中山市2013年污染天气形势和气象要素特征分析

王文丁，陈焕盛，姚雪峰，郑海涛，晏平仲，吴文威，徐迅宇，黄嘉璐，王自发

1.中国科学院大气物理研究所，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，北京 100029

2.中国科学院大学地球科学学院，北京 100049

3.中山市环境监测站，广东 中山 528400

4.中山市环境保护局，广东 中山 528400

中山市2013年污染天气形势和气象要素特征分析

王文丁1，2，陈焕盛1，姚雪峰1，2，郑海涛1，2，晏平仲1，吴文威3，徐迅宇3，黄嘉璐4，王自发1

1.中国科学院大气物理研究所，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，北京 100029

2.中国科学院大学地球科学学院，北京 100049

3.中山市环境监测站，广东 中山 528400

4.中山市环境保护局，广东 中山 528400

利用2013年中山市空气质量监测资料、气象观测资料、韩国气象厅天气图资料和WRF数值模式模拟分析了中山市全年大气污染的基本特征,总结了易于造成大气污染的典型天气形势和气象要素条件。结果表明：2013年中山市空气污染主要发生在秋季和冬季，首要污染物类型为PM2.5和O3,全年共发生12次持续污染事件；当中山市位于我国大陆冷高压底部(冷锋前部)副热带高压脊线北部或台风外围地区时有利于污染发生；中山市的弱(风速1～2 m/s)偏北风或偏东风、合适的相对湿度(40%～60%)和温度(秋季20～25 ℃，冬季10～15 ℃)均可能造成秋冬季的大气污染，而高温(大于30 ℃)是造成夏季大气污染的主要原因。1月PM2.5重污染期间的WRF数值模拟结果表明：此次PM2.5污染是小风(风速小于2 m/s)、地面增暖(增温2 ℃)、增湿(增湿5%以上)综合作用的结果，而大风(风速大于4 m/s)的强扩散作用对PM2.5的清除效果显著。

空气污染；天气形势；气象要素；中山

中山市位于我国华南珠江三角洲经济发达地区。近20年来，随着当地经济快速发展，空气污染问题日益突出[1-2]。谢付莹等[3]研究指出，当大气污染前体物排放量稳定时，决定大气污染发生的关键因素主要是气象条件。中山市依山傍海，地理位置特殊，一旦遭遇持续的不利气象条件，空气污染物便会不断积累，进而导致当地空气质量迅速变差[4]。关于天气形势和气象要素对大气污染的影响，国内外已有学者做过较多研究。CHEN等[5]研究指出，天气尺度气压系统及其转变与大气污染关系密切；TAI等[6]研究发现，温度、相对湿度、降水等气象要素的日变化对于PM2.5日均浓度变化有重要影响，尤其是静稳天气下，局地PM2.5日均浓度将升高；JEONG等[7]的研究表明，东亚空气质量与大气混合层高度密切相关，过去10年夏季混合层加深使东亚地区PM2.5前体物浓度减少了4%，而冬季混合层降低使东亚地区PM2.5前体物浓度增加了7%。

近年来，针对珠三角地区大气污染天气形势和污染气象要素特征所开展的研究也较多。ZHENG等[8-9]的研究均表明，受东北气流和沿海东南气流的共同影响，珠三角地区高浓度污染过程时有发生；李颖敏等[10]通过对2008年秋季易造成珠三角地区污染的天气环流形势进行了总结分类，将其划分为冷锋前部型、高压底部型、高压脊控制型3类；余纬等[11]对2009年11月25日珠三角地区重污染过程的研究表明，强冷空气东移出海变性为强暖高压是造成此次区域污染的主要天气系统；吴蒙等[12-13]的研究均表明，风是影响珠三角地区空气质量最主要的气象要素，区域霾天气过程与该区域内静小风过程关系密切，而清洁过程常与强平流输送有关。这些研究多是基于大尺度天气形势的定性分析，且研究区域多为整个珠三角地区，而针对中小城市尺度的污染气象条件定量分析较少。因此，本文采用2013年中山市空气质量自动监测资料以及同期气象自动观测资料、韩国气象厅天气图资料，结合WRF中尺度数值模式模拟结果，在定性分析大尺度天气形势的基础上，给出了易造成中山市局地污染的风速、风向、气温、相对湿度特征值，以期为华南地区开展局地污染监测预警业务提供参考依据。

