王晨曦 王維佳 桂海林 曹楊 郭云云

(1 四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，成都 610072; 2 中國氣象局云霧物理環(huán)境重點實驗室，北京 100081; 3 四川省人工影響天氣辦公室，成都 610072; 4 國家氣象中心，北京 100081; 5 四川省氣象臺，成都 610072)

引言

近年來，隨著社會各界的共同努力，大氣污染防治攻堅穩(wěn)步推進(jìn)，我國大氣環(huán)境質(zhì)量整體上持續(xù)穩(wěn)中向好，然而空氣質(zhì)量仍有波動，特別是在冬季仍有重污染事件發(fā)生，大氣污染治理呈現(xiàn)復(fù)雜性和艱巨性。持續(xù)開展重污染過程監(jiān)測和分析對于科學(xué)支撐環(huán)境管理部門綜合決策具有重大意義。國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，細(xì)顆粒物(PM2.5)污染與靜穩(wěn)天氣下的環(huán)流形勢、相對濕度、逆溫、大氣穩(wěn)定度、邊界層高度、邊界層內(nèi)的氣象要素特征均有著密切聯(lián)系[1-6]。此外，某些特殊地形限制了污染物的擴(kuò)散，并促進(jìn)了污染物的吸濕性增長以及二次轉(zhuǎn)化，再加上區(qū)域輸送，往往會導(dǎo)致污染物濃度的爆發(fā)性增長。京津冀、長江三角洲、珠江三角洲[7-15]作為我國大氣污染治理的重點區(qū)域，區(qū)域及周邊地區(qū)大氣污染問題一直備受關(guān)注，四川盆地和汾渭平原由于特殊地形而頻發(fā)的秋冬季污染問題也日益受到重視。已有的研究結(jié)果表明：均壓場的分布和較為平穩(wěn)的高空形勢為污染天氣提供了有利氣象背景；高濕、靜小風(fēng)、逆溫、較低的混合層高度以及較差的邊界層內(nèi)垂直擴(kuò)散條件不利于污染物的擴(kuò)散；特殊地形下，污染階段與清除階段具有不同的低層盛行風(fēng)向；大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)偏高以及邊界層內(nèi)的通風(fēng)系數(shù)對污染物累積以及清除也具有一定的指示性。

四川是中國四大霾區(qū)之一，地形與氣象因素造成四川盆地秋冬季靜穩(wěn)天氣居多、霧霾頻發(fā)，在高濃度排放疊加下PM2.5等顆粒物污染情況嚴(yán)重[16-19]。成都作為四川的省會城市，環(huán)山地形特征導(dǎo)致成都地面風(fēng)速整體偏小，風(fēng)場對污染物的擴(kuò)散能力弱，局地環(huán)流特征顯著。冬季成都近地面容易產(chǎn)生逆溫，霧霾頻發(fā)，能見度偏低。對成都的PM2.5污染輸送與潛在來源的研究結(jié)果表明，成都南部及西南部城市群有顯著貢獻(xiàn)。但是，目前針對成都地區(qū)污染過程的研究大多局限于地面氣象要素，邊界層特征的研究仍較缺乏。因此，本研究利用高時空分辨率的風(fēng)廓線雷達(dá)資料結(jié)合常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)，選取了2017年12月至2018年1月成都兩次持續(xù)時間長的冬季典型重污染過程，從地面氣象要素、環(huán)流形勢、邊界層風(fēng)場、邊界層湍流以及動力特征、局地環(huán)流、通風(fēng)系數(shù)等多方面對比分析兩次污染過程生消特征的異同，旨在為大氣污染的預(yù)報以及防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)及方法

