重庆市一次严重雾霾过程的阶段性特征及成因

郭 洁，李牧原，周国兵，李国平

(1.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都 610072;2.中国科学院东亚区域气候-环境重点实验室，北京 100029;3.中国科学院大学，北京 100029;4.重庆市气象台，重庆 401147;5.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225)

1 引言

重庆主城区位于中国西南部，四川盆地东部，长江和嘉陵江汇合处，三面环山，为典型的山区河谷地形[1]，因为四周山岭阻挡，地形闭塞，空气湿润，平均风速小，静风频率高，是闻名的“雾都”[2]。近年来，随着工业化和城市化的推进，城市中工业烟尘、汽车尾气增多，大气污染物较难向外扩散，空气污染较严重，特别是浓雾天气伴随的城区空气污染事件，给重庆的经济建设和人民生活带来严重影响[3-4]。已有研究表明，许多空气污染事件往往呈现出一种持续性的污染特征[5]，其持续强度有时可长达10 d以上。边界层结构与近地层污染物浓度以及雾霾的形成之间存在正反馈机制[6]，导致雾霾天气的加剧和维持。例如2013年1月华北平原多次出现持续性雾霾和重污染过程，与不易于雾霾扩散的地形条件和相对湿度高、风速小的气象条件及人类活动的高污染排放量是有密切关系的[7]。王从梅等[8]指出此次过程中造成河北省中南部严重污染的气象条件是地面风力较小且风向较多，强逆温层、干暖盖和边界层的下沉运动，以及稳定的大气环流形势，此外，河北省中南部特殊的地理条件有利于雾霾和污染的持续；孟晓燕等[9]研究表明1月份京津冀地区地面风速小、相对湿度高、大气层结稳定等气象特征有利于导致强雾霾事件多发；张人禾等[10]从大气环流背景和雾霾天气演变过程两个方面分析了气象条件在此次雾霾过程中的作用，2013年1月东亚冬季风异常偏弱，对流层中低层的异常南风有利于将水汽向中国东部地区输送，500 hPa高压异常能抑制对流发展；地面风速减弱、对流层底层的逆温层，水平风垂直梯度的减小等为雾霾天气的发生和维持提供了有利的气象条件。

由于重庆市特殊地形和城市群的快速发展，在大范围稳定的天气形势下，污染物不利于扩散，极易在人类活动密集、排放量大的主城区形成污染聚集而导致持续的雾霾天气。这引起了各级政府和学术界的广泛关注。重庆市政府部门加紧制定了重污染减排控制措施以及应急预警和联防联控机制，在一定程度上减缓重污染事件的恶化，但是大范围持续的污染和持续雾霾过程及气象条件是非常重要的影响因素。因此，加强对持续雾霾过程的成因研究已成为迫切需要。本文选取2014年1月26日—2月3日重庆市主城区出现的一次严重雾霾过程进行研究，从污染物浓度、高低空环流背景以及地面气象条件等方面对持续雾霾形成、发展维持及消亡的过程进行深入细致的分析，探讨气象条件是如何共同影响空气质量，从而造成持续污染过程的原因。

2 数据与方法

2010年国家气象行业标准《霾的观测和预报等级》中将能见度小于10.0 km，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、暴雪等天气现象造成的视程障碍，相对湿度小于80%，判别为霾。针对本研究对象为严重持续雾霾过程，因此综合参考相对湿度阈值、能见度阈值和国内外定义方法[11-13]，本研究的霾日为日均能见度(Vis)≤5 km，日均相对湿度<90%，并排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘、烟幕等天气现象的事件；并且，当日均相对湿度<90%，3 km

污染物浓度资料来源于重庆市环境监测中心发布的PM10、PM2.5、SO2和NO2小时浓度资料及日平均空气污染指数(Air Quality Index，AQI)，空气污染指数的取值范围定为0～500，指数越大、级别越高说明污染的情况越严重，对人体的健康危害也就越大，从一级优(0～50)，二级良(51～100)，三级轻度污染(101～150)，四级中度污染(151～200)，直至五级重度污染(201～300)，六级严重污染(大于300)。重庆市17个环境监测站中，除了缙云山站外，全部位于重庆主城区，数据来源为重庆主城区16个环境监测站逐时污染物监测资料，重庆市沙坪坝站逐时气象观测资料包括温度、相对湿度、风速和水平能见度等，地面天气形势和高空环流形势利用NCEP/NCAR2.5°×2.5°再分析资料，时间分辨率为6 h。

