許藝馨,何林宴,馮 磊

(1.廣西物流職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 貴港 537100 2.廣西壯族自治區(qū)貴港市氣象局，廣西 貴港 537100)

0 引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，城市化背景下環(huán)境污染問(wèn)題也日益加劇。近年來(lái)“霧霾”問(wèn)題頻發(fā)，大氣污染問(wèn)題也逐漸引起了國(guó)內(nèi)政府與學(xué)者的高度關(guān)注。追本溯源，“霧霾”天氣的形成，與大氣中各類顆粒物，尤其是PM2.5與PM10的含量有著直接聯(lián)系。大氣污染與天氣形勢(shì)密切相關(guān)，天氣尺度的時(shí)間內(nèi)，污染排放源一般相對(duì)穩(wěn)定，突發(fā)的污染事件和季節(jié)性污染特征往往就歸結(jié)為大氣輸送擴(kuò)散條件[1-2]。由于不同季節(jié)污染天氣的氣象影響機(jī)制不同，因而探究不同天氣形勢(shì)下的大氣污染狀況特征尤為重要。程念亮[3]等將北京的重污染天氣按地面環(huán)流形勢(shì)分為高壓型、低壓型、均壓場(chǎng)型3類。江淑芬[4]等將深圳市不同污染狀況下的天氣系統(tǒng)分為了13種類型，并構(gòu)建天氣形勢(shì)預(yù)測(cè)模型；楊旭[5]等將京津冀地區(qū)冬半年污染狀況按地面形勢(shì)劃分為9類，天氣特征表現(xiàn)為高濕小風(fēng)，混合層高度低。然而現(xiàn)階段研究的污染天氣分型的天氣學(xué)模型大多采用某個(gè)過(guò)程或者某個(gè)時(shí)次的資料畫天氣圖，缺乏長(zhǎng)期資料和樣本，僅某個(gè)過(guò)程或某個(gè)時(shí)次的資料難以構(gòu)建代表性好和魯棒性強(qiáng)的天氣學(xué)模型。

現(xiàn)階段我國(guó)華南地區(qū)污染天氣分型結(jié)合大氣污染物濃度變化特征的研究相對(duì)較少。貴港市位于廣西桂東南的潯郁平原，地處北回歸線以南，能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主。水熱資源豐富，夏季高溫多雨，冬季干燥微寒。以貴港市為例對(duì)華南地區(qū)污染天氣的氣象影響機(jī)制進(jìn)行研究，對(duì)污染天氣的環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行分型并構(gòu)建天氣學(xué)模型，以期為本地區(qū)污染天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警提供參考指標(biāo)，為相關(guān)部門開(kāi)展大氣污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與概況

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本文利用2015年1月1日—2018年12月31日的數(shù)據(jù)進(jìn)行污染天氣分型研究。環(huán)境空氣質(zhì)量小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)來(lái)自貴港市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，包括 SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM106種主要污染物和AQI共 7 項(xiàng)指標(biāo)；再分析數(shù)據(jù)來(lái)自于歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)中心(ECMWF)，包括高空、地面、物理量場(chǎng)資料，水平分辨率為 1.0°×1.0°(由于資料限制，地面相對(duì)濕度資料用1 000 hPa相對(duì)濕度代替)；地面氣象要素小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)來(lái)自貴港市國(guó)家氣象觀測(cè)站，包括日雨量、平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、平均氣壓、最高氣壓、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)。

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)中的規(guī)定確定空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)和污染物項(xiàng)目濃度限值；并按照氣象上對(duì)四季的劃分，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

