福州市污染日的外来雾霾污染影响

福州市气象局　李　岩　林　凌　杨开甲

福州市污染日的外来雾霾污染影响

福州市气象局李岩林凌杨开甲

利用气象资料、空气质量监测资料及后向轨迹方法，对2008年～2012年福州市污染日的天气形势及气流来向轨迹进行分析，研究表明：福州污染日的雾霾污染外来影响主要有两个来向，一是长江三角洲地区，二是福建中南沿海；长江三角洲地区污染物排放源区是福州的一个主要外来污染源；大陆东岸海岸线到台湾海峡是福州外来雾霾污染物的输送主要通道；污染日出现的主要天气型中高压脊型与变性冷高压底部或后部最易输送长江三角洲地区大气污染物到福州。

外来影响 雾霾 天气形势 输送通道 福州市污染日

随着我国城市化和工业化进程的推进，我国的大气污染特别是灰霾污染出现了区域性污染的特征［1］，各区域间空气污染相互影响日益严重。区域间空气污染与天气过程有着密切关系。由于天气系统的多样性及其尺度影响的跨地理区域的特性，一个区域或一个城市群的污染及其污染物的排放，有可能造成跨区域的影响［1］。除天气气候因素以外，区域性灰霾污染的成因，既有污染物排放增加的原因（如机动车的增加），也与污染源的区域化分布和污染物的中长距离输送，以及山脉和地形的限制性因素有关［2］。

福州与我国雾霾污染的三大重点地区（即京津冀地区、长江三角洲地区和珠江三角洲地区）、两大重点地区毗邻。本文利用天气图分析、大气探测、气象站观测、气流的后向轨迹等资料， 对福州污染过程的几个主要天气型下区域外来雾霾污染影响进行了解析。

1　资料与方法

城市空气质量资料取自2008年～2012年福州环境监测站的大气污染物观测资料，主要分析对象为PM10、SO2和NO2等。城市空气质量的每日监测结果空气污染指数（Air Pollution Index， API）取自每日福州国控监测点数据的算术平均值。根据环境保护部2008年发布的《城市空气质量日报和预报技术规定》API＞100为污染日，API＞300为重污染日。2008年～2012年福州市大气污染日共41天，重污染日共2天。

气象资料选取2008年～2012年福州大气污染日地面气象要素，08时、20时海平面气压场和850hPa、500hPa高度图及气象探空资料。为便于统计分析，本文选取天气图中20°～35° N、110°～125°E为关键区。

本研究用气流后向轨迹资料分析气流来源。资料来源于HYSPLIT-4轨迹模式系统（Draxle R R，et al.，1988）。它是由美国国家海洋大气局（NO-AA）开发的供质点轨迹、扩散及沉降分析用的综合模式系统。该模式是Eulerian-Lagrangian混合型的扩散模式，其平流和扩散计算采用Lagrangian法，通常用来跟踪气流所携带的粒子或气体移动方向，可以实时预报风场形势。HYSPLIT-4轨迹模式模拟采用NCEP GDAS全球1°×l°气象资料作为背景初始场，该资料是应用全球中期预报谱模式（MRF）同化多种观测资料和预报结果，水平分辨率为191km，垂直方向从1000～50hPa分为12个等压面层，时间间隔为6h。本次研究计算后向轨迹的主要输入参数是开始时间为各日早8时（北京时），向后延至72小时。起始点福州的经纬度为（26.07N，119.28E），距离地面高度设为三层分别为10m、100m和500m。

选用Micaps资料中逐日08时海平面天气图、500hPa及850hPa高度场图，根据海平面天气图上高压和低压系统配置情况，国内学者对影响福州污染日主要天气型的研究［3］，各地面天气类型出现的频率，再根据气流的后向轨迹资料，分析出福州所受外来影响及气流来向、福州污染过程外来大气污染物输送通道、输送路径演变规律及配置的天气型分布特性。

