張向榮，喬丹楊

(1. 閻良區(qū)氣象局，西安 710089；2. 咸陽(yáng)市氣象局，陜西咸陽(yáng) 712000)

近年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)升級(jí)，大氣污染已成為日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。有研究表明，厄爾尼諾可能會(huì)通過(guò)影響冬季氣候從而使我國(guó)氣溶膠濃度偏高，重度霾日增多[1]。吳兌等[2]對(duì)1951—2005年中國(guó)大陸霾的時(shí)空變化研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)霾分布主要集中在遼寧中部、四川盆地、華北平原和關(guān)中平原等地區(qū)，城市霾日排名西安處于全國(guó)第五位。關(guān)中平原特殊的“喇叭口”地形易造成關(guān)中地區(qū)大氣污染物的聚集。此外，關(guān)中處于暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)氣候區(qū)，特點(diǎn)為年平均降水量較少，冬季逆溫層深厚，也易導(dǎo)致嚴(yán)重的大氣污染[3]。黃鑫等[4]對(duì)冬季陜西的霾日數(shù)研究表明，關(guān)中地區(qū)霾日數(shù)平均每年大于18 d，并且在2013年后出現(xiàn)了明顯的增多。王紅軍等[5]對(duì)關(guān)中地區(qū)大氣污染物的特征研究表明，西安中度以上污染日數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)。而江泉等[6]研究表明在氣候變化影響下，關(guān)中地區(qū)的大氣擴(kuò)散潛勢(shì)在朝利于擴(kuò)散的方向發(fā)展。吉慶等[7]研究表明，關(guān)中渭南地區(qū)冬季重污染天氣過(guò)程500 hPa環(huán)流形勢(shì)為弱脊前底部，而近地面偏北氣流的加強(qiáng)有利于空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。Wehner等[8]研究表明，大氣顆粒污染物質(zhì)量濃度受風(fēng)、濕度、降水和大氣穩(wěn)定度等氣象因素影響。

西安地處關(guān)中平原，受關(guān)中喇叭口地形影響，污染物更易聚集，冬季霾日數(shù)多，研究該地持續(xù)性重污染天氣的成因及污染輸送特征，對(duì)本地重污染天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警和服務(wù)有重要意義。2019年冬季為暖冬，西安地區(qū)日平均氣溫較往年偏高2.6 ℃，降水較往年偏少四成，2019年秋冬季西安地區(qū)污染日數(shù)達(dá)68 d。本研究選取2020年1月21—26日西安一次持續(xù)性重污染過(guò)程進(jìn)行環(huán)流背景、風(fēng)等氣象要素及輸送特征分析，探討西安地區(qū)重污染天氣形成機(jī)制，為持續(xù)性重污染天氣預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

1 資料與研究方法

1.1 資料來(lái)源

資料為中國(guó)環(huán)境檢測(cè)總站的全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)的環(huán)境數(shù)據(jù)，西安氣象自動(dòng)站逐時(shí)實(shí)況資料，包括24 h變壓、2 m氣溫、相對(duì)濕度與風(fēng)向風(fēng)速等要素?cái)?shù)據(jù)，西安站每日08時(shí)和20時(shí)探空數(shù)據(jù)，NCEP逐6小時(shí)2.5°×2.5°再分析資料以及GDAS 1°×1°數(shù)據(jù)等。

1.2 后向軌跡模型

使用HYSPLIT-4后向軌跡模型進(jìn)行氣團(tuán)軌跡分析。HYSPLIT-4模型是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(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)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物在各個(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究中[9-13]。將GDAS資料作為模式初始場(chǎng)，以西安(34°N、109°E)為后向軌跡終點(diǎn)，起始高度100 m、500 m和1 500 m，軌跡時(shí)長(zhǎng)72 h進(jìn)行氣團(tuán)軌跡分析。

