污染物跨界输送对珠三角旱季霾的影响过程研究

王安琪， 盛立芳,2*， 曹子淇， 王文彩， 孙即霖,2

(1.中国海洋大学 海洋与大气学院，；2.海洋大气相互作用与气候实验室，物理海洋教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

污染物跨界输送对珠三角旱季霾的影响过程研究

王安琪1， 盛立芳1,2*， 曹子淇1， 王文彩1， 孙即霖1,2

(1.中国海洋大学 海洋与大气学院，；2.海洋大气相互作用与气候实验室，物理海洋教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

利用EOF分析方法和HYSPLIT-4轨迹模式对珠江三角洲2005-2015年旱季共251个霾日的天气形势及气团后向轨迹进行聚类，分析了外源污染物跨界输送对珠三角旱季霾发生的影响过程.以2015年1月20日为典型霾日个例，从天气学和物质输送角度对该个例进行研究.结果表明，引起珠三角地区旱季霾发生的外源污染物主要来自珠三角以北的中国大陆地区.霾形成过程中，华北地区700 hPa高压脊前负涡度平流对应海平面至850 hPa均有一高压系统，高压东北向气流有利于污染物由从长三角地区输送至珠三角地区.长三角地区平均空气质量通量为负，有质量输出；珠三角地区平均空气质量通量为正，有质量输入.珠三角地区在高压影响的下沉气流控制下，Q矢量散度为正，污染物易积聚成霾.图12，参24.

霾；跨界输送；天气形势；垂直运动；Q矢量散度

珠江三角洲是我国经济最发达的地区之一，由于区域资源和能源消耗量过大，多种大气污染物高强度集中排放，光化学烟雾、霾等大气污染问题日益突出[1-2].珠三角地区各个城市旱季(10月-次年3月)的霾日明显多于雨季(4-9月)，当冷暖气团强度相当或交汇时，易出现区域性污染[3].珠三角地区北依南岭，南临南海，地理环境特殊，其气象特征非常复杂.雨季珠三角极易受到南海夏季风和台风的影响；旱季又频繁受到寒潮的影响；同时还受海陆风、城市热岛环流、越南岭下沉气流等的复合影响[4].

霾的发生与天气形势和气象条件有关.关于天气形势和气象条件对污染状况的影响，国内外已经有较多的研究工作[5].Stohl等利用拉格朗日算法分析美国污染事件中污染物的气团轨迹与天气形势的关系发现美国东部和中西部的区域污染事件与缓慢移动的高压系统和边界层不利的通风条件紧密相关，而污染事件的终结则是由东移的中尺度气旋造成的[6].Vuko vich指出污染事件频率的年际变化很大程度上依赖于天气条件，污染形势对天气尺度环流也具有较强的敏感性[7].吴蒙等研究表明，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[8].吴兑等认为静小风、相对湿度增加、地面温度升高易形成稳定的天气形势，有利于污染物的聚积；而降雨、降雪、强平流输送常伴随污染物的消散[9].

引发霾的污染源有本地源及外地源，外地污染物通过跨界输送影响霾的发生与空气质量.国外学者针对污染物跨界输送开展了不少研究.Masiol等通过研究威尼斯霾日PM10的化学成分总结出不同天气形势下的污染物跨界输送的特征[10].Moussiopoulos等利用TRAPPA 模型研究了欧洲东南部NOx和SO2基于不同天气形势的跨界污染路径[11].Kaldellis等定量研究了欧盟各国输出到其它国家以及由其它国家输入到欧盟的NOx和SO2[12].我国学者也针对京津冀、长三角和珠三角等经济发达地区开展了不少污染物跨界输送的研究.王淑兰等通过零排放扰动法指出珠三角地区城市之间存在相互污染继而导致霾的发生[13].王艳等通过MM5模式及气流前向轨迹得出长江三角洲地区对外界的中尺度污染传输主要受东亚季风活动的影响,其中冬季季风是长三角污染物向华南和西太平洋地区传输的一个主要机制[14].污染物通过跨界输送，造成各城市大气污染相互关联以及多种高浓度污染物在时空上的重叠，并导致污染物在输送转化过程中的耦合作用，形成区域性污染[15].

前人的研究证明了大气污染物可以通过平流输送对其他地区产生影响，但从气象学角度对污染物跨界输送的具体过程解释还不充分.本文将重点研究污染物跨界输送对珠三角旱季霾的影响过程.从气象学角度出发，结合天气形势与气团后向轨迹，利用气象要素变化场解释外源污染物跨界输送的原因.研究有利于深入了解霾形成的外部条件，为区域污染联合防治提供科学支持.

