李 浪，白 慧，方 荻，宋 丹

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550002；3.貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加速，城市內(nèi)各種能源消耗和污染物排放加劇，我國城市大氣環(huán)境污染問題日益劇增，而大氣污染會(huì)導(dǎo)致人群呼吸系統(tǒng)疾病和心腦血管疾病的發(fā)病率增加，對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害[1-4]。近年來，我國大氣污染已由點(diǎn)源污染擴(kuò)展到區(qū)域性污染[5]，大氣污染物主要包括：顆粒物、CO、O3、SO2、氮氧化物、重金屬等，而顆粒物污染已成為我國環(huán)境空氣質(zhì)量的重要污染物[6-7]。目前，在大氣環(huán)境問題頻發(fā)及公眾環(huán)保意識(shí)快速提高的背景下，大氣污染的研究受到了越來越多的關(guān)注。

研究表明污染天氣過程的形成主要有污染源排放和氣象因素這兩方面的原因。相關(guān)研究表明，在污染物源相對(duì)恒定的情況下，天氣形勢和氣象條件(諸如降水、濕度、風(fēng)以及逆溫層、對(duì)流混合層高度等)對(duì)污染過程的維持和發(fā)展,大氣污染物的擴(kuò)散、稀釋和累積有決定性的作用[8-11]。就環(huán)流形勢而言，任陣海等[12]表示，當(dāng)大氣層結(jié)穩(wěn)定、低層出現(xiàn)逆溫、上層空氣濕度大于下層時(shí)，易造成污染物的累積；王珊等[13]發(fā)現(xiàn)，低的混合層厚度下空氣上下的對(duì)流運(yùn)動(dòng)受阻，導(dǎo)致大氣湍流運(yùn)動(dòng)減弱，污染物輸送、稀釋能力下降；蔣婉婷等[14]對(duì)2014—2016年四川盆地大氣污染的研究表明，冬季700～600 hPa附近易出現(xiàn)逆溫，500 hPa高空環(huán)流形勢為緯向環(huán)流型和槽后型，850 hPa高空附近氣壓梯度小，大氣趨于穩(wěn)定，污染物不易擴(kuò)散。楊旭等[15]強(qiáng)調(diào)，冬季高濕條件有利于氣溶膠吸濕增長及污染物的聚集和二次轉(zhuǎn)化，使大氣污染加重；劉佳等[16]對(duì)西南地區(qū)多年不同強(qiáng)度霾日的研究分析發(fā)現(xiàn)，500 hPa高度場上，春、夏季歐亞中高緯呈兩槽一脊環(huán)流形勢，印緬槽較強(qiáng)，云貴高原處于副熱帶高壓底部東南氣流中，大氣層為“上冷下暖”，有利于降水和污染物擴(kuò)散，而秋、冬季以緯向環(huán)流為主，經(jīng)向環(huán)流較弱，青藏高原以東為“上暖下冷”的逆溫層結(jié)，不利于污染物水平擴(kuò)散。總體而言，對(duì)污染過程的天氣特征分析及其形成機(jī)制的研究，為大氣污染防治工作的開展提供了相應(yīng)科學(xué)支撐。

