陳梁勛,楊 軍,歐陽(yáng)欣,張青艷

(1.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072； 2.四川省氣象服務(wù)中心，成都 610072；3.綿陽(yáng)市氣象局, 四川 綿陽(yáng) 621000)

1 引 言

目前我國(guó)大氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻，以細(xì)顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)及臭氧(O3)等為特征污染物的區(qū)域性大氣環(huán)境問(wèn)題日益突出。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高，政府、公眾對(duì)高污染天氣的關(guān)注度不斷上升。

大氣污染問(wèn)題已成為近年來(lái)學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)已有眾多學(xué)者對(duì)大氣污染進(jìn)行相關(guān)研究,王莉莉[1]等對(duì)北京夏末秋初不同天氣形勢(shì)對(duì)大氣污染物濃度的影響進(jìn)行了研究,司瑤冰[2]等對(duì)大氣污染與天氣要素進(jìn)行了研究,王耀庭[3]等對(duì)大氣邊界層高度和污染的關(guān)系進(jìn)行了研究，安林昌[4]等研究了降雨天氣對(duì)大氣污染物濃度的影響，張武[5]等對(duì)復(fù)雜地形上的大氣擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了比較研究，朱靜萍[6]等對(duì)綿陽(yáng)的污染濃度變化做了研究。但目前地形影響和污染類型相結(jié)合的研究相對(duì)較少。本文以位于四川盆地西北部邊沿的綿陽(yáng)市為研究區(qū)域，通過(guò)對(duì)不同類型污染進(jìn)行天氣學(xué)分型，研究氣象要素和污染的關(guān)系，為大氣污染的預(yù)報(bào)和防控提供科學(xué)的方法和依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)資料

2.1 區(qū)域概況

綿陽(yáng)市位于四川盆地西北部(圖1)，介于北緯30°42′～33°03′、東經(jīng)103°45′～105°43′之間，幅員面積2.02萬(wàn)km2，人口536.8萬(wàn)(2018年數(shù)據(jù))。轄區(qū)地貌自西北向東南傾斜，地形由山地向丘陵過(guò)渡。地勢(shì)北高南低，高差懸殊大。西北部屬青藏高原東部邊緣山地,最高點(diǎn)海拔高5 400m，東南部屬四川盆地盆中丘陵，平均海拔400～600m，最低點(diǎn)海拔307.2m。

圖1 綿陽(yáng)市區(qū)位及地形Fig.2 Location and topographic map of Mianyang City

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

環(huán)境數(shù)據(jù)使用綿陽(yáng)市城區(qū)富樂(lè)山、三水廠、高新區(qū)、市人大4個(gè)監(jiān)測(cè)站2014年1月～2016年12月SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O36項(xiàng)污染物質(zhì)量濃度和AQI指數(shù)的逐日數(shù)據(jù)，用4站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的算數(shù)平均數(shù)代表綿陽(yáng)城區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。氣象數(shù)據(jù)使用相應(yīng)時(shí)段的綿陽(yáng)市國(guó)家站地面資料和上游區(qū)域的高空觀測(cè)資料。

3 污染概況

研究時(shí)段總計(jì)1 096天，其中有效數(shù)據(jù)日數(shù)1 086天，AQI指數(shù)100或以上的污染日數(shù)為243天，污染總天數(shù)占有效數(shù)據(jù)總天數(shù)的22.4%。其中輕度污染179天，中度污染48天，重度污染16天；分別占污染總天數(shù)的73.7%、19.8%、6.5%。污染程度和污染日數(shù)成3倍左右的反相關(guān)。輕度污染出現(xiàn)頻率最高。

3.1 污染的時(shí)間分布

按月統(tǒng)計(jì)2014～2016年間污染日數(shù)(表1)，1月污染日數(shù)最多，共66天，占2014～2016年1月總?cè)諗?shù)的71.0%，其次為2月和12月，污染日數(shù)分別為45天、42天，分別占3年中2月和12月總?cè)諗?shù)的52.9%和45.2%；8、9月污染日數(shù)為0，其余月份的污染日數(shù)占3年中各自月份總?cè)諗?shù)百分比在23.7%～6.5%之間。

