劉 建，范紹佳，吳 兌，2，3*，吳 蒙，廖志恒，李浩文（.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院大氣科學(xué)系，廣東廣州 50275；2.暨南大學(xué)大氣環(huán)境安全與污染控制研究所，廣東 廣州 50632；3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州 50080）

珠江三角洲典型灰霾過程的邊界層特征

劉 建1，范紹佳1，吳 兌1，2，3*，吳 蒙1，廖志恒1，李浩文1（1.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院大氣科學(xué)系，廣東廣州 510275；2.暨南大學(xué)大氣環(huán)境安全與污染控制研究所，廣東 廣州 510632；3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州 510080）

2014年1月初珠江三角洲（以下簡稱珠三角）地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的灰霾天氣.利用廣東省城市空氣質(zhì)量資料、中國氣象局番禺大氣成分站逐時(shí)PM10、PM2.5、PM1以及能見度數(shù)據(jù)、廣東省946個(gè)自動(dòng)站風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)、廣州基本站風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)、2013～2014年東莞佛山大氣邊界層觀測試驗(yàn)資料等，研究了珠三角2014年1月1～8日典型灰霾過程的邊界層特征.結(jié)果表明：大陸冷高壓變性出海是這次灰霾過程發(fā)生的主要天氣系統(tǒng).其使得珠三角地區(qū)受靜穩(wěn)天氣控制，造成微風(fēng)或靜風(fēng)狀況以及低的邊界層和逆溫結(jié)構(gòu)；6日珠三角主要城市空氣質(zhì)量呈現(xiàn)不同的變化，其原因主要是區(qū)域內(nèi)風(fēng)向的變化，5日上午珠三角為弱的偏北風(fēng)，整個(gè)珠三角都為灰霾天氣，而5日下午風(fēng)向由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，珠三角東南部地區(qū)空氣質(zhì)量改善，北部（內(nèi)陸）地區(qū)的空氣質(zhì)量惡化；后向軌跡分析發(fā)現(xiàn)所有氣流呈明顯下沉作用，且5日20：00的后向軌跡簇來自陸面，6日20：00的后向軌跡簇來自海面，兩者對珠三角的空氣質(zhì)量具有不同的影響.

珠江三角洲；灰霾；靜穩(wěn)天氣；風(fēng)溫廓線；風(fēng)矢量和；后向軌跡

隨著工業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，人類面臨著越來越嚴(yán)重的大氣污染.中國作為全球經(jīng)濟(jì)總量第二、發(fā)展速度最快的地區(qū)之一，由于大量的能源消耗，同樣面臨著空氣質(zhì)量惡化的威脅，其中灰霾污染是中國空氣污染的主要形式［1-6］.灰霾是能見度小于10km，相對濕度小于90％時(shí)的低能見度現(xiàn)象［7］，其影響公眾身體健康、生活生產(chǎn)以及交通運(yùn)輸?shù)龋?-11］.灰霾天氣的形成除了受污染物排放源的影響，還受各種氣象條件的影響，既有大尺度天氣系統(tǒng)如臺風(fēng)外圍天氣、高壓系統(tǒng)等，又有如海陸風(fēng)、山谷風(fēng)、城市熱島環(huán)流等局地環(huán)流的影響［12-18］.而邊界層作為最貼近下墊面的大氣結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的氣象條件對灰霾過程的形成具有重要作用，風(fēng)場決定了污染物的區(qū)域輸送，大氣邊界層的高度決定邊界層內(nèi)的通風(fēng)量以及污染物的垂直擴(kuò)散稀釋能力［19-30］.