1.2 研究區(qū)域大氣污染概況

根據(jù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2015—2018年貴港市空氣優(yōu)良率為88.2%，一共發(fā)生了173 d輕度及以上的污染天氣，其中2015年污染天數(shù)45 d，2016年污染天數(shù)27 d，2017年污染天數(shù)55 d，2018年污染天數(shù)46 d，有先下降后反彈上升的趨勢(shì)。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)中度污染以上的天數(shù)所占的百分比也呈先下降后增加的態(tài)勢(shì)，2015年為22.2%，2016 年下降到7.4%，而2017年和2018年又增加至 12.7%和13.1%。 由此可知，2015年空氣污染最嚴(yán)重，到了2016 年空氣污染緩解最明顯，但2017—2018年的空氣污染程度有反彈加重的跡象。

從圖1可得污染天氣的季節(jié)特征，污染天數(shù)在秋冬季出現(xiàn)最多，污染狀況在12月—次年2月顯得尤為突出，這是由于12月—次年2月為氣溫較低的冬季，工廠燃煤量和汽車尾氣都有所增加[6]。而春夏季的污染天數(shù)較少，可能與春夏季的污染源排放物減輕和氣象特征存在一定的關(guān)系。

PM2.5、PM10、O3均作為貴港市首要污染物出現(xiàn)，但PM2.5作為首要污染物的出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)高于O3和PM10(圖2)，PM2.5作為首要污染物集中發(fā)生在秋冬季，而O3作為首要污染物則主要出現(xiàn)在夏秋季，且O3作為首要污染物出現(xiàn)的頻率逐年增加。說(shuō)明貴港地區(qū)的大氣污染已從傳統(tǒng)的細(xì)顆粒物(PM2.5)污染逐漸過(guò)渡為以高濃度 PM2. 5和 O3為特征的區(qū)域性復(fù)合大氣污染，這與當(dāng)?shù)匚廴驹磁欧徘闆r、地理地形、氣象條件密切相關(guān)。

圖1 2015—2018年污染天數(shù)月變化Fig.1 Monthly change in pollution days from 2015 to 2018

圖2 2015—2018年貴港市首要污染物出現(xiàn)天數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of the number of days of primary pollutants in Guigang City from 2015 to 2018

2 結(jié)果與分析

2.1 高空環(huán)流形勢(shì)分型

貴港市發(fā)生輕度污染以上的污染日中，500 hPa亞歐大陸的環(huán)流形勢(shì)可分為兩槽一脊型、一槽一脊型、副熱帶高壓型，其中，兩槽一脊發(fā)生在秋冬季的頻率最高，而副熱帶高壓常發(fā)生在夏秋季。

兩槽一脊型的污染一般出現(xiàn)在秋冬季，北半球冬季在中高緯度以極渦為中心環(huán)繞緯圈的西風(fēng)環(huán)流，影響低緯度地區(qū)最主要的地面氣壓系統(tǒng)為亞洲冷高壓，在貴港地區(qū)高空盛行弱西北氣流，冷空氣未大舉南下時(shí)，天氣形勢(shì)穩(wěn)定，細(xì)顆粒污染物容易緩慢積累。

當(dāng)冷空氣大舉南下時(shí)，兩槽一脊型自西向東發(fā)展，東亞大槽移入海面，經(jīng)歷一次新陳代謝，長(zhǎng)波做了一次調(diào)整，變?yōu)橐徊垡患剐汀?/p>

副高控制型形成的污染一般出現(xiàn)在夏秋季，此類型的西太平洋副熱帶高壓588 gpm特征線強(qiáng)盛且穩(wěn)定，范圍大，呈東西帶狀分布，控制華南大部地區(qū)，脊線一般位于20°N附近[7]。貴港在此種類型下500～850 hPa為輻散區(qū)，氣流下沉，低層850 hPa以下為輻合區(qū)，有弱上升氣流，大多以晴朗天氣為主，地面溫度高，濕度低，日照時(shí)數(shù)多，氣壓梯度小，風(fēng)速較弱，平均風(fēng)速約為1 m/s，不利于污染物垂直對(duì)流活動(dòng)，利于發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)造成臭氧超標(biāo)。