1 数据资料与研究方法

1.1 数据资料

(1)2005～2015年全国地面站点气象观测资料，包括每日四次的风速、风向、能见度、温度、露点温度、天气现象.

(2)欧洲中期天气预报中心(ECMWF)网站发布的2005～2015年海平面、1 000 hPa至500 hPa共16层等压面经向风、纬向风、垂直速度、相对涡度、相对湿度、位势高度资料.空间分辨率为0.5°×0.5°，时间分辨率为6 h.

(3)美国国家海洋大气研究中心(NOAA)空气资源实验室HYSPLIT-4单粒子轨迹模式提供的气团移动过程中的轨迹数据.空间精度为1°×1°.

(4)环境保护部数据中心提供的2015年全国367个站点空气质量指数(AQI).

1.2 研究方法

1.2.1 霾日筛选

筛选霾日一般有两种方式，一种是用能见度日均值，定义日均能见度小于10 km，日均相对湿度小于90%，并排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和烟幕等其他能导致视障现象的事件为一个霾日；另一种是使用能见度14∶00(北京时间，下同)的实测值，用于分析能见度小于10 km，相对湿度小于90%，并排除其他能导致视障现象事件的情况为一个霾日[16].为防止夜间边界层变化引起的误差，本文采用后者作为筛选霾日的标准.取珠三角内广州、东莞、中山、深圳、珠海、惠阳、香港、澳门共八个站点中有4个或4个以上站点发生霾，则计1次珠三角霾日.利用2005～2015年珠三角地区旱季的气象资料，共挑选出251个霾日.

1.2.2 自然正交函数

采用气候学研究中常用的自然正交函数(EOF)分析珠三角旱季霾发生时500 hPa、700 hPa、850 hPa位势高度场以及海平面气压场特征.特征向量对应空间样本，称空间模态；主成分对应时间变化，称时间系数[17].利用EOF对位势高度场进行分析可以得出珠三角旱季霾日主要的天气形势.EOF分解结果需通过North检验，即计算特征值误差范围的方法来进行显著性检验.特征值λj误差范围为

(1)

其中，n为样本量.当两相邻的特征值λj+1满足λj-λj+1≥ej时，则认为这两特征值所对应的经验正交函数有意义.

1.2.3 局地环流指数

在描述近地面风场输送能力时，引入风场的局地环流指数R[18]，公式如下：

(2)

其中，ΔT表示时间间隔，i表示数据时刻，is为起始时刻，ie是终止时刻，u表示10m风水平风速的南北分量，v表示10 m风水平风速的东西分量.当R接近1时，表示稳定的输送；当R接近0时，表示几乎没有有效输送.

1.2.4 HYSPLIT-4模式

采用美国国家海洋大气研究中心(NOAA)空气资源实验室的轨迹模式(HYSPLIT-4)分析典型个例的气团后向轨迹，该模式结合欧拉和拉格朗日算法计算气团移动过程中的平流输送、扩散及沉降，被国内外学者广泛应用于分析污染物来源及轨迹的研究中，模式初始场采用的是NCEP全球同化资料(Global Data Assimilation System，GDAS)提供的空间精度为1°×1°的分析场资料[19].研究表明，一般城市建筑群上空(320 m)为大尺度远距离输送即外源污染物影响显著区[20].因此本文取深圳市(22.72°N,114.24°E)300 m 高度72 h的气流后向轨迹变化为研究对象.

1.2.5 Q矢量及Q矢量散度

Hoskins根据p坐标系下运动方程组及热成风方程将准地转强迫项表示为一个矢量的散度，将这个矢量称为Q矢量(式(3)).用Q矢量散度表示垂直速度ω的大小及分布[21,22]，(4)式中ω的大小仅与Q矢量散度有关，克服了位势倾向方程中两项产生二级环流相互抵消的作用，利用Q矢量散度建立温度平流及位势场变化对垂直速度的影响，解释气团在运动过程中上升及下沉的物理原因.由于公式(4)左端项与-ω成正比，所以ω∝；Q矢量辐散区，为正，ω为正(公式中取垂直向下为正方向)，有下沉运动；Q矢量辐合区，为负，ω为负，有上升运动.

(3)

(4)

1.2.6 跨界输送质量通量

描述霾发生时高空风场的质量输送能力时，作气团后向轨迹起始点(30°N，120°E)至终点(22°N，114°E)间连线，取底边垂直于两点间连线的单位面积.运用通量法对气团后向轨迹剖面上空气质量通量进行计算.公式如下[23]：

φ=ρ(ui-ui+1)

(5)

其中，φ为质量通量(kg·m-2·s-1),ρ为空气密度(kg·m-2)，u为通过插值得到的两点间连线上的格点风速(m·s-1),i为格点数.