目前有關(guān)大氣污染的研究多集中在京津冀、長三角、珠三角、成渝、中原腹地等地區(qū)[17-19]，而在貴州地區(qū)相關(guān)研究較少，主要側(cè)重于分析污染物的時(shí)空特征。早期趙彩等[20]使用三維地形跟蹤坐標(biāo)系上的動(dòng)力學(xué)流場模式和平流擴(kuò)散方程濃度場模式，對(duì)貴陽市冬季嚴(yán)重的SO2污染的環(huán)流特征和濃度分布進(jìn)行了模擬；相關(guān)研究對(duì)貴陽市白天和夜間PM10濃度與主要?dú)庀笠蜃又g的相關(guān)性[21]及冬、夏季PM10的質(zhì)量濃度分布特征、粒徑分布特征等進(jìn)行了分析探討[22]；宋丹等[23]提出了貴陽市污染環(huán)流特征概念模型，分析了空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的時(shí)空變化特征；吳戰(zhàn)平等[24]對(duì)貴陽市2013—2015年6種主要大氣污染物的時(shí)空變化特征及降水對(duì)污染物濃度變化的影響進(jìn)行了深入探討。已有的貴州空氣污染的大氣環(huán)流特征分析研究中，主要針對(duì)點(diǎn)源污染分析，其中張春輝等[25]指出，西太平洋副高西伸，貴州中部高空有下沉氣流，地面高溫、低濕和強(qiáng)日照，配合微風(fēng)靜穩(wěn)天氣，是導(dǎo)致貴陽市2016年秋季一次污染過程的重要原因；吳戰(zhàn)平等[26]強(qiáng)調(diào)，貴陽市空氣污染過程中處在靜止鋒面附近，位于南北風(fēng)輻合區(qū)及高空脊前的下沉氣流區(qū)，高層為穩(wěn)定的環(huán)流形勢，中層為較弱的對(duì)流活動(dòng)，逆溫層的發(fā)展和維持加強(qiáng)了污染物在近地面集聚。近年來，SO2、NO2、CO等污染物排放已得到很大程度的控制和緩解，影響貴州省空氣環(huán)境質(zhì)量的首要污染物已從SO2等轉(zhuǎn)變?yōu)榭晌腩w粒物[27]，其中PM2.5的占比很高[28]。因此，為緩解空氣污染對(duì)人體健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的負(fù)面影響，對(duì)貴州省開展有關(guān)區(qū)域空氣污染過程的氣象成因及大氣環(huán)流形勢分型研究具有重要意義。

1 資料和方法

1.1 資料

觀測資料：貴陽市環(huán)境監(jiān)測中心站提供的2017—2019年貴州省逐日空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)，包括貴陽、遵義、安順、都勻、凱里、銅仁、畢節(jié)、六盤水、興義站。

再分析資料：NCEP/NCAR提供的逐日位勢高度場、U-V風(fēng)場、垂直速度場和溫度場的再分析格點(diǎn)資料，水平分辨率均為 2.5°× 2.5°，垂直分辨率為17層。

氣候態(tài)時(shí)間范圍為1981—2010年。

1.2 方法

本文定義貴州省空氣污染過程為：同時(shí)2站及以上滿足AQI>100(輕度及以上污染等級(jí))，持續(xù)時(shí)間在2 d(允許持續(xù)2 d后間隔1 d)及以上的時(shí)段定義為1次空氣污染過程。對(duì)9次貴州省空氣污染過程共計(jì)47個(gè)空氣污染日樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

EOF分型：對(duì)貴州省9次空氣污染過程的500 hPa高度距平場進(jìn)行EOF分解，從EOF第1模態(tài)中挑選出2次持續(xù)時(shí)間較長、污染較重的典型過程(2015年2月10—16日，2017年12月23—28日)，并對(duì)2次空氣污染過程的高空環(huán)流形勢、低空風(fēng)場、逆溫、風(fēng)切變及垂直速度等進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

表1 9次空氣污染過程統(tǒng)計(jì)