2.2 地面環(huán)流形勢(shì)分型

根據(jù)貴港發(fā)生大氣污染時(shí)，影響地面的主要天氣系統(tǒng)，歸納出不利于污染物擴(kuò)散和稀釋的地面環(huán)流形勢(shì)，分高壓型、低壓型、均勻場(chǎng)型3類。本研究中，高壓是指地面氣壓大于1 025 hPa所對(duì)應(yīng)的等壓線包圍的區(qū)域；低壓是指地面氣壓小于1 015 hPa所對(duì)應(yīng)的等壓線包圍的區(qū)域。

表1 污染天氣按地面環(huán)流形勢(shì)分型Tab.1 Classification of polluted weather according to the situation of ground circulation

2.2.1 冷高壓脊底部型 此類型一般出現(xiàn)在11月—次年2月，秋冬季貴港處于冷高壓底部的時(shí)間較多，因此造成此類污染天氣持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。500 hPa高度場(chǎng)合成圖上(圖3a)，東亞大陸分為一槽一脊，中緯度西風(fēng)帶較平直，東亞大槽位于我國(guó)東部沿海，中低層受較弱的東南氣流控制，垂直速度為較小的負(fù)值，有輕微不明顯的上升運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖3b。

當(dāng)冷高壓主體從北方或西北方南下到達(dá)一定的緯度后穩(wěn)定少動(dòng)，它的前方常以“擴(kuò)散”形勢(shì)擴(kuò)散出一股股冷空氣向偏南方向移動(dòng)，在氣壓上表現(xiàn)為小的冷高壓或高壓脊[8]。圖3c的海平面氣壓圖上，冷高中心絕大多數(shù)位于90～110°E(貝加爾湖以西)、42～52°N(內(nèi)蒙古以北)，少數(shù)位于110 °E以東；冷高中心強(qiáng)度多在1 030 hPa以上，只有少數(shù)在1 030 hPa以下，冷高脊線有明顯的南北向特征，南北氣壓梯度較大。包括貴港在內(nèi)的廣西地區(qū)處在貝加爾湖以西的高壓脊區(qū)底部，貴港地面氣壓在1 007.5～1 020 hPa之間，圖3d顯示地面吹東北風(fēng)，不時(shí)還有干冷空氣南下補(bǔ)充。

此時(shí)又分兩種類型，一種是當(dāng)貴港處于冷鋒前(例如2015年2月8日、18日)，空氣干暖，濕度較低，大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于污染物輸送和擴(kuò)散。第二種是當(dāng)?shù)孛驿h區(qū)南壓到桂南沿海(例如2016年2月19日)，貴港處在較穩(wěn)定的冷區(qū)，在近地面易形成上暖下冷逆溫層。由于受鋒面影響產(chǎn)生降水，使得近地面濕度大，當(dāng)鋒面過(guò)境消失后，轉(zhuǎn)好天氣，晴朗少云，天氣靜穩(wěn)，使得清晨會(huì)出現(xiàn)輻射降溫，水汽凝結(jié)成霧、霧滴或小的水滴，有利于水溶性無(wú)機(jī)離子為硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等細(xì)顆粒物吸濕增長(zhǎng)和二次轉(zhuǎn)化，形成二次氣溶膠漂浮在低空中，并加重近地面細(xì)顆粒物污染程度。

需等到中等強(qiáng)度的冷空氣南下，地面偏北風(fēng)加大到4 m/s及以上，尤其是強(qiáng)鋒面過(guò)境的幾個(gè)小時(shí)，水平擴(kuò)散條件才能好轉(zhuǎn)，減弱或清除大氣污染。

圖3 冷高壓底部型天氣學(xué)模型(a)500 hPa高度場(chǎng)合成圖(單位：dagpm)；(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s)；(c)海平面氣壓場(chǎng)疊加相對(duì)濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%)；(d)海平面風(fēng)場(chǎng)疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.3 Cold high pressure ridge bottom type weather model(a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s);(c)Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d)Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:m/s,℃)

