周子涵，張小玲，康 平，張 瑩

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225;2.高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

自改革開放以來(lái)，我國(guó)的城市化和工業(yè)化發(fā)展迅速，能源消耗急劇增加，引起了大量額外污染物的排放[1-2]。近年來(lái)氣候變暖引起我國(guó)大陸近地面相對(duì)濕度減小，導(dǎo)致了近50年來(lái)大部分地區(qū)霧日逐漸減少、霾日逐漸增加的趨勢(shì)，而霾天氣主要發(fā)生在我國(guó)遼寧中部、四川盆地、華北平原和關(guān)中平原[3-5]。四川盆地已經(jīng)成為繼京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角地區(qū)之后的又一大霾污染高發(fā)區(qū)[6]。已有研究表明，從1981年到2014年，四川盆地區(qū)域霾日變化主要呈現(xiàn)輕度霾日數(shù)、重度霾日數(shù)顯著上升，中度霾日數(shù)減少的趨勢(shì)，且盆地南部的霾污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重[7]，而細(xì)顆粒物(PM2.5)是首要污染物，且主要出現(xiàn)在四川盆地的西部和南部[8-9]。

一個(gè)地區(qū)的空氣質(zhì)量取決于污染源的空間分布、排放強(qiáng)度以及大氣的擴(kuò)散能力[10]，通過對(duì)局地氣候條件以及大氣污染源、匯時(shí)空分布規(guī)律的掌握可以有效地控制大氣污染[11]。不同的氣象條件使得同一污染源排放所造成的污染物濃度差異很大，而大尺度大氣環(huán)流對(duì)局地氣象條件具有重要的影響。一些天氣系統(tǒng)如東亞季風(fēng)、厄爾尼諾、東亞大槽、西伯利亞高壓等，均會(huì)引起如大氣對(duì)流減弱、相對(duì)濕度增加、邊界層高度降低等局地氣象條件變化，形成有利于大氣污染發(fā)生的環(huán)流形勢(shì)[12-13]。有研究表明，500 hPa高壓、近地層逆溫、高濕、低風(fēng)速共同形成了有利于大氣霧霾污染發(fā)展的氣象條件[9,14-15]。如He等[16]利用主成分分析法(PCA)確定了如冷空氣停滯型等與污染密切相關(guān)的天氣類型；潘月云等[17]通過對(duì)廣東省空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，確定了如高壓出海型等4種導(dǎo)致廣東省大氣重污染的主要天氣形勢(shì)，并利用后向軌跡分析證實(shí)了東南及偏西方向的污染氣團(tuán)對(duì)珠三角地區(qū)PM2.5污染有顯著的貢獻(xiàn)；馬小會(huì)等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)，500 hPa的緯向環(huán)流對(duì)北京地區(qū)重空氣污染的形成具有重要的作用。區(qū)域性大氣污染同樣也受地形的影響，比如京津冀地區(qū)山谷風(fēng)、海陸風(fēng)和城市熱島環(huán)流就會(huì)造成大氣污染物循環(huán)累積[19]。

四川盆地受高原大地形的影響，冬季“上暖下冷”的逆溫結(jié)構(gòu)尤為顯著[20]，受大尺度大氣環(huán)流的影響使得局地氣象因子產(chǎn)生異常變化也成為影響盆地內(nèi)大氣霧霾污染形成的重要原因，如大氣污染發(fā)生時(shí)地面大氣風(fēng)速較小、近地層逆溫、產(chǎn)生下沉氣流以及弱的風(fēng)切變等[21-23]。冬半年氣候變干、風(fēng)速減小、降水日數(shù)減少、大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定使得大氣對(duì)污染物的清除能力減弱，是造成四川盆地秋冬季大氣污染日數(shù)增加的有利氣象條件[24-25]；蔣婉婷等[26]在研究中提到四川盆地上空500 hPa位于平直西風(fēng)氣流帶內(nèi)且850 hPa高空等值線稀疏的環(huán)流形勢(shì)有助于大氣污染的形成。