選取位于成都市龍泉驛(104.26°E，30.61°N，海拔高度461 m)與大邑(103.46°E，30.56°N，海拔高度507 m)的L波段邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，數(shù)據(jù)包括水平風(fēng)速、水平風(fēng)向、垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等，該數(shù)據(jù)的垂直分辨率在900 m以下為60 m，900 m以上為120 m。PM2.5濃度數(shù)據(jù)來源于成都市區(qū)沙河鋪(104.13°E，30.63°N)的環(huán)保國控站點。選取位于成都市溫江區(qū)(103.85°E，30.74°N，海拔高度547.7 m)的探空風(fēng)場數(shù)據(jù)以及地面常規(guī)觀測站的溫、壓、濕、風(fēng)資料，其中探空數(shù)據(jù)的觀測時間為每天08:00與20:00，其余數(shù)據(jù)的時間分辨率均為1 h。

1.1 通風(fēng)系數(shù)

通風(fēng)系數(shù)(VI)指一定高度層內(nèi)累計水平風(fēng)速的大小，可以用來表征水平方向上的風(fēng)場對污染物的輸送能力，公式如下：

(1)

其中，i為該時刻數(shù)據(jù)中垂直高度由低至高的第i層數(shù)據(jù)；hi為第i層數(shù)據(jù)所對應(yīng)的垂直高度(單位:m)，vi為第i層數(shù)據(jù)對應(yīng)的風(fēng)速大小(單位：m/s)。

1.2 局地回流指數(shù)

局地回流指數(shù)(RF)可以用來反映風(fēng)場的有效輸送能力，RF的值介于0～1之間，當(dāng)RF接近1時，表示污染物可以被風(fēng)場輸送到較遠(yuǎn)的距離，而RF接近0時，則認(rèn)為該時段內(nèi)的風(fēng)場使污染物回流堆積的效果越明顯，污染物的有效擴(kuò)散區(qū)域小[7]，公式如下：

其中，t為某個時刻，te與ts為起始與終止時刻，ΔT為數(shù)據(jù)時間間隔，ut與vt為t時刻水平風(fēng)的東西分量與南北分量。

2 污染過程概述

本文分析了成都冬季兩次典型的重污染過程(圖1)。過程1(2017年12月17日至2018年1月3日)具有污染持續(xù)時間長，重污染為主的特點。整個過程的平均PM2.5濃度為134 μg/m3，峰值濃度為268 μg/m3，重度污染(PM2.5大于150且小于等于250 μg/m3)時段占總污染時段的31%，輕度污染(PM2.5大于75且小于等于115 μg/m3)與中度污染(PM2.5大于115且小于等于150 μg/m3)分別占過程總時段的24%、23%。

過程2(2018年1月8—24日)持續(xù)時間較長，以輕度污染為主。過程平均PM2.5濃度為102 μg/m3，峰值濃度為243 μg/m3，其中,輕度污染時間占總污染時段的27%，中度污染以及重度污染的時間分別占過程總時段的20%、13%。綜上，過程1與過程2的污染時長基本相當(dāng)，但過程2的平均濃度、峰值濃度、重度污染時段所占的時長比過程1偏弱。

3 地面氣象要素與環(huán)流形勢分析

成都平原地處四川盆地西部，其東側(cè)為龍泉山脈，西側(cè)為龍門山脈，北接川東北城市群，南臨川南城市群，因而成都平原污染高發(fā)不僅與特殊地形影響下的氣象條件相關(guān)，也與城市群間的污染傳輸相關(guān)。根據(jù)PM2.5濃度的變化趨勢，將過程1劃分為2個階段。在過程1的第1個階段(2017年12月17—29日)，天氣擾動較大，PM2.5濃度曲線波動上揚，并且具有明顯的日變化特征。由圖1a、b可知該階段夜間平均風(fēng)速為0.8 m·s-1，平均相對濕度為94%，PM2.5濃度在靜穩(wěn)高濕的條件下累積；到了白天，平均風(fēng)速增大到1.2 m·s-1，平均相對濕度則降為68%，PM2.5濃度逐漸下降并在17：00左右達(dá)到谷值。結(jié)合圖2a可知，階段1期間近地層主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)與西風(fēng)，風(fēng)向頻率分別為21%、16%。當(dāng)風(fēng)速小于1 m·s-1時，PM2.5濃度隨著風(fēng)速的減小而增大；當(dāng)風(fēng)速大于1 m·s-1時，PM2.5濃度隨著風(fēng)速的增大而增大，PM2.5濃度的大值區(qū)主要分布在東北、西、南這3個風(fēng)向上。綜上， 在本地不利于擴(kuò)散的氣象條件與區(qū)域輸送的共同影響下， 階段1的累

