浙南输入型重污染过程的特征分析

周功铤 李怀川

(1.台州市气象局，浙江 台州 318000；2.温州市气象局，浙江 温州 325027)

浙南输入型重污染过程的特征分析

周功铤1李怀川2

(1.台州市气象局，浙江 台州 318000；2.温州市气象局，浙江 温州 325027)

利用2014—2016年浙江及其周边省市部分站点的PM2.5和浙江11个地市2012—2015年逐日、逐时AQI监测资料，结合1000 hPa风场资料，分析浙南发生输入型重污染过程的污染源和污染过程特征。通过14个浙北重污染伴随偏北大风过程发生时，在浙南发生或不发生输入型重污染过程的环境场对比分析，探讨浙南输入型重污染的发生条件。结果表明：浙南输入型重污染过程是在浙北先发重污染且浙北到浙南风速明显增强的同时，浙东南地区建立一个稳定层结、弱辐散或弱辐合、无明显的垂直运动的污染物输送通道条件下发生的，这一结果可为浙南输入型重污染的短时预警模式提供依据。

输入型重污染；污染源；污染输送过程；污染输送通道

0 引 言

区域周边对区域污染物的平流输送，是区域大气污染预报、预警必须考虑的重要因素。

徐祥德等[1]通过统计分析北京及周边地区TOMS与MODIS卫星遥感气溶胶区域性特征,发现北京城市重污染过程与南部周边城市群落排放源影响相关显著,综合分析北京地区重污染过程轨迹特征并采用轨迹模式进行模拟试验,进一步证实了北京城市重污染过程加剧的重要因素之一是南部周边城市污染物外源的输入。

对于区域之外空气污染物的输送，陈朝晖[2]等统计2003年9—12月7次大气污染过程发现，当华北地区为大尺度高气压控制时，河北为弱的低气压区(地形槽)时，将导致西南风气流盛行该区域。受地形和天气型控制，西南方向的输送通道是引起北京大气污染过程的主要通道。

王艳等[3]对代表城市前向轨迹进行计算以分析长江三角洲地区污染物对外地的中尺度输送,结果表明，东亚季风的活动对长江三角洲地区污染物的中尺度传输有着非常重要的影响,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。

李怀川等[4]取重度污染持续6 h以上为一个重污染过程，通过2012年10月至2015年5月在浙南地区发生的31次重度污染过程AQI时间变化曲线图分析，发现有12次明显的从浙北输送污染物致使浙南地区发生重污染的过程，占浙南地区发生重度污染过程总数的39%。

本文采用浙江及其周边地区的大气污染监测资料对各地的污染日数进行统计，分析浙南地区发生输入型污染时的主要污染源；通过12次在浙南发生的输入型重污染过程环境场变化特征分析及2次未发生污染输送的浙北重污染大风过程环境场对比分析，探讨浙南地区(台州、温州、丽水三地)受周边地域污染物平流输送发生大气重污染的机制，为浙南地区的输入重污染过程的预警模式建立提供依据。

1 浙南及其周边地区大气污染分布的统计特征

1.1 资料的选取

研究表明，大气污染危害人体健康的主要污染物是PM2.5，浙江省发生重度大气污染的主要污染物也是PM2.5[4]；因此，我们取PM2.5浓度的日平均值进行统计分析。采用环保部门提供的浙江省2014年12月—2016年12月2年浙江省11个地市和沪、苏、皖、赣、闽地区部分站点的PM2.5日平均资料，作为分析浙南地区和周边地区的有关大气污染物的环境场分布特征的依据。

据有关资料统计，浙南地区发生的重污染过程的维持时间多数在12 h以内，考虑到采用日平均监测资料可能会使部分重污染过程遗漏,且浙南区域周边300～500 km内的大气污染物输送过程一般仅持续12～24 h,；因此，在研究外部污染物平流输送对浙南大气污染的影响变化过程特征时，采用浙江省11个地市的逐日逐时AQI监测资料。

