劉厚鳳,楊欣,陳義珍,,孟凡,許鵬舉
1. 山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 250014;2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 1000122;3. 大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044
中國(guó)重霾過程污染氣象研究進(jìn)展
劉厚鳳1*,楊欣2,陳義珍2,3,孟凡2,許鵬舉1
1. 山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 250014;2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 1000122;3. 大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044
對(duì)近年來中國(guó)重霾污染過程的氣象成因的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié),從大氣環(huán)流背景、邊界層流場(chǎng)以及氣象因子等方面進(jìn)行綜合分析,并介紹了相關(guān)區(qū)域輸送對(duì)污染的影響貢獻(xiàn),得出關(guān)于中國(guó)重霾過程污染氣象的一致結(jié)論:冬季重霾發(fā)生的典型天氣條件為高空500 hPa西風(fēng)緯向環(huán)流指數(shù)高,南北氣流交換不暢,利于中國(guó)中東部高空穩(wěn)定形勢(shì)的發(fā)展,對(duì)應(yīng)近地弱高低壓系統(tǒng),均壓場(chǎng)控制頻繁,穩(wěn)定的大氣層結(jié)使污染物更易在近地累積,偏南暖濕氣流則促使大量二次污染物生成;副熱帶高壓與青藏高原高壓、西風(fēng)帶高壓并合的形勢(shì),是引起中國(guó)夏季大氣環(huán)境質(zhì)量惡化的主要原因;臺(tái)風(fēng)引起的下沉逆溫穩(wěn)定天氣,易造成珠三角地區(qū)重霾污染。區(qū)域和局地山脈氣流輻合效應(yīng)使污染物較易在山麓地帶聚積,海陸風(fēng)和山谷風(fēng)帶動(dòng)局地污染物的垂直輸送和區(qū)域間輸送。地面弱風(fēng)速、風(fēng)向以及高濕度是影響大氣質(zhì)量的直接關(guān)鍵因子,混合層高度與空氣質(zhì)量具有較強(qiáng)的相關(guān)性,對(duì)限制污染物的垂向有效擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響。數(shù)值模擬氣象要素對(duì)空氣質(zhì)量影響貢獻(xiàn)得到多次驗(yàn)證,霾預(yù)警開始發(fā)揮重要作用,區(qū)域污染的輸送作用對(duì)重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量的影響不容忽視。在重霾過程污染氣象的研究還有待深化的方面包括:重視模擬研究,對(duì)污染物在大氣中多尺度傳輸、沉降及化學(xué)循環(huán)等全周期的行為軌跡進(jìn)行追蹤定量,制定有針對(duì)性的污染控制技術(shù)與對(duì)策;開展大氣污染的影響邊界研究,輔助氣象預(yù)報(bào)為特定區(qū)域空氣質(zhì)量保障提出即時(shí)有效的防控措施和預(yù)警方案,為提高污染控制措施的有效性奠定科學(xué)基礎(chǔ)。
重霾過程;污染氣象;環(huán)流背景;氣流輻合區(qū)
LIU Houfeng, YANG Xin, CHEN Yizhen, MENG Fan, XU Pengju. A Review of Meteorological Effects on Heavy Haze Pollution in China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1917-1922.