研究時(shí)段內(nèi)首要污染物為臭氧(O3)、可吸入顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(PM2.5)3類。O3污染23天；PM2.5污染207天；PM10污染13天。PM2.5污染日數(shù)最多；PM10污染日數(shù)最少。

將2014～2016年中各月按季節(jié)(3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季，12、1、2月為冬季)劃分，討論污染的季節(jié)分布。春季污染日數(shù)52天，占春季總?cè)諗?shù)的18.8%。3種類型的污染在春季均有發(fā)生，其中PM2.5污染33

表1 2014～2016年空氣質(zhì)量日數(shù)逐月分布Tab.1 Monthly Distribution of Air Quality Days in 2014～2016

天，PM10污染10天，O3污染9天；夏季污染日數(shù)17天，占夏季總?cè)諗?shù)的6.2%，是污染最輕的季節(jié)，PM2.5污染3天，O3污染14天，夏季是O3污染的主要發(fā)生時(shí)段；秋季污染日數(shù)21天，占秋季總?cè)諗?shù)的7.7%，均為PM2.5污染；冬季污染日數(shù)153天，占冬季總?cè)諗?shù)的56.5%，是一年中污染最重的季節(jié)，首要污染物為PM2.5，PM2.5污染出現(xiàn)了150天，另外還有3次PM10污染。

3.2 不同類型污染情況

3.2.1 O3污染特征

總計(jì)出現(xiàn)23天，發(fā)生在4～7月，其余月份沒(méi)有出現(xiàn)；其中4月出現(xiàn)了2天，其余3個(gè)月每月出現(xiàn)了6～8天。AQI最高值為147，所有O3污染均為輕度污染。分析輕度污染出現(xiàn)前兩天和當(dāng)天的天氣形勢(shì)和云量發(fā)現(xiàn)：O3污染多發(fā)生高空西北氣流，天空云量少，光照充足、紫外線較強(qiáng)的條件下。

3.2.2 PM10污染特征

研究時(shí)段內(nèi)，首要污染物為PM10的污染日數(shù)為13天，均發(fā)生在2～5月，中度污染2天，輕度污染11天。污染持續(xù)時(shí)間一般1～2天。多發(fā)生在長(zhǎng)時(shí)間的PM2.5污染之后。PM10污染發(fā)生1～2天后，AQI值會(huì)顯著減小，均在100以下，空氣質(zhì)量有明顯好轉(zhuǎn)。

3.2.3 PM2.5污染特征

PM2.5污染有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，污染級(jí)別重，重污染時(shí)段集中的特點(diǎn)。污染日數(shù)長(zhǎng)，研究時(shí)段內(nèi)不分種類的污染總?cè)諗?shù)為243天，細(xì)顆粒物(PM2.5)污染日數(shù)207天，占污染總?cè)諗?shù)的85.2%。分布月份廣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，全年除8、9月外，其余各月均發(fā)生過(guò)PM2.5污染。污染持續(xù)1～2天的過(guò)程發(fā)生31次，天數(shù)為48天；持續(xù)3～9天的過(guò)程次數(shù)為15次，天數(shù)為73天；持續(xù)10天或以上的次數(shù)為5次，天數(shù)為86天。最長(zhǎng)時(shí)間的污染時(shí)段發(fā)生在2014年1月9日到2月4日，持續(xù)時(shí)間27天。PM2.5污染天氣中，3日及以上的連續(xù)污染日數(shù)為159天，占PM2.5污染日數(shù)中的76.8%。污染級(jí)別重，三種污染的中度污染日數(shù)合計(jì) 48天，PM2.5中度污染出現(xiàn)了46天，占比95.8%。重污染時(shí)段集中，所有的重度污染都為PM2.5污染，總計(jì)16天，且均發(fā)生在每年的12、1、2三個(gè)月，其中12月和1月合計(jì)15天，為重污染高發(fā)時(shí)段。

