劉瑞芳，賀 瑤，劉 慧，黃少妮

(1.西安市氣象局，西安 710016；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016；3.寶雞市氣象局，陜西寶雞 721006； 4.陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

近年來(lái)我國(guó)嚴(yán)重霧霾事件頻發(fā)，已威脅人民群眾的身體健康和生產(chǎn)生活，大氣污染成為制約我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的核心問(wèn)題。2013年《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》出臺(tái)后，各地采取了有效措施控制污染排放，京津冀及周邊地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量得到改善，陜西關(guān)中地區(qū)的大氣污染問(wèn)題逐漸凸顯，成為中國(guó)大氣污染的高發(fā)區(qū)。眾所周知人為源排放和不利氣象擴(kuò)散條件是大氣污染形成的主要原因，在污染源基本穩(wěn)定的前提下，決定大氣污染發(fā)生的關(guān)鍵因素是氣象條件[1-5]。張人禾等[6]分析了我國(guó)東部霧霾持續(xù)的氣象條件，指出地面弱風(fēng)場(chǎng)和弱垂直風(fēng)切變對(duì)污染物傳輸有抑制作用。劉厚鳳等[7]總結(jié)了近年來(lái)我國(guó)重污染過(guò)程污染氣象特征，發(fā)現(xiàn)特定的流場(chǎng)、特殊的地形及污染物區(qū)域傳輸?shù)仁窃斐芍匚廴镜臍庀筇卣?。研究發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)大氣污染特征也存在一定差異，戴竹君、廖國(guó)蓮等[8-9]分析了江蘇、廣西秋冬季霧霾特征，并根據(jù)地面形勢(shì)進(jìn)行了天氣分型。陜西地處中國(guó)內(nèi)陸腹地，北部為海拔800～1 300 m的黃土高原，南部為海拔1 500～3 000 m的秦嶺，中間為關(guān)中盆地,平均海拔高度520 m，西起寶雞，東至潼關(guān)，自西向東敞開呈喇叭口形狀，冬季主要受大陸冷氣團(tuán)影響，降水稀少，氣候干燥，其特殊的地形和氣候特征使得大氣污染物極易在關(guān)中集聚，污染特征與沿海地區(qū)存在一定的差異[10-11]。

針對(duì)陜西地區(qū)的重污染天氣過(guò)程，不少學(xué)者[12-15]開展了大量的研究，成果主要集中在單一某次重污染過(guò)程的污染特征及氣象條件成因分析。本文旨在通過(guò)分析2014—2018年陜西大氣污染的時(shí)空分布特征，對(duì)造成關(guān)中地區(qū)持續(xù)性重污染過(guò)程的高低空環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行天氣學(xué)分型，并分析氣象條件對(duì)污染物累積的影響，為今后陜西重污染天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源與標(biāo)準(zhǔn)

常規(guī)氣象觀測(cè)資料主要包括陜西100個(gè)國(guó)家地面氣象觀測(cè)站一天4個(gè)時(shí)次(02、08、14和20時(shí))的地面要素觀測(cè)資料及西安氣象自動(dòng)站溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速和能見度等逐時(shí)實(shí)況資料。氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于陜西省氣象信息中心?？諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)自陜西生態(tài)環(huán)境廳公布的陜西10個(gè)地市環(huán)境監(jiān)測(cè)站的質(zhì)量濃度日值及逐小時(shí)污染物質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果。資料時(shí)間段為2014年1月1日—2018年12月31日。

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)規(guī)定，空氣質(zhì)量指數(shù)劃分為六級(jí)，某一個(gè)站點(diǎn)24 h空氣質(zhì)量指數(shù)大于國(guó)家空氣質(zhì)量五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(AQI>200)為一個(gè)重污染日。本文定義陜西出現(xiàn)不少于3站空氣質(zhì)量指數(shù)大于國(guó)家空氣質(zhì)量五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)且連續(xù)出現(xiàn)3 d及以上，為一次持續(xù)性重污染天氣事件。

1.2 后向軌跡模式

后向軌跡模式(hybrid single particle lagrangian integrated trajectory model，HYSPLIT)是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局與澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場(chǎng)、多種物理過(guò)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)被廣泛應(yīng)用于多種污染物在各個(gè)地區(qū)的傳輸與擴(kuò)散研究。