2 结果与讨论

2.1 霾日天气形势

运用EOF分析珠三角旱季霾日500、700、850 hPa等压面位势高度场及海平面气压场以判断该地区旱季霾日典型天气形势.第一模态结果全部通过信度检验并且方差贡献率均高于60%，所以本文选取第一模态结果为重点研究对象.通过对第一模态中主成分高于1.5倍标准差的个例位势高度场及海平面气压场求平均，得到珠三角旱季霾发生时最显著的天气形势.

冬季北半球500 hPa图(略)上，中、高纬度主要呈典型的冬季三波结构.霾发生时，500 hPa(图1a)东北、华北地区位于高压脊前负涡度平流区，珠三角受西南气流控制.700 hPa北方大陆地区受暖高压脊控制(图1b)，对应850 hPa(图1c)、海平面气压场(图1d)中出现面积较大的高压.珠三角位于高压底部，盛行东北风.

2.2 霾日气团后向轨迹

以深圳站(22.72°N,114.24°E)作为后向轨迹的终点，通过HYSPLIT-4轨迹模式得到2005～2015年旱季珠三角发生霾时251个个例300 m高空72 h的后向轨迹数据，利用TrajStat软件进行轨迹聚类并绘图[24].图2显示，霾发生时外源气团的输入路径主要有四条：由长三角地区沿东南沿海海岸线输送至珠三角地区，所占比例为24%；由长三角经大陆上空进入珠三角地区，所占比例为56%；由安徽省经大陆上空进入珠三角地区，所占比例为15%；由北部湾进入珠三角的占5%.因此，珠三角旱季霾发生时，95%的外源气团来自于珠三角以北的中国大陆地区.始于长三角，经浙江、福建两省进入珠三角的外源跨界输送最为显著.所以该文将重点研究由此路径进入珠三角的个例.

图1 2005～2015年珠三角旱季霾日EOF第一模态，(a)500 hPa位势高度场，(b)700 hPa位势高度， (c)850 hPa位势高度场，(d)海平面气压场.Fig.1 500 hPa geopotential height field(a); 700 hPa geopotential height field(b); 850 hPa geopotential height field (c);sea surface pressure(d) of EOF first mode in haze days in dry season from 2005 to 2015 in PRD

图2 2005～2015年深圳站(22.72°N,114.24°E)旱季霾日300 m高度72 h后向轨迹聚类Fig.2 300 m backward trajectories in hazy days in dry season in Shenzhen (22.72°N,114.24°E) from 2005 to 2015

2.3 典型霾日过程分析

2.3.1 典型个例简介

根据EOF分析所得的天气形势第一模态结果，挑选出500、700、850 hPa及海平面时间序列均属前3，并且72 h后向轨迹由长三角经大陆上空进入珠三角的个例，选取2015年1月20日作为珠三角旱季霾日典型个例.

在珠三角霾发生之前72 h(后向轨迹的起始时间)，霾的区域集中在长三角地区，多站点AQI值达200以上，平均风速2 m·s-1(图3a).20日珠三角地区9站中7站有霾，AQI由17日平均值82上升至127，平均风速1 m·s-1(图3b).局地环流指数R平均值0.35(图4)，近地面风场输送能力弱，区域性霾爆发.

图3 2015年1月17日及20日14∶00风场-AQI-霾站点分布图(a.17日14∶00，b.20日14∶00； 填色为AQI,矢量为1 000 hPa风，单位：m·s-1，黑点为发生霾的站点)Fig.3 Wind field-AQI-haze stations on 17 Jan and 20 Jan 2015(a.at 14∶00 LST on 17 Jan 2015; b.at 14∶00 LST on 20 Jan 2015;shading is AQI; vector is wind at 1 000 hPa,unit: m·s-1 ; black dots are haze stations)

图4 2015年1月20日14∶00 局地环流指数RFig.4 Regional circulation index (R) at 14∶00 LST on 20 Jan 2015

由2015年1月20日14∶00深圳站300 m高空72 h后向轨迹(图5)看出，气团由长三角经过浙江、江西两省进入珠三角.后向轨迹的剖面图(图6)显示，污染物传播的高度在850 hPa以下.在长三角地区附近，地形对污染物传输有强迫抬升的作用.

霾多发区域的改变、AQI增加的趋势以及气团后向轨迹的方向均由长三角地区到珠三角地区.说明本次珠三角霾过程的发生，可能是由长三角地区污染物的跨界输送导致.