4 污染天氣的天氣學(xué)分型

分析能夠?qū)d陽(yáng)市污染造成影響的主要天氣系統(tǒng)，根據(jù)其位置和尺度，選擇N40-70，E100-110的范圍作為天氣形勢(shì)關(guān)鍵區(qū)。就關(guān)鍵區(qū)內(nèi)的天氣形勢(shì)做分析。全年各季節(jié)影響綿陽(yáng)的主要天氣類型有：春、秋兩季的高壓控制或高壓邊沿型、平直西風(fēng)型、經(jīng)向型；夏季的高壓控制或高壓邊沿型、高壓脊型、槽前型、經(jīng)向型；冬季的平直西風(fēng)型、槽前型、橫槽型、高壓控制型。

由于綿陽(yáng)市位于龍門山脈西南麓，受地形的影響，不能分析出連續(xù)的地面氣壓場(chǎng)，所以主要對(duì)關(guān)鍵區(qū)內(nèi)的高空實(shí)況進(jìn)行形勢(shì)分析。根據(jù)不同污染類型的產(chǎn)生條件，確定分型的高度層。O3污染時(shí)，多為晴好天氣，選擇500hPa高度層進(jìn)行分型；根據(jù)高空實(shí)況資料分析，PM10污染時(shí)的氣團(tuán)傳輸路徑多經(jīng)過(guò)秦嶺，所經(jīng)過(guò)區(qū)域秦嶺的平均海拔在2 000m左右，700hPa高度約3 000m左右，既要考慮減少秦嶺對(duì)氣流的阻擋作用，又要選擇盡量貼近地面的高度層，所以選擇700hPa進(jìn)行天氣形勢(shì)分型，PM2.5污染主要來(lái)源于低層，但由于地形高度的原因850hPa在川西高原不能分析出完整環(huán)流，選擇700hPa和 850hPa兩層結(jié)合進(jìn)行天氣形勢(shì)分型。

4.1 O3污染的天氣學(xué)分型

以500hPa等壓面上的氣象要素為分型依據(jù)，O3污染時(shí)的天氣學(xué)分型可分為以下三型。

4.1.1 經(jīng)向環(huán)流型

O3污染總計(jì)23天，經(jīng)向環(huán)流出現(xiàn)20天，占O3污染總?cè)諗?shù)的90.5%。環(huán)流主要特征為500hPa為槽后的西北氣流，700hPa和850hPa多為槽后偏北氣流(圖2(a))。污染發(fā)生和維持時(shí)，天氣晴好，天空云量0～2，污染后期消散時(shí)云量增多到6以上。

圖2 O3污染天氣形勢(shì)分型Fig.2 Classification of ozone polluted weather situations

4.1.2 高壓外圍型

O3污染時(shí)出現(xiàn)2天，綿陽(yáng)市位于500hPa等壓面上高壓前部或高壓底部，700hPa和850hPa上沒(méi)有明顯的天氣系統(tǒng)(圖2(b))。兩次污染總云量分別為0和3。天氣靜穩(wěn)，云量少，光照條件好。

4.1.3 高壓脊型

出現(xiàn)1天，500hPa和700hPa均為高壓脊控制，地面氣溫較高，總云量0，輻射強(qiáng)(圖2(c))。

4.2 PM10污染的天氣學(xué)分型

PM10污染時(shí)，以700hPa上的氣象要素為指標(biāo)進(jìn)行分型，只有高壓底部或前部型(圖3(a))一型。500hPa環(huán)流形勢(shì)以緯向環(huán)流為主，綿陽(yáng)市位于700hPa高壓底部，在甘肅南部和四川盆地之間形成了明顯的氣壓梯度，氣團(tuán)從高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)移動(dòng)，由東北方向南下，影響綿陽(yáng)市。高壓底部的東北氣流是PM10污染發(fā)生的有利條件。污染消散時(shí)，關(guān)鍵區(qū)內(nèi)多有明顯的槽或低壓。