近年來,重霾污染在中國(guó)中東部地區(qū)頻發(fā),嚴(yán)重影響了民眾的生活質(zhì)量。重霾污染的發(fā)生是自然和人為因素共同作用的結(jié)果,當(dāng)污染源排放量一定的情況下,霾污染的程度和時(shí)空變化特征主要取決于氣象因素。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)近年來的重大污染過程氣象原因進(jìn)行了廣泛深入的研究。其中有研究指出在2013年 1月的污染事件中,氣象因素的影響超過2/3,二次氣溶膠形成與變化受氣象條件影響更大(張人禾等,2014)。影響大氣污染物擴(kuò)散、遷移、轉(zhuǎn)變的氣象因子主要有:風(fēng)、濕度、降水、大氣穩(wěn)定度和混合層厚度等(Wehner et al.,2003;饒曉琴等,2008),局地氣象條件變化受大氣環(huán)流背景和天氣系統(tǒng)演變支配和控制。
污染氣象研究旨在揭示空氣質(zhì)量與氣象條件之間的關(guān)系。關(guān)于中國(guó)霧霾污染天氣的發(fā)生與氣象因子之間的聯(lián)系,已有研究一方面集中在霧霾長(zhǎng)期變化趨勢(shì)與氣象因子變化趨勢(shì)之間的關(guān)系(高歌,2008;Niu et al.,2011),另一方面集中在局地氣象條件對(duì)霧霾生消演變過程的影響等(Quan et al.,2011;廖曉農(nóng)等,2014)。污染氣象理論的研究有助于認(rèn)識(shí)空氣污染形成機(jī)制,對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、重霾事件防控和應(yīng)急方案制定、調(diào)整污染源布局和合理確定大氣環(huán)境容量等起到重要作用。近年來污染氣象的研究成果主要有以下幾方面。
1.1冬季重霾過程高空環(huán)流背景
大氣重霾過程的形成與大氣的相對(duì)穩(wěn)定有關(guān)。冬季是中國(guó)中東部地區(qū)重霾的多發(fā)季節(jié),如圖 1a所示,冬季高空500 hPa、高緯度(40°N以北)、70°E~110°E間多存在阻塞環(huán)流,且40°N以南流場(chǎng)緯向特征明顯,等壓線基本呈現(xiàn)平直或較小波動(dòng),受平直西風(fēng)帶影響,上空南北氣流交換不暢,從而導(dǎo)致低空缺乏南下的冷空氣引導(dǎo)氣流,利于中國(guó)中東部高空穩(wěn)定形勢(shì)的發(fā)展。隨著高空氣流阻塞形勢(shì)的調(diào)整及南北向氣流分量的出現(xiàn),地面冷高壓發(fā)生南移,近地面出現(xiàn)較強(qiáng)西北風(fēng),污染過程隨之結(jié)束(程念亮等,201340-41;蘇福慶等,2004a19-20;楊曉亮等,2014;吳蒙等,2014;王躍思等,201419;韓霄等,2014;王叢梅等,2013)。
圖1 冬季穩(wěn)定、易污染的大尺度環(huán)流背景及污染演化過程示意圖Fig. 1 Sketch map of the large scale circulation background of the stable and liable pollution and the evolution of the pollution
1.2冬季重霾過程中低層流場(chǎng)特征
在冬季重霾期間,中國(guó)東部850 hPa高空多受暖平流影響,易形成暖空氣蓋和平流逆溫層,使得該區(qū)域整個(gè)對(duì)流層幾乎一致增暖,850 hPa以下的大氣低層正溫度距平隨高度增大,從而導(dǎo)致近地面層大氣穩(wěn)定度增加。上空的暖平流還將導(dǎo)致對(duì)流層中層氣壓偏高,高壓異常對(duì)下層對(duì)流的發(fā)展起到抑制作用,有利于霾組分在大氣低層聚集,造成污染物濃度迅速攀升(程念亮等,201339;蘇福慶等,2004a18)。加上冬季阿拉伯海北部暖濕的西南風(fēng)是中國(guó)東部水汽的主要來源(周長(zhǎng)艷,2004),充足的水汽為重霾天氣的發(fā)生提供了有利的水汽條件,大氣粒子經(jīng)過吸濕、酸化等非均相反應(yīng),在物理和化學(xué)共同作用下生成大量二次污染物(朱彤等,2010)。