2 陜西大氣污染時(shí)空分布特征

從2014—2018年陜西10地市空氣質(zhì)量指數(shù)日均值統(tǒng)計(jì)(表1)分析看出，陜北、陜南主要以輕度污染為主，中度以上污染出現(xiàn)次數(shù)較少，而關(guān)中地區(qū)中度以上污染出現(xiàn)頻率偏高，咸陽(yáng)、西安、渭南中度以上污染日數(shù)分別占污染總?cè)諗?shù)的42.9%、39.9%和37.9%。從年均重污染日數(shù)可看出，陜西重度以上污染的空間分布極度不均，重污染天氣主要出現(xiàn)在關(guān)中地區(qū)，年均重污染日數(shù)為20.0～33.2 d，其中咸陽(yáng)高達(dá)33.2 d,為全省最高值。陜北、陜南的年均重污染日數(shù)明顯偏少，除漢中外，其余地區(qū)年均重污染日數(shù)小于5 d，且多發(fā)生時(shí)間在3—5月，結(jié)合地面氣象觀測(cè)實(shí)況分析，主要是由較強(qiáng)沙塵天氣傳輸引起的空氣重污染，首要污染物為粗顆粒物PM10。

表1 2014—2018年陜西十地市大氣污染分級(jí)統(tǒng)計(jì) 單位：d

由關(guān)中5市重污染日數(shù)的年際變化可以看出，2014—2018年整體呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)(圖略)，關(guān)中西部的寶雞和北部的銅川下降趨勢(shì)較為明顯。而關(guān)中重污染月際變化(圖1)則呈現(xiàn)出明顯U型分布特征，重污染主要發(fā)生在冬季12—2月，占全年重污染總?cè)諗?shù)的73%～87%，其中1月為全年最高值。4—9月處在重污染出現(xiàn)的低谷期。按季節(jié)來(lái)分，夏季出現(xiàn)重污染概率最低，秋、春兩季處于冬季與夏季之間，秋季略高于春季。“冬高夏低，秋春居中”這種分布特征與陜西的地理位置和氣候特點(diǎn)有關(guān)，冬季陜西主要受大陸性冷高壓控制，高壓系統(tǒng)內(nèi)天空晴朗，地面有效輻射強(qiáng)，晝短夜長(zhǎng)，地面和近地層空氣處于凈輻射負(fù)值時(shí)間長(zhǎng)，大氣層結(jié)比較穩(wěn)定，疊加關(guān)中盆地地形作用和冬季供暖期的污染物排放，有利于污染物的快速積聚。

圖1 2014—2018年關(guān)中5站重污染總?cè)諗?shù)月際分布

PM2.5是大氣污染的主要污染物，由2014—2018年冬季期間PM2.5質(zhì)量濃度的日變化可看出，關(guān)中5市冬季PM2.5質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)出明顯的日變化特征(圖 2),與錢婧[14]等研究結(jié)果不同，咸陽(yáng)、西安由于晝夜邊界層厚度變化較大，基本表現(xiàn)為單峰現(xiàn)象，在北京時(shí)間01時(shí)左右PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)到全天最高值, 17時(shí)最低, 日變化幅度為日均質(zhì)量濃度的30%～40%。寶雞、渭南、銅川PM2.5質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為明顯的雙峰現(xiàn)象，其中寶雞、渭南在11 時(shí)左右和 21時(shí)左右出現(xiàn)兩個(gè)峰值，這兩個(gè)時(shí)間段是在早晚飯和上下班高峰之后, 因此早晚飯時(shí)段的居民生活排放及上下班高峰時(shí)的車輛排放可能是造成雙峰現(xiàn)象的重要原因。與寶雞和渭南不同, 銅川 PM2.5質(zhì)量濃度的日變化雖然也表現(xiàn)為明顯的雙峰現(xiàn)象,但是最低值不是出現(xiàn)在邊界層高度最高的下午，而是出現(xiàn)在07時(shí)左右，21時(shí)前后出現(xiàn)最大峰值。分析認(rèn)為銅川受地理環(huán)境影響主要盛行山谷風(fēng)，日出后以偏南風(fēng)為主，持續(xù)的偏南風(fēng)將關(guān)中城市群的污染物向北部銅川輸送，疊加本地的污染物排放，使污染物質(zhì)量濃度在 21時(shí)前后達(dá)到日最高值；日落后轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)使的污染物向南輸送，銅川的污染物質(zhì)量濃度在 07時(shí)左右降至日最低值，這與黃少妮[15]等在一次污染個(gè)例分析中的結(jié)論較為一致。

