段云霞，李得勤，田 莉，李 霞，吳宇童，白 華，班偉龍

(1.遼寧省沈陽(yáng)市氣象局，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110166；3.沈陽(yáng)中心氣象臺(tái)，遼寧 沈陽(yáng) 110166；4.北京市人工影響天氣辦公室，北京 100089)

引 言

遼寧中部城市群地處東北亞的中心地帶，是東北經(jīng)濟(jì)區(qū)和環(huán)渤海都市圈的重要組成部分。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，遼寧中部城市群經(jīng)濟(jì)一體化的形態(tài)和特征日益凸現(xiàn)，但隨之而來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的資源消耗、農(nóng)田秸稈的不完全燃燒和冬季取暖導(dǎo)致污染排放量較大，該區(qū)域已成為我國(guó)北方僅次于京津冀的重污染區(qū)域，其污染呈現(xiàn)區(qū)域性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染重的特征。污染天氣的頻發(fā)嚴(yán)重影響了人體健康，阻礙了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，因此大氣污染防控受到社會(huì)普遍關(guān)注，成為當(dāng)?shù)卣h(huán)境治理的重點(diǎn)任務(wù)。

污染天氣主要由污染源和氣象條件決定，在排放源不變的條件下氣象條件起決定性作用[1-2]。我國(guó)大氣污染多以硫酸鹽、硝酸鹽等二次污染源占比最大，工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)動(dòng)車(chē)、燃煤、揚(yáng)塵等都是主要的污染來(lái)源[3-5]。此外，還有來(lái)自外部傳輸?shù)奈廴疚?，北方城市污染具有明顯的跨城市群輸送特征，其中京津冀污染中跨城市群輸送的貢獻(xiàn)達(dá)20%～35%[6]。研究發(fā)現(xiàn)，污染物濃度與溫度、相對(duì)濕度、大氣穩(wěn)定度和正變壓存在顯著的相關(guān)關(guān)系[7-11]。重污染天氣通常伴有逆溫層結(jié)，甚至存在多個(gè)逆溫層，使得污染物無(wú)法垂直向上傳輸[12-14]；高濕環(huán)境有利于污染物的吸濕增長(zhǎng)，雨水對(duì)污染物有沖刷和清潔作用[15]，但弱降水配合850 hPa高度0 ℃左右的溫度環(huán)境，會(huì)使污染加重[16]；風(fēng)向決定著大氣中污染物的輸送方向，風(fēng)速則影響污染物的擴(kuò)散、稀釋速度，進(jìn)而影響污染物的濃度，通常低風(fēng)速不利于污染物的擴(kuò)散，但風(fēng)速與污染物濃度的負(fù)相關(guān)關(guān)系并不完全成立，還與污染物的來(lái)源有關(guān)[17-19]?？梢?jiàn)，同一氣象要素在不同污染天氣過(guò)程中的作用存在一定差異，有必要對(duì)更多典型過(guò)程進(jìn)行深入分析，以期更好地為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境治理服務(wù)。

目前，空氣污染預(yù)報(bào)方法主要有兩種：一是污染物質(zhì)量濃度與氣象要素的統(tǒng)計(jì)模型[20-21]，其計(jì)算量小，且具有一定的適用性，但有的污染物濃度(如PM10)很難通過(guò)線性和非線性模型進(jìn)行較好的描述，導(dǎo)致預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不高[22]；二是通過(guò)天氣模式來(lái)驅(qū)動(dòng)污染模式，或者是二者的耦合模型。由于不能準(zhǔn)確給出城市及外來(lái)主要污染源，空氣質(zhì)量模式仍然無(wú)法進(jìn)行很好的預(yù)報(bào)。因此，目前空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)是以空氣質(zhì)量模式預(yù)報(bào)結(jié)果為基礎(chǔ)，綜合考慮氣象條件以及本地和外來(lái)污染物實(shí)況訂正結(jié)論，利用綜合結(jié)果來(lái)指導(dǎo)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。

近年來(lái)，遼寧地區(qū)10月底至11月初，伴隨著供暖的開(kāi)始，靜穩(wěn)天氣條件下極易發(fā)生重污染天氣。2015年11月7—10日，伴隨著前期弱降水過(guò)程和靜穩(wěn)天氣條件，又正值東北地區(qū)農(nóng)田秸稈燃燒時(shí)期，遼寧中部城市群出現(xiàn)歷史罕見(jiàn)的區(qū)域性重污染天氣過(guò)程[16]。此次區(qū)域性污染天氣過(guò)程，在環(huán)流背景相同條件下城市間污染物濃度差異明顯，為了探討不同城市間污染差異的原因，分析了不同城市的污染物特征及對(duì)應(yīng)的氣象條件，以期為今后該省重污染天氣的預(yù)報(bào)和防治提供一定參考。

