趙克明，李 霞，孫鳴婧，于碧馨，阿不力米提江·阿布力克木，盧新玉

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊830002；3.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002；4．蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730000）

世界氣象組織定義焚風(fēng)是因下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的一股溫暖且干燥的風(fēng)，且多出現(xiàn)在山脈背風(fēng)坡[1]。山區(qū)山口風(fēng)多表現(xiàn)為焚風(fēng)特征[2]。國(guó)際上針對(duì)山口風(fēng)的研究先后開展了幾個(gè)大型觀測(cè)試驗(yàn)（CALJET、PACJET、MAP）[3，4]，其中阿爾卑斯山中尺度計(jì)劃（MAP）就以山口風(fēng)為明確研究目標(biāo)。相關(guān)研究[5-7]將阿爾卑斯山的焚風(fēng)分為2類：深厚型焚風(fēng)和淺薄型焚風(fēng)。深厚型焚風(fēng)（deep foehn）是指在阿爾卑斯山的南部，迎風(fēng)坡冷空氣比較深厚，在跨越山脈的過程中，越過山脈的氣流顯著高于穿過山口的部分，此時(shí)背風(fēng)坡出現(xiàn)的焚風(fēng)屬于深厚型焚風(fēng)[5，6]；反之，如果迎風(fēng)坡冷空氣比較淺薄，以至于被山脈完全阻擋，氣流主要通過穿過山谷等才能夠到達(dá)背風(fēng)坡，這時(shí)形成的焚風(fēng)則稱為淺薄型焚風(fēng)[6]。淺薄焚風(fēng)經(jīng)常先行于深厚型焚風(fēng)，但也有個(gè)例表明不是所有淺薄型焚風(fēng)都會(huì)發(fā)展為深厚型焚風(fēng)。淺薄型焚風(fēng)的一個(gè)特征就是焚風(fēng)與其上層的西風(fēng)氣流是分離的，不存在耦合現(xiàn)象[7]。如果在強(qiáng)逆溫層下方近地表存在穩(wěn)定的冷湖（冷氣團(tuán)），由于大氣層結(jié)異常穩(wěn)定，這團(tuán)冷氣團(tuán)不會(huì)被南風(fēng)型焚風(fēng)驅(qū)逐，會(huì)出現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)為三層的焚風(fēng)，在當(dāng)?shù)剡@類焚風(fēng)也被稱為“三明治”焚風(fēng)[8]。焚風(fēng)對(duì)當(dāng)?shù)氐某鞘性O(shè)施、交通、作物生長(zhǎng)、旅游（如滑雪）、空氣質(zhì)量、身體健康等帶來了諸多影響，因此至今圍繞阿爾卑斯山地區(qū)焚風(fēng)研究已經(jīng)持續(xù)了150多年[2]。

烏魯木齊東南大風(fēng)是全國(guó)有名的山口風(fēng)之一。當(dāng)北疆的冷空氣東移至蒙古附近時(shí)，在東高西低的氣壓場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，冷高壓后部的冷空氣再次流向東疆南部地區(qū)，配合大地形阻塞和天山南北向氣壓梯度力的共同作用，氣流開始從達(dá)坂城—烏魯木齊的峽谷穿越或翻山，導(dǎo)致烏魯木齊甚至于其下游地區(qū)出現(xiàn)東南大風(fēng)[9]。烏魯木齊東南大風(fēng)是焚風(fēng)[10，11]。已有研究將烏魯木齊東南大風(fēng)分為接地型東南大風(fēng)和低空型東南大風(fēng)[11]。接地型東南大風(fēng)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活影響很大且易被觀測(cè)捕捉到，因此是諸多學(xué)者一直關(guān)注的氣象災(zāi)害[12-20]。接地型東南大風(fēng)多發(fā)于春秋季，能夠著陸于市區(qū)，風(fēng)力往往達(dá)7～8級(jí)以上，平均最大風(fēng)力11級(jí)，瞬間甚至突破40 m/s，并伴有強(qiáng)烈的升溫、降壓和降濕特征[9]。低空型東南大風(fēng)著陸地點(diǎn)則主要分布在烏魯木齊南郊—西郊一帶，然后穿越城市上空，此時(shí)市區(qū)多表現(xiàn)為小風(fēng)或靜風(fēng)狀態(tài)。烏魯木齊低空型東南大風(fēng)屬于淺薄型焚風(fēng)[11]，到目前為止圍繞著烏魯木齊淺薄型焚風(fēng)的研究還相對(duì)較少。