圖1 成都兩次重污染2017年12月17日至2018年1月3日(a,b),2018年1月8—24日(c,d)風(fēng)向、風(fēng)速、相對濕度以及PM2.5濃度的時間序列

圖2 成都兩次重污染過程的風(fēng)向、風(fēng)速與PM2.5濃度分布:(a)2017年12月16日至29日，(b) 2017年12月30日至2018年1月3日，(c) 2018年1月9日至16日，(d) 2018年1月17日至24日(填色部分代表各風(fēng)向上的小時風(fēng)速對應(yīng)的小時PM2.5濃度，黑色實線表示各風(fēng)向頻率)

積情況比較嚴(yán)重。結(jié)合天氣形勢具體看來，16日至23日白天，成都地區(qū)高空以緯向型環(huán)流為主，地面處于弱氣壓場中，近地面風(fēng)向以西北風(fēng)為主，小時平均風(fēng)速約為1 m·s-1，同時925 hPa有逆溫層存在，950 hPa以下相對濕度緩慢增大至80%，PM2.5濃度在靜穩(wěn)高濕條件下持續(xù)積累，于23日00:00達(dá)到了288 μg/m3。23日夜間，隨著深厚高空槽與地面冷高壓東移北抬，地面上成都位于青海冷高壓東南部，受高空槽后部干冷空氣與地面弱高壓影響，近地面轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)速增大到2 m·s-1，相對濕度降低到30%以下，PM2.5濃度在23日17:00降至102 μg/m3。25日白天， 高空轉(zhuǎn)為平直的緯向環(huán)流， 地面氣壓降

至1025 hPa，夜間近地面形成多層逆溫，925 hPa以下逆溫差可達(dá)13 ℃，垂直擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，因此25日夜間PM2.5濃度波動上升，并在26日08:00達(dá)到223 μg/m3。隨后，在系統(tǒng)擾動、風(fēng)場對污染物的區(qū)域輸送等作用的影響下，PM2.5濃度經(jīng)歷了幾次波動，至29日白天，成都受均壓場控制，地面相對濕度明顯增強(qiáng)到98%，有利于污染物的吸濕增長，PM2.5濃度于12:00爆發(fā)式增長至268 μg/m3。29日夜間，850 hPa以下北風(fēng)盛行，打破了近地層的靜穩(wěn)狀態(tài)，風(fēng)速最大值達(dá)到10 m·s-1，導(dǎo)致逆溫層頂高度下降，近地面溫度露點明顯增大且濕層淺薄，垂直擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，PM2.5在17:00以后減弱至120 μg/m3以下。

第2階段(2017年12月30日至2018年1月3日)，風(fēng)速、風(fēng)向與濕度條件比階段1明顯轉(zhuǎn)好，污染程度也較階段1明顯偏弱。由圖1a、b可知，PM2.5濃度總體維持在150 μg/m3以下，PM2.5濃度曲線夜間高、白天低的日變化特征仍然存在。夜間與白天的平均風(fēng)速分別為1.1 m·s-1與1.6 m·s-1，夜間與白天的平均相對濕度則分別為80%與60%。結(jié)合圖2b可知階段2期間，近地層主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)與北風(fēng)，所占的頻率分別為20%、19%。在主導(dǎo)風(fēng)向上，PM2.5濃度隨著風(fēng)速的增大而減小，當(dāng)風(fēng)速大于3.5 m·s-1，PM2.5濃度小于35 μg/m3。當(dāng)風(fēng)速介于1.5～3 m·s-1之間時，西北風(fēng)、西南風(fēng)與PM2.5濃度大值區(qū)有明顯的對應(yīng)關(guān)系，這表明風(fēng)對污染物存在區(qū)域輸送。30日夜間至1月2日夜間，高空受冷渦后部平直偏西氣流控制，大氣層結(jié)穩(wěn)定，PM2.5維持在100 μg/m3以下。2日20：00，近地面逆溫層消失，地面到700 hPa飽和假相當(dāng)位溫隨高度減小，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，3日08:00，孟灣生成的南支槽東移影響成都地區(qū)，850 hPa風(fēng)速達(dá)到8 m·s-1，并在市區(qū)產(chǎn)生0.5 mm的弱降水，近地層轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，小時風(fēng)速可以達(dá)到3.3 m·s-1，PM2.5濃度在3日13:00降到了29 μg/m3以下，標(biāo)志著此次污染過程的結(jié)束。綜上，階段2期間東北風(fēng)與北風(fēng)對PM2.5濃度的清除作用明顯，同時西北風(fēng)、南風(fēng)對污染的區(qū)域輸送作用也非常明顯。

