王小蘭， 閆世明， 王 雁， 郝振榮， 郭 偉， 蔣云盛， 賀潔穎

(1.山西省氣象科學(xué)研究所，太原 030002； 2.山西省氣象信息中心，太原 030006)

引 言

“混合型污染”指2種或2種以上不同種類不同性質(zhì)的污染物或同種污染物的不同來源，也指 2種或2種以上不同類型的污染物在同一環(huán)境中同時存在所形成的環(huán)境污染現(xiàn)象[1]。霾是大量粒徑為幾微米的大氣氣溶膠粒子使水平能見度小于10 km、空氣普遍渾濁的天氣現(xiàn)象[2]。沙塵天氣是風(fēng)將地面塵土、沙粒卷入空中使空氣混濁的一種天氣現(xiàn)象的統(tǒng)稱，包括浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴和特強(qiáng)沙塵暴天氣[3]。霾和沙塵都屬于低能見度天氣，但霾和沙塵很難用肉眼區(qū)分[4]。霾和沙塵天氣發(fā)生時，常伴隨著顆粒物超標(biāo)。霾出現(xiàn)時首要污染物通常為PM2.5，沙塵發(fā)生時，首要污染物通常為PM10[5]。

顆粒物影響太陽輻射的散射和吸收及人體健康，對能見度亦發(fā)揮重要作用[6-7]。針對京津冀地區(qū)冬季污染過程的研究結(jié)果表明，在京津冀地區(qū)，盛行偏南風(fēng)時，污染物會向北京輸送，導(dǎo)致或加重北京地區(qū)的霾天氣[8]。沙塵天氣與大氣環(huán)流形勢關(guān)系密切[9]，弱輻合區(qū)、穩(wěn)定層結(jié)及小風(fēng)速等氣象條件均不利于污染物擴(kuò)散，是導(dǎo)致或加重重污染天氣的原因之一[10]。部分研究對北京地區(qū)典型回流沙塵天氣分析結(jié)果表明，沙塵回流時顆粒物濃度與氣態(tài)污染物濃度均表現(xiàn)出同步上升的變化趨勢[11]。劉超等[12]對北京2018年3月26-29日一次“先霾后沙”的空氣污染過程分析結(jié)果表明，河北省中南部、山西省中部等地在霾影響時段，對北京PM2.5貢獻(xiàn)較多，而沙塵影響時段，北京地區(qū)的PM10主要來源于內(nèi)蒙古中部和遼寧西部。郭虎等[13]研究發(fā)現(xiàn)，北京“回流”天氣形勢下，沙塵可以沿著偏東風(fēng)返回北京造成二次污染。張亞妮等[14]通過分析2012年4月27-28日影響北京的一次沙塵天氣，并通過HYSPLIT模式模擬，發(fā)現(xiàn)一次由東風(fēng)回流造成北京揚(yáng)沙天氣的個例。熊亞軍等[5]對北京2015年3月26-31日一次霾和沙塵混合污染天氣過程分析表明，該過程可分為霾-沙塵-沙塵回流-霾4個發(fā)展階段，是一次典型的沙塵回流所導(dǎo)致的混合污染型天氣個例。

2018年11月22日-12月5日，太原市出現(xiàn)一次霾和沙塵混合型污染天氣過程。根據(jù)山西省氣象信息中心多年氣象資料統(tǒng)計結(jié)果，太原市冬季出現(xiàn)沙塵次數(shù)較少，霾和沙塵混合污染過程亦較少，因而針對太原地區(qū)此類污染過程的研究很少。事實(shí)上，大氣污染受本地污染源排放、區(qū)域傳輸、天氣氣候條件等多種因素的影響。人類活動、工業(yè)化及城市化進(jìn)程導(dǎo)致氣候變暖、“溫室效應(yīng)”加劇、冷空氣活動減弱[15-16]；城市擴(kuò)建導(dǎo)致“熱島效應(yīng)”增強(qiáng)，高樓林立對城市通風(fēng)造成影響[17-18]。上述諸多因素導(dǎo)致這類“混合型”“非典型污染天氣”個例正逐漸變得“典型”起來。此類污染過程能見度持續(xù)較低，天氣現(xiàn)象肉眼難以分辨，對人類健康、生活生產(chǎn)活動造成了一定的影響。本文針對太原市此次混合型污染天氣過程，對其環(huán)流形勢、氣象條件、垂直擴(kuò)散條件、后向軌跡及顆粒物濃度與氣態(tài)污染物濃度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，探求太原市此類混合型污染天氣的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，以期為更好地開展環(huán)境氣象預(yù)報及太原地區(qū)的污染治理提供參考。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