2.2.2 冷高壓控制型 圖4a的500 hPa等壓面圖可分析出東亞大槽移到東部沿海，往往有東北冷渦中心移入東北，東亞大槽發(fā)展得更強(qiáng)更深，氣流經(jīng)向度加大。貴港受500 hPa脊前西北氣流影響，圖4b顯示中低空(700～925 hPa)為弱的東風(fēng)，出現(xiàn)持續(xù)下沉氣流，地面的水汽和塵埃不宜上升凝結(jié)。

冷高壓是指冷鋒后地面高壓，是冷高壓底部型的延續(xù)，大舉冷空氣南下，廣西從冷高壓底部變?yōu)槔涓邏嚎刂普急?4%，出現(xiàn)頻率不高。圖4c、4d地面形勢(shì)合成圖上看貴港地面受大范圍的高壓主體控制，反氣旋內(nèi)沒(méi)有鋒面，地面吹弱的偏北風(fēng)或靜風(fēng)，溫度平流不明顯，相對(duì)濕度在50%～60%左右。高壓控制下天氣晴朗，風(fēng)速小。在夜間或者清晨有時(shí)會(huì)出現(xiàn)輻射霧，在日出后逐漸消散。反氣旋的外圍往往有鋒面存在，貴港若處在高壓邊緣部分上空且有鋒面逆溫，如果水汽較多時(shí)，低層容易出現(xiàn)微量降水、霧等現(xiàn)象，不利于污染物擴(kuò)散稀釋，但在高層能見(jiàn)度很好，碧空無(wú)云，污染物停滯在低層。

圖4 冷高壓控制型天氣學(xué)模型(a)500 hPa高度場(chǎng)合成圖(單位：dagpm)；(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s)；(c)海平面氣壓場(chǎng)疊加相對(duì)濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%)；(d)海平面風(fēng)場(chǎng)疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.4 Cold high pressure controlled weather model(a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s);(c) Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d) Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:unit:m/s,℃)

2.2.3 冷高壓后部型 冷高壓后部型也是從冷高壓底部型演變而來(lái)，從冷高壓底部型過(guò)渡到冷高壓后部型的頻率為60%，此時(shí)亞歐大陸中緯度長(zhǎng)波位置進(jìn)行了一次調(diào)整，恢復(fù)平直的環(huán)流形勢(shì)。

500～700 hPa受偏西氣流控制(圖5a)，850～925 hPa轉(zhuǎn)為偏南暖濕氣流(圖5b)，從而造成近地面850 hPa以下為較弱的輻合上升運(yùn)動(dòng)。這種淺層上升運(yùn)動(dòng)可以使近地層的水汽向上輸送，對(duì)流層500～850 hPa存在弱輻散下沉運(yùn)動(dòng)，下沉運(yùn)動(dòng)阻止了近地面水汽向上輸送，污染物垂直輸送能力差，有利于底層水汽的積累和濕度增大，相對(duì)濕度有時(shí)達(dá)60%～70%以上，利于水溶性離子吸濕增長(zhǎng)，造成細(xì)顆粒物濃度超標(biāo)。

這類型的海平面等壓圖上(圖5c)貴港處在出海高壓主體的西南象限，高壓中心多數(shù)從長(zhǎng)江中下游出海，氣壓場(chǎng)東高西低，氣壓梯度小，地面由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為弱的偏東風(fēng)(圖5d)，風(fēng)速較小，氣溫逐漸回升，天氣形勢(shì)穩(wěn)定，大氣擴(kuò)散條件差，此前環(huán)流形勢(shì)所積累的污染物無(wú)法稀釋、擴(kuò)散。

