吉 慶，武麥鳳，何 林，陳 潔

(1.渭南市氣象局，陜西渭南 714000；2.陜西省氣象信息中心，西安 710014)

渭南地處陜西省關(guān)中盆地東部，隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，大氣污染日益加重，并且與關(guān)中地區(qū)其他城市進(jìn)入復(fù)合污染階段?？諝庵形廴疚锏臅r(shí)空變化特征與氣象條件密切相關(guān)，研究區(qū)域和城市空氣污染過程天氣形勢(shì)轉(zhuǎn)變及其與氣象因子的關(guān)系，有助于認(rèn)識(shí)空氣污染形成的機(jī)制，并且能為環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)、提供參考。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者研究了關(guān)中地區(qū)氣象條件與大氣污染的關(guān)系，得出大氣污染物的擴(kuò)散受到天氣形勢(shì)、下墊面、風(fēng)速、降水、邊界層高度等條件的影響。有的針對(duì)一次典型霾天氣過程剖析其大氣環(huán)境特征[1-2]；有的分析了大氣污染特征以及氣象條件對(duì)大氣污染的影響[3-7]。比如，杜怡心等利用2015—2016年西安市逐日空氣質(zhì)量資料和氣象觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)2016年氣象條件較2015年對(duì)大氣污染的影響情況[3]；王釗等對(duì)近10年關(guān)中盆地MODIS氣溶膠的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析[4]；韓超對(duì)關(guān)中地區(qū)環(huán)境空氣污染物濃度的統(tǒng)計(jì)特征及其與氣象要素的關(guān)系進(jìn)行了分析[5]。綜合利用地面空氣污染監(jiān)測(cè)資料、常規(guī)氣象資料、探空資料、NCEP再分析資料，對(duì)2015—2017年渭南市11個(gè)典型霾天氣過程進(jìn)行分析，總結(jié)渭南市典型霾天氣過程的大氣環(huán)流背景特征，并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析典型霾天氣過程的氣象要素特征，得出渭南市典型霾天氣過程的相關(guān)氣象要素閾值，以期為渭南市霾天氣天氣預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料和方法

顆粒物質(zhì)量濃度來源于中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)(http://www.aqistudy.cn)發(fā)布的空氣質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)；常規(guī)氣象資料來自全國(guó)綜合氣象信息共享平臺(tái)(CIMISS)；探空資料來自懷俄明大學(xué)網(wǎng)站(http://weather.uwyo.edu/upperair/seasia.html)及香港科學(xué)技術(shù)大學(xué)(HKUST)環(huán)境中心(ENVF)發(fā)布的涇河氣象站(57131)探空資料(http://envf.ust.hk/dataview/profile/current/)；大氣環(huán)流背景特征分析采用NCEP 1°×1°再分析資料。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633—2012)，并參考文獻(xiàn)[8]中霾污染日的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定渭南市環(huán)境空氣質(zhì)量等級(jí)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 渭南市環(huán)境空氣質(zhì)量等級(jí)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

注：能見度為渭南市地面觀測(cè)資料。

2 典型污染天氣過程顆粒物變化特征

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)得出，2015—2017年渭南市典型霾天氣過程主要發(fā)生在秋、冬兩季(10月—次年1月)。表2給出了11次典型過程的具體時(shí)間段以及PM2.5的過程最大質(zhì)量濃度和平均質(zhì)量濃度。從PM2.5的過程平均質(zhì)量濃度看，11次典型過程均為輕度以上污染，其中中度污染4次，重度污染4次，嚴(yán)重污染1次。圖1給出了11次典型持續(xù)性污染天氣過程期間顆粒物PM2.5、PM10的平均質(zhì)量濃度日變化情況?？梢钥闯?，渭南市典型持續(xù)性污染天氣過程中細(xì)顆粒物(PM2.5)是PM10的主要組成成分，PM2.5的質(zhì)量濃度明顯高于粗顆粒物。嚴(yán)重污染期間PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度存在明顯的日變化且二者基本同步，均在13時(shí)(北京時(shí)，下同)和20時(shí)前后出現(xiàn)峰值；04—08時(shí)變化相對(duì)平緩；09—13時(shí)、18—20時(shí)兩個(gè)時(shí)間段二者質(zhì)量濃度快速上升。