山西省地形復(fù)雜，總的地勢是“兩山夾一川”，中部為一列串珠式盆地沉陷，平原分布其間。全省主體輪廓很像一個“凹”字形，太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，西、北、東三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，全市整體地形北高南低呈簸箕形(圖1)。太原是全國能源重化工基地之一，工業(yè)結(jié)構(gòu)及地形因素造成了該地區(qū)大氣污染較為嚴(yán)重，以盆地為主的地形特征非常不利于污染物的擴(kuò)散[18]。

圖1 山西省地形、太原市區(qū)所在位置(a)及太原市環(huán)境監(jiān)測站位置(b)

1.2 數(shù)據(jù)來源

PM2.5、PM10、SO2、NO2濃度數(shù)據(jù)及AQI(air quality index，空氣質(zhì)量指數(shù))數(shù)據(jù)為山西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心提供的2018年11月21日-12月7日逐日及逐小時監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)量為9個，均位于太原市建成區(qū)范圍內(nèi)。根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(HJ663-2013)要求，各監(jiān)測點(diǎn)小時濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)為整點(diǎn)時刻前1 h時段內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)污染物濃度的算術(shù)平均值，日均值為各監(jiān)測點(diǎn)24 h平均濃度值的算術(shù)平均值。氣象數(shù)據(jù)為山西省氣象信息中心太原市小店站同期觀測數(shù)據(jù)。用于后向軌跡模式計算的同期氣象場為美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供的全球資料同化系統(tǒng)(global data assimilation system，GDAS)數(shù)據(jù)，每日4個時次，即00:00、06:00、12:00和18:00(世界時)，水平分辨率為1°×1°。衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源于同期葵花8號衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖片由北京中科銳景科技有限公司制作。

1.3 研究方法

1.3.1 HYSPLIT后向軌跡模型

HYSPLIT模型是由美國國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在過去20年間聯(lián)合研發(fā)的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。該模型是具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物在各個地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究中。將太原市(37.87°N、112.53°E)設(shè)為起點(diǎn)，將模擬起始高度設(shè)置為500 m[19]，模擬時長為72 h，進(jìn)行后向軌跡計算，并對氣流軌跡進(jìn)行聚類分析。

1.3.2 聚類分析方法

聚類分析是一種多元統(tǒng)計技術(shù)，可對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，合理有效地簡化數(shù)據(jù)，提高信息利用率，廣泛應(yīng)用于大氣污染研究中。根據(jù)氣團(tuán)移動速度和方向?qū)Υ罅寇壽E進(jìn)行分組，得出不同的輸送軌跡分組，可以比較直觀地了解氣團(tuán)的來源方向和傳輸距離。本研究采用二分K均值算法進(jìn)行聚類分析。該算法首先將所有的軌跡作為一組，然后將該組一分為二，之后選擇其中的一個組繼續(xù)劃分，選擇哪一個組進(jìn)行劃分取決于對其劃分是否可以最大程度地降低誤差。重復(fù)上述基于風(fēng)向角度的劃分過程，直到組數(shù)目和指定的K值相等，K值代表聚類軌跡條數(shù)[20-21]。

風(fēng)向角度計算方法如下：

(1)