1.2 浙南及其周边地区大气污染分布的特征分析

据我国以PM2.5的24 h平均值划分大气污染等级的标准，将115～150、150～250(μg/m3)的PM2.5值分别定为中度、重度大气污染；图1a给出浙江省11个地市和沪、苏、皖、赣、闽地区部分站点的2014年12月—2016年12月PM2.5日平均值≥115 μg/m3即中度以上污染的总天数分布图；该分布图说明，华东东南部地区的污染高发区有两个,分别在上海及其南部的杭、嘉、湖、绍一带以及皖东南的马鞍山附近；其中上海、湖州、马鞍山为高值中心，赣、闽地区为低值区；浙江省呈西北高东南低的分布特征，浙南各地的PM2.5≥115 μg/m3的总天数仅为浙北1/4～1/5，浙南和浙北差异显著。这和文[4]给出的浙江省2012年10月至2015年5月AQI≥200的重污染总时数空间分布特征相一致(图1b)。

图1a 华东东南部地区2014年11月—2016年12月日平均PM2.5≥115 μg/m3日数分布图

图1b 浙江省2012年—2015年重污染总时数分布图

2 浙南输入型大气重污染过程分析

2.1 浙南输入型大气重污染过程的分型

有关研究表明[5-7]，区域性重度污染过程与有利的气象条件下本区域污染物的累积或上游地区重度污染地区的水平输送有关，或为二者共同作用的结果。据此可以把区域发生的重污染过程分为累积型和输入型。累积型重污染一般发生在该区域持续较长时间的(一般48 h以上)低层弱风场(风速≤4 m/s)、弱辐合或弱辐散、稳定层结的环境场中，当风速增强时(风速≥6 m/s)，重污染过程即结束。输入型重污染过程则发生在上游重污染先发地区低层出现有利于向区域输送污染物的较强气流时，即风速明显增强时(风速≥6 m/s)，致使当地AQI值快速升高，发生重污染；一般这种输入型重污染过程污染程度变化较快、重污染维持时间也相对较短。

据图1a、图1b可以认定，浙南发生输入型重污染的污染源在上海、浙北地区(杭、嘉、湖、绍)及皖东南地区；由于上述污染源向浙南输送污染物都经过浙北,所以,浙南发生输入型重污染过程可以把浙北先发生重污染伴随偏北大风作为起始条件，为浙南建立输入型重污染预警模式提供依据。

李怀川等[4]通过2012年10月至2015年5月12次浙南地区输入型重污染的过程的特征分析，将输送过程分为两类，即移动型和扩散型，移动型又表现为局域(指二个以下地市的区域)移动和片区(指3个以上地市的区域)移动两种方式。

1)移动型

浙北先发生重度污染的局部区域污染气团在一定条件下随气流向偏南方向移动，当区域风速增强时，污染物向下风方向输送，本地AQI同时下降；其后，随着污染气团的快速南移，沿下风方向各地依次发生重度污染，在AQI时间曲线图上则表现为下游各地依次出现AQI峰值，将此类向下游输送污染物的空气污染过程定义为移动型。

图2 移动输送型各地AQI和风速风向变化

图2a为2014年1月25—26日AQI和1000 hPa杭州与温州地区风速风向的变化，由图可见，1月25日08时嘉兴和湖州地区最早出现重度污染或严重污染；25日17时湖州地区AQI达峰值，为451，浙北地区偏北风增强至6～8 m·s-1，在污染物向南输送的同时，嘉兴和湖州地区AQI随之快速下降；此次局域污染物移动输送过程的轨迹为从浙西北地区向浙东南地区，即嘉兴和湖州—杭州和绍兴(宁波)—金华(衢州)—台州和丽水—乐清和温州地区，依次发生重度污染。

图2b为2013年12月25—27日浙北片区向浙南片区的污染输送过程，由图可见，26日14—20时浙北的湖州、嘉兴、绍兴、杭州和宁波AQI同步达峰值，发展为重度污染或严重污染，26日14时至27日08时全省偏北风风速增强至8～10 m·s-1，污染物向浙南地区输送；浙北各地AQI迅速同步下降至中度或轻度污染；此次

污染过程为浙北片区同步累积达重度污染后，污染物向南输送的过程。

2)扩散型

与移动型输送不同，当先发生重度污染的区域风速加强，向下风方向输送污染物使下游地区重度污染发生时，本地污染程度仍维持或继续发展，将此类污染物的输送过程定义为扩散型。以2014年1月17—19日重度污染过程为例说明，由图3可见，1月17日14时至18日02时浙北4个地区和宁波地区先发生重度污染或严重污染，18日02—20时全省1000 hPa偏北风速增强并维持6～12 m·s-1，浙北地区向浙南地区输送污染物；同时，浙南的台州、乐清、丽水和温州4个地区AQI依次快速上升(自NE向SW输送)；18日06—22时台州、乐清、丽水和温州地区先后发生重度污染；而浙北和宁波地区18日02时后AQI仍继续维持重度污染，并于18日20时至19日02时均发展为严重污染。