目前針對(duì)影響四川盆地區(qū)域大氣污染形成的大尺度環(huán)流形勢(shì)的研究相對(duì)京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角等地區(qū)較少，且PM2.5又是四川盆地冬季的首要大氣污染物，因此本文采用異常天氣分析法，利用2014年3月—2019年2月四川盆地常規(guī)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、常規(guī)氣象觀測(cè)資料以及再分析資料，分析了2014—2018年冬季四川盆地PM2.5濃度的時(shí)空分布特征，并結(jié)合對(duì)氣候平均狀態(tài)下大氣環(huán)流形勢(shì)的分析，探究了大尺度大氣環(huán)流異常與盆地冬季PM2.5污染之間的響應(yīng)關(guān)系。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1. 1 研究數(shù)據(jù)

本文采用的研究數(shù)據(jù)主要有：①歐洲中心的ERA-Interim逐日再分析資料(水平分辨率為1°×1°)，選取溫度、位勢(shì)高度、比濕、垂直速度、UV風(fēng)場(chǎng)等氣象要素共24個(gè)等壓面上的數(shù)據(jù)及海平面氣壓場(chǎng)數(shù)據(jù)；②2014年3月—2019年2月四川省和重慶市共22個(gè)城市(成都、綿陽(yáng)、德陽(yáng)、眉山、雅安、樂山、自貢、宜賓、瀘州、資陽(yáng)、遂寧、內(nèi)江、巴中、廣安、南充、達(dá)州、重慶、廣元、甘孜、阿壩、涼山、攀枝花)PM2.5濃度日值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，并嚴(yán)格按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)進(jìn)行質(zhì)量控制，同時(shí)剔除由于停電、儀器校準(zhǔn)等原因出現(xiàn)的部分缺測(cè)時(shí)段，其中四川盆地內(nèi)代表城市的分布見表1，本文中對(duì)四川盆地的數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)結(jié)果均取自這17個(gè)城市的資料；③地面氣象要素資料來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心整編的《中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集》(http://data.cma.cn/)，選取數(shù)據(jù)時(shí)段為2014年3月—2019年2月。本文中提到的春季、夏季、秋季、冬季均采用氣候?qū)W上的定義方法，即每年的3～5月份為春季，6～8月份為夏季，9～11月份為秋季，12～次年2月份為冬季。

表1 四川盆地內(nèi)代表城市的分布

1. 2 研究方法

(1)

式中：λ、φ分別表示研究目標(biāo)地理位置所處的經(jīng)、緯度；F為變量，既可以表示溫度，也可以表示位勢(shì)高度，根據(jù)具體研究?jī)?nèi)容而定。

通常以一段時(shí)間內(nèi)某氣象要素的氣候平均值表示該要素的多年平均氣候場(chǎng)，即：

(2)

其中，M≥30。世界氣象組織規(guī)定，一般取某氣象要素最近三個(gè)整年代(即30 a)的氣候數(shù)據(jù)平均值作為該氣象要素的標(biāo)準(zhǔn)氣候平均值，以最近的規(guī)定(2012年)為準(zhǔn)，啟用1981—2010年的氣候數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)氣候平均值，每10 a修正1次[30-34]。因此，本文取M=30，即使用1981—2010年各氣象要素的氣候數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值或平均值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)氣候平均值作為該氣象要素的多年平均氣候場(chǎng)。例如已知某一氣象要素的多年月平均氣候值、季平均氣候值或年平均氣候值，根據(jù)公式(1)、(2)，可得隨時(shí)間產(chǎn)生變化的異常氣候場(chǎng)的計(jì)算公式如下：

(3)

這種從整體氣候狀態(tài)中挑選出氣象場(chǎng)異常變化的方法即為異常天氣分析法，也叫中心化方法。

2 研究結(jié)果與討論

2.1 2014—2018年四川盆地不同季節(jié)PM2.5濃度的時(shí)空分布特征

2014—2018年四川盆地不同季節(jié)PM2.5濃度的均值及其變化特征，見表2和圖1。

表2 2014—2018年四川盆地不同季節(jié)PM2.5濃度均值

由表2可知，2014—2018年四川盆地各季節(jié)PM2.5濃度均值均有明顯的下降，其中夏季PM2.5濃度均值較低，但PM2.5濃度均值整體下降比例最顯著(37.0%)，其次為春季和秋季，冬季PM2.5濃度均值最高，其整體明顯降低了(25.4±8.5) μg/m3，但PM2.5濃度均值整體下降比例相比于其他季節(jié)較低(為28.4%)；四川盆地春季、秋季、冬季PM2.5濃度均值均呈現(xiàn)2015年下降、2016年反彈后逐年降低的變化趨勢(shì)，而夏季PM2.5濃度均值的變化特征主要表現(xiàn)為逐年降低。

