银川市冬季两次典型持续大气污染过程对比分析

王建英, 崔 洋, 史 霖, 杨亚丽, 邓敏君

1.中国气象局， 旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室, 宁夏 银川 750002 2.宁夏气象防灾减灾重点实验室, 宁夏 银川 750002 3.宁夏气象服务中心, 宁夏 银川 750002 4.宁夏气候中心, 宁夏 银川 750002

近年来，随着社会经济快速发展和城市化进程的不断加快，工业源、交通源等污染源持续增加，大气污染已成为我国公共安全领域面临的突出问题之一[1-2]，对公众健康和城市能见度构成较大威胁，引起了公众和学者的广泛重视[3-5]. 影响大气污染的因素很多，大气污染事件的发生除与污染源排放有关外，还与天气形势及气象条件密切相关[6-9]. 研究[10-12]表明，大气边界层高度是决定污染物垂直混合范围的关键气象条件之一，直接关系到区域内污染物扩散范围和浓度分布；亦是学者在空气质量数值模拟和大气污染扩散问题中最为关注的研究对象之一. 边界层内的大气垂直运动对污染物稀释扩散也具有重要作用[13-14].

近年来多位学者已对我国不同地区大气污染特征及机理开展了研究. Davis等[15]指出，大尺度环流形势和局地气象条件对重污染过程起决定作用. 魏文秀等[16]统计分析发现，河北省霾的分布、出现与当地天气形势存在显著相关. 张晓云等[17]对天津市秋季典型环境污染过程个例的分析也表明，在污染峰值阶段，层结稳定，逆温层加强，环流场稳定少变，地面风力微弱. 王跃思等[18]研究发现，天气系统弱、强冷空气活动少等极其不利于污染物扩散的局地气象条件是造成2013年1月席卷我国中东部地区罕见强霾污染事件的主要外因. 孟晓艳等[19]对京津冀地区大气污染过程的分析结果显示，该地区ρ(PM2.5)与风速、相对湿度分别呈显著的负相关、正相关，与气压呈负相关；地面风速小、相对湿度高、大气层结稳定，是导致空气质量恶化和强雾霾事件频发的主要原因之一. 程念亮等[20]则通过对2014年10月北京市4次典型大气重污染过程深入分析研究发现，稳定的气象条件是形成京津冀地区大气污染的主要原因. 随着近年来西北地区污染天气的频发，学者们也初步开展了宁夏回族自治区大气污染的研究工作，结果[21]表明，银川市气溶胶质量浓度与能见度相关性最好，细颗粒物对能见度影响比粗粒子更为严重，风速与ρ(PM2.5)呈负相关；并发现当宁夏回族自治区上空500 hPa盛行西北气流、平直西风气流、西南气流，地面位于锋前暖区或气压梯度较小区域或锋面过境前后时，银川市易出现灰霾天气.

宁夏回族自治区地处我国西北内陆，属典型的大陆性半湿润半干旱气候，西面、北面和东面被腾格里沙漠、乌兰布和沙漠和毛乌素沙地包围，南面与黄土高原相连. 受黄土高原自然条件和周围沙漠源的影响，宁夏回族自治区大气中颗粒物本底值相对较高. 近年来，随着宁夏回族自治区大力发展高耗能工业，城市化和工业化加快，以煤炭为主的能源消耗量的迅速增加，大气污染问题日益严峻，加之银川市地处贺兰山东侧，受山体屏障作用影响，冬季平均风速较小，造成以银川市为中心的沿黄经济区雾、霾等重污染天气明显增多[22]. 该研究利用2016年冬季银川市两次典型持续大气污染过程的环境与气象观测资料，分析了持续污染天气过程中首要污染物演变规律，及其与气象要素的关系，研究比较了不同污染过程天气背景和边界层结构变化特征，以期为银川市大气污染预报预警提供预报思路与技术指导，对宁夏回族自治区开展应对持续性大气污染防治工作具有重要意义.

1 资料与方法

1.1 资料与污染过程选取

该研究大气气溶胶小时观测资料来源于银川市国家气候观象台，资料时段为2016年12月1日—2017年1月31日，观测仪器采用德国GRIMM气溶胶技术公司的EDM180型在线环境颗粒物气溶胶粒径谱仪，该仪器每5 min采样一次，气体恒定流量1.20 Lmin，能输出每日24时次的气溶胶质量浓度数据. 同期气象资料来源于银川市国家气候观象台，包括逐小时气温、风速、风向、相对湿度、能见度，以及每日08:00和20:00探空观测获取的边界层常规气象要素数据. 另外，还使用了NCEP (National Centers for Environmental Prediction，美国国家环境预测中心)空间分辨率为2.5°×2.5°、时间分辨率为6 h的大气环流场再分析资料.