3 雾霾过程阶段性特点

2014年1月26日—2月3日重庆市主城区出现了一次持续9 d的严重雾霾过程。根据雾霾天气发展的特点和污染物浓度的变化特征，将此次过程分为3个阶段来研究分析，其中1月23—27日为雾霾过程酝酿期，1月28日—2月1日为雾霾过程爆发期，2月3—6日为雾霾过程消散期。1月23日开始AQI持续上升，到27日略有下降，平均为195，能见度下降，开始出现轻雾和轻度霾；1月28日—2月1日持续5 d为重度污染，AQI平均达到231，平均能见度仅为1.0 km，其中有4 d出现了重度霾。2月2日开始转为中度污染，AQI缓慢下降，能见度逐渐好转，5日开始空气质量转为良，天气现象由轻度霾转晴。

表1 2014年1月23日—2月6日的大气质量状况和能见度Tab.1 The AQI and visibility from 23 Jan to 6 Feb, 2014

本次过程AQI从1月23日—2月3日，一直维持在150以上并呈波动状变化，在27日和29日的清晨出现了较大幅度的下降，降幅超过50。在雾霾爆发阶段，AQI指数从30日08时的155开始急速上升，到31日02时达到最大值300，仅用了18 h就翻倍，而后开始缓慢下降，2月5日08时下降到100以下。此外，将雾霾期间AQI在一天中的变化进行合成分析(图略)，可以发现AQI具有明显的日变化特征，在白天14时至夜间02时均维持较高值，05—11时为低值时段，08时AQI最小。

图1 2014年1月23日—2月6日AQI指数逐小时变化Fig.1 The hourly changes of AQI from 23 Jan to 6 Feb, 2014

PM10和PM2.5浓度的变化趋势与AQI指数变化趋势有非常好的对应关系，SO2与NO2的变化趋势相似，但是与AQI指数以及PM10和PM2.5浓度的变化趋势差别较大(图2)。有研究表明，在2002年前后PM10替代SO2成为重庆主城区空气环境中的首要污染物[14-15]，而NO2对大气污染的贡献比SO2更小。对4种污染物在雾霾期间的日变化做合成分析(图略)，发现PM2.5的日变化与AQI一致，08时最小，20时最大，从14时—夜间02时均维持较高浓度；PM10的日变化略有差别，最小值出现在08时，最大值出现在02时。SO2和NO2有明显的日变化，呈单峰型，SO2峰值在20时，NO2峰值在17时，谷值均出现在08时。

图2 2014年1月23日—2月6日PM10、PM2.5、SO2和NO2浓度逐小时变化Fig.2 Concentrations of PM10, PM2.5, SO2 and NO2 vary by hour from 23 Jan to 6 Feb, 2014

AQI与能见度的关系如图3，当AQI的值在150以上时，能见度普遍低于4 km，并且AQI的值越高，能见度越低，随着AQI值低于100以后，能见度越来越高，两者呈二项指数函数关系，污染形成的高浓度颗粒物的散射消光作用在能见度下降中占有主要地位[16]。由此可见，此次严重雾霾天气过程持续时间长达9 d，AQI指数平均达220，PM10和PM2.5是首要污染物， PM10和PM2.5的峰值浓度分别达到314.2 ug/m3、237.3 ug/m3，导致持续低能见度天气，这样持续高污染，低能见度的雾霾天气对人们的健康、生活和交通出行带来了严重的不利影响。

图3 能见度和AQI的关系Fig.3 The relationship between visibility and AQI

4 高空气象条件分析

4.1 环流形势分析

对此次严重雾霾过程中的大尺度环流背景进行分析可发现，500 hPa低涡的变化特征十分显著。酝酿期(1月23—27日)，500 hPa高纬地区是一个极涡，极涡南缘在50°N以北，温度槽落后于高度槽，使低涡东移发展，如图4a；中纬度受低涡移动的影响，不断有槽脊东移，槽脊强度较弱；低纬地区在23—24日有南支槽活动，温度槽超前于高度槽，25—26日南支槽强度不断减弱。重庆主城区上空受较平直的西风气流影响，西风气流上多短波槽东移。700 hPa天气图上重庆主城区受暖脊控制。地面图上，中高纬度地区有地面冷高压以偏西路径移过，对重庆主城区并没有产生太大影响。因此，在酝酿阶段，重庆地区的环流形势有利于形成稳定的大气层结，使污染物在底层积累，为雾霾过程的爆发创造条件。

1月28日—2月1日为雾霾过程爆发期，如图4b，500 hPa高空的低涡做纬向型运动并缓慢南压，2月1日，低涡南压至40°N以北；中纬度受低涡移动的影响，仍有槽脊不断东移，槽脊强度较弱；低纬度地区重庆主城区位于南支槽前，槽前西南气流有利于孟加拉湾的暖湿空气输送到四川盆地。700 hPa上，重庆主城区多位于槽前，且以暖平流为主，这种环流形势下也有利于暖湿空气输送到重庆主城区，形成稳定的大气层结。地面为弱气压场或倒槽控制，有利于形成静稳天气，使污染物的近地层聚集，造成重度雾霾天气。