圖3 顆粒物PM10及PM2.5天氣形勢(shì)分型Fig.3 Weather pattern classification of particulate PM10 and PM2.5

4.3 PM2.5污染的天氣學(xué)分型

結(jié)合700hPa和850hPa等壓面的氣象要素綜合分析，PM2.5污染時(shí)天氣學(xué)分型有兩種。

4.3.1 槽前型

700hPa等壓面上，在川西高原東部到盆地西北部存在槽或弱切變，850pha多有切變或冷平流(圖3(b))。前期有微量降水，底層為槽前偏南氣流，空氣濕度增大，如果高空有小槽在夜間過(guò)境，容易造成輻射降溫，會(huì)加劇大氣污染。

4.3.2 高壓控制型

850hPa為高壓控制，700hPa也多為高壓控制或位于高壓底部(圖3(c))，地面多為均壓場(chǎng)。此種形式大氣較為穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散，污染程度重，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。越接近高壓中心，風(fēng)速越小，污染擴(kuò)散條件越差；當(dāng)?shù)孛鏋榫鶋簣?chǎng)或弱高壓控制時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大量污染物在一處聚集，如地面或低層有弱東南風(fēng)時(shí)，受龍門山脈的阻擋，在沿山容易產(chǎn)生重污染。

5 3種類型污染與氣象要素的關(guān)系

5.1 污染和風(fēng)的關(guān)系

污染物通過(guò)大氣進(jìn)行傳輸和擴(kuò)散，因此污染物載體的運(yùn)動(dòng)演變直接影響了污染物濃度的變化，而風(fēng)場(chǎng)則是污染物傳輸?shù)膭?dòng)力基礎(chǔ)。分析3種污染發(fā)生時(shí)地面風(fēng)的特征。

5.1.1 PM2.5污染時(shí)的地面風(fēng)特征

由圖4(a)可見(jiàn)，北北東風(fēng)向的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，占13%，其次為東南風(fēng)，占10%，其余方向占比均低于10%。將風(fēng)向按角度45°間隔分為8個(gè)風(fēng)向，計(jì)算8個(gè)風(fēng)向出現(xiàn)頻率。頻率最高的兩個(gè)風(fēng)向?yàn)闁|南和東北，分別占26%和22%。綿陽(yáng)西北臨山，東南較為平坦，影響綿陽(yáng)市區(qū)的風(fēng)多來(lái)自東南和東北兩個(gè)方向。東南風(fēng)途徑人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的盆地腹地，將污染輸送至綿陽(yáng)，遇龍門山后受阻，污染物在綿陽(yáng)市區(qū)積累，有利于污染的生成維持。PM2.5污染一支傳輸路徑為巴中-廣元南部-綿陽(yáng)，氣團(tuán)從此路徑上進(jìn)入綿陽(yáng)時(shí)為東風(fēng)，繼續(xù)西行，受龍門山阻擋，轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，造成東北風(fēng)較高的出現(xiàn)頻率。計(jì)算不分方向的平均風(fēng)速，在2.44～1.33m/s之間。出現(xiàn)頻率最高的東南風(fēng)平均風(fēng)力2m/s，持續(xù)的弱東南風(fēng)既有利于污染的輸送和累計(jì)，又不利于污染的擴(kuò)散。

圖4 3種污染類型風(fēng)向風(fēng)速玫瑰圖Fig.4 Wind direction and wind speed rose map of three pollution types

5.1.2 PM10污染時(shí)的地面風(fēng)特征

由圖4(b)可見(jiàn)，PM10污染時(shí)，東南和東北風(fēng)占比都為33.3%，東北風(fēng)沿甘南或陜南經(jīng)廣元，直接沿龍門山南下進(jìn)入綿陽(yáng)，東南風(fēng)由甘南或陜南越過(guò)秦嶺進(jìn)入盆地后，經(jīng)南充、遂寧，最后從綿陽(yáng)東部進(jìn)入市區(qū)。風(fēng)速分布在3.33～1m/s區(qū)間，平均風(fēng)速2.3m/s，大于PM2.5為首要污染物時(shí)的污染日平均風(fēng)速，PM10顆粒物較PM2.5顆粒物的質(zhì)量更大，更大的平均風(fēng)速有利于PM10污染的傳輸。