在对气溶胶小时观测资料和站点气象观测数据进行质量控制处理的基础上，首先对研究时段的大气气溶胶、气象要素和再分析资料数据做日均值统计分析；其次，根据GB 3095—2012《环境空气质量标准》[23]及HJ 663—2013《环境空气质量评价技术规范(试行)》[24]，依据ρ(PM2.5)对银川市大气污染级别进行划分和筛选；最后，综合考虑大气污染级别和大气污染过程持续时间，选取2016年12月9—21日(简称“1211过程”)和2016年12月29日—2017年1月9日(简称“1231过程”)两次典型污染过程作为分析研究对象.

1.2 大气边界层高度确定方法

Holzworth[25]于20世纪60年代提出了干绝热曲线法确定大气边界层高度(混合层厚度). 该方法假设空气为干空气或为未饱和湿空气的条件下，湍流混合的结果会促使气层的温度垂直分布趋于干绝热递减率，则平均最大混合层厚度是由温度廓线和地面最高气温而定；亦即在温度-对数压力图上，从清晨到地面达最高气温以前，地面气温与气压所确定的点沿干绝热线上升，与探测的大气温度垂直廓线相交，交点以下便是混合层，交点对应的高度便是最大混合层厚度. 该方法适用于有探空资料的地区，在西北地区计算结果也比较可靠[26-27]. 故采用该方法计算确定银川市冬季两次典型污染过程边界层高度(混合层厚度). 干绝热曲线法确定边界层高度的计算公式[28]:

(1)

(2)

2 结果与讨论

2.1 两次典型污染过程特征

2.1.1ρ(PM2.5)演变特征

根据银川市两次典型污染过程(1211过程和1231过程)发展演变特征，结合整个污染事件过程中ρ(PM2.5)的变化趋势，将两次典型污染过程划分为3个阶段，即积累阶段、持续阶段和清除阶段. 由图1可见，两次典型污染过程在积累阶段ρ(PM2.5)均从良升至轻度污染等级，而在持续阶段ρ(PM2.5)始终维持在104.0～175.2 μg/m3之间，属于轻度-重度污染等级，到清除阶段ρ(PM2.5)则从轻度污染降至优或良.

图1 两次典型污染过程ρ(PM2.5)演变特征Fig.1 The evolution characteristics of PM2.5 in two typical pollution processes

2.1.2ρ(PM2.5)与气象要素的关系

研究[29-30]表明，重污染发生时，风速较小，相对湿度较大，边界层高度降低，ρ(PM2.5)逐渐积累. 因此对两次典型污染过程中各阶段风速、主导风向、相对湿度、能见度特征进行统计，以便分析两次典型污染过程中气象要素与ρ(PM2.5)的初步关系. 由表1可见，银川市两次典型污染过程中气象要素具有明显一致的变化特征，即在积累到持续阶段，相对湿度逐渐增加，风向为偏东或偏南风，风速逐步减小，转为静稳天气，水平扩散条件差，能见度降低；进入清除阶段后，相对湿度减小，风向转为西北或偏北风，风速逐步增大，扩散条件逐步转好，能见度升高.

表1 两次典型污染过程3个阶段的气象要素统计特征

为进一步分析不同气象因子与银川市冬季大气污染过程中ρ(PM2.5)的关系，计算两次典型污染过程中风速、相对湿度等气象要素与大气中ρ(PM2.5)之间的相关系数. 由表2可见：两次典型污染过程中ρ(PM2.5)与风速呈负相关，相关系数分别为-0.495 和-0.157 (平均值为-0.326)，表明风速越小，水平扩散条件越差，越有利于ρ(PM2.5)积累和增大；而ρ(PM2.5)与相对湿度呈明显正相关，在两次典型污染过程中二者相关系数分别为0.675和0.701(平均值为0.688)，即相对湿度越大，越有利于颗粒物吸湿积累；同时，两次典型污染过程中ρ(PM2.5)与能见度相关系数分别为-0.905 和-0.904(平均值为-0.905)，二者之间呈显著负相关，表明在污染过程中水汽会以污染物为凝结核使得小水滴变大，增加视程障碍，从而降低能见度，造成水平能见度变差；两次典型污染过程中ρ(PM2.5)与气压的相关系数分别为0.129和-0.553，与气温的相关关系分别为-0.488 和0.742. 在1211过程中，银川市呈地面气压先升后降、气温先降后升的变化趋势，而在1231过程中呈地面气压先降后升、气温先升后降的变化趋势，这是导致两次过程中ρ(PM2.5)与气压、气温相关系数存在显著差异的主要原因.