圖1 2014—2018年四川盆地不同季節(jié)PM2.5濃度均值的 變化特征Fig.1 Seasonal variation characteristics of PM2.5 concen- tration averages in Sichuan Basin from 2014 to 2018

由圖1可見，2014—2018年四川盆地各季節(jié)PM2.5濃度分布主要表現(xiàn)為冬季最高，PM2.5濃度均值為(78.7±11.8) μg/m3，夏季最低，PM2.5濃度均值為(31.9±5.1) μg/m3，冬季PM2.5濃度均值較夏季高出一倍左右，說(shuō)明四川盆地內(nèi)PM2.5污染主要集中在冬季,因此本文選取四川盆地冬季作為主要研究時(shí)段。

2014—2018年四川盆地冬季不同強(qiáng)度PM2.5污染的逐年變化特征，見圖2。

圖2 2014—2018年冬季四川盆地不同強(qiáng)度PM2.5污染 天數(shù)逐年的變化特征Fig.2 Year-to-year variation characteristics of days of different intensity PM2.5 pollution in winter in Sichuan Basin from 2014 to 2018

由圖2可見，2014—2016年冬季，四川盆地內(nèi)PM2.5輕度污染(75 μg/m3150 μg/m3)天數(shù)均在2015年冬季減少，2016年冬季再次增加后逐年減少，這一結(jié)論在蔣婉婷等[26]的研究中也得到證實(shí)。

根據(jù)四川省重污染天氣應(yīng)急預(yù)案的規(guī)定，四川省重污染天氣預(yù)警分級(jí)中以日均PM2.5濃度>115 μg/m3(即中度及以上污染等級(jí))作為判別依據(jù)，因此本文定義若某一城市某日日均PM2.5濃度>115 μg/m3，就將該日定作重污染日。通過統(tǒng)計(jì)分析近五年四川盆地冬季逐月PM2.5濃度均值及大氣重污染日天數(shù)可知(見圖3)，四川盆地冬季PM2.5污染主要集中發(fā)生在12月份和1月份，與中國(guó)大多數(shù)城市的PM2.5污染變化特征基本相同[35-38]；其中，四川盆地2015年1月份的PM2.5污染最嚴(yán)重，重污染日平均出現(xiàn)14 d，其次是2017年1月份，重污染日平均出現(xiàn)12 d；2018年冬季是近五年四川盆地冬季PM2.5污染最輕的時(shí)段，重污染日共出現(xiàn)6 d；2019年2月份重污染日平均僅出現(xiàn)1 d且未出現(xiàn)PM2.5濃度>150 μg/m3的污染。

圖3 2014—2018年冬季四川盆地逐月PM2.5濃度均值 及大氣重污染日天數(shù)的分布特征Fig.3 Distribution characteristics of monthly averages of PM2.5 concentration and heavy pollution days in winter in Sichuan Basin from 2014 to 2018

2014—2018年冬季四川盆地PM2.5濃度均值的空間分布特征，見圖4。

由圖4可見，2014年冬季四川盆地內(nèi)90%以上的地區(qū)PM2.5濃度均值在90 μg/m3以上，存在大范圍區(qū)域性PM2.5污染的現(xiàn)象；2015年冬季四川盆地內(nèi)大部分地區(qū)PM2.5濃度均值雖集中在75 μg/m3以下，但在盆地西南部及東北部城市群依然有小強(qiáng)度的PM2.5污染發(fā)生；2016年冬季PM2.5污染較嚴(yán)重的區(qū)域則主要集中在盆地西部近高原山體一側(cè)及盆地南部；2017年冬季四川盆地PM2.5濃度均值較2015年冬季略高，但較2016年冬季PM2.5污染強(qiáng)度已明顯減弱；2018年冬季四川盆地PM2.5污染強(qiáng)度是近五年最弱的，可明顯看出自2016年之后盆地空氣質(zhì)量開始逐年好轉(zhuǎn)；PM2.5高濃度的污染主要集中在四川盆地西南部及東北部城市群，而PM2.5污染較嚴(yán)重的城市主要有成都、眉山、樂山、自貢、宜賓、達(dá)州，其與已有的研究結(jié)果基本相符[39]。

圖4 2014—2018年冬季四川盆地PM2.5濃度均值的空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of the average PM2.5 concentration in winter in Sichuan Basin from 2014 to 2018

