣態(tài)污染物；而對O3濃度的影響與其他污染物相反。不同路徑冷鋒的影響也存在差異。冷鋒過境時,西北路徑冷鋒對四川盆地大氣污染物的清除效果最好,對顆粒物的清除作用最好,其中PM2.5濃度降低近一半；而偏東路徑冷鋒過境時大氣污染物濃度下降程度最低。冷鋒過境后,偏北路徑冷鋒對污染物的清除作用可持續(xù)到冷鋒過境后,使污染物濃度持續(xù)降低,這可能與偏北路徑冷鋒過程的持續(xù)時間較長、冷鋒強度也較強有關(guān)；而西北路徑和偏東路徑冷鋒過境后,污染物濃度繼續(xù)小幅下降或有所回升。此外,強冷鋒對大氣污染物的清除效果明顯高于一般冷鋒。