基于AQI的深圳大气污染特征及其典型环流形势分析

王明洁，贺佳佳，王书欣，张蕾

深圳南方强天气研究重点实验室，广东 深圳 518040

大气污染是自然环境条件和人类活动等多种因素共同作用的综合表现。随着中国经济的发展，城市化快速发展以及机动车保有量的大幅增加，城市环境恶化，尤其在人口密集的城市，空气质量问题尤为突出（李小飞等，2012；任婉侠等，2013）。城市大气污染物浓度是由排放源、区域内输送和大气扩散能力共同决定的（Giorgi et al.，2007），城市的地形地貌、气象条件等诸多因素直接影响着大气环境，气象条件对污染物的扩散、稀释、输送、转化有着至关重要的作用（张强，2001，2003；隋珂珂等，2009；邓利群等，2012；赵敬国等，2013；蔡仁等，2014；Li et al.，2014；符传博等，2016）。当污染物排放呈准定常状态时，大气环流形势决定着气象状况和天气现象的发生发展，与大气污染有密切的联系（Ziomas et al.，1995；McGregor et al.，1995；李霞等，2012；杨武等，2013；王郁等，2012）。珠江三角洲地区是中国经济发展快、经济总量大、综合实力强的地区之一，随着区域资源和能源的大量消耗，多种大气污染物高强度集中排放，大气污染呈现区域性、复合性、压缩性特征（陈燕等，2005；刘一鸣等，2014）。在特定的天气形势下，珠江三角洲城市群区域易形成高浓度污染事件（邓雪娇等，2006）。廖志恒等（2015）利用粤港珠江三角洲区域空气监测数据，分析了珠三角地区污染物的时空变化，发现 2006—2012年珠三角地区 SO2、NO2和PM10浓度呈下降趋势，O3浓度呈上升趋势。李颖敏等（2011）利用加强观测资料，分析了秋季珠江三角洲污染气象特征，得到秋季造成珠江三角洲空气污染的典型天气形势及其与气象要素的关系。Fan et al.（2008）通过边界层探测试验，发现大陆高压、台风外围下沉气流以及海陆风效应会导致珠三角地区污染物的高浓度积累。吴蒙等（2103）研究了台风过程珠江三角洲边界层特征及其对珠江三角洲地区空气质量的影响，发现当台风中心位于粤东及福建以东海域时，台风外围的下沉气流会对珠江三角洲地区空气质量产生强烈影响。陈训来等（2008）分析了香港地区空气污染指数特征以及典型天气形势对香港地区空气污染的影响。

深圳地处珠江三角洲城市群，改革开放以来，经济快速发展、城市规模不断扩大，空气质量恶化，引起政府和社会各界的高度重视。深圳市人居环境委和气象局建立了大气成分实时监测站网，实现了PM2.5等大气成分的实时在线监测和数据共享，并于2013年率先在全国开展了基于AQI的空气质量预警预报工作。本研究利用深圳空气质量监测数据、ECMWF再分析资料以及温度、湿度等自动气象监测数据，分析深圳市大气污染时空分布和污染日典型大气环流形势特征，以期为深圳大气污染的预警预报、防治及其影响评估提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料说明

本文所涉及的空气质量监测资料由深圳市环境监测中心提供，包括2013—2015年深圳市空气质量日报、11个国控站的逐时、逐日平均资料，监测点位置见图1。站点布设、监测设备、监测方法、数据有效性等方面均符合《环境空气质量监测点布设技术规范 HJ 664—2013》、《环境空气质量监测规范（试行）》等有关要求，数据已经过环保部审核；2013—2015年深圳污染日08:00和20:00 ECMWF再分析资料，包括500 hPa、850 hPa高度场、风场以及海平面气压等资料，空间分辨率为2.5°×2.5°，时间分辨率为6 h；深圳市观澜自动气象站温度、湿度、风向风速、小时雨量等逐时气象监测数据，来自深圳市气象局，相关气象监测数据已通过广东省气象探测数据中心审核。

图1 深圳市空气质量监测站点分布图Fig.1 Distribution of air quality monitoring stations in Shenzhen