同樣根據(jù)PM2.5濃度的變化趨勢，將過程2劃分為2個階段。階段1(2018年1月9—16日)，由圖1c、d可知，夜間與白天的平均相對濕度分別為89%、58%，夜間與白天的平均風(fēng)速為0.8 m·s-1、1.5 m·s-1，PM2.5濃度在夜間高濕小風(fēng)的條件下吸濕增長并本地累積，隨著白天風(fēng)速增大、相對濕度顯著降低而回落。結(jié)合圖2c可知，階段1期間近地面主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)、西風(fēng)，所占的頻率分別為21%、16%。此外，南風(fēng)所占的頻率也達(dá)到了13%，該階段南風(fēng)風(fēng)向上的風(fēng)速偏大(最大值達(dá)到3 m·s-1)，且PM2.5濃度隨著南風(fēng)風(fēng)速的增大而減小，南風(fēng)對PM2.5的清除作用明顯。PM2.5濃度高值區(qū)集中在西、西北、北、東北、東風(fēng)向上，這些風(fēng)向上的風(fēng)速基本小于2 m·s-1，PM2.5濃度隨著風(fēng)速的增大而增大，污染區(qū)域輸送作用明顯。結(jié)合天氣形勢具體看來，9—15日，成都高空基本為緯向環(huán)流形勢，地面受均壓場控制，靜穩(wěn)天氣形勢持續(xù)，925 hPa以下維持貼地逆溫甚至多層逆溫。PM2.5濃度在不利于擴(kuò)散的氣象條件影響下波動上升，于15日15:00達(dá)到峰值243 μg/m3。15日夜間，隨著高空槽東移加強(qiáng)并向南延伸影響成都，探空站上空中層濕度擴(kuò)展，850 hPa的相對濕度大于90%，但貼地逆溫消失，850 hPa與925 hPa風(fēng)速分別達(dá)到了10 m·s-1與5 m·s-1，擴(kuò)散條件相對好轉(zhuǎn)。16日近地面風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，日平均風(fēng)速增至2 m·s-1，小時最大風(fēng)速為4 m·s-1，相對濕度下降到了21%，PM2.5濃度在16:00降至18 μg/m3。

第2階段(2018年17—24日),由圖1c、d可知，夜間與白天的平均相對濕度分別為87%、74%，夜間與白天的平均風(fēng)速分別為1 m·s-1、1.5 m·s-1。結(jié)合圖2d可知，這個階段地面主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)、北風(fēng)，所占的頻率分別為20%、19%。東北風(fēng)向上的風(fēng)速最大值可達(dá)到4 m·s-1，且PM2.5濃度隨著風(fēng)速的增大而減小，東北風(fēng)對PM2.5的清除效果明顯。17—24日成都地面始終為均壓場，高空在幾次短波槽過境的擾動下，PM2.5濃度在風(fēng)速、風(fēng)向以及相對濕度的影響下經(jīng)歷了幾次累積與降低過程。24日上午，云貴川3省交界處生成氣旋，成都位于氣旋北側(cè)，受鋒面影響，08:00以后市區(qū)有零星降水，近地面受偏北風(fēng)影響，風(fēng)速在20：00達(dá)到了4.3 m·s-1， PM2.5濃度持續(xù)降低，至25日03：00，PM2.5濃度降低至35 μg/m3，污染過程結(jié)束。

