羅菊英，張 儀，林麗燕

(1.恩施自治州氣象局,湖北 恩施 445000；2.恩施州環(huán)境保護局, 湖北 恩施 445000)

引 言

在社會經(jīng)濟不斷發(fā)展的今天，環(huán)境問題日益受到各級政府的高度重視。地處鄂西南的恩施自治州全境為山地，以農(nóng)業(yè)為主，旅游業(yè)是當?shù)刂饕?jīng)濟產(chǎn)業(yè)之一。從近幾年環(huán)保部門的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，相對于我國北方和湖北省其他地區(qū)，恩施州空氣質(zhì)量整體較好，但在冬半年的11月到次年3月，特別是12月到次年2月，污染天氣出現(xiàn)仍較頻繁。如2015年1月、2017年1月，恩施城區(qū)分別出現(xiàn)25天、20天不同程度空氣污染。綠色生態(tài)發(fā)展一直是地方政府經(jīng)濟發(fā)展不變的理念，環(huán)境大氣污染問題引起了地方政府高度重視。恩施州政府于2016年、2019年先后兩次印發(fā)恩施州城重污染天氣應急預案，并積極組織相關(guān)部門采取應對措施，環(huán)保、氣象兩部門協(xié)同配合，共同會商研判，適時發(fā)布環(huán)境氣象預報服務產(chǎn)品和重污染預警，取得了一定成效。

大量研究結(jié)果表明，在污染源相對穩(wěn)定的前提下，氣象條件是影響城市空氣污染的主導因素，主要影響污染物的傳播、集聚、稀釋擴散[1-6]。不同天氣形勢下氣象條件的不同導致影響程度的差異，如恩施州重污染發(fā)生時伴隨空氣濕度明顯加大，日均值在90%附近或以上[7-8]。在相同天氣背景下，同區(qū)域不同城市大氣污染既有共性，也有差異，這主要與當?shù)厮幍乩砦恢?、地形地貌環(huán)境有關(guān)。羅菊英[9]、王穎[10]、邵夢琪[11]、嚴曉瑜[12]等針對恩施州空氣污染的空間分布研究表明，在地形閉塞的凹地，相對于開闊盆地或迎風坡地帶，發(fā)生重污染的可能性更大。針對空氣污染與氣象條件關(guān)系的分析及預報，國內(nèi)外眾多學者從不同角度進行了研究。趙娜等[13]通過對河北重污染天氣進行天氣學分型，得出不同型污染天氣氣象特征量。傅瑜等[14]通過對大連市大氣污染天氣特征及污染成因模擬分析，得出了影響大氣污染的主要高空和地面形勢場特征。周書華等[15]通過成都地區(qū)大氣邊界層逆溫特征分析，揭示了逆溫結(jié)構(gòu)與污染物的擴散規(guī)律。從湖北省內(nèi)看，目前開展空氣污染與氣象條件關(guān)系分析及環(huán)境氣象預報研究較多，并轉(zhuǎn)化為業(yè)務應用，如白永清等[16]基于WRF/Chem的華中區(qū)域環(huán)境氣象數(shù)值預報系統(tǒng)。針對恩施州，目前雖有一些初步的研究成果[17]，也開展了空氣污染氣象條件預警預報業(yè)務，但還不能完全滿足地方經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)文明氣象保障服務的高需求，還需要有針對性地結(jié)合當?shù)貙嶋H情況開展相關(guān)研究，來提高污染天氣精細化預報預警能力。

本文采用恩施州環(huán)保部門2015-2019年大氣污染監(jiān)測資料，結(jié)合對應氣象資料，對發(fā)生的污染天氣進行了天氣學普查，選取足夠多的污染天氣實例進行環(huán)流形勢分析，歸納不同強度污染天氣發(fā)生時的天氣系統(tǒng)統(tǒng)計特征及結(jié)構(gòu)配置，并將對大氣污染潛勢預報具有更好指示作用的地面形勢場進行天氣學分型，建立不同強度、不同月份污染天氣概念模型。

1 資料與方法

1.1 資料與樣本選取

環(huán)境監(jiān)測資料來源于恩施州環(huán)保部門，采用了2015-2019年恩施城區(qū)逐小時SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO濃度監(jiān)測資料，恩施州所屬8個縣(市)逐日AQI資料，其中恩施城區(qū)AQI資料為州電力公司和湖北民院兩個環(huán)境監(jiān)測點平均值。氣象資料采用恩施站(57447)同時段地面、高空氣象常規(guī)觀測資料，Micaps衛(wèi)星地面、高空實況資料，其中高空溫度露點差值利用公式轉(zhuǎn)換為相對濕度值，轉(zhuǎn)換公式為[18]