2　福州污染日的几个主要天气型下区域外来灰霾污染影响

2.1大陆高压脊型

高空偏西风引导下的大陆高压脊是造成福州地区污染日多发的天气型，也是引导长江三角洲地区雾霾污染福州市最多的天气型。其天气背景的特点是500hPa高度场关键区为偏西风控制，无明显的冷平流，850hPa高度场关键区等高线稀疏，没有明显的天气系统。在海平面气压场关键区，陆地受大陆高压脊控制，福建省位于高压前部。统计分析福州污染日与周边雾霾天气地区，发现福州出现污染日前48小时内，70%长江三角洲地区出现雾霾污染天气。这类天气型气流的后向轨迹图分析：70%福州的气流来自长江三角洲地区，沿着大陆东部海岸线，经台湾海峡吹到闽江口，顺着闽江抵达福州。2010年11月9日08时72小时后向轨迹图（见图1）显示，到达福州的10m、100m、500m气流均来自于其上游的长江三角洲地区，地面风场也是由东北方向吹向福州地区，同时，地面天气图上长江三角洲地区11月7日、8日发生大面积的雾霾天气。10%福州的气流来自长江三角洲地区，沿着大陆东部海岸线，经台湾海峡吹到福建沿海中南部，再折向北抵达福州。以上说明长江三角洲地区雾霾天气与福州的污染日有内在联系与同步性。10%是气流局地绕旋型（见图2），这多发生在福建地区近地层风向乱，风向忽偏东南忽西北摇摆不定；风速小，地面和低空风速不超过2米/秒，有时地面出现静风；有逆温层存在，低层大气层结稳定，是静稳大气，不利于污染的扩散和稀释，大气污染物易积聚，大气污染多为自生。5%大陆高压脊控制前期，气流来自福建中南沿海雾霾污染的地区，另外5%500m气流来自广东东部东南方向进入江西后折向偏西进入福建。

图1　2010年11月9日08时72小时后向轨迹图

图2　2012年4月3日08时72小时后向轨迹图

2.2变性冷高压前部

高空500hPa 华南为宽阔的西风带，环流平直，气流多为偏西气流，地面冷高压从偏西路径南下逐渐减弱变性，在西南成为变性冷高压，受高空气流引导继续南压东移，从长江流域入海。变性冷高压前部的雾霾天气带也随着变性冷高压南下东移而南下东移。从气流的后向轨迹图可见：60%气流沿着大陆东部海岸线先西北后东北，引导长江三角洲地区大气雾霾污染物或流向大海的大气雾霾污染物南下污染福州，如图3。其中20%气团势力较强，入海位置偏南，500m气流轨迹开始于江西雾霾天气地区向东吹到福州，经过山地净化，带来少量西部大气雾霾污染物。40%的气流沿海岸线先西北后东北，引导从长江三角洲地区流向大海的大气雾霾污染物经台湾海峡到福建中部，后由于南风增大，风向折向北流向福州，污染福州，如图4所示。

图3　2008年3月26日08时72小时后向轨迹图

图4　2011年6月1日08时72小时后向轨迹图

2.3高压底部或高压后部

500hPa高度场华南为西南气流控制， 高压底部指海平面高压中心在关键区以北的陆地上且等压线稀疏，或没有明显的闭合高压中心，福州处高压底部偏东气流影响。高压后部是指高压中心在35°N以南入海，福州处于其后部， 气压场呈现东高西低或东南高西北低的状况，福州处高压后部偏南气流影响。当高压主体位于福州北部、北高南低，气流经过长江三角洲雾霾污染地区污染后，气流沿大陆东岸海岸线南下，污染福州约占70%。气流先经过长江三角洲雾霾污染地区污染后南下进入台湾海峡，然后随着高压主体继续东移，福建沿海风向转为东南风，气流折向偏北经福建中南部沿海到达福州，约占15%。福州位于高压西南，福建沿海吹东南风，福州大气污染多为自生，雾霾污染外来影响方向为福建中南部沿海，约占15%，见图5。