Ai=(X1(i)-X0)2+(Y1(i)-Y0)2

Bi= (X2(i)-X0)2+(Y2(i)-Y0)2

Ci= (X2(i)-X1(i))2+(Y2(i)-Y1(i))2

式中，(X1，Y1)和(X2，Y2)分別表示軌跡1及2的坐標(biāo)，d12表示軌跡1和2的夾角距離。

2 結(jié)果分析

2.1 污染過程分析

2018年11月21日-12月5日，太原市出現(xiàn)了一次大氣污染過程。表1給出了本次污染過程日均PM10及PM2.5濃度，PM2.5/PM10(濃度比值，下同)、日均能見度、空氣質(zhì)量級別、首要污染物及日空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)、天氣現(xiàn)象等。此次污染過程時間較長，歷時14天，其中有9天處于中度污染以上。根據(jù)山西省氣象信息中心氣象觀測資料，本次污染過程期間，霾和沙塵天氣現(xiàn)象交替出現(xiàn)。山西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心的污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，本次天氣污染過程污染物主要為顆粒物。

表1 太原市2018年11月21日-12月7日逐日氣象要素及污染物概況

圖2為葵花8號衛(wèi)星監(jiān)測的本次污染過程出現(xiàn)的沙塵天氣(粉色代表沙塵)。圖3給出了此次過程能見度及濕度，PM2.5、PM10質(zhì)量濃度變化、PM2.5/PM10、風(fēng)向風(fēng)速逐小時變化趨勢，圖3(b)中圓圈表示沙塵天氣時段。由于此類低能見度天氣常出現(xiàn)天氣現(xiàn)象特征不明顯、肉眼無法判斷的時段，根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，出現(xiàn)此類天氣現(xiàn)象時，當(dāng)PM2.5/PM10濃度比值<0.35時，可視為沙塵天氣現(xiàn)象[22]。

圖2 2018年11月26日06:30(a)及12月3日03:00(b)葵花衛(wèi)星檢測的山西省區(qū)域沙塵分布圖

由圖3可知，整個過程期間，偏西北氣流與偏南氣流交替出現(xiàn)，霾和沙塵天氣現(xiàn)象亦交替出現(xiàn)，同時還出現(xiàn)了霾天氣和沙(浮)塵天氣特征比較不明顯的時段。受弱冷空氣影響，地面風(fēng)向以西北風(fēng)為主時，一般伴隨沙(浮)塵出現(xiàn)。由PM2.5/PM10值來看，沙(浮)塵出現(xiàn)時段，PM2.5/PM10值會急劇下降。污染過程期間，PM2.5/PM10值為0.05～0.64，平均能見度為7.8 km。整個污染過程可分為五個階段:階段一：起始于11月21日夜間的霾天氣現(xiàn)象時段；階段二：始于11月26日傍晚的沙塵天氣現(xiàn)象時段；階段三：始于11月28日午后的霾天氣現(xiàn)象時段；階段四：始于12月2日晚的沙塵天氣現(xiàn)象時段；階段五：始于12月5日凌晨的霾天氣時段，12月6日凌晨起污染過程結(jié)束。

根據(jù)氣象觀測數(shù)據(jù)、PM2.5/PM10值(表1及圖3)及霾天氣定義[2]綜合判斷，此次污染過程是一次霾和沙塵天氣現(xiàn)象交替出現(xiàn)，PM2.5、PM10超標(biāo)導(dǎo)致的污染過程。