(1)

(1)式中U、Td、T分別為相應高空層相對濕度、露點溫度、溫度。

2015到2019年冬半年(1、2、3、11、12月，下同)日AQI均值超過100的共181個污染天氣樣本，對其中的172個樣本資料進行了天氣學普查，對12次典型污染過程進行了天氣環(huán)流形勢分析。

1.2 研究方法

1.2.1 空氣質(zhì)量描述量來源依據(jù)

AQI是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)，相關(guān)計算公式及分級標準參照HJ633-2012中環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定[19]，空氣質(zhì)量指數(shù)共分六級，具體見表1。

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)AQI等級劃分表

1.2.2 資料分析說明

根據(jù)恩施州氣象部門已有研究成果[17]，全州污染天氣主要發(fā)生在冬半年(11月-次年3月，下同)，污染呈階段性區(qū)域大面積發(fā)生的特點。恩施城區(qū)污染天氣總是最早發(fā)生，最晚結(jié)束，污染程度最重。故文中在普查2015-2019年全州污染天氣時空分布的基礎上，以恩施州城為代表點和影響中心進行天氣形勢分析。

1.2.3 天氣學普查方法

對2015-2019年冬半年恩施州內(nèi)AQI均值大于100的污染天氣，從造成污染天氣的環(huán)流背景、影響系統(tǒng)，針對不同級別污染天氣進行天氣學普查。同時，考慮大氣環(huán)流的季節(jié)性差異，分月挑選典型污染個例，對一次階段性污染過程從污染開始、發(fā)展加重、污染結(jié)束三個階段進行天氣形勢分析，得出相關(guān)天氣系統(tǒng)影響的統(tǒng)計特征和影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置特征。最后根據(jù)天氣學普查和個例分析結(jié)果，分月、分天氣型建立空氣污染天氣學概念模型。

2 鄂西南山區(qū)空氣污染天氣系統(tǒng)相關(guān)統(tǒng)計特征

2.1 污染天氣概況

鄂西南山區(qū)污染天氣基本出現(xiàn)在冬半年。2015-2019年的1825天中，共出現(xiàn)不同級別污染日187天，出現(xiàn)頻率為10.2%(表2)，4-10月僅出現(xiàn)6天(其中1天中度、一天重度，主要污染物為O3)，也就是說96.8%的污染出現(xiàn)在冬半年不利大氣擴散氣象條件下，2015-2019年冬半年750天共出現(xiàn)不同級別污染日181天，出現(xiàn)頻率為24.0%，主要污染物為PM2.5。分析2015-2019年冬半年污染日分布發(fā)現(xiàn)，污染日呈階段性出現(xiàn)，持續(xù)3天及以上污染天氣共27段，最長持續(xù)19天，出現(xiàn)在2015年1月8日到26日。

按照AQI分級，繼續(xù)分析表2中冬半年181個污染日月分布情況。2015-2019年，州內(nèi)輕、中、重度污染日分別占污染總?cè)諗?shù)的62.4%、24.3%、13.3%，未出現(xiàn)AQI超過300的嚴重污染日。在冬半年各月中，1月污染日占比最高，為43%，其次是12月的29%，2月污染日占比為20%，3月、11月發(fā)生污染日的概率都較小，3月的占6%，11月的僅占2%，且均為輕度污染。重度污染也主要出現(xiàn)在1月、12月，其他月份基本不出現(xiàn)(表3)。

表2 2015年1月-2019年12月恩施州空氣污染(AQI>100)日數(shù)統(tǒng)計

表3 2015-2019年恩施州冬半年各月不同級別污染天氣樣本統(tǒng)計

2.2 天氣系統(tǒng)的統(tǒng)計特征

通過對2015-2019年27次階段性污染時段共172個不同級別污染日天氣學普查(表略)及對11次典型階段性污染過程和1次連續(xù)重污染過程進行天氣環(huán)流形勢分析(表4)，得出污染天氣的主要影響系統(tǒng)有地面濕舌(暖)、地面顯著濕區(qū)、低層輻合線(區(qū))等11個，具體見表5。