2.2 地面氣象要素變化對(duì)四川盆地PM2.5污染的影響

已有研究表明，霧霾污染期間氣溶膠對(duì)太陽(yáng)短波輻射的吸收及散射在加熱大氣的同時(shí)也使地面冷卻，形成逆溫層，抑制了混合層的發(fā)育，使得混合層厚度降低，延緩混合層的演變，因此霧霾產(chǎn)生時(shí)大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且近地面溫度較低[40-41]；相對(duì)濕度則與PM2.5的濃度呈正相關(guān)性[42]，因此低溫高濕氣候?qū)F霾污染的形成具有促進(jìn)作用；降水增加對(duì)大氣污染物具有濕沉降和濕清除效應(yīng)[43]。

本文對(duì)四川盆地近五年冬季逐月平均大氣溫度、大氣相對(duì)濕度、大氣風(fēng)速、降水量等氣象要素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見圖5。

由圖5可見，四川盆地2014年和2016年冬季大氣溫度均值整體相較于其他三年偏高，2015年2月份尤為明顯，PM2.5污染較重的2015年1月份、2017年1月份、2016年12月份大氣溫度均值分別為8.4 ℃、8.9 ℃、9.8 ℃，大氣相對(duì)濕度均值保持在80%左右，2016年12月份和2017年1月份的降水均相對(duì)較少(月平均降水量在10 mm左右)，但PM2.5污染最重的2015年1月份，盆地的月平均降水量達(dá)到16.4 mm，降水主要集中在盆地的東部及南部城市，而盆地的西北部城市群(成都、綿陽(yáng)、德陽(yáng)、眉山)的月平均降水量則在5 mm左右；PM2.5污染較輕的2016年1月份、2018年1月份、2018年12月份，四川盆地的月平均降水量均在15 mm以上且2018年12月份盆地內(nèi)的月平均降水量最大，達(dá)到26 mm，且月平均大氣溫度較低。整體上看，四川盆地2015年和2018年冬季降水較多，累計(jì)降水量均達(dá)到50 mm以上，2017年冬季累計(jì)降水量最少，為30 mm；四川盆地冬季逐月平均風(fēng)速差異不大，基本維持在1.0～1.5 m/s之間，2014年冬季月平均大氣風(fēng)速相對(duì)偏小，之后緩慢增加，2017年和2018年冬季月平均大氣風(fēng)速大于1.5 m/s的情況明顯增加。

圖5 2014—2018年冬季四川盆地逐月平均大氣溫度、大氣相對(duì)濕度、大氣風(fēng)速、降水量的變化特征Fig.5 Monthly variation characteristics of average temperature,relative humidity,wind speed and precipitation in winter in Sichuan Basin from 2014 to 2018

總體上看，2014—2018年冬季四川盆地各氣象要素的變化特征主要表現(xiàn)如下：2014年和2016年冬季四川盆地均表現(xiàn)為大氣相對(duì)濕度較高、降水量相對(duì)較少且大氣風(fēng)速偏小，這兩年冬季盆地也呈現(xiàn)出重污染日較多且PM2.5濃度月均值較高(均達(dá)到90 μg/m3)的大氣污染形勢(shì)；2015年和2018年冬季盆地氣象要素的變化特征表現(xiàn)為低溫、多降水且風(fēng)速相對(duì)較大，這兩年冬季盆地PM2.5濃度月均值也均在75 μg/m3以下，空氣較為清潔；而2017年冬季盆地氣象要素的變化特征則表現(xiàn)為大氣溫度和大氣相對(duì)濕度相對(duì)偏低且降水較少，且PM2.5污染強(qiáng)度弱于2014年和2016年冬季，但強(qiáng)于2015年和2018年冬季。

2.3 大氣動(dòng)力-熱力結(jié)構(gòu)異常變化的垂直分布特征

為了深入了解氣象條件變化對(duì)PM2.5污染的影響，本文進(jìn)一步探究了水平和垂直方向上大氣環(huán)流、氣象要素的異常變化與PM2.5污染之間的響應(yīng)關(guān)系。

2.3.1 大氣熱力結(jié)構(gòu)——大氣溫度距平垂直剖面

四川盆地冬季對(duì)流層中下層“上暖下冷”的“逆轉(zhuǎn)”型大氣溫度距平垂直結(jié)構(gòu)使得盆地冬季大氣垂直對(duì)流受到限制，大氣污染物被壓縮在近地面。2014—2018年冬季四川盆地大氣溫度距平垂直分布的異常變化特征，見圖6。