圖5 冷高壓后部型天氣學(xué)模型(a)500 hPa高度場(chǎng)合成圖(單位：dagpm)；(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s)；(c)海平面氣壓場(chǎng)疊加相對(duì)濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%)；(d)海平面風(fēng)場(chǎng)疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.5 Cold high pressure rear weather model(a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s);(c)Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d)Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:m/s,℃)

2.2.4 西南暖低壓控制型 熱低壓是由于近地層空氣受熱不均而形成的，熱低壓最容易出現(xiàn)在盆地地區(qū)，西南暖低壓的發(fā)源地多在四川盆地，是淺薄而移動(dòng)較慢的暖性低壓系統(tǒng)[9]。廣西由于地理位置緊靠云貴高原南麓，云貴高原對(duì)南下冷空氣起到阻擋和削弱作用，因而貴港春季、冬季易受西南暖低壓的影響，并且常常伴隨出現(xiàn)在冷高壓主體東移出海后，是由高壓后部演變而來(lái)的一種形勢(shì)，一般出現(xiàn)在一次污染過(guò)程的后期。

從圖6a高空?qǐng)D上看，500 hPa和700 hPa貴港處于南支波動(dòng)的偏西氣流中，850 hPa有強(qiáng)盛的西南暖濕氣流(圖6b)，給低層輸送源源不斷的水汽。

圖6c海平面氣壓圖上西南暖低壓生成并發(fā)展，加大東西兩側(cè)氣壓梯度力，地面氣壓呈現(xiàn)東高西低的形勢(shì)。地面低壓中心一般為1 010～1 012.5 hPa，隨著高空槽的引導(dǎo)氣流移動(dòng)低壓中心擴(kuò)大東伸到桂西或桂中。貴港處于西南暖低壓的外圍，受高壓后部影響慢慢減弱，受西南暖低壓系統(tǒng)影響增強(qiáng)。隨著時(shí)間推移，低壓中心強(qiáng)度也逐漸減弱，最后移出海面或者減弱消失。圖6d可反映出受西南暖低壓影響，氣旋環(huán)流導(dǎo)致地面偏南風(fēng)加大，帶來(lái)的印度洋暖濕氣流增強(qiáng)，貴港地面東北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為東風(fēng)或南風(fēng)，氣溫回升，濕度增大，常常會(huì)出現(xiàn)90%的高濕區(qū)，溫度露點(diǎn)差減小，一般在3 ℃以下，稱為“回南天”，伴隨出現(xiàn)霧或微量降水?！盎啬咸臁笔俏廴疚锇l(fā)生的溫床[10]，水溶性離子吸濕增長(zhǎng)，液滴分子凝結(jié)在水溶性離子表面非均相成核，成核之后的分子簇經(jīng)過(guò)初始增長(zhǎng)和冷凝增長(zhǎng)，迅速積累增多，進(jìn)而可以作為云的凝結(jié)核，促進(jìn)成云致雨。待850 hPa的南風(fēng)逐漸增大，風(fēng)速幾乎達(dá)到急流，帶來(lái)西南暖濕氣流增多，容易出現(xiàn)間歇性小雨使污染物濕沉降，大氣污染狀況快速好轉(zhuǎn)。

圖6 西南暖低壓型天氣學(xué)模型(a)500 hPa高度場(chǎng)合成圖(單位：dagpm);(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s);(c)海平面氣壓場(chǎng)疊加相對(duì)濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%);(d)海平面風(fēng)場(chǎng)疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.6 Southwest warm and low pressure weather model (a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s);(c) Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d)Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:m/s,℃)

