屈麗瑋，趙 強(qiáng)，馬曉華，李萍云，劉嘉慧敏，潘留杰，劉 慧

（陜西省氣象臺(tái)，陜西 西安 710015）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大氣污染對(duì)城市環(huán)境和公眾健康構(gòu)成較大威脅，引起眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，并針對(duì)京津冀、長三角、珠三角的污染特征開展了大量研究[1-8]，結(jié)果表明重污染天氣形成和維持取決于污染物排放強(qiáng)度，并與天氣形勢(shì)、局地氣象條件、大氣邊界層特征及特殊地形等密不可分。天氣尺度時(shí)間內(nèi)，污染排放源一般相對(duì)穩(wěn)定，重污染過程的出現(xiàn)與當(dāng)?shù)貧庀髼l件密切相關(guān)，污染特征取決于大氣輸送擴(kuò)散條件，天氣系統(tǒng)的演變對(duì)大氣擴(kuò)散條件的預(yù)報(bào)有重要意義[9]。結(jié)合大氣環(huán)流的區(qū)域污染輸送及清除機(jī)制的研究，在環(huán)境和氣象科學(xué)領(lǐng)域都具有重要意義。廖曉農(nóng)等[10]認(rèn)為冷鋒勢(shì)力較弱且不能影響到地面，致使地面弱風(fēng)場(chǎng)維持是冷空氣條件下霧霾持續(xù)的主要原因。Chen等[11]研究表明我國北方地區(qū)秋冬季的空氣質(zhì)量與天氣類型密切相關(guān)，氣壓梯度較大的天氣系統(tǒng)過境有利于污染清除。李霞等[12]研究表明，一些重大污染事件的形成與特殊地形有密切關(guān)系。復(fù)雜地形下墊面的非均勻性，對(duì)污染物的擴(kuò)散傳輸影響很大。

西安市位于陜西關(guān)中盆地中部，關(guān)中盆地位于汾渭平原西部，西起寶雞，東至潼關(guān)，北靠黃土高原南緣，南依秦嶺山脈北坡，是三面環(huán)山向東敞開的河谷盆地，呈喇叭口形狀，不利于污染物的擴(kuò)散清除。針對(duì)西安市和關(guān)中盆地重污染天氣，研究主要側(cè)重于污染物氣候特征[13-17]，及污染生成時(shí)的氣象條件[18-20]，但對(duì)污染清除的氣象條件研究不夠深入。本文對(duì)2019年1月發(fā)生在西安市的一次持續(xù)重污染過程的氣象條件進(jìn)行研究，對(duì)過程中兩次污染清除階段進(jìn)行重點(diǎn)分析，探究冷鋒活動(dòng)、風(fēng)場(chǎng)和地形相互作用對(duì)西安市污染物的輸送和清除作用，為空氣污染氣象條件預(yù)報(bào)提供思路和參考。

1 資料與方法

PM2.5濃度和AQI（Air Quality Index，空氣質(zhì)量指數(shù)）數(shù)據(jù)來源于國家環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，市小時(shí)值由13個(gè)國控站平均獲得，市日值由24個(gè)時(shí)次的市小時(shí)值平均獲得。同時(shí)段的逐時(shí)氣象觀測(cè)資料，包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、能見度等地面氣象要素及位勢(shì)高度場(chǎng)、海平面氣壓來源于國家氣象站和加密觀測(cè)站。其中地面氣象觀測(cè)資料時(shí)間間隔為1 h，高空觀測(cè)資料為每日08、20兩個(gè)時(shí)次。研究時(shí)段為2019年1月1—15日。本研究將空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）作為大氣污染程度的度量指標(biāo)，AQI為無量綱量，其等級(jí)分為：優(yōu)（0≤AQI≤50）、良（51≤AQI≤100）、輕度污染（101≤AQI≤150）、中度污染（151≤AQI≤200）、重度污染（201≤AQI≤300）、嚴(yán)重污染（AQI＞300）。