2.2 两次典型污染过程天气背景特征

由图2可见：两次典型污染过程高空500 hPa亚欧大陆中纬度地区大气环流均为纬向气流，高空风速小，均属于静稳型污染天气. 其中，1211过程，银川市受蒙古国到新疆维吾尔自治区脊前弱西北气流控制(西北气流型污染天气)，中纬度等高线稀疏，气压梯度力小，沿脊前下滑冷空气弱；1231过程，银川市处在平直弱西风气流中(平直西风气流型污染天气)，中纬度等高线较稀疏，西风风速小，银川市上游气流平直，无冷空气活动.

表2 两次典型污染过程中ρ(PM2.5)与气象因子间的相关系数

由图3可见，两次典型污染过程中850 hPa边界层银川市上空受反气旋环流和暖温度脊控制，其周边大范围无等高线通过，气压梯度很弱，边界层风速小，大气湍流弱，其西南部有弱暖平流向北输送，有利于边界层温度升高，边界层的气象特征有利于逆温的持续维持. 1211过程，银川市处在蒙古冷高压后部的弱东北风中，持续的东北风有利于内蒙古自治区污染物向银川市扩散传输，相对湿度在50%～60%之间，湿度条件有利于ρ(PM2.5)在近地面层吸湿性增长及累积，风小不利于污染物水平扩散；同时，东北风也使得北部冷空气南下，污染持续阶段银川市地面气压升高，温度下降. 1231过程，银川市处在地面低压倒槽辐合区中，倒槽两侧西南和东南风使得周边污染物向银川市辐合聚集，持续的偏南风有利于地面增湿，污染物吸湿积累；同时，倒槽使得两侧空气向槽内辐合上升，污染持续阶段银川市地面气压下降，温度升高.

图2 两次典型污染过程500 hPa平均环流形势Fig.2 The average circulations of 500 hPa in two typical pollution processes

图3 两次典型污染过程850 hPa高度、温度、风场平均合成图Fig.3 The average geopotential height, temperature and wind field of 850 hPa in two typical pollution processes

综上，不利于污染物扩散的高低空天气形势易导致连续静稳天气的出现，为大气污染的形成及维持提供了稳定的大气环流背景.

图4 两次典型污染过程边界层高度和ρ(PM2.5)逐日变化Fig.4 The diurnal variations of boundary layer height and PM2.5 in two typical pollution processes

2.3 两次典型污染过程边界层结构特征

2.3.1两次典型污染过程边界层高度变化

为进一步研究大气边界层高度对污染物浓度的影响，利用干绝热曲线法和银川市国家气候观象台探空资料计算了两次典型污染过程的大气边界层高度. 1211过程和1231过程中边界层高度与ρ(PM2.5)均呈较显著负相关，相关系数分别为-0.57 和-0.58(平均值为-0.575). 虽然两次典型污染过程均具有污染积累阶段边界层高度降低、清除阶段边界层高度升高的特征，但也存在明显差异. 由图4可见：1211过程污染物积累慢、清除快，污染持续阶段边界层高度普遍在500～600 m之间；12月13日边界层高度升至987 m，ρ(PM2.5)降至70.2 μg/m3，ρ(PM2.5)从轻度污染降至良，污染物质量浓度随边界层升高下降快. 1231过程污染物积累快、清除慢，污染持续阶段边界层高度普遍在600～700 m之间；1月3日边界层高度升至893 m，1月4日ρ(PM2.5)降至104.0 μg/m3，ρ(PM2.5)从重度污染降至轻度污染，ρ(PM2.5)对边界层高度变化的响应具有一定时间的延迟与滞后.