表4 2015-2019年恩施州典型污染天氣分析個例統(tǒng)計

表5 2015-2019年恩施州污染天氣主要天氣系統(tǒng)統(tǒng)計

從表4、5可以看出，在不利大氣污染擴散氣象條件下，一次污染天氣過程總是呈不同級別交替持續(xù)出現(xiàn)，而造成空氣污染的各天氣系統(tǒng)不孤立存在，不同的系統(tǒng)配置對應的天氣不同，大氣污染擴散條件也不同，空氣污染程度也有很大差別。以2015年1月23日20時的一次重污染過程為例(圖1)，高空各層系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)如下，即500 hPa空氣污染影響區(qū)主導氣流偏西；700 hPa為西南氣流，12 m/s及以上急流形成；850 hPa影響區(qū)處于暖切變頂部輻合區(qū)附近；925 hPa處于東北風與偏南氣流輻合區(qū)中；對應時次地面圖影響區(qū)處于鋒前暖低壓帶中(圖略)，當日天氣陰沉，地面暖濕，出現(xiàn)了相對濕度為90%以上的顯著濕區(qū)，日平均風速僅0.5 m/s。

圖1 2015年1月23日20時鄂西南冬半年重污染典型高空系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)圖

分析上述系統(tǒng)配置發(fā)現(xiàn)，地面暖低壓抑制了水汽向上擴散，使水汽聚集到較低層次，低層輻合線的存在有利于近地層水汽和大氣氣溶膠污染物的聚集，氣溶膠濃度增加有利于近地層逆溫形成，為霾天氣形成創(chuàng)造了條件，而地面濕度的增加又加重了污染顆粒物的濕增長，為二次氣溶膠增加創(chuàng)造了環(huán)境，污染加重[20-21]。同時，位于影響區(qū)的恩施剛好處于東、西、北三面環(huán)山，地形閉塞的凹地，在周圍高山的屏障作用下，排放到山谷的污染物由于垂直、水平擴散均受阻，污染物更容易聚集且難擴散稀釋，也會加重污染[17，22]。

3 鄂西南山區(qū)空氣污染天氣學預報概念模型

3.1 天氣學分型

Ⅰ型(圖2a)。該型在污染天氣中出現(xiàn)頻次最高，冬半年各月均可出現(xiàn)，在一次污染天氣過程中，常與Ⅱ型交替出現(xiàn)。影響區(qū)位于高壓底部或后部，等壓線稀疏，天氣條件靜穩(wěn)，弱風或靜風，一般無降水，天氣陰沉，伴隨輕霧或霧，氣溫較高，濕度條件適宜(80%附近或以上)。

Ⅱ型(圖2b)。該型出現(xiàn)頻率僅次于Ⅰ型出現(xiàn)頻率，影響區(qū)位于高壓底部或后部，通常冷空氣前鋒移過影響區(qū)，北部還有副冷鋒不斷擴散南下，影響區(qū)等壓線相對均壓場略密，天氣條件靜穩(wěn)，弱風或靜風，一般無降水，以陰或多云天氣為主，伴隨輕霧或霧，氣溫較高，濕度條件適宜(80%附近或以上)。

Ⅲ型(圖2c)。該型一般出現(xiàn)在北方有冷空氣南下的前幾天，影響區(qū)位于冷鋒前沿暖低壓帶中，常常會出現(xiàn)暖濕舌，對應天氣一般無降水，陰沉天氣較多，地面要素表現(xiàn)為弱風或靜風，氣壓低，氣溫高。鋒區(qū)逼近影響區(qū)附近時，可出現(xiàn)弱降雨，此時往往加重污染，地面濕度達到90%以上。

圖2 鄂西南冬半年空氣污染期間三類典型地面形勢場

上述三種天氣形勢均可出現(xiàn)不同級別污染天氣，重污染天氣主要出現(xiàn)在鋒前暖低壓型中，如在表4中分析的個例中，1月的重污染天氣在三種天氣型中均可出現(xiàn)，而12月、2月重污染天氣只出現(xiàn)在鋒前暖低壓中。從月分布看，在冬半年各月中，11月所有污染天氣均為鋒前暖低壓型。

3.2 各型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置及概念模型

根據(jù)對2015-2019年27次階段性污染時段內(nèi)172個污染實例普查結(jié)果，選取典型個例，利用中尺度天氣分析方法，借助Micaps平臺強天氣分析工具，分月建立鄂西南山區(qū)冬半年不同級別(強度)污染天氣預報概念模型。以1月份為例，不同類型輕度和重度污染天氣學預報概念模型見圖3-5。

3.2.1 均壓場型(Ⅰ型)

