汾渭平原一次沙尘和人为混合空气污染过程分析

高星星,2,3,4 桂海林5 王楠 张黎 王建鹏

(1.陕西省气象台， 陕西 西安 710014； 2.中国气象局大气化学重点开放实验室，北京 100081； 3.秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，陕西 西安 710014； 4.秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室灾害性天气研究与应用中心，陕西 西安 710014; 5.国家气象中心，北京 100081)

引言

汾渭平原是黄河流域汾河平原、渭河平原及其周边台原阶地的总称，包括陕西省西安、宝鸡、咸阳、渭南、铜川、杨凌示范区、西咸新区，山西省吕梁、晋中、临汾、运城以及河南省洛阳、三门峡等11城2区。汾渭平原人口密度大，重化产业聚集，能源结构以煤为主，产业结构偏重，运输结构偏公路，污染物排放总量居高难下，再加上汾渭平原属于河谷地带，南为秦岭，北为高原，不利于污染物扩散，该区域的大气污染形势十分严峻。

目前，针对大气污染观测主要有地基和卫星两类，地基观测虽然精度高，但是站点稀疏，无法满足实际业务需求。卫星观测能够在保证观测精度的前提下，弥补地基观测的不足，容易获得实时全球大气污染观测数据。国内外基于卫星资料分析大气污染过程的研究已有很多，如唐娴等[1]和陈烨鑫等[2]基于中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)资料揭示了发生霾时气溶胶光学特性；颜娇珑等[3]、王潇等[4]和许潇锋等[5]利用云—气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations,CALIPSO)资料探讨了霾天气时气溶胶垂直变化特征；白冰等[6-7]、刘贞等[8]利用CALIPSO资料分析了沙尘天气过程中气溶胶垂直分布情况；陈科艺和彭志强[9]利用臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument,OMI)资料研究了沙尘天气过程中沙尘传播特征。以往这些研究大多是基于一种卫星资料对霾或沙尘过程的单独研究。

2018 年11 月23 日至12 月6 日汾渭平原发生了一次持续时间长、影响范围广、污染程度重的霾沙混合空气污染过程。此外，为了充分发挥各卫星优势，如MODIS卫星可提供全球整层气溶胶光学特性，CALIPSO和OMI卫星可分别提供气溶胶垂直分布情况和吸收性气溶胶光学特性，本研究将基于MODIS、OMI和CALIPSO多源卫星资料，同时结合地面环境监测数据和气象观测数据以及后向轨迹模式(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,HYSPLIT)，对汾渭平原2018 年11 月23 日至12 月6 日典型空气污染过程进行深入分析，以期为卫星资料在沙尘和人为混合空气污染过程中的应用提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

1.1.1 观测数据

所用空气质量指数(Air Quality Index,AQI)、PM2.5和PM10逐小时浓度实况监测数据来源于中国空气质量国控自动监测站，各代表城市AQI、PM2.5和PM10浓度均为各代表城市范围内所有国控站点的平均值。相对湿度(Relative Humidity,RH)、10 m风速、10 m风向和地面天气现象逐小时气象要素资料来源于中国气象局全国综合气象信息共享平台(China Integrated Meteorological Information Service System，CIMISS)，选取泾河、孟津和临汾国家级自动气象站的气象要素观测值分别作为西安、洛阳和临汾3个代表城市的气象要素值。

1.1.2 卫星资料

Terra卫星每日地方时上午10:30过境，就汾渭平原而言，对应北京时间约为上午9:30。本研究采用的是搭载在Terra卫星上的MODIS三级气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)日产品，分辨率为1°×1°。Aura卫星过境时间为当地下午1:45，其携带的OMI可监测大气中的臭氧柱浓度和廓线、气溶胶、云、表面紫外辐射，以及其他痕量气体[10]。本研究采用的是OMI三级OMAERUVd日产品中的吸收性气溶胶指数(Absorbing Aerosol Index,AAI)，分辨率为1°×1°。