微波輻射計(jì)資料來源于布設(shè)在西安市涇河國家基準(zhǔn)站的地基多通道微波輻射計(jì)，由中國兵器工業(yè)集團(tuán)北方天穹信息技術(shù)（西安）有限公司研制（型號(hào)：MWP967KV），亮溫分辨率≤0.2 K，探測(cè)范圍為地表到頂空10.0 km，垂直方向上廓線劃分為58層，分辨率分別為50 m（0.5 km以下）、100 m（0.5～2.0 km）、250 m（2.0～10.0 km），通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演頂空大氣溫度、濕度、云水分布及水汽、液態(tài)水含量等多種大氣參數(shù)。

2 污染過程演變特征

2019年1月1—15日，西安市出現(xiàn)了一次持續(xù)重污染天氣過程。從圖1可知，1日AQI平均值＞200，西安達(dá)到重度污染，之后PM2.5與PM10質(zhì)量濃度快速累積上升。3日PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)到290μg·m-3，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI為340，屬嚴(yán)重污染。4—5日有所回落，PM2.5降至204μg·m-3，仍屬于重度污染。6日再次攀升至296μg·m-3，同時(shí)AQI達(dá)347，超過3日的高值，為此次過程的峰值。7日明顯回落，8日平均PM2.5為100μg·m-3，AQI為132，屬輕度污染，此段污染過程基本結(jié)束。1—8日定義為階段一。9日AQI緩慢上升，10日AQI突破200，13日AQI達(dá)287，為此階段的峰值，14日明顯回落，15日空氣質(zhì)量恢復(fù)至良。9—15日定義為階段二。2個(gè)階段PM2.5與PM10質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本一致。從PM2.5/PM10的值看出，污染物濃度較高時(shí)，兩者比值均在0.8以上，說明重污染期間的主要污染物是以PM2.5為主的細(xì)顆粒物。AQI變化趨勢(shì)能基本反映污染物濃度變化趨勢(shì)，本文以AQI作為反映污染嚴(yán)重程度的指標(biāo)，對(duì)這2個(gè)階段的演變和清除過程進(jìn)行對(duì)比分析，并探討空氣質(zhì)量發(fā)生如此變化的原因，氣象條件如何影響，以期對(duì)影響此類重污染天氣的氣象條件預(yù)報(bào)提供參考。

圖1 2019年1月1—15日西安AQI、PM2.5、PM10及PM2.5/PM10逐日變化曲線

3 背景環(huán)流分析

1—2日，500 hPa歐亞高緯度為寬廣低值區(qū)，鋒區(qū)偏北，冷空氣位于貝加爾湖以西，中緯度維持平直西風(fēng)氣流，河套地區(qū)無明顯冷空氣活動(dòng)。地面維持均壓場(chǎng)形勢(shì)，地面緩慢增溫。3日500 hPa貝加爾湖西側(cè)低渦向東南移動(dòng)，中緯度青海東部有高原槽發(fā)展并向東移至陜西關(guān)中，850 hPa關(guān)中地區(qū)有切變線存在，西南氣流發(fā)展，冷暖氣流匯合，3日下午至夜間在關(guān)中西部寶雞和咸陽產(chǎn)生弱降雪，3日白天受偏南氣流發(fā)展影響，低層濕度增加，有利于污染物吸濕增長，日平均AQI突破300，達(dá)到嚴(yán)重污染。4日短波槽移過陜西，850 hPa關(guān)中為-12℃的冷中心，地面弱冷空氣對(duì)污染物起到一定的清除作用，西安4日10—20時(shí)逐小時(shí)AQI呈下降趨勢(shì)，但冷空氣較弱，AQI僅從344降至246。5日受槽后西北氣流影響，地面有弱冷空氣活動(dòng)，西安市AQI平均值降至252，仍為重度污染。6日500 hPa中緯度氣流較平直，地面受熱低壓北部低壓倒槽控制，濕度升高，關(guān)中盆地平均相對(duì)濕度為60%～80%，有利于霾的生成。西安市日均AQI飆升至過程最高值347，達(dá)嚴(yán)重污染。7—8日500 hPa蒙古橫槽東移南下，受其影響，7日地面冷高壓向東南擴(kuò)散，冷空氣南下，7日08時(shí)地面氣壓場(chǎng)上1 035 hPa線壓至關(guān)中以北，且四川西北部有低壓倒槽發(fā)展，中心氣壓為1 010.5 hPa，造成甘肅東部至關(guān)中西部一帶氣壓梯度增大，10緯距變壓為30 hPa，地面風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)，關(guān)中近地面風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，霾開始清除，AQI下降，日平均值為231。8日冷鋒繼續(xù)向南移動(dòng)，08時(shí)貝加爾湖西側(cè)高壓分裂出1 050 hPa的高壓，其中心位于蒙古國中部，14時(shí)冷高壓移至內(nèi)蒙古中部河北以北一帶，中心氣壓為1 042.5 hPa。地面氣壓場(chǎng)轉(zhuǎn)為經(jīng)向型。8日AQI平均值為132，降至輕度污染。