1 中山市空气质量概况与污染个例筛选

空气质量指数(AQI)既能全面反映区域内各种大气污染物的浓度水平，还能确定首要大气污染物类型。因此，基于中山市区4个自动环境监测站(华柏园、张溪、长江水库、紫马岭公园) 6项基本污染物(SO2、CO、O3、NO2、PM10、PM2.5)浓度，计算该市AQI，从而确定首要污染物类型，并据此分析2013年中山市空气质量状况。

1.1 中山市空气质量概况

依据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)[14]，将环境空气质量划分为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染6个等级，同时还依据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[15]将AQI达到轻度污染(AQI>100)时定义为大气污染物浓度超标，将AQI达优、良(AQI≤100)时定义为空气质量达标。统计结果表明，中山市2013年1—12月共104 d大气污染物浓度超标，超标天数占全年的28%。图1给出2013年中山市四季各等级空气质量天数分布，该市春、夏季空气质量以优和良居多，这2个季节空气质量达标率分别为88%和93%；秋、冬季出现空气污染的天数较春、夏季明显增多，这2个季节空气质量达标率分别为53%和51%；该市全年未出现严重空气污染日。图2给出2013年中山市各季节大气污染物浓度超标时首要污染物类型对应的天数，全年主要污染物为PM2.5和O3，在所有污染事件中出现的比例分别占60%和33%，NO2污染偶有发生，出现比例占7%；PM2.5污染全年均有出现，冬季天数最多，秋季次之；O3污染除冬季外，其他季节均有出现，秋季最多。NO2污染仅在春、冬季少量出现。

图1 2013年中山市各等级空气质量天数分布

图2 2013年中山市空气质量超标时各首要污染物类型对应的天数

1.2 中山市持续污染个例筛选

为揭示中山市空气污染天气形势和气象要素特征，筛选该市2013年持续性污染个例。当AQI连续3 d超过100时，定义为一次持续污染个例。据此标准，该市2013年共有12次持续污染个例(表1)。其中，1月10—24日受PM2.5污染持续时间最长，达15 d，最高污染等级达到重度污染，属于一次典型重污染过程。

2 造成中山市污染的典型天气形势

基于持续性污染个例，利用韩国气象局每日02：00、05：00、08：00、11：00、14：00、17：00、20：00、23：00(北京时间)天气图资料，分析中山市持续性污染发生时对应的地面、850 hPa、500 hPa天气形势，提炼各层次有利于持续性污染发生的典型天气形势。

表1 2013年中山市持续性污染个例筛选结果及其对应的天气形势

注：污染等级3、4、5分别对应轻度污染、中度污染、重度污染；SⅠ、SⅡ、SⅢ、SⅣ分别表示大陆高压底部影响型、弱槽弱脊东移影响型、副热带高压脊线影响型和台风边缘影响型，LⅠ、LⅡ分别表示带状高压影响型和台风边缘下沉气流影响型，MⅠ、MⅡ、MⅢ分别表示平直西风影响型、槽后西北气流影响型、副热带高压控制型，非典型指无法归为上述类型的天气形势。

2.1 有利于持续性污染发生的地面天气形势

有利于中山市持续性污染发生的典型地面天气形势有如下4种类型(见图3)。

1)大陆高压底部影响型(SⅠ)。蒙古高压强盛时，不断分裂出弱高压南下到达我国中部地区，中心气压1 025～1 035 hPa；而后，高压经由我国东部沿海或福建沿海地区入海。中山市位于高压底部，盛行弱偏东风或偏北风(风速小于4 m/s)，华北和华东地区的污染物随之被输送至中山市并在此积累。这种地面天气形势最有利于造成中山市持续性污染(表1)。

2) 弱槽弱脊东移影响型(SⅡ)。受地面弱槽弱脊东移影响，中山市风向多变，风速小于2 m/s，地面天气形势稳定，不利于污染物扩散。在具体某次持续性污染过程中，此型地面天气形势多与SⅠ型交替出现。

3) 副热带高压脊线影响型(SⅢ)。随着春季西太平洋副热带高压逐渐加强，其北侧边缘延伸至我国华南以北地区，中山市位于副高脊线附近。受其影响，该地区风速小于2 m/s，天气形势稳定。这种地面天气形势多造成春秋季持续性O3污染[16]。