由圖6可見，2014年、2016年冬季盆地上空600 hPa處的大氣溫度較下層出現(xiàn)暖化，較多年大氣溫度均值增加0.3 ℃左右。2014年冬季盆地上空925 hPa附近的大氣溫度正距平可達(dá)0.5℃左右，存在近地面的“距平逆溫”[見圖6(a)]；2016年冬季盆地上空500～600 hPa之間的大氣暖化趨勢(shì)增加，925 hPa附近存在較弱的“距平逆溫”[見圖6(c)]，間接增強(qiáng)了大氣穩(wěn)定度，利于大氣污染的形成。2015年冬季盆地上空500～850 hPa之間大氣溫度較多年大氣溫度均值低0.5℃左右，冷空氣較為活躍，大氣穩(wěn)定度減弱，不利于大氣污染的形成[見圖6(b)]；2017年和2018年冬季盆地平流層以下至600 hPa處的大氣增溫明顯，但未有大氣溫度正距平中心分布[見圖6(d)、(e)]；2017年冬季盆地上空700～850 hPa之間存在大氣溫度負(fù)距平中心，且700 hPa以上大氣溫度較2015年冬季明顯偏高，而700 hPa以下的大氣溫度則隨高度降低而明顯降低，因此2017年冬季與2015年冬季相比盆地上空存在明顯的“上暖下冷”溫度垂直結(jié)構(gòu)，大氣溫度層結(jié)構(gòu)較2015年冬季穩(wěn)定，PM2.5污染濃度也略高于2015年冬季；而2018年冬季盆地近地層的大氣溫度負(fù)距平中心可達(dá)-0.6 ℃左右，盆地上空對(duì)流層600～700 hPa之間大氣暖化趨勢(shì)遠(yuǎn)小于700 hPa以下大氣冷卻趨勢(shì)，整個(gè)盆地區(qū)域冷空氣活躍，間接削弱了大氣穩(wěn)定度，增強(qiáng)了大氣對(duì)流，這種大氣溫度垂直結(jié)構(gòu)不利于大氣污染的形成。

圖6 2014—2018年冬季四川盆地大氣溫度距平垂直分布的異常變化特征(在28°～32°N的范圍內(nèi)緯向平均后 沿31°N的剖面)Fig.6 Vertical distribution of temperature anomaly in winter in Sichuan Basin from 2014 to 2018 (a section of 31°N in the latitudinal average trailing edge in the range of 28°～32°N)注：黑色為青藏高原東部地形遮擋區(qū)；曲線表征溫度距平。

2.3.2 大氣動(dòng)力結(jié)構(gòu)——流場(chǎng)和散度距平垂直剖面

四川盆地冬季大氣多做下沉運(yùn)動(dòng)且低層大氣風(fēng)速較小，盆地上空850 hPa至近地面存在一個(gè)順時(shí)針環(huán)流[44]，同時(shí)高原大地形和冬季深厚逆溫層導(dǎo)致盆地中低空大氣輻合區(qū)下壓至700 hPa以下[45-46]，因此大氣垂直運(yùn)動(dòng)被壓縮在一定高度之下，容易造成大氣污染物在盆地內(nèi)回流，形成區(qū)域性大氣污染。

2014—2018年冬季四川盆地流場(chǎng)和大氣風(fēng)速距平垂直分布的異常變化特征，見圖7。

圖7 2014—2018年冬季四川盆地流場(chǎng)和大氣風(fēng)速距平垂直分布的異常變化特征(范圍同圖4)Fig.7 Vertical distribution of flow field and wind speed anomaly in winter in Sichuan Basin from 2014 to 2018(the range is the same as in Fig.4)注：黑色為地形遮擋區(qū)；填色及曲線表征風(fēng)速距平；箭頭表征大氣流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向。