中國的邊界層研究主要集中在京津冀地區(qū)、長三角地區(qū)以及珠三角地區(qū).其中徐祥德等［31-32］研究北京地區(qū)邊界層特征發(fā)現(xiàn)城市區(qū)域中由非均勻次生尺度熱島分布產(chǎn)生的城市次生尺度環(huán)流影響局地空氣污染物的分布特征，并且北京城市重污染過程與北京南部的排放源有顯著的相關(guān).蘇福慶等［27，33］、吳兌等［4］均研究提出太行山、燕山等地形作用對華北平原的區(qū)域污染有重要作用.楊欣等［34］、唐宜西等［35］研究發(fā)現(xiàn)靜穩(wěn)天氣導(dǎo)致靜小風(fēng)狀況以及逆溫結(jié)構(gòu)是北京地區(qū)灰霾產(chǎn)生的主要原因，而高濕天氣則會加劇污染程度.童堯青等［36］研究發(fā)現(xiàn)南京地區(qū)的霾天氣受氣象要素的影響，其中靜小風(fēng)、較高相對濕度有利于霾天氣的出現(xiàn).珠三角由于其獨(dú)特的地理位置決定了其旱季主要受較弱的北風(fēng)影響，雨季主要受強(qiáng)的東南季風(fēng)影響［18］.范紹佳等［23-24］建立了珠三角大氣邊界層的概念模型，即珠三角大氣邊界層主要受來自南海暖濕氣流和來自北方跨越南嶺干冷氣流以及珠三角上空下沉氣流的控制，此外，當(dāng)珠三角地區(qū)大范圍系統(tǒng)風(fēng)較弱時(shí)，其大氣邊界層還受局地海陸風(fēng)、城市熱島環(huán)流和山谷風(fēng)的共同影響.吳兌等［17］、鄧雪嬌等［37］研究發(fā)現(xiàn)珠三角區(qū)域灰霾污染的出現(xiàn)與區(qū)域靜小風(fēng)狀況和較高的水汽通量有關(guān).

本文利用高時(shí)間、高空間分辨率的地面風(fēng)場數(shù)據(jù)，結(jié)合高質(zhì)量的垂直風(fēng)溫?cái)?shù)據(jù)，在水平和垂直兩方面同時(shí)分析了2014年1月1～8日珠三角一次典型灰霾過程的地面風(fēng)場特征和垂直的風(fēng)溫結(jié)構(gòu)特征，揭示珠三角邊界層在灰霾形成過程的作用.

1 數(shù)據(jù)與方法

本文利用的數(shù)據(jù)為廣東省環(huán)保公眾網(wǎng)（http：//www.gdep.gov.cn/）的AQI數(shù)據(jù)；廣州熱帶海洋氣象研究所番禺大氣成分站的PM10、PM2.5、PM1以及能見度數(shù)據(jù)；廣東省946個(gè)自動(dòng)站以及廣州站的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)；和2013年冬季東莞佛山大氣邊界層觀測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).文中還利用美國NOAA的HYSPLIT-4模式研究污染輸送的后向軌跡，采用的數(shù)據(jù)為NOAA再分析數(shù)據(jù)，精度為1°×1°.

AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù).其綜合考慮了PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3的污染作用，且當(dāng)AQI＞100時(shí)表明空氣質(zhì)量已經(jīng)超標(biāo).

風(fēng)矢量和流場圖為一定區(qū)域內(nèi)n小時(shí)風(fēng)矢量和分布圖，其中一個(gè)風(fēng)矢量代表n小時(shí)約60km2范圍內(nèi)空氣流動(dòng)的綜合效果.風(fēng)矢量和流場圖能表征一定區(qū)域內(nèi)的流場特征和大氣輸送能力［4，12，17］.

2013～2014年冬季東莞佛山大氣邊界層觀測實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2013年12月8日～2014年1月8日，東莞的觀測地點(diǎn)為東莞市氣象局，佛山的觀測地點(diǎn)為三水氣象局.觀測方法為雙經(jīng)緯儀小球測風(fēng)法，探空儀為北京大學(xué)地球物理系工廠生產(chǎn)的溫度單要素探空儀，每天觀測8次，分別為06：00，08：00，10：00，14：00，16：00，18：00，20：00以及23：00，如果需要將在02：00進(jìn)行加密觀測.觀測期間，探空氣球的升速約為200m/min，經(jīng)緯儀測風(fēng)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為20s，溫度數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1s.具體分析時(shí)，首先采用矢量法計(jì)算不同高度的風(fēng)向風(fēng)速，然后再采用插值方法將垂直風(fēng)場的數(shù)據(jù)處理到50m分辨率，而溫度資料只進(jìn)行質(zhì)量控制不做其他處理，其垂直分辨率約為3m.最后，利用盛裴軒等［38］的邊界層演變理論確定各個(gè)時(shí)刻的邊界層高度.