2 重污染過(guò)程實(shí)況

受高空傳輸和本地污染影響，2020年1月21—26日西安地區(qū)出現(xiàn)一次持續(xù)性重污染過(guò)程，污染持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，污染物質(zhì)量濃度高。圖1為2020年1月20日00時(shí)—27日00時(shí)(北京時(shí))西安市AQI、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度逐小時(shí)變化，可以看出重污染過(guò)程期間PM2.5和PM10質(zhì)量濃度趨勢(shì)一致，表明重度污染期間細(xì)顆粒物PM2.5是PM10主要成分。22日05時(shí)—26日10時(shí)重度污染期間，污染物質(zhì)量濃度均大于146 μg/m3，顯著偏高，PM2.5在24日01時(shí)達(dá)到最大值269 μg/m3，PM10在24日00時(shí)達(dá)到最大值270 μg/m3，分別超過(guò)了平均質(zhì)量濃度150 μg/m3和162 μg/m3。在23日21時(shí)—24日04時(shí)、25日11時(shí)—14時(shí)與25日23時(shí)—26日05時(shí)期間AQI均超過(guò)300，達(dá)到嚴(yán)重污染標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 2020-01-20—27西安空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)與PM2.5、PM10質(zhì)量濃度(單位為μg/m3)的時(shí)間變化

3 重污染天氣氣象條件

3.1 天氣形勢(shì)

500 hPa天氣圖上，21日08時(shí)中高緯地區(qū)以緯向環(huán)流為主(圖2a)，陜西中北部為偏西氣流控制，等溫線與等高線平行，西安上空無(wú)明顯的冷平流。850 hPa有暖平流，有利于逆溫形成。該環(huán)流形勢(shì)一直維持至24日，大氣層結(jié)穩(wěn)定，大氣污染物不斷累積，24日00時(shí)顆粒污染物質(zhì)量濃度出現(xiàn)了此次重污染過(guò)程的第一次峰值。24日20時(shí)500 hPa上有南支槽活動(dòng)(圖2b)，西安上空處于槽前西南氣流中。25日20時(shí)，南支槽和北支槽合并加深(圖2c)，配合冷舌東移至西安上空，環(huán)流徑向度加大。25日22時(shí)西安地區(qū)出現(xiàn)0.1 mm的微量降水，有利于污染物中氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng)，從而污染加重，因此在26日08時(shí)顆粒污染物質(zhì)量濃度出現(xiàn)第二次峰值。

圖2 2020年1月500 hPa高度場(chǎng)(實(shí)線，單位為dagpm)與溫度場(chǎng)(虛線，單位為℃)疊加圖(a 21日08時(shí)，b 24日20時(shí)，c 25日20時(shí)，d 26日08時(shí)；★為西安所在位置)

地面圖上，21日08時(shí)起西安地區(qū)處于暖倒槽中(圖3a)，地面風(fēng)速較弱，天氣形勢(shì)靜穩(wěn)，有利于出現(xiàn)重污染天氣。23日08時(shí)(圖3b)，蒙古冷高壓分裂攜帶冷空氣南下，地面為偏東風(fēng)，平均最大風(fēng)速1.9 m/s，利于東部河南、山西一帶顆粒污染物向關(guān)中地區(qū)輸送。從PM2.5污染物質(zhì)量濃度來(lái)看，河南、山西輕度污染出現(xiàn)時(shí)段比西安早2～3 h，表明污染過(guò)程前期主要是由弱偏東風(fēng)的污染輸送導(dǎo)致，同時(shí)，關(guān)中的向東喇叭口地形阻礙了污染物的擴(kuò)散，使污染物在關(guān)中平原持續(xù)堆積。23日20時(shí)(圖3c)，冷空氣進(jìn)一步擴(kuò)散南下，西安依舊處于高壓外圍弱偏東氣流中，該形勢(shì)穩(wěn)定維持至25日，污染物持續(xù)累積。25日20時(shí)(圖3d)，冷空氣減弱，地面倒槽發(fā)展，東西向氣壓梯度增大，26日08時(shí)西安地面平均最大風(fēng)速達(dá)4.0 m/s，出現(xiàn)了持續(xù)約18 h，風(fēng)速≥3.0 m/s的偏東風(fēng)，較大風(fēng)速加強(qiáng)了邊界層內(nèi)的湍流擴(kuò)散，顆粒污染物質(zhì)量濃度迅速下降。