1 資料、模式及方法

1.1 資料和模式

使用遼寧省環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中心提供的遼寧省14市76個(gè)監(jiān)測(cè)站PM2.5、SO2、CO、O3和NO2污染物質(zhì)量濃度逐小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象觀測(cè)站逐小時(shí)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)以及空間分辨率為0.5°×0.5°的全球氣象資料同化系統(tǒng)(global data assimilation system, GDAS)和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for medium-range weather forecasts, ECMWF)再分析資料。污染物監(jiān)測(cè)點(diǎn)大多集中在城區(qū)，因此分別對(duì)14市城區(qū)污染物監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以此代表對(duì)應(yīng)城市污染物特征。按照同樣的方法對(duì)氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。

HYSPLIT(hybrid single-particle Lagrangian integrated trajectory model)是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局共同研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析氣流運(yùn)動(dòng)、污染物沉降和擴(kuò)散軌跡的綜合模式系統(tǒng)，該模型通常用來(lái)追蹤氣流所攜帶的粒子或氣體移動(dòng)方向，已被廣泛應(yīng)用于大氣污染物的傳輸和擴(kuò)散研究中[23]。使用2015年11月6日20:00、7日08:00和20:00共3個(gè)時(shí)次的GDAS再分析資料驅(qū)動(dòng)HYSPLIT模式，用以分析污染物的來(lái)源和傳輸路徑。

1.2 混合層高度計(jì)算方法

混合層高度能夠反映熱力對(duì)流與動(dòng)力湍流在垂直方向上對(duì)污染物輸送的能力，是污染物在垂直方向擴(kuò)散的主要指標(biāo)[24-25]，混合層高度越高，大氣環(huán)境容量越大，擴(kuò)散能力越強(qiáng)，反之，混合層高度越低，大氣環(huán)境容量越小，擴(kuò)散能力越弱，污染物濃度上升。此外，PM2.5日均質(zhì)量濃度和混合層高度呈指數(shù)關(guān)系，混合層高度越低，PM2.5質(zhì)量濃度越高[26]。

邊界層上部的大氣運(yùn)動(dòng)和地面氣象要素之間存在一種相互反饋機(jī)制，可以利用地面氣象要素估算混合層高度。程水源等[27]對(duì)比了3種計(jì)算大氣混合層高度的方法，發(fā)現(xiàn)羅氏法得到的混合層高度更具有代表性，其公式為：

(1)

式中：H為混合層高度(m)；P為穩(wěn)定度級(jí)別，取值為1～6，分別對(duì)應(yīng)為強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定；T-Td為溫度露點(diǎn)差(℃)，可通過(guò)2 m觀測(cè)的氣溫和相對(duì)濕度計(jì)算得到；UZ為距離地面高度Z處的風(fēng)速(m·s-1)，這里Z取10 m；Z0為地面摩擦系數(shù)；f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，f=2ωsinφ，其中地球自轉(zhuǎn)角速度ω取值7.292×10-5rad·s-1，φ為站點(diǎn)緯度。地面摩擦系數(shù)Z0一般與地表粗糙度和城市規(guī)模有關(guān)，鄉(xiāng)村地區(qū)一般取值0.03～0.2 m，市區(qū)一般取值0.8～2.0 m[28-30]。由于各市環(huán)境監(jiān)測(cè)站均位于城區(qū)，結(jié)合遼寧中部城市規(guī)模，這里Z0取1.5 m。根據(jù)本次污染過(guò)程的天氣條件，P取值為5，對(duì)應(yīng)較穩(wěn)定。

2 污染物時(shí)空分布特征

2015年11月7—10日遼寧省中部城市群出現(xiàn)了歷史上罕見(jiàn)的區(qū)域性重污染天氣，經(jīng)歷兩次污染高峰時(shí)段，分別為7日08:00(北京時(shí)，下同)和8日14:00前后。從兩次污染峰值階段的PM2.5質(zhì)量濃度[圖1(a)]、[圖1(b)]看出，第一階段(7日02:00—14:00)PM2.5質(zhì)量濃度較第二階段(8日00:00至9日02:00)明顯偏小，第一階段營(yíng)口市的污染物質(zhì)量濃度較高，PM2.5質(zhì)量濃度超過(guò)800 μg·m-3，而第二階段重污染則分布在中部城市群，沈陽(yáng)、鞍山、鐵嶺、遼陽(yáng)、本溪等地區(qū)污染最重，前三個(gè)地區(qū)的PM2.5質(zhì)量濃度均超過(guò)1000 μg·m-3，污染程度極為罕見(jiàn)。從能見(jiàn)度的空間分布[圖1(c)和圖1(d)]來(lái)看，第一階段沈陽(yáng)、遼陽(yáng)、鞍山和營(yíng)口地區(qū)能見(jiàn)度較低，為1～2 km，而第二階段遼寧省中東部地區(qū)能見(jiàn)度較低，最低能見(jiàn)度接近200 m，低能見(jiàn)度的范圍與PM2.5高質(zhì)量濃度范圍基本一致。