4 邊界層特征分析

4.1 水平風(fēng)場

過程1的階段1期間，風(fēng)廓線雷達(dá)每日的水平風(fēng)場(圖3)呈現(xiàn)出比較一致的變化特征：1000～2000 m高度(這里指離地高度，下同)以下存在平均風(fēng)速小于2 m·s-1、風(fēng)向多變的小風(fēng)層。2017年12月17—23日，成都在靜穩(wěn)天氣持續(xù)影響下，小風(fēng)層厚度具有夜間低、白天高的日變化特征，風(fēng)向變化頻繁，貼地層的冷暖平流交替變化明顯。這說明，在太陽輻射的作用下，白天貼地層氣溫變化明顯，湍流運動比較旺盛。到了夜間，地面形成輻射逆溫，大氣層結(jié)變得穩(wěn)定，抑制了湍流運動的發(fā)展，邊界層內(nèi)的風(fēng)速減小，風(fēng)向變換頻率也減慢。24—25日，在地面弱氣壓場的影響下，風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場顯示1000 m以下風(fēng)速偏小、風(fēng)向多變，PM2.5濃度逐漸累積。25日上午，東北風(fēng)由近地面向高層發(fā)展，1000 m高度以下風(fēng)速平均值為4 m·s-1，風(fēng)速最大值達(dá)到6.4 m·s-1，PM2.5濃度在25日14:00降至203 μg/m3。25日夜間至26日凌晨，風(fēng)廓線雷達(dá)顯示500 m高度以下暖平流頻繁活動，探空資料顯示925 hPa以下逆溫差增至13 ℃，近地面轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，小風(fēng)層厚度僅有500 m，風(fēng)速日平均值為1.1 m·s-1。在小風(fēng)層厚度偏低以及近地面逆溫的影響下，PM2.5濃度在26日08:00累積達(dá)到了273 μg/m3。26日白天，隨著1000 m高度以下的偏西風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為東風(fēng)，風(fēng)速平均值達(dá)到2.5 m·s-1，PM2.5濃度在18:00降到83 μg/m3。到第2個階段，小風(fēng)層特征變得不明顯，3000 m以下的風(fēng)向比較一致，1000 m以下風(fēng)速比階段1顯著偏大，平均風(fēng)速達(dá)到2.5 m·s-1，風(fēng)向的交替變換次數(shù)明顯減少，暖平流活動明顯減少。2018年1月2日，隨著低層?xùn)|北風(fēng)的勢力持續(xù)增強(qiáng)，1000 m以下風(fēng)速日均值達(dá)到3.7 m·s-1。有利的水平風(fēng)場擴(kuò)散條件一直持續(xù)到了3日，PM2.5濃度持續(xù)下降并達(dá)到清除標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 2017年12月24日(a)、25日(b)、26日(c)、2018年1月1日(d)、2日(e)、3日(f)成都龍泉驛風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場(圖中時間為世界時，下同)