烏魯木齊地處我國(guó)西部經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)，卻是我國(guó)空氣污染最為嚴(yán)重的城市之一。受山脈、峽谷復(fù)雜地形及天氣系統(tǒng)的共同影響，烏魯木齊一年四季都會(huì)遭受焚風(fēng)的侵襲。近幾年通過對(duì)常規(guī)探空[20]、系留探空[21]、風(fēng)廓線雷達(dá)和微波輻射計(jì)等數(shù)據(jù)[22]的分析研究，發(fā)現(xiàn)烏魯木齊淺薄型焚風(fēng)屬于“三明治”焚風(fēng)，在冬季發(fā)生的頻率最高，對(duì)城市的邊界層結(jié)構(gòu)存在熱力和動(dòng)力的雙重影響，從而對(duì)烏魯木齊大氣污染的形成起著重要作用[22]。目前淺薄型焚風(fēng)對(duì)烏魯木齊大氣污染擴(kuò)散條件以及空氣質(zhì)量的定量影響研究還比較薄弱，本文將依據(jù)2013—2015年冬季風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)烏魯木齊冬季劃分為焚風(fēng)日和非焚風(fēng)日，針對(duì)氣象條件和空氣質(zhì)量狀況開展對(duì)比研究，從而對(duì)焚風(fēng)的影響給予定量評(píng)估，為當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量預(yù)報(bào)、城市發(fā)展規(guī)劃等提供一些科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

烏魯木齊市全市6個(gè)大氣環(huán)監(jiān)測(cè)站（收費(fèi)所、三十一中、監(jiān)測(cè)站、鐵招、七十四中和實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)）的6類污染物濃度逐時(shí)數(shù)據(jù)來源于烏魯木齊市環(huán)保局。各個(gè)測(cè)站地理位置及周邊環(huán)境介紹見文獻(xiàn)[23]。統(tǒng)計(jì)全市某站每日每類污染物日平均濃度值的方法如下：該站某類污染物24 h有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)≥18個(gè)時(shí)次才開始計(jì)算日均值。對(duì)于全市某類污染物某小時(shí)的平均濃度值，則是6個(gè)子站點(diǎn)至少≥3個(gè)站點(diǎn)存在有效監(jiān)測(cè)值。依照上述規(guī)定，統(tǒng)計(jì)2013年1月—2015年2月期間冬季全市6類污染物的日均值。日界的劃分方法采用氣象日界法，從21：00時(shí)到次日20：00時(shí)為一日。四季劃分3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

氣象數(shù)據(jù)包括烏魯木齊市氣象站2013年1月—2015年2月逐日08：00的秒級(jí)探空資料、地面逐時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、每日逐時(shí)的風(fēng)廓線雷達(dá)（CFL-03）探測(cè)反演數(shù)據(jù)（相關(guān)性能評(píng)估見文獻(xiàn)[24]）。每日最大混合層厚度（the maximum mixing layer depth，簡(jiǎn)稱MMLD）選擇干絕熱法[25]和逐步逼近法[26]計(jì)算。

淺薄型焚風(fēng)在風(fēng)廓線雷達(dá)圖上表現(xiàn)為烏魯木齊上空存在一定厚度的東南風(fēng)，氣流底部沒有接地。查閱2013—2015年冬季每日24 h的烏魯木齊風(fēng)廓線雷達(dá)圖像，如果淺薄型焚風(fēng)出現(xiàn)時(shí)段≥12 h則視為一個(gè)焚風(fēng)日，由此確定了3 a的焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日日期。淺薄型焚風(fēng)日烏魯木齊上空典型的風(fēng)場(chǎng)如圖1。圖1是2013年1月14日00：00—23：00（世界時(shí)）烏魯木齊上空風(fēng)場(chǎng)的逐時(shí)數(shù)據(jù)，500～2000 m之間存在一致的東南風(fēng)，這就是焚風(fēng)氣流。焚風(fēng)氣流底高確定方法為東南風(fēng)各個(gè)時(shí)刻最低高度的平均值；氣流頂高確定方法為東南風(fēng)各個(gè)時(shí)刻最高高度的平均值；氣流厚度的確定方法為焚風(fēng)日氣流頂高與底高的差值。

圖1 2013年1月14日00：00—23：00（世界時(shí)）烏魯木齊風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測(cè)圖

2 結(jié)果分析

2.1 冬季淺薄型焚風(fēng)出現(xiàn)頻率及參數(shù)特征

2013—2015年冬季239 d中有137 d出現(xiàn)了淺薄型焚風(fēng)（表1），占冬季日數(shù)的57.3%。1月出現(xiàn)次數(shù)最多，3 a內(nèi)共出現(xiàn)58 d，頻率高達(dá)42.3%，平均每年19.3 d。其它2個(gè)月維持在14 d以上。同時(shí)可見冬季淺薄型焚風(fēng)氣流底高維持在600 m左右，1月最低（514 m）；氣流頂高在2100 m左右，12月最高為2210 m；氣流厚度在1500 m左右，12月最厚，達(dá)1674 m。

