王建英, 崔 洋, 史 霖, 楊亞麗, 鄧敏君

1.中國氣象局， 旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風險管理重點實驗室, 寧夏 銀川 750002 2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室, 寧夏 銀川 750002 3.寧夏氣象服務(wù)中心, 寧夏 銀川 750002 4.寧夏氣候中心, 寧夏 銀川 750002

近年來，隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，工業(yè)源、交通源等污染源持續(xù)增加，大氣污染已成為我國公共安全領(lǐng)域面臨的突出問題之一[1-2]，對公眾健康和城市能見度構(gòu)成較大威脅，引起了公眾和學者的廣泛重視[3-5]. 影響大氣污染的因素很多，大氣污染事件的發(fā)生除與污染源排放有關(guān)外，還與天氣形勢及氣象條件密切相關(guān)[6-9]. 研究[10-12]表明，大氣邊界層高度是決定污染物垂直混合范圍的關(guān)鍵氣象條件之一，直接關(guān)系到區(qū)域內(nèi)污染物擴散范圍和濃度分布；亦是學者在空氣質(zhì)量數(shù)值模擬和大氣污染擴散問題中最為關(guān)注的研究對象之一. 邊界層內(nèi)的大氣垂直運動對污染物稀釋擴散也具有重要作用[13-14].

近年來多位學者已對我國不同地區(qū)大氣污染特征及機理開展了研究. Davis等[15]指出，大尺度環(huán)流形勢和局地氣象條件對重污染過程起決定作用. 魏文秀等[16]統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，河北省霾的分布、出現(xiàn)與當?shù)靥鞖庑蝿荽嬖陲@著相關(guān). 張曉云等[17]對天津市秋季典型環(huán)境污染過程個例的分析也表明，在污染峰值階段，層結(jié)穩(wěn)定，逆溫層加強，環(huán)流場穩(wěn)定少變，地面風力微弱. 王躍思等[18]研究發(fā)現(xiàn)，天氣系統(tǒng)弱、強冷空氣活動少等極其不利于污染物擴散的局地氣象條件是造成2013年1月席卷我國中東部地區(qū)罕見強霾污染事件的主要外因. 孟曉艷等[19]對京津冀地區(qū)大氣污染過程的分析結(jié)果顯示，該地區(qū)ρ(PM2.5)與風速、相對濕度分別呈顯著的負相關(guān)、正相關(guān)，與氣壓呈負相關(guān)；地面風速小、相對濕度高、大氣層結(jié)穩(wěn)定，是導致空氣質(zhì)量惡化和強霧霾事件頻發(fā)的主要原因之一. 程念亮等[20]則通過對2014年10月北京市4次典型大氣重污染過程深入分析研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定的氣象條件是形成京津冀地區(qū)大氣污染的主要原因. 隨著近年來西北地區(qū)污染天氣的頻發(fā)，學者們也初步開展了寧夏回族自治區(qū)大氣污染的研究工作，結(jié)果[21]表明，銀川市氣溶膠質(zhì)量濃度與能見度相關(guān)性最好，細顆粒物對能見度影響比粗粒子更為嚴重，風速與ρ(PM2.5)呈負相關(guān)；并發(fā)現(xiàn)當寧夏回族自治區(qū)上空500 hPa盛行西北氣流、平直西風氣流、西南氣流，地面位于鋒前暖區(qū)或氣壓梯度較小區(qū)域或鋒面過境前后時，銀川市易出現(xiàn)灰霾天氣.

寧夏回族自治區(qū)地處我國西北內(nèi)陸，屬典型的大陸性半濕潤半干旱氣候，西面、北面和東面被騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地包圍，南面與黃土高原相連. 受黃土高原自然條件和周圍沙漠源的影響，寧夏回族自治區(qū)大氣中顆粒物本底值相對較高. 近年來，隨著寧夏回族自治區(qū)大力發(fā)展高耗能工業(yè)，城市化和工業(yè)化加快，以煤炭為主的能源消耗量的迅速增加，大氣污染問題日益嚴峻，加之銀川市地處賀蘭山東側(cè)，受山體屏障作用影響，冬季平均風速較小，造成以銀川市為中心的沿黃經(jīng)濟區(qū)霧、霾等重污染天氣明顯增多[22]. 該研究利用2016年冬季銀川市兩次典型持續(xù)大氣污染過程的環(huán)境與氣象觀測資料，分析了持續(xù)污染天氣過程中首要污染物演變規(guī)律，及其與氣象要素的關(guān)系，研究比較了不同污染過程天氣背景和邊界層結(jié)構(gòu)變化特征，以期為銀川市大氣污染預(yù)報預(yù)警提供預(yù)報思路與技術(shù)指導，對寧夏回族自治區(qū)開展應(yīng)對持續(xù)性大氣污染防治工作具有重要意義.