CALIPSO卫星搭载的云—气溶胶正交极化激光雷达(Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization,CALIOP )是首个能够提供连续观测的星载偏振激光雷达，能够以高分辨率观测全球范围内云和气溶胶的垂直分布[11-12]。本研究采用的是CALIPSO二级5 km气溶胶廓线产品中的532 nm消光系数以及二级垂直特征层分布产品(Vertical Feature Mask,VFM)中的气溶胶分类。

1.2 研究方法

HYSPLIT是美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)研发的一款进行气流反演的软件，通过气象数据分析大气输送通道。HYSPLIT后向轨迹模式采用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)全球资料同化系统(Global Data Assimilation System,GDAS)提供的1°×1°分析场资料作为初始场。

空气质量等级的划分以及PM2.5和PM10日均浓度限值参照中国环境保护部发布的《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》[13]中的有关规定，具体见表1。

表1 空气质量等级划分和PM2.5、PM10日均浓度限值Table 1 Classification of air quality level and daily average concentration limits for PM2.5 and PM10

2 结果分析

2.1 污染实况分析

2018年11月23日至12月6日汾渭平原发生了一次大范围持续性重空气污染过程(图1)。选取西安、临汾和洛阳3个代表城市，分析此次污染过程中空气质量等级和颗粒物浓度变化。11月23日汾渭平原以轻度污染为主，11月24—25日以中度污染为主，11月26日至12月3日以重度到严重污染级别为主，是污染最重时段，12月4—6日污染逐渐减轻，12月6日下午空气质量恢复至二级良(图1)。由地面天气现象观测记录可知，11月26—27日和12月2—3日均有沙尘自西北方向向汾渭平原地区传输过来。受其影响，3个代表城市AQI和PM10浓度在11月26日夜间至次日清晨期间和12月2日夜间至次日清晨期间均呈现出峰值，且后一次峰值较前一次更高，表明后一次沙尘传输在汾渭平原地区造成的污染更重。西安AQI和PM10浓度逐小时最高分别达500和838 μg·m-3，临汾AQI和PM10浓度逐小时最高分别达500和716 μg·m-3，洛阳AQI和PM10浓度逐小时最高分别达382和496 μg·m-3，西安、临汾和洛阳PM2.5逐小时浓度呈单峰变化，最大峰值浓度分别为269 μg·m-3、334 μg·m-3和212 μg·m-3，表明霾在12 月1 日达到了最重。西安、临汾和洛阳AQI小时平均值分别为231.87、184.61和182.89，处于中到重度污染级别，PM2.5小时平均浓度分别为130.22 μg·m-3、122.69 μg·m-3和114.58 μg·m-3，PM10小时平均浓度分别为317.71 μg·m-3、236.21 μg·m-3和252.26 μg·m-3，PM2.5和PM10小时平均浓度均处于轻到中度污染级别。西安、临汾和洛阳持续达重污染时长均较长，分别为66 h、42 h和37 h。3个代表城市中，西安AQI和PM10浓度小时最高值以及AQI和PM2.5浓度小时平均值均最大，持续达重度到严重污染级别时间最长，PM2.5浓度小时最高值也较大，故西安污染最重；洛阳AQI、PM2.5和PM10浓度小时最高值以及AQI和PM2.5浓度小时平均值均最小，持续达重度到严重污染级别时间最短，PM10浓度小时平均值也较小，故洛阳污染最轻。

图1 2018 年11 月23 日至12 月6 日西安(a)、洛阳(b)、临汾(c)AQI、PM2.5、PM10、RH、风随时间变化Fig.1 Temporal variation of AQI,PM2.5 and PM10concentration,relative humidity and wind in Xi′an (a),Luoyang (b) ,and Linfen (c) from November 23 to December 6,2018