該型輕度污染天氣一般系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置為：500 hPa主導氣流偏西(以WSW居多)；700 hPa為西南氣流；850 hPa為偏南氣流(西南、南、東南)；925 hPa處于偏東與偏南氣流(暖)輻合區(qū)，恩施站以偏東氣流為主；地面處于高壓底部(后部)均壓場中，弱風或靜風，暖濕，常伴隨輕霧，無降水，天氣學概念模型見圖3(a)。

重度污染天氣一般系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置為：500 hPa主導氣流偏西(以WSW居多)；700 hPa為西南氣流；850 hPa為偏東與偏南氣流(暖)輻合區(qū)，有時影響區(qū)處于暖切變輻合區(qū)頂部附近，恩施站以偏南氣流為主；925 hPa處于偏東與偏南氣流(暖)輻合區(qū)，恩施站以偏東氣流為主；地面處于高壓底部(后部)均壓場中，弱風或靜風，暖濕(恩施州處于相對濕度為90%以上的明顯濕區(qū)中)，常伴隨輕霧，有時有大霧，無降水，天氣學概念模型見圖3(b)。

紅一、四方面軍川西北會師后，針對西北地區(qū)民族構(gòu)成特點，中共中央專門制定《關(guān)于少數(shù)民族中黨的基本方針》，提出“爭取少數(shù)民族在中國共產(chǎn)黨領(lǐng)導下對于中國革命勝利前途有決定的意義。”紅軍進入甘南藏區(qū)，面臨糧食奇缺的巨大困難，紅軍堅持執(zhí)行嚴格的軍紀，不僅逐漸取得沿途藏族群眾的理解，而且還得到當?shù)厣贁?shù)民族的支持援助。卓尼土司楊積慶為紅軍北上讓出通道，“將曹日倉的麥糧暗中開放接濟了過境的紅軍。當時這個倉設兩個倉庫，共裝小麥四、五十萬斤。紅軍走后，一個倉庫內(nèi)的糧食全部吃用完，另一個倉庫里用去了多半倉?！盵5]P141就是中國共產(chǎn)黨領(lǐng)導紅軍執(zhí)行民族政策的典型事例。

圖3 鄂西南1月均壓場型輕度(a)和重度(b)污染天氣學預報概念模型

Ⅰ型輕度污染和重度污染模型的主要差別：重度污染時地面濕度明顯增大，更暖、更濕，低層輻合加強，更有利于污染顆粒物的增長和集聚。

3.2.2 變性高壓型(Ⅱ型)

該型輕度污染系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置為：500 hPa主導氣流偏西(多平直西風)；700 hPa為西南氣流；850 hPa為偏南氣流，恩施站以西南氣流為主；925 hPa出現(xiàn)偏東與偏南氣流(暖)輻合區(qū)，恩施站以偏東氣流為主；地面處于高壓底部(后部)均壓場中，前鋒移過影響區(qū)，北方不斷有冷空氣擴散南下，弱風或靜風，暖濕，常伴隨輕霧，無降水，天氣學預報概念模型見圖4(a)。

重度污染系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置為：500 hPa主導氣流偏西(以WSW居多)；700 hPa為西南氣流，12 m/s以上西南急流發(fā)展；850 hPa為偏南氣流；925 hPa位于偏東與偏南氣流(暖)輻合區(qū)頂部，恩施站以偏東氣流為主；地面處于高壓底部(后部)，前鋒移過影響區(qū)，北部有冷空氣擴散南下，弱風或靜風，暖濕(恩施州處于相對濕度為90%以上明顯的濕區(qū)中)，常伴隨輕霧，有時有大霧，無降水，天氣學概念模型見圖4(b)。

圖4 鄂西南1月變性高壓型輕度(a)和重度(b)污染天氣學預報概念模型

Ⅱ型輕度與重度系統(tǒng)配置的區(qū)別：重度污染時700 hPa中空暖平流發(fā)展更強，近地層輻合也更強，地面更暖、更濕。

3.2.3 鋒前暖低壓型(Ⅲ型)

該型輕度污染系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置為：500 hPa主導氣流偏西(以WSW居多)；700 hPa維持西南氣流；850 hPa恩施州處于暖輻合區(qū)，恩施本站以偏南氣流為主；925 hPa恩施州處于暖輻合區(qū)，恩施站以偏東氣流為主；地面處于冷鋒前暖低壓帶中，污染影響區(qū)處于暖濕舌中，弱風或靜風，天氣陰沉，常伴隨輕霧，天氣學概念模型見圖5(a)。