圖1 2015年11月7日08:00(a、c)和8日14:00(b、d)遼寧省PM2.5質(zhì)量濃度(a、b，單位：μg·m-3)和能見(jiàn)度(c、d，單位：m)的空間分布Fig.1 The spatial distribution of PM2.5 mass concentration (a, b, Unit: μg·m-3) and visibility (c, d, Unit: m) at 08:00 BST (a, c) November 7 and 14:00 BST (b, d) November 8, 2015 in Liaoning Province

為進(jìn)一步對(duì)比遼寧省不同城市間污染物平均質(zhì)量濃度和能見(jiàn)度的變化特征，選擇沈陽(yáng)、本溪、錦州、盤(pán)錦和營(yíng)口5個(gè)代表城市。從圖2看出，第一污染階段主要出現(xiàn)在遼寧省中部沿海及附近地區(qū)，污染維持近12 h，盤(pán)錦和營(yíng)口PM2.5平均質(zhì)量濃度明顯高于其他3個(gè)城市，且小時(shí)濃度變化明顯，最大質(zhì)量濃度分別達(dá)669.7和812.3 μg·m-3；營(yíng)口相對(duì)濕度較高，在60%以上，而盤(pán)錦相對(duì)濕度略低(40%左右)，但兩者均快速增至80%以上，高濕有利于污染物的集聚，導(dǎo)致能見(jiàn)度持續(xù)下降，最低達(dá)2 km。第二階段從8日00:00開(kāi)始，沈陽(yáng)、盤(pán)錦和營(yíng)口、本溪地區(qū)PM2.5平均質(zhì)量濃度依次快速上升，于8日14:00前后達(dá)到峰值，波峰值自沈陽(yáng)、本溪、營(yíng)口、盤(pán)錦、錦州依次減小，其中沈陽(yáng)和本溪PM2.5平均質(zhì)量濃度維持在500 μg·m-3以上的時(shí)間分別長(zhǎng)達(dá)20 h和14 h，沈陽(yáng)個(gè)別監(jiān)測(cè)站PM2.5濃度峰值高達(dá)1400 μg·m-3，污染導(dǎo)致上述兩地區(qū)能見(jiàn)度不足1 km的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)32 h。另外發(fā)現(xiàn)，錦州在第二污染階段的相對(duì)濕度僅為40%左右，且PM2.5平均質(zhì)量濃度較其他城市低，故而維持較好的能見(jiàn)度；第二污染階段本溪和營(yíng)口的PM2.5平均質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本一致，峰值相差200 μg·m-3左右，但本溪在7日14:00至8日14:00相對(duì)濕度一直維持在90%以上，造成本溪能見(jiàn)度顯著低于營(yíng)口。可見(jiàn)，能見(jiàn)度受PM2.5平均質(zhì)量濃度和相對(duì)濕度共同影響。

圖3給出這次污染過(guò)程期間沈陽(yáng)、本溪、錦州、盤(pán)錦和營(yíng)口地區(qū)4種污染物平均質(zhì)量濃度的逐小時(shí)變化。可以看出，各城市污染物CO的平均質(zhì)量濃度最高，為750～4000 μg·m-3，其他3種污染物的平均質(zhì)量濃度均低于240 μg·m-3；CO和NO2平均質(zhì)量濃度在8日02:00至9日02:00的逐時(shí)變化特征與PM2.5平均質(zhì)量濃度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而SO2和O3平均質(zhì)量濃度的變化與PM2.5平均質(zhì)量濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。此次污染過(guò)程中CO污染物成分占比最高，且CO:NOx:SO2的比例與秸稈露天焚燒中三者的比例接近，故認(rèn)為是典型秸稈燃燒導(dǎo)致的重污染天氣過(guò)程，這與以往研究結(jié)論較一致[23,31]。