2.3.2两次典型污染过程位温特征

研究[31]表明，污染物的垂直扩散不仅受边界层高度的影响，边界层内大气层结稳定度也是直接影响湍流活动强弱，污染扩散的重要因素. 图5为两次典型污染过程逐日大气位温高度-时间剖面结果. 由图5可见，两次典型污染过程中边界层位温随高度变化趋势总体一致，即在对流层中低层大气位温随高度增加而递增或不变，大气处于稳定状态或随意平衡的中性状态. 受高空大气环流影响，两次典型污染过程边界层变化也存在不同. 1211过程，银川市受蒙古国到新疆维吾尔自治区高空弱脊前西北气流控制，天空晴朗少云，白天地面吸收太阳辐射而获得热量多，夜间地面辐射降温明显，白天地表非绝热加热和夜间地面辐射冷却对低层大气温度的影响明显，低层空气湍流较强，使得垂直方向上大气混合较充分，550 m以下低层位温在6～10 ℃之间，垂直梯度较小，逆温强度较弱〔见图5(a)〕. 而1231过程，银川市受中纬度平直弱西风气流控制，天空多云系，白天地面吸收太阳辐射而获得热量少，夜间地面辐射降温弱，白天和夜间地表对近地层大气温度的影响不明显，空气湍流弱，使得垂直方向上大气混合不充分，550 m以下低层位温在6～18 ℃之间，垂直梯度较大，逆温较强〔见图5(b)〕.

2.3.3两次典型污染过程大气垂直运动特征

雾霾及空气污染过程发生在大气静稳背景下，一般在前次冷空气过后的数天之内开始积累加重，人们普遍关注逆温、地面小风速和混合层高度低等不利于污染物扩散的因素，认为逆温导致边界层“脏”空气上升运动受阻，大风能够吹跑雾霾，混合层高度增大能够稀释污染. 根据ω方程(大气垂直运动方程)，暖平流区有上升运动，冷平流区有下沉运动[32]，尤其850 hPa存在暖脊、暖平流又较弱时，使得850 hPa以下为微弱上升运动，这种微弱上升运动既不足以稀释污染，高空清洁大气又不能下沉到达地面，垂直交换停滞，易导致污染积累加重，大气垂直运动对污染物稀释扩散也起到了重要作用. 由图6可见：在两次典型污染过程的持续阶段，银川市近地层均为弱上升或弱下沉运动，这种微弱上升或下沉运动不足以稀释污染，逆温又抑制了高空清洁空气的下沉，垂直交换停滞，导致污染积累加重；清除阶段，低层风速加大，湍流运动加强，逆温层被破坏，边界层高度升高，中低层上升气流加强，高空清洁空气与近地面“脏”空气交换，近地面污染物质量浓度迅速减小，空气质量转好. 同时，两次典型污染过程中大气垂直运动又存在明显差异. 1211过程中，银川市900 hPa以上盛行偏北风，对流层以下沉运动为主，高空下沉气流压缩了低层空气，边界层高度降低，污染物稀释扩散空间小，造成污染天气加重；而在1231过程中，从地面至250 hPa高空盛行偏西、偏南风，对流层上升和下沉气流交替出现，高空多云系，有利于低层逆温持续维持和增强，低层空气湍流弱，污染加重.

图5 两次典型污染过程位温高度-时间剖面图Fig.5 The potential temperature height-time profiles in two typical pollution processes

图6 两次典型污染过程大气垂直速度时空剖面Fig.6 The spatial-temporal profiles of vertical velocity in two typical pollution processes

3 结论

a) 银川市冬季典型污染过程的污染持续阶段，地面风向为偏东或偏南风，风速(平均值为1.0 ms)较小，相对湿度(平均值为54.2%)较大，能见度(平均值为3.0 km)较低；清除阶段，地面风向转为西北或偏北风，风速(平均值为3.1 ms)较大，相对湿度(平均值为43.8%)较小，能见度(平均值为8.6 km)较高；ρ(PM2.5)与风速呈负相关(R平均值为-0.326)，与相对湿度呈明显正相关(R平均值为0.688)，与能见度呈明显负相关(R平均值为-0.905).

b) 对两次典型污染过程天气背景分析结果显示，500 hPa欧亚大陆中纬度地区大气环流均为纬向气流，850 hPa边界层银川市上空均受反气旋环流和暖温度脊控制，其西南部有弱暖平流向北输送，均属于静稳型污染天气.

c) 统计相关性分析表明，两次典型污染过程中边界层高度与ρ(PM2.5)均呈较明显负相关(R平均值为-0.575). 污染持续阶段，边界层高度均明显降低，边界层内大气层结稳定，为弱上升或弱下沉气流；清除阶段，边界层高度升高，对流层中低层风速加大，上升气流增强，高空清洁空气与近地面“脏”空气交换，污染物质量浓度迅速减小.

d) 1211过程为西北气流型污染天气，污染持续阶段边界层高度低，普遍在500～600 m之间，近地面层逆温弱，污染物积累慢，清除快；1231过程为平直西风气流型污染天气，污染持续阶段边界层高度普遍在600～700 m之间，近地面层逆温强，污染物积累快，清除慢，污染物质量浓度对边界层高度变化的响应具有一定的延迟与滞后.

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