1 資料與方法

1.1 資料與污染過程選取

該研究大氣氣溶膠小時觀測資料來源于銀川市國家氣候觀象臺，資料時段為2016年12月1日—2017年1月31日，觀測儀器采用德國GRIMM氣溶膠技術(shù)公司的EDM180型在線環(huán)境顆粒物氣溶膠粒徑譜儀，該儀器每5 min采樣一次，氣體恒定流量1.20 Lmin，能輸出每日24時次的氣溶膠質(zhì)量濃度數(shù)據(jù). 同期氣象資料來源于銀川市國家氣候觀象臺，包括逐小時氣溫、風速、風向、相對濕度、能見度，以及每日08:00和20:00探空觀測獲取的邊界層常規(guī)氣象要素數(shù)據(jù). 另外，還使用了NCEP (National Centers for Environmental Prediction，美國國家環(huán)境預(yù)測中心)空間分辨率為2.5°×2.5°、時間分辨率為6 h的大氣環(huán)流場再分析資料.

在對氣溶膠小時觀測資料和站點氣象觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制處理的基礎(chǔ)上，首先對研究時段的大氣氣溶膠、氣象要素和再分析資料數(shù)據(jù)做日均值統(tǒng)計分析；其次，根據(jù)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》[23]及HJ 663—2013《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》[24]，依據(jù)ρ(PM2.5)對銀川市大氣污染級別進行劃分和篩選；最后，綜合考慮大氣污染級別和大氣污染過程持續(xù)時間，選取2016年12月9—21日(簡稱“1211過程”)和2016年12月29日—2017年1月9日(簡稱“1231過程”)兩次典型污染過程作為分析研究對象.

1.2 大氣邊界層高度確定方法

Holzworth[25]于20世紀60年代提出了干絕熱曲線法確定大氣邊界層高度(混合層厚度). 該方法假設(shè)空氣為干空氣或為未飽和濕空氣的條件下，湍流混合的結(jié)果會促使氣層的溫度垂直分布趨于干絕熱遞減率，則平均最大混合層厚度是由溫度廓線和地面最高氣溫而定；亦即在溫度-對數(shù)壓力圖上，從清晨到地面達最高氣溫以前，地面氣溫與氣壓所確定的點沿干絕熱線上升，與探測的大氣溫度垂直廓線相交，交點以下便是混合層，交點對應(yīng)的高度便是最大混合層厚度. 該方法適用于有探空資料的地區(qū)，在西北地區(qū)計算結(jié)果也比較可靠[26-27]. 故采用該方法計算確定銀川市冬季兩次典型污染過程邊界層高度(混合層厚度). 干絕熱曲線法確定邊界層高度的計算公式[28]:

(1)

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 兩次典型污染過程特征

2.1.1ρ(PM2.5)演變特征

根據(jù)銀川市兩次典型污染過程(1211過程和1231過程)發(fā)展演變特征，結(jié)合整個污染事件過程中ρ(PM2.5)的變化趨勢，將兩次典型污染過程劃分為3個階段，即積累階段、持續(xù)階段和清除階段. 由圖1可見，兩次典型污染過程在積累階段ρ(PM2.5)均從良升至輕度污染等級，而在持續(xù)階段ρ(PM2.5)始終維持在104.0～175.2 μg/m3之間，屬于輕度-重度污染等級，到清除階段ρ(PM2.5)則從輕度污染降至優(yōu)或良.