圖1b中2013年1月6日地面天氣圖顯示,冬季重霾期間西伯利亞冷高壓中心位置偏西北,位于蒙古國(guó)至西伯利亞,強(qiáng)度較弱,中國(guó)中東部地區(qū)受弱高壓均壓場(chǎng)控制,不利于污染物向區(qū)域以外平流輸送,同時(shí)弱高壓區(qū)伴有的輻射逆溫和下沉逆溫使得底層大氣層結(jié)更加穩(wěn)定,污染物更易在近地累積(王喜全等,2007;王躍等,2014176-177;廖志恒等,2014)。隨后,弱高氣壓系統(tǒng)控制下的東北、華北地區(qū)會(huì)因氣溫漸升而逐漸演變成弱低氣壓系統(tǒng),邊界層底層氣流呈現(xiàn)微弱上升,偏南氣流與北方偏北氣流開始形成輻合對(duì)峙,如圖1c所示。
持續(xù)的弱低壓造成南北氣壓梯度增大,偏南暖濕氣流的持續(xù)有利于西北冷空氣南下形成準(zhǔn)靜止鋒,而冷鋒前方氣流與偏南氣流的明顯對(duì)峙,使得整層風(fēng)速減小,污染物的水平擴(kuò)散能力降至最弱,不同方向污染物因氣流輻合而匯集堆積,污染達(dá)到過程峰值。鋒區(qū)過境后,偏北風(fēng)明顯加強(qiáng)風(fēng)速增大,有時(shí)還會(huì)伴隨降水,此時(shí)逆溫結(jié)構(gòu)被破壞,污染得以擴(kuò)散,區(qū)域空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)(陳朝暉等,2007;施曉暉等,2012),污染物濃度隨時(shí)間分布演化過程示意圖見圖1d。
高壓前部的系統(tǒng)性西北大風(fēng)是中國(guó)中東部重霾得以驅(qū)散最有效的直接外部動(dòng)力。圖1中所示的中低層南北氣流復(fù)合及隨后的鋒區(qū)是冬季影響中國(guó)東部地區(qū)空氣質(zhì)量的一種常見大氣背景演變結(jié)構(gòu)。受天氣系統(tǒng)的周期變化影響,大氣質(zhì)量的周期性變化規(guī)律明顯,其中冬季以長(zhǎng)周期為主,夏季則多為短周期,表明冬、夏季大氣環(huán)流季節(jié)性尺度特征對(duì)大氣污染變化周期特征的影響效應(yīng)明顯(賀克斌等,2009)。其中,華北地區(qū)冬季重霾污染主要受兩次強(qiáng)冷空氣之間周期為2~7 d的弱風(fēng)影響所致(王躍,2014)。
1.3其它季節(jié)重污染的天氣形勢(shì)
春、秋兩季污染天氣形勢(shì)與冬季類似,由于春秋地表獲得熱量較冬季多,大氣結(jié)構(gòu)不及冬季穩(wěn)定,因此污染程度總體低于冬季。春季重霾的發(fā)生多數(shù)情況下源于大風(fēng)引起的沙塵。
夏季大氣不穩(wěn)定程度較高,加上降水的影響,空氣質(zhì)量相對(duì)較好。副熱帶高壓是影響中國(guó)夏季大氣環(huán)境質(zhì)量的主要天氣型之一,副熱帶高壓的進(jìn)退導(dǎo)致中國(guó)主要大氣污染物濃度的谷、峰交替的環(huán)境過程的形成。副熱帶高壓和青藏高原高壓并合的形勢(shì),能造成中國(guó)大范圍的霾污染過程,而與西風(fēng)帶高壓并合,則會(huì)對(duì)中國(guó)北方地區(qū)造成嚴(yán)重的霾污染(陳力強(qiáng)等,2006;段宇輝等,2010)。
1.4不同區(qū)域重霾環(huán)流背景
造成中國(guó)中東部不同區(qū)域重霾的環(huán)流背景有所不同,其中華北區(qū)域及長(zhǎng)江中下游重污染天氣背景相似(王璟等,2008;齊冰等,2012;劉波,2013),珠三角區(qū)域污染形勢(shì)還受到臺(tái)風(fēng)天氣系統(tǒng)影響。吳蒙等(2013)等對(duì)珠三角的污染過程研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)臺(tái)風(fēng)位于廣東珠江口東部沿海乃至福建沿海時(shí),珠三角地區(qū)恰好位于臺(tái)風(fēng)行進(jìn)方向左側(cè)的下沉氣流區(qū),形成下沉逆溫穩(wěn)定天氣;除此之外,珠江三角洲城市群污染還與盛行東北風(fēng)有密切關(guān)系,大部分時(shí)間珠江三角洲西南部出現(xiàn)的污染是由于污染物沿著主導(dǎo)風(fēng)向輸送并累積造成。