圖3 太原市2018年11月21日-12月6日能見度、濕度(a)和風(fēng)向風(fēng)速、PM2.5、PM10濃度及PM2.5/PM10(b)逐時變化

第一階段：11月21日至11月26日。11月21日，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)為68，空氣質(zhì)量級別為良，小時能見度基本大于30 km，11月21日21時起，能見度開始下降，至21日23時小時能見度降至8 km，大氣中的污染物尤其是PM2.5濃度逐步累積增加。根據(jù)PM2.5/PM10值及歷史氣象觀測資料判斷，該階段天氣現(xiàn)象為霾，持續(xù)至11月26日白天。第一階段平均能見度為7.7 km。這是由于當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速較小，天氣靜穩(wěn)，污染物難以擴(kuò)散，粒徑較大的顆粒物受重力影響會沉降，而細(xì)粒子容易懸浮在空氣中累積，所以PM2.5濃度會逐步累積增加，細(xì)粒子濃度的增加導(dǎo)致PM2.5/PM10小時濃度比值亦呈增加趨勢。此階段污染特征為能見度較低，以輕度污染為主，并隨著污染物的累積，PM2.5/PM10值呈增加趨勢。

第二階段：11月26日至11月28日。11月26日，能見度持續(xù)較低，天氣現(xiàn)象由霾逐漸轉(zhuǎn)為沙塵(由于沙塵到達(dá)時間較晚，致使26日PM2.5/PM10濃度比值仍大于0.35，該日天氣現(xiàn)象記為霾和沙塵)。本階段平均能見度為7.4 km。葵花8號衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果顯示(圖2a)，26日06：30，山西上空出現(xiàn)沙塵，隨著沙塵的到來，能見度逐步降低，最低降至3 km。11月26日，天氣現(xiàn)象肉眼難以區(qū)分，根據(jù)PM2.5/PM10值并結(jié)合葵花衛(wèi)星數(shù)據(jù)判斷，26日至28日凌晨，天氣現(xiàn)象均為沙塵。沙塵初期PM2.5與PM10濃度均呈增加趨勢，其中PM10濃度從15時開始，呈現(xiàn)暴發(fā)式增長，從268.0 μg/m3增加至20時的653.2 μg/m3，達(dá)當(dāng)日最高值，此時，地面小時平均風(fēng)速為4.8 m/s(橢圓內(nèi)為風(fēng)速桿)，亦達(dá)到26日最大，風(fēng)向?yàn)閃NW。此后PM10濃度略微下降。在本次沙塵過程期間，PM10濃度均處于較高水平，這是由于沙塵從沙源地隨氣流到達(dá)太原上空后，質(zhì)量較大顆粒物從高空逐步沉降到地面，而質(zhì)量較小的粒子會懸浮在空氣中。11月26日，PM10日均濃度值為364 μg/m3，AQI為220，首要污染物為PM10，污染程度為重度污染。11月27日PM10日均濃度值為305 μg/m3，AQI為178，首要污染物亦為PM10。在11月26日開始的沙塵天氣現(xiàn)象期間，PM2.5濃度呈現(xiàn)波動變化趨勢。在沙塵到達(dá)初期，PM2.5濃度亦有所增加，但PM2.5/PM10值會隨著沙塵的到來急劇下降，最低降至21時的0.16。這是由于沙塵隨著氣流到達(dá)后，空氣中粗粒子的比重增加，而地面西北風(fēng)風(fēng)速增加對在霾天氣階段累積的細(xì)粒子有一定的清除作用。此后隨著粗粒子的沉降，PM2.5/PM10又有所增加。此階段污染特征為能見度低，以重度污染和中度污染為主，PM2.5/PM10值急劇下降后緩慢上升。

第三階段：11月28日至12月2日。11月28日凌晨起，天氣現(xiàn)象逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轹?。該階段平均能見度為5.3 km，能見度較第一、第二階段的有所下降，這可能是由于前期污染物的不斷累積所致。28日PM10日均濃度為337 μg/m3，地面風(fēng)速逐漸減小，PM2.5濃度逐漸增加。至12月2日夜間冷空氣到達(dá)之前，PM2.5濃度出現(xiàn)最高值(257.25 μg/m3)，PM2.5/PM10小時濃度比值亦逐漸上升。這是由于當(dāng)?shù)孛嫫巷L(fēng)風(fēng)速較小時，空氣污染擴(kuò)散氣象條件較差，空氣中細(xì)粒子會逐步累積，同時空氣中質(zhì)量較大的例子會沉降，因而PM2.5/PM10值增加。此階段主要特征為能見度低，小時首要污染物主要為PM2.5，以中度污染和重度污染為主。