5.1.3 O3污染時(shí)的地面風(fēng)特征

O3污染時(shí)西南和東南兩個(gè)方向的風(fēng)較多(圖4(c))，占比分別為44.0%和35.0%， 西南風(fēng)從成都平原沿龍門山和龍泉山之間的走廊向東北傳輸，東南風(fēng)是從盆地中部沿遂寧-綿陽(yáng)東部進(jìn)入綿陽(yáng)市區(qū)。這兩條傳輸路徑上人口稠密，車輛眾多，NOX和VOCs含量高，給O3污染提供了有利條件。東北風(fēng)占21.0%，往往由冷空氣造成的，風(fēng)速大，個(gè)例風(fēng)速達(dá)9m/s，冷空氣影響后天空晴好，紫外線強(qiáng)，當(dāng)風(fēng)速減小后也容易造成O3污染。O3污染時(shí)，平均風(fēng)速是3類污染中最大的，達(dá)2.76m/s，可能和O3污染多發(fā)生在冷空氣影響后，或是地表溫度較高有關(guān)。

5.2 污染和溫度、云量的關(guān)系

計(jì)算3種污染發(fā)生時(shí)的平均云量和地面平均溫度(表2)。PM2.5和PM10污染時(shí)，平均云量均為5.6，O3污染時(shí)為3.4，說(shuō)明O3污染多發(fā)在少云，光照好的條件下。PM2.5污染多發(fā)在冬季，平均氣溫最低，為12.0℃，PM10污染多發(fā)在多冷空氣影響時(shí)的春秋兩季，平均氣溫比PM2.5污染的平均氣溫高，為17.6℃，O3污染多發(fā)在春夏季的少云天氣時(shí)段，平均氣溫最高，為28.4℃。

5.3 污染和逆溫層、混合層高度及穩(wěn)定度的關(guān)系

3類污染發(fā)生、發(fā)展時(shí)600hPa以下往往有逆溫層(表3)，并有逆溫層高度降低和厚度增厚的情況。污染減弱和消失時(shí)，常伴隨著逆溫層高度升高或消散的情況。在PM2.5和PM10污染時(shí)，有15%左右的概率出現(xiàn)3層逆溫，PM2.5污染時(shí)出現(xiàn)2層逆溫的情況超過(guò)50%，O3污染時(shí)多存在1層逆溫?？傮w看來(lái)，PM2.5污染時(shí)逆溫層數(shù)最多，多為2層，O3污染時(shí)逆溫層數(shù)最少，多為1～2層。

表2 污染日的平均溫度和平均云量Tab.2 Average temperature and cloud cover on polluted days

表3污染日各逆溫層數(shù)百分比

Tab.3Percentageofinversionlayersinpolluteddays (%)

逆溫層數(shù)PM2.5 PM10O306.87.74.3127.138.565.2251.238.530.4315.015.40.0

PM2.5污染時(shí)，混合層高度在55.0m到2 594.4m之間；PM10污染時(shí)混合層高度在738.4m到2 294.7m之間；O3污染時(shí)，混合層高度在428.9m到1 923.1m之間。

計(jì)算3類污染發(fā)生當(dāng)天14時(shí)的混合層高度(表4)。PM2.5污染時(shí)，輕、中、重3種污染程度的混合層高度都低于800m，平均高度為639.4m。輕度污染時(shí)混合層高度最高，中度污染時(shí)最低。重度污染時(shí)混合層高度比中度污染時(shí)高，這一結(jié)論與杜筱筱[7]的研究結(jié)果相同。可能是由于重污染時(shí)低層常有弱南風(fēng)，水汽較為豐富，造成計(jì)算結(jié)果值高。PM10污染常常由攜帶污染物的東北氣流造成，混合層平均高度1 519.2m，輕度污染時(shí)混合層平均高度低于中度污染時(shí)，可能是由于中度污染時(shí)地面風(fēng)速較輕度污染更大，導(dǎo)致中度污染混合層高度高于輕度污染。O3污染只有輕度污染，混合層高度1 242.4m。污染發(fā)生在輻射較強(qiáng)的天氣條件下，輻射條件較好，地面氣溫高，混合層高度也較高?？傮w說(shuō)來(lái)，PM2.5污染時(shí)混合層平均高度最低，O3污染時(shí)次之，PM10污染時(shí)最高。3種類型污染時(shí)AQI和14時(shí)的混合層高度均沒(méi)有線性關(guān)系(圖5)。