區(qū)域流場(chǎng)是受所在區(qū)域下墊面性質(zhì)、地形等因素影響形成的特殊天氣流場(chǎng),受區(qū)域和局地大氣動(dòng)力、熱力影響,其邊界層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有多尺度空間特征,如城市群間大尺度天氣系統(tǒng)、次天氣尺度熱島、山谷風(fēng)、海陸風(fēng)以及其它不同尺度的天氣系統(tǒng)等。該類流場(chǎng)對(duì)低空大氣污染的物理-化學(xué)過程會(huì)產(chǎn)生顯著的影響,并導(dǎo)致各類城市大氣復(fù)雜污染排放源(點(diǎn)源、線源、面源)影響域具有顯著的多尺度特征(徐祥德等,2005;董芬等,2013)。
2.1山脈氣流輻合效應(yīng)的影響
山脈對(duì)氣流有明顯的阻滯作用,同時(shí)形成背風(fēng)坡低風(fēng)速渦流區(qū)。研究表明:局地氣流的輻合匯集作用更容易發(fā)生在山麓地帶,污染物在此極易聚積,如太行山山前、燕山山前的北京、石家莊、邯鄲、邢臺(tái)、保定等地區(qū)是重霾典型高發(fā)區(qū),濟(jì)南、太原、西安、蘭州、烏魯木齊等污染較嚴(yán)重的城市也多與山地輻合流場(chǎng)的影響有關(guān)(鞠麗霞等,2003;張小曳等,20131181;蘇福慶等,2004b)。
2.2海陸風(fēng)、山谷風(fēng)對(duì)霾污染的影響
海陸風(fēng)、山谷風(fēng)均是以日為周期的局地風(fēng)場(chǎng)環(huán)流。許多學(xué)者對(duì)海陸風(fēng)、山谷風(fēng)環(huán)流做了大量的觀測(cè)、模擬和理論研究。劉樹華等(2008)、繆育聰?shù)龋?014)通過WRF模擬京津冀地區(qū)流場(chǎng)特征表明,弱天氣系統(tǒng)控制下京津冀地區(qū)大氣邊界層中可同時(shí)存在海陸風(fēng)、山谷風(fēng)耦合效應(yīng)。海陸風(fēng)環(huán)流極盛時(shí)影響范圍可達(dá)200 km左右,山谷風(fēng)環(huán)流的影響最大可覆蓋北京區(qū)域內(nèi)的平原地區(qū),而城市熱島環(huán)流則發(fā)生在距城市中心幾十千米范圍內(nèi)。其中,海風(fēng)可造成較強(qiáng)的水平輻合和垂直上升運(yùn)動(dòng),將大氣邊界層高度抬高到2 km左右,有利于局地大氣污染物的垂直輸送和區(qū)域間的輸送。白天,谷風(fēng)環(huán)流和地形的作用可將污染物抬升到2~3 km高空,將污染物向下游地區(qū)輸送,從而減輕局地的大氣污染,但當(dāng)污染物在山區(qū)僅僅能被抬升到1 km以下的高度時(shí),污染物被高空氣流輸送到下游的可能性較小,此時(shí)由山谷風(fēng)輸送上來的污染層有可能只是作為污染物的臨時(shí)儲(chǔ)庫(kù),而后污染物被谷風(fēng)環(huán)流的高空補(bǔ)償氣流或山風(fēng)環(huán)流帶回地面(Chen et al.,2009)。
已有研究表明高濕、低壓、弱風(fēng)、逆溫、穩(wěn)定大氣層結(jié)等極端不利氣象條件均易造成污染物積累(徐祥德等,2005;袁美英等,2005;楊欣等,2014287-288)。一定強(qiáng)度的降水、大風(fēng)對(duì)驅(qū)散灰霾、改善空氣質(zhì)量有明顯作用。楊曉亮等(2014)研究表明,較強(qiáng)冷鋒過境帶來的偏北大風(fēng)對(duì)污染物去除率達(dá)90%以上,降水的清除效率一般小于風(fēng),其中弱降水不但不足以凈化空氣,反而通過增加地面相對(duì)濕度為顆粒物濕增長(zhǎng)創(chuàng)造了有利條件,進(jìn)而導(dǎo)致灰霾加重。
3.1風(fēng)速與相對(duì)濕度
風(fēng)速對(duì)霾的影響表現(xiàn)出兩種極端情況:春季的霾污染以大風(fēng)造成的揚(yáng)塵為主要成因,冬季的重霾則發(fā)生在小風(fēng)和靜風(fēng)時(shí)。根據(jù)韓霄等(2014)對(duì)2013年1月中旬重霾過程氣象場(chǎng)的研究,霾期華北平原大部分地區(qū)水平風(fēng)速較多年平均值偏小約20%,相對(duì)濕度則較多年平均值偏高 10%~40%。在濕度增大,尤其增至70%以上時(shí),干氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng)會(huì)使觀測(cè)的大氣消光增強(qiáng),PM2.5質(zhì)量濃度“虛高”(潘小樂,2007;張小曳等,20131180)。另外,在高濕條件下,高濃度礦物顆??膳c污染氣體通過非均相化學(xué)反應(yīng)形成更多二次氣溶膠,如孫峰等(2014)研究顯示,濕度較大時(shí)S02轉(zhuǎn)化率增大,可加重霾污染。