HYSPLIT-4為拉格朗日混合單粒子軌道模式，由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）開發(fā)用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型.該模型能較好的模擬出污染過程中污染物質(zhì)的輸送路徑，常用作污染過程的后向軌跡分析［39-40］.本次研究中設(shè)置后向軌跡的起點(diǎn)為廣州熱帶海洋氣象研究所番禺大氣成分站（23.0°N，113.35°E），高度分別設(shè)定為200、500、1000m，且起始時(shí)間分別為2014年1月5日20：00（北京時(shí)間）以及6日20：00（北京時(shí)間）.

圖1 1月份珠三角主要城市AQI變化Fig.1 Time series of AQI of main cities in PRD during January

圖2 1～8日廣州PM10、PM2.5、PM1以及能見度的變化Fig.2 Time series of PM10，PM2.5，PM1and visibility in Guangzhou during 1～8January

2 結(jié)果與分析

2.1 污染過程描述

2014年1月，珠三角主要城市均受到較嚴(yán)重的灰霾過程影響.1～7日，珠三角主要城市的AQI均大于100，其中廣州在1月6日的AQI高達(dá)205，處于嚴(yán)重污染狀態(tài)（圖1）.以廣州為例，1～7日廣州PM10、PM2.5、PM1的平均濃度分別為116.2，86.7，75.4μg/m3，PM2.5/PM10的值高達(dá)74.6％，平均能見度僅為5.0km，這與先前關(guān)于珠三角地區(qū)低能見度事件主要與細(xì)粒子污染有關(guān)的研究結(jié)果一致［11，41-42］.1～3日污染物（PM10、PM2.5、PM1）逐漸積累，能見度惡化，其中3日處于污染物濃度峰值，4、5日污染狀況有所緩解，能見度上升.1月6日的PM10、PM2.5、PM1的平均濃度分別為137.1，104.4，93.0μg/m3，均為這次灰霾過程中的最大值，6日的平均能見度也只有3.0km（圖2）.由圖2發(fā)現(xiàn)，5日和6日珠三角不同城市的AQI呈現(xiàn)出不同的變化，以廣州、佛山、東莞為代表的珠三角內(nèi)陸城市于6日AQI明顯增大，而以珠海、中山及江門等珠三角東南方向沿海城市的AQI于6日卻有明顯地下降.直至8日整個(gè)珠三角灰霾過程才結(jié)束.

2.2 天氣形勢

污染過程的形成受污染物的排放影響外，還受較大尺度天氣系統(tǒng)的影響.珠三角灰霾過程的形成主要受副熱帶高壓、熱帶氣旋、入海變性高壓以及低壓槽等影響［12-13，43］.由1～8日的天氣形勢圖（圖略）可知，2014年1月珠三角地區(qū)出現(xiàn)的這次灰霾污染過程主要受大陸冷高壓變性出海的影響.1日和2日冷高壓中心分別位于東海和日本海，珠三角地區(qū)等壓線稀疏，受均壓場控制，風(fēng)速較小，風(fēng)場的清除能力較低，污染物逐漸積累.3～6日珠三角地區(qū)受冷高壓脊線控制，在下沉氣流的作用下容易形成下沉逆溫，抑制污染物的垂直擴(kuò)散，污染物逐漸積累.7～8日有冷鋒橫掃廣東省，整個(gè)珠三角受北風(fēng)控制.由于北風(fēng)的清除作用，污染物濃度下降，7～8日整個(gè)珠三角AQI也隨之下降，8日灰霾過程結(jié)束.