图5 2015年1月20日深圳站300 m高空72 h后向轨迹Fig.5 300 m backward trajectary in 72 h on 20 Jan 2015 in Shenzhen

图6 2015年1月20日14∶00深圳站300 m高空72 h后向轨迹沿轨迹的剖面图(阴影部分为地形，标记为时间点)Fig.6 Profile of 300 m-72 h backward trajectary at 14∶00 LST on 20 Jan 2015 in Shenzhen(shading is topography;X mark is timing)

2.3.2 典型霾日下沉运动

计算2015年1月20日14∶00珠三角发生霾时850 hPa及925 hPa的Q矢量及其散度.发现两等压面上Q矢量及其散度分布具有相同的特征：珠三角地区为Q矢量辐散区，Q矢量散度为正值(图7a，b)，对应下沉运动.在850 hPa及925 hPa均下沉的作用下，珠三角地区的污染物不易扩散，为霾形成创造了有利条件.

图7 2015年1月20日14∶00 850 hPa及925 hPa Q矢量及其散度(a.850 hPa，b.925 hPa；填色为垂直速度，单位：Pas-1：，垂直向上为正方向，矢量为Q矢量，等值线为Q矢量散度，实线为正虚线为负)Fig.7 Q-vector and Q-vector divergence on 850 hPa and 925 hPa at 14∶00 LST on 20 Jan 2015 (a.850 hPa; b.925 hPa;shading is vertical velocity,unit:Pas-1,upward is positive; vectors is Q; contour is Q-vector divergence, Solid line is positive and dashed line is negative)

2.3.3 典型天气过程分析

天气系统为污染物跨界输送提供动力.

17日至20日，500 hPa位势高度场中位于50～53°N，133～142°E的低压横槽转竖(图略)，东北、华北地区受暖高压脊控制.20日，长三角地区霾消散，AQI指数下降，珠三角地区多站点发生霾.

19日14∶00，500 hPa横槽转竖过程中，东北、华北地区500 hPa(图8a)、700 hPa(图8b)均受高压脊前负涡度平流控制，对应850 hPa(图9a)、925 hPa(图9b)以及海平面气压场(图略)均出现面积较大的高压.长三角至珠三角之间从地面至850 hPa均受高压系统东北向气流控制，珠三角位于高压底部，空气质量易受到由东北向气流携带的污染物影响.高压产生的下沉运动，不利于珠三角地区污染物垂直扩散.

20日14∶00海平面气压图(图10)中高压移动至河南、山东、江苏境内并出海，海平面气压24 h变压下降，珠三角地区24 h内风速下降1.5 ms-1，气温上升2.2℃，不利于珠三角地区污染物水平扩散.

在垂直扩散与水平扩散均不利的条件下，污染物在珠三角积聚成霾，珠三角地区AQI指数上升.

图8 2015年1月19日14∶00 500 hPa及700 hPa位势高度-温度-风场(a.500 hPa，b.700 hPa；矢量为风，单位：m·s-1；黑色等值线为位势高度，单位：gpm；红色等值线为温度，单位：℃)Fig.8 500 hPa and 700 hPa geopotential height-temperature-wind field at 14∶00 LST on 19 Jan 2015 (a.500 hPa; b.700 hPa; vector is wind,unit: m·s-1; black contour is geopotential height,unit: gpm; red contour is temperature,unit:℃)

图9 2015年1月19日14∶00 850 hPa及925 hPa位势高度-温度-风场(a.850 hPa，b.925 hPa；矢量为风，单位：m·s-1；黑色等值线为位势高度，单位：gpm；红色等值线为温度，单位：℃)Fig.9 850 hPa and 925 hPa geopotential height-temperature-wind field at 14∶00 LST on 19 Jan 2015 (a.850 hPa; b.925 hPa;vector is wind,unit: m·s-1; black contour is geopotential height,unit: gpm; red contour is temperature,unit:℃)

图10 2015年1月20日14∶00海平面气压场-24 h变压场(填色为24 h变压，等值线为海平面气压，单位：hPa)Fig.10 Sea level pressure and 24 h allobaric field at 14∶00 LST on 20 Jan 2015 (shading is 24 h allobaric field;contour is sea level pressure,unit: hPa)

22日08∶00珠三角地区500、700及850 hPa(图11a)均处于槽前正涡度平流控制范围内，易产生上升运动.925 hPa(图11b)珠三角地区位于高压后部，在冷平流控制范围内.上升运动有利于地面污染物垂直扩散.地面盛行东北风，风速5 m·s-1，局地环流指数0.9(图略)，近地面水平扩散条件良好，霾消散.