4) 台风边缘影响型(SⅣ)。当中山市位于台风边缘时，地面风向为偏东风或偏北风，风速一般小于4 m/s。台风外围下沉气流有利于大气更趋稳定[17]，使大气污染物在该地区累积。

2.2 有利于持续性污染发生的850 hPa天气形势

当有大规模污染事件发生时，污染物累积一般发生在近地层。因此，850 hPa温压场配置将直接影响近地面污染物累积、增长和输送。分析2013年中山市12次持续性污染个例，得到以下2种最有利于该市持续性污染发生的850 hPa天气形势(图4)。

图3 有利于中山市持续性污染发生的地面天气形势

图4 有利于中山市持续性污染发生的850 hPa天气形势

1) 带状高压影响型(LⅠ)。秋、冬季我国西北地区常有弱高压向东南方向延伸至西太平洋地区，中山市受这一带状高压控制，天气形势较稳定。另外，这一高压系统常与冷锋过程相联系。当中山市位于冷锋前部时，锋前暖区增温易在中低层形成逆温，使污染物在中低层累积。此型天气形势与地面大陆高压型(SⅠ)配合，成为造成中山市持续性污染最常见的天气形势(表1)。

2) 台风边缘下沉气流影响型(LⅡ)。台风是大气中的深厚系统，当有台风靠近中山市时，从地面到850 hPa均会受到台风外围下沉气流影响，使整个中低层大气趋于稳定，污染物扩散条件变差。

2.3 有利于持续性污染发生的500 hPa天气形势

500 hPa位于对流层中层，其天气形势变化虽不会直接导致地面污染加重或减轻，但500 hPa天气形势稳定与否对低层天气系统维持与发展具有重要影响，而低层环境条件与污染是否持续关系密切。有利于中山市持续性污染发生的500 hPa天气形势有如下3种类型(图5)：

1) 平直西风影响型(MⅠ)。MⅠ型多出现在冬季，西风带无明显波动，中山上空盛行西风，天气形势较稳定。

2) 槽后西北气流影响型(MⅡ)。高空槽后对应的低层有下沉气流，易形成静稳天气，当高层有暖中心时，若对应低层也有暖平流，则极易形成持续的深厚污染天气。

3) 副热带高压控制型(MⅢ)。多发生在夏季或秋季，受副高影响，中山市上空天气形势稳定，风速较小。

图5 有利于中山市持续性污染发生的500 hPa天气形势

3 污染气象要素特征

天气图分析结果表明，地面典型污染天气形势下对应的气象要素特征主要表现为风速较小，但气温、相对湿度对大气污染的影响通过天气图分析难以识别。因此，为了确定各气象要素对大气污染的指示意义，选取中山东区长江水库监测站(空气质量对照站，受污染物排放变化影响较小)计算该站全年日均相对湿度、气温和风向风速，结合该站的AQI，统计各季发生污染时上述气象要素特征值(见图6)。

由各季节不同相对湿度范围发生污染的概率统计结果可知[图6(a)]，各季节相对湿度低于40%时均无污染发生；秋、冬季相对湿度为40%～60%时发生污染的概率最大，春、夏季相对湿度为60%～80%时发生污染的概率最大，各季在相对湿度大于80%时发生污染的概率均不大，这可能和降水的湿清除过程有关。

由各季节不同气温范围发生污染的概率统计结果可知[图6(b)]，春季在各气温段发生污染的概率均不大。夏季气温高于30 ℃发生污染的概率达到60%，这可能与夏季高温时臭氧污染有关[18]。秋季气温在20～25 ℃时发生污染的概率最大，超过50%。冬季气温在10～15 ℃时发生污染的概率最大，超过50%。

由各季不同风速、风向范围发生污染的概率统计结果可知[图6(c)、图6(d)]，春、夏季在不同风速风向范围发生污染的概率均较小。秋、冬季发生污染频率最高的风速为1～2 m/s，风向主要为偏北风和偏东风。各季节在风速大于4 m/s时均无污染发生。这说明，就中山市而言，静稳气象条件是污染发生的一个关键因素，而具备弱风速时，外来污染物输送可能也是污染发生的一个重要条件[19-20]。