9—13日500 hPa中緯度氣流較平直，地面維持均壓場(chǎng)形勢(shì)，AQI逐漸升高，10日關(guān)中盆地AQI為202，達(dá)到重度污染。13日500 hPa上貝加爾湖以北的冷渦向東移動(dòng)，引導(dǎo)冷槽向東移動(dòng)，13日平均AQI為246，達(dá)到階段二的峰值。14—15日貝加爾湖冷渦加強(qiáng)并南移，引導(dǎo)東亞大槽東移南下。14日08時(shí)地面冷高壓中心氣壓升高至1 072.5 hPa，冷鋒引導(dǎo)冷空氣南下，地面偏北風(fēng)加強(qiáng)，霾開始清除；14日夜間，冷空氣勢(shì)力強(qiáng)大，繼續(xù)向華北平原入侵。15日華北冷高壓加強(qiáng)，陜西關(guān)中地面風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，15日凌晨西安AQI再次下降。15日平均AQI降至65，空氣質(zhì)量達(dá)到良。

對(duì)比兩個(gè)污染清除階段的形勢(shì)場(chǎng)，從500 hPa高空槽的演變可知，1—5日中緯度為緯向環(huán)流，有高原槽東移，有利于污染物在低層的積聚。7—8日高緯度烏拉爾山高壓脊緩慢東移，脊前橫槽位于貝加爾湖以南地區(qū)，7日橫槽轉(zhuǎn)豎，冷空氣擴(kuò)散南下，西安AQI迅速下降。9—13日中緯度維持平直西風(fēng)氣流，14日高緯度低渦中心為496 hPa，位于70°N以北，東亞大槽東移南下，為河套及下游持續(xù)輸送冷空氣，地面冷高壓維持在貝加爾湖西南側(cè)，且不斷有冷空氣補(bǔ)充南下，使得14—15日空氣質(zhì)量等級(jí)為良的水平。從地面冷高壓（圖2a）位置和強(qiáng)度來看，1月7日14時(shí)貝加爾湖西側(cè)地面冷高壓中心為1 062.5hPa，四川有熱低壓發(fā)展，中心強(qiáng)度為1010hPa，兩者差值為52.5 hPa。地面氣壓場(chǎng)上沿河套西部有一低壓槽。14日14時(shí)（圖2b）地面圖上貝加爾湖西側(cè)地面冷高壓中心為1 065 hPa，四川低壓中心為1 002.5 hPa，兩者差值為62.5 hPa。說明14日地面冷空氣強(qiáng)度較7日更強(qiáng)，更有利于污染物擴(kuò)散和稀釋。

圖2 2019年1月7日14時(shí)（a）、14日14時(shí)（b）海平面氣壓場(chǎng)

