渭南市2015—2017年典型霾天气过程气象特征分析

吉 庆，武麦凤，何 林，陈 洁

(1.渭南市气象局，陕西渭南 714000；2.陕西省气象信息中心，西安 710014)

渭南地处陕西省关中盆地东部，随着工业化、城市化进程的高速发展，大气污染日益加重，并且与关中地区其他城市进入复合污染阶段。空气中污染物的时空变化特征与气象条件密切相关，研究区域和城市空气污染过程天气形势转变及其与气象因子的关系，有助于认识空气污染形成的机制，并且能为环境空气质量预报积累经验、提供参考。国内众多学者研究了关中地区气象条件与大气污染的关系，得出大气污染物的扩散受到天气形势、下垫面、风速、降水、边界层高度等条件的影响。有的针对一次典型霾天气过程剖析其大气环境特征[1-2]；有的分析了大气污染特征以及气象条件对大气污染的影响[3-7]。比如，杜怡心等利用2015—2016年西安市逐日空气质量资料和气象观测资料，统计评价2016年气象条件较2015年对大气污染的影响情况[3]；王钊等对近10年关中盆地MODIS气溶胶的时空变化特征进行了分析[4]；韩超对关中地区环境空气污染物浓度的统计特征及其与气象要素的关系进行了分析[5]。综合利用地面空气污染监测资料、常规气象资料、探空资料、NCEP再分析资料，对2015—2017年渭南市11个典型霾天气过程进行分析，总结渭南市典型霾天气过程的大气环流背景特征，并运用统计学方法分析典型霾天气过程的气象要素特征，得出渭南市典型霾天气过程的相关气象要素阈值，以期为渭南市霾天气天气预报提供参考。

1 资料和方法

颗粒物质量浓度来源于中国空气质量在线监测分析平台(http://www.aqistudy.cn)发布的空气质量历史数据；常规气象资料来自全国综合气象信息共享平台(CIMISS)；探空资料来自怀俄明大学网站(http://weather.uwyo.edu/upperair/seasia.html)及香港科学技术大学(HKUST)环境中心(ENVF)发布的泾河气象站(57131)探空资料(http://envf.ust.hk/dataview/profile/current/)；大气环流背景特征分析采用NCEP 1°×1°再分析资料。根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633—2012)，并参考文献[8]中霾污染日的统计标准，确定渭南市环境空气质量等级统计标准(表1)。

表1 渭南市环境空气质量等级统计标准

注：能见度为渭南市地面观测资料。

2 典型污染天气过程颗粒物变化特征

经过统计得出，2015—2017年渭南市典型霾天气过程主要发生在秋、冬两季(10月—次年1月)。表2给出了11次典型过程的具体时间段以及PM2.5的过程最大质量浓度和平均质量浓度。从PM2.5的过程平均质量浓度看，11次典型过程均为轻度以上污染，其中中度污染4次，重度污染4次，严重污染1次。图1给出了11次典型持续性污染天气过程期间颗粒物PM2.5、PM10的平均质量浓度日变化情况。可以看出，渭南市典型持续性污染天气过程中细颗粒物(PM2.5)是PM10的主要组成成分，PM2.5的质量浓度明显高于粗颗粒物。严重污染期间PM2.5和PM10的质量浓度存在明显的日变化且二者基本同步，均在13时(北京时，下同)和20时前后出现峰值；04—08时变化相对平缓；09—13时、18—20时两个时间段二者质量浓度快速上升。

表2 2015—2017年渭南市11次典型持续性污染天气过程PM2.5最大质量浓度及平均质量浓度μg/m3

图1 2015—2017年渭南市11次典型污染过程污染物平均质量浓度日变化

3 典型污染过程大气环流特征分析

分析11次典型重污染天气过程逐日500 hPa及700 hPa环流形势，发现存在相似的分布特征，因此以2015年12月18—25日重污染天气过程为例分析环流形势特征。2015年12月18—25日，渭南市出现了持续8 d的霾重污染天气过程。从18—25日的过程平均位势高度场(图2)可以看出，500 hPa 亚欧中高纬为两槽一脊型，乌拉尔山以西和亚洲大陆以东为长波槽区，贝加尔湖为一强盛的暖性长波脊区，陕西处于长波脊前底部，青藏高原到河套盛行纬向偏西气流，关中盆地附近等值线比较稀疏，表明高空风速比较小(图2a)。相应的700 hPa亚欧高纬环流形势亦为两槽一脊型，青藏高原上有短波槽，短波槽前有弱偏南气流发展，其偏南气流可到达陕西南部(图2b)。