圖2 2014—2018年冬季PM2.5質(zhì)量濃度日變化曲線

3 持續(xù)性重污染天氣分型

經(jīng)統(tǒng)計(jì)2014—2018年陜西共發(fā)生19次持續(xù)性重污染事件(表略)。應(yīng)用氣象觀測(cè)資料，對(duì)19次過(guò)程的地面天氣圖、高低空環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)造成陜西持續(xù)性重污染的天氣形勢(shì)按照500 hPa高空環(huán)流形勢(shì)可分為兩種類型(圖3)：緯向環(huán)流型和阻塞環(huán)流型。按照地面氣壓場(chǎng)可分為4種類型(圖4)：高壓控制型、高壓后部型、均壓場(chǎng)型和地面倒槽型。

圖3 陜西持續(xù)性污染期間500 hPa環(huán)流分型(a)緯向環(huán)流型(b)阻塞環(huán)流型

圖4 陜西持續(xù)性污染期間地面環(huán)流分型(a 高壓控制型；b 高壓后部型；c 均壓型；d 低壓倒槽型)

3.1 高空形勢(shì)場(chǎng)特征

緯向環(huán)流型：500 hPa高度場(chǎng)上以緯向環(huán)流為主，新疆至貝加爾湖一帶有弱的高壓脊維持，陜西上空以平直偏西氣流為主，受南支槽影響低層850 hPa有暖脊控制。

阻塞環(huán)流型：500 hPa天氣圖上歐亞中高緯地區(qū)維持兩槽一脊，貝加爾湖附近高壓脊穩(wěn)定少動(dòng)，形成阻塞環(huán)流形勢(shì)，陜西處于高壓脊底部弱西北氣流控制。

在以上兩種500 hPa環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)下，中低層700 hPa常常受偏西氣流或弱偏南風(fēng)控制，而850 hPa有弱偏南風(fēng)發(fā)展，低層弱的暖平流有利于在低空(850 hPa上下)形成逆溫層，逆溫層就像一個(gè)暖蓋，阻礙低層水汽向上擴(kuò)散,有利于污染的形成和維持。

3.2 地面氣壓場(chǎng)特征

高壓控制型：中高緯地區(qū)受蒙古高壓控制，關(guān)中處于高壓控制下，氣壓梯度小，風(fēng)場(chǎng)較弱，且偏東風(fēng)為主，受關(guān)中喇叭口地形影響，容易造成污染物累積。

高壓后部型：高壓主體位于我國(guó)東部地區(qū)，陜西受高壓后部偏南氣流影響, 近地層空氣暖濕,天氣狀況靜穩(wěn)，有利于污染天氣的產(chǎn)生。

均壓場(chǎng)型：中國(guó)中東部地區(qū)無(wú)明顯的高低壓系統(tǒng)，陜西受均壓場(chǎng)控制，關(guān)中地區(qū)近地面以靜風(fēng)或弱風(fēng)為主，有利于污染物的堆積。

低壓倒槽型：地面場(chǎng)上陜西處于西南倒槽控制，地面氣壓場(chǎng)較弱, 氣壓梯度小, 風(fēng)速小, 溫度高, 常出現(xiàn)逆溫, 易出現(xiàn)霧霾等污染天氣。

分析發(fā)現(xiàn)，陜西持續(xù)性重污染天氣發(fā)生時(shí)，地面氣壓場(chǎng)往往不是由一種形勢(shì)場(chǎng)造成，而是以上多種形勢(shì)場(chǎng)交替出現(xiàn)。

綜上所述，陜西持續(xù)性重污染天氣發(fā)生時(shí)高空盛行較平直西風(fēng)氣流，無(wú)明顯冷空氣活動(dòng)，700 hPa為弱脊控制，低層850 hPa、925 hPa多為偏南風(fēng)，大氣層結(jié)穩(wěn)定。地面為弱風(fēng)壓場(chǎng)控制，風(fēng)速較小，關(guān)中一帶一般小于2 m/s，地面弱風(fēng)有利于污染物在邊界層的湍流擴(kuò)散。有利的環(huán)流背景疊加盆地易聚難散的特殊地形作用，是導(dǎo)致關(guān)中地區(qū)污染天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染重的主要原因。

