不同天气形势下杭州市空气污染特征个例分析

王学远，蒋亚平，刘红年，张宁

(南京大学大气科学学院，江苏 南京 210023)

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不同天气形势下杭州市空气污染特征个例分析

王学远，蒋亚平，刘红年，张宁

(南京大学大气科学学院，江苏 南京 210023)

利用杭州市气象局观测资料、NCEP再分析资料和中尺度天气预报模式WRF的数值模拟结果，对杭州市2011—2012年春、夏、秋、冬4个季节各一天的污染天气进行分析；同时选取2012年夏季有利于污染物扩散的天气个例进行对比分析。结果表明，杭州市容易发生轻度污染的天气类型主要有4类：高压前部、高压底部、高压控制和高压后部；500 hPa高空系统稳定，受西南气流影响，850 hPa有暖平流，1 000 hPa风速较小时，容易造成污染物的积累，发生空气污染现象。WRF模拟结果显示，当杭州市为偏北风且风速较小时，容易发生空气污染事件，当为偏南风且风速较大时，空气质量一般较好。温度层结分析发现，当近地层以及高空出现较为深厚的逆温层且低层温度层结呈现中性或者稳定时，不利于污染物的扩散，污染物容易在底层积累，出现近地层空气污染现象。

天气形势；空气污染；气象特征；数值模拟；杭州

随着国民经济的飞速发展，工业以及交通所带来的大气环境问题日益严重，城市空气质量也受到更多的关注。空气污染事件的发生与气象条件有直接关系，污染物浓度由排放源和天气过程共同决定。在城市地区，污染源变化相对稳定，重污染事件的发生主要归结于不利于扩散的天气条件，因此大尺度天气形势和局地气象条件对空气质量具有重要的影响[1-6]。天气形势对污染物的排放、传输和扩散[7]、(光)化学反应[8]、以及干湿沉降等方面均有影响。局地气象因子能够影响大气污染物的输送和扩散[9-11]。

关于天气形势和气象条件对空气污染的影响，国内外已有较多的研究工作。Hogrefe 等[12]指出美国东部地区空气污染的产生与大尺度高压系统以及地面稳定度和风速有密切关系。王学远等[9]和孟燕军等[13]分别指出风场和边界层厚度对空气污染有显著的影响，当地面出现小静风，贴地逆温等情况容易造成城市地区较重的空气污染。任阵海等[14]分析发现，持续的晴天和大范围高压均压场条件下容易使重污染区边界层逆温厚度增大，从而形成局地严重污染的天气条件。王喜全等[15]研究发现北京地区的PM10重污染是由稳定持续的中尺度天气系统造成的，例如河套倒槽、东北低压槽、东北地形槽、华北地形槽以及华北低压等。张国琏等[16]研究表明影响上海市空气质量的地面天气类型有L型高压、高压、高压前和均压场等4种。谢付莹等[4]发现奥运会期间，当华北地区处于高、低压系统交界带时容易出现空气污染，而近地面的高温高湿、小静风和近地层持续逆温则是造成污染物高浓度的重要条件。李颖敏等[17]认为冷锋前部型容易造成珠江三角洲中部和东北部污染，高压底部型容易造成珠江三角洲西南部污染，而高压脊控制型容易造成珠江三角洲局地性污染。

现研究杭州市不同天气形势下的空气污染特征，选取2011—2012年春、夏、秋、冬4个季节各一天的轻度污染天气进行分析，并与2012年夏季有利于污染物扩散的天气个例进行对比分析。利用杭州市气象局观测资料、NCEP再分析资料以及中尺度天气模式WRF的数值模拟结果，研究5个个例的大尺度天气背景以及局地气象条件对污染扩散的影响，并探讨不同天气形势下杭州市空气污染的气象特征。以期了解影响杭州市污染物扩散的地面天气形势和气象要素特点，及其对污染物浓度的影响程度，有助于进一步认识杭州市空气污染形成的外部条件，可以为城市空气质量的预报提供更多的依据。