2.3.4 质量通量

为进一步证明物质的输送，用通量法计算气团起始点(代表长三角地区)(30°N，120°E)至终点(代表珠三角地区)(22°N,114°E)之间的平均空气质量通量.空气质量通量表示单位时间单位面积内质量的输送值，数值为正说明空气质量于此地有质量贡献，该地区有物质输入，负值则相反，说明该地区有物质输出.沿气团后向轨迹作截面，计算72 h内13个时刻(每6 h为1个时刻)的平均空气质量通量图，图12显示，珠三角地区平均空气质量通量为正值，有质量输入；长三角地区平均质量通量为负值，有质量输出.证明20日珠三角发生霾时，长三角地区对于珠三角地区有物质贡献.作为珠三角旱季霾日的典型代表，也进一步证明，在典型天气形势控制下，长三角地区的污染物跨界输送对珠三角地区冬季霾的发生会产生影响.

图11 2015年1月22日08∶00 850 hPa及925 hPa位势高度-温度-风场(a.850 hPa；b.925 hPa；矢量为风，单位：m·s-1；黑色等值线为位势高度，单位：gpm；红色等值线为温度，单位：℃)Fig.11 850 hPa and 925 hPa geopotential height-temperature-wind field at 08∶00 LST on 22 Jan 2015 (a.850 hPa; b.925 hPa;vector is wind,unit: m·s-1;black contour is geopotential height,unit: gpm; red contour is temperature,unit:℃)

图12 2015年1月17日14∶00至20日14∶00珠三角地区至长三角地区之间平均空气质量通量图(等值线为平均空气质量通量单位：kg·m-2·s-1；灰色阴影部分为地形)Fig.12 Average air mass flux from 14∶00 LST on 17 Jan 2015 to 14∶00 LST on 20 Jan 2015 between YRD and PRD(contour is average air mass flux,unit: kg·m-2·s-1 ; shading is topography)

3 结 论

1)造成珠三角地区旱季霾发生的外源污染物主要来自珠三角以北的中国大陆地区，其中自长三角地区经内陆跨界输送至珠三角地区的最多，占56%.

2)霾形成过程中，华北地区500、700 hPa高压脊前负涡度平流对应850、925 hPa、海平面气压场上的高压系统,珠三角位于高压底部.在高压东北向气流控制下，长三角地区平均空气质量通量为负，有质量输出，将污染物输送至珠三角地区.珠三角地区平均空气质量通量为正，有质量输入.高压产生的下沉气流对应Q矢量辐散区，不利于珠三角地区污染物垂直扩散.大陆高压出海强度减弱,珠三角地区近地面风速减小，气温升高，局地环流降低，不利于污染物水平扩散，霾爆发.

3)霾消散过程中，华南地区500、700、850 hPa槽前正涡度平流对应上升运动，有利于污染物垂直扩散.近地面风速5 m·s-1，局地环流指数0.9，有利于近地面污染物水平扩散.

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Biography：WANG An-qi,female,born in 1991,master degree candidate,atmospheric environment.

The Impact Process of Trans-boundary Transport of Pollutants on Haze in Dry Season in Pearl River Delta

WANG An-qi1, SHENG Li-fang1,2*, CAO Zi-qi1, WANG Wen-cai1, SUN Ji-lin1,2

( 1.College of Oceanic and Atmospheric Sciences; 2.Ocean-Atmosphere Interaction and Climate Laboratory,Key Laboratory of Physical Oceanography of Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

To deeply understand the impact process of trans-boundary transport of xenobiotic pollutants on haze in dry season,Empirical Orthogonal Function (EOF) and the HYSPLIT-4 model were used to cluster and analyze weather situation and backward trajectories of 251 haze episodes in Pearl River Delta (PRD) in dry season from 2005 to 2015.Analysis of the synoptic situation and the pollutants transmission on Jan.20th in 2015 was made as a typical case.The results showed that the external sources causing haze in dry season in PRD,were mainly from north of PRD (inland).During the forming process of haze,both the negative vorticity advection 700hPa and sea level 850hPa had high pressure systems in North China.Pollutants were transported by northeast airstream of the high pressure from Yangtze River Delta (YRD) to PRD.During the haze occurrence,average air mass flux was negative in YRD but positive in PRD.Under the control of downdraft influenced by high pressure air in PRD,Q-vector divergence was positive and the pollutants easily resulted in haze. 12figs.,24refs.

haze; trans-boundary transport; synoptic situation; vertical motion;Q-vector divergence

2017-01-05

国家自然科学基金(编号：41675146)

王安琪(1991-)，女，陕西渭南人，硕士研究生，研究方向：大气环境学. *通讯作者,E-mail: shenglf@ouc.edu.cn

2095-7300(2017)01-020-11

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