圖3 1月1～8日48h的風(fēng)矢量和Fig.3 Sum of wind vectors for 48h during 1-8 January

2.3 邊界層特征

2.3.1 水平流場特征 一般來說，穩(wěn)定的風(fēng)向表現(xiàn)為較直的軌跡，這時(shí)矢量風(fēng)速度和標(biāo)量風(fēng)速度相近；然而當(dāng)風(fēng)向有明顯變化時(shí)，矢量風(fēng)速度明顯要小于標(biāo)量風(fēng)速度，所以矢量風(fēng)速度比標(biāo)量風(fēng)速度更能反映出整個(gè)風(fēng)場的循環(huán)過程［44］.風(fēng)矢量和能較好地反映出區(qū)域流場狀況，一般較大的風(fēng)矢量和對應(yīng)著區(qū)域擴(kuò)散能力較好，污染物濃度也較低，反而較小的風(fēng)矢量和對應(yīng)著區(qū)域內(nèi)形成氣流停滯區(qū)，污染物會逐漸積累［4，12，17］.圖3所示為整個(gè)廣東省1～2日、3～4日、5～6日以及7～8日48h的風(fēng)矢量和流場圖.由圖3可以發(fā)現(xiàn)1～2日珠三角區(qū)域48h的風(fēng)矢量和低于200m/s，這表明整個(gè)珠三角區(qū)域主要受靜小風(fēng)控制，污染物逐漸積累.3～4日48h的矢量和流場圖表現(xiàn)出明顯的北風(fēng)，其中珠江口西岸48h的風(fēng)矢量和也明顯增大至500m/s左右，同時(shí)對比圖發(fā)現(xiàn)4日珠三角區(qū)域的污染狀況得到緩解，AQI和廣州地區(qū)的顆粒物濃度都有所下降.珠三角地區(qū)于5～6日的48h風(fēng)矢量和小于400m/s，并表現(xiàn)出一定的偏東風(fēng)，其將攜帶暖濕氣流到珠三角，于此同時(shí)廣州、佛山、東莞等地區(qū)的污染加劇.7～8日48h風(fēng)矢量和流場圖表現(xiàn)出北風(fēng)，所以在北風(fēng)的清潔作用下，整個(gè)珠三角地區(qū)的AQI呈現(xiàn)明顯的下降趨勢.所以，當(dāng)整個(gè)珠三角地區(qū)受靜小風(fēng)控制時(shí)，容易形成灰霾過程，這與吳兌等［4］利用風(fēng)矢量和方法研究環(huán)首都圈的近地層輸送特征的研究結(jié)果一致.且偏東風(fēng)所攜帶的暖濕空氣會顯著加劇珠三角區(qū)域的污染程度，這與氣溶膠的吸濕增長有關(guān)［15］.相反，當(dāng)區(qū)域風(fēng)矢量和較大時(shí)，即當(dāng)區(qū)域風(fēng)場污染物清除能力加強(qiáng)時(shí)，污染物濃度也會明顯下降.

由圖4也可以發(fā)現(xiàn)，1～5日上午，廣州地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向都是偏北風(fēng)，其中4日隨著弱冷空氣的到來，北風(fēng)風(fēng)速明顯加大，最大風(fēng)速可達(dá)6m/s以上.5日下午至7日有明顯的風(fēng)向轉(zhuǎn)變，即由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)東南風(fēng)，且風(fēng)速較小.再結(jié)合圖2中廣州地區(qū)PM10、PM2.5、PM1以及能見度的變化，發(fā)現(xiàn)1～8日廣州灰霾過程的形成與廣州的風(fēng)速有密切相關(guān).在污染過程的前期，風(fēng)向以偏北風(fēng)為主，1～3日廣州地區(qū)的風(fēng)速均小于3m/s，即廣州地區(qū)主要受弱北風(fēng)或靜風(fēng)影響，此時(shí)風(fēng)場對污染物的輸送作用較弱，污染物將逐漸積累，AQI，PM10、PM2.5以及PM1濃度逐漸增大，空氣質(zhì)量持續(xù)惡化；而4日在較大北風(fēng)的清除作用下，廣州地區(qū)污染物濃度有所下降.在污染過程后期，較低的風(fēng)速又使得污染物在廣州地區(qū)積累，其中6日平均風(fēng)速又下降到1.75m/s，同時(shí)，由于風(fēng)向的變化，偏東風(fēng)攜帶的暖濕氣流也明顯加劇了廣州地區(qū)的污染程度，加上冷鋒前的回暖期的作用，使得6日廣州地區(qū)的污染物濃度達(dá)到此次灰霾過程中的最大值.7日晚冷鋒抵達(dá)廣州，在較強(qiáng)的北風(fēng)的作用下，8日污染物濃度明顯下降，灰霾過程結(jié)束.