2.2.5 熱帶氣旋外圍型 當(dāng)臺(tái)風(fēng)逐漸接近陸地時(shí)，大范圍下沉氣流會(huì)對(duì)陸地形成高壓均壓場(chǎng)，不利于大氣污染物的稀釋、清除和擴(kuò)散[11-12]，Lee 等研究發(fā)現(xiàn)暖季 O3污染事件的發(fā)生通常與熱帶氣旋靠近有關(guān)[13]。此熱帶氣旋型常出現(xiàn)在7—10月，高空500 hPa可能疊加副熱帶高壓脊前偏北下沉氣流(圖7a)，其臺(tái)風(fēng)中心氣流上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)盛，而外圍氣流處在較強(qiáng)的渦度正散度區(qū)和垂直速度下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)(圖7b)，這種穩(wěn)定的大氣結(jié)構(gòu)是影響貴港地區(qū)產(chǎn)生臭氧超標(biāo)的一種天氣形勢(shì)。熱帶氣旋在15°N以北、120°E以東的南海或西太平洋洋面生成后，在高空氣流引導(dǎo)下向西向北移動(dòng)，貴港一般處在熱帶氣旋的外圍西北象限中(圖7c)，當(dāng)熱帶氣旋路徑偏北，不在華南一帶登陸，移動(dòng)方向往江浙一帶，此時(shí)高溫悶熱，常出現(xiàn)30 ℃以上高溫，見(jiàn)圖7d，紫外線充足，加劇光化學(xué)反應(yīng)的速率，直到副高北抬，熱帶氣旋隨著高空引導(dǎo)氣流隨之北抬，方能結(jié)束污染天氣。

臭氧并非由人類活動(dòng)直接排放出的污染物，而是由近地面排放的氮氧化合物(NOx)和揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)，在強(qiáng)烈的紫外光的條件下，發(fā)生一系列光化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而成的二次污染物[14]。因而高溫、低濕、小風(fēng)、多日照的天氣是大氣光化學(xué)反應(yīng)的能量驅(qū)動(dòng)源。

圖7 熱帶氣旋型天氣學(xué)模型(a)500 hPa高度場(chǎng)合成圖(單位：dagpm);(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s);(c)海平面氣壓場(chǎng)疊加相對(duì)濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%);(d)海平面風(fēng)場(chǎng)疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.7 Tropical cyclone weather model (a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s);(c) Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d)Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:m/s,℃)

2.2.6 均壓場(chǎng)型 均壓場(chǎng)是造成貴港一年四季污染天氣時(shí)有發(fā)生的重要天氣環(huán)流形勢(shì)，圖8a的500 hPa形勢(shì)以緯向環(huán)流為主，受偏西氣流控制，中低層無(wú)明顯的上升運(yùn)動(dòng)和下沉運(yùn)動(dòng)(圖8b)。

地面關(guān)鍵區(qū)(20～30°N、100～120°E)沒(méi)有明顯的天氣系統(tǒng)影響，均壓場(chǎng)可分為兩類，當(dāng)貴港地面均壓場(chǎng)內(nèi)氣壓≥1 015 hPa，50°N新疆北部—貝加爾南部存在強(qiáng)大的高壓主體(中心強(qiáng)度>1030 hPa)，且高壓中心穩(wěn)定少動(dòng)，此時(shí)稱變性冷高壓內(nèi)的均壓場(chǎng)，一般出現(xiàn)在秋冬季。當(dāng)?shù)孛婢鶋簣?chǎng)內(nèi)氣壓<1 015 hPa，蒙古地區(qū)或北方有強(qiáng)大的氣旋，并逐漸南壓，貴港處于氣旋底部，此時(shí)稱低壓底部均壓場(chǎng)，一般出現(xiàn)在春夏季。均壓場(chǎng)的特征是地面等壓線稀疏(圖8c)，氣壓梯度力小，地面風(fēng)弱，風(fēng)向不固定，常出現(xiàn)靜風(fēng)，濕度處在高值區(qū)，大氣處于一種靜穩(wěn)的狀態(tài)。對(duì)近地層大氣污染物的擴(kuò)散起著抑制作用，容易造成中度以上級(jí)別的污染，首要污染物通常為PM2.5或O3。待有新的天氣系統(tǒng)產(chǎn)生大氣擾動(dòng)或帶來(lái)降水，才能清除污染。