2月2—6日雾霾过程进入消散阶段，500 hPa高空低涡西部60°E附近分出一个小的极涡南下，东部低涡主体继续东移南压，2月4日低涡南缘到达30°N以南，中纬度形成两槽一脊的环流形势，两槽分别位于里海和鄂霍次克海附近，中部脊位于巴湖以东。低纬度环流形势逐渐由南支槽前型转变为西风气流型。700 hPa层上暖脊变弱，地面图上，四川盆地位于蒙古高压底部，等压线密集，冷空气开始侵入重庆主城区。2月5日重庆主城区上空为平直的西风气流，多短波槽移动。700 hPa上重庆主城区西北方等温线密集，地面重庆主城区位于冷高压底部，等压线密集，5日17时，地面冷高压的强度已经达到1050 hPa，一直到6日17时，地面冷高压强度一直大于1050 hPa。这次雾霾过程的结束伴随一次强寒潮的入侵，持续时间较长，冷空气持续灌入四川盆地，使重庆主城区由持续的污染大气状况转变为空气质量状况良的好天气。

图4 2014年1月27日(a)和2月1日(b)500 hPa平均高度场(实线，gpm)和850 hPa平均温度场(虚线， ℃)Fig.4 Average height on 500 hPa (solid line, gpm) and average temperature on 850 hPa(dotted line,℃) in 27 Jan, 2014 (a) and 1 Feb, 2014(b)

4.2 垂直运动

混合层的风与污染物的扩散有重要关系，风速较小时，有利于污染物的聚集，使污染物浓度保持在较高的水平；风速较大时，有利于污染物的稀释扩散。图5为雾霾爆发期重庆地区上空风随高度变化情况，925 hPa以下风场以偏南风和偏东风为主，大部分风速在6 m/s以下；850 hPa上以偏南风为主，仅在27日20时—29日08时有偏北风出现，28和29日为重度霾日，高空850 hPa虽为偏北风，但风速较其他日小，08时风速在2 m/s，不利于污染物的扩散。雾霾过程发生前及过程中高空风垂直分布不利于污染物在垂直和水平方向的扩散和输送，容易在近地层堆积，有利于形成污染物浓度高的雾霾天气。雾霾过程消散期，受冷空气入侵的影响，850 hPa以下基本为偏东风和偏北风控制，风速较雾霾过程前及过程中明显增加，大风速出现的次数也有所增加。此次冷空气入侵为东北路径的回流冷空气，侵入四川盆地也需要较长时间，同时延长了雾霾过程的衰减。

图5 2014年1月26日—2月1日风随高度变化图Fig.5 Variation of wind direction and wind speed with height from 26 Jan to 1 Feb, 2014

4.3 逆温状况

污染物排入大气后，在湍流作用下稀释扩散，如果近地面层有逆温出现时，逆温层就会像一个盖子一样抑制污染物的扩散。研究温度随高度的变化情况的关键在于研究逆温层的厚度和持续时间。1月23日08时—1月27日08时，850 hPa以下一直有逆温存在，逆温的持续存在有利于污染物在低空积累，浓度升高，25日20时—26日08时逆温较厚，这个时段对应的AQI指数、PM10和PM2.5的浓度都比较高，较厚的逆温层造成大气扩散能力显著下降，污染加重。雾霾过程酝酿期持续存在的逆温层为雾霾过程的发生创造了有利条件。雾霾过程爆发期夜间逆温厚度较大，甚至出现两层逆温，第一层位于850 hPa和700 hPa之间，第二层位于850 hPa以下，到白天逆温基本消失。29日08时—31日08时，逆温层一直存在，厚度较厚，使得31日凌晨AQI指数突然增大；2月1日和2月2日夜间均存在双层逆温，AQI指数较大；2月3日之后，逆温层又恢复到厚度薄、持续时间长的状态，AQI指数、PM10和PM2.5浓度也出现了较快的下降速度。通过以上分析可以看出，逆温的演变与AQI指数、PM10和PM2.5浓度的变化基本对应，当逆温连续出现、厚度较厚或两层逆温同时出现时, 大气处于稳定状态，边界层内湍流活动不明显，扩散能力显著下降, 大气污染物难以扩散，伴随能见度下降，雾霾持续，空气污染明显加重。6日08时，0 ℃等温线高度显著下降，冷空气入侵使近地面层空气温度降低，AQI指数和各污染物浓度随之降低。