圖4 廣州1月1～8日的風(fēng)矢量變化Fig.4 Time series of wind vectors in Guangzhou during 1～8 January

2.3.2 垂直風(fēng)場特征 圖5所示為東莞佛山大氣邊界層觀測試驗(yàn)期間2014年1月1～8日每日10：00和20：00的風(fēng)廓線圖.由圖5可知，珠三角地區(qū)在整個(gè)灰霾期間，不管是邊界層高層還是邊界層低層，風(fēng)速均比較小.不過也發(fā)現(xiàn)，珠三角地區(qū)垂直風(fēng)場出現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)，上層和下層風(fēng)速相對較大，而中層風(fēng)速較小.1～2日，珠三角底層以偏東風(fēng)為主，往上逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風(fēng)，最后轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L(fēng)，風(fēng)向呈現(xiàn)順時(shí)針切變.3～4日珠三角地區(qū)整個(gè)邊界層的風(fēng)向以偏北風(fēng)為主，其中4日邊界層底層吹東北風(fēng)，高層吹西北風(fēng)，風(fēng)向呈現(xiàn)逆時(shí)針切變.5～7日清晰地發(fā)現(xiàn)珠三角地區(qū)底層吹東南風(fēng)，高層順時(shí)針切變?yōu)槲髂巷L(fēng).而到8日珠三角又開始出現(xiàn)偏北風(fēng).珠三角地區(qū)風(fēng)向垂直切變的位置也有明顯變化，東莞地區(qū)風(fēng)向切變的位置最大出現(xiàn)在1500m左右，而最低的高度僅為500m左右；同時(shí)，佛山地區(qū)風(fēng)向切變的出現(xiàn)最高高度1500～1750m，而最低高度不到500m.風(fēng)向切變高度的下降可能與下沉氣流加強(qiáng)有關(guān)［45］.污染前期珠三角地區(qū)近地層風(fēng)速的垂直切變較小，這表明此時(shí)邊界層基本為動(dòng)力穩(wěn)定的或者弱不穩(wěn)定的［26］，而穩(wěn)定的邊界層不利于污染物的垂直稀釋擴(kuò)散［37］.而7～8日隨著冷空氣的到來，珠三角地區(qū)近地層風(fēng)速隨高度迅速增大，風(fēng)速垂直切變較大，邊界層動(dòng)力穩(wěn)定性被破壞，污染物的垂直擴(kuò)散作用得到加強(qiáng)，期間污染物濃度也明顯下降，至8日灰霾過程結(jié)束.

圖5 東莞、佛山1月1～8日每日10：00和20：00風(fēng)廓線Fig.5 Wind profiles of Dongguan and Foshan during 10：00 and 20：00 1～8 January 2014

由圖5發(fā)現(xiàn)，珠三角地區(qū)5日和6日有明顯的風(fēng)向轉(zhuǎn)變，同時(shí)珠三角主要城市的污染狀況也有明顯的不同變化（圖1），為了清晰地了解這個(gè)轉(zhuǎn)變過程，圖6所示為2013年東莞佛山大氣邊界層觀測試驗(yàn)時(shí)5～6日東莞、佛山每天8個(gè)時(shí)次的風(fēng)廓線.5日上午東莞地區(qū)近地層還是以東北風(fēng)為主，而至5日下午，風(fēng)向開始轉(zhuǎn)變，東南風(fēng)開始生成.剛開始近地層的風(fēng)速較小，到晚上23：00風(fēng)速明顯增大.6日，全天近地層的風(fēng)向都為東南風(fēng)，風(fēng)速也比5日下午時(shí)的風(fēng)速大.同時(shí)，佛山地區(qū)于5日下午也出現(xiàn)風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)速也有一個(gè)增大的過程，但是相對于東莞地區(qū)來說其風(fēng)速偏小.5日上午東莞地區(qū)風(fēng)向垂直切變主要在1250m左右，同時(shí)佛山地區(qū)的風(fēng)向垂直切變位置在1500～1750m，而下午時(shí)風(fēng)向切變位置明顯下降，其中在23：00東莞、佛山的風(fēng)向切變位置下降至不到1000m；6日時(shí)東莞、佛山地區(qū)的風(fēng)向切變位置都幾乎維持在750～1000m處.這表明珠三角地區(qū)的下沉氣流可能已加強(qiáng)［45］，這可能導(dǎo)致珠三角地區(qū)污染程度加重.對比珠三角地區(qū)的AQI變化可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)珠三角地區(qū)受偏北風(fēng)控制，且風(fēng)速不是很大時(shí)，整個(gè)珠三角都將處于污染狀態(tài)；而當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南方向時(shí)，珠三角東南部的污染狀況將緩解，珠三角北部（內(nèi)陸）地區(qū)的污染將加重.在珠三角，主要的污染物排放集中在廣州、東莞、佛山等地，當(dāng)出現(xiàn)較小的偏北風(fēng)時(shí)，風(fēng)速不足以將所有污染物清除，反而較小的風(fēng)速將部分污染物往下風(fēng)向的珠海、中山、江門等地輸送，導(dǎo)致這些地區(qū)的污染形成.當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)時(shí)，風(fēng)將珠三角東南部地區(qū)的污染物輸送至珠三角內(nèi)陸城市，造成這些地區(qū)的污染加重.同時(shí)東南氣流攜帶的暖濕空氣也加速了這些城市的空氣質(zhì)量惡化.