图3 2014年1月17—19日扩散输送型各地AQI和风速风向变化

图4给出的华东地区1月17—19日925 hPa流场图，可以看到17日江、浙处于河套西南部高压南伸脊SE侧的弱偏北风场(图4a)、1000 hPa弱辐合场(图略)中，不利于空气污染物的扩散,浙北发生大气重污染；18日08时高压东移南压，伴随冷空气南下，江苏、浙江两省均为偏北风急流(图4b)，浙南发生输入型重污染；18日20时到19日08时浙南地区处于减弱的冷高压SE侧弱风场中(地面E—NE风2～4 m/s)，低层925 hPa为散度(0～0.5)×10-4·s-1的弱辐散区(图略)，有利于重污染的维持；但与此同时，北方高压中心已经移到江苏北部，其SE侧的江苏西南部到浙江西北部仍维持一支偏北风急流(图8c)；据江苏省2014年1月18日和19日的AQI日平均值记录反映，南京为349、327，持续两天严重污染，苏州为272、255，属重污染，且1000 hPa江苏西南部两天偏北风风速维持8～10 m/s、杭州风速6～8 m/s；由此可以推断，18—19日浙江北部有来自江苏西南部的外源污染物输入，使得浙北地区在向南输送污染物的同时，AQI值继续维持并发展为严重污染。

图4 2014年1月17—19日925 hPa流场图

2.2 浙北重污染大风过程

我们把浙南输入型重污染过程定义为在一定环境场条件下，在偏北大风(浙北和浙南1000 hPa风速大于6 m/s)引导下，浙北上风方向的重污染先发地区向南输送污染物，导致浙南地区至少两地同时发生重污染的过程。

但分析浙北的44个重污染过程还发现，在浙北同时发生偏北大风和重污染的条件下，有二次过程并没有发生污染物向浙南输送，为此，我们把所有浙北发生重污染并伴随偏北大风的过程统称为浙北重污染大风过程，通过浙北重污染大风过程发生时浙南发生或不发生输入型重污染的两类个例对比分析，进一步探讨浙南发生输入型重污染的环境场条件。

3 浙北重污染大风过程的个例统计

表1给出14个浙北重污染大风过程的统计表,其中，12个为浙南输入型重污染过程，另2个过程浙南未发生重污染；表中“输送时段”以浙北最早出现AQI峰值及偏北大风为起始时间，浙南出现最后一个AQI峰值的时间为终止时间(若浙南在“输送时段”未发生重污染为空，仅标明起始时间)，“输送时间”为起始时间到终止时间的间隔时数(若浙南在“输送时段”未发生重污染为空)；浙北、浙南AQI最大值分别为在重污染大风过程中浙北起始时间的最高值及浙南发生输入型重污染的最高值。输送风速为浙北到浙南在“输送时段”的最大风速。

表1 浙北重污染大风过程统计表

据表1可见，发生浙南输入型重污染过程时，浙北到浙中南的偏北风6～12 m/s,风速越大，从浙北输送污染物到浙南的“输送时间”也越短，其中最短的“输送时间”为16 h，一般情况为18～24 h；扩散型的“输送时间”相对较长。浙南的AQI值和浙北重污染源的AQI值正相关，浙南发生输入型重污染时，上游的AQI值越高，浙南发生污染的AQI值也较高。

4 两类浙北重污染大风过程对比分析

图5a、5b分别给出2013年1月11—14日(无输送)和2015年2月4—5日(无输送)二个未发生污染物输送的浙北重污染大风过程AQI时间变化曲线及1000 hPa杭州、温州风向、风速图。据图可以看到，2013年1月13日08—20时及2015年2月5日02—08时在浙北发生重污染伴随偏北大风过程，浙南随后也发生偏北大风(风速8 m/s)，但浙南并没有发生污染物的输入，AQI呈下降趋势或少变。为了分析浙南输入型重污染过程发生的环境场条件，对图2b和图5a所示的二个浙北重污染大风过程的环境场为例进行对比分析。