第四階段：12月2日至5日。12月2日19時開始，地面風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)。12月2日20時起，根據(jù)PM2.5/PM10值、歷史氣象資料，并結(jié)合葵花衛(wèi)星數(shù)據(jù)(圖2b)綜合判斷，地面天氣現(xiàn)象由霾轉(zhuǎn)為沙塵，空氣濕度下降，PM2.5/PM10值下降，PM10濃度逐漸升高。期間PM10小時濃度最高，為387.6 μg/m3，出現(xiàn)在12月3日02時。之后隨著顆粒物的沉降，PM10濃度逐漸降低。該階段能見度持續(xù)較低，最低值為5.9 km，出現(xiàn)在12月3日01時，此后能見度有所增加，第四階段平均能見度為14.2 km。12月4日08-11時，能見度出現(xiàn)大于30 km時段，之后能見度又逐漸減少。這可能是由于在本階段沙塵過程后期，地面風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)向，且風(fēng)速持續(xù)較大，空氣污染擴(kuò)散氣象條件轉(zhuǎn)好，而沙塵中粒徑較大的顆粒物已沉降或通過擴(kuò)散清除，地面粒徑較小的顆粒物在西北風(fēng)風(fēng)速較大時不容易累積，所以出現(xiàn)短時能見度較好。從PM2.5濃度水平來看，相比11月26日的第二階段沙塵過程，12月2日的第四階段的沙塵過程中，PM2.5濃度整體低于11月26日沙塵過程的濃度(11月26日沙塵過程期間，PM2.5平均濃度為95.8 μg/m3，本次沙塵過程PM2.5平均濃度為54.4 μg/m3)。這是由于12月2日的沙塵過程期間地面平均風(fēng)速(2.8 m/s)大于11月26日沙塵過程期間地面平均風(fēng)速(1.2 m/s)，較大風(fēng)速有利于細(xì)粒子的清除。此階段主要特征為能見度短時轉(zhuǎn)好但很快降低，由重度污染轉(zhuǎn)為輕度污染，首要污染物由PM2.5轉(zhuǎn)為PM10，PM2.5/PM10值急劇降低。

第五階段：12月5日至12月6日。12月5日05時起至12月6日00時，天氣現(xiàn)象由沙塵轉(zhuǎn)為霾。該時段內(nèi)平均能見度為4.8 km，顆粒物濃度、空氣濕度均持續(xù)上升，PM2.5/PM10值增加。本階段污染物變化具有霾天氣現(xiàn)象階段典型變化特征[9-10]。之后從12月6日夜間起，冷空氣影響太原。由于污染物累積時間較短，所以本階段污染以中度污染為主。隨著冷空氣到達(dá)，空氣污染擴(kuò)散氣象條件好轉(zhuǎn)，污染物濃度下降，12月6日AQI為74，空氣質(zhì)量級別為良，此次污染過程結(jié)束。

本次污染過程歷時較長，霾與沙(浮)塵交替出現(xiàn)，天氣現(xiàn)象肉眼難以區(qū)分，能見度低，輕、中、重度污染均有出現(xiàn)，PM2.5和PM10作為首要污染物交替出現(xiàn)。