表2 2015—2017年渭南市11次典型持續(xù)性污染天氣過程PM2.5最大質(zhì)量濃度及平均質(zhì)量濃度μg/m3

圖1 2015—2017年渭南市11次典型污染過程污染物平均質(zhì)量濃度日變化

3 典型污染過程大氣環(huán)流特征分析

分析11次典型重污染天氣過程逐日500 hPa及700 hPa環(huán)流形勢(shì)，發(fā)現(xiàn)存在相似的分布特征，因此以2015年12月18—25日重污染天氣過程為例分析環(huán)流形勢(shì)特征。2015年12月18—25日，渭南市出現(xiàn)了持續(xù)8 d的霾重污染天氣過程。從18—25日的過程平均位勢(shì)高度場(chǎng)(圖2)可以看出，500 hPa 亞歐中高緯為兩槽一脊型，烏拉爾山以西和亞洲大陸以東為長(zhǎng)波槽區(qū)，貝加爾湖為一強(qiáng)盛的暖性長(zhǎng)波脊區(qū)，陜西處于長(zhǎng)波脊前底部，青藏高原到河套盛行緯向偏西氣流，關(guān)中盆地附近等值線比較稀疏，表明高空風(fēng)速比較小(圖2a)。相應(yīng)的700 hPa亞歐高緯環(huán)流形勢(shì)亦為兩槽一脊型，青藏高原上有短波槽，短波槽前有弱偏南氣流發(fā)展，其偏南氣流可到達(dá)陜西南部(圖2b)。

12月18日(圖略)，500 hPa亞歐中高緯為兩槽一脊型，青藏高原有短波槽發(fā)展東移，陜西位于短波槽的前部，有弱偏南氣流發(fā)展。相應(yīng)的700 hPa青藏高原東部有低渦發(fā)展并緩慢東移，陜西南部有偏南暖濕氣流發(fā)展。隨著500 hPa青藏高原短波槽減弱并緩慢東移，對(duì)流層低層關(guān)中地區(qū)多短波槽活動(dòng)，維持偏南暖濕氣流。24日(圖略)500 hPa貝加爾湖附近有低壓槽發(fā)展并東南移，西風(fēng)鋒區(qū)南壓，東亞大槽建立。隨著對(duì)流層高層環(huán)流形勢(shì)的調(diào)整，對(duì)流層低層環(huán)流也隨之變化，700 hPa陜西轉(zhuǎn)為西北氣流控制，渭南持續(xù)8 d的重污染天氣也得到了緩解。

圖2 2015-12-18—25 500 hPa(a)和700 hPa(b)平均位勢(shì)高度場(chǎng)(單位：dagpm)

綜上所述，渭南市嚴(yán)重污染期間，500 hPa歐亞中高緯度環(huán)流呈兩槽一脊型，陜西處于暖脊前部，長(zhǎng)波脊前底部，青藏高原到河套盛行緯向偏西氣流。相應(yīng)的700 hPa青藏高原上有短波槽，短波槽前有弱偏南氣流發(fā)展，偏南氣流可到達(dá)陜西南部。此種環(huán)流形勢(shì)不利于污染物的擴(kuò)散。而空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好時(shí)，中高緯度環(huán)流形勢(shì)明顯變化。陜西上空鋒區(qū)加強(qiáng)，伴隨地面東移南下冷空氣的入侵，關(guān)中對(duì)流層低層偏北氣流加強(qiáng)，有助于污染物的擴(kuò)散。

4 探空資料分析

4.1 晝間混合層高度

混合層高度表明了大氣中的污染物在垂直方向上的擴(kuò)散范圍，若混合層高度較低，則污染物在垂直方向上不能得到有效擴(kuò)散[9]。依據(jù)環(huán)境評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則計(jì)算區(qū)域大氣穩(wěn)定度、大氣混合層高度的基本公式[10]，計(jì)算11次典型持續(xù)性污染天氣過程發(fā)生期間渭南市當(dāng)?shù)?4 d逐日的混合層高度。

分析得出PM2.5質(zhì)量濃度與晝間(根據(jù)霾天氣過程發(fā)生當(dāng)天渭南當(dāng)?shù)厝粘?、日落時(shí)間計(jì)算得出晝長(zhǎng))混合層高度在0.01水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.370(樣本數(shù)為94)。從圖3來看，當(dāng)發(fā)生空氣污染時(shí)，晝間混合層高度明顯降低，當(dāng)平均晝間混合層高度低于483.9 m時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)由“優(yōu)”“良”轉(zhuǎn)為“輕度”及以上污染。通過回歸分析，PM2.5質(zhì)量濃度與晝間混合層高度的關(guān)系符合指數(shù)曲線(圖4)。

圖3 2015—2017年渭南不同空氣質(zhì)量等級(jí)時(shí)的晝間混合層高度箱線

圖4 2015—2017年渭南PM2.5質(zhì)量濃度與晝間混合層高度的關(guān)系

4.2 逆溫

在秋冬季節(jié)，夜間地表的長(zhǎng)波輻射會(huì)使地表的溫度不斷降低，近地面大氣隨之發(fā)生冷卻；而其上層大氣仍維持較高的溫度，進(jìn)而形成輻射逆溫層，使得大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定。分析11次典型持續(xù)性污染天氣過程發(fā)生期間涇河氣象站94 d逐日08時(shí)及20時(shí)逆溫層厚度和逆溫強(qiáng)度，得出PM2.5質(zhì)量濃度分別與08時(shí)逆溫層厚度、20時(shí)逆溫強(qiáng)度在0.01水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.430和0.609(樣本數(shù)為94)。