圖2 2015年11月7日02:00至10日20:00沈陽(yáng)、本溪、錦州、盤(pán)錦和營(yíng)口市PM2.5平均質(zhì)量濃度(a)、能見(jiàn)度(b)、相對(duì)濕度(c)的逐小時(shí)變化Fig.2 Hourly variation of PM2.5 mass concentration (a), visibility (b), relative humidity (c) from 02:00 BST November 7 to 20:00 BST November 10, 2015 in Shenyang, Benxi, Jinzhou, Panjin and Yingkou of Liaoning Province

圖3 2015年11月7日02:00至10日20:00沈陽(yáng)、本溪、錦州、盤(pán)錦和營(yíng)口地區(qū)CO(a)、NO2(b)、O3(c)、SO2(d)質(zhì)量濃度的逐小時(shí)變化Fig.3 Hourly variation of mass concentration of CO (a), NO2 (b), O3 (c) and SO2 (d) from 02:00 BST November 7 to 20:00 BST November 10, 2015 in Shenyang, Benxi, Jinzhou, Panjin and Yingkou of Liaoning Province

3 重污染事件的天氣特征及診斷

3.1 重污染天氣的環(huán)流特征

重污染天氣一般對(duì)應(yīng)平直的緯向環(huán)流。11月7日08:00至8日20:00(圖4)，500 hPa高度上遼寧省一直處于平直的南支槽槽前。第一污染階段，850 hPa高度上營(yíng)口和盤(pán)錦地區(qū)處于氣旋性環(huán)流頂部，存在東南風(fēng)和偏東風(fēng)的氣流輻合，偏東風(fēng)有利于水汽輸送[圖4(a)和圖4(b)]。較好的水汽條件，伴隨著地面的輻合，有利于污染物吸濕增長(zhǎng)和積聚。隨著系統(tǒng)的東移北上，8日08:00，850 hPa高度上遼寧中東部地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為氣旋性環(huán)流控制[圖4(c)]，沈陽(yáng)、本溪地區(qū)為東北風(fēng)和偏北風(fēng)的輻合，為污染物的積聚提供了較好的動(dòng)力和濕度條件，8日14:00前后出現(xiàn)第二次重污染，而營(yíng)口和盤(pán)錦雖維持較好的濕度條件，但基本為偏北風(fēng)控制，不利于污染物的積聚，故而營(yíng)口、盤(pán)錦較沈陽(yáng)和本溪污染物濃度偏低。整個(gè)污染時(shí)段遼寧中部地區(qū)850 hPa高度上溫度基本為0 ℃，0 ℃覆蓋范圍穩(wěn)定少動(dòng)，有利于云中水粒子發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換。8日20:00[圖4(d)]，850 hPa高度上遼寧中部地區(qū)位于氣旋性環(huán)流后部，受偏北風(fēng)控制，利于污染物的擴(kuò)散。

3.2 重污染天氣前期降水特征

重污染天氣開(kāi)始前，遼寧省發(fā)生了一次降水天氣過(guò)程，高濕條件為污染天氣的形成提供了極有利的條件。表1是2015年11月7日03:00—17:00遼寧省5個(gè)代表城市逐小時(shí)降水量，發(fā)現(xiàn)此次降水過(guò)程僅本溪和營(yíng)口的累計(jì)降水量超過(guò)10.0mm，達(dá)到中雨量級(jí)，其他3個(gè)城市均為小雨量級(jí)。其中，營(yíng)口的降水開(kāi)始較早(7日03:00)，但7日08:00之前的小時(shí)雨量均小于1.0 mm，前期弱降水伴隨的高濕環(huán)境導(dǎo)致降水云中冰核數(shù)量增加[32]，不利于污染物的清除，反而有助于污染物的積累；09:00—14:00，營(yíng)口小時(shí)雨量大于1.0 mm，對(duì)應(yīng)的PM2.5質(zhì)量濃度快速下降，降水對(duì)污染物濕沉降作用明顯。在第一污染峰值階段后，盤(pán)錦和錦州的累計(jì)雨量分別為4.4、4.0 mm，最大小時(shí)雨量分別為1.8、2.2 mm，對(duì)污染物有濕沉降作用，而沈陽(yáng)小時(shí)雨量始終小于1.0 mm，濕度增加有利于污染物吸濕增長(zhǎng)。雖然本溪降水量較其他站點(diǎn)大，但前期PM2.5質(zhì)量濃度不高，降水的濕沉降作用不明顯，但隨著降水的結(jié)束，較好的濕度條件有利于污染物不斷積聚，致使能見(jiàn)度持續(xù)下降。