2.2 環(huán)流形勢分析

圖4給出了污染過程期間部分時段高空500 hPa形勢、海平面氣壓場及850 hPa風(fēng)場。從11月25日18時高空500 hPa形勢場(圖4a)來看，太原高空受華北弱脊控制，中緯度環(huán)流較平直，地面形勢為均壓場(圖4b)，850 hPa風(fēng)場(圖4a)為弱偏南氣流。此類天氣形勢所對應(yīng)的大氣層結(jié)穩(wěn)定，地面風(fēng)速小。在秋冬季，當(dāng)山西省位于此類天氣形勢下，近地層極易形成逆溫層，而較弱的上升運(yùn)動卷起地表污染物滯留在空中，由于大氣層結(jié)穩(wěn)定，容易形成霾天氣[19]。冷空氣到來之前，大氣污染擴(kuò)散氣象條件持續(xù)較差，PM2.5累積至最大值，天氣現(xiàn)象為霾，地面能見度低，11月25日平均能見度為6.6 km。

從11月26日06時及12時高空500 hPa形勢場(圖4c、e)來看，太原處于東北冷渦底部，850 hPa(圖4c、e)以西北氣流為主，地面處于蒙古高壓底前均壓場(圖4d、f)，受東北冷渦東移影響，冷空氣攜帶大量沙塵即將影響太原。影響山西的沙塵天氣一般有西北路徑、偏西路徑和偏北路徑[23]。結(jié)合后向軌跡分析，本次沙塵過程為西北路徑[23]。11月26日，太原出現(xiàn)沙塵污染過程，天氣現(xiàn)象由霾變?yōu)樯硥m，11月26日20時，PM10小時濃度達(dá)到最高，為653.2 μg/m3。

圖4 太原市2018年11月21日-12月6日重污染天氣過程期間部分時段500 hPa形勢場及850 hPa風(fēng)場、地面氣壓場

從12月2日00時高空500 hPa形勢場(圖4g)來看，太原受較平直西風(fēng)氣流控制，850 hPa風(fēng)場(圖4g)為弱偏南氣流，地面形勢場(圖4h)為蒙古高壓前部，地面風(fēng)速較小，污染物逐漸累積，17時出現(xiàn)此次污染過程中PM2.5小時濃度最高值，為257.3 μg/m3。12月2日當(dāng)天日均能見度為4.4 km，之后隨著蒙古大槽東移(圖略)，沙塵隨冷空氣到達(dá)太原，再次出現(xiàn)沙塵天氣現(xiàn)象。

此次污染過程環(huán)流形勢分析結(jié)果表明,在高空天氣系統(tǒng)東移影響山西的過程中，太原地面均位于弱高壓底部，距離高壓中心較遠(yuǎn)，冷空氣較弱，近地面大氣層結(jié)穩(wěn)定，弱冷空氣對污染物的清除作用有限，同時攜帶沙塵到達(dá)地面，導(dǎo)致霾和沙塵的交替出現(xiàn)，天氣現(xiàn)象肉眼難以區(qū)分，能見度持續(xù)較低。

2.3 垂直擴(kuò)散條件

圖5給出了太原市本次污染過程中部分典型時段T-lnp圖。由圖5(a)可知，11月26日20時，近地面風(fēng)速的增加，導(dǎo)致近地面濕度降低，雖然近地面風(fēng)速較大，但由于持續(xù)時間較短(見圖3)，地面逆溫層仍存在，850 hPa為偏西北氣流，此時天氣現(xiàn)象為沙塵，PM10小時濃度值達(dá)到本次污染過程峰值(653.2 μg/m3)。逆溫層的存在導(dǎo)致近地面已累積的污染物不容易擴(kuò)散清除，冷空氣攜帶沙塵到達(dá)以后，污染反而進(jìn)一步加重，能見度持續(xù)較低，天氣現(xiàn)象肉眼難以分辨。

圖5 太原市2018年11月26日20時(a)、12月2日08時(b)、12月6日08時(c)重污染天氣過程期間T-lnp圖

從12月2日08時T-lnp圖來看(圖5b)，近地面為西南氣流，近地面及850 hPa均出現(xiàn)逆溫，且濕度較大，雙層逆溫導(dǎo)致大氣污染擴(kuò)散氣象條件極差，而地面濕度大又導(dǎo)致細(xì)粒子容易吸濕增長，近地面污染物不斷累積，能見度低。至12月2日17時，PM2.5小時濃度值出現(xiàn)本次污染過程最高值(257.3 μg/m3)，此時天氣現(xiàn)象為霾，冷空氣尚未影響太原。