2.2 冬季淺薄型焚風(fēng)對(duì)大氣擴(kuò)散條件的影響

2.2.1 焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日最大混合層厚度對(duì)比

表1 2013—2015年冬季烏魯木齊淺薄型焚風(fēng)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

烏魯木齊冬季焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日的MMLD特征為：焚風(fēng)日MMLD平均為345 m，非焚風(fēng)日MMLD平均為545 m，可見盡管烏魯木齊冬季的MMLD比較低，但焚風(fēng)日比非焚風(fēng)日要偏低200 m，說明焚風(fēng)對(duì)烏魯木齊的MMLD發(fā)展有一定的抑制作用。比較烏魯木齊冬季每個(gè)月焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日MMLD的差異（表2），可見12月、1月和2月焚風(fēng)日MMLD都比非焚風(fēng)日低，1月最低（為301 m），比同期非焚風(fēng)日MMLD偏低158 m?；旌蠈痈叨鹊南陆荡偈刮廴疚锵蚪貙永鄯e，這與烏魯木齊1月污染狀況最為嚴(yán)重的事實(shí)相對(duì)應(yīng)。

表2 2013—2015年冬季烏魯木齊焚風(fēng)日與焚風(fēng)日月平均MMLD m

2.2.2 冬季焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日逆溫的對(duì)比分析

表3顯示了烏魯木齊冬季焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日逆溫狀況。焚風(fēng)日為133 d，平均逆溫層厚度為784 m、逆溫差為8.8℃、逆溫強(qiáng)度為1.36℃/100 m；非焚風(fēng)日為89 d，平均逆溫層厚度為440 m、逆溫差為4.4℃、逆溫強(qiáng)度為1.35℃/100 m。由此可見，烏魯木齊冬季平均逆溫層厚度都較為深厚，但焚風(fēng)日比非焚風(fēng)日偏厚344 m，逆溫差焚風(fēng)日比非焚風(fēng)日要偏高4.4℃，逆溫強(qiáng)度焚風(fēng)日比非焚風(fēng)日差別不顯著（0.01℃/100 m）。同時(shí)可見，12月焚風(fēng)日逆溫層厚度最厚（810 m），逆溫強(qiáng)度相對(duì)最強(qiáng)，為1.42℃/100 m，但逆溫差卻是1月最大，達(dá)9.41℃；非焚風(fēng)日12月逆溫層厚度也相對(duì)較厚，為550 m，逆溫差5.04℃，但逆溫強(qiáng)度1月最強(qiáng)，為1.40℃/100 m。由此可見，烏魯木齊焚風(fēng)促使逆溫層厚度增加、逆溫差加大，如此邊界層結(jié)構(gòu)更加趨于穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散。

表3 2013—2015年冬季08：00烏魯木齊焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日逆溫狀況

2.2.3 冬季焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日風(fēng)速的對(duì)比分析

表4給出了烏魯木齊冬季焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日10 min平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果。138 d焚風(fēng)日里，地面平均風(fēng)速1.5 m/s；非焚風(fēng)日100 d，平均風(fēng)速1.6 m/s?？梢姸緸豸斈君R風(fēng)速較低，焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日區(qū)別不甚顯著。比較每個(gè)月的地面風(fēng)速狀況，1、2月相當(dāng)，12月焚風(fēng)日風(fēng)速小于非焚風(fēng)日，偏小0.3 m/s。焚風(fēng)天氣出現(xiàn)時(shí)，偏低的地面風(fēng)速更容易造成大氣擴(kuò)散條件惡化，污染加重。

表4 2013—2015年冬季烏魯木齊焚風(fēng)日與焚風(fēng)日地面平均風(fēng)速/（m/s）

2.3 冬季淺薄型焚風(fēng)對(duì)空氣質(zhì)量的影響

2.3.1 冬季淺薄型焚風(fēng)與空氣質(zhì)量等級(jí)的關(guān)系

將2013—2015年冬季6級(jí)空氣質(zhì)量等級(jí)按照焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日分別統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表5。空氣質(zhì)量指數(shù)從Ⅲ級(jí)到Ⅵ級(jí)焚風(fēng)日出現(xiàn)頻率都高于非焚風(fēng)日，從輕度污染形成初期，焚風(fēng)日出現(xiàn)的頻率就顯著偏高8.9%，而重污染Ⅴ～Ⅵ級(jí)則累計(jì)偏高近7%，如此Ⅲ-Ⅵ級(jí)污染在焚風(fēng)日出現(xiàn)的頻率累計(jì)偏高近18%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，只要出現(xiàn)Ⅵ級(jí)嚴(yán)重污染，就一定伴隨有焚風(fēng)，上述分析充分說明焚風(fēng)能加劇污染程度、促進(jìn)重污染事件的形成。