4 典型重污染過(guò)程分析

4.1 污染天氣實(shí)況

2016年12月30日—2017年1月6日陜西關(guān)中出現(xiàn)了持續(xù)性重污染天氣過(guò)程，首要污染物為PM2.5。從空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的日變化(圖5)可看出，關(guān)中地區(qū)的污染呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域同步變化特征，28日起污染物開始累積，空氣質(zhì)量指數(shù)迅速升高，2日微降后繼續(xù)穩(wěn)步上揚(yáng)，到達(dá)本次污染過(guò)程的極大值，6日迅速下降。位于核心污染區(qū)的咸陽(yáng)、西安、渭南連續(xù) 6 d 出現(xiàn)嚴(yán)重污染，5日西安站PM2.5質(zhì)量濃度更是高達(dá)575 μg/m3，小時(shí)能見度低至100 m，污染非常嚴(yán)重。

圖5 2016-12-28—2017-01-07關(guān)中五站空氣質(zhì)量指數(shù)AQI日變化

4.2 環(huán)流形勢(shì)特征

12月26日污染發(fā)生前，500 hPa高空槽后西北氣流已控制陜西，地面強(qiáng)冷空氣南下。27日20時(shí)隨著高空槽進(jìn)一步東移，冷空氣南壓，地面轉(zhuǎn)為高壓后部控制，靜穩(wěn)形勢(shì)建立，污染物開始較快累積。28日至31日，500 hPa我國(guó)上空盛行平直的緯向西風(fēng)氣流，陜西地面由高壓后部逐漸轉(zhuǎn)為均壓場(chǎng)控制，靜穩(wěn)形勢(shì)維持，污染物持續(xù)累積。1月1日高空平直氣流中有短波槽快速東移，引導(dǎo)地面弱冷鋒南下，鋒前冷空氣擴(kuò)散進(jìn)入陜西，2日08時(shí)陜西關(guān)中出現(xiàn)3～6 ℃負(fù)變溫，關(guān)中5市AQI指數(shù)出現(xiàn)不同程度下降。由于此次冷空氣維持時(shí)間短、強(qiáng)度弱，空氣質(zhì)量雖有所改善，但總體上對(duì)污染物清除作用十分有限。2日起受高空平直西風(fēng)氣流影響，陜西地面再次轉(zhuǎn)為均壓場(chǎng)控制，污染物繼續(xù)累積，青藏高原東側(cè)有地面倒槽發(fā)展并持續(xù)加強(qiáng)。4日08時(shí)起陜西處于西南倒槽控制中，地面風(fēng)速較小，氣溫較高，近地層出現(xiàn)多層逆溫,污染物垂直擴(kuò)散受阻，加上盆地特殊地形，使得污染物在關(guān)中地區(qū)持續(xù)集聚，關(guān)中盆地5市先后達(dá)到本次持續(xù)性重污染過(guò)程的極大值。1月6日高空有西風(fēng)槽東移，陜西出現(xiàn)明顯雨雪天氣，關(guān)中地區(qū)降水量普遍在2～8 mm，地面上陜西轉(zhuǎn)為高壓底部氣壓梯度密集區(qū)，關(guān)中地區(qū)風(fēng)速明顯加大，受雨雪及較強(qiáng)偏北風(fēng)影響，污染天氣減弱消散。

4.3 氣象要素演變

為研究關(guān)中地區(qū)污染持續(xù)增大的原因，選取西安市長(zhǎng)安站逐小時(shí)自動(dòng)觀測(cè)氣象要素和西安市逐小時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行對(duì)比分析(圖6)。1月1日前，西安站低層主要為弱偏南氣流，風(fēng)速在2 m/s以下,相對(duì)濕度緩慢升高。由于顆粒物質(zhì)量濃度的增大，對(duì)大氣的消光作用明顯，西安站能見度迅速下降，出現(xiàn)重污染天氣。1日夜間有弱冷空氣擴(kuò)散南下進(jìn)入西安，風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，相對(duì)濕度有所下降，PM2.5質(zhì)量濃度略有回落，能見度小幅回升；之后地面再次轉(zhuǎn)為弱偏南風(fēng)控制，相對(duì)濕度增大至60%～90%之間，PM2.5質(zhì)量濃度持續(xù)走高。6日受明顯降水及較強(qiáng)冷空氣影響，西安地區(qū)污染物質(zhì)量濃度迅速下降，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良，污染過(guò)程結(jié)束。由表2看出PM2.5質(zhì)量濃度與能見度、地面風(fēng)速有較顯著的負(fù)相關(guān)性，與相對(duì)濕度有正相關(guān)性?？偟膩?lái)說(shuō)，相對(duì)濕度增大時(shí)，地面風(fēng)速越小，越有利于污染物的累積，能見度下降，反之污染減弱，能見度升高。