1 研究方法

使用的观测数据来自杭州市气象局，包括SO2、NO2、PM10等污染物日平均值，以及气压、气温、相对湿度、降水量、风速等气象要素的日平均值。背景场(分析天气形势)资料采用NCEP提供的水平分辨率为1°×1°的FNL再分析资料(Final Reanalysis data，以下简称为“FNL资料”)。气象要素分析采用中尺度天气预报模式WRF的数值模拟结果，WRF模式研究区域采用4重嵌套，各重嵌套东西、南北方向的网格数为82×62，网格距分别为27，9，3和1 km，中心经纬度为30.14°N，120.21°E，垂直方向设为78层，最高层大约为16 km。

分析海平面气压时使用WRF模式最外层嵌套的模拟结果，气象要素的分析采用最内层嵌套的模拟结果，包括局地的气压、气温、相对湿度等。选取2011年12月13日、2012年4月15日、2012年6月11日和2012年10月3日四个轻度污染个例，以及2012年7月26日空气质量为优的对比个例，详细分析了其天气形势和污染扩散特征。所选个例污染物浓度特征见表1。

表1 所选个例污染物浓度特征 μg/m3

图1为WRF模式第四重嵌套所使用的杭州市土地利用类型以及地形高度，其中橙色为城市下垫面，粉色为河流，蓝色为郊区。杭州市的城区主要位于东部地区，地势低平，杭州市西部和西南部主要为山地和丘陵地带，主干山脉有天目山等。

图1 杭州市地形高度及下垫面类型

在没有大型天气系统影响时，杭州的地形地貌将会直接影响地面污染物的扩散形势。杭州市的工业区主要位于市区北部，由于冬季杭州市盛行西北风，杭州市北部城市群以及本地工业产生的污染物容易被输送到城区，杭州市气象局观测资料显示冬季污染物浓度明显高于其他季节。

2 天气形势分析

利用NCEP再分析资料以及WRF数值模拟结果详细分析了2011年12月13日、2012年4月15日、2012年6月11日、2012年10月3日、以及2012年7月26日等5个个例及对应的天气类型，见表2。

表2 所选5个个例对应的天气形势

由表1和2可见，出现轻度污染过程的四个天气个例中，地面天气类型均以高压类为主，而且高压系统稳定维持，根据王璟等[11]的研究结果，高压系统容易造成华东地区空气质量出现轻度污染。结合天气图(图略)分析，1 000 hPa风场分析结果显示均为偏北风，而且风速较小，由于杭州市的重污染工业区位于市区北部，在偏北风或者东北风影响下容易造成市区污染物浓度升高，而且由于杭州市南部丘陵和山脉的阻挡，使得污染物不易扩散而缓慢累积，最终造成轻度污染。分析850 hPa温度场和高度场可见，发生轻度污染时，850 hPa上杭州地区多受暖舌控制，或者伴有暖平流，由于该层温度较高，风速较小，使得地面到850 hPa的温差和风切变减小，导致污染物垂直扩散更为不易，有利于污染物在中低层的累积，这与谢傅莹等[4]的研究结果一致，其分析发现北京奥运会期间典型持续污染过程中850 hPa上华北地区通常受到暖舌的影响。

比较四个污染个例的500 hPa天气图演变趋势可见，杭州地区主要受槽前脊后或浅槽后部的西南或偏西气流影响，高压脊维持时间较长，天气形势比较稳定，导致地面出现空气下沉区，风速为静小风，容易引起空气污染物的累积，从而造成局地污染。这种天气形势也是导致全国其他地区例如华北[4]、华东[11]、华南[17]以及海峡西岸地区[2]出现污染天气的一个重要原因。

分析2012年7月26日空气质量为优的对比个例发现，1 000 hPa为东南风，并且风速较大，从海平面气压场可见，整个江浙地区处于高压控制区，海上清洁空气随着东南风进入杭州，有利于污染物浓度的稀释和扩散。850 hPa上浙江省也处于高压控制区，风向为东南风并且风速较大。由于中低层风速均较大，因此在垂直方向上也有利于污染物的扩散，从而使得浓度降低。500 hPa天气图上(图略)江浙地区也处于高压控制区，之后逐渐转为高压后部，风向为东南风，风速较大，这有利于东南沿海的清洁空气深入江浙地区，稀释并且加速污染物的扩散。