(a)2013年1月11—14日 (b)2015年2月4—5日图5 浙北重污染大风过程AQI变化和风记录图

4.1 物理理量场对比分析

1)温度平流

图6a、6b分别给出2013年12月25—27日和2013年1月11—14日两个过程“输送起始”时刻的1000、850 hPa温度平流分布图；据图6，1000、850 hPa浙中南地区的温度平流值2013年12月26日的输送过程分别为-10×10-4℃·s-1、(-6～-4)×10-4℃·s-1，有利低层逆温层维持；而1月13日的无输送过程分别为(-8～-6)×10-4℃·s-1、(-10～-8)×10-4°C·s-1，低层无明显逆温层。

图6a 2013年12月26日20时温度平流分布 图6b 2013年1月13日08时温度平流分布

2)散度、上升气流、θse925-700

图7a、7b、7c和图8a、8b、8c为分别给出2013年12月26日20时和2013年1月13日08时两个过程“输送起始”时刻的1000 hPa散度场、θse925-700、850 hPa垂直速度分布图；据图分析，2013年12月26日的输送过程浙中南地区处于1000 hPa散度为(0～0.5)×10-4s-1的弱辐散或无辐散区、θse925-700为-15°的逆温层、

垂直速度为(0～0.1)×10-3s-1的弱下沉气流区；而1月13日的无输送过程浙中南地区低层处于1000 hPa散度为(1～1.5)×10-4s-1的较强辐散区、无明显的逆温层(θse1000-850≥0°)、垂直速度为(0.2～0.3)×10-3s-1的较强下沉气流区；因此，前者已经建立了有利于浙中北的污染物在偏北大风引导下向南输送的通道；而后者的环境场不利于污染物的聚集和输送。

图7 2013年12月26日20时物理量场分布图

图8 2013年1月13日08时物理量场分布图

4.2 浙南输入型重污染个例的物理量统计 计算结果

据上述分析，浙南输入型重污染都是在北方高压东移南压伴随冷空气南下的天气过程中发生的；表2给出了14个个例的850、1000 hPa温度平流值，可以看到，所有输送过程中浙中南地区1000 hPa的冷平流都明显比850 hPa强，θse925-700≤0°(图略)，这说明，冷空气主要是从近地层南下或近地层先于中低层南下，使得低层维持较稳定的层结;有利于浙中北重污染区的污染物向南输送。而两个无输送过程850 hPa的冷平流都强于1000 hPa,θse925-700≥0°(图略)，低层无明显的逆温层。

据散度D和垂直气流ω的计算，12个输送个例的“输送时段”D值为(-0.5～0.5)×10-4s-1，ω值为(-0.1～0.1)×10-3s-1，低层都处于弱辐散或弱辐合、无明显的垂直运动；2例无输送的浙北重污染大风过程“输送起始”阶段浙中南地区的ω和D值计算结果，ω值为(0.2～0.3)×10-3s-1，D值为(1.0～2.0)×10-4s-1，浙中南地区近地层处于较强的下沉气流和辐散流场中，不利于污染物的聚集和输送。

据上所述，在浙北同时发生重污染和偏北大风时，还必须具备浙北到浙南地区的污染物“输送通道”，这个“输送通道”为稳定层结、弱辐散或弱辐合，无明显的垂直运动。

5 结 语

1)华东东南部地区(沪、浙、闽、赣东、苏南、皖东南)的大气污染高发区有两个，分别在上海及其南部的杭、嘉、湖、绍一带以及皖东南的马鞍山附近；其中上海、湖州、马鞍山为PM2.5的高值中心；赣、闽地区为低值区；浙南发生输入型重污染过程的污染物都是经浙北地区在偏北大风下输入浙南。

2)浙北向浙南的污染物输送过程可分为两类，即移动型和扩散型，移动型又表现为局域移动和片区移动两种方式。

3)发生浙南输入型重污染过程时，浙北到浙中南的偏北风6～12 m/s,风速越大，从浙北重污染区输送到浙南的输送时间也越短，输送时间为16～24 h，扩散型的输送持续时间相对较长；上游的AQI值越高，浙南发生污染的AQI值也较高。

4)浙南输入型重污染过程是在浙北先发重污染伴随浙北到浙南风速增强(风速≥6 m/s)、同时在浙中南地区建立了层结稳定、弱辐散或弱辐合、无明显垂直运动的污染物输送通道时发生的；据此，可以把浙北发生重污染后同时发生偏北大风作为浙南发生输入型重污染过程的起始条件，通过浙北到浙南地区低层的散度、稳定度、上升气流及偏北风风速的分析，建立浙南输入型重污染发生的短时预警判别模式。

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2017-02-21