由12月6日08時T-lnp圖來看(圖5c)，地面及高空均出現(xiàn)較強(qiáng)西北氣流，逆溫層消失，此時，空氣污染擴(kuò)散氣象條件良好，污染物清除，此次污染過程結(jié)束。

從整個污染過程08時及20時T-lnp圖來看(圖略)，近地面均有不同程度逆溫出現(xiàn)，在天氣現(xiàn)象以霾為主時段，空氣濕度高于沙塵天氣階段的濕度(霾天氣現(xiàn)象階段的平均濕度為56.2%，沙塵天氣現(xiàn)象階段的平均濕度為32.1%)，逆溫層厚度及強(qiáng)度均大于沙塵階段的，整個污染時段，冷空氣活動次數(shù)多，但強(qiáng)度弱，不易打破近地面逆溫層，對污染物的清除作用非常有限。

2.4 后向軌跡分析

通過后向軌跡模式，對整個污染過程期間逐時后向軌跡進(jìn)行計算，并通過二分K值法聚類分型，軌跡的路線和方向表示氣團(tuán)在到達(dá)計算點(diǎn)(太原市)所經(jīng)過的地區(qū)，根據(jù)其長短可以判斷出氣團(tuán)移動的速度，長軌跡對應(yīng)移動快速的氣團(tuán)，短軌跡對應(yīng)移動緩慢的氣團(tuán)。

整個污染過程期間的軌跡分為4類，水平方向軌跡見圖6。從聚類結(jié)果來看，2類軌跡為首要污染物為PM10的污染軌跡，其平均移動速度為10.5 m/s。此類軌跡影響時段，PM2.5/PM10平均值為0.34，視為沙塵軌跡，這與冷空氣攜帶沙塵到達(dá)目標(biāo)城市形成污染是一致的。1類軌跡PM2.5/PM10平均值為0.54，其平均移動速度為2.7 m/s，此類軌跡移動速度慢，從其空間特征來看，垂直運(yùn)動過程中的下沉后再抬升現(xiàn)象更容易將沿途的低層污染物裹挾向下游輸送[21]。在此次污染過程中，此類軌跡對應(yīng)首要污染物為PM2.5的霾天氣，這與在大氣污染擴(kuò)散氣象條件較差時段，PM2.5粒徑較小更容易在空氣中懸浮相一致。3類及4類軌跡，對應(yīng)PM2.5/PM10平均值分別為0.42和0.45。4類軌跡移動速度較3類軌跡的快，從其空間特征來看，亦在垂直方向上出現(xiàn)先下沉后再抬升的運(yùn)動過程，此類軌跡亦對應(yīng)首要污染物為PM2.5的霾天氣。其中，1類和3類軌跡的移動速度均小于5 m/s，為近距離輸送。2類軌跡和4類軌跡分別占污染過程期間軌跡的67.9%和27.9%，這是由于太原市地處中緯度地帶大陸內(nèi)部，西北風(fēng)盛行，軌跡結(jié)果與太原所處的地理位置和季風(fēng)氣候是相適應(yīng)的[20-28]。

圖6 太原市2018年11月21日-12月6日重污染天氣過程期間后向軌跡聚類結(jié)果(a)及其空間特征(b)