2 大氣環(huán)流特征

2.1 高空環(huán)流特征

對(duì)貴州省9次空氣污染過程發(fā)生時(shí)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其主要集中發(fā)生在冬季，1月發(fā)生的頻率最高(43%)，12月次之(32%)，11月最少(5%)(圖略)。對(duì)9次空氣污染過程發(fā)生時(shí)的500 hPa高度場和海平面氣壓場進(jìn)行合成分析，如圖1，貴州省9次空氣污染過程期間，歐亞中高緯環(huán)流主要呈兩槽一脊型，高壓脊位于貝加爾湖附近，無明顯冷空氣活動(dòng)，低壓槽分別位于烏拉爾山和東亞地區(qū)。與多年平均相比，500 hPa高度場亞洲中高緯呈西低東高，東亞地區(qū)高度場以正距平為主，東亞大槽偏弱，亞洲中高緯受緯向環(huán)流控制，經(jīng)向度較小，不利于冷空氣南下。西太平洋副熱帶高壓主體較常年偏強(qiáng)，西伸至118°E，北至22°N，位置偏西、偏北，長江以南地區(qū)受正距平控制。加之，南支槽平均位置大致位于85°E附近，距平場上呈正距平，強(qiáng)度偏弱。副熱帶大氣環(huán)流形勢均不利于來自孟加拉灣和印度洋的暖濕氣流向我國輸送，降水較常年同期偏少，不利于污染物的沉降和稀釋。近地面，我國中東部地區(qū)大多位于冷高壓前部的均壓場控制下，地面氣壓梯度較弱，風(fēng)速較小，以下沉氣流為主，利于污染物的累積。

圖1 2015—2017年貴州省9次污染天氣過程中的平均環(huán)流形勢：(a)500 hPa平均位勢高度(實(shí)線：等值線)和距平場(陰影)，單位：dagpm；(b)平均海平面氣壓場(等值線)及其距平場(陰影)，單位：hPa

2.2 溫度垂直結(jié)構(gòu)

圖2為貴州省2015—2017年9次污染過程中的溫度距平和風(fēng)速距平的時(shí)間—高度剖面圖。由圖2a可知，9次過程中除2015年1月13日和2月10日外均存在異常逆溫層，逆溫中心位于700～600 hPa之間，2015年1月4日的污染過程中逆溫層強(qiáng)度最強(qiáng)，2016年12月7—13日期間逆溫層持續(xù)時(shí)間最長。9次過程中對(duì)流層整層風(fēng)速偏小(圖2b)，負(fù)值中心位于對(duì)流層中高層。其中，2015年1月1—4日、1月19—24日、2016年12月7—13日污染過程期間存在異常逆溫，且對(duì)流層中高層風(fēng)速存在負(fù)距平中心，使得大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，是空氣污染物得以發(fā)展和維持的重要條件。

圖2 貴州省2015—2017年9次污染過程中的溫度距平(a)和風(fēng)速距平(b)的時(shí)間—高度剖面圖

3 高空環(huán)流EOF分型

3.1 EOF分型結(jié)果

對(duì)貴州省空氣污染9次過程(共47 d)的500 hPa高度距平場進(jìn)行EOF分解，前3個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率分別為29.9%、21.1%和13.3%，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到64.3%，表明前3模態(tài)占主導(dǎo)作用。從圖3a可以看出500 hPa高度距平場EOF第1模態(tài)在東亞地區(qū)的中高緯和副熱帶表現(xiàn)為南北反位相變化，正負(fù)中心值分別位于55°N、150°E和25°N、120°E，表明東亞大槽偏弱和西太平洋副熱帶高壓偏弱，即東亞中高緯經(jīng)向環(huán)流偏弱、以緯向環(huán)流為主，不利于北方冷空氣南下。從PC1可以看出(圖3b)，2015年1月13—26日、2015年2月10—16日、2017年1月1—3日等空氣污染過程中500 hPa環(huán)流形勢的分布型與EOF1較為一致。

圖3c為EOF第2模態(tài)空間分布，在歐亞中高緯地區(qū)高度距平場自西向東表現(xiàn)為負(fù)、正、負(fù)的兩槽一脊環(huán)流形勢。中心值分別位于烏拉爾山一帶、貝加爾湖東側(cè)和日本島以東，表現(xiàn)為貝加爾湖阻塞高壓偏強(qiáng)、東亞大槽偏強(qiáng)，利于加強(qiáng)東亞地區(qū)中高緯經(jīng)向環(huán)流，但位置偏東。從PC2可以看出(圖3d)，2015年2月10—16日、2015年12月26—27日、2016年12月7—13日等空氣污染過程中500 hPa環(huán)流形勢的分布型與EOF 2較為一致。