4.4 湿度层结

雾霾过程酝酿阶段， 925 hPa以下湿度逐渐增大，1月26日起，925～850 hPa之间湿度变大，且湿层增厚；进入爆发阶段1月28日，地面至600 hPa相对湿度在80%以上，到1日时，湿层不断下压，近地层的平均相对湿度均在90%～95%之间，接近饱和，大气污染物颗粒吸附水汽，在消光作用下，使能见度降低并一直维持在2 km以下，最小能见度不足100 m，形成持续雾霾天气，从而使空气污染持续加重。在AQI激增的30—31日，925～850 hPa之间出现了逆湿层，特别是30日20时—31日08时，逆湿层和逆温层同时出现，更不利于污染物的稀释扩散，使大气污染迅速增高。

5 地面气象条件分析

5.1 温压湿和能见度

此次连续雾霾天气过程的地面气象要素时间变化曲线可知(图6)，此次过程平均气温为10.8 ℃，日温差最大出现在过程酝酿阶段(23日)为11.3 ℃，最小值出现在30日，仅为1.5 ℃，小的日温差使得近地面湍流活动非常弱，在30—31日非常不利于大气污染的扩散。雾霾过程酝酿阶段气压升高，到爆发期中段开始逐渐降低，到2月4日降到最低值为971.3 hPa，而后受冷空气影响，地面气压再次回升。雾霾过程平均相对湿度为81.2%，平均能见度为2.7 km，爆发阶段平均为87.6%，平均能见度仅为1.0 km，相对湿度越高，则能见度越低。

图6 气压与气温(a)、相对湿度与能见度(b)逐小时时间变化Fig.6 Hourly variation of air pressure and temperature (a) and humidity and visibility (b)

5.2 降水

降水可以将大气中漂浮的污染物清除，使污染物浓度下降。在雾霾酝酿阶段的1月26日、27日，有1.3 mm和0.2 mm的降雨产生，使AQI指数和各污染物浓度均有所下降，浓度下降最明显的是SO2，浓度下降了63.8%，其次是NO2，降了为57.3%，PM10和PM2.5的浓度下降一致，均为43.6%；污染物浓度下降主要发生在26日夜间至27日清晨，27日白天污染物浓度开始回升。由此可见，当降雨强度较小时(<1 mm)，降雨对大气污染物清除能力较差[17]。从1月28日—2月6日，持续10 d没有降雨，在PM10和PM2.5的浓度回升的基础上，AQI指数迅速在28日超过250。

5.3 风速

2014年1月23日—2月9日的地面风速平均值为1.2 m/s，表2为整个研究时段中地面风速平均值、最值和不同风速出现频率的统计表，雾霾过程酝酿期平均地面风速为1.1 m/s，小于整个研究时段的风速平均值，最大风速出现在1月24日05时，为2.0 m/s；雾霾过程爆发阶段平均地面风速为1.1 m/s，最大风速出现在1月29日17时，为2.3 m/s；雾霾消散过程中平均地面风速为1.3 m/s，最大风速出现在2月5日02时，为3.2 m/s。雾霾过程中，两次最小风速都出现在重霾天气发生时，说明地面风速较小有利于污染物积累；随着雾霾过程减弱，大风速出现频率增加，2月5日出现了最大3.2 m/s的风速，这表明地面风速值的增大有利于污染物的扩散，是雾霾过程结束的征兆。

表2 地面风速和不同风速出现频率统计表Tab.2 Statistics of surface wind speed and frequency of different wind speeds

6 结论与讨论

2014年1月26日—2月3日重庆市主城区出现了一次持续9 d的严重雾霾过程，通过综合分析污染物浓度变化和高地空与地面气象环境条件，得出以下主要结论。

①长时间的重度雾霾天气为严重的大气污染提供了有利的天气背景条件，PM10和PM2.5是此次过程的首要污染物，与AQI的变化一致，SO2和NO2有明显的单峰型日变化，但对AQI指数的影响较小。

②此次连续严重雾霾过程高空为西北气流，中低层为西南风，地面为均压场，在过程的爆发阶段天气系统稳定维持，无降雨发生，大气层结稳定，850 hPa以下维持6 m/s以下的偏南风或偏东风，有多层逆温出现，在30—31日逆温和逆湿同时出现，有利于污染物的累积，使空气污染持续加重。

③在雾霾爆发阶段，地面气象要素的日变化均变小，近地层维持高湿、静稳的状态，气温日较差最小仅1.5 ℃，平均相对湿度达到87%，平均能见度仅为1 km，有持续重度霾出现。弱的降水可以使空气质量暂时好转，随着地面风速增大，能见度好转，有利于污染物的稀释和清除。