图5　2011年4月15日08时72小时后向轨迹图

2.4地面倒槽型

该天气背景是500hPa高度场华南为西南气流控制，850hPa高度场福州处在弱高压的西侧，地面华西有一从南向北伸的低压倒槽，福建省受倒槽南侧的西南偏南气流控制。从气流的后向轨迹图可见：在地面倒槽型形成初期，随着地面高压从长江流域入海，地面华西低压从南向北延伸形成地面倒槽。地面高压东移入海，冷空气经长江三角洲雾霾污染的地区沿大陆东岸海岸线南下，带来长江三角洲雾霾污染，污染福州大气约占37%；大约有37%地面倒槽形成发展过程中，福州低层风向由东北方向转为倒槽南侧的西南偏南气流控制，气流的后向轨迹是先从长江三角洲雾霾污染地区污染南下进入台湾海峡，到达福建中南沿海折向北上影响福州；还有大约26%地面倒槽在形成后，受倒槽南侧的西南偏南气流影响，低层10m、100m气流来自福建中南沿海雾霾污染的地区，如图6。其中12% 500m高的气流先经珠江三角洲雾霾污染的地区东南方向进入江西（此时一般江西下雨）后再转向偏西进入福建到达福州，经过雨水与山脉净化，也会带来了少量珠江三角洲雾霾污染物，但出现的概率小。

图6　2008年5月9日08时72小时后向轨迹图

2.5锋前暖区型、弱冷锋过镜、低涡等

几种污染日出现机会较少的天气型，如锋前暖区型、弱冷锋过境、低涡等，10m、100m气流多在福州上空局地绕旋，福州大气污染大部分属自生。外来污染物影响，视地面主导风向而变，长江三角洲雾霾地区及福建中南部沿海雾霾污染影响机会均等。这几类天气型500m大部分气流来自福建中南沿海。

3　讨论

东亚地区存在大范围区域性同步污染现象，这种区域性污染是由于各类交替出现的弱风场、均压场及天气型对污染物持续累积造成的［4］。大范围污染物的输送和辐合汇聚等是造成地区污染指数突增的原因之一。在福州发生污染日的前日、当日，长江三角洲地区及福建中南部沿海常常发生雾霾污染过程，这表明福州市与长江三角洲和福建中南部沿海的雾霾污染存在一定联系。表1为2008年～2012年福州污染日空气污染过程污染物来源方向统计。表1显示：福州市43天污染日中，低空气流方向来自东北方（沿大陆东岸海岸线南下）的天数最多，为35天，占总污染天数的82%。其中，包括来自东北方的天数为26天，先来自东北方后从福建中南部沿海转向北上的天数为9天；气流方向来自福建中南部沿海北上的天数为4天，占总污染天数的9.4%。500m从广东珠江三角洲地区绕到江西进入福建到福州的2天，此时江西多下雨，气流经雨水洗涮与山脉自净。

在大气风温湿特定条件下，通常污染物以城市烟羽的形式被传播到下风方， 烟羽范围可以向下游输送数百公里远。通过以上统计分析，福州雾霾污染的主要外来影响有两个方向，一是来自长江三角洲地区，二是来自福建中南沿海地区。由于全省地势以北北东—南南西为轴线，由西北向东南渐次下降，形成二起二伏的态势，山脉海拔高度1000米上下，福建森林覆盖率高，青山连绵，云雾缥缈，古木参天；藤蔓缠绕，溪水潺潺，拥有丰富的植物物种，对大气污染吸收与自净能力极强。低层弱冷空气携带污染物跨越福建山脉，从西边东移过来，重污染福州大气的机会比较少。福州位于西风带，而污染日大多发生于冬季、秋季，西北风盛行。东亚季风盛行对长江三角洲地区污染物的中尺度传输有非常重要的影响，是污染物向华南传输的主要机制［6］。长江三角洲地区是我市的一个主要外来污染源，而珠江三角洲地区位于西南，污染物从低层直接传输污染福州的机会较少。