圖3e為第3模態(tài)的空間分布，歐亞中高緯500 hPa表現(xiàn)為兩槽一脊的異常形勢，呈負(fù)、正、負(fù)距平分布，中心值分別位于60°N、100°E附近、我國東三省地區(qū)和50°N、160°E一帶。副熱帶以正距平為主，表明東亞中高緯經(jīng)向環(huán)流偏弱，副熱帶南支槽活動(dòng)偏弱。EOF前3個(gè)模態(tài)主要表現(xiàn)為EOF 1的緯向環(huán)流型和EOF 2、EOF 3的兩槽一脊型，但兩槽一脊的情況有所區(qū)別，第2模態(tài)中南支槽和東亞大槽均偏強(qiáng)，但東亞大槽位置偏東，對(duì)貴州地區(qū)影響較小，南北氣流交換較弱，不利于降水形成，對(duì)空氣污染清除作用不佳。第3模態(tài)中貴州地區(qū)主要為高壓控制，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，南支槽活動(dòng)較弱，北方冷空氣入侵少，不利于污染物擴(kuò)散。

圖3 500 hPa高度距平場EOF分解的前3模態(tài)的空間場(a、c、e；陰影：距平)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b、d、f)

3.2 2次典型污染過程分析

為進(jìn)一步分析貴州省發(fā)生空氣污染時(shí)的異常大氣環(huán)流形勢，在上述9次過程中挑選了PC1中時(shí)間序列位相相反、持續(xù)時(shí)間較長，污染站數(shù)較多，污染程度較大的2次典型過程(2015年2月10—16日和2017年12月23—28日)，分別對(duì)這2次空氣污染過程的高空高度場、低空風(fēng)場、風(fēng)切變、逆溫及垂直速度進(jìn)行合成分析，對(duì)比分析討論2次過程，探索空氣污染與大氣環(huán)流形勢的關(guān)系和規(guī)律。

3.2.1 高空環(huán)流和低空風(fēng)場 由圖4a可以看出，在2015年2月10—16日這次空氣污染過程的500 hPa實(shí)況高度場中，中高緯地區(qū)大致呈現(xiàn)為兩槽一脊形勢，兩槽分別位于東亞地區(qū)和西西伯利亞一帶，高壓脊位于貝加爾湖以東，中高緯地區(qū)主要以緯向環(huán)流為主，經(jīng)向環(huán)流較弱，不利于冷空氣的南下，南支槽有較強(qiáng)波動(dòng)，東亞大槽較常年同期要略偏西偏弱，西太平洋副熱帶高壓較常年同期呈略偏弱態(tài)勢，由于南北氣流交換較弱，不太利于降水的形成。再結(jié)合850 hPa的近地面風(fēng)場分析(圖4c)，從圖中看出，在本次污染過程中，貴州主要處于南風(fēng)氣流中，在其東部和南部地區(qū)風(fēng)速較常年同期偏大，但西部和北部地區(qū)的平均風(fēng)速較常年同期偏小，結(jié)合本次污染過程也主要發(fā)生于省之北部的遵義市和西北部畢節(jié)市等地區(qū)，與實(shí)際情況相符。綜上所述，貴州北部和西北部地區(qū)高空以緯向環(huán)流為主，配合弱南支氣流活動(dòng)，南北氣流交換較弱；低空以弱南風(fēng)為主，風(fēng)速偏小，不利于污染物的擴(kuò)散。