圖3 2020年1月海平面氣壓場(chǎng)(單位為hPa；a 21日08時(shí)，b 23日08時(shí)，c 23日20時(shí)，d 25日20時(shí))(★為西安所在位置)

3.2 層結(jié)穩(wěn)定度

20日08時(shí)，西安地區(qū)大氣層結(jié)穩(wěn)定，925 hPa以下存在明顯的逆溫(圖4a)，且逆溫接地。逆溫層穩(wěn)定維持至23日08時(shí)，且高度始終處于850 hPa以下，大氣靜穩(wěn)，相對(duì)濕度由69%增加到79%，有利于污染物吸濕增長(zhǎng)，顆粒污染物質(zhì)量濃度逐漸升高。22—26日污染期間，西安近地面(850 hPa以下)風(fēng)速<4 m/s。23—25日嚴(yán)重污染期間，近地面風(fēng)速<2 m/s，風(fēng)速弱，風(fēng)向以偏東風(fēng)為主，弱偏東風(fēng)使污染物更易在關(guān)中平原聚集。同時(shí)，中低層垂直風(fēng)切變較弱，大氣垂直交換能力差，不利于污染物對(duì)流擴(kuò)散。26日08時(shí)，逆溫層消失，近地面風(fēng)速加強(qiáng)至9 m/s，對(duì)污染物起到明顯清除作用。

圖4 2020-01-20T08(a)、2020-01-22T08(b)西安探空曲線

3.3 近地面氣象要素

對(duì)污染期間24 h變壓、2 m氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)與AQI進(jìn)行相關(guān)分析。24 h變壓和AQI呈正相關(guān)性(圖5a)，在20日00時(shí)—24日00時(shí)污染物積累期間，24 h變壓與AQI呈一致上升趨勢(shì)，且以正變壓為主。24日00時(shí)開(kāi)始24 h變壓逐漸減小，25日08時(shí)出現(xiàn)負(fù)變壓，26日00時(shí)24 h負(fù)變壓為-4.4 hPa，此時(shí)AQI開(kāi)始顯著下降。以6 h時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算得到24 h 變壓和污染物質(zhì)量濃度的Pearson超前相關(guān)系數(shù)為0.636，表明24 h變壓呈與污染物質(zhì)量濃度的顯著超前6 h正相關(guān)；因此24 h變壓的變化可以作為預(yù)報(bào)污染物質(zhì)量濃度變化的指標(biāo)之一。

從圖5b可以看出，前期(20—22日)2 m氣溫有明顯的日變化，在地面暖倒槽控制下，日最高氣溫達(dá)8 ℃左右。23日08時(shí)開(kāi)始，氣溫呈下降態(tài)勢(shì)，而最低氣溫明顯高于前期，日變化幅度較小，平均氣溫為3.7 ℃。24日08時(shí)—26日20時(shí)重度污染期間，氣溫與AQI呈現(xiàn)一定相關(guān)性，隨著氣溫的日變化，AQI也呈現(xiàn)出日變化的特征，計(jì)算得到2 m氣溫和污染物質(zhì)量濃度的Pearson同步相關(guān)系數(shù)為-0.153，表明氣溫變化和污染物質(zhì)量濃度變化呈一定的同期反相關(guān)。

圖5 2020-01-20—27西安空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)與24 h變壓(a)和2 m氣溫(b)的時(shí)間變化

21—26日重污染過(guò)程期間，西安地區(qū)平均相對(duì)濕度為84%，其中84%的時(shí)段相對(duì)濕度達(dá)到70%以上，57%的時(shí)段相對(duì)濕度達(dá)到80%以上，僅8%的時(shí)段相對(duì)濕度低于60%，說(shuō)明重污染期間有超過(guò)一半的時(shí)間為高濕狀態(tài)。已有的研究表明，高濕條件下污染物粒子吸濕增長(zhǎng)，同時(shí)產(chǎn)生非均相反應(yīng)，生成更多氣溶膠，使污染加重[14]。