3.2風(fēng)向與污染傳輸擴(kuò)散
風(fēng)向影響氣團(tuán)來源,并作用于污染物的傳輸擴(kuò)散。陳朝暉等(2008)研究指出華北區(qū)域內(nèi)大部分城市API上升階段,以較小的西南、東南風(fēng)影響為主,而在API下降階段則以西北、北、東北氣流影響為主,污染物從北向南擴(kuò)散。華南沿海地區(qū)則相反,來自于內(nèi)陸的偏北氣流會(huì)使污染加重,而吹來自于海上的偏南氣流時(shí)則使污染減輕(吳蒙等,2014)。另外,風(fēng)的垂直切變可以通過動(dòng)力作用對(duì)霾的消除產(chǎn)生影響,當(dāng)500~850 hPa水平風(fēng)的垂直切變偏大時(shí),上空對(duì)流層中低層的垂直混合偏強(qiáng),將有利于氣溶膠向高空擴(kuò)散,王躍等(2014179-180)對(duì)北京重霾研究表明,當(dāng)中低層出現(xiàn)較強(qiáng)的西北轉(zhuǎn)東南風(fēng)切變時(shí),會(huì)出現(xiàn)污染物的爆發(fā)性增長(zhǎng),并且底層受持續(xù)偏東或偏南風(fēng)控制、高層為偏西風(fēng)控制時(shí),污染物較易累積,是污染物持續(xù)發(fā)展的重要原因。
3.3混合層高度和大氣穩(wěn)定度
較低的邊界層高度會(huì)限制污染物的垂向有效擴(kuò)散,環(huán)境容量減小使得灰霾污染加劇。常規(guī)污染物除臭氧外最大值基本都出現(xiàn)在傍晚、夜間和清晨,中午左右濃度最低,這與早晚和夜間大氣近地混合層低、存在逆溫層有關(guān)(杜川利等,2014)。在重霾時(shí)段逆溫層厚達(dá) 500~1000 m,逆溫強(qiáng)度大(逆溫差5~10 ℃),混合層高度僅為200~300 m,而晴好天氣下多為2000~3000 m,污染物擴(kuò)散空間縮小了90%(王躍思等,201420;楊欣等,2014285-286)。持續(xù)穩(wěn)定的大氣層結(jié)會(huì)使逆溫層的厚度和出現(xiàn)頻率增加,是限制低邊界層高度的直接原因。尤其當(dāng)?shù)孛孑椛淠鏈睾?50 hPa出現(xiàn)的大氣偏暖氣流輸入所形成的下沉逆溫或平流逆溫結(jié)合時(shí),易形成上下均較厚的逆溫層,造成較持久的污染(Berkowitz et al.,2000)。
3.4數(shù)值模擬與霾預(yù)警
大氣污染與氣象條件關(guān)系十分復(fù)雜,在污染物排放一定的情況下,大氣動(dòng)力、熱力條件分析對(duì)空氣質(zhì)量的預(yù)測(cè)預(yù)警研究已經(jīng)引起中國(guó)學(xué)者及管理部門的廣泛重視。楊元琴等(2009)通過分析總結(jié)高污染過程(PM10>150 μg·m-3)中敏感氣象要素在大氣熱力與動(dòng)力過程中對(duì)空氣質(zhì)量影響的貢獻(xiàn),計(jì)算影響空氣質(zhì)量的氣象條件影響參數(shù) PLAM(Parameters linking air quality and meteorology),為北京奧運(yùn)和上海世博會(huì)等大型社會(huì)活動(dòng)期間影響大氣污染物聚集擴(kuò)散的氣象條件進(jìn)行定量分析診斷和空氣質(zhì)量檢測(cè)預(yù)警服務(wù)。另外,灰霾數(shù)值模擬預(yù)報(bào)也被逐步應(yīng)用到日常氣象服務(wù)中,通過利用已有排放源數(shù)據(jù)耦合MM5(Mesoscale Model 5)或WRF(Weather Research and Forecasting Model)等氣象預(yù)報(bào)模式,輸入CMAQ或CAMx等空氣質(zhì)量模式進(jìn)行模擬計(jì)算,從而對(duì)未來空氣污染狀況進(jìn)行預(yù)報(bào),并得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證(王開燕等,2014)。