圖4 2015年11月7日(a、b)和8日(c、d)08:00(a、c)、20:00 (b、d) 500 hPa高度場(chǎng)(黑色線，單位：gpm)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢桿，單位：m·s-1)、溫度場(chǎng)(紅色虛線，單位：℃)、相對(duì)濕度場(chǎng)(陰影，單位：%)分布Fig.4 The distribution of 500 hPa geopotential height field (black lines, Unit: gpm) and 850 hPa wind field (wind shafts, Unit: m·s-1), temperature field (red dotted lines, Unit: ℃), relative humidity field (shadows, Unit: %) at 08:00 BST (a, c) and 20:00 BST (b, d) November 7 (a, b) and November 8 (c, d), 2015

表1 2015年11月7日03:00—17:00遼寧代表城市小時(shí)雨量變化Tab.1 Hourly variation of precipitation from 03:00 BST to 17:00 BST on 7 November 2015 in representative cities of Liaoning Province 單位：mm

另外，降水期間沈陽(yáng)市3個(gè)自動(dòng)站出現(xiàn)不同的降水相態(tài)，蘇家屯為純雨，渾南區(qū)和沈北新區(qū)由雨轉(zhuǎn)為雨夾雪，最后為雪，其中渾南區(qū)還出現(xiàn)凍雨天氣，其他城市降水也存在相態(tài)轉(zhuǎn)換。從地面溫度變化(圖略)來(lái)看，7日02:00到8日14:00，5個(gè)城市地面溫度均在0 ℃徘徊，其中沈陽(yáng)市的地面溫度變化最小，伴隨著降水相態(tài)的變化，污染物粒子與不同相態(tài)水物質(zhì)結(jié)合，利于污染物濃度增大，也是造成污染最重的原因之一。

3.3 混合層高度特征

混合層高度是反映地表污染物向大氣排放的重要參數(shù)，混合層高度越高，越有利于污染物垂直方向的擴(kuò)散[24-25]。一般情況下，混合層高度具有明顯的白天升高、夜間降低的日變化特征。從本次污染過(guò)程各城市混合層高度的逐時(shí)變化(圖5)來(lái)看，7日02:00至9日02:00受地面倒槽影響，遼寧省上空云層密實(shí)、湍流活動(dòng)較弱，5個(gè)城市混合層高度日變化特征不明顯。其中，錦州平均混合層高度最大，整個(gè)時(shí)段污染物平均質(zhì)量濃度最低，且2個(gè)污染階段污染物質(zhì)量濃度變化不大；盡管盤(pán)錦7日02:00—14:00混合層平均高度高于7日14:00至8日14:00，但前一階段較大的偏北風(fēng)有利于污染物傳輸，配合低層850 hPa風(fēng)場(chǎng)輻合，造成前一階段污染較后一階段偏強(qiáng)；營(yíng)口7日02:00—14:00混合層平均高度與7日14:00至8日14:00相當(dāng)，兩時(shí)段最大污染濃度接近，而沈陽(yáng)和本溪混合層平均高度最低，且兩階段平均高度變化較小，但第二階段較第一階段具有更有利的水平輻合條件，導(dǎo)致沈陽(yáng)、本溪第二階段污染更重。因此，混合層高度作為污染物垂直方向上擴(kuò)散能力的一個(gè)指標(biāo)，對(duì)污染物濃度的預(yù)報(bào)有很好的指示意義。

圖5 2015年11月7日02:00至9日02:00遼寧代表城市混合層高度的逐小時(shí)變化Fig.5 The hourly changes of mixed layer height in representative cities of Liaoning Province from 02:00 BST November 7 to 02:00 BST November 9, 2015

3.4 垂直擴(kuò)散條件

圖6是2015年11月7日02:00至10日20:00遼寧沈陽(yáng)、錦州、盤(pán)錦和營(yíng)口水平風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度及垂直速度的時(shí)間—高度剖面?？梢钥闯?，7日02:00至9日02:00沈陽(yáng)上空有深厚的濕層，650 hPa高度以下相對(duì)濕度均維持在90%以上，其中7日14:00至8日08:00近地層處于飽和狀態(tài)；錦州、盤(pán)錦和營(yíng)口900～700 hPa高度范圍相對(duì)濕度也達(dá)到90%，其中7日11:00—19:00營(yíng)口近地層接近飽和狀態(tài)，盤(pán)錦近地層相對(duì)濕度在80%以上，而錦州僅在部分時(shí)次近地層相對(duì)濕度達(dá)到80%以上。風(fēng)場(chǎng)上，7日02:00—14:00沈陽(yáng)、錦州、盤(pán)錦和營(yíng)口地區(qū)都存在弱的上升氣流，且營(yíng)口和盤(pán)錦的上升速度強(qiáng)于沈陽(yáng)和錦州，配合地面倒槽北上，導(dǎo)致污染天氣初期的降水過(guò)程；8日02:00至9日02:00，沈陽(yáng)、錦州、盤(pán)錦和營(yíng)口近地面至700 hPa高度水平風(fēng)速均不超過(guò)4 m·s-1，整層大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài)，且沈陽(yáng)近地層風(fēng)速較其他3市更小，更有利于污染物的積聚。從水平風(fēng)向隨高度變化來(lái)看，近地面到高層風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，存在暖平流，有利于逆溫層結(jié)的建立和維持。7日08:00前后和8日08:00后風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)分別位于營(yíng)口附近及沈陽(yáng)、遼陽(yáng)、鞍山和本溪附近，弱輻合為污染天氣提供充足的水汽條件，促使污染物吸濕增長(zhǎng)，同時(shí)還有利于污染物積聚，造成兩次較強(qiáng)的污染階段。9日02:00后，各市850 hPa高度以下轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，高層為西北風(fēng)，風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，冷平流滲透使得垂直擴(kuò)散條件好轉(zhuǎn)，污染物濃度下降。