2.3 按地面分型的大氣污染物變化特征

根據(jù)分析 2015—2018年的173個(gè)污染日樣本，按地面分型統(tǒng)計(jì)出不同的類型的污染等級(jí)天數(shù)，AQI和大氣污染物濃度(表2)，高壓型(冷高壓底部、冷高壓控制、冷高壓后部)占比最多，達(dá)到59.5%，一般出現(xiàn)在秋冬季和早春；低壓型(西南暖低壓、熱帶氣旋外圍)次之，達(dá)到23.1%，西南暖低壓出現(xiàn)在冬季和春季，熱帶氣旋外圍出現(xiàn)在夏秋季；均壓場(chǎng)最少，一年四季時(shí)有出現(xiàn)。

地面環(huán)流形勢(shì)細(xì)分為6種類型中，冷高壓底部造成的污染過(guò)程出現(xiàn)的天數(shù)最多(61 d)，并且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。冷高壓控制下的污染天數(shù)最少(9 d)，但在冷高壓控制下的空氣質(zhì)量最差(AQI為163)，PM2.5、PM10、SO2的日平均濃度皆排在各類型之首，PM2.5和PM10日平均濃度均超過(guò)環(huán)境空氣質(zhì)量濃度二級(jí)限值(PM2.5濃度二級(jí)限值為75 ug/m3，PM10濃度二級(jí)限值為150 ug/m3)，值得關(guān)注。受西南暖低壓影響下的空氣質(zhì)量狀況次嚴(yán)重(AQI為135)，PM2.5、PM10、SO2的平均濃度排在第二。而受熱帶氣旋影響下極容易造成區(qū)域性的光化學(xué)污染，O3-8 h日平均濃度超過(guò)環(huán)境空氣質(zhì)量濃度二級(jí)限值(160 ug/m3)。

圖8 均壓場(chǎng)型天氣學(xué)模型(a)500 hPa高度場(chǎng)合成圖(單位：dagpm);(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s);(c)海平面氣壓場(chǎng)疊加相對(duì)濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%);(d)海平面風(fēng)場(chǎng)疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.8 Equal pressure field type weather model (a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s); (c) Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d) Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:m/s,℃)

由于細(xì)顆粒物不易沉降，在大氣中停留的時(shí)間較長(zhǎng)，傳輸距離較遠(yuǎn)，從而細(xì)顆粒物造成的污染持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)[15]。而臭氧是不穩(wěn)定的物質(zhì)，會(huì)發(fā)生光分解，因此不容易積累，僅導(dǎo)致輕度污染。此外，受煙花爆竹燃放的影響，貴港市在傳統(tǒng)春節(jié)和一些節(jié)假日期間容易出現(xiàn)重度污染事件。

統(tǒng)計(jì)持續(xù)3 d及以上的污染過(guò)程(共22個(gè)過(guò)程)發(fā)現(xiàn)，15個(gè)過(guò)程以PM2.5作為首要污染物，5個(gè)過(guò)程以PM2.5與O3交替輪作首要污染物，僅2個(gè)過(guò)程以O(shè)3作為首要污染物。而處于污染過(guò)程后期的污染天氣類型以西南暖低壓控制(8次)最為頻繁，造成中度及以上污染等級(jí)的天數(shù)占總天數(shù)24%，對(duì)應(yīng)的顆粒物平均濃度也較為嚴(yán)重。因此可認(rèn)為，當(dāng)污染天氣過(guò)程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，污染物堆積越多，處于后期的天氣形勢(shì)出現(xiàn)中度及以上污染的概率大。

表2 各污染天氣類型的污染等級(jí)天數(shù)和大氣污染物濃度特征Tab.2 Characteristics of pollution degree days and atmospheric pollutant concentrations of various types of polluted weather