圖1 兩次典型污染過程ρ(PM2.5)演變特征Fig.1 The evolution characteristics of PM2.5 in two typical pollution processes

2.1.2ρ(PM2.5)與氣象要素的關(guān)系

研究[29-30]表明，重污染發(fā)生時，風速較小，相對濕度較大，邊界層高度降低，ρ(PM2.5)逐漸積累. 因此對兩次典型污染過程中各階段風速、主導風向、相對濕度、能見度特征進行統(tǒng)計，以便分析兩次典型污染過程中氣象要素與ρ(PM2.5)的初步關(guān)系. 由表1可見，銀川市兩次典型污染過程中氣象要素具有明顯一致的變化特征，即在積累到持續(xù)階段，相對濕度逐漸增加，風向為偏東或偏南風，風速逐步減小，轉(zhuǎn)為靜穩(wěn)天氣，水平擴散條件差，能見度降低；進入清除階段后，相對濕度減小，風向轉(zhuǎn)為西北或偏北風，風速逐步增大，擴散條件逐步轉(zhuǎn)好，能見度升高.

表1 兩次典型污染過程3個階段的氣象要素統(tǒng)計特征

為進一步分析不同氣象因子與銀川市冬季大氣污染過程中ρ(PM2.5)的關(guān)系，計算兩次典型污染過程中風速、相對濕度等氣象要素與大氣中ρ(PM2.5)之間的相關(guān)系數(shù). 由表2可見：兩次典型污染過程中ρ(PM2.5)與風速呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.495 和-0.157 (平均值為-0.326)，表明風速越小，水平擴散條件越差，越有利于ρ(PM2.5)積累和增大；而ρ(PM2.5)與相對濕度呈明顯正相關(guān)，在兩次典型污染過程中二者相關(guān)系數(shù)分別為0.675和0.701(平均值為0.688)，即相對濕度越大，越有利于顆粒物吸濕積累；同時，兩次典型污染過程中ρ(PM2.5)與能見度相關(guān)系數(shù)分別為-0.905 和-0.904(平均值為-0.905)，二者之間呈顯著負相關(guān)，表明在污染過程中水汽會以污染物為凝結(jié)核使得小水滴變大，增加視程障礙，從而降低能見度，造成水平能見度變差；兩次典型污染過程中ρ(PM2.5)與氣壓的相關(guān)系數(shù)分別為0.129和-0.553，與氣溫的相關(guān)關(guān)系分別為-0.488 和0.742. 在1211過程中，銀川市呈地面氣壓先升后降、氣溫先降后升的變化趨勢，而在1231過程中呈地面氣壓先降后升、氣溫先升后降的變化趨勢，這是導致兩次過程中ρ(PM2.5)與氣壓、氣溫相關(guān)系數(shù)存在顯著差異的主要原因.

2.2 兩次典型污染過程天氣背景特征

由圖2可見：兩次典型污染過程高空500 hPa亞歐大陸中緯度地區(qū)大氣環(huán)流均為緯向氣流，高空風速小，均屬于靜穩(wěn)型污染天氣. 其中，1211過程，銀川市受蒙古國到新疆維吾爾自治區(qū)脊前弱西北氣流控制(西北氣流型污染天氣)，中緯度等高線稀疏，氣壓梯度力小，沿脊前下滑冷空氣弱；1231過程，銀川市處在平直弱西風氣流中(平直西風氣流型污染天氣)，中緯度等高線較稀疏，西風風速小，銀川市上游氣流平直，無冷空氣活動.

表2 兩次典型污染過程中ρ(PM2.5)與氣象因子間的相關(guān)系數(shù)

由圖3可見，兩次典型污染過程中850 hPa邊界層銀川市上空受反氣旋環(huán)流和暖溫度脊控制，其周邊大范圍無等高線通過，氣壓梯度很弱，邊界層風速小，大氣湍流弱，其西南部有弱暖平流向北輸送，有利于邊界層溫度升高，邊界層的氣象特征有利于逆溫的持續(xù)維持. 1211過程，銀川市處在蒙古冷高壓后部的弱東北風中，持續(xù)的東北風有利于內(nèi)蒙古自治區(qū)污染物向銀川市擴散傳輸，相對濕度在50%～60%之間，濕度條件有利于ρ(PM2.5)在近地面層吸濕性增長及累積，風小不利于污染物水平擴散；同時，東北風也使得北部冷空氣南下，污染持續(xù)階段銀川市地面氣壓升高，溫度下降. 1231過程，銀川市處在地面低壓倒槽輻合區(qū)中，倒槽兩側(cè)西南和東南風使得周邊污染物向銀川市輻合聚集，持續(xù)的偏南風有利于地面增濕，污染物吸濕積累；同時，倒槽使得兩側(cè)空氣向槽內(nèi)輻合上升，污染持續(xù)階段銀川市地面氣壓下降，溫度升高.