12月18日(图略)，500 hPa亚欧中高纬为两槽一脊型，青藏高原有短波槽发展东移，陕西位于短波槽的前部，有弱偏南气流发展。相应的700 hPa青藏高原东部有低涡发展并缓慢东移，陕西南部有偏南暖湿气流发展。随着500 hPa青藏高原短波槽减弱并缓慢东移，对流层低层关中地区多短波槽活动，维持偏南暖湿气流。24日(图略)500 hPa贝加尔湖附近有低压槽发展并东南移，西风锋区南压，东亚大槽建立。随着对流层高层环流形势的调整，对流层低层环流也随之变化，700 hPa陕西转为西北气流控制，渭南持续8 d的重污染天气也得到了缓解。

图2 2015-12-18—25 500 hPa(a)和700 hPa(b)平均位势高度场(单位：dagpm)

综上所述，渭南市严重污染期间，500 hPa欧亚中高纬度环流呈两槽一脊型，陕西处于暖脊前部，长波脊前底部，青藏高原到河套盛行纬向偏西气流。相应的700 hPa青藏高原上有短波槽，短波槽前有弱偏南气流发展，偏南气流可到达陕西南部。此种环流形势不利于污染物的扩散。而空气质量转好时，中高纬度环流形势明显变化。陕西上空锋区加强，伴随地面东移南下冷空气的入侵，关中对流层低层偏北气流加强，有助于污染物的扩散。

4 探空资料分析

4.1 昼间混合层高度

混合层高度表明了大气中的污染物在垂直方向上的扩散范围，若混合层高度较低，则污染物在垂直方向上不能得到有效扩散[9]。依据环境评价技术导则计算区域大气稳定度、大气混合层高度的基本公式[10]，计算11次典型持续性污染天气过程发生期间渭南市当地94 d逐日的混合层高度。

分析得出PM2.5质量浓度与昼间(根据霾天气过程发生当天渭南当地日出、日落时间计算得出昼长)混合层高度在0.01水平上(双侧)显著相关，Pearson相关系数为-0.370(样本数为94)。从图3来看，当发生空气污染时，昼间混合层高度明显降低，当平均昼间混合层高度低于483.9 m时，空气质量等级由“优”“良”转为“轻度”及以上污染。通过回归分析，PM2.5质量浓度与昼间混合层高度的关系符合指数曲线(图4)。

图3 2015—2017年渭南不同空气质量等级时的昼间混合层高度箱线

图4 2015—2017年渭南PM2.5质量浓度与昼间混合层高度的关系

4.2 逆温

在秋冬季节，夜间地表的长波辐射会使地表的温度不断降低，近地面大气随之发生冷却；而其上层大气仍维持较高的温度，进而形成辐射逆温层，使得大气层结趋于稳定。分析11次典型持续性污染天气过程发生期间泾河气象站94 d逐日08时及20时逆温层厚度和逆温强度，得出PM2.5质量浓度分别与08时逆温层厚度、20时逆温强度在0.01水平上(双侧)显著相关，Pearson相关系数分别为0.430和0.609(样本数为94)。

从图5可看出：当空气质量为“良”“轻度污染”“中度污染”时，逆温强度变化不大；但当出现重度污染及严重污染时，逆温强度有明显增强。当逆温强度大于0.77 ℃/hm时，空气质量明显恶化；当逆温强度大于1.70 ℃/hm时，空气质量等级为“严重污染”。通过回归分析，PM2.5质量浓度与逆温强度的关系符合幂函数曲线(图6)。

图5 2015—2017年渭南不同空气质量等级的逆温强度箱线

图6 2015—2017年渭南PM2.5质量浓度与逆温强度的关系

4.3 高空风

通过分析典型污染过程发生时的MICAPS细网格资料，从全国综合气象信息共享平台(CIMISS)MICAPS细网格资料中提取11次典型持续性污染天气过程发生期间，(107.5°E，35°N)、(110°E, 35°N)、(112.5°E, 35°N))、(110°E, 37.5°N)4个点(分别位于渭南以西、渭南当地、渭南以东、渭南以北，在CIMISS中序号分别为1515、1516、1517、1616；因渭南以南有秦岭阻挡，故不取渭南以南的点)逐日500、700、850 hPa风向风速数据，得出PM2.5质量浓度与700 hPa高空风风速风向在0.01水平(双侧)显著相关，Pearson相关系数分别为-0.322和-0.136(样本数为376)。

从图7可看出，当发生空气污染时，700 hPa高空风风速明显减小。当700 hPa高空风风速小于9.1 m/s时，空气质量等级开始由“优”“良”转差；当700 hPa高空风风速小于5.9 m/s时，空气质量等级为“中度”以上污染。从图8可看出：当空气质量为“优”“良”“轻度污染”时，700 hPa高空以西北风为主；“中度污染”“重度污染”时偏南风发展；“严重污染”时以西南风为主。