從圖5可看出：當(dāng)空氣質(zhì)量為“良”“輕度污染”“中度污染”時(shí)，逆溫強(qiáng)度變化不大；但當(dāng)出現(xiàn)重度污染及嚴(yán)重污染時(shí)，逆溫強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)。當(dāng)逆溫強(qiáng)度大于0.77 ℃/hm時(shí)，空氣質(zhì)量明顯惡化；當(dāng)逆溫強(qiáng)度大于1.70 ℃/hm時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)為“嚴(yán)重污染”。通過回歸分析，PM2.5質(zhì)量濃度與逆溫強(qiáng)度的關(guān)系符合冪函數(shù)曲線(圖6)。

圖5 2015—2017年渭南不同空氣質(zhì)量等級(jí)的逆溫強(qiáng)度箱線

圖6 2015—2017年渭南PM2.5質(zhì)量濃度與逆溫強(qiáng)度的關(guān)系

4.3 高空風(fēng)

通過分析典型污染過程發(fā)生時(shí)的MICAPS細(xì)網(wǎng)格資料，從全國(guó)綜合氣象信息共享平臺(tái)(CIMISS)MICAPS細(xì)網(wǎng)格資料中提取11次典型持續(xù)性污染天氣過程發(fā)生期間，(107.5°E，35°N)、(110°E, 35°N)、(112.5°E, 35°N))、(110°E, 37.5°N)4個(gè)點(diǎn)(分別位于渭南以西、渭南當(dāng)?shù)?、渭南以東、渭南以北，在CIMISS中序號(hào)分別為1515、1516、1517、1616；因渭南以南有秦嶺阻擋，故不取渭南以南的點(diǎn))逐日500、700、850 hPa風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)，得出PM2.5質(zhì)量濃度與700 hPa高空風(fēng)風(fēng)速風(fēng)向在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.322和-0.136(樣本數(shù)為376)。

從圖7可看出，當(dāng)發(fā)生空氣污染時(shí)，700 hPa高空風(fēng)風(fēng)速明顯減小。當(dāng)700 hPa高空風(fēng)風(fēng)速小于9.1 m/s時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)開始由“優(yōu)”“良”轉(zhuǎn)差；當(dāng)700 hPa高空風(fēng)風(fēng)速小于5.9 m/s時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)為“中度”以上污染。從圖8可看出：當(dāng)空氣質(zhì)量為“優(yōu)”“良”“輕度污染”時(shí)，700 hPa高空以西北風(fēng)為主；“中度污染”“重度污染”時(shí)偏南風(fēng)發(fā)展；“嚴(yán)重污染”時(shí)以西南風(fēng)為主。

圓圈表示異常值，數(shù)字表示異常值出現(xiàn)的頻次。圖7 2015—2017年渭南不同空氣質(zhì)量等級(jí)700 hPa高空風(fēng)風(fēng)速箱線

5 地面要素特征

5.1 降水

分析11次典型持續(xù)性污染天氣過程發(fā)生期間渭南市當(dāng)?shù)?4 d逐小時(shí)的降水量與PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，得出PM2.5質(zhì)量濃度與過去1小時(shí)降水量在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)為―0.140(樣本數(shù)為2 256)。對(duì)不同空氣質(zhì)量等級(jí)的降水量閾值(表3)進(jìn)行回歸分析，得出PM2.5質(zhì)量濃度與過去1小時(shí)降水量的關(guān)系符合指數(shù)曲線(圖9)。

圖8 2015—2017年渭南空氣質(zhì)量為優(yōu)(a)、良(b)、輕度污染(c)、中度污染(d)、重度污染(e)、嚴(yán)重污染(f)時(shí)700 hPa高空風(fēng)風(fēng)向頻率/%分布

表3 2015—2017年渭南不同空氣質(zhì)量等級(jí)的降水量閾值 mm

圖9 2015—2017年渭南PM2.5質(zhì)量濃度與過去1小時(shí)降水量的關(guān)系

PM2.5質(zhì)量濃度與晝間混合層高度、過去1小時(shí)降水量的關(guān)系均符合指數(shù)曲線。當(dāng)混合層高度升高，或發(fā)生降水時(shí)，PM2.5質(zhì)量濃度均下降；且降水粒子的濕沉降作用對(duì)污染粒子的清除效率明顯高于混合層高度升高對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響。

