绵阳市大气污染天气学分型及气象条件特征分析

陈梁勋,杨 军,欧阳欣,张青艳

(1.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072； 2.四川省气象服务中心，成都 610072；3.绵阳市气象局, 四川 绵阳 621000)

1 引 言

目前我国大气污染形势严峻，以细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)及臭氧(O3)等为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出。随着经济的不断发展和人民生活水平的提高，政府、公众对高污染天气的关注度不断上升。

大气污染问题已成为近年来学术界研究的热点。现已有众多学者对大气污染进行相关研究,王莉莉[1]等对北京夏末秋初不同天气形势对大气污染物浓度的影响进行了研究,司瑶冰[2]等对大气污染与天气要素进行了研究,王耀庭[3]等对大气边界层高度和污染的关系进行了研究，安林昌[4]等研究了降雨天气对大气污染物浓度的影响，张武[5]等对复杂地形上的大气扩散规律进行了比较研究，朱静萍[6]等对绵阳的污染浓度变化做了研究。但目前地形影响和污染类型相结合的研究相对较少。本文以位于四川盆地西北部边沿的绵阳市为研究区域，通过对不同类型污染进行天气学分型，研究气象要素和污染的关系，为大气污染的预报和防控提供科学的方法和依据。

2 数据资料

2.1 区域概况

绵阳市位于四川盆地西北部(图1)，介于北纬30°42′～33°03′、东经103°45′～105°43′之间，幅员面积2.02万km2，人口536.8万(2018年数据)。辖区地貌自西北向东南倾斜，地形由山地向丘陵过渡。地势北高南低，高差悬殊大。西北部属青藏高原东部边缘山地,最高点海拔高5 400m，东南部属四川盆地盆中丘陵，平均海拔400～600m，最低点海拔307.2m。

图1 绵阳市区位及地形Fig.2 Location and topographic map of Mianyang City

2.2 数据来源

环境数据使用绵阳市城区富乐山、三水厂、高新区、市人大4个监测站2014年1月～2016年12月SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O36项污染物质量浓度和AQI指数的逐日数据，用4站监测数据的算数平均数代表绵阳城区数据进行研究。气象数据使用相应时段的绵阳市国家站地面资料和上游区域的高空观测资料。

3 污染概况

研究时段总计1 096天，其中有效数据日数1 086天，AQI指数100或以上的污染日数为243天，污染总天数占有效数据总天数的22.4%。其中轻度污染179天，中度污染48天，重度污染16天；分别占污染总天数的73.7%、19.8%、6.5%。污染程度和污染日数成3倍左右的反相关。轻度污染出现频率最高。

3.1 污染的时间分布

按月统计2014～2016年间污染日数(表1)，1月污染日数最多，共66天，占2014～2016年1月总日数的71.0%，其次为2月和12月，污染日数分别为45天、42天，分别占3年中2月和12月总日数的52.9%和45.2%；8、9月污染日数为0，其余月份的污染日数占3年中各自月份总日数百分比在23.7%～6.5%之间。

研究时段内首要污染物为臭氧(O3)、可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)3类。O3污染23天；PM2.5污染207天；PM10污染13天。PM2.5污染日数最多；PM10污染日数最少。

将2014～2016年中各月按季节(3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季，9、10、11月为秋季，12、1、2月为冬季)划分，讨论污染的季节分布。春季污染日数52天，占春季总日数的18.8%。3种类型的污染在春季均有发生，其中PM2.5污染33

表1 2014～2016年空气质量日数逐月分布Tab.1 Monthly Distribution of Air Quality Days in 2014～2016

天，PM10污染10天，O3污染9天；夏季污染日数17天，占夏季总日数的6.2%，是污染最轻的季节，PM2.5污染3天，O3污染14天，夏季是O3污染的主要发生时段；秋季污染日数21天，占秋季总日数的7.7%，均为PM2.5污染；冬季污染日数153天，占冬季总日数的56.5%，是一年中污染最重的季节，首要污染物为PM2.5，PM2.5污染出现了150天，另外还有3次PM10污染。

3.2 不同类型污染情况

3.2.1 O3污染特征

总计出现23天，发生在4～7月，其余月份没有出现；其中4月出现了2天，其余3个月每月出现了6～8天。AQI最高值为147，所有O3污染均为轻度污染。分析轻度污染出现前两天和当天的天气形势和云量发现：O3污染多发生高空西北气流，天空云量少，光照充足、紫外线较强的条件下。