表5 2013—2015年冬季烏魯木齊焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日空氣質(zhì)量等級(jí)發(fā)生頻率/%

2.3.2 冬季淺薄型焚風(fēng)對(duì)污染物濃度日變化的影響

圖2顯示了2013—2015年冬季焚風(fēng)日、非焚風(fēng)日6類污染物濃度的日變化曲線。可見4個(gè)顯著特點(diǎn)：（1）無論焚風(fēng)日還是非焚風(fēng)日，6類污染物濃度的日變化曲線非常相似，變化規(guī)律與以往研究結(jié)果一致[26，27]。（2）對(duì) PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2來說，焚風(fēng)日污染物逐時(shí)濃度都高于非焚風(fēng)日，且全天峰值濃度、谷值濃度差異顯著。如焚風(fēng)日PM10最大值為223 μg/m3，非焚風(fēng)日則為 201 μg/m3，濃度值相差22 μg/m3；焚風(fēng)日 PM10最小值濃度 183 μg/m3，非焚風(fēng)日則為 131 μg/m3，相差 52 μg/m3。峰值、谷值出現(xiàn)的時(shí)刻也比較接近，相差僅1～2 h，這深受環(huán)境氣象條件日變化的影響。（3）對(duì)于顆粒物、NO2、CO來說，午后在湍流發(fā)展、風(fēng)速增加的情況下，污染物濃度由此可以較充分混合，導(dǎo)致午后焚風(fēng)日和非焚風(fēng)日污染物濃度差異顯著減小，其余時(shí)間差異較大。（4）非焚風(fēng)日的O3濃度值高于焚風(fēng)日。這是由于在焚風(fēng)日，擴(kuò)散條件較差，利于在NO2近地層累積；其次，烏魯木齊在冬季焚風(fēng)日多伴隨著大霧或者多云天氣，太陽(yáng)輻射減弱，不利于光化學(xué)反應(yīng)。因此，盡管近地層有大量的NO2聚集，但是無法轉(zhuǎn)化為O3，因此焚風(fēng)日O3濃度較低。非焚風(fēng)日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，因此給予光化學(xué)反應(yīng)提供了較充足的條件，有利于O3生成。

圖2 2013—2015年焚風(fēng)日、非焚風(fēng)日及整個(gè)冬季6類污染物濃度日變化

2.3.3 冬季淺薄型焚風(fēng)對(duì)污染物濃度空間分布的影響

圖3 2013—2015年烏魯木齊焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日6類污染物濃度空間分布

從烏魯木齊2013—2015年冬季焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日6類污染物的空間分布圖（圖3）來看，除O3以外，所有環(huán)境監(jiān)測(cè)站5類污染物濃度在焚風(fēng)日都比非焚風(fēng)日偏高；其次，在非焚風(fēng)日，市區(qū)內(nèi)各類污染物濃度空間分布差異與焚風(fēng)日相比相對(duì)較為顯著。例如顆粒物PM10和PM2.5都顯示出“市區(qū)北部偏高、南部偏低（北高南低型模態(tài)）”，SO2分布則呈現(xiàn)市區(qū)中心高于郊區(qū)模態(tài)，CO呈現(xiàn)為從市區(qū)沿西北—東南“中軸線偏高模態(tài)”，NO2呈現(xiàn)市區(qū)“南部高于北部（北低南高）模態(tài)”，與市區(qū)南部擁擠的道路交通流量相關(guān)；O3則是“市區(qū)中心低于郊區(qū)”模態(tài)，與前提物NO2分布相反。在焚風(fēng)日里，上述污染物的空間分布模態(tài)沒有明顯改變，但是由于城市整體的擴(kuò)散條件不利，導(dǎo)致各個(gè)測(cè)站的污染物濃度整體大幅度上升，測(cè)站之間的濃度差異不甚明顯。整體來看，市區(qū)南部收費(fèi)所一帶，除了NO2濃度一直偏高以外，由于在焚風(fēng)日地面主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)[11，22]，因此水平方向的擴(kuò)散條件優(yōu)于其它測(cè)站，致使冬季的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于市區(qū)其它地區(qū)。