過程2的階段1期間，近地面1000 m以下的平均風(fēng)速比過程1的階段1偏大(圖4)，2018年1月10—14日1000 m高度以下平均風(fēng)速為2.7 m·s-1，風(fēng)向具有明顯的日變化特征，夜間與凌晨以西南風(fēng)為主，風(fēng)速較?。晃绾笠詵|南風(fēng)為主，風(fēng)速偏大。具體看來，15日凌晨，1500 m高度以下出現(xiàn)明顯的小風(fēng)層，小風(fēng)層平均風(fēng)速為1.5 m·s-1，風(fēng)向變化頻繁，邊界層水平風(fēng)場擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，PM2.5濃度在10:00累積至235 μg/m3。10:00以后，隨著近地面東北風(fēng)勢力的增強(qiáng)，1000 m高度以下逐漸被偏北風(fēng)控制，盡管15日1000 m高度以下的日均風(fēng)速達(dá)到了4.2 m·s-1，但PM2.5濃度仍維持在200 μg/m3以上，這表明持續(xù)的偏北風(fēng)也可能帶來上游的污染。16日，隨著1000 m高度以下南風(fēng)持續(xù)增強(qiáng)，風(fēng)速日均值達(dá)到了4.8 m·s-1，PM2.5濃度在16日下午降至53 μg/m3。在過程2的階段2(1月17—24日)期間，風(fēng)向仍具有明顯的日變化特征，1000 m以下整層風(fēng)速較大(均值為2.9 m·s-1)。PM2.5濃度經(jīng)歷了幾次波動上升下降的過程后，在鋒面過境的影響下，24日全天1000 m高度以下持續(xù)的東北風(fēng)對PM2.5濃度的清除效果非常明顯，污染過程結(jié)束。

圖4 2018年1月14日(a)、15日(b)、16日(c)、24日(d)成都大邑風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場

4.2 垂直速度

在靜穩(wěn)型污染天氣的大部分時段，邊界層內(nèi)的垂直速度與大氣湍流運動偏弱，而天氣擾動往往伴隨著強(qiáng)下沉運動，導(dǎo)致垂直擴(kuò)散條件的好轉(zhuǎn)。過程1期間出現(xiàn)了2次強(qiáng)下沉運動，首先是12月29日，1500～3000 m高度之間出現(xiàn)明顯的強(qiáng)下沉運動，垂直速度的最大值為2 m·s-1，至22:00，500 m高度以下出現(xiàn)垂直速度大值區(qū)，最大值為1.2 m·s-1，PM2.5濃度斷崖式下降。第2個時段(2018年1月3日)，隨著冷空氣的侵入，垂直速度大值區(qū)影響范圍從近地層延伸至3000 m左右，垂直速度的最大值出現(xiàn)在近地面500 m高度附近，大小為2 m·s-1，大氣垂直擴(kuò)散條件顯著轉(zhuǎn)好，污染過程結(jié)束(圖5a)。

過程2期間也有2次強(qiáng)下沉運動。1月15日，近地面至3000 m出現(xiàn)強(qiáng)下沉區(qū)，200～700 m的垂直速度達(dá)到3 m·s-1以上，強(qiáng)下沉運動將動量由對流層中低層下傳至近地面，對污染物在垂直方向上的擴(kuò)散清除十分有利。1月24日，近地面至2000 m存在下沉區(qū)，垂直速度的日均值達(dá)到1 m·s-1(圖5b)。

4.3 折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

圖5 成都重污染過程1(a)與過程2(b)期間垂直速度變化

圖6 成都重污染過程1(a)與過程2(b)折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)變化(由于量級較小，圖中為

4.4 局地回流指數(shù)

挑選過程1、過程2的污染日與清潔日分別繪制回流指數(shù)廓線。由圖7a可以看出，過程1的污染日回流指數(shù)廓線具有一定的相似性，其主要特征為：近地面的回流指數(shù)較低，介于0.4～0.5之間。回流指數(shù)隨著高度升高而減小，500～1000 m高度附近存在明顯的拐點，拐點的回流指數(shù)僅為0～0.2，拐點以下的回流指數(shù)隨著高度逐漸降低，拐點以上的回流指數(shù)則隨著高度的升高逐漸增大。這表明污染日1000 m以下的風(fēng)向變化頻繁，污染物容易在局地形成回流效應(yīng)，風(fēng)場條件非常不利于污染物的清除擴(kuò)散。清潔日的回流指數(shù)廓線則表現(xiàn)為：2000 m以下的回流指數(shù)基本上大于0.8(圖7b)，這說明2000 m高度以下的風(fēng)向比較一致，風(fēng)能把污染物輸送到較遠(yuǎn)的距離，邊界層內(nèi)的水平風(fēng)場條件非常有利于污染物的清除擴(kuò)散。