3.2.2 PM10污染特征

研究时段内，首要污染物为PM10的污染日数为13天，均发生在2～5月，中度污染2天，轻度污染11天。污染持续时间一般1～2天。多发生在长时间的PM2.5污染之后。PM10污染发生1～2天后，AQI值会显著减小，均在100以下，空气质量有明显好转。

3.2.3 PM2.5污染特征

PM2.5污染有持续时间长，污染级别重，重污染时段集中的特点。污染日数长，研究时段内不分种类的污染总日数为243天，细颗粒物(PM2.5)污染日数207天，占污染总日数的85.2%。分布月份广，持续时间长，全年除8、9月外，其余各月均发生过PM2.5污染。污染持续1～2天的过程发生31次，天数为48天；持续3～9天的过程次数为15次，天数为73天；持续10天或以上的次数为5次，天数为86天。最长时间的污染时段发生在2014年1月9日到2月4日，持续时间27天。PM2.5污染天气中，3日及以上的连续污染日数为159天，占PM2.5污染日数中的76.8%。污染级别重，三种污染的中度污染日数合计 48天，PM2.5中度污染出现了46天，占比95.8%。重污染时段集中，所有的重度污染都为PM2.5污染，总计16天，且均发生在每年的12、1、2三个月，其中12月和1月合计15天，为重污染高发时段。

4 污染天气的天气学分型

分析能够对绵阳市污染造成影响的主要天气系统，根据其位置和尺度，选择N40-70，E100-110的范围作为天气形势关键区。就关键区内的天气形势做分析。全年各季节影响绵阳的主要天气类型有：春、秋两季的高压控制或高压边沿型、平直西风型、经向型；夏季的高压控制或高压边沿型、高压脊型、槽前型、经向型；冬季的平直西风型、槽前型、横槽型、高压控制型。

由于绵阳市位于龙门山脉西南麓，受地形的影响，不能分析出连续的地面气压场，所以主要对关键区内的高空实况进行形势分析。根据不同污染类型的产生条件，确定分型的高度层。O3污染时，多为晴好天气，选择500hPa高度层进行分型；根据高空实况资料分析，PM10污染时的气团传输路径多经过秦岭，所经过区域秦岭的平均海拔在2 000m左右，700hPa高度约3 000m左右，既要考虑减少秦岭对气流的阻挡作用，又要选择尽量贴近地面的高度层，所以选择700hPa进行天气形势分型，PM2.5污染主要来源于低层，但由于地形高度的原因850hPa在川西高原不能分析出完整环流，选择700hPa和 850hPa两层结合进行天气形势分型。

4.1 O3污染的天气学分型

以500hPa等压面上的气象要素为分型依据，O3污染时的天气学分型可分为以下三型。

4.1.1 经向环流型

O3污染总计23天，经向环流出现20天，占O3污染总日数的90.5%。环流主要特征为500hPa为槽后的西北气流，700hPa和850hPa多为槽后偏北气流(图2(a))。污染发生和维持时，天气晴好，天空云量0～2，污染后期消散时云量增多到6以上。

图2 O3污染天气形势分型Fig.2 Classification of ozone polluted weather situations

4.1.2 高压外围型

O3污染时出现2天，绵阳市位于500hPa等压面上高压前部或高压底部，700hPa和850hPa上没有明显的天气系统(图2(b))。两次污染总云量分别为0和3。天气静稳，云量少，光照条件好。

4.1.3 高压脊型

出现1天，500hPa和700hPa均为高压脊控制，地面气温较高，总云量0，辐射强(图2(c))。

4.2 PM10污染的天气学分型

PM10污染时，以700hPa上的气象要素为指标进行分型，只有高压底部或前部型(图3(a))一型。500hPa环流形势以纬向环流为主，绵阳市位于700hPa高压底部，在甘肃南部和四川盆地之间形成了明显的气压梯度，气团从高气压区向低气压区移动，由东北方向南下，影响绵阳市。高压底部的东北气流是PM10污染发生的有利条件。污染消散时，关键区内多有明显的槽或低压。