4 精細(xì)化探測(cè)資料分析

4.1 相對(duì)濕度和風(fēng)的變化特征

氣象因素通過影響顆粒物的累積、稀釋、化學(xué)轉(zhuǎn)化等方式來影響大氣氣溶膠的形成和發(fā)展。通常，在相對(duì)濕度較大和風(fēng)速較低等不利于污染物擴(kuò)散、稀釋的靜穩(wěn)天氣條件下，污染物濃度不斷累積；當(dāng)有明顯冷空氣或降水影響時(shí)，有利于污染物的擴(kuò)散稀釋作用，污染物濃度迅速降低[21]。使用加密氣象站1 h相對(duì)濕度、平均風(fēng)、能見度等高分辨率精細(xì)化探測(cè)資料（圖3），對(duì)2019年1月7—8日和14—15日的污染清除階段進(jìn)行精細(xì)化分析，以探究污染清除的不同路徑和機(jī)制。

1月7日，隨著地面冷高壓南下，風(fēng)速逐漸增大（圖3a，3c），10時(shí)風(fēng)速增至3.1 m/s，并維持高值至15時(shí)，同時(shí)相對(duì)濕度驟降，15時(shí)達(dá)到最小值22%，此時(shí)段AQI快速下降，19時(shí)下降至83。此后風(fēng)速逐漸下降，為1～2.6 m/s，且為西偏南風(fēng)；相對(duì)濕度緩慢上升，AQI也略有回升，維持在100左右。

由14—15日的最大風(fēng)速、風(fēng)向、AQI和相對(duì)濕度變化關(guān)系（圖3b，3d）可知，14日隨冷空氣擴(kuò)散南下，西安風(fēng)速開始增大，10時(shí)增至3 m/s，為偏西風(fēng)；19時(shí)風(fēng)速維持在3 m/s以上，同時(shí)AQI開始下降；20時(shí)西安AQI降至158，為這一階段的最小值。21—02時(shí)維持1.5 m/s左右的較小風(fēng)速，風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，西安市以東的污染物向西輸送，西安AQI表現(xiàn)為緩慢回升趨勢(shì)。常爐予等[22]對(duì)上海地區(qū)的研究也得到類似結(jié)論，弱冷空氣改善局地?cái)U(kuò)散條件的同時(shí)也產(chǎn)生了明顯的周邊污染物輸送。15日03時(shí)，冷高壓加強(qiáng)并向東擴(kuò)散，陜西關(guān)中地區(qū)氣壓場(chǎng)調(diào)整為經(jīng)向型，東西向氣壓梯度增大，偏東風(fēng)開始增強(qiáng)，受東路冷空氣影響，西安涇河風(fēng)速增至2.4 m/s；06—08時(shí)迅速增至3 m/s以上，為偏東風(fēng)，污染物逐漸清除，AQI再次下降；07時(shí)污染等級(jí)為良，污染得到有效清除。

圖3 2019年1月7—8日最大風(fēng)速、風(fēng)向（a）和相對(duì)濕度、AQI（c），1月14—15日最大風(fēng)速、風(fēng)向（b）和相對(duì)濕度、AQI（d）的時(shí)間序列

相對(duì)濕度與AQI變化趨勢(shì)一致，也表現(xiàn)為“下降—上升—下降”的趨勢(shì)。冷空氣南下往往會(huì)打破前期靜穩(wěn)天氣形勢(shì)，但不同路徑和強(qiáng)度冷空氣對(duì)污染物清除作用也各不相同[22]。冷空氣擴(kuò)散的快慢對(duì)污染的作用很不同，較緩慢的冷空氣擴(kuò)散場(chǎng)可造成輸入性污染，并配合鋒面穩(wěn)定層結(jié)造成污染加重，而快速南下的冷空氣配合冷鋒大風(fēng)可對(duì)污染起到良好的清除作用。冷空氣移動(dòng)路徑、位置、強(qiáng)度對(duì)污染清除有決定性作用。