圖6 2015年11月7日02:00至10日20:00遼寧4個(gè)代表城市水平風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)、垂直速度(藍(lán)色線，單位： hPa·s-1)和相對(duì)濕度(陰影，單位：%)的時(shí)間-高度剖面(a)沈陽(yáng)市，(b)錦州市，(c)盤(pán)錦市，(d)營(yíng)口市Fig.6 The time-height sections of horizontal wind field (wind shafts, Unit: m·s-1) and vertical velocity (blue lines, Unit: hPa·s-1) and relative humidity (shadows, Unit: %) from 02:00 BST November 7 to 20:00 BST November 10, 2015 in representative cities of Liaoning Province(a) Shenyang, (b) Jinzhou, (c) Panjin, (d) Yingkou

3.5 逆溫特征

此次污染天氣過(guò)程期間，7日02:00至9日02:00遼寧5個(gè)代表城市都存在逆溫，逆溫厚度均為1000 m左右；9日02:00以后，隨著系統(tǒng)東移及冷空氣南下，逆溫層變薄，擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好(圖7)。其中，第一污染階段，盤(pán)錦和營(yíng)口的逆溫厚度較沈陽(yáng)、本溪厚，且營(yíng)口有接地逆溫，故營(yíng)口污染濃度更強(qiáng)；第二污染階段前期，7日14:00至8日20:00各市仍維持著較深厚的逆溫層結(jié)，逆溫層結(jié)長(zhǎng)時(shí)間維持為污染物的積累提供較好的靜穩(wěn)條件，中部?jī)?nèi)陸城市污染物濃度于8日14:00前后達(dá)到最大，而8日14:00以后近地層逆溫層結(jié)打破，污染物濃度逐漸下降。從逆溫強(qiáng)度看出，7日14:00至9日02:00錦州平均逆溫強(qiáng)度最強(qiáng)，但污染較其他各市明顯偏輕，而本溪逆溫強(qiáng)度最弱，但污染卻很重，表明逆溫厚度較強(qiáng)度對(duì)污染的影響更大。

圖7 2015年11月7日02:00至9日14:00遼寧省代表城市逆溫層厚度(柱狀)與強(qiáng)度(線條)的時(shí)間變化Fig.7 The 6-hour evolutions of thickness (columns) and intensity (lines) of temperature inversion in representative cities of Liaoning Province from 02:00 BST November 7 to 14:00 BST November 9, 2015

研究表明，降水天氣過(guò)程中0 ℃左右且厚度在100 m以上的中間“暖層”往往對(duì)應(yīng)著降水相態(tài)的變化[33]。2015年11月7日08:00至8日14:00，850 hPa高度上0 ℃線一直位于遼寧中部，遼寧省中部地區(qū)出現(xiàn)了降水相態(tài)變化。為弄清重污染天氣期間各城市溫度垂直分布和0 ℃“暖層”結(jié)構(gòu)與污染物濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖8給出5個(gè)城市不同時(shí)刻溫度隨高度的分布，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)污染階段，除錦州外，其他各市溫度在垂直方向上均跨越了0 ℃，900～800 hPa高度之間存在暖層，且7日02:00營(yíng)口、盤(pán)錦以及8日02:00—14:00沈陽(yáng)、本溪和營(yíng)口0 ℃左右的中間“暖層”厚度均大于500 m，這種溫度層結(jié)和大氣中水粒子相態(tài)變化密切相關(guān)。伴隨著污染物表層水分相態(tài)的轉(zhuǎn)變，水粒子的碰并增長(zhǎng)有利于污染物的積累，0 ℃左右的中間“暖層”厚度與兩個(gè)重污染時(shí)段污染物濃度有很好的對(duì)應(yīng)。