重污染發(fā)生時(shí)區(qū)域輸送作用不容忽視。王自發(fā)等(2014)對(duì)2013年1月份嚴(yán)重灰霾污染期間污染來源模擬研究發(fā)現(xiàn),來自區(qū)域外的跨城市群輸送對(duì)京津冀PM2.5濃度貢獻(xiàn)為20%~35%,區(qū)域內(nèi)輸送的貢獻(xiàn)為 26%~35%,兩者之和與局地污染源貢獻(xiàn)相當(dāng),同期上海城區(qū) PM2.5的區(qū)域貢獻(xiàn)則主要為本地排放累積(55.4%±22.3%)和長(zhǎng)距 離輸送(38.4%±20.0%)(安靜宇等,2014)。蘇福慶等(2004b)對(duì)華北區(qū)域大氣污染物輸送路徑研究提出,太行山山前、燕山山前的大氣污染物輸送匯作用及其擺動(dòng)是造成華北平原及北京地區(qū)區(qū)域大氣污染物匯聚,形成重污染區(qū)的主要原因。王喜全等(2011)、洪也等(2013年)在分析京津冀與東北地區(qū)灰霾污染時(shí)提出,在高壓后部弱西南氣流天氣形勢(shì)控制下,京津冀地區(qū)灰霾以渤海灣及遼河平原為通道,通過跨區(qū)輸送的方式對(duì)東北地區(qū)空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響,其對(duì)遼中城市群營(yíng)口市 PM10的輸送貢獻(xiàn)最高達(dá)60.6%(唐嫻等,2014)。
另外,冷鋒過境引發(fā)的污染物傳輸擴(kuò)散是重霾消除的重要手段,不僅有水平方向的推動(dòng)作用,還可使污染物向高空輸送。程念亮等(2013)對(duì)中國(guó)東部春季一次空氣污染輸送過程分析指出,鋒面可將污染物抬升至850~500 hPa的高度,使污染物在對(duì)流層中層快速向西太平洋傳輸,冷鋒鋒面過后污染物濃度急劇降低,鋒面過境1~2 d后,高壓控制天氣形勢(shì)下污染物再次開始積累,濃度回升,冷鋒前后污染物形成一個(gè)“積累-鋒前抬升-高空平流輸送-鋒后大風(fēng)清除-積累”的循環(huán)過程。
目前污染氣象研究在關(guān)于重霾過程的大氣環(huán)流背景和氣象因子的相關(guān)性研究中已取得了較明確一致的結(jié)論:高空500 hPa西風(fēng)緯向環(huán)流指數(shù)高、近地面高低壓系統(tǒng)弱、大氣層結(jié)穩(wěn)定、弱風(fēng)和近地氣流輻合對(duì)峙等是重霾過程發(fā)生的典型天氣條件,均壓場(chǎng)控制和近地層持續(xù)偏南氣流的輸送是污染長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)增強(qiáng)的主因。氣象要素中風(fēng)速、風(fēng)向、濕度是影響大氣質(zhì)量的關(guān)鍵因子,混合層高度與空氣質(zhì)量具有較強(qiáng)的相關(guān)性,對(duì)限制污染物的垂向有效擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響,環(huán)境容量減小使得灰霾污染加劇。氣象-空氣質(zhì)量數(shù)值模擬逐步應(yīng)用于日常霾預(yù)警中,并在大型社會(huì)活動(dòng)空氣質(zhì)量保障過程中發(fā)揮重要作用。
對(duì)重霾污染氣象的研究還須從氣象條件對(duì)污染輸送空間尺度、化學(xué)轉(zhuǎn)化影響等方面做更深入的研究,重視數(shù)值模擬研究的應(yīng)用性,以期為污染物在大氣中多尺度傳輸、沉降及化學(xué)循環(huán)等全周期的行為軌跡追蹤等定量研究提供更多的科學(xué)依據(jù),并據(jù)此制定有針對(duì)性的污染控制對(duì)策和預(yù)警方案。
另外,由于目前對(duì)霾污染發(fā)生的影響水平域和垂直邊界尚無明確界限,應(yīng)加強(qiáng)該方面觀測(cè)和模擬研究,明確各類天氣類型下的城市環(huán)境容量,為特定區(qū)域空氣質(zhì)量保障劃定明確的污染源控制范圍,從而提高減排效率和減排效果,最大程度降低控制成本。
致謝:感謝唐偉博士對(duì)本文英文摘要的修改!