1.2 方法

1.2.1 空气质量等级的划分

空气质量指数（AQI）是定量描述空气质量状况的无量纲指数，以 PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3作为分级污染物。目前中国以 AQI指数来评价空气质量状况，根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定(试行)》（JH633—2012），将空气污染指数（AQI）级别分为 6级：优（0～50）、良（51～100）、轻度污染（101～150）、中度污染（151～200）、重度污染（201～300）、严重污染（＞300）。

1.2.2 污染时空特征分析方法

以全市平均 AQI＞100的污染天气作为研究对象，按照月、季、年统计不同时段深圳市全市和11个国控站各等级污染日数所占百分率及出现频次，以及污染日首要污染的出现概率，分析深圳大气污染时空变化特征；选取深圳市污染最严重的观澜子站作为分析对象，分析污染天气的发生与风向、风速、降雨量、相对湿度等气象条件的关系。

1.2.3 污染天气分型方法

参照李霞等（2012）和王健等（2013）污染天气环流分型方法，普查 2013—2015年深圳污染日08:00和20:00地面天气图和500 hPa高空天气图，在考虑欧亚范围环流形势特点的基础上，重点关注0°～40°N，90°～120°E 范围内的主要影响系统及深圳位于该系统的位置，确定污染日天气形势类型。

1.3 数据处理

根据 2013—2015年深圳市日空气质量数据资料，确定污染日期和日数，利用Excel软件统计月、季、年平均污染日数和污染日的各类首要污染物出现概率，分析深圳污染的时间变化特征；根据深圳市 11个国控站的日数据，统计和计算各站点的不同等级污染日数和出现频率，利用Surfer软件中克里格法（Kringing）实现数据网格化，制作了深圳市污染天气概率空间分布图，探讨深圳大气污染的空间分布特征。

根据 2014—2016年观澜子站逐时空气质量监测数据以及相应自动气象站风向、风速、相对湿度、降雨量等气象资料，利用Excel软件统计了污染天气发生时风向、不同等级风速、降雨量及相对湿度出现频率，分析污染天气发生与气象条件的关系。

基于ECMWF再分析资料，利用Grads软件绘制了污染日当天08:00和20:00的地面、500 hPa和850 hPa天气形势图，分析污染天气发生的典型环流形势。

2 深圳市大气污染变化特征

2.1 大气污染年际变化

图2 2013—2015年深圳市各级AQI频率分布Fig.2 Frequency distribution of AQI in Shenzhen from 2013 to 2015

利用深圳市空气质量日报数据，统计了 2013—2015年深圳市各级AQI出现概率。图2所示为2013—2015年深圳市各级 AQI概率分布，由图 2可知，2013—2015年深圳市空气质量呈转好趋势，空气质量优良率由2013年的89%上升到2015年的96%以上，污染日占比由 11%下降至 4%以下，且污染以轻度污染为主，仅2013年出现了中度污染。2013年是3年中空气质量最差的一年，污染日数达35 d（11%），且有5 d达到中度污染等级；2014年和2015年污染日数分别下降至14 d和12 d，且全部为轻度污染，空气质量呈现明显转好的趋势，同期深圳能见度好转，霾日数持续减少，至 2015年霾日数下降至35 d。这与近年来深圳市政府开展产业结构调整和节能减排等措施密切相关，深圳进一步调整了二三产业结构，大力发展战略性新兴产业，淘汰和转型低端产业，如钢铁、水泥、电解铝、煤炭等重污染企业，至 2015年二三产业比重分别为41.2%、58.8%，战略性新兴产业增加值逐年增长，2013年增长20.5%，2014年增长13.5%，2015年增长16.1%。

2.2 大气污染月季变化

图3 2013—2015年深圳污染日数月变化Fig.3 Monthly variation of air pollution days of Shenzhen from 2013 to 2015