圖9分別給出兩個(gè)污染時(shí)段7日02:00和8日08:00的850 hPa和900 hPa高度上溫度和垂直速度分布?？梢钥闯?，7日02:00，沈陽(yáng)和盤(pán)錦上空850 hPa和900 hPa高度的溫度都高于0 ℃，而錦州上空850 hPa高度的溫度為0～1 ℃，900 hPa上約為-1 ℃；8日08:00，沈陽(yáng)上空兩高度的溫度均高于0 ℃，錦州上空兩高度的溫度均低于0 ℃，而盤(pán)錦上空850 hPa和900 hPa高度的溫度分別為0～1 ℃和-1～0 ℃。可見(jiàn)，不同污染時(shí)刻3個(gè)城市850 hPa以下溫度存在差異。結(jié)合溫度垂直廓線(圖8)可知，7日02:00，盤(pán)錦上空0 ℃左右的中間“暖層”較錦州厚，而8日08:00沈陽(yáng)較盤(pán)錦厚，這分別對(duì)應(yīng)盤(pán)錦和沈陽(yáng)污染物增長(zhǎng)的有利時(shí)刻，即0 ℃左右的中間“暖層”可能為污染物的碰并增長(zhǎng)提供有利的溫度層結(jié)。另外，7日02:00，沈陽(yáng)、錦州、盤(pán)錦中低層存在弱的上升運(yùn)動(dòng)，錦州、盤(pán)錦處于上升運(yùn)動(dòng)中心，配合風(fēng)場(chǎng)的輻合，有利于污染物的積聚；8日08:00，遼寧中部城市中低層上升運(yùn)動(dòng)很弱，對(duì)污染物積累作用不明顯。

圖8 2015年11月7日02:00至9日14:00遼寧省代表城市溫度垂直廓線的逐12 h演變Fig.8 The 12-hour evolution of vertical profiles of temperature from 02:00 BST 7 November to 14:00 BST 9 November 2015 in representative cities of Liaoning Province

圖9 2015年11月7日02:00(a、c)、8日08:00(b、d)850 hPa(a、b)和900 hPa(c、d)溫度(陰影，單位：℃)和垂直速度(線條，單位：hPa·s-1)分布(五角星、三角形、圓形分別代表沈陽(yáng)、錦州、盤(pán)錦3個(gè)城市)Fig.9 The distributions of 850 hPa (a, b) and 900 hPa (c, d) temperature (shadows, Unit: ℃) and vertical velocity (lines, Unit: hPa·s-1) at 02:00 BST November 7 (a, c) and 08:00 BST November 8 (b, d), 2015 (The five-pointed star, triangle and circle represent Shenyang, Jinzhou, Panjin, respectively)

4 污染物來(lái)源及傳輸

為進(jìn)一步證實(shí)秸稈的不完全燃燒造成此次遼寧中西部城市重污染天氣，圖10(a)給出2015年11月7—16日期間MODIS衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)到的東北地區(qū)火點(diǎn)[34-35]，發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)集中在黑龍江和吉林一帶，遼寧中部也存在個(gè)別火點(diǎn)。從重污染時(shí)刻7日08:00和8日14:00的地面風(fēng)場(chǎng)[圖10(b)和圖10(c)]看出，兩時(shí)刻遼寧中部地區(qū)以東北風(fēng)、北風(fēng)為主，偏北風(fēng)對(duì)污染物的傳輸導(dǎo)致下游地區(qū)污染加重。

圖11給出2015年11月7—16日期間東北地區(qū)火點(diǎn)集中處(A：45.55°N,131.92°E；B： 46.01°N,128.32°E；C：46.77°N,124.54°E)6日20:00、7日08:00和20:00至9日08:00期間HYSPLIT模擬的氣團(tuán)傳輸路徑。可以看出，100 m高度上3個(gè)起始時(shí)刻除6日20:00的C點(diǎn)氣團(tuán)向西北方向傳輸外，其他點(diǎn)均向西南方向輸送；500 m高度上，3個(gè)起始時(shí)刻A、B兩點(diǎn)氣團(tuán)向西南方向輸送，而C點(diǎn)則向西北方向傳輸；1000 m高度上，3個(gè)起始時(shí)刻A、B、C三點(diǎn)前期都向偏西、西北方向輸送，后期A點(diǎn)均向西南方向輸送，B點(diǎn)2個(gè)起始時(shí)刻向西南方向傳輸，1個(gè)起始時(shí)刻向西北方向傳輸，而C點(diǎn)均向西北方向傳輸；上述3個(gè)高度上傳輸?shù)奈廴疚?，?日20:00至8日14:00逐漸影響遼寧地區(qū)，與污染物濃度升高存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這也解釋了中部城市CO質(zhì)量濃度異常升高的原因。此外，大氣在垂直方向上擴(kuò)散較弱，1000 m高度上的氣團(tuán)在整個(gè)污染期間大部維持在1500 m以下，100 m、500 m高度上氣團(tuán)大部時(shí)間都在1000 m以下，造成遼寧中部8日污染持續(xù)偏高。