图3 颗粒物PM10及PM2.5天气形势分型Fig.3 Weather pattern classification of particulate PM10 and PM2.5

4.3 PM2.5污染的天气学分型

结合700hPa和850hPa等压面的气象要素综合分析，PM2.5污染时天气学分型有两种。

4.3.1 槽前型

700hPa等压面上，在川西高原东部到盆地西北部存在槽或弱切变，850pha多有切变或冷平流(图3(b))。前期有微量降水，底层为槽前偏南气流，空气湿度增大，如果高空有小槽在夜间过境，容易造成辐射降温，会加剧大气污染。

4.3.2 高压控制型

850hPa为高压控制，700hPa也多为高压控制或位于高压底部(图3(c))，地面多为均压场。此种形式大气较为稳定，不利于污染物的扩散，污染程度重，持续时间长。越接近高压中心，风速越小，污染扩散条件越差；当地面为均压场或弱高压控制时，会导致大量污染物在一处聚集，如地面或低层有弱东南风时，受龙门山脉的阻挡，在沿山容易产生重污染。

5 3种类型污染与气象要素的关系

5.1 污染和风的关系

污染物通过大气进行传输和扩散，因此污染物载体的运动演变直接影响了污染物浓度的变化，而风场则是污染物传输的动力基础。分析3种污染发生时地面风的特征。

5.1.1 PM2.5污染时的地面风特征

由图4(a)可见，北北东风向的风出现频率最高，占13%，其次为东南风，占10%，其余方向占比均低于10%。将风向按角度45°间隔分为8个风向，计算8个风向出现频率。频率最高的两个风向为东南和东北，分别占26%和22%。绵阳西北临山，东南较为平坦，影响绵阳市区的风多来自东南和东北两个方向。东南风途径人口密集，经济发达的盆地腹地，将污染输送至绵阳，遇龙门山后受阻，污染物在绵阳市区积累，有利于污染的生成维持。PM2.5污染一支传输路径为巴中-广元南部-绵阳，气团从此路径上进入绵阳时为东风，继续西行，受龙门山阻挡，转为东北风，造成东北风较高的出现频率。计算不分方向的平均风速，在2.44～1.33m/s之间。出现频率最高的东南风平均风力2m/s，持续的弱东南风既有利于污染的输送和累计，又不利于污染的扩散。

图4 3种污染类型风向风速玫瑰图Fig.4 Wind direction and wind speed rose map of three pollution types

5.1.2 PM10污染时的地面风特征

由图4(b)可见，PM10污染时，东南和东北风占比都为33.3%，东北风沿甘南或陕南经广元，直接沿龙门山南下进入绵阳，东南风由甘南或陕南越过秦岭进入盆地后，经南充、遂宁，最后从绵阳东部进入市区。风速分布在3.33～1m/s区间，平均风速2.3m/s，大于PM2.5为首要污染物时的污染日平均风速，PM10颗粒物较PM2.5颗粒物的质量更大，更大的平均风速有利于PM10污染的传输。

5.1.3 O3污染时的地面风特征

O3污染时西南和东南两个方向的风较多(图4(c))，占比分别为44.0%和35.0%， 西南风从成都平原沿龙门山和龙泉山之间的走廊向东北传输，东南风是从盆地中部沿遂宁-绵阳东部进入绵阳市区。这两条传输路径上人口稠密，车辆众多，NOX和VOCs含量高，给O3污染提供了有利条件。东北风占21.0%，往往由冷空气造成的，风速大，个例风速达9m/s，冷空气影响后天空晴好，紫外线强，当风速减小后也容易造成O3污染。O3污染时，平均风速是3类污染中最大的，达2.76m/s，可能和O3污染多发生在冷空气影响后，或是地表温度较高有关。

5.2 污染和温度、云量的关系

计算3种污染发生时的平均云量和地面平均温度(表2)。PM2.5和PM10污染时，平均云量均为5.6，O3污染时为3.4，说明O3污染多发在少云，光照好的条件下。PM2.5污染多发在冬季，平均气温最低，为12.0℃，PM10污染多发在多冷空气影响时的春秋两季，平均气温比PM2.5污染的平均气温高，为17.6℃，O3污染多发在春夏季的少云天气时段，平均气温最高，为28.4℃。