由圖7可見，2015年冬季盆地近地面大氣風(fēng)速較大，大氣主要以上升運(yùn)動(dòng)為主[見圖7(b)]；2014年和2016年冬季盆地大氣呈現(xiàn)較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)且近地層大氣風(fēng)速較小[見圖7(a)、(c)]，抑制了大氣污染物的水平和垂直擴(kuò)散，促使PM2.5污染加重；2017年冬季盆地對(duì)流層中下部大氣運(yùn)動(dòng)較多年平均主要以弱的斜上升運(yùn)動(dòng)為主[見圖7(d)]，但近地層大氣風(fēng)速仍然偏小，且2017年冬季盆地內(nèi)大氣運(yùn)動(dòng)與2015年冬季相比主要以下沉運(yùn)動(dòng)為主，整個(gè)盆地內(nèi)的大氣風(fēng)速也相比于2015年冬季偏小，因此大氣對(duì)污染的削弱作用弱于2015年冬季，PM2.5污染物濃度較2015年冬季略高；2018年冬季盆地上空對(duì)流層中低層的大氣上升運(yùn)動(dòng)相對(duì)于2017年冬季增強(qiáng)，且盆地中部低層大氣風(fēng)速逐漸增加，有利于大氣污染物向外擴(kuò)散[見圖7(e)]。

2014—2018年冬季四川盆地大氣散度距平垂直分布的異常變化特征，見圖8。

由圖8可見，2014年和2016年冬季四川盆地上空850 hPa以下大氣層穩(wěn)定，整層有弱的輻合運(yùn)動(dòng)，大氣污染物不斷被抽吸轉(zhuǎn)而被強(qiáng)下沉氣流壓縮回地面，不斷循環(huán)，造成了這兩年冬季盆地內(nèi)高PM2.5污染的發(fā)生[見圖8(a)、(c)]；2015年冬季四川盆地內(nèi)上空600 hPa以上大氣以輻散運(yùn)動(dòng)為主，600 hPa以下大氣以輻合運(yùn)動(dòng)為主，這種上下配置增加了大氣的垂直對(duì)流交換，有利于削弱PM2.5污染強(qiáng)度[見圖8(b)]；2017年冬季四川盆地上空700 hPa以下大氣的輻散運(yùn)動(dòng)較多年平均氣候狀態(tài)略有增加，700 hPa以上大氣為輻合運(yùn)動(dòng)，低層的大氣輻散運(yùn)動(dòng)及弱的斜上升運(yùn)動(dòng)有助于大氣污染物的水平擴(kuò)散，且與2015年冬季相比盆地上空700 hPa以下的大氣依然以輻散運(yùn)動(dòng)為主，且大氣輻散運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)處位于盆地上空700～850 hPa之間，低層較強(qiáng)的大氣輻散運(yùn)動(dòng)與較2015年冬季偏強(qiáng)的大氣下沉運(yùn)動(dòng)相互配合，使得2017年冬季大氣的垂直擴(kuò)散條件弱于2015年冬季，因此2017年冬季盆地PM2.5污染物濃度略高于2015年；2018年冬季四川盆地大氣主要為輻散運(yùn)動(dòng)，較強(qiáng)的斜上升運(yùn)動(dòng)將大氣污染物向上抽吸，整層大氣均向外輻散，700 hPa在盆地西部近高原一側(cè)存在一個(gè)輻散中心[見圖8(e)]，大氣污染物在此被抽吸到高空進(jìn)行擴(kuò)散，不易在盆地內(nèi)堆積，因此PM2.5濃度較低。

2.4 不同高度等壓面上氣象場(chǎng)異常變化的空間分布特征

2.4.1 對(duì)流層中高層(500 hPa)

本文選取中高空500 hPa等壓面上的溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)，分析了2014—2018年冬季四川盆地上空500 hPa等壓面上大尺度環(huán)流形勢(shì)的異常變化特征，見圖9。

圖8 2014—2018年冬季四川盆地大氣散度距平垂直分布的異常變化特征(范圍同圖6)Fig.8 Vertical distribution of atmospheric divergence anomaly in winter in Sichuan Basin from 2014 to 2018(the range is the same as in Fig.6)注：黑色為地形遮擋區(qū);曲線表征大氣散度距平(106/s)的垂直分布，實(shí)線代表散度距平為正，虛線代表散度距平為負(fù)。

圖9 2014—2018年冬季四川盆地上空中高層500 hPa等壓面上大氣溫度距平和位勢(shì)高度距平場(chǎng)的空間分布Fig.9 Spatial distribution of 500 hPa temperature anomaly and geopotential height anomaly field in winter in Sichuan Basin from 2014 to 2018注：黑點(diǎn)標(biāo)注的地方為成都；等值線為高度場(chǎng)，間隔0.5 gpm；實(shí)線代表500 hPa等壓面上位勢(shì)高度距平為正，虛線代表 500 hPa等壓面上位勢(shì)高度距平為負(fù)；填色圖為大氣溫度場(chǎng)，間隔0.4 ℃。