2.5 氣態(tài)污染物(SO2、NO2)變化特征

圖7給出了污染過程期間太原市顆粒物與氣態(tài)污染物濃度逐時變化。由圖7可知，11月26日，在沙塵到達(dá)之前(天氣現(xiàn)象為霾時)，SO2和NO2濃度與PM2.5濃度呈現(xiàn)協(xié)同變化趨勢，13時SO2濃度最高，達(dá)到了當(dāng)日最高值(94.3 μg/m3)，NO2濃度亦出現(xiàn)當(dāng)日最高值，為100.4 μg/m3。這是由于此時地面風(fēng)速較小，大氣污染氣象擴(kuò)散條件較差，空氣中污染物不斷累積。隨著地面風(fēng)速增大，天氣現(xiàn)象逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯硥m，PM10濃度暴發(fā)式增長，SO2和NO2濃度快速下降，同時PM2.5/PM10值出現(xiàn)大幅下降，至11月26日21時，SO2濃度為14.2 μg/m3，NO2的濃度下降至當(dāng)日最低值29.8 μg/m3。之后隨著風(fēng)速降低，天氣現(xiàn)象再次轉(zhuǎn)變?yōu)轹矔r，SO2和NO2濃度與PM2.5濃度變化趨勢又趨于一致。本次污染過程中沙塵天氣階段和霾天氣階段均呈現(xiàn)類似變化特征，說明氣態(tài)污染物(SO2和NO2)的濃度受地面風(fēng)向及風(fēng)速影響較大[5,12,29-32]。在典型的霾天氣時段，SO2和NO2濃度與PM2.5濃度變化趨勢一致；在沙塵影響時段，隨著風(fēng)速的增加，SO2和NO2的濃度呈現(xiàn)下降趨勢。

圖7 太原市2018年11月21日-12月6日重污染天氣過程期間顆粒物與氣態(tài)污染物濃度逐時變化

3 結(jié) 論

(1)2018年11月22日-12月5日太原市冬季出現(xiàn)的霾和沙塵“混合型”污染天氣過程，歷時14天，首要污染物為顆粒物，可分為“霾-沙塵-霾-沙塵-霾”五個階段，屬于一種“非典型性”污染過程。

(2)沙塵隨著氣流到達(dá)后，空氣中粗粒子的比重增加，PM10濃度呈現(xiàn)暴發(fā)式增長，與此同時地面風(fēng)速的增大對霾天氣階段累積的細(xì)粒子有一定清除作用，導(dǎo)致在沙塵影響階段初期，PM2.5/PM10值呈現(xiàn)急劇下降趨勢；當(dāng)天氣現(xiàn)象逐步轉(zhuǎn)為霾時，地面風(fēng)速減小，天氣靜穩(wěn)，空氣中質(zhì)量較大的粗粒子受重力影響逐步沉降，而細(xì)粒子將持續(xù)懸浮在空氣中并不斷累積，導(dǎo)致PM2.5濃度逐步增加，PM2.5/PM10值亦呈增加趨勢。

(3)在此次過程期間，隨著高空天氣系統(tǒng)東移影響山西，太原地面位于弱高壓底部，距離高壓中心較遠(yuǎn)，冷空氣較弱，近地面大氣層結(jié)仍趨于穩(wěn)定，整個污染過程期間08時及20時近地面均有不同程度逆溫出現(xiàn)，冷空氣對污染物的清除作用有限，同時攜帶沙塵到達(dá)地面，導(dǎo)致霾和沙塵的交替出現(xiàn)。

(4)整個污染過程期間的后向軌跡分為4類，以PM10污染為主的沙塵天氣軌跡移動速度高于以PM2.5污染為主的霾天氣軌跡移速；在垂直方向上出現(xiàn)先下沉后再抬升的空間運(yùn)動軌跡，對應(yīng)首要污染物為PM2.5的霾天氣。

(5)氣態(tài)污染物(SO2和NO2)濃度在沙塵天氣和霾天氣時段呈現(xiàn)不同變化特征。由于氣態(tài)污染物的濃度受地面風(fēng)向及風(fēng)速影響較大，在沙塵階段，隨著PM10濃度暴發(fā)式增長，SO2和NO2濃度快速下降；在風(fēng)速降低，天氣現(xiàn)象逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轹矔r，SO2和NO2濃度與PM2.5濃度變化趨勢基本一致。