图3所示为2013—2015年深圳污染日数月变化曲线。由图3可知，深圳市污染天气有明显的季节变化特征：12月污染日数最多（18 d，约占全年27%），其次是1月和10月，分别为17 d和15 d；5—6月空气质量最好，未出现污染天气；2—9月污染日数均在2～3 d。深圳污染天气的这种季节变化特征与深圳所处的地理位置和天气气候特点有关。深圳属于副热带季风气候，4—9月是深圳的雨季，特别是5—6月，西南季风活跃，降雨频繁，来自海上的西南季风有利于空气中污染物的扩散，降雨的湿沉降作用利于空气中污染物的沉降；7—8月虽然是降雨最多的月份，但同时也是台风影响最多的月份，受台风外围下沉气流影响，常使空气质量转差，甚至造成污染。秋冬季降雨明显减少，冷空气活动频繁，盛行偏北风，偏北气流将北方颗粒污染物输送至南方，且冬季静风频率加大，是一年中深圳风力最弱的季节，逆温天气频率较高，大气扩散条件差，造成空气污染物长时间堆积，导致污染物浓度增高，空气质量转差，达到污染等级，绝大多数中度污染天气出现在12月，与李颖敏等（2011）的研究一致。

2.3 大气污染持续时间分析

为了解深圳污染天气持续状况，定义一次污染过程持续日数为从第一天达到污染标准到空气质量转好日之间的天数，将不同持续时间出现次数与污染过程总次数之比定义为出现频率，按照上述方法，计算 2013—2015年深圳污染过程不同持续时间出现频率（图略）。深圳污染过程一般持续1～2 d，约86%的污染过程持续时间在2 d以内，其中55%的污染过程在 24 h内完成空气质量由差转好的过程；持续时间≥3d的频率约为14%，3年来污染过程最长持续时间为15 d（出现在2013年12月22日—2014年1月6日)。为了解不同季节污染过程持续时间的差异，按月统计了深圳污染过程不同持续时间出现频次（图4）。由图4可知，深圳污染过程持续时间也有明显的季节变化，长时间的污染过程（≥3 d）出现在秋冬季（10月—翌年1月），其中持续时间超过5 d的污染过程出现在1月和12月，2013—2015年3年间12月共出现过2次持续时间≥5 d的污染过程，夏季和秋季出现的污染过程持续时间均在 1～2 d。由上述分析可知，冬季易出现持续时间长的污染过程，因此冬季是大气污染预警预报的重点关注期。

图4 深圳污染过程持续时间频次月分布Fig.4 Frequency distribution for persistent days in air pollution process of Shenzhen

2.4 污染日污染特征

为了解污染的形成原因，统计了2013—2015年深圳市污染日首要污染物出现概率（图5）。由图5可知，造成深圳市污染天气的主要污染因子是细颗粒物（PM2.5）、臭氧（O3）和二氧化氮（NO2），其中约 75%的污染天气是由 PM2.5浓度增加引起的，其次是O3（19%）和NO2（4.8%）。由主要污染因子年际变化趋势看，PM2.5和 NO2引起的污染天气呈现下降趋势，但O3造成的污染呈上升趋势。2014年和2015年均未出现由NO2造成的污染天气，PM2.5造成污染的概率由 82%下降至33%，O3造成的污染的概率由 2013年 9.8%上升到2015年的66.7%。以上分析结果表明，虽然深圳空气质量总体向好，但光化学污染越来越严重，已成为深圳大气污染的主要形式之一，应引起充分的重视。造成污染天气的首要污染物有明显的季节特征（图略），冬季（12—2月）首要污染物全部是PM2.5，夏季（7—9月）全部是O3，春季和秋季出现污染天气的概率低于10%，但由于处于天气系统转换季节，三类污染物均会出现。由于引起污染天气的首要污染物有明显的季节特征，在空气质量预报预警服务中，不同季节应关注不同污染物的变化，冬季重点关注PM2.5浓度的变化，夏季需特别关注O3浓度的变化。

图5 深圳污染日首要污染物统计Fig.5 Probability distribution for primary air pollutant in air pollution day of Shenzhen

