孟妙志，盧 曄，王仲文，張向榮，韓 潔，龐 翻，朱筱娟

(1.寶雞市氣象局，陜西寶雞 721006；2.寶雞市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，陜西寶雞 721006)

2013年冬季寶雞重度霧霾污染分析

孟妙志1，盧 曄1，王仲文1，張向榮1，韓 潔1，龐 翻1，朱筱娟2

(1.寶雞市氣象局，陜西寶雞 721006；2.寶雞市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，陜西寶雞 721006)

利用氣象觀測(cè)資料和PM2.5質(zhì)量濃度資料，統(tǒng)計(jì)分析寶雞市2013年冬季重度霧霾污染日時(shí)空特征，探討霧霾污染日各氣象要素的特征。分析發(fā)現(xiàn)：①2013年12月—2014年2月寶雞出現(xiàn)重度霧霾污染日28 d，為近5 a來最多。②重度霧霾污染天氣過程多持續(xù)4～8 d；污染嚴(yán)重時(shí)次出現(xiàn)在19—24時(shí)，具有顯著日變化。③寶雞市東部污染重于西部，弱東風(fēng)利于重度霧霾污染出現(xiàn) (加劇)，轉(zhuǎn)為西風(fēng)時(shí)污染減弱。④重度霧霾污染天氣的主要成因包括，有利的天氣形勢(shì)(地面關(guān)中處于高壓底部或后部)維持，大氣混合層高度低，相對(duì)濕度較大 (70%左右)，風(fēng)速較小 (＜2 m/s)，連續(xù)無降水日長(zhǎng)。⑤重度霧霾污染主要為本地污染物聚集所致。

重度霧霾污染；統(tǒng)計(jì)特征；氣象成因；區(qū)域輸送

空氣污染與氣象條件密切相關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)霧霾天氣時(shí)，空氣污染加重。2013年冬季寶雞霧霾天氣出現(xiàn)頻繁，寶雞市空氣質(zhì)量一度排在全國(guó)空氣質(zhì)量最差行列，因此有必要對(duì)2013年冬季寶雞重度霧霾污染天氣進(jìn)行分析，為做好空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 冬季霧霾污染特征

統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：某日寶雞市地面觀測(cè)資料中記錄水平能見度＜5.0 km，同時(shí)寶雞市環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供的當(dāng)日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)有4個(gè)時(shí)次(02、08、14、20時(shí))連續(xù)出現(xiàn)PM2.5質(zhì)量濃度＞150μg/m3(或PM2.5質(zhì)量濃度≥250μg/m3)，記為一個(gè)重度霧霾污染 (或嚴(yán)重霧霾)日(HJ633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》，重度污染日為150μg/m3≤PM2.5質(zhì)量濃度＜250μg/m3、嚴(yán)重污染日為PM2.5質(zhì)量濃度≥250μg/m3)。

2013年12月—2014年2月寶雞市出現(xiàn)28 d重度霧霾污染日(包含12 d嚴(yán)重霧霾污染日) (圖1)，2013年12月8 d，2014年1月7 d，2月13 d。其中出現(xiàn)1 d的有5次重度霧霾污染過程，維持4 d、5 d、6 d的過程各1次，最長(zhǎng)1次過程維持8 d，出現(xiàn)在2013年12月18—25日。1月主要為單日重度霧霾污染，PM2.5質(zhì)量濃度主要在150～250μg/m3，只有31日最高為499μg/m3；12月、2月均為連續(xù)性重度霧霾污染過程，PM2.5質(zhì)量濃度為250～492μg/m3，連續(xù)性霧霾污染重，危害更大，其中12月19日污染最嚴(yán)重，最低能見度僅為0.5 km，PM2.5質(zhì)量濃度最高達(dá)492μg/m3，屬于嚴(yán)重霧霾污染。寶雞年均重度霧霾24 d、冬季平均18 d[1]，因此2013年重度霧霾較常年明顯偏多。

圖1 2013-12-2014-02寶雞市重度霧霾日PM2.5質(zhì)量濃度(μg/m3)及能見度(km)