圆圈表示异常值，数字表示异常值出现的频次。图7 2015—2017年渭南不同空气质量等级700 hPa高空风风速箱线

5 地面要素特征

5.1 降水

分析11次典型持续性污染天气过程发生期间渭南市当地94 d逐小时的降水量与PM2.5质量浓度数据，得出PM2.5质量浓度与过去1小时降水量在0.01水平(双侧)显著相关，Pearson相关系数为―0.140(样本数为2 256)。对不同空气质量等级的降水量阈值(表3)进行回归分析，得出PM2.5质量浓度与过去1小时降水量的关系符合指数曲线(图9)。

图8 2015—2017年渭南空气质量为优(a)、良(b)、轻度污染(c)、中度污染(d)、重度污染(e)、严重污染(f)时700 hPa高空风风向频率/%分布

表3 2015—2017年渭南不同空气质量等级的降水量阈值 mm

图9 2015—2017年渭南PM2.5质量浓度与过去1小时降水量的关系

PM2.5质量浓度与昼间混合层高度、过去1小时降水量的关系均符合指数曲线。当混合层高度升高，或发生降水时，PM2.5质量浓度均下降；且降水粒子的湿沉降作用对污染粒子的清除效率明显高于混合层高度升高对PM2.5质量浓度的影响。

5.2 其他地面要素

分析11次典型持续性污染天气过程发生期间渭南市94 d其他地面小时气象要素数据，得出PM2.5质量浓度与气温、露点温度、海平面气压、相对湿度、10分钟平均风速、总云量在0.01水平(双侧)显著相关，Pearson相关系数见表4(样本数为2 256)。表5给出不同空气质量等级各地面要素的中值。从表4看出，PM2.5质量浓度与气温、海平面气压、10分钟平均风速负相关，与露点温度、相对湿度、总云量正相关。从表5看出：当相对湿度大于66.5%时，空气质量由“良”降为“轻度”及以上污染等级；当10分钟平均风速小于1.3 m/s时，空气质量由“优”转差；总云量为100%时比总云量小于100%更易发生空气污染。其他各项地面要素在不同空气质量等级的中值规律不明显，需要更多数据进行分析，将在今后的研究中收集更多典型霾天气过程个例分析总结。

表4 2015—2017年渭南PM2.5质量浓度与其他地面要素的Pearson相关系数

表5 2015—2017年渭南不同空气质量等级其他地面要素中值

6 结论

(1)2015—2017年渭南市典型霾天气过程主要发生在秋、冬季10月—次年1月。典型持续性污染天气过程中细颗粒物(PM2.5)是PM10的主要组成成分，PM2.5的质量浓度明显高于粗颗粒物。严重污染期间PM2.5和PM10质量浓度存在明显日变化，且基本同步，均在13时和20时前后出现峰值；04—08时变化相对平缓；09—13时、18—20时二者质量浓度快速上升。

(2)渭南市严重污染期间，500 hPa欧亚中高纬度环流呈两槽一脊型，陕西处于暖脊前部，长波脊前底部；700 hPa青藏高原有短波槽，短波槽前有弱偏南气流发展，不利于污染物扩散。空气质量转好时，中高纬度环流形势明显变化，陕西上空锋区加强，伴随地面东移南下冷空气的入侵，关中对流层低层偏北气流加强，有助于污染物的扩散。

(3)PM2.5质量浓度与昼间混合层高度、20时逆温强度及700 hPa高空风显著相关。PM2.5质量浓度与昼间混合层高度的关系符合指数曲线，当昼间混合层高度小于483.9 m时，空气质量等级由“优”“良”转为“轻度”及以上污染。PM2.5质量浓度与逆温强度的关系符合幂函数曲线。当逆温强度大于0.77 ℃/hm时，空气质量明显恶化；大于1.70 ℃/hm时，空气质量等级为“严重污染”。当空气质量为“优”“良”“轻度污染”时，700 hPa高空以西北风为主；“中度污染”“重度污染”时偏南风发展；“严重污染”时以西南风为主。当700 hPa高空风风速小于9.1 m/s时，空气质量等级开始由“优”“良”转差；小于5.9 m/s时，空气质量等级为“中度污染”以上。

(4)PM2.5质量浓度与过去1小时降水量、气温、海平面气压、10分钟平均风速负相关，与露点温度、相对湿度、总云量正相关。PM2.5质量浓度与过去1小时降水量的关系符合指数曲线。当相对湿度大于66.5%时，空气质量由“良”下降为“轻度”及以上污染等级；当10分钟平均风速小于1.3 m/s时，空气质量等级由“优”转差；总云量为100%时比总云量小于100%更容易发生空气污染。