2.5 大气污染区域分布特征

污染天气的发生与气象条件、地形以及周边城市污染源排放等因素密切相关，从而造成了污染天气空间分布的差异性。选取 2013—2015年深圳市 11个国家环境空气质量监测子站的日数据，将各站点污染日数与总样本数的比定义为出现频率，统计了各站点不同等级污染天气出现频率，并利用Surfer软件中的克里格法（Kringing）实现数据网格化，绘制了深圳市污染天气概率空间分布图（图6）。由图6(a)可知，深圳市轻度污染天气空间差异性较大，东部地区空气质量优于西部，东部沿海地区空气质量最好。西部地区污染天气概率为10%～15%，东部3%～10%，东部沿海地区＜5%。由图6(b)可知，中度污染天气总体空间差异性较小，除东部沿海地区中度污染的概率低于0.5%外，其他各区均在1%～3%之间。深圳市污染天气空间分布的差异性，与其地理环境和周边城市污染源排放密切相关。东部沿海地区与大亚湾和大鹏湾相邻，来自海上的清洁空气利于空气的净化，宝安区和龙岗区是深圳的工业集中区，且与东莞、惠州接壤，在有利于污染天气的大气环流背景条件下，珠三角地区的污染物向南输送，从而导致本地污染物和外地输送在深圳叠加，造成污染天气出现或加剧。

图6 2013—2015年深圳污染天气出现概率空间分布Fig.6 Spatial distribution of probability of air pollution in Shenzhen during 2013—2015

3 污染天气与气象条件的关系分析

城市的污染物排放、地形地貌改变、气象条件等诸多因素直接影响着大气环境。在污染源排放相对稳定的条件下，温度、风向风速、湿度、大气稳定度等气象条件对空气质量状况起主导作用（周兆媛等，2014；郭勇涛等，2011）。选取深圳市污染最严重的观澜子站作为分析对象，利用2014—2016年观澜子站逐时空气质量监测数据及自动气象站风向、风速、相对湿度、降雨量等气象资料，统计了污染天气发生时风向、不同等级风速和降雨量以及相对湿度出现频率（表1）。

风速的大小决定了局地污染物水平输送扩散率的高低。由表1可知，污染天气往往出现在风力微弱的状态下，观澜子站污染发生时约80%风速低于3 m·s-1，其中1～2 m·s-1最多；随着风速加大，污染出现概率明显下降，污染出现在4 m·s-1以上风速的概率仅有4.8%。污染与风向有密切的关系，风向决定大气污染物平流输送的路径，高污染浓度值常出现在大气污染源的下风方。深圳污染天气发生时风向在N到ENE至NNW方位（达到60%），即弱北风时深圳易出现污染天气。北风一方面有利于将珠三角地区的污染物向深圳输送，另一方面，污染天气发生时通常风力微弱，海陆风效应明显，白天由海上吹向陆地的海风与弱北风在深圳形成风向辐合区，污染物在风向辐合区域内堆积，导致污染天气出现或进一步加剧，这与吴兑等（2016）的研究结论一致。

相对湿度（RH）会影响气溶胶的大小、形状和消光。邓利群等（2012）研究认为，在一定的湿度范围内，相对湿度越大越有利于形成颗粒物，在高湿度情况下更容易发生严重污染。深圳的污染天气多出现在 40%～80%湿度范围内，随着相对湿度增大，污染加重；相对湿度在 60%～80%时，中度污染出现频率达到56.6%，与邓利群等（2012）的研究一致。污染天气多发生在无雨的天气下，概率在95%以上，仅有不到4%的污染天气发生时有降雨出现，且以弱降雨为主，90%以上降雨1 h雨量在1 mm以下。对比分析轻度污染和中度污染数据可知，污染越严重，出现弱降雨的概率越高。这是因为虽然强降雨会造成空气中污染物发生湿沉降，使空气质量得到改善，但微弱降雨不但不能促使空气中污染物的沉降，反而使得污染物吸湿膨胀，加剧空气质量恶化。

4 深圳污染过程典型环流形势分析

污染天气特别是中重度污染天气与气象条件密切相关，是在一定的大尺度环流形势下发生的（邓雪娇等，2006）。2013—2015年深圳共出现68个污染日。分析污染日地面天气系统的演变，并综合分析850 hPa和500 hPa高低空环流特征，发现深圳污染天气过程可分为两类：大陆高压型、热带气旋型（表2）。大陆高压型最多，接近90%，主要出现在秋冬季节；热带气旋型主要发生在夏季（7—9月）。按照深圳处于地面天气系统的位置及高空影响系统的不同，大陆高压型可分为高压脊型和高压后部型，热带气旋型分为副热带高压型和槽后偏北气流叠加型。