分析寶雞市7個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)28 d重度霧霾污染日的PM2.5質(zhì)量濃度演變 (圖略)，各站點(diǎn)的波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，PM2.5質(zhì)量濃度在50～550μg/m3區(qū)間變化；陳倉(cāng)區(qū)環(huán)保站PM2.5質(zhì)量濃度最大，污染最嚴(yán)重，其他站依次為三陸醫(yī)院、監(jiān)測(cè)站、文理學(xué)院，三迪小學(xué)、技工學(xué)校，竹園溝。總體而言，寶雞市PM2.5質(zhì)量濃度的空間分布具有自西向東逐漸增大的特點(diǎn)。陳倉(cāng)環(huán)保站靠近污染源 (化工廠)，三陸醫(yī)院、監(jiān)測(cè)站、文理學(xué)院在主城區(qū)，容易污染。

圖2 2013-12-18-25日寶雞市區(qū)(三陸醫(yī)院)和陳倉(cāng)區(qū)監(jiān)測(cè)站逐時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度(μg/m3)

從2013年12月18—25日寶雞市區(qū)(三陸醫(yī)院)和陳倉(cāng)區(qū)監(jiān)測(cè)站PM2.5質(zhì)量濃度逐時(shí)演變(圖2)可以看出，寶雞市區(qū)及陳倉(cāng)區(qū)變化趨勢(shì)完全一致，陳倉(cāng)區(qū)污染重于寶雞市區(qū)；PM2.5質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)于每日20時(shí)前后。從17日17時(shí)開始PM2.5質(zhì)量濃度陡增到200μg/m3以上，25日17時(shí)陡降至200μg/m3以下，18、19、21、22、23日20時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度鋒值均大于500μg/m3，其中，21日19—20時(shí)、22日21—22時(shí)寶雞空氣質(zhì)量居全國(guó)最差行列。

2 重度霧霾污染日氣象因子分析

2.1 靜穩(wěn)天氣形勢(shì)有利于霧霾的形成與維持

分析典型重度霧霾日天氣圖可發(fā)現(xiàn)，高空500 h Pa大氣環(huán)流穩(wěn)定，中緯度40°N維持平直西風(fēng)氣流，無明顯冷空氣活動(dòng)；中低空風(fēng)速≤5 m/s；700 hPa偏南風(fēng)、850 hPa偏東風(fēng)在關(guān)中、陜南形成相對(duì)濕度≥60%的高濕區(qū)；關(guān)中大氣層結(jié)穩(wěn)定，且在700～850 h Pa具有下冷上暖的 “逆溫層”，空氣垂直運(yùn)動(dòng)受到限制；地面有冷空氣從40°N附近蒙古國(guó)東移到華北，關(guān)中處于蒙古高壓底部轉(zhuǎn)華北高壓后部的形勢(shì) (圖略)。這種天氣形勢(shì)下，寶雞地區(qū)云量較多、氣溫低、風(fēng)力較小，在此靜穩(wěn)大氣環(huán)境下[1]，空氣中顆粒物難以進(jìn)行垂直擴(kuò)散，且水平擴(kuò)散被阻滯在低空和近地面層，從而形成霧霾。

2.2 大氣混合層高度低

大氣混合層高度是反映污染物在鉛直方向擴(kuò)散的重要參數(shù)，與地面污染物擴(kuò)散有明顯關(guān)系，混合層高度越高，污染物在鉛直方向的稀釋范圍越大，越有利于污染物的擴(kuò)散。反之混合層高度越低，則污染物垂直擴(kuò)散范圍越小，污染物濃度越大，污染越嚴(yán)重。根據(jù)西安探空站 (關(guān)中唯一探空站，對(duì)關(guān)中有代表性)顯示，2013年12月15日關(guān)中最大混合層高度為1 132 m，垂直擴(kuò)散較高，16—25日最大混合層高度降至668 m以下，其中21、24日最低為300 m左右，26日混合層高度陡增700 m以上。對(duì)應(yīng)17—25日寶雞地區(qū)出現(xiàn)了重度到嚴(yán)重霧霾污染天氣，PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)到150μg/m3以上，26日PM2.5質(zhì)量濃度下降到100μg/m3以下。

2.3 濕度大有利于氣溶膠吸濕增長(zhǎng)

研究[4]表明，顆粒物的吸濕增長(zhǎng)特性可影響在大氣中的真實(shí)尺寸。寶雞霧霾天氣研究[1]指出，相對(duì)濕度與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.5。分析2013年重度霧霾日相對(duì)濕度和風(fēng)速(圖3)可見，1月寶雞市區(qū)相對(duì)濕度為45%～75%，其日波動(dòng)在30%左右，對(duì)應(yīng)PM2.5質(zhì)量濃度為150～250μg/m3；而12月及2月，寶雞市區(qū)相對(duì)濕度為70%～90%，明顯偏高，且濕度的日波動(dòng)較小約為15%，對(duì)應(yīng)PM2.5質(zhì)量濃度≥250μg/m3，即相對(duì)濕度越大，易造成PM2.5質(zhì)量濃度增大，加重污染。