表1　2008年～2012年福州污染日空气污染过程污染物来源方向统计

受大陆东岸独特的地形与台湾海峡影响，以及气压场的控制，福州的外来大气污染物输送过程存在一个明显通道：大陆东岸海岸线到台湾海峡。长江三角洲地区大气雾霾污染物沿大陆东岸海岸线南下到台湾海峡侵入福州，而福建中南沿海地区大气雾霾污染物沿台湾海峡侵入福州。

统计污染大气的主要天气型与外来雾霾污染影响关系显示：高压脊型、变性冷高压底部或后部、地面倒槽、变性冷高压东移、低涡、锋面等天气型，都能远距离输送长江三角洲地区大气污染物到福州，导致福州污染过程加剧。大部分天气型都能随天气形势的变化，由北向南输送污染物转变为由南向北输送污染物。其中70%高压脊型、71%变性冷高压底部或后部、37%地面倒槽、60%变性冷高压东移等天气型控制下，雾霾污染的主要外来影响来自长江三角洲地区；37%地面倒槽、大约34%低涡及锋面、14%变性冷高压底部或后部， 10%高压脊型等天气型控制下，雾霾的外来影响先来自长江三角洲地区，后转来自福建中南部沿海；14%变性冷高压底部或后部、12%地面倒槽等天气型控制下，雾霾的主要外来影响来自福建中南部。

4　结论

（1）受地理与天气型控制，福州大气污染与周边污染物排放源有关，福州大气污染过程加重的重要因素之一是周边污染物的输入。福州污染日的大气污染物外来影响主要有两个来向，一是长江三角洲地区，二是福建中南沿海。长江三角洲地区雾霾污染是福州的一个主要外来污染源。

（2）值得指出的是，雾霾污染主要发生在大气边界层中，一个区域对另一区域造成影响，必须有一条输送通道。本文的分析表明，大陆东岸海岸线到台湾海峡是福州外来大气污染物的主要输送通道。

（3）福州地区受独特的地形和大陆东岸中低纬度气候的影响，输送长江三角洲地区雾霾污染物影响福州空气质量的主要天气型有高压脊型、变性冷高压底部或后部、变性冷高压东移、地面倒槽等。其中大陆高压脊型影响天数最多。输送福建中南沿海雾霾污染物影响福州空气质量的主要天气型有地面倒槽、低涡、锋面等。随天气形势的变化，污染物外来影响来向也会变化。

（4）区域大气污染与天气过程有着密切关系，存在大范围区域性同步污染现象， 污染带常表现为随天气系统移动和演变同步移动和演变，提前捕捉污染带变化、推移方向，对福州预测、预防大气污染有重大意义。

［1］ 王喜全，杨婷，王自发.灰霾污染的跨控制区影响——一次京津冀与东北地区灰霾污染个案分析［J］.气候与环境研究， 2011，16（6）： 690-696.

［2］ 张强. 地形和逆温层对兰州市污染物输送的影响［J］. 中国环境科学， 2001，21（3）： 230-234

［3］ 李岩，郑东旗，龚振斌， 等.福州大气污染日与气象条件关系［J］.亚热带农业研究， 2014， 10（3）： 194-198.

［4］ 苏福庆， 杨明珍， 钟继红， 等. 华北地区天气型对区域大气污染的影响［J］.环境科学研究， 2004， 17（3）： 16-20.

［5］ Oke TR .The energetic basis of the urban heat island. Quart JRoy Meteor Soc ， 1982（108）： 1-24.

［6］ 黄成 ， 陈长虹， 李莉， 等. 长江三角洲地区人为源大气污染物排放特征研究［J］. 环境科学学报， 2011， 31（9）： 1858-1871.