圖6 東莞、佛山1月5～6日逐日風(fēng)廓線Fig.6 Wind profiles of Dongguan and Foshan during 5～6 January 2014

2.3.3 垂直溫度場特征 逆溫層結(jié)，尤其是貼地逆溫會顯著地抑制污染物的垂直擴(kuò)散.圖7為東莞1～8日20：00的溫度廓線.1～5日東莞地區(qū)均存在貼地逆溫，高度在100m左右，其中1日的逆溫強(qiáng)度明顯更大，其使得污染物被壓縮在近地層.6日由于缺乏底層溫度數(shù)據(jù)，沒法判斷是否有貼地逆溫的存在.7～8日東莞地區(qū)底層大氣沒有明顯的逆溫結(jié)構(gòu)存在.

圖7 東莞1～8日20：00溫廓線Fig.7 Temperature profiles of Dongguan during 20：00 1-8 January 2014

圖8 1～8日東莞混合層高度Fig.8 Mixing layer height of Dongguan during 1～8 January 2014

邊界層高度對污染過程的形成有重要作用，其決定污染物的垂直擴(kuò)散能力.低的邊界層同樣抑制污染物往上擴(kuò)散稀釋，從而污染物將被壓縮在近地層，污染過程也隨之形成.圖8為東莞地區(qū)1～8日邊界層高度的變化.在這次灰霾過程中，除了下午的邊界層高度可以達(dá)800～1000m以上，最高可達(dá)1600m（一般出現(xiàn)在16：00），其他時(shí)段的邊界層大部分都低于600m，尤其是日落至日出這段時(shí)間的邊界層高度大部分不到400m，其中日落到凌晨期間邊界層高度不足200m.

總的來說，逆溫結(jié)構(gòu)和邊界層高度對這次灰霾過程的形成有重要作用.污染前期貼地逆溫的存在和較低的邊界層高度使得珠三角地區(qū)污染物垂直擴(kuò)散過程受到抑制，污染物在近地層積累后形成灰霾天氣.在灰霾過程后期，以東莞為代表的珠三角地區(qū)貼地逆溫結(jié)構(gòu)消失，再加上北風(fēng)的清除作用，灰霾過程結(jié)束.

2.4 后向軌跡分析

為了研究污染過程中6日珠三角內(nèi)陸污染物異常增加，而珠三角東南部沿海地區(qū)的空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)的原因，利用HYSPLIT-4模式以及GDAS數(shù)據(jù)庫分析番禺大氣成分站2014年1月5日20：00和6日20：00 的72h后向軌跡.由圖9可以發(fā)現(xiàn)，所有氣流都呈現(xiàn)出明顯的下沉作用，其對珠三角地區(qū)污染物的堆積具有重要影響.其中1月5日20：00的500m以及1000m的72h后向軌跡主要經(jīng)過廣東、江西、湖南及湖北等地，200m的后向軌跡主要經(jīng)過廣東、福建等地.氣流會將這些地區(qū)排放的污染物攜帶至珠三角，從而有助于珠三角區(qū)域污染過程的生成.1月6日20：00所有高度的后向軌跡都主要經(jīng)過海上，其中200m高度的后向軌跡經(jīng)過我國華東地區(qū)，其有可能將該地區(qū)較高濃度的污染物輸送至珠三角.同時(shí)，由于氣流來自海面，氣團(tuán)表現(xiàn)為暖濕狀態(tài)，會使得珠三角地區(qū)增暖增濕，氣溶膠的吸濕增長過程也會得到加強(qiáng)，反而使得污染狀況加重.