2.2 气象条件对污染物浓度影响

在排放源固定情况下，污染物浓度分布状况主要受气象条件影响。图1给出了此次污染过程期间，3个代表城市RH逐小时演变情况。整个污染过程累计持续336 h,其中199 h的RH超过50%，较高的湿度有利于污染物的生成和累积，加重霾天气。沙尘影响期间，大风作用使得空气比较干燥，RH较小。静稳天气形势有利于污染物积累，大风有利于沙尘传输。临汾和洛阳西北风对应的PM2.5和PM10浓度相对较低，表明西北方向为清洁通道(图1)。西安在风速小于2 m·s-1情况下，无论风向如何，PM2.5和PM10浓度均有大值出现，说明此时以本地积累为主，当风速增大至3 m·s-1时，PM2.5和PM10在西南和东北方向仍有超过重污染阈值的PM2.5和PM10值存在，表明此时以外来传输为主，且西南和东北方向是西安污染物主要传输通道，当风速增大至4 m·s-1时，PM2.5和PM10只在西南方向有超过重污染阈值的PM2.5和PM10值存在，受地形影响，西北路冷空气过境西安时会转成西南风，表明此时以沙尘传输为主。临汾PM2.5和PM10浓度超标时刻主要集中出现在风速小于2 m·s-1时刻，表明此次污染过程中临汾以本地积累为主，也表明相较其他两个代表城市临汾受沙尘传输影响较小。洛阳在风速小于2 m·s-1时刻，PM2.5和PM10浓度均较小，PM2.5和PM10高值主要集中出现在风速大于2 m·s-1的东北方向，东北风将京津冀高排放区污染物向南输送至洛阳，导致洛阳东北风对应的污染物浓度较高，且与其他两个代表城市相比，洛阳风速最大，表明此次污染过程中洛阳以传输作用为主。此外，沙尘传输作用使得一些较大PM10值散落在洛阳风速大于2 m·s-1的西北方向。

2.3 污染物水平分布特征

AOD是气溶胶消光系数在整层的积分，可描述整层气溶胶对光的衰减作用[14-15]。AAI是识别沙尘气溶胶的重要参数。对非吸收性气溶胶，AAI接近0或为负数，对沙尘等吸收性气溶胶，AAI为正值[16-18]。MODIS AOD和OMI AAI资料显示(图2和图3)，汾渭平原25日AOD值普遍小于0.25，26日受沙尘影响AOD值较25日明显增加，高值主要集中在西安、咸阳和吕梁，最大AOD值可达2.0以上，关中地区AAI值很高，达4.5以上，28日AOD值较26日有所减轻，但该地区大多地市依然维持在0.25—0.50的高值区间。此外28日AOD高值轮廓与汾渭平原喇叭口地形基本一致，表明地形对污染的影响很大。11月29日和12月1日汾渭平原AAI指数较低，介于0—1之间，12月3日关中西部地区AAI指数再一次达到极大值。地面环境监测资料和地面天气现象观测记录显示，25日、26日和28日，即沙尘传输前、中和后3 d中，25日MODIS过境汾渭平原时(09—10时)，西安PM2.5浓度最大，PM10浓度最小，以霾天气为主；26日09—10时有沙尘自新疆经甘肃东部、宁夏传输至西安高空，并慢慢沉降，PM10浓度略有升高，同时受大风影响，PM2.5浓度下降，空气质量整体有所好转，故此时西安AQI和PM2.5浓度最小，PM10浓度居中，AAI值较高；28日09—10时，受26—27日传输至西安高空沙尘的沉降累积作用和28日静稳天气共同影响，PM10浓度持续增加，PM2.5浓度开始缓慢增加，故西安此时AQI和PM10浓度最大，PM2.5浓度居中，11月29日至12月1日，传输至汾渭平原并悬浮停滞在其上空的沙尘已完全沉降，此时霾天气占主导，故AAI指数整体偏低，12月2—3日有沙尘自甘肃中部与内蒙交界处(巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠)经甘肃东部、宁夏传输至关中地区，致使12月3日汾渭平原地区AAI值较高。