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A Review of Meteorological Effects on Heavy Haze Pollution in China
LIU Houfeng1*, YANG Xin2, CHEN Yizhen2, MENG Fan2, XU Pengju1
1. College of Geographic and Environment, Shandong Normal University, Jinan 250014, China; 2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China; 3. Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology, Nanjing 210044, China
Recent research findings of meteorological effects on heavy haze pollution in China are summarized in this study. This review is focused on influence of atmospheric circulation, convective boundary layer and other meteorological factors on regional haze, and on source contributions from regional transport of air pollutants. Consistent results have been found regarding the correlation between heavy haze and the meteorological factors. In winter, the high level of 500 hPa westerly zonal circulation index and weak air exchange between northern and southern China causing stagnant atmospheric condition in middle eastern China, which corresponds to weak and uniform atmospheric pressure field on the surface layer and stable atmospheric stratification with weak vertical air exchange, making accumulation of ground air pollutants. In addition, the relatively humid air coming from south fosters large amount of secondary organic aerosol formations that also contributes to heavy haze pollution in the northeast plain. In summer, the convergence of subtropical high pressure, Tibetan plateau high pressure and westerly high pressure deteriorates air quality in China. Typically, the typhoon-caused low convective boundary layer stagnant weather leads to heavy haze pollution in the pearl delta region. The mixed effects of regional and local mountainous air-flow make air pollutants accumulate in the mountainous areas, and the land-sea and mountain-valley breezes cause air pollutants to transport both horizontally and vertically. Wind speed, wind direction and humidity are the key meteorological factors that affect air quality. Since the mixed layer height restricts the effective vertical diffusion of air pollutants, strong correlation between the mixed layer height and air quality are found. Based on the air quality modeling research findings, the meteorology has significant effects on air quality, the air quality forecasting system becomes more and more important, and the effects of source contributions from regional transport of air pollutants should not be ignored on air quality in the Chinese megacities. Future research on air pollution meteorology should include performing multi-scale atmospheric modeling to quantitatively simulate the fate and transport of air pollutants in different atmospheric processes for air pollution control strategies and air quality decision making; studying the effects of convective boundary layer on air quality, building air quality forecasting system to develop more targeted countermeasures of air pollution control and early warning plans according to the meteorological conditions, and establishing scientific basis for improving the effectiveness of air pollution control strategies to alleviate heavy haze pollution.
heavy haze pollution; air pollution meteorology; atmospheric circulation; wind convergence zone
10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.025
X16
A
1674-5906(2015)11-1917-06
國(guó)家環(huán)境保護(hù)公益科研專項(xiàng)(201309062)
劉厚鳳(1965年生),女,教授,碩士,主要從事污染氣象學(xué)、環(huán)境規(guī)劃與管理方向。E-mail: 512595766@qq.com *責(zé)任作者。
2015-09-17
引用格式:劉厚鳳, 楊欣, 陳義珍, 孟凡, 許鵬舉. 中國(guó)重霾過程污染氣象研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(11) 1917-1922.