4.2 風(fēng)場(chǎng)與地形相互作用

逐小時(shí)加密站風(fēng)場(chǎng)資料具有空間、時(shí)間分辨率高的特點(diǎn)，是刻畫局地風(fēng)場(chǎng)實(shí)時(shí)變化的有力工具。通過分析地面加密站風(fēng)場(chǎng)（圖4）發(fā)現(xiàn)，1月7日05時(shí)，新疆以東的地面冷高壓增強(qiáng)至1 070 hPa，在河套西部有小股冷空氣擴(kuò)散南下，在甘肅東部形成較強(qiáng)的氣壓梯度，同時(shí)由于咸陽北部海拔高度較寶雞西部低，因此在咸陽北部地區(qū)形成一股6～8 m/s的西北偏北風(fēng)，并持續(xù)影響咸陽北部至西部，09時(shí)永壽和乾縣能見度增加至13 km，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好，10時(shí)咸陽AQI開始下降；同時(shí)，位于關(guān)中盆地西部的寶雞中部形成風(fēng)速為4～6 m/s的偏西風(fēng)，寶雞的能見度開始增加。12時(shí)位于西安市西部的周至、戶縣為4～8 m/s的偏西風(fēng)，能見度增加至9 km，而此時(shí)西安市東部能見度仍為1～2 km。14時(shí)西安市北部的涇河、高陵、涇陽、三原等站出現(xiàn)2～4 m/s的西南風(fēng)，且這一帶能見度逐漸轉(zhuǎn)好，15時(shí)涇河能見度達(dá)11 km，西安市空氣質(zhì)量達(dá)到良。

14日白天加密站風(fēng)場(chǎng)變化與7日過程相似，西北風(fēng)進(jìn)入關(guān)中盆地后轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)速逐漸增加，污染部分清除，西安AQI降至150。14日20時(shí)—15日01時(shí)AQI再次上升，15日03—07時(shí)再次快速下降，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)良，這一階段與7日過程的AQI變化特征不同。14日20時(shí)冷空氣主體沿內(nèi)蒙古中部向東擴(kuò)散，從咸陽南下的偏北風(fēng)減弱。渭南北部偏北風(fēng)加強(qiáng)，而南部海拔較低地區(qū)受南部秦嶺山脈阻擋，形成2 m/s的偏東風(fēng)，此時(shí)能見度為2～3 km，受較弱偏東風(fēng)的輸送影響，西安市北部能見度轉(zhuǎn)差，空氣質(zhì)量下降。15日01時(shí)關(guān)中盆地東側(cè)渭南市北部的偏北風(fēng)逐漸增強(qiáng)至6～8 m/s，03時(shí)西安市北部形成6～10 m/s的偏東風(fēng)，能見度轉(zhuǎn)好，為11 km。08時(shí)（圖4b）西安市大部形成4～6 m/s的偏東風(fēng)，能見度自東向西逐漸增加，西安市區(qū)能見度＞20 km，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。

圖4 1月7日12時(shí)（a）、1月15日10時(shí)（b）關(guān)中盆地地形（填色）和地面加密站風(fēng)場(chǎng)