5.3 污染和逆温层、混合层高度及稳定度的关系

3类污染发生、发展时600hPa以下往往有逆温层(表3)，并有逆温层高度降低和厚度增厚的情况。污染减弱和消失时，常伴随着逆温层高度升高或消散的情况。在PM2.5和PM10污染时，有15%左右的概率出现3层逆温，PM2.5污染时出现2层逆温的情况超过50%，O3污染时多存在1层逆温。总体看来，PM2.5污染时逆温层数最多，多为2层，O3污染时逆温层数最少，多为1～2层。

表2 污染日的平均温度和平均云量Tab.2 Average temperature and cloud cover on polluted days

表3污染日各逆温层数百分比

Tab.3Percentageofinversionlayersinpolluteddays (%)

逆温层数PM2.5 PM10O306.87.74.3127.138.565.2251.238.530.4315.015.40.0

PM2.5污染时，混合层高度在55.0m到2 594.4m之间；PM10污染时混合层高度在738.4m到2 294.7m之间；O3污染时，混合层高度在428.9m到1 923.1m之间。

计算3类污染发生当天14时的混合层高度(表4)。PM2.5污染时，轻、中、重3种污染程度的混合层高度都低于800m，平均高度为639.4m。轻度污染时混合层高度最高，中度污染时最低。重度污染时混合层高度比中度污染时高，这一结论与杜筱筱[7]的研究结果相同。可能是由于重污染时低层常有弱南风，水汽较为丰富，造成计算结果值高。PM10污染常常由携带污染物的东北气流造成，混合层平均高度1 519.2m，轻度污染时混合层平均高度低于中度污染时，可能是由于中度污染时地面风速较轻度污染更大，导致中度污染混合层高度高于轻度污染。O3污染只有轻度污染，混合层高度1 242.4m。污染发生在辐射较强的天气条件下，辐射条件较好，地面气温高，混合层高度也较高。总体说来，PM2.5污染时混合层平均高度最低，O3污染时次之，PM10污染时最高。3种类型污染时AQI和14时的混合层高度均没有线性关系(图5)。

表4 污染日混合层高度Tab.4 Height of mixed layer in polluted days (m)

将3类污染按照污染轻重程度分类，分析Pasquill稳定度日数(表5)。从稳定度日数分布来看，PM2.5污染时，稳定度D级日数占比73.4%，说明PM2.5污染时多为中性稳定环境，其余为A到B级的不稳定环境。PM10污染时没有出现重度污染，轻度污染时D级日数占72.7%，没有出现A级强不稳定，中度污染个例只有2个，分别为A级和D级。O3污染均为轻度污染。D级只占34.8%，A-B级占43.5%，B级占21.7%，说明O3污染时多为不稳定层结。总体说来，PM2.5和PM10的污染多发生在D级的中性天气下，O3污染多发生在A-B或B级两种不稳定的天气下。

图5 污染日AQI和14时混合层高度散点图Fig.5 The scatter plot of mixed layer height at AQI and its polluted day at 14 o'clock

AA-BBD轻度15176107PM2.5中度74035重度24010轻度0128PM10中度1001重度0000轻度01058O3中度0000 重度0000

6 结 论

6.1 PM2.5污染出现次数最多，持续时间长，污染程度重，多发在秋冬季；PM10污染多发在春季，常常和南下的东北气流相伴；O3污染多在春夏季出现，污染持续时间短，污染程度轻。

6.2 PM2.5污染多发生在槽前型或高压控制型天气类型中，污染当地的地面主导风为东南或东北风，云量较多，600hPa以下有2～3层逆温，稳定度多为D级；PM10污染均发生在高压底部或前部型天气类型下，污染当地的地面主导风为东南或东北风，云量较多，600hPa以下有1～2层逆温，稳定度多为D级；O3污染绝大部分发生在经向型天气类型中，高压外围型和高压脊型中也有发生，当污染当地的地面主导风为东南或西南风，天空少云，气温高，本地上空有1～2层逆温时，更有利于污染的发生，稳定度多为A-B级，B级也有出现。

6.3 途径绵阳城区的低层偏南风多来自盆地中部，携带PM2.5污染物，当其被龙门山脉阻挡时，容易在绵阳城区发生PM2.5污染物的堆积，造成首要污染物为PM2.5的大气污染。