3 气象要素分析

为了验证WRF模式的模拟性能，表3给出了5个个例逐时模拟值与观测值的统计结果。由表3可见，气温、最高气温以及最低气温的模拟值略偏低，相关系数达到了0.97～0.98，标准偏差约为-4.6%～-6.6%，均方根误差约为1.57～1.80 ℃，气温日较差的模拟结果也比观测结果略偏小。风速模拟值比观测值偏低，偏差约为-0.46 m/s，均方根误差约为1.36 m/s。相对湿度的相关系数达到了0.95，偏差约为-6.14%，均方根误差为6.86%。整体模拟结果表明，模式的模拟值与观测值之间的差异较小，说明模式的模拟性能良好，模拟结果较为可信。

为了解水平风速的演变特征，利用WRF模式第四层嵌套的模拟结果分析杭州市5个个例的02：00、08：00、14：00 以及20：00的10 m高度风场特征，见图2(a)(b)(c)(d)(e)。其中：(a)2011-12-13；(b)2012-04-15；(c)2012-06-11；(d)2012-07-26；(e)2012-10-03。

表3 WRF模拟值与观测值统计结果

图2 10 m高度风场图

由图2可见，2011年12月13日02：00杭州市东北部为西北风，风速为3～4 m/s，西南部地区受丘陵和山地影响，风场比较紊乱且风速较小，大约2 m/s，在杭州市中西部地区存在较弱的辐合，容易导致污染物浓度的累积。由08：00和14：00的风场可以看出在市区气流具有明显的辐合，而且风速仅为2～3 m/s左右，容易导致污染物的积累，浓度会升高，由于夜间边界层比白天稳定，因此夜间20：00的风速比白天时风速更小，从而更容易导致污染物浓度升高。2012年4月15日02：00整个风场为东北风，风速大约3 m/s，08：00转变为东南风，风速略有减小，下午14：00市区产生较弱的辐合，夜间20：00又转为弱东风，由于杭州市西部为山地，而这一天大部分时间为较弱的东风，因此容易造成污染物在杭州市中部地区积累，浓度升高。2012年6月11日02：00为弱东北风，风速大约2～3 m/s，08：00和14：00转为弱东风，在市区开始形成较弱的辐合，20：00风速较白天明显减小，且在市区形成较明显的辐合，容易导致污染物浓度升高。2012年7月26日02：00为东南风，风速大约3～5 m/s，08：00风速略有减小，风向转为南风，14：00变为东风(西南部受山地影响，偏南风)，到20：00风速明显增大，约5 m/s，且为东南风，污染物容易扩散，因此污染物浓度会降低，由上文分析可知这一天杭州市空气质量为优。2012年10月3日02：00市区出现较弱的辐合，风速约2 m/s，08：00和14：00辐合变强，20：00辐合减弱，变为东北风，由于风速很小，所有容易导致污染物浓度升高。

在杭州地区，一方面当风向为北风和东北风时，受地形阻滞，容易导致污染物的累积；另一方面，当风速较小并且存在辐合时，也不利于污染物的扩散，从而造成污染物的积累，致使污染物浓度升高；而当风速较大且为偏南风时，有利于污染物的输送扩散，因此不易造成空气污染。