由圖9可見，2014年和2016年冬季控制四川盆地上空的大尺度環(huán)流系統(tǒng)相較于氣候常態(tài)偏暖偏強(qiáng)[見圖9(a)、(c)]，高空500 hPa等壓面上幾乎沒有等值線穿過盆地，高空大氣主要呈靜穩(wěn)態(tài)，不利于大氣垂直交換，大氣污染物易在盆地內(nèi)堆積引起高濃度大氣污染現(xiàn)象發(fā)生；且2016年冬季盆地上空500 hPa等壓面上控制盆地的暖中心較2014年冬季更為強(qiáng)盛，因此大氣污染物濃度再次反彈；2015年冬季，盆地則受冷低壓控制，冷中心相較于氣候常態(tài)異常偏冷[見圖9(b)]，冷空氣的頻繁活動(dòng)使得氣層趨于不穩(wěn)定，且冷氣團(tuán)與盆地中暖濕氣團(tuán)交匯易誘發(fā)降水，不利于PM2.5污染的形成；2017年冬季盆地上空西南部的大尺度環(huán)流系統(tǒng)較氣候常態(tài)偏暖偏強(qiáng)，在華北一帶存在強(qiáng)冷低壓系統(tǒng)，盆地位于暖高壓邊緣，暖高壓對(duì)盆地的控制減弱且向南偏移[見圖9(d)]，且2017年冬季盆地上空500 hPa等壓面上位勢(shì)高度比2015年冬季偏高8～9 gpm，大氣偏暖2.5℃～4 ℃左右，在盆地西南方向上存在中心值達(dá)4 ℃的正差值中心，控制盆地上空的大尺度環(huán)流系統(tǒng)較2015年冬季偏暖偏強(qiáng)；2018年冬季盆地上空500 hPa等壓面上有一強(qiáng)冷高壓系統(tǒng)位于盆地東北部[見圖9(e)]，高空500 hPa等壓面上等值線密集，在高壓影響下盆地區(qū)域內(nèi)多為晴好天氣形勢(shì)，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，不利于PM2.5污染的形成。

2.4.2 對(duì)流層中低層(700 hPa、850 hPa)

2014—2018年冬季四川盆地上空中低層700 hPa等壓面上氣象場(chǎng)的異常變化特征，見圖10。

由圖10可見，2014年冬季盆地上空700 hPa

圖10 2014—2018年冬季四川盆地上空中低層700 hPa等壓面上風(fēng)場(chǎng)距平和比濕距平的空間分布Fig.10 Spatial distribution of 700 hPa wind field anomaly and specific wet field anomaly in winter in Sichuan Basin from 2014 to 2018注：黑點(diǎn)標(biāo)注的地方為成都;填色為比濕距平，間隔為0.1 g/g；箭頭為風(fēng)場(chǎng)距平(m/s)。

等壓面上大氣異常偏濕，盛行較強(qiáng)的東南風(fēng)，向盆地低層輸送濕潤(rùn)水汽[見圖10(a)]，滿足大氣污染發(fā)生時(shí)的高濕條件；2016年冬季盆地上空700 hPa等壓面上盛行西南風(fēng)，但水汽較2014年冬季干燥，與盆地上空600 hPa等壓面上大氣溫度暖化趨勢(shì)的增強(qiáng)有很大的關(guān)系，且2014年和2016年冬季盆地上空850 hPa等壓面上大氣溫度均較為偏暖，在盆地東北部存在暖中心，對(duì)流層低層暖平流活躍，同時(shí)海平面氣壓較多年均值明顯偏低，在地面上周圍氣流向低壓區(qū)輻合，容易使得大氣污染物在盆地中心匯聚，易增加大氣污染強(qiáng)度；2015年冬季盆地上空700 hPa等壓面上異常干燥，盛行偏東氣流[見圖10(b)]；2017年冬季盆地上空700 hPa等壓面上的異常天氣形勢(shì)與2015年冬季較為相似，盆地上空850 hPa等壓面上大氣溫度較多年均值未有明顯異常，但2017年冬季較2015年冬季盆地上空700 hPa等壓面上大氣偏濕且主要盛行偏南風(fēng)，盆地低層大氣與2015年冬季相比較為濕潤(rùn)，且海平面氣壓也偏高且低層大氣偏暖，大氣水平方向上的擴(kuò)散條件亦較2015年冬季有所變差，因此大氣污染物濃度略高于2015年冬季；2018年冬季盆地上空700 hPa等壓面上大氣較干燥且盛行偏北風(fēng)[見圖10(e)]。由此可見，2015年、2017年和2018年冬季四川盆地的海平面氣壓相較于2014年和2016年冬季均較為偏高，而2015年和2018年冬季盆地上空850 hPa等壓面上大氣溫度則較多年均值偏低，尤其在2018年冬季盆地上空850 hPa等壓面上大氣溫度負(fù)距平中心可達(dá)-7 ℃左右，對(duì)流層低層冷空氣活躍，破壞了盆地大氣層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度，且冷空氣與盆地中原有的暖濕空氣相遇易誘發(fā)降水，對(duì)大氣污染物具有削弱和清除作用。