重度污染系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置為：500 hPa主導氣流偏西(以WSW居多)；700 hPa為西南氣流，12 m/s以上西南急流發(fā)展；850 hPa處于暖輻合線區(qū)，恩施本站以偏南氣流為主；925 hPa恩施州處于暖輻合區(qū)，恩施站以偏東氣流為主；地面處于冷鋒前暖低壓帶中，污染影響區(qū)處于暖濕舌中，弱風或靜風，天氣陰沉，有時可伴隨弱降雨，加重污染，天氣學概念模型見圖5(b)。

圖5 鄂西南1月鋒前暖低壓型輕度(a)和重度(b)污染天氣學預報概念模型

Ⅲ型輕度與重度系統(tǒng)配置的區(qū)別：重度污染時700 hPa中空暖平流發(fā)展更強，地面更暖、更濕，一般鋒面也更逼近影響區(qū)，可伴隨弱降雨發(fā)生。

采用同樣的方法，建立了冬半年其他月份(11、12、2、3月)不同類型輕度和重度污染天氣學預報概念模型，限于篇幅，不再贅述。

3.3 污染結(jié)束首日影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置及概念模型

通過表4中12個典型個例分析及多個空氣污染實例天氣學普查發(fā)現(xiàn)，在冬半年，污染天氣結(jié)束基本都伴隨不同程度冷空氣南下，帶來一次降水、降溫、風力加大的有利于污染物擴散的天氣過程。在污染結(jié)束首日，影響區(qū)典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置及概念模型：500 hPa位于西北氣流或南支槽前西南氣流中(西北氣流居多)；700 hPa處于冷切變南部西南氣流中(常出現(xiàn)西南急流)；850 hPa處于偏北或偏東氣流，氣流輻合區(qū)消失或南壓；925 hPa處于偏北或偏東氣流，氣流輻合區(qū)消失或南壓；地面處于鋒面(區(qū))附近或鋒后，冷空氣正在影響或過境，有較明顯降雨或轉(zhuǎn)晴天，以降水、降溫天氣居多，日平均風速由污染期間弱風或靜風至少加大到2 m/s及以上，風向以偏北為主，典型天氣學概念模型見圖6。

圖6 鄂西南山區(qū)冬半年污染天氣結(jié)束首日典型系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論與討論

(1)鄂西南山區(qū)96.8%的空氣污染日出現(xiàn)在冬半年不利天氣條件下，具有階段性大范圍發(fā)生的特點，首要污染物是PM2.5。重污染天氣比例為13.3%，主要發(fā)生在1月和12月，未出現(xiàn)AQI超過300的嚴重污染。

(2)影響污染天氣的各天氣系統(tǒng)不孤立存在，不同的系統(tǒng)配置對應大氣污染擴散條件不同，空氣污染程度也有很大差別。但具有以下典型特點，即地面暖低壓抑制了水汽向上擴散，使水汽聚集到較低層次，低層輻合的存在有利于近地層水汽和大氣氣溶膠污染物的聚集，氣溶膠濃度增加有利于近地層逆溫形成，為霾天氣形成創(chuàng)造了條件，而地面暖濕舌又加重了污染顆粒物的濕增長，為二次氣溶膠增加創(chuàng)造了環(huán)境，污染加重。

(3)低層到地面天氣形勢對大氣污染的潛勢預報具有更好的指示作用。根據(jù)地面天氣形勢場，可將大氣污染歸納為均壓場型(Ⅰ型)、變性高壓型(Ⅱ型)、鋒前暖低壓型(Ⅲ型)三類。各型在不同月份、不同污染強度時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置既有相同點，又有不同點。輕度污染和重度污染系統(tǒng)配置主要不同點在于，重度污染出現(xiàn)時地面更暖、更濕，低層輻合加強，更有利于污染顆粒物的增長和集聚。

(4)污染天氣結(jié)束基本都伴隨不同程度冷空氣南下，帶來一次降水、降溫、風力加大的有利于污染物擴散的天氣過程。

鄂西南山區(qū)由于地理位置和地形地貌的特殊性，空氣污染主要是在不利大氣擴散條件下污染物不斷積累而形成。本文采用描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)AQI將空氣污染日數(shù)進行分級，并在此基礎上對形成空氣污染的天氣環(huán)流形勢從開始、加重、結(jié)束三個階段分析后，分月建立了冬半年不同級別天氣學預報概念模型，在實際業(yè)務應用中，對環(huán)境氣象業(yè)務及服務具有很好的參考價值。