3.2 相对湿度、温度与风速的逐时变化

图3(a)(b)(c)(d)(e)为杭州市区5个个例所有站点平均的相对湿度、温度和风速逐时变化图。

图3 相对湿度与温度、风速的24 h变化

由图3可见，夜间的温度低于白天，但相对湿度一般较大，在下午14：00—15：00左右温度达到一天最高值，而湿度达到一天最低值，4月15日和6月11日由于有降水，最大湿度均超过90%，而最低湿度也在50%以上。 7月26日相对湿度日较差较大，变化范围是30%～95%，资料显示并没有降水发生，且这一天风速比较大，夜间最大达到了4 m/s。10月3日夜间的相对湿度也达到了80%以上，12月13日冬季个例的相对湿度在夜间超过了60%，由此可见上述个例夜间的相对湿度均较高。除了6月11日之外，相关系数都达到了-0.97以上，而6月11日相关系数为正值，可能与这一天发生降水有关。而湿度与风速的相关系数在-0.4左右，说明湿度与风速具有一定的负相关性。有利和不利于污染扩散的天气个例当中温度、相对湿度的逐时变化趋势基本相同，2者的区别在于风速大小具有显著差异，风速越大，越有利于污染物的扩散和稀释。

3.3 垂直方向温度与位温廓线分析

图4(a)(b)(c)(d)(e)为5个个例2 km高度以下温度的垂直廓线。其中：(a)2011-12-13；(b)2012-04-15；(c)2012-06-11；(d)2012-07-26；(e)2012-10-03。

由图4可见，2011年12月13日02：00近地面100 m左右出现一段非常浅薄的逆温层，高空800～2 000 m出现一段深厚的逆温层，08：00近地面的逆温层从100 m左右开始延伸到了200 m，而800～2 000 m的逆温层变得更加深厚，之后的14：00和20：00，低层100 m左右的逆温层消失，而高空900～1 200 m仍然存在逆温层。

位温廓线图见图5(a)(b)(c)(d)(e)。其中：(a)2011-12-13；(b)2012-04-15；(c)2012-06-11；(d)2012-07-26；(e)2012-10-03。

由图5可见，02：00和08：00近地层50 m以下接近垂直，呈现中性层结，到20：00中性层结从地面延伸到700 m高空，由此可见2011年12月13日大气层结比较稳定，使得底层污染物无法向高层扩散。

2012年4月15日02：00大气低层在100～300 m存在逆温层，08：00逆温层抬升到200～600 m，14：00减弱为400～500 m，20：00到达600～800 m，可以看出逆温层在向上层延伸但逆温强度变化不大，其对应的位温廓线上02：00和08：00 200 m以下呈中性层结，200 m以上为稳定层结，到14：00中性层结高度延伸到400 m，到20：00 700 m以下全部变为稳定层结。由于大气比较稳定，因此底层空气污染物会慢慢累积，最终导致污染物浓度升高。2012年6月11日02时100～300 m存在逆温层，08：00达到200～600 m但是逆温强度有所减弱，14：00 300～400 m存在逆温层，20：00 600～800 m存在逆温层，逆温强度有所增大。位温廓线与4月15日变化相似。2012年10月03日，02：00地面到400 m出现深厚的逆温层，08：00近地面逆温层抬升到100～400 m，14：00逆温层只出现在1 500 m以上的高空，20：00逆温层位于1 300～1 400 m，位温廓线上02：00和08：00近地面200 m以下，以及400～1 200 m为中性层结，14：00近地面100 m以下存在很浅的不稳定层结，而100～1 500 m均为中性层结，到20：00从地面到1 000 m左右都变为中性层结，因此污染物无法向上层扩散，将会导致污染物浓度的升高。2012年7月26日，四个时刻均未出现逆温层，由对应的位温廓线可见，02：00近地面为中性层结，08：00近地面100 m以下为较弱的不稳定层结，100～400 m呈中性，到14：00近地面300 m以下呈现不稳定层结，结合之前的10 m风场分析可知，此时地面风速较大，有利于污染物的水平输送及垂直扩散，20：00不稳定层结逐渐向中性层结转变。

图4 温度垂直廓线图

图5 位温廓线图

综上所述，当近地层以及高空出现较为深厚的逆温层且低层位温廓线呈现中性层结或者稳定层结时，由于水平风速较小，湍流较弱，因此不利于污染物的水平输送及垂直扩散，污染物容易在大气低层积累，出现近地层的空气污染现象。