圖2 兩次典型污染過程500 hPa平均環(huán)流形勢Fig.2 The average circulations of 500 hPa in two typical pollution processes

圖3 兩次典型污染過程850 hPa高度、溫度、風場平均合成圖Fig.3 The average geopotential height, temperature and wind field of 850 hPa in two typical pollution processes

綜上，不利于污染物擴散的高低空天氣形勢易導致連續(xù)靜穩(wěn)天氣的出現(xiàn)，為大氣污染的形成及維持提供了穩(wěn)定的大氣環(huán)流背景.

圖4 兩次典型污染過程邊界層高度和ρ(PM2.5)逐日變化Fig.4 The diurnal variations of boundary layer height and PM2.5 in two typical pollution processes

2.3 兩次典型污染過程邊界層結(jié)構(gòu)特征

2.3.1兩次典型污染過程邊界層高度變化

為進一步研究大氣邊界層高度對污染物濃度的影響，利用干絕熱曲線法和銀川市國家氣候觀象臺探空資料計算了兩次典型污染過程的大氣邊界層高度. 1211過程和1231過程中邊界層高度與ρ(PM2.5)均呈較顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.57 和-0.58(平均值為-0.575). 雖然兩次典型污染過程均具有污染積累階段邊界層高度降低、清除階段邊界層高度升高的特征，但也存在明顯差異. 由圖4可見：1211過程污染物積累慢、清除快，污染持續(xù)階段邊界層高度普遍在500～600 m之間；12月13日邊界層高度升至987 m，ρ(PM2.5)降至70.2 μg/m3，ρ(PM2.5)從輕度污染降至良，污染物質(zhì)量濃度隨邊界層升高下降快. 1231過程污染物積累快、清除慢，污染持續(xù)階段邊界層高度普遍在600～700 m之間；1月3日邊界層高度升至893 m，1月4日ρ(PM2.5)降至104.0 μg/m3，ρ(PM2.5)從重度污染降至輕度污染，ρ(PM2.5)對邊界層高度變化的響應(yīng)具有一定時間的延遲與滯后.

2.3.2兩次典型污染過程位溫特征

研究[31]表明，污染物的垂直擴散不僅受邊界層高度的影響，邊界層內(nèi)大氣層結(jié)穩(wěn)定度也是直接影響湍流活動強弱，污染擴散的重要因素. 圖5為兩次典型污染過程逐日大氣位溫高度-時間剖面結(jié)果. 由圖5可見，兩次典型污染過程中邊界層位溫隨高度變化趨勢總體一致，即在對流層中低層大氣位溫隨高度增加而遞增或不變，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)或隨意平衡的中性狀態(tài). 受高空大氣環(huán)流影響，兩次典型污染過程邊界層變化也存在不同. 1211過程，銀川市受蒙古國到新疆維吾爾自治區(qū)高空弱脊前西北氣流控制，天空晴朗少云，白天地面吸收太陽輻射而獲得熱量多，夜間地面輻射降溫明顯，白天地表非絕熱加熱和夜間地面輻射冷卻對低層大氣溫度的影響明顯，低層空氣湍流較強，使得垂直方向上大氣混合較充分，550 m以下低層位溫在6～10 ℃之間，垂直梯度較小，逆溫強度較弱〔見圖5(a)〕. 而1231過程，銀川市受中緯度平直弱西風氣流控制，天空多云系，白天地面吸收太陽輻射而獲得熱量少，夜間地面輻射降溫弱，白天和夜間地表對近地層大氣溫度的影響不明顯，空氣湍流弱，使得垂直方向上大氣混合不充分，550 m以下低層位溫在6～18 ℃之間，垂直梯度較大，逆溫較強〔見圖5(b)〕.