3 結(jié) 論

(1) 2014—2018年四川盆地春、秋、冬季PM2.5濃度的變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為2015年減小、2016年再次反彈后逐年降低，夏季盆地PM2.5濃度逐年降低。綜合來(lái)看，2014年和2016年冬季四川盆地PM2.5污染較為嚴(yán)重,PM2.5濃度均值分別為(89.3±16.6) μg/m3、(88.6±15.8) μg/m3；其次是2017年冬季，盆地PM2.5濃度均值為(77.8±11.3) μg/m3，2018年冬季盆地空氣質(zhì)量最好，PM2.5濃度均值為(63.9±8.2) μg/m3。

(2) 2014年和2016年冬季四川盆地PM2.5污染相對(duì)較重時(shí)氣象要素的變化特征均表現(xiàn)為大氣相對(duì)濕度偏高、降水量相對(duì)較少且大氣風(fēng)速偏小； 2017年冬季盆地PM2.5污染相對(duì)較輕時(shí)氣象要素的變化特征表現(xiàn)為溫度相對(duì)偏低、相對(duì)濕度相對(duì)偏低且降水較少；2015年和2018年冬季盆地空氣質(zhì)量較好時(shí)氣象要素的變化特征多表現(xiàn)為低溫、高濕、多降水且大氣風(fēng)速相對(duì)較大。

(3) 冬季污染較重的年份四川盆地上空600 hPa大氣溫度暖化趨勢(shì)明顯，近地面附近存在“距平逆溫”，大氣垂直運(yùn)動(dòng)偏弱，近地面大氣風(fēng)速偏低，盆地上空500 hPa受強(qiáng)暖高壓控制，700 hPa盛行偏南風(fēng)，低層850 hPa處幾乎無(wú)等值線穿過，地面氣壓較低，天氣形勢(shì)靜穩(wěn)，大氣污染物不易擴(kuò)散；2017年冬季則為盆地空氣質(zhì)量由重污染(2016年冬季)向良好(2018年冬季)轉(zhuǎn)變的一個(gè)過渡階段，盆地上空500 hPa高空暖高壓減弱南移，低空風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，大氣較為干燥，冷暖空氣活動(dòng)較多年平均未有明顯異常，但整層大氣較2015年冬季偏暖，低層大氣相比于2015年冬季表現(xiàn)為輻散下沉運(yùn)動(dòng)及較強(qiáng)的暖濕氣流輸送，大氣擴(kuò)散形勢(shì)較2015年冬季有所變差，PM2.5污染濃度略高于2015年冬季。

(4) 2014—2018年冬季四川盆地空氣質(zhì)量較好時(shí)主要對(duì)應(yīng)兩種環(huán)流形勢(shì)，一種為500 hPa上高空受冷低壓影響，盆地內(nèi)對(duì)流層低層冷空氣活躍，大氣穩(wěn)定度削弱，大氣輻合抬升運(yùn)動(dòng)的高度增加到600 hPa左右，對(duì)流增強(qiáng)易產(chǎn)生降水；另一種為受500 hPa冷高壓的控制，盆地上空700 hPa高空盛行北風(fēng)帶來(lái)干冷空氣南下，這兩種環(huán)流形勢(shì)均有利于大氣污染物的擴(kuò)散和清除。