表4 污染日混合層高度Tab.4 Height of mixed layer in polluted days (m)

將3類污染按照污染輕重程度分類，分析Pasquill穩(wěn)定度日數(shù)(表5)。從穩(wěn)定度日數(shù)分布來(lái)看，PM2.5污染時(shí)，穩(wěn)定度D級(jí)日數(shù)占比73.4%，說(shuō)明PM2.5污染時(shí)多為中性穩(wěn)定環(huán)境，其余為A到B級(jí)的不穩(wěn)定環(huán)境。PM10污染時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)重度污染，輕度污染時(shí)D級(jí)日數(shù)占72.7%，沒(méi)有出現(xiàn)A級(jí)強(qiáng)不穩(wěn)定，中度污染個(gè)例只有2個(gè)，分別為A級(jí)和D級(jí)。O3污染均為輕度污染。D級(jí)只占34.8%，A-B級(jí)占43.5%，B級(jí)占21.7%，說(shuō)明O3污染時(shí)多為不穩(wěn)定層結(jié)?？傮w說(shuō)來(lái)，PM2.5和PM10的污染多發(fā)生在D級(jí)的中性天氣下，O3污染多發(fā)生在A-B或B級(jí)兩種不穩(wěn)定的天氣下。

圖5 污染日AQI和14時(shí)混合層高度散點(diǎn)圖Fig.5 The scatter plot of mixed layer height at AQI and its polluted day at 14 o'clock

AA-BBD輕度15176107PM2.5中度74035重度24010輕度0128PM10中度1001重度0000輕度01058O3中度0000 重度0000

6 結(jié) 論

6.1 PM2.5污染出現(xiàn)次數(shù)最多，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，污染程度重，多發(fā)在秋冬季；PM10污染多發(fā)在春季，常常和南下的東北氣流相伴；O3污染多在春夏季出現(xiàn)，污染持續(xù)時(shí)間短，污染程度輕。

6.2 PM2.5污染多發(fā)生在槽前型或高壓控制型天氣類型中，污染當(dāng)?shù)氐牡孛嬷鲗?dǎo)風(fēng)為東南或東北風(fēng)，云量較多，600hPa以下有2～3層逆溫，穩(wěn)定度多為D級(jí)；PM10污染均發(fā)生在高壓底部或前部型天氣類型下，污染當(dāng)?shù)氐牡孛嬷鲗?dǎo)風(fēng)為東南或東北風(fēng)，云量較多，600hPa以下有1～2層逆溫，穩(wěn)定度多為D級(jí)；O3污染絕大部分發(fā)生在經(jīng)向型天氣類型中，高壓外圍型和高壓脊型中也有發(fā)生，當(dāng)污染當(dāng)?shù)氐牡孛嬷鲗?dǎo)風(fēng)為東南或西南風(fēng)，天空少云，氣溫高，本地上空有1～2層逆溫時(shí)，更有利于污染的發(fā)生，穩(wěn)定度多為A-B級(jí)，B級(jí)也有出現(xiàn)。

6.3 途徑綿陽(yáng)城區(qū)的低層偏南風(fēng)多來(lái)自盆地中部，攜帶PM2.5污染物，當(dāng)其被龍門山脈阻擋時(shí)，容易在綿陽(yáng)城區(qū)發(fā)生PM2.5污染物的堆積，造成首要污染物為PM2.5的大氣污染。