西安單站風(fēng)玫瑰圖(圖6a)顯示，21—26日期間高頻風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，其次為偏東風(fēng)和南風(fēng)，其他風(fēng)向頻率較少，且整個(gè)過(guò)程中2 min平均風(fēng)速小于2 m/s，不利于污染物擴(kuò)散。同時(shí)弱風(fēng)速有利于污染物在充足的時(shí)間進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化，從而污染物加強(qiáng)并持續(xù)。從地面風(fēng)速與AQI疊加分布圖(圖6b)可以看出，地面風(fēng)速介于0.5～1.0 m/s之間時(shí)，除北西北風(fēng)外，其他風(fēng)向的AQI普遍較高，達(dá)200以上，最大達(dá)到250以上。當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速為1.5 m/s左右時(shí)，西北風(fēng)、東北風(fēng)、偏南風(fēng)風(fēng)向下的AQI也達(dá)250以上。雖然偏東風(fēng)頻率次于西北風(fēng)，但在東東北風(fēng)向下AQI達(dá)到了最大(300以上)，表明偏東風(fēng)對(duì)污染物的積累起到了重要作用。整體而言，地面風(fēng)速較小，不利于污染物向區(qū)域以外平流輸送，污染物易在大氣低層聚集。

圖6 2020-01-21—26西安重污染過(guò)程地面風(fēng)玫瑰圖(a)以及地面風(fēng)速(實(shí)線)與AQI分布(填色)圖(b)(圈線為風(fēng)向頻率)

4 大氣重污染傳輸特征

使用HYSPLIT模式進(jìn)行西安72 h氣團(tuán)100 m、500 m和1 500 m高度的后向軌跡分析(圖7)。24日08時(shí)，100 m上氣團(tuán)從偏北方向向本地輸送，并在南移過(guò)程中打轉(zhuǎn)、拐彎，其軌跡長(zhǎng)度短，氣團(tuán)移速慢；500 m上氣團(tuán)軌跡傳輸距離較長(zhǎng)，主要來(lái)自偏北方向；1 500 m上氣團(tuán)先由西路到達(dá)河南一帶，再通過(guò)向西傳輸至西安地區(qū)。25日08時(shí)，近地層100 m上氣團(tuán)來(lái)自偏北方向，500 m和1 500 m上氣團(tuán)來(lái)自偏東方向。26日08時(shí)，三層氣流均來(lái)自偏東方向。綜合來(lái)看，72 h氣團(tuán)主要方向?yàn)樽詵|向西，此次污染過(guò)程的輸入污染主要來(lái)自于河北、山西與河南一帶。

圖7 2020-01-24—26的100 m(紅線)、500 m(藍(lán)線)和1 500 m(綠線)高度72 h后向軌跡(★為西安所在位置)

5 結(jié)論

(1)500 hPa中高緯地區(qū)以緯向環(huán)流為主，850 hPa有暖平流，地面弱氣壓場(chǎng)是大氣污染前期的典型天氣形勢(shì)。中高層大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài)，暖平流利于形成暖空氣蓋和逆溫層，使得底層大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，地面風(fēng)場(chǎng)較弱，不利于污染物向區(qū)域以外平流輸送，污染物更易在近地面層聚集，造成污染物質(zhì)量濃度迅速攀升。

(2)在整個(gè)污染期間，24 h變壓和污染物質(zhì)量濃度存在6 h的顯著超前正相關(guān)，24 h變壓的變化可以作為預(yù)報(bào)污染物質(zhì)量濃度變化的指標(biāo)之一。2 m氣溫和污染物質(zhì)量濃度呈現(xiàn)一定的同期反相關(guān)，低氣溫不利于污染物的擴(kuò)散。高濕條件下，污染物粒子的吸濕增長(zhǎng)作用使污染程度加重。前期弱的偏東風(fēng)對(duì)污染物增長(zhǎng)起到了上游輸送作用，污染后期較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)偏東風(fēng)的增強(qiáng)加強(qiáng)了邊界層內(nèi)湍流交換，利于污染物的擴(kuò)散。

(3)此次重污染過(guò)程的輸入污染主要來(lái)自河北、山西與河南一帶，自東向西向關(guān)中平原地區(qū)輸送污染物顆粒。