陜西關(guān)中盆地地形獨(dú)特，北側(cè)為渭北高原、南側(cè)為秦嶺、西側(cè)為寶雞峽，自西向東逐漸變寬，盆地東部與黃河之間形成通風(fēng)口，呈喇叭口形狀，盆地中東部從西安至渭南呈西西南—東東北分布。兩次污染過程清除作用不同的根本原因是冷高壓的位置和移動(dòng)路徑有別。關(guān)中盆地內(nèi)的主導(dǎo)風(fēng)向不同則是風(fēng)場(chǎng)與地形相互作用的結(jié)果。從7和14日污染清除過程的風(fēng)場(chǎng)變化來看，兩個(gè)階段白天時(shí)段的地面風(fēng)場(chǎng)呈相似的特征：從咸陽北側(cè)南下的西北風(fēng)和沿寶雞峽的偏西風(fēng)，進(jìn)入關(guān)中盆地后，受秦嶺地形影響，會(huì)在咸陽南部一帶形成地形槽，使關(guān)中盆地中東部風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L(fēng)，風(fēng)速增大至2 m/s以上并持續(xù)2～3 h，污染物得以清除。這是西路冷空氣的污染清除路徑。當(dāng)冷高壓東移擴(kuò)散或移入華北平原后，關(guān)中盆地東部偏北風(fēng)加強(qiáng)，受東西向地形分布影響，位于關(guān)中盆地東部的渭南北部逐漸形成偏東風(fēng)，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，汾渭平原南部的污染物會(huì)輸送至陜西關(guān)中盆地，當(dāng)偏東風(fēng)增大至2 m/s以上并持續(xù)3～5 h，污染物得以清除，這是東路冷空氣的清除路徑。

4.3 風(fēng)頻分析

統(tǒng)計(jì)2014年以來發(fā)生在關(guān)中盆地的污染過程，考慮氣候背景相同，發(fā)生在1月且以PM2.5為首要污染物，2019年1月1—15日過程從持續(xù)時(shí)間、影響范圍、AQI極值來看，此過程持續(xù)時(shí)間長，影響范圍大，為近年來霾污染過程之首，因此對(duì)此次過程的研究更具代表性。另外，2018年1月12—25日關(guān)中盆地出現(xiàn)以PM2.5為首要污染物的一次污染天氣過程，持續(xù)14 d，西安市AQI極值為341，為第二強(qiáng)的污染過程，選取此次過程進(jìn)行風(fēng)頻對(duì)比分析（圖5a，5b）。2018和2019年兩次過程西安的平均風(fēng)速分別為1.6和1.8 m/s，統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)＞1.8 m/s的風(fēng)頻。由兩次過程風(fēng)頻分布可知，2019年過程最大風(fēng)頻為西風(fēng)，占20%；1.8 m/s以上最大風(fēng)頻為西南風(fēng)，占5.1%；其次為東風(fēng)，占4.5%。而2018年過程中，最大風(fēng)頻為東風(fēng)，占20%；1.8 m/s以上最大風(fēng)頻為東風(fēng)，占7.1%；其次為東北風(fēng)，占5.8%。較小風(fēng)速（＜1.8 m/s）主要起到污染輸送和累積的作用，較大風(fēng)速代表過程中以清除作用為主的風(fēng)[23]，因此2019年過程是以西風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，而2018年過程則以偏東風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向。說明西安市的污染傳輸和清除路徑有西路和東路兩條路徑。

圖5 西安不同時(shí)段風(fēng)玫瑰圖

進(jìn)一步分析2019年過程清除階段的風(fēng)頻特征（圖5c，5d），1月7—8日，西南風(fēng)為最大風(fēng)頻風(fēng)向，占23%，其中＜1.8 m/s占15%，＞1.8 m/s占8%，這三項(xiàng)在所有方向統(tǒng)計(jì)中均為最大，說明7—8日的清除過程以西南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向。＞1.8 m/s中第二位為東北風(fēng)，占5.4%，說明東北風(fēng)在污染清除中也有貢獻(xiàn)。1月14—15日，偏東風(fēng)為最大風(fēng)頻，占27%，其中＞1.8 m/s占12.5%，總風(fēng)頻第二位為偏西風(fēng)，占20%，但其中17%為＜1.8 m/s的較小風(fēng)速，對(duì)污染過程主要起到傳輸作用。＞1.8 m/s中第二位是東北風(fēng)，占8%。這段時(shí)間清除過程以偏東風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向。