進(jìn)一步分析可見，焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日PM10濃度最大值都出現(xiàn)北部農(nóng)科院，分別為223μg/m3和196 μg/m3，差值為 27 μg/m3，城南的收費(fèi)所 PM10濃度焚風(fēng)日要高出50 μg/m3左右；而最小值焚風(fēng)日出現(xiàn)在城西的74中（203 μg/m3）和城東的31中（203 μg/m3），非焚風(fēng)日出現(xiàn)在城東的 31中（164 μg/m3）；PM2.5濃度最大值在焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日都出現(xiàn)北部農(nóng)科院，分別為 148、132 μg/m3，二者差異為16 μg/m3，城市中心到城南的PM2.5濃度焚風(fēng)日要高出30 μg/m3左右；最小值焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日都出現(xiàn)在城南收費(fèi)所，濃度分別為116、91 μg/m3；焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日SO2濃度最大值都出現(xiàn)在城中鐵路局，濃度分別為 74、56 μg/m3，差異為 18 μg/m3，其它測(cè)站焚風(fēng)日約高10 μg/m3左右；最小值都出現(xiàn)在城南收費(fèi)所，濃度分別為 37、30 μg/m3；焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日CO濃度最大值都出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)站，濃度分別為4、3.7 mg/m3，其它測(cè)站濃度較接近；最小值都出現(xiàn)在城東31中，濃度分別為3.3、2.7 mg/m3；焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日NO2濃度最大值都出現(xiàn)城南收費(fèi)所，濃度分別為 90、85 μg/m3，差值僅為 5 μg/m3，其它測(cè)站焚風(fēng)日約高3～5 μg/m3。NO2濃度次高值焚風(fēng)日出現(xiàn)在市區(qū)中心地帶鐵路局和監(jiān)測(cè)站（86 μg/m3），非焚風(fēng)日仍在鐵路局附近（82 μg/m3）；焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日O3濃度最大值都出現(xiàn)城西74中，濃度分別為15.9、21.1 μg/m3，差異為 5.2 μg/m3，其它測(cè)站非焚風(fēng)日約高3～5 μg/m3；O3濃度次高值都出現(xiàn)城東31中，濃度分別為 15.3、17.9 μg/m3；最小值都出現(xiàn)在城南收費(fèi)所，濃度分別為 10.8、12.0 μg/m3。

3 結(jié)論

（1）冬季烏魯木齊出現(xiàn)淺薄型焚風(fēng)的頻率較高，占57.3%。淺薄型焚風(fēng)月平均氣流底高約600 m，氣流頂高維持在2100 m左右，氣流厚度較為深厚，為1500 m左右。

（2）冬季烏魯木齊最大混合層厚度在焚風(fēng)日比非焚風(fēng)日偏低200 m，逆溫層厚度偏厚近350 m，逆溫差偏大4.4℃，逆溫強(qiáng)度與地面風(fēng)速偏差較小。說明烏魯木齊焚風(fēng)發(fā)生時(shí)，造成大氣混合層厚度降低、逆溫層厚度增大、逆溫差加大，大氣邊界層結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，擴(kuò)散能力減弱，導(dǎo)致污染物易于累積。

（3）烏魯木齊焚風(fēng)日空氣質(zhì)量從Ⅲ～Ⅵ級(jí)污染出現(xiàn)頻率都高于非焚風(fēng)日，其中Ⅴ級(jí)以上重污染頻率偏高7%，Ⅲ～Ⅵ級(jí)污染等級(jí)累積偏高18%，Ⅵ級(jí)嚴(yán)重污染則一定有焚風(fēng)伴隨。

（4）烏魯木齊冬季焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日里6類污染物濃度日變化規(guī)律類似，焚風(fēng)日逐時(shí)濃度都高于非焚風(fēng)日對(duì)應(yīng)時(shí)刻，且每類污染物濃度峰值、谷值的出現(xiàn)時(shí)間在兩類天氣里相近；非焚風(fēng)日O3濃度高于焚風(fēng)日。

（5）冬季焚風(fēng)日與非焚風(fēng)日里，烏魯木齊6類污染物濃度的空間分布模態(tài)比較一致，如顆粒物為北高南低型，CO為市區(qū)中軸線偏高型模態(tài)，SO2呈現(xiàn)市中心高于郊區(qū)型，NO2呈現(xiàn)北低南高型，O3則是市中心低于郊區(qū)型模態(tài)；所有測(cè)站焚風(fēng)日污染物濃度都高于非焚風(fēng)日；綜合比較，市區(qū)偏南地帶空氣質(zhì)量稍優(yōu)于市區(qū)中心和北部地區(qū)。