表2 深圳污染日天气分型统计Table2 The weather pattern in air pollution day of Shenzhen

4.1 大陆高压型

4.1.1 高压脊型

根据污染日500 hPa环流形势特点可将高压脊型分为纬向环流型和经向环流型。（1）经向环流型：这种环流形势下（图7a），500 hPa经向度大，中高纬度为两槽一脊形势，东亚大槽南可伸至25°N，槽后冷空气南下侵入到华南地区。地面北方有大范围冷空气南下，中国东部地区处于高压区的控制之下，强冷高压中心南可压至 30°N附近，之后东移入海。华南地区处于地面高压脊影响区域内，深圳地面表现为偏北风场，将北方的污染物不断向南输送，造成空气中污染物浓度增大，空气质量明显下降。这种天气形势常出现在冬季，与强冷空气活动配合，常伴随大范围的降温过程。随着冷空气的逐渐减弱，地面等压线逐渐变稀疏，北风减弱，且夜间易出现辐射逆温，不利于污染物的垂直扩散，使得污染物进一步堆积，污染程度加剧，出现轻度甚至中度污染。这种大范围强冷空气影响过程，往往天气系统稳定，影响时间长，易造成持续时间长、影响程度强的污染天气。如2013年12月由于冷空气活动频繁，受冷空气持续补充影响，地面维持高压脊控制，深圳出现持续时间最长的污染过程，仅12月记录到18个污染日，其中中度污染日达到4 d。（2）纬向环流型：在这种形势下（见图7b），500 hPa经向度较小，中低纬度地区为平直环流多波动，常有弱槽东移或弱脊控制，多为偏北或偏西风场气流。对应地面冷空气一般强度较弱，深圳处于地面高压脊的控制之下，等压线稀疏，持续弱北风，大气层结稳定，气象条件不利于污染物水平和垂直扩散，使得深圳出现污染天气。4.1.2 高压后部型

表1 污染发生时风速、降雨量、相对湿度频率统计Table1 Frequency of the occurrence of air pollution corresponds to the different wind velocity ,precipitation and relative humidity

图7 500 hPa高度场和风场Fig.7 500 hPa geopotential height and wind field

冷高压中心从华东地区减弱东移入海，华南地区处于高压后部的弱风区内（图 8）。地面存在风向的转变，由弱北风渐转为偏东风控制。随着冷空气的进一步东移减弱低层850～925 hPa常转为偏南风，将海上的清洁空气向陆地输送，从而使得空气质量得到改善，这种形势下出现的污染天气一般持续时间短，污染程度低，全部是轻度污染。

图8 2013年10月27日08∶00地面气压场Fig.8 Sea level pressure field at 08:00 BT 20 Oct 2013

4.2 热带气旋型

台风本身是个闭合性的强低气压系统，根据陈联寿等提出的台风概念模型，台风的三维风场结构表现为台风中心为强烈的上升运动，在台风顶部流出，为补偿台风内部的上升气流，在台风系统移动方向的侧缘和前进方向形成强下沉气流。其下沉气流影响区域内大气层结稳定，空气污染物的输送、扩散受到抑制，从而在台风侧缘形成大范围污染物的增量区。台风外围下沉气流影响是夏季造成珠江三角洲地区污染天气的典型环流形势。在这种形势下，台湾以东洋面有热带气旋活动，热带气旋在福建沿海地区登陆或呈抛物线型先西北方向移动，在台湾东北部洋面转向东北方向移动，华南大部分地区在台风外围下沉偏北气流的控制下，污染物浓度特别是 O3浓度不断上升，使得空气质量转差，出现污染天气，污染程度全部是轻度污染。根据热带气旋造成的污染过程500 hPa影响系统，可以将热带气旋造成的污染天气系统分为2类：副热带型和槽后西北气流叠加型。

4.2.1 副热带高压型

500 hPa副热带高压成带状分布，位置偏北，主体控制长江流域，副高脊脊线位于30～40°N之间。热带气旋在菲律宾以东太平洋洋面生成，沿着副热带高压南侧偏东气流稳定向西北方向移动，在福建沿海地区登陆后继续向西北方向移动（图9a）。一般当热带气旋位于台湾东部洋面时，其外围偏北下沉气流已开始影响华南沿海地区，深圳O3等污染物浓度开始增加，空气质量转差。随着热带气旋继续西北行，太阳辐射增强，气温升高，O3浓度进一步增大，污染天气出现。如2013年7月12—13日在受副热带高压和1307号台风“苏力”下沉气流的共同影响，深圳出现了持续2 d的轻度污染天气。