5.2 其他地面要素

分析11次典型持續(xù)性污染天氣過程發(fā)生期間渭南市94 d其他地面小時(shí)氣象要素?cái)?shù)據(jù)，得出PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫、露點(diǎn)溫度、海平面氣壓、相對(duì)濕度、10分鐘平均風(fēng)速、總云量在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)見表4(樣本數(shù)為2 256)。表5給出不同空氣質(zhì)量等級(jí)各地面要素的中值。從表4看出，PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫、海平面氣壓、10分鐘平均風(fēng)速負(fù)相關(guān)，與露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、總云量正相關(guān)。從表5看出：當(dāng)相對(duì)濕度大于66.5%時(shí)，空氣質(zhì)量由“良”降為“輕度”及以上污染等級(jí)；當(dāng)10分鐘平均風(fēng)速小于1.3 m/s時(shí)，空氣質(zhì)量由“優(yōu)”轉(zhuǎn)差；總云量為100%時(shí)比總云量小于100%更易發(fā)生空氣污染。其他各項(xiàng)地面要素在不同空氣質(zhì)量等級(jí)的中值規(guī)律不明顯，需要更多數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將在今后的研究中收集更多典型霾天氣過程個(gè)例分析總結(jié)。

表4 2015—2017年渭南PM2.5質(zhì)量濃度與其他地面要素的Pearson相關(guān)系數(shù)

表5 2015—2017年渭南不同空氣質(zhì)量等級(jí)其他地面要素中值

6 結(jié)論

(1)2015—2017年渭南市典型霾天氣過程主要發(fā)生在秋、冬季10月—次年1月。典型持續(xù)性污染天氣過程中細(xì)顆粒物(PM2.5)是PM10的主要組成成分，PM2.5的質(zhì)量濃度明顯高于粗顆粒物。嚴(yán)重污染期間PM2.5和PM10質(zhì)量濃度存在明顯日變化，且基本同步，均在13時(shí)和20時(shí)前后出現(xiàn)峰值；04—08時(shí)變化相對(duì)平緩；09—13時(shí)、18—20時(shí)二者質(zhì)量濃度快速上升。

(2)渭南市嚴(yán)重污染期間，500 hPa歐亞中高緯度環(huán)流呈兩槽一脊型，陜西處于暖脊前部，長(zhǎng)波脊前底部；700 hPa青藏高原有短波槽，短波槽前有弱偏南氣流發(fā)展，不利于污染物擴(kuò)散。空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好時(shí)，中高緯度環(huán)流形勢(shì)明顯變化，陜西上空鋒區(qū)加強(qiáng)，伴隨地面東移南下冷空氣的入侵，關(guān)中對(duì)流層低層偏北氣流加強(qiáng)，有助于污染物的擴(kuò)散。

(3)PM2.5質(zhì)量濃度與晝間混合層高度、20時(shí)逆溫強(qiáng)度及700 hPa高空風(fēng)顯著相關(guān)。PM2.5質(zhì)量濃度與晝間混合層高度的關(guān)系符合指數(shù)曲線，當(dāng)晝間混合層高度小于483.9 m時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)由“優(yōu)”“良”轉(zhuǎn)為“輕度”及以上污染。PM2.5質(zhì)量濃度與逆溫強(qiáng)度的關(guān)系符合冪函數(shù)曲線。當(dāng)逆溫強(qiáng)度大于0.77 ℃/hm時(shí)，空氣質(zhì)量明顯惡化；大于1.70 ℃/hm時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)為“嚴(yán)重污染”。當(dāng)空氣質(zhì)量為“優(yōu)”“良”“輕度污染”時(shí)，700 hPa高空以西北風(fēng)為主；“中度污染”“重度污染”時(shí)偏南風(fēng)發(fā)展；“嚴(yán)重污染”時(shí)以西南風(fēng)為主。當(dāng)700 hPa高空風(fēng)風(fēng)速小于9.1 m/s時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)開始由“優(yōu)”“良”轉(zhuǎn)差；小于5.9 m/s時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)為“中度污染”以上。

(4)PM2.5質(zhì)量濃度與過去1小時(shí)降水量、氣溫、海平面氣壓、10分鐘平均風(fēng)速負(fù)相關(guān)，與露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、總云量正相關(guān)。PM2.5質(zhì)量濃度與過去1小時(shí)降水量的關(guān)系符合指數(shù)曲線。當(dāng)相對(duì)濕度大于66.5%時(shí)，空氣質(zhì)量由“良”下降為“輕度”及以上污染等級(jí)；當(dāng)10分鐘平均風(fēng)速小于1.3 m/s時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)由“優(yōu)”轉(zhuǎn)差；總云量為100%時(shí)比總云量小于100%更容易發(fā)生空氣污染。