圖9 HYSPLIT氣流后向軌跡及軌跡高度變化Fig.9 Back trajectory clusters from HYSPLIT model

3 結(jié)論

3.1 大陸冷高壓變性出海導(dǎo)致在珠三角地區(qū)形成靜穩(wěn)天氣，產(chǎn)生的微風(fēng)或靜風(fēng)風(fēng)場條件、低邊界層以及逆溫結(jié)構(gòu)使得污染物在珠三角地區(qū)近地層逐漸積累，空氣質(zhì)量惡化，最后導(dǎo)致灰霾過程的發(fā)展.

3.2 珠三角受風(fēng)速較小的偏北風(fēng)影響時(shí)，風(fēng)場將廣州、東莞、佛山等地的部分污染物將輸送至珠三角東南沿海地區(qū)，整個(gè)珠三角地區(qū)幾乎都表現(xiàn)為污染狀況；當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速較大時(shí)，風(fēng)場對珠三角區(qū)域的污染物具有明顯的清除作用.

3.3 珠三角受偏南風(fēng)影響時(shí)，風(fēng)場將珠三角東南部地區(qū)的污染物輸送至珠三角內(nèi)陸地區(qū)，且偏南氣流攜帶的暖濕空氣使得珠三角地區(qū)增暖增濕，氣溶膠的吸濕增長過程加強(qiáng)，從而珠三角東南部地區(qū)的污染狀況得到改善，珠三角內(nèi)陸地區(qū)的污染加劇.

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Boundary layer characteristics of typical haze process in the Pearl River Delta region.

LIU Jian1，F(xiàn)AN Shao-jia1，WU Dui1，2，3*，WU Meng1，LIAO Zhi-heng1，LI Hao-wen1（1.School of Environmental Science and Engineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China；2.Institute of Atmospheric Environmental Safety and Pollution Control，Jinan University，Guangzhou 510632，China；3.Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology，China Meteorology Administration，Guangzhou 510080，China）.China Environmental Science，2015，35（6）：1664～1674

A heavy haze weather occurred in Pearl River Delta（PRD）region during January 2014.Based on urban air quality data of Guangdong Province，hourly data of PM10，PM2.5and visibility from China Meteorological Agency Panyu atmospheric composition station，wind data of 946 auto stations and Guangzhou station，data from the boundary layer observation experiment in Dongguan and Foshan during the winter of 2013，boundary layer characteristics of a typical haze process in PRD during 1～8 January 2014 had been researched.It was found that，continental cold high was the major weather system at this haze process.It caused stability weather which produced breeze or calm wind condition，lower boundary layer and inversion structure occurred in PRD.Air quality of major cities in PRD had different variations during 6th January，mainly due to the change in wind direction over the Pearl River Delta region.In the morning of 5th January，the Pearl River Delta region was prevailing with weak northerly winds，it caused the entire Pearl River Delta suffer with haze weather.While on the afternoon，the wind direction had been changed that the northerly winds turned to southerly winds，it improved the air quality over the southeastern Pearl River Delta region.However，air quality of the northern（inland）region deteriorated.Backward trajectory analysis found that all airflow with obviously sinking process，and the trajectory clusters that began at 20：00 5th January were come from the land surface，while the trajectory clusters that began at 20：00 6th January were come from the sea.These two kinds of trajectory clusters have different effects on air quality in the Pearl River Delta.

Pearl River Delta；haze；stability weather；wind and temperature profile；sum of wind vectors；backward trajectory

X513

A

1000-6923（2015）06-1664-11

劉 建（1989-），男，江西贛州人，中山大學(xué)博士研究生，主要從事大氣環(huán)境與大氣化學(xué)方面研究.

2014-11-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41275017，41475004）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（20120171110028）；國家“973”項(xiàng)目（2011CB403403）

* 責(zé)任作者，教授，wuduigz@qq.com