圖3 2013-12-2014-2重度霧霾日寶雞市相對(duì)濕度(%)及風(fēng)速(m/s)

2.4 風(fēng)速小不利于污染物擴(kuò)散

從圖3可見，重度霧霾日寶雞市日平均風(fēng)速為0.5～2 m/s，地面逐時(shí)風(fēng)速為0～3.3 m/s，日平均風(fēng)速小且變化不大，大氣中的污染物難以水平擴(kuò)散稀釋，造成污染物局地堆積，從而容易形成重度霧霾污染。

2.5 偏東風(fēng)平流輸送

統(tǒng)計(jì)顯示寶雞重度霧霾日的風(fēng)向以東風(fēng)和靜風(fēng)最多。市區(qū)東側(cè)的陳倉(cāng)區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度始終高于市區(qū)，且PM2.5質(zhì)量濃度先于市區(qū)增加。逐時(shí)風(fēng)分析顯示，寶雞持續(xù)偏東風(fēng)時(shí)均對(duì)應(yīng)PM2.5高質(zhì)量濃度持續(xù)時(shí)段，且東風(fēng)增大到2 m/s以上時(shí)，PM2.5質(zhì)量濃度陡增。寶雞西風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)時(shí)，PM2.5質(zhì)量濃度增加明顯，例如12月18日14時(shí)西風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)，東風(fēng)維持到20日08時(shí)，對(duì)應(yīng)PM2.5質(zhì)量濃度陡增到300μg/m3以上并持續(xù)高值(圖2)；20日14時(shí)—21日14時(shí)，寶雞為西風(fēng)，對(duì)應(yīng)PM2.5質(zhì)量濃度降至200μg/m3以下；21日14時(shí)西風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)并維持，對(duì)應(yīng)PM2.5質(zhì)量濃度陡增到400μg/m3以上并持續(xù)高值。偏東風(fēng)平流輸送致使污染物集聚，加劇了寶雞霧霾污染，這與PM2.5自西向東逐漸增加的空間分布特點(diǎn)相一致。即弱東風(fēng)有利于寶雞重度霧霾污染出現(xiàn)。

2.6 連續(xù)無降水日數(shù)多

降水對(duì)清除大氣中的污染物質(zhì)起著重要的作用，鄭慶鋒等的研究指出[3]，重度霧霾日與降水日及降水量呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于寶雞霧霾天氣研究[1]發(fā)現(xiàn)近30 a重度霾發(fā)生站次和平均最長(zhǎng)連續(xù)無降水日具有正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94，連續(xù)15 d以上無降水，重度霾頻次明顯升高。2013年11月23日—2014年2月4日寶雞市未出現(xiàn)有效降水，連續(xù)無降水使得空氣中的各類污染物累積，在適宜的氣象條件下形成重度霧霾天氣，造成空氣污染嚴(yán)重。首次重度霧霾污染出現(xiàn)于連續(xù)無降水23 d后的12月18日。

3 典型污染日分析

2013年12月19日和2014年1月31日為兩個(gè)嚴(yán)重污染日，PM2.5質(zhì)量濃度分別為492、499μg/m3。兩次過程天氣形勢(shì)、風(fēng)向風(fēng)速差別不大，但兩次過程霧霾發(fā)生機(jī)制有所不同。

19日有22個(gè)時(shí)次PM2.5質(zhì)量濃度在400μg/ m3以上，對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度為75%～87%，其中，01—14時(shí)相對(duì)濕度持續(xù)在80%以上，為霧，15—24時(shí)相對(duì)濕度持續(xù)在73%～75%，為霾，能見度最低僅0.5 km，即19日先霧后霾引起空氣嚴(yán)重污染。PM2.5質(zhì)量濃度峰值達(dá)540μg/m3，出現(xiàn)在20時(shí)，之后緩慢下降。即霧霾交替出現(xiàn)污染將加重。