圖10 2015年11月7—16日MODIS監(jiān)測(cè)到的火點(diǎn)(a)以及7日08:00(b)、8日14:00(c)地面風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)分布Fig.10 The monitored wild fires by MODIS from 7 to 16 November 2015 (a) and distribution of surface wind field (Unit: m·s-1) at 08:00 BST November 7 (b) and 14:00 BST November 8 (c), 2015

圖11 2015年11月6日20:00(a)、7日08:00(b)和20:00(c)東北地區(qū)火點(diǎn)集中處模擬的氣團(tuán)移動(dòng)軌跡(★為污染源)Fig.11 The simulated moving trajectories of air mass at fire concentrated point of northeastern China at 20:00 BST November 6 (a), 08:00 BST (b) and 20:00 (c) on November 7, 2015(The five-pointed star for pollution source)

綜上可見(jiàn)，在穩(wěn)定的大尺度天氣背景下遼寧中部城市的本地污染源和外來(lái)輸送污染源共同導(dǎo)致此次重污染天氣過(guò)程。同時(shí)，11月遼寧省已進(jìn)入供暖期，固定的污染源在大氣擴(kuò)散條件較差情況下，若不對(duì)秸稈燃燒進(jìn)行有效控制，伴隨入冬初期深厚的逆溫層結(jié)和高濕環(huán)境，易集中爆發(fā)大范圍的重污染天氣。

5 結(jié) 論

(1)此次重污染天氣過(guò)程分為兩個(gè)重污染階段，第一階段，中南部沿海營(yíng)口和盤(pán)錦地區(qū)污染物濃度較高，而中部?jī)?nèi)陸城市污染物濃度較低；第二階段，中部?jī)?nèi)陸城市污染物濃度異常高，沈陽(yáng)多個(gè)時(shí)次PM2.5質(zhì)量濃度超過(guò)1000 μg·m-3，沈陽(yáng)、本溪能見(jiàn)度不足1 km的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)32 h，為罕見(jiàn)的重污染事件。

(2)污染物成分主要為CO，不同城市PM2.5平均質(zhì)量濃度與CO、NO2平均質(zhì)量濃度變化特征有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能見(jiàn)度主要受PM2.5平均質(zhì)量濃度和相對(duì)濕度的共同影響。

(3)重污染過(guò)程期間，遼寧省高空為平直的緯向環(huán)流，地面偏東風(fēng)提供了充足的水汽，地面倒槽及850 hPa弱的氣旋性環(huán)流為污染物的積聚提供極有利的環(huán)流背景。此外， 700 hPa以下水平風(fēng)速較弱，對(duì)污染物的清除作用不大；混合層高度低不利于污染物擴(kuò)散。

(4)重污染過(guò)程前期的降水及其相態(tài)變化對(duì)污染物影響較大。第一污染階段后期，營(yíng)口、盤(pán)錦小時(shí)雨量超過(guò)1.0 mm，對(duì)污染物濕沉降作用明顯；第二污染階段，中部?jī)?nèi)陸城市的高濕環(huán)境為污染物的吸濕增長(zhǎng)提供了有利條件。

(5)重污染階段，各市逆溫層厚度較厚且長(zhǎng)時(shí)間維持，有效抑制了污染物的垂直擴(kuò)散，接地逆溫導(dǎo)致污染物在近地層更易集聚；盤(pán)錦、沈陽(yáng)、本溪和營(yíng)口深厚的0 ℃左右的中間“暖層”有利于污染物表層水物質(zhì)相態(tài)轉(zhuǎn)變和碰并增長(zhǎng)。逆溫層厚度和0 ℃左右的“暖層”結(jié)構(gòu)對(duì)污染物濃度的變化有很好的指示意義。

(6)此次重污染過(guò)程是以污染源輸送為主，秸稈的不完全燃燒產(chǎn)生的CO為主要污染物，在大氣擴(kuò)散條件較差情況下大范圍秸稈的集中燃燒易造成大范圍重污染天氣集中爆發(fā)。