圖6 2016-12-27—2017-01-07長(zhǎng)安站逐小時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度、能見度、風(fēng)向風(fēng)速(箭頭)、相對(duì)濕度

表2 2016-12-28—2017-01-07西安站逐時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度與地面氣象要素相關(guān)系數(shù)

4.4 后向軌跡聚類分析

為研究關(guān)中地區(qū)污染物的傳輸路徑，基于HYSPLIT后向軌跡模型對(duì)2016年12月30日—2017年1月6日污染物到達(dá)西安的后向軌跡進(jìn)行追蹤和聚類分析。計(jì)算高度選取500 m，模式頂設(shè)置為10 km，后向軌跡計(jì)算時(shí)間為48 h，目標(biāo)點(diǎn)為涇河站。分析看出重污染日傳輸?shù)轿靼驳奈廴疚锖捅镜氐奈廴疚镌陉P(guān)中盆地徘徊(圖略)，很難向外擴(kuò)散，印證了有利環(huán)流背景下關(guān)中特殊地形導(dǎo)致污染物易積難消的特征。聚類分析(圖7)顯示，整個(gè)污染過(guò)程期間后向軌跡可以分為五大類。有兩類來(lái)自西北方向的長(zhǎng)距離輸送，但是由于陜西西北方向的AQI數(shù)值較低(圖略)且占比小，不會(huì)帶來(lái)太多污染物。另外三類占比高達(dá)87.5%，其后向軌跡在關(guān)中地區(qū)停滯徘徊，48 h后向軌跡傳輸很短的距離，不容易擴(kuò)散。表明此次陜西關(guān)中持續(xù)性重污染過(guò)程主要是以本地污染排放和關(guān)中城市群附近近距離輸送為主，遠(yuǎn)距離輸送對(duì)此次重污染過(guò)程貢獻(xiàn)較小。

圖7 2016-12-30—2017-01-06西安地區(qū)污染物后向軌跡聚類分析

5 結(jié)論

本文統(tǒng)計(jì)了2014—2018年陜西大氣污染時(shí)空分布特征，對(duì)造成持續(xù)性重污染天氣的高低空環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行了天氣分型，并選取典型個(gè)例，研究持續(xù)性重污染的發(fā)生、維持和消散演變過(guò)程。主要結(jié)論如下：

(1) 陜西重污染天氣主要出現(xiàn)在關(guān)中地區(qū)，冬高夏低，秋春居中，其月際分布呈現(xiàn)出明顯的U型分布特征，重污染主要發(fā)生在冬季12—2月，年平均日數(shù)約20.0～33.2 d，冬季重污染日數(shù)約占全年重污染日數(shù)的80%左右。

(2)冬季關(guān)中5市PM2.5質(zhì)量濃度的日變化特征明顯不同,咸陽(yáng)、西安基本表現(xiàn)為單峰現(xiàn)象，寶雞、渭南、銅川則表現(xiàn)為明顯的雙峰現(xiàn)象；寶雞、渭南、西安、咸陽(yáng)均在17時(shí)前后出現(xiàn)PM2.5質(zhì)量濃度的最低值，而銅川則不同，最低值出現(xiàn)在07時(shí)左右。

(3) 陜西持續(xù)性重污染發(fā)生時(shí)地面氣壓場(chǎng)可分為高壓控制型、高壓后部型、均壓場(chǎng)型、低壓倒槽型四種類型。持續(xù)性重污染天氣期間，地面形勢(shì)往往由以上幾種形勢(shì)場(chǎng)交替出現(xiàn)。引起持續(xù)性重污染過(guò)程的高空形勢(shì)主要有緯向環(huán)流型和阻塞環(huán)流型。

(4) 持續(xù)性重污染期間，關(guān)中地區(qū)呈現(xiàn)明顯的區(qū)域同步變化特征，PM2.5質(zhì)量濃度與能見度、地面風(fēng)速有較好的負(fù)相關(guān)性，與相對(duì)濕度有正相關(guān)性。相對(duì)濕度增大時(shí)，地面風(fēng)速越小，則污染物越容易積聚，能見度下降。典型過(guò)程后向軌跡分析表明陜西持續(xù)性重污染過(guò)程主要是由本地污染排放和關(guān)中城市群附近近距離輸送造成的。