3.4 城区与郊区的比较

城区与郊区10 m风速、2 m温度和2 m相对湿度的差异见图6(1)(2)(3)。其中：(a)2011年12月13日；(b)2012年4月15日；(c)2012年6月11日；(d)2012年7月26日；(e)2012年10月3日。

由图6可见，市区和郊区的风速、温度和相对湿度变化趋势基本保持一致，但是量值上具有显著差异。

大部分时段郊区风速与相对湿度明显大于城区，而温度在各个时段则明显小于城区。在局地气象要素中，风速对污染物浓度的影响最为显著，而温度和相对湿度的影响则相对不明显[5]。一方面，由于郊区风速更大，因此其输送扩散能力更强，有利于污染物的扩散和稀释。另一方面，由于城区风速一般小于郊区，空气流动较郊区缓慢，因此大气的水平运动较弱，容易导致污染物的持续累积，从而导致比郊区严重的空气污染事件。

4 结论

利用杭州市气象局观测资料、NCEP FNL再分析资料和WRF模式的模拟结果，选取2011年12月13日、2012年4月15日、2012年6月11日和2012年10月3日四个轻度污染个例，以及2012年7月26日空气质量良好个例，分析了天气形势与污染特征的关系，结果表明，杭州市容易发生轻度污染的天气类型主要有4类：高压前部、高压底部、高压控制、高压后部，可见当杭州市由高压系统控制时容易发生空气污染。当500 hPa高压系统稳定，受西南气流影响，850 hPa有暖平流，1 000 hPa风速较小时，容易造成污染物的积累，发生空气污染现象。受杭州地区地形影响，当为北风和东北风且风速比较小时，容易使污染物积累，致使污染物浓度升高，造成空气污染，而在风速较大且为偏南风时，不易造成空气污染。当发生空气污染时，底层大气湿度一般比较大，且全天变化范围不大，而风速都比较小。当近地层以及高空出现较为深厚的逆温层且低层温度层结呈现中性或者稳定时，不利于污染物的扩散，污染物容易在底层积累，出现近地层空气污染现象。城区的污染状况一般比郊区严重，空气质量较好时风速一般比较大。

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栏目编辑 李文峻

Analysis of the Characteristics of Different Weather Condition Impact on Air Quality in Hangzhou by Case Studies

WANG Xue-yuan，JIANG Ya-ping，LIU Hong-nian，ZHANG Ning

(SchoolofAtmosphericSciences，NanjingUniversity，Nanjing，Jiangsu210023，China)

Using the observation data of Hangzhou meteorological bureau，final reanalysis data provided by NCEP and the WRF model results，the meteorological and pollution characteristics of four cases by different weather types in each season (spring，summer，autumn，winter) from 2011 to 2012 were analyzed. By contrast，another case in the summer of 2012 which was propitious to the spread of pollutants also was analyzed. The results showed that there had four kinds of weather types(the forepart of high pressure，the bottom of high pressure，high pressure control and the back of high pressure)easily occurred light air pollution. The result indicated by the synoptic situation showed that when the 500 hPa level synoptic maps had stable high-pressure system and simultaneously was affected by the southwest airflow，and the 850 hPa level synoptic maps had worm advection，and 1 000 hPa level synoptic maps had low wind speed would easily cause the accumulation of the pollutants，and occur air pollution episode. The WRF model results showed that the northerly direction and small wind speed was easily leading to the air pollution incidents. On the other hand，under the southerly direction and larger wind speed condition，the air quality was generally good. The analysis of the temperature stratification showed that the deep inversion layer and the neutral or stable temperature stratification at the surface layer and upper air would cause to the accumulation of pollutants at the bottom layer，and meanwhile leading to the air pollution.

Synoptic situation；Air pollution；Meteorological conditions；Model simulation；Hangzhou

2016-09-13；

2016-10-25

国家自然科学基金资助项目(41305006；41575141)；江苏省自然科学基金资助项目(BK2012314)

王学远(1981—)，讲师，博士，主要研究大气物理与大气环境数值模拟。

X823

B

1674-6732(2016)06-0001-08