4.4 累積風(fēng)速特征

對(duì)某一地區(qū)而言，風(fēng)速的大小決定了上游污染物對(duì)本地是傳輸還是清除作用。細(xì)顆粒物的聚集和傳輸與風(fēng)速、風(fēng)向均高度相關(guān)，風(fēng)速越小對(duì)應(yīng)細(xì)顆粒物濃度越高，而風(fēng)速增大時(shí)則對(duì)應(yīng)著細(xì)顆粒物濃度的累積（遠(yuǎn)程輸送）或消散[24-25]。某一時(shí)刻的累積風(fēng)速是該時(shí)刻之前同一風(fēng)向下的持續(xù)風(fēng)速之和[26]。黃少妮等[18]研究發(fā)現(xiàn)累積風(fēng)速比即時(shí)風(fēng)速能更好地解釋PM2.5的變化，對(duì)PM2.5濃度的影響更加明顯。

選取關(guān)中盆地自西向東的4個(gè)站點(diǎn)：寶雞、周至、西安、渭南，對(duì)4站的偏西風(fēng)累積風(fēng)速、偏東風(fēng)累積風(fēng)速及轉(zhuǎn)東風(fēng)的時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1）。7日10時(shí)起，西北路冷空氣加強(qiáng)，寶雞、周至為＞3 m/s的偏西風(fēng)，7日10時(shí)—8日13時(shí)維持偏西風(fēng)，累積風(fēng)速寶雞為122.9 m/s，周至為85 m/s。西安站偏西風(fēng)累積風(fēng)速為69.3 m/s。3站值均大于14—15日。寶雞、周至、西安7日白天較14日白天分別偏大11、14.3和3 m/s，這也是7日白天AQI下降速率較14日更快的原因。

表1 寶雞、周至、西安、渭南累積風(fēng)速和風(fēng)向

從轉(zhuǎn)東風(fēng)時(shí)刻看，15日早于8日。從偏東風(fēng)累積風(fēng)速看，階段二的4個(gè)站點(diǎn)均大于階段一，且最東部的渭南站階段二風(fēng)速比階段一風(fēng)速大，差值為57 m/s。對(duì)關(guān)中盆地東部而言，東路冷空氣的影響較西路更為顯著。較強(qiáng)冷空氣進(jìn)入華北平原后，陜西關(guān)中氣壓場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)向型，疊加關(guān)中盆地東部喇叭口地形影響，地面偏東風(fēng)加強(qiáng)，污染物得到清除。各類氣象要素中，近地面風(fēng)通過影響污染物的水平輸送擴(kuò)散能力對(duì)污染物的質(zhì)量濃度有重要影響。

4.5 大氣層結(jié)分析

近地層垂直方向上出現(xiàn)的逆溫，使污染物在地面上停滯積聚，加劇空氣污染的程度，有利于霧霾天氣的形成[27]。冷空氣的入侵將破壞近地面逆溫層結(jié)，有利于近地層大氣的垂直交換和熱力對(duì)流，使污染物向上擴(kuò)散稀釋，污染狀況得到改善。從涇河站微波輻射計(jì)觀測(cè)（圖6）看出，2019年1月6日凌晨，地面至1.7 km維持一貼地逆溫層，03時(shí)左右地面氣溫降至零下，逆溫層底高度上升，開始出現(xiàn)懸浮逆溫。08時(shí)左右逆溫逐漸減弱。6日夜間至7日凌晨，近地面層逆溫較弱。7日12時(shí)左右，高空3～5 km有明顯降溫，冷空氣從高層入侵。午后地面氣溫開始升高，13—16時(shí)地面升溫，至1.8 km氣溫＞5℃，且7日最高溫較6日明顯升高，這是由于14時(shí)左右近地面污染物已被清除，能見度升高，輻射增溫明顯。在每日的中午前后，受太陽輻射對(duì)地表增溫影響，貼地逆溫消失或減弱抬升為懸浮逆溫層，對(duì)應(yīng)的能見度為每日的最大值，而PM2.5濃度則為每日的最小值[28]。8日冷空氣主體進(jìn)入華北平原，冷空氣降溫作用明顯，近地面溫度降低，逆溫層消失。