2014年1月30—31日為春節(jié)的除夕和初一，相對(duì)濕度為30%～70%，最低能見度為3 km，持續(xù)出現(xiàn)霾。30日白天PM2.5質(zhì)量濃度約為150μg/m3，19時(shí)后陡增，22時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)峰值400μg/m3，31日02時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)峰值666μg/m3，10時(shí)出現(xiàn)本次過程的最高峰值840μg/m3，其后緩慢下降到319μg/m3后又上升。PM2.5質(zhì)量濃度峰值的出現(xiàn)時(shí)段與燃放煙花密切相關(guān)。在穩(wěn)定的氣象條件下，燃放煙花可造成、加重霾污染。

4 與西安地區(qū)污染關(guān)系

寶雞位于西安以西176 km，冬季盛行偏東風(fēng)，西安是霧霾污染較為嚴(yán)重的城市，因此有必要分析兩地是否有污染輸送。重度霾污染主要發(fā)生在大氣邊界層中，一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域發(fā)生影響，必然有一條污染物輸送通道，為此利用寶雞和西安地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)、風(fēng)向、風(fēng)速等資料探討寶雞與西安地區(qū)空氣污染是否相互影響。

4.1 空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)

對(duì)比重度霧霾污染過程中寶雞和西安的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)(圖4)可以看出，兩個(gè)地區(qū)的AQI指數(shù)變化趨勢(shì)一致，同時(shí)上升或下降，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.80，寶雞AQI指數(shù)時(shí)間上并未表現(xiàn)出明顯的超前或延遲現(xiàn)象，寶雞AQI指數(shù)有時(shí)小于西安，有時(shí)大于西安，這表明兩地區(qū)域空氣污染相互影響不明顯。

圖4 2013年冬季重度霾污染過程寶雞和西安空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)對(duì)比

4.2 風(fēng)速風(fēng)向

對(duì)比寶雞和西安的日平均風(fēng)速 (圖5a)。重度霾污染發(fā)生時(shí)，兩地風(fēng)速較小或靜風(fēng)(風(fēng)速小于3.5 m/s，且以風(fēng)速≤1 m/s為主)，極其不利于污染物水平擴(kuò)散。12月18—25日嚴(yán)重污染過程，兩地風(fēng)速均在1 m/s以下，即風(fēng)速3.6 km/h以下，寶雞和西安相距176 km，污染物輸送需要48 h。但圖4顯示兩地空氣質(zhì)量指數(shù)并無這種規(guī)律，表明兩地污染物輸送不明顯。從兩地的風(fēng)向?qū)Ρ?(圖5b)來看，重度霧霾污染發(fā)生時(shí)，寶雞主要為偏東風(fēng)，西安以偏西風(fēng)為主，偏西風(fēng)或偏東風(fēng)都有出現(xiàn)，寶雞和西安沒有形成明顯的區(qū)域污染輸送通道。

圖5 2013年冬季重度霧霾污染過程寶雞和西安風(fēng)速(a)和風(fēng)向(b)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

(1)2013年冬季寶雞重度霧霾污染頻次多、連續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染嚴(yán)重是顯著的特征。其形成的主要?dú)庀笠蛩匕?，有利的天氣形?shì) (地面關(guān)中處于高壓底部或高壓后部)穩(wěn)定維持，大氣混合層高度低于700 m，相對(duì)濕度較大，風(fēng)速較小，連續(xù)無降水日長(zhǎng)。

(2)重度霧霾污染時(shí)次易出現(xiàn)在19—24時(shí)，具有明顯的日變化。

(3)寶雞靜風(fēng)及弱東風(fēng)利于重度霧霾污染出現(xiàn) (加劇)，轉(zhuǎn)為西風(fēng)時(shí)污染將減弱。

(4)在穩(wěn)定的氣象條件下，霧霾交替出現(xiàn)、燃放煙花可造成嚴(yán)重污染。

(5)寶雞市東部污染重于西部。在城市建設(shè)中遵循氣象規(guī)律，統(tǒng)籌考慮城市通風(fēng)與污染物擴(kuò)散，趨利避害。

(6)2013年冬季寶雞重度霧霾污染期間，寶雞和西安之間無明顯的區(qū)域污染輸送。

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X16

：A

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1006-4354(2015)03-0048-05

2014-12-23

孟妙志 (1964—)，女，甘肅平?jīng)鋈?，高工，從事天氣預(yù)報(bào)及其研究工作。

陜西省社會(huì)科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2014ZD09)，寶雞市渭濱區(qū)科技進(jìn)步計(jì)劃社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(201405)