過程2的污染日(圖7c)回流指數(shù)在近地面100 m高度附近介于0.4～0.5之間，1000 m以下的回流指數(shù)平均值都小于0.6。過程2的清潔日回流指數(shù)大于0.7(圖7d)。

圖7 成都重污染過程1污染日(a)與清潔日(b)，過程2污染日(c)與清潔日(d)局地回流指數(shù)廓線

4.5 通風(fēng)系數(shù)

通風(fēng)系數(shù)可用于表征水平風(fēng)場對污染物的清除能力，一定高度內(nèi)的通風(fēng)系數(shù)較大則表明該高度內(nèi)水平風(fēng)對污染物的清除擴(kuò)散能力較好，反之則較差。過程1期間1000 m以下的平均通風(fēng)系數(shù)為1887 m2·s-1(圖8a)。污染累積階段(2017年12月16—22日)的通風(fēng)系數(shù)顯著偏小，平均值為1455 m2·s-1，該階段1000 m以下的水平風(fēng)場對污染物的清除擴(kuò)散效果較差，污染物容易累積。25日，1000 m以下通風(fēng)系數(shù)達(dá)到2964 m2·s-1，但并未對污染物達(dá)到有效清除的作用，可能有上游污染傳輸?shù)挠绊?。清除階段的通風(fēng)系數(shù)顯著偏大，2018年1月2日的通風(fēng)系數(shù)達(dá)到3321 m2·s-1，有利的通風(fēng)擴(kuò)散條件一直持續(xù)到過程結(jié)束。

過程2期間，1000 m以下的平均通風(fēng)系數(shù)為2725 m2·s-1，比過程1顯著偏大(圖8b)。2018年1月10—15日，通風(fēng)系數(shù)平均值為2627 m2·s-1，其中14日的通風(fēng)系數(shù)日均值最小，約為2052 m2·s-1，PM2.5濃度在14日達(dá)到峰值。隨著15日與16日的通風(fēng)系數(shù)日均值分別達(dá)到3808 m2·s-1、4271 m2·s-1，PM2.5濃度顯著降低。

圖8 成都重污染過程1(a)與過程2(b)的通風(fēng)系數(shù)變化(圖中為北京時)

5 結(jié)論

利用地面常規(guī)觀測氣象資料、風(fēng)廓線雷達(dá)等資料，從環(huán)流形勢、邊界層輸送擴(kuò)散條件等方面對比分析了成都地區(qū)2017年12月至2018年1月兩次冬季典型重污染生消過程的異同。

(1)兩次重污染過程都具有持續(xù)時間長、污染程度嚴(yán)重的特點，但過程2的細(xì)顆粒物平均濃度、峰值濃度、重污染時段所占的比例都比過程1偏弱；在兩次過程的污染累積階段，天氣背景具有共性：高層盛行緯向環(huán)流，近地面為均壓場、弱氣壓場，存在多層逆溫，夜間相對濕度高，風(fēng)速小，風(fēng)向多變，近地面主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)、西風(fēng)，污染的區(qū)域輸送效果明顯；在清除階段，過程1與過程2分別在南支槽東移與鋒面過境的影響下，近地層主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)為東北風(fēng)、北風(fēng)。

(4)局地回流指數(shù)(RF)與通風(fēng)系數(shù)對污染過程預(yù)報的指示性非常顯著。受盆地獨特的地形影響，污染物容易形成局地回流效應(yīng)。污染累積階段，1000 m以下的RF小于0.6，近地層的RF小于0.2，通風(fēng)系數(shù)的日平均值僅為1455 m2/s；清除階段，邊界層內(nèi)的水平風(fēng)場擴(kuò)散條件顯著轉(zhuǎn)好，局地回流效應(yīng)減弱，RF大于0.7，通風(fēng)系數(shù)通常大于3000 m2/s；值得注意的是，較大的通風(fēng)系數(shù)也可以起到上游污染物傳輸?shù)淖饔谩?/p>