2.3.3兩次典型污染過程大氣垂直運動特征

霧霾及空氣污染過程發(fā)生在大氣靜穩(wěn)背景下，一般在前次冷空氣過后的數(shù)天之內(nèi)開始積累加重，人們普遍關(guān)注逆溫、地面小風速和混合層高度低等不利于污染物擴散的因素，認為逆溫導致邊界層“臟”空氣上升運動受阻，大風能夠吹跑霧霾，混合層高度增大能夠稀釋污染. 根據(jù)ω方程(大氣垂直運動方程)，暖平流區(qū)有上升運動，冷平流區(qū)有下沉運動[32]，尤其850 hPa存在暖脊、暖平流又較弱時，使得850 hPa以下為微弱上升運動，這種微弱上升運動既不足以稀釋污染，高空清潔大氣又不能下沉到達地面，垂直交換停滯，易導致污染積累加重，大氣垂直運動對污染物稀釋擴散也起到了重要作用. 由圖6可見：在兩次典型污染過程的持續(xù)階段，銀川市近地層均為弱上升或弱下沉運動，這種微弱上升或下沉運動不足以稀釋污染，逆溫又抑制了高空清潔空氣的下沉，垂直交換停滯，導致污染積累加重；清除階段，低層風速加大，湍流運動加強，逆溫層被破壞，邊界層高度升高，中低層上升氣流加強，高空清潔空氣與近地面“臟”空氣交換，近地面污染物質(zhì)量濃度迅速減小，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好. 同時，兩次典型污染過程中大氣垂直運動又存在明顯差異. 1211過程中，銀川市900 hPa以上盛行偏北風，對流層以下沉運動為主，高空下沉氣流壓縮了低層空氣，邊界層高度降低，污染物稀釋擴散空間小，造成污染天氣加重；而在1231過程中，從地面至250 hPa高空盛行偏西、偏南風，對流層上升和下沉氣流交替出現(xiàn)，高空多云系，有利于低層逆溫持續(xù)維持和增強，低層空氣湍流弱，污染加重.

圖5 兩次典型污染過程位溫高度-時間剖面圖Fig.5 The potential temperature height-time profiles in two typical pollution processes

圖6 兩次典型污染過程大氣垂直速度時空剖面Fig.6 The spatial-temporal profiles of vertical velocity in two typical pollution processes

3 結(jié)論

a) 銀川市冬季典型污染過程的污染持續(xù)階段，地面風向為偏東或偏南風，風速(平均值為1.0 ms)較小，相對濕度(平均值為54.2%)較大，能見度(平均值為3.0 km)較低；清除階段，地面風向轉(zhuǎn)為西北或偏北風，風速(平均值為3.1 ms)較大，相對濕度(平均值為43.8%)較小，能見度(平均值為8.6 km)較高；ρ(PM2.5)與風速呈負相關(guān)(R平均值為-0.326)，與相對濕度呈明顯正相關(guān)(R平均值為0.688)，與能見度呈明顯負相關(guān)(R平均值為-0.905).

b) 對兩次典型污染過程天氣背景分析結(jié)果顯示，500 hPa歐亞大陸中緯度地區(qū)大氣環(huán)流均為緯向氣流，850 hPa邊界層銀川市上空均受反氣旋環(huán)流和暖溫度脊控制，其西南部有弱暖平流向北輸送，均屬于靜穩(wěn)型污染天氣.

c) 統(tǒng)計相關(guān)性分析表明，兩次典型污染過程中邊界層高度與ρ(PM2.5)均呈較明顯負相關(guān)(R平均值為-0.575). 污染持續(xù)階段，邊界層高度均明顯降低，邊界層內(nèi)大氣層結(jié)穩(wěn)定，為弱上升或弱下沉氣流；清除階段，邊界層高度升高，對流層中低層風速加大，上升氣流增強，高空清潔空氣與近地面“臟”空氣交換，污染物質(zhì)量濃度迅速減小.

d) 1211過程為西北氣流型污染天氣，污染持續(xù)階段邊界層高度低，普遍在500～600 m之間，近地面層逆溫弱，污染物積累慢，清除快；1231過程為平直西風氣流型污染天氣，污染持續(xù)階段邊界層高度普遍在600～700 m之間，近地面層逆溫強，污染物積累快，清除慢，污染物質(zhì)量濃度對邊界層高度變化的響應(yīng)具有一定的延遲與滯后.

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