4 典型污染个例气象条件模拟分析

2013年中山市大气污染主要发生在冬季，且首要污染物类型为PM2.5(图1)，这类持续污染过程不仅受到大尺度环流背景影响，还与中山市局地气象条件有关。基于这一特点，采用嵌套网格数值模式不仅可反映大尺度天气形势特征，还能针对局地气象条件进行精细化模拟。因此，挑选2013年1月10—24日这一典型污染个例，利用WRF中尺度数值模式对PM2.5浓度最高时段中山市及其周边地区气象要素进行模拟研究。

图6 长江水库站不同气象要素条件下发生污染的概率

4.1 PM2.5浓度时空变化特征

挑选中山市小榄、张溪、紫马岭、三乡4个监测站的监测数据分析PM2.5小时浓度均值演变特征。其中，张溪、紫马岭监测站位于市区，小榄监测站位于该市北郊，三乡监测站位于该市南郊。

从各监测站逐时平均PM2.5浓度变化看(图7)，这次污染过程是由多个持续时间较短而污染物浓度较高的污染时段组成，每个时段间隔不到1 d。整个污染事件中污染物浓度的最高峰出现在21日00：00至25日00：00时，除三乡外，其余3个监测站在此期间均有至少1 d的PM2.5浓度达到重度污染，25日00：00时之后各监测站PM2.5浓度迅速降低。从空间分布上看，在这次污染过程中市区站污染物浓度高于市郊站，北部站污染物浓度高于南部站。另外，在21—25日由北向南从小榄站开始，张溪、紫马岭、三乡PM2.5浓度依次达到峰值，由此可初步推断，这一重污染过程可能是由北向南发生的。

4.2 WRF模式设置及验证

WRF模拟时段为北京时间2013年1月20日00：00至25日23：00时。采用兰伯特投影，设置4层双向嵌套区域。第一层(d1)为东亚地区(格点数88×77)，第二层(d2)覆盖中国南部地区(格点数93×75)，第三层(d3)区域为广东省(格点数102×84)，第四层(d4)区域包括整个珠江三角洲地区(格点数123×108)。4层嵌套区域水平空间分辨分别为81、27、9、3 km。外层选择较大的区域可保证长期模拟过程中内层区域具有较为合理的侧边界条件，并可充分考虑大尺度天气系统对珠三角地区的影响。

在中山市的不同气象监测站处，将WRF模拟的2 m气温、地面相对湿度、10 m风速与观测值对比后发现，其相关系数(r)均大于0.50，标准化平均偏差(NMB)为-70%～70%，WRF模拟结果能代表真实的气象条件。

4.3 WRF模拟结果分析

从WRF模拟的中山市重度污染期间东亚地区(d1)地面风场、温度场上可见(图8)：1月20—25日，我国华南沿海地区风场由弱偏东风转为较强偏北风；我国中部至华南地区有等温线密集区形成并逐渐南移入海，当珠三角地区风场转为偏北风时有较强的冷平流输送，表明有冷锋过境。可见，数值模式模拟的大尺度天气形势与天气图分析结果相近(表1)。另外，数值模式能给出地面温度场分布，相比地面天气图能更全面地反映地面天气形势特征。

图7 2013年1月9—26日小榄、张溪、紫马岭、三乡逐时平均PM2.5浓度变化

黑色圆点为中山市位置；箭头为风场，单位m/s；黑色等值线为气温，单位℃。

对中山市局地(d4)气象场的模拟结果表明(图9)，该地区风场由弱偏东风转为较强的偏北风。1月20—22日，当中山市位于冷锋前部时，气温增高约2 ℃，相对湿度增加5%以上，并有暖湿中心维持。这期间高温高湿气象条件为颗粒物吸湿增长和化学反应创造了有利条件[21]；同时，弱偏北风有利于将中山北部的高浓度污染物(图7)向南输送，因此中山市PM2.5浓度在1月22日达到最大值。1月22—25日，由于冷锋过境，中山市风速增大至4 m/s，气温和相对湿度显著降低，局地扩散条件好转，中山地区PM2.5污染随之减轻。

5 结论

1) 中山市2013年秋季和冬季空气质量较差，春季和夏季较好。秋季以PM2.5和O3为首要污染物类型；冬季主要以PM2.5为首要污染物类型。2013年1次持续性重污染出现在1月10—24日，首要污染物类型为PM2.5。