2.4 按地面分型的氣象要素變化特征

大氣污染是特定的環(huán)流形勢(shì)下高低層的物理量與地面氣象要素相互配合的產(chǎn)物。根據(jù)不同污染天氣類型在不同季節(jié)發(fā)生的頻率可知：氣壓高和多日照時(shí)，不利于污染物的稀釋和輸送。貴港市冬季常常為北方冷高壓控制下的靜穩(wěn)、小風(fēng)天氣，弱北風(fēng)為主，且水平氣壓梯度小，垂直大氣伴隨著弱的上升運(yùn)動(dòng)，阻止了近地面污染物水平和垂直擴(kuò)散；春夏季處在低壓控制時(shí)，南風(fēng)或靜風(fēng)為主，高溫悶熱，日照時(shí)數(shù)多，紫外線充足，加劇光化學(xué)反應(yīng)的速率，臭氧濃度容易升高，間接促進(jìn)二次污染物濃度的增加。

污染物濃度與氣象要素的關(guān)系較復(fù)雜，天氣系統(tǒng)對(duì)污染物濃度的影響直接表現(xiàn)在氣象要素上，氣象要素除了直接影響污染物的濃度變化，還影響污染物前體物質(zhì)的二次轉(zhuǎn)化過(guò)程[16]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)各污染天氣類型對(duì)應(yīng)的地面氣象要素平均值(表3)，可知不同的天氣類型對(duì)污染物的生成轉(zhuǎn)化、擴(kuò)散輸送的機(jī)制存在一定的差異，但也有一定的共性，它們出現(xiàn)時(shí)均會(huì)造成地區(qū)大氣穩(wěn)定度升高，水平和垂直擴(kuò)散條件變差，地面氣象要素體現(xiàn)為日雨量皆為不超過(guò)5 mm的零星小雨，除熱帶氣旋外圍型之外，其余污染天氣類型平均氣溫不高(14.7～21.5 ℃)，地面平均風(fēng)速較小(1.1～1.5 m/s)，相對(duì)濕度增加(59%～75%)，在此背景下，容易產(chǎn)生污染物的累積，出現(xiàn)污染天氣現(xiàn)象。

表3 2015—2018年各污染天氣類型氣象要素平均值Tab.3 Average Meteorological Elements of Various Polluted Weather Types in 2015—2018

3 結(jié)論

①污染天氣按高空(500 hPa)環(huán)流形勢(shì)可分為兩槽一脊型、一槽一脊型、副熱帶高壓型，其中，兩槽一脊發(fā)生在秋冬季的頻率最高，而副熱帶高壓常發(fā)生在夏秋季。

②污染天氣按地面環(huán)流形勢(shì)主要分為3大類型，高壓型占比最多(59.5%)，低壓類次之(23.1%)，均壓場(chǎng)最少。秋冬季高壓型是造成細(xì)顆粒污染物超標(biāo)的主導(dǎo)，夏秋季的低壓型(熱帶氣旋)容易造成臭氧超標(biāo)，均壓場(chǎng)中臭氧作為首要污染物的頻率僅次于低壓型(熱帶氣旋)。

③按地面環(huán)流形勢(shì)細(xì)分的6種類型中，冷高壓底部造成的污染過(guò)程出現(xiàn)的天數(shù)最多(61 d)，并且污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；冷高壓控制下的污染天數(shù)最少(9 d)，但在冷高壓控制下的空氣質(zhì)量最差(AQI為163)，是造成顆粒物(PM2.5、PM10)超標(biāo)的類型；受西南暖低壓影響下的空氣質(zhì)量狀況次嚴(yán)重(AQI為135)。

④大氣污染發(fā)生時(shí)環(huán)流形勢(shì)和氣象要素表現(xiàn)為大氣穩(wěn)定度升高，水平和垂直擴(kuò)散條件變差，地面平均風(fēng)速不超過(guò)1.5 m/s，相對(duì)濕度大于50%，日雨量皆為不超過(guò)5 mm的零星小雨。