由圖4b看出，2017年12月23—28日的污染過程的高空環(huán)流呈兩槽一脊分布型，2個(gè)低壓槽分別位于烏拉爾山一帶和東亞地區(qū)，高壓脊處于貝加爾湖以西地區(qū)，比較2015年2月10—16日的污染過程，本次過程中500 hPa中高緯高壓脊有所加強(qiáng)，東亞大槽有所加深，由于受貝加爾湖西側(cè)高壓脊控制，貴州地區(qū)空處于高壓脊前的異常下沉氣流區(qū)的正距平中，不利于污染物的垂直擴(kuò)散，副熱帶南支槽波動(dòng)較弱，加之西太副高脊線位于20°N附近,西伸脊點(diǎn)至110°E以西、總體偏北偏西偏強(qiáng)，由于副高阻擋作用，不利于北方冷空氣入侵，導(dǎo)致南北氣流交換少，不易形成大范圍降水。從850 hPa近地面風(fēng)場中看出(圖4d)，貴州地面低空整體以南風(fēng)氣流為主，風(fēng)速較常年同期略偏大，但處于風(fēng)場輻合區(qū)，利于污染物的累積。從2次空氣污染過程中高空環(huán)流和低空風(fēng)場來說，均不利于污染物的水平擴(kuò)散。但2次空氣污染過程中存在微量降水，由于少量水汽的累積，有利于污染物的吸濕凝結(jié)，對(duì)于導(dǎo)致污染物增加起到正貢獻(xiàn)，2次污染過程在微量降水前后AQI均發(fā)現(xiàn)顯著變化，最大變化值分別達(dá)49和95。

圖4 2次空氣污染過程的500 hPa平均高度場實(shí)況及氣候態(tài)分布(綠等值線：氣候態(tài)；黑等值線：實(shí)況；陰影：距平)、850 hPa平均風(fēng)場分布(陰影：距平；箭頭：風(fēng)向)(a、c：2015年2月10—16日；b、d：2017年12月23—28日)

3.2.2 逆溫、風(fēng)切變及垂直速度 對(duì)流層低空大氣逆溫層的出現(xiàn)，常常增加大氣層結(jié)的穩(wěn)定度，減弱湍流活動(dòng)，從而會(huì)阻礙大氣的垂直運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致地面污染物難以向高空擴(kuò)散，引起地面污染物的累積，污染加重。從圖5a可以看出，在2015年2月10—16日這次過程中，700 hPa氣溫距平值和850 hPa氣溫距平值之差為負(fù)值，熱力條件不利于逆溫的形成，但700 hPa風(fēng)速距平值和850 hPa風(fēng)速距平值之差為負(fù)值(中心值為-6 m/s)，低空風(fēng)垂直切變較弱，不利于污染物的垂直擴(kuò)散。而在2017年12月23—28日這次污染過程中(圖5b)，700 hPa氣溫距平值和850 hPa氣溫距平值之差在貴州地區(qū)為明顯正值，利于低空大氣逆溫層的形成，當(dāng)逆溫層出現(xiàn)時(shí)，逆溫層的“鍋蓋”效應(yīng)會(huì)抑制大氣垂直運(yùn)動(dòng)，阻礙污染物向上傳遞擴(kuò)散，同時(shí)，700 hPa風(fēng)速距平值和850hPa風(fēng)速距平值之差也為負(fù)值(中心值為-1.5 m/s)，低空風(fēng)切變較弱，亦不利于污染物的擴(kuò)散。2017年12月23—28日這次過程的逆溫和風(fēng)速條件均更利于污染物的累積，這與實(shí)際情況中2017年這次污染過程的AQI值要高于2015年2月10—16日是相符合的。進(jìn)一步分析這2次空氣污染過程的低空垂直速度(圖6)，2次污染過程中，貴州地區(qū)低空垂直速度為弱上升氣流，對(duì)于近地面的污染物向高空擴(kuò)散的作用微乎其微。從2次空氣污染過程中低空逆溫、風(fēng)切變以及垂直運(yùn)動(dòng)來說，均不利于污染物的垂直擴(kuò)散。

圖5 2次污染過程700 hPa與850 hPa之差的水平風(fēng)距平和溫度距平分布(等值線：風(fēng)速距平差；陰影：溫度距平差)