图2 2018 年11 月25 日(a)、26 日(b)和28 日(c)汾渭平原MODIS AOD空间分布Fig.2 Spatial distributions of MODIS AOD in Fenwei Plain on November 25 (a) ,26 (b) and 28 (c) ,2018

图3 2018 年11 月26 日(a)、11 月29 日(b)、12 月1 日(c)和12 月3 日(d)汾渭平原OMI AAI空间分布Fig.3 Spatial distributions of OMI AAI in Fenwei Plain on November 26 (a) ,November 29 (b) ,December 1 (c) and December 3 (d),2018

为了对比分析此次空气污染过程中前后两次沙尘传输路径，选取泾河(108.97°E，34.43°N)、临汾(111.50°E，36.07°N)和孟津(112.47°E，34.80°N)气象站作为受体点，分别对西安、临汾和洛阳11月26日20时和12月2日20时500 m高度气流轨迹进行24 h后向追踪(图4)。11月26日20时气流轨迹始于新疆，12月2日20时气流轨迹始于内蒙古西部，表明前一次沙尘来源于较远的新疆，后一次沙尘来源于较近的内蒙古西部的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠，第一次沙尘传输距离更远，到达汾渭平原地区时强度减弱更多，故后一次沙尘传输至汾渭平原地区时造成的污染更重；11月26日20时污染气流传输高度较12月2日20时明显高，气流轨迹明显长，表明前一次沙尘传输高度更高、速度更快。

图4 2018 年11 月26 日(a,c)和12 月2 日(b,d)500 m气流后向轨迹空间分布(a,b)和高度时序图(c,d)Fig.4 Spatial distributions (a,b) and height evolution (c,d) of the backward trajectory of airflow at 500 m on November 26 (a,c) and December 2 (b,d) ,2018

2.4 污染物垂直分布特征

为了分析此次空气污染过程最重时段污染物垂直分布情况，选取2018年11月26日至12月3日CALIPSO卫星夜间过境汾渭平原所在三省的数据进行统计分析，有效样本共计4个，灰色线段部分为统计分析区域(图5)。在CALIPSO激光雷达系统中，根据探测到的气溶胶高度、位置、下垫面类型、消光系数、雷达色比等参数可将气溶胶分为洁净海洋气溶胶、沙漠沙尘、污染大陆气溶胶、洁净大陆气溶胶、污染沙尘、烟尘以及污染海洋气溶胶7种类型[19-21]。11月27日03时宝鸡中低层以沙漠沙尘为主，高空6—8 km处也有明显的沙尘向地面传输(图6)，同时地面观测资料显示，自26日14时起宝鸡地面PM10浓度迅速升高，之后一直维持在中度到重度污染，直至29日00时降至轻度污染；11月29日03时，晋中、洛阳污染物主要集中在低层，以沙漠沙尘和污染沙尘为主，同时高空仍有少量沙尘在向地面传输，此时晋中地面PM2.5、PM10浓度均处于轻度污染，洛阳PM2.5、PM10浓度处于重度污染、中度污染，表明此时晋中、洛阳以霾沙混合天气为主；12月2日03时，西安和铜川以沙尘和人为污染混合而成的污染沙尘气溶胶为主，且污染物主要集中在0—3 km高度之间，铜川地面PM2.5浓度自1日12时至2日22时由轻度污染迅速升高至中度到重度污染，而PM10基本处于优良状态，表明在此时段铜川以霾天气为主，之后PM2.5浓度恢复至优良状态，而PM10浓度受沙尘传输影响迅速升高至中度到重度污染，直至4日19时PM10浓度才降至轻度污染；12月4日03时，河南东部中低层以沙漠沙尘为主，高层虽以烟尘为主，但也有少量沙漠沙尘出现，表明此时沙尘已传输至河南东部。

图5 2018年11月26日至12月3日CALIPSO夜间过境汾渭平原轨迹Fig.5 The CALIPSO trajectories crossing Fenwei Plain at night from November 26 to December 3,2018