圖6 2019年1月6—8日（a）、13—15日（b）西安涇河微波輻射計(jì)觀測(cè)的溫度剖面

2019年1月13日凌晨0.2～0.8 km存在懸浮逆溫層，之后夜間逆溫較強(qiáng)且貼地，厚度在2 km左右。13日白天午后受地面加熱影響，逆溫消失。14日12時(shí)受冷空氣擴(kuò)散影響，0.5～4 km出現(xiàn)降溫，冷鋒前沿地面風(fēng)的加強(qiáng)使污染物清除，地面接收的有效輻射增強(qiáng)，從12時(shí)開始增溫，15日10時(shí)左右，高空3.0～5.0 km有較強(qiáng)降溫，3.0 km處為-15℃，降溫強(qiáng)度明顯強(qiáng)于8日。由于此次較強(qiáng)降溫影響，西安市逆溫消失，近地層污染物垂直擴(kuò)散稀釋增大，地面污染物濃度大幅下降。

5 結(jié)論

通過對(duì)西安市的一次重污染過程的氣象條件進(jìn)行研究，對(duì)兩個(gè)污染清除階段進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）2019年1月陜西省西安市出現(xiàn)一次重污染天氣，其中7—8日和14—15日為污染清除階段。對(duì)比兩個(gè)清除階段的高空和地面環(huán)流形勢(shì)，14—15日地面冷空氣強(qiáng)度較7—8日更強(qiáng)，使得15日日均AQI下降，污染等級(jí)為良。在7和14日兩次冷高壓系統(tǒng)南移過程中，均伴隨四川熱低壓向北發(fā)展，較強(qiáng)的地面氣壓梯度使得地面風(fēng)增強(qiáng)，有助于清除污染。

（2）兩個(gè)污染階段清除作用不同的根本原因是冷高壓的位置和移動(dòng)路徑有異。關(guān)中盆地內(nèi)的主導(dǎo)風(fēng)向不同則是風(fēng)場(chǎng)與地形相互作用的結(jié)果。加密站風(fēng)場(chǎng)變化特征表明污染清除分為偏西路徑和偏東路徑。當(dāng)冷高壓位于蒙古國中部時(shí)，偏北風(fēng)加強(qiáng)后，受地形影響在西安市區(qū)會(huì)形成偏西風(fēng)或偏南風(fēng)。這是西路冷空氣的清除路徑。7—8日以偏西路徑清除為主。當(dāng)冷高壓東移擴(kuò)散或移入內(nèi)蒙中部后，關(guān)中盆地東部偏北風(fēng)加強(qiáng)，受關(guān)中盆地東西向地形分布影響，關(guān)中盆地東南部逐漸形成偏東風(fēng)，這是東路冷空氣的清除路徑。14—15日以偏東路徑清除為主，持續(xù)半個(gè)月的污染狀況得以消除。

（3）累積風(fēng)速的大小是反映污染能否清除的有效指標(biāo)。7日白天西風(fēng)累積風(fēng)速更大，西安市污染清除速率較快。14日夜間—15日東風(fēng)累積風(fēng)速更大，關(guān)中盆地污染最終得到清除。冷高壓移動(dòng)引起的局地風(fēng)場(chǎng)的變化對(duì)顆粒物起到了傳輸加強(qiáng)或稀釋清除的作用。相鄰地區(qū)間污染物的生消具有密切的關(guān)聯(lián)性。

（4）西安微波輻射計(jì)觀測(cè)表明，兩個(gè)階段污染持續(xù)期間逆溫層維持。上午地面風(fēng)加強(qiáng)導(dǎo)致污染物濃度降低，午后晴空加熱效應(yīng)明顯，貼地逆溫消失或減弱，近地層大氣垂直對(duì)流加強(qiáng)，污染物向上擴(kuò)散稀釋，污染狀況得到改善。