圖6 2次污染過程850 hPa的垂直速度

通過對(duì)貴州9次空氣污染過程的分析，以及對(duì)兩次典型個(gè)例過程的高低空配置、逆溫、風(fēng)切變和垂直速度的進(jìn)一步分析討論，歸納出一些貴州發(fā)生空氣污染時(shí)的天氣概念模型，高空環(huán)流形勢主要分為兩槽一脊型和緯向環(huán)流型。兩槽一脊形勢下，貴州主要受高壓脊底部的下沉氣流控制，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散；在緯向環(huán)流型下，中高緯地區(qū)主要以緯向環(huán)流為主，冷空氣入侵較少，由于南北氣流交換較弱，降水條件不佳，亦不利于污染物的消散；結(jié)合低空風(fēng)場來看，貴州發(fā)生空氣污染時(shí)，低層主要以偏南風(fēng)為主，貴州地區(qū)風(fēng)速偏小或處于風(fēng)輻合區(qū)，均不利于污染物的水平擴(kuò)散；另外，發(fā)生空氣污染時(shí)，常有逆溫層的出現(xiàn)，并且低層風(fēng)垂直切變較弱，低空垂直速度表現(xiàn)為弱上升氣流，以上條件也不利于污染物的垂直擴(kuò)散。綜上可知，貴州發(fā)生空氣污染時(shí)，從水平、垂直方向都不利于污染物的擴(kuò)散，也無有利降水條件對(duì)污染物進(jìn)行稀釋清除。

從2次空氣污染典型個(gè)例的分析中發(fā)現(xiàn)，2次污染過程在動(dòng)力條件和熱力條件上有所差別，在2015年2月10—16日這次空氣污染過程中，從熱力條件來看，并不利于逆溫的形成，但在動(dòng)力條件上，無論是低空風(fēng)場、風(fēng)切變和低空垂直速度均是利于污染物的累積。而在2017年12月23—28日這次過程中，熱力條件利于形成逆溫，從動(dòng)力條件來看，近地面風(fēng)場處于風(fēng)輻合區(qū)，低空風(fēng)垂直切變?nèi)?，?duì)流上升運(yùn)動(dòng)較弱，均利于污染物的累積。此外，在2次空氣污染過程中均存在微量降水，由于少量水汽的累積，有利于污染物的吸濕凝結(jié)，在微量降水前后對(duì)污染物的增加均是正貢獻(xiàn)。但實(shí)際情況中，第2次空氣污染程度比第1次要嚴(yán)重，因?yàn)榈?次過程的熱力條件和動(dòng)力條件均利于低空大氣層結(jié)穩(wěn)定維持，對(duì)污染物的累積均是正貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

①貴州發(fā)生空氣污染過程時(shí)，500 hPa大氣環(huán)流主要分為緯向環(huán)流型和兩槽一脊型。緯向環(huán)流型下，中高緯地區(qū)經(jīng)向環(huán)流較弱，北方冷空氣入侵較少，副熱帶地區(qū)南支槽波動(dòng)較弱，不利于南北氣流交換和降水形成，在貴州上空易形成靜穩(wěn)天氣；在兩槽一脊型下，兩低壓槽分別位于東亞地區(qū)和烏拉爾山一帶，高壓脊位于貝加爾湖附近，貴州省處于高壓脊底部，受高空下沉氣流控制，易于貴州上空大氣層結(jié)穩(wěn)定。2種天氣形勢均不利于污染物的擴(kuò)散。

②在2次空氣污染典型個(gè)例過程中，風(fēng)場在水平輸送和垂直輸送上均不利于污染物的擴(kuò)散。在水平方向上，地面風(fēng)場均處于風(fēng)速輻合區(qū)，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，利于污染物的累積；在垂直方向上，低層風(fēng)垂直切變?nèi)?，?duì)流上升運(yùn)動(dòng)較弱，也不利于污染物向上擴(kuò)散。

③從熱力條件和動(dòng)力條件上來看，2次典型個(gè)例過程中，第1次空氣污染過程中熱力條件雖然不利于逆溫形成，但動(dòng)力條件在這次過程中正貢獻(xiàn)很大，對(duì)污染物累積占主導(dǎo)作用。第2次空氣污染過程中，熱力條件和動(dòng)力條件均不利于污染物的擴(kuò)散，對(duì)本次污染過程中污染物累積均是正貢獻(xiàn)。