为了定量说明污染物垂直分布大小，对各样本轨迹研究区域内532 nm消光系数垂直廓线进行平均，得到各样本轨迹532 nm消光系数垂直平均廓线(图7)。由图7可知,霾天气时(12月2日03时)集中在地面至1.5 km内气溶胶占总柱气溶胶百分比最大，最大消光系数出现高度最高，为0.52 km，532 nm最大消光系数值居中，为2.30 km-1；沙尘天气时(11月27日03时和12月4日03时)集中在边界层内污染物相对最小，532 nm最大消光系数值最小，为0.69 km-1和2.18 km-1，最大消光系数出现高度居中，为0.34 km；霾沙混合天气时(11月29日03时)，集中在边界层内污染物占比居中，532 nm最大消光系数值最大，为2.63 km-1，最大消光系数出现高度最低，为0.10 km。

图6 2018 年11 月26 日(a)、11 月28 日(b)、12 月1 日(c)、12 月3 日(d)CALIPSO气溶胶类型垂直分布Fig.6 Vertical distributions of CALIPSO aerosol types on November 26 (a) ,November 28 (b),December 1 (c),and December 3 (d),2018

图7 2018 年11 月26 日(a)、11 月28 日(b)、12 月1 日(c)、12 月3 日(d)CALIPSO 532 nm消光系数垂直分布Fig.7 Vertical distributions of CALIPSO extinction coefficient at 532 nm on November 26 (a) ,November 28 (b),December 1 (c),and December 3 (d),2018

3 结论

(1)2018年11月23日至12月6日汾渭平原地区发生了一次严重的持续性霾沙混合过程。地面环境监测数据显示，11月26日至12月3日为污染最重时段。其中，12月1日为霾最重时段，西安、临汾和洛阳3个代表城市PM2.5最大峰值浓度分别为269 μg·m-3、334 μg·m-3和212 μg·m-3，均达严重污染，11月26日夜间和12月2日夜间为沙尘影响最重时段，后一时段PM10浓度峰值较前一时段更高；西安、临汾和洛阳持续达重污染时长分别为66 h、42 h和37 h。

(2) 结合地面气象观测资料发现，此次空气污染过程累计持续336 h,其中199 h的RH超过50%，较高湿度有利于颗粒物生成和累积。沙尘期间，大风作用使得RH较小。霾过程中西安以本地积累和西南、东北方向的外来传输作用为主，临汾以本地积累为主，洛阳以东北方向的外来传输作用为主；西安、洛阳沙尘传输方向分别为西南和西北方向，临汾受沙尘传输影响较小。小风、高湿等不利气象条件，污染物区域传输和本地污染物排放累积，汾渭平原“喇叭口”特殊地形，以及西北路高空沙尘的远距离传输共同作用使得该次过程以沙尘和霾混合，持续时间长。

(3)通过对卫星资料分析发现，沙尘期间，AOD和AAI值很高，分别可达2.0和4.5以上；霾期间，AOD高值空间分布受地形影响较大，AAI指数较低，介于0—1之间。CALIPSO资料也显示，11月27日03时高空有明显沙尘向汾渭平原地面传输，沙尘天气时集中在边界层内污染物占比和532 nm最大消光系数值(0.69 km-1)均最小，低层以沙漠沙尘为主；霾天气时(12月2日03时)集中在边界层内污染物占比最高，最大消光系数出现高度最高(0.52 km)，低层以污染沙尘为主；霾沙混合天气时(11月29日03时)集中在边界层内污染物占比居中，532 nm最大消光系数值最大(2.63 km-1)，最大消光系数出现高度最低(0.10 km)，低层以沙漠沙尘和污染沙尘为主。

(4) HYSPLIT后向轨迹模式显示，前一次沙尘来源于新疆，传输距离更远，高度更高，速度更快，后一次沙尘来源于内蒙古西部的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠，在汾渭平原造成的污染更重。