黑色圆点为中山市位置；箭头为风场，单位m/s；阴影为相对湿度，单位%；黑色等值线为气温，单位℃。

2) 2013年造成中山市污染最为常见的地面和低层天气形势：秋、冬季我国中部大陆有冷高压形成，其前缘常有冷锋，中山市位于高压底部，冷锋前部。此外，当中山市位于台风边缘地区或副高脊线北侧时也有利于产生持续性污染。中层500 hPa平直西风气流、槽后西北气流以及稳定的副热带高压使污染得以维持。

3) 中山市秋、冬季，当吹1～2 m/s的偏北风或偏东风，相对湿度为40%～60%，有利于触发污染事件。秋季日均气温20～25 ℃最有利于触发污染；冬季日均气温10～15 ℃最有利于触发污染；高温(日均气温大于30 ℃)是触发夏季污染的关键因素。

4) 2013年1月21—24日PM2.5重污染过程是由北向南发生的。WRF数值模拟结果显示，在冷锋到达前，地面弱风(风速小于2 m/s)、增暖(增温2 ℃)、增湿(增湿5%以上)时，PM2.5浓度上升。随着冷锋过境，地面偏北风显著增大，温度和湿度显著降低，PM2.5浓度迅速降低，污染过程随之结束。

天气形势变化以及关键气象要素(相对湿度、气温、风场)改变对空气质量变化具有一定的指示意义，可为空气质量监测预警提供参考依据。本文仅结合了污染物浓度监测数据和气象观测及模拟结果分析中山市污染气象特征，对气象条件对污染物浓度的空间分布特征和来源影响涉及有限，今后可考虑进一步利用空气质量数值模式进行深入研究。

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A Study of the Meteorological Conditions and Synoptic Factors in Pollution Episodes of Zhongshan during 2013

WANG Wending1,2, CHENG Huansheng1, YAO Xuefeng1,2， ZHENG Haitao1,2， YAN Pingzhong1， WU Wenwei3， XU Xunyu3， HUANG Jialu4, WANG Zifa1

1.State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry (LAPC), Institute of Atmospheric Physics (IAP)，Chinese Academy of Sciences (CAS)，Beijing 100029，China

2.College of Earth Science,University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

3.Zhongshan Environmental Monitoring Station, Zhongshan 528400, China

4.Zhongshan Environmental Protection Bureau, Zhongshan 528400, China

Using the air quality monitoring data and meteorological data in Zhongshan, weather chart from Korea Meteorological Administration (KMA) and Weather Research and Forecasting Model (WRF), the characteristics of air pollution in Zhongshan during 2013 are analyzed, types of synoptic factors which are helpful to accumulation of pollutants are summarized, and the typical meteorological conditions during pollution episodes are studied. Results indicate that: Air pollution in Zhongshan during 2013 mostly occurred in fall and winter, whose primary pollutants are Particulate Matter with particle size below 2.5 μm (PM2.5) and ozone. 12 persistent pollution cases happened in 2013. When Zhongshan locates in the bottom of East Asian continental high pressure (in the edge of cold front), in the northern edge of subtropical high, or in the edge of typhoon, it’s beneficial for air pollution. The weakness (wind speed less than 2 m/s) of northern or eastern wind field, proper relative humidity (40%-60%) or temperature (20-25 ℃ in fall,10-15 ℃ in winter) are all possible causes for accumulation of air pollutants in fall and winter. High temperature(more than 30 ℃) is critical for air pollution in summer. WRF simulation for severe PM2.5pollution occurred in January indicates that:the comprehensive effect of weak wind (wind speed less than 2 m/s), increasing temperature (2 ℃ warmer) and increasing relative humidity(5% wetter) results in this pollution case. Strong wind (wind speed more than 4 m/s) results in the dissipation of PM2.5pollution.

air pollution;meteorological condition;synoptic factors;Zhongshan

2014-12-23;

2015-04-22

中国科学院先导 B 类专项(XDB05030200)；国家科技支撑计划项目(2014BAC21B02)；国家自然科学基金资助项目(41405119)

王文丁(1991-)，男，湖北武汉人，硕士。

X823

A

1002-6002(2016)01- 0044- 09