4.2.2 槽后北气流叠加型

500 hPa中高纬度呈两槽一脊形势，低纬度有西风槽东移，副热带高压减弱东退。随高空槽东移过境，副热带高压东退至海上，华南大部分地区转为西风槽后的西北气流控制，低层（850～925 hPa）也逐渐转为偏北气流控制（见图9b）。地面随着热带气旋靠近，华南沿海处在热带气旋西侧偏北气流控制之下，热带气旋外围偏北气流与西风槽后的西北气流同位相叠加，这种天气形势配置下，不利于污染物的扩散，太阳辐射强，O3浓度增加，空气质量明显转差，污染天气出现。如2015年8月24—25日在西风槽和1515号台风“天鹅”外围下沉气流的共同影响下，深圳出现了持续2 d的轻度污染天气，随着热带气旋的远离空气质量逐渐转好。

图9 500 hPa高度场和风场Fig.9 500 hPa geopotential height and wind field

5 讨论

本研究表明，2013—2015年深圳空气质量转好，污染天气减少，这张宝春等（2011）、廖志恒等（2015）和肖悦等（2017）珠三角区域空气质量转好的研究结论一致，说明大气污染的治理，需要区域联防联动，珠三角区域政府部门产业结构调整、重点污染源的整治、能源结构的调整、清洁能源的使用等一系列大气污染治理措施，是区域空气质量的优化的主要原因。值得注意的是，虽然深圳空气质量呈转好趋势，但污染形式出现明显变化，O3污染的持续加重，光化学污染已成为越来越重要的污染形式，需引起政府部门足够的关注。

深圳空气质量、主要污染物以及天气形势均呈现出明显的季节变化规律，因此在空气质量预报预警服务中，不同季节应关注不同污染物浓度的变化和天气形势的演变。当冬季出现大陆高压型这种利于大气污染出现的天气形势时，应重点关注PM2.5浓度的变化，当夏季西太平洋和南海有热带气旋活动，应特别关注 O3浓度的变化。在实际空气质量预报业务中，还应结合数值预报模式提供天气形势预报产品，开展并做好大气污染的预警预估工作，从而为防灾部门科学应对大气污染提供技术支撑。由于深圳市开展 PM2.5等空气质量监测数据时间较短，对于基于AQI的深圳空气质量的变化趋势研究还需要长时间监测资料的积累。本文对于深圳市污染物的来源以及污染天气发生发展的机理未作深入的研究，有待今后课题组继续进行。

6 结论

（1）2013—2015年深圳市空气质量呈转好趋势，污染日数逐年减少，污染以轻度污染为主（92.4%）。污染过程持续时间一般为1～2 d，时间持续≥5 d的污染过程均出现在冬季（12月和1月）。

（2）深圳市污染天气的主要污染因子是 PM2.5（75%）、其次是O3（19%）和NO2（4.8%）。PM2.5和NO2引发的污染天气呈现下降趋势，而O3引发的污染天气呈上升趋势，这表明光化学污染成为深圳越来越重要的污染形式。

（3）深圳污染天气和引发污染的主要污染物均具有明显季节特征：污染秋冬季多，春夏季少，集中出现在12月和1月；冬季（12—2月）主要污染物全部是 PM2.5，夏季（7—9 月）是 O3，春秋季 PM2.5、O3和NO2三类污染物均会出现。

（4）深圳污染天气空间差异性较大，总体呈现西多东少的分布，东部地区空气质量优于西部地区，东部沿海地区是深圳空气质量最好的区域。

（5）深圳污染天气易出现在无雨或微弱降雨、弱北风和湿度相对较大的气象条件下。造成深圳污染天气的典型天气形势可分为大陆高压型和热带气旋型两类，其中大陆高压型又分为高压脊型和高压后部型，热带气旋型分为副热带高压型和槽后偏北气流叠加型。

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