陕西关中地区一次霾转沙尘过程的气象条件分析

刘 慧， 井 宇， 黄少妮， 戴昌明， 张 黎， 胡 波

(1.陕西省气象台，西安 710014； 2.中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，北京 100029)

引 言

随着经济的高速发展和城市化进程的不断加快，化石能源消耗和交通规模不断扩大，导致大气环境污染日益严重。大气污染已成为国民经济持续发展、人体健康与生态环境研究最为关注的热点问题。大气边界层是人类活动排放空气污染物的载体，短期内在大气污染物排放量变化不大的情况下，污染物浓度的变化主要受气象条件制约[1-3]。气象条件通过影响大气污染物的稀释扩散能力和大气污染物的物理化学转化过程，进而影响污染物的时空分布特征[4-5]。影响大气污染的主要气象条件有混合层高度、相对湿度、风向风速、降水等。目前对于京津冀、长江三角洲和珠江三角洲城市大气污染的研究较多，而对于西北地区的研究仍不充分。王冠岚等[6]将京津冀地区13个城市空气质量指数与各城市的城市建设、经济发展、工业排放及气象因子对比分析发现，京津冀区域秋冬季空气污染加重与燃煤用量加大、静稳天气增多密切相关；春夏季空气污染减轻依赖于风力加大、降水频繁、大气不稳定等因素。蒋伊蓉等[7]基于全球再分析资料和WRF中尺度数值模式，分析了京津冀2013年12月和2014年2月两次重污染过程，明确了大气停滞系数、混合层高度、风及太行山和燕山对污染的作用。花丛等[8]通过轨迹聚类、潜在源区分析等方法，对京津冀地区冬半年污染物传输特征进行分析，并构建了传输指数。佘倩楠等[9]探究了2015年长江三角洲地区大气重污染的时间变化和空间分布特征，并深入分析了气象条件和区域传输对重污染发生和维持的影响。余纬等[10]利用观测资料及中尺度气象模式(MM5)、污染源排放模式(SMOKE)和空气质量模式(CMAQ),模拟了2009年11月23-29日的一次重污染过程，认为稳定层结、静小风条件和下沉气流是影响重污染的关键因子。廖志恒等[11]分析了2006-2012年珠江三角洲地区SO2、NO2、O3和PM10的时空分布特征及其影响原因，认为风场和日照时数分别对PM10和臭氧的长期变化有影响。对关中重污染的分析研究目前多基于单个站点的分析[12-16]，而对关中盆地城市群的污染分布特征及气象条件的综合性分析相对较少。此外，对于陕西沙尘天气的研究不多，对于冬季沙尘的研究更是缺乏。本文针对关中城市群2017年12月26日至29日的霾转沙尘天气过程，综合分析污染物的时空分布特征及气象要素的影响，为霾和沙尘预报及大气污染防治提供更好的参考。

1 数据与方法

1.1 站点分布与数据介绍

陕西关中盆地北仰黄土高原南缘，南依秦岭山脉北坡，西接陇山山脉，呈西高东低的喇叭口形状，仅在渭南的潼关与黄河之间形成通风口。这种相对封闭的地形条件使污染物不易扩散，特别是在冬季采暖排放源增多且大气相对静稳的气象条件下极易造成持续性重污染天气。西安和咸阳位于关中城市群中心，宝鸡位于关中西部且三面环山，铜川位于关中北部渭北高原南缘，渭南位于关中东部。

本文所使用的环境数据来源于国家空气质量自动监测点的逐小时空气质量自动监测结果，每个地市的观测结果为各市区所有站点的算术平均值，宝鸡、咸阳、西安、铜川、渭南的站点数分别为8、4、13、4和4，时间为2017年12月26-29日，所选观测要素为PM10、PM2.5和AQI小时值。地面常规气象要素包括气温、相对湿度、风、气压、能见度，来源于自动站逐小时观测，其中秦都站代表咸阳，泾河站代表西安。500 hPa位势高度场及每日08时的温度廓线数据来源于探空观测。不同高度的风、相对湿度、垂直速度数据来源于ECMWF发布的ERA5再分析资料，时间分辨率为1 h。

激光雷达能探测到气溶胶的垂直分布，且时间分辨率高。消光系数可以反映大气中气溶胶粒子浓度大小，消光系数越大，气溶胶含量越高[17]。退偏比能够反映气溶胶粒子的形状，根据探测到激光回波的退偏振特性，可有效地区分球形颗粒物与非球形颗粒物[18]。本文使用AGHJ-I-LIDAR型号的双波长三通道激光雷达，发射的两种特定波长分别为355 nm和532 nm，根据反演的消光系数及退偏比研究气溶胶的分布情况。

1.2 方法介绍

HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空气资源实验室和澳大利亚气象局共同研制的一款用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型。该模型具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源功能的较为完整的输送、扩散和沉降模式[19-20]，常被用于分析污染物来源及输送路径[21-23]。Wang等[24]以HYSPLIT模型中轨迹计算模块为基础，研发了一款综合气团轨迹和观测数据，同时结合GIS技术来分析大气污染物输送路径和潜在源区的开源(TrajStat)软件。本文采用TrajStat软件对西安气团的后向轨迹进行模拟，输入的气象数据为NOAA全球资料同化系统(GDAS)数据，垂直方向分为23层，每隔6 h一个数据，主要包括气压、地面降水、温度、相对湿度、水平和垂直风速等气象要素。

2 结果与讨论

2.1 污染概况

2017年12月26-29日关中地区经历了一次霾转沙尘的污染过程。12月26日00时至29日00时为霾污染过程，以细颗粒物为主，污染物逐渐累积，PM2.5浓度不断增大(图1)，西安和咸阳的PM2.5浓度较其他城市的高，分别为221.26和231.23 μg·m-3，超过国家空气质量四级标准(24 h平均值超过150 μg·m-3，GB3095-2012)的累积小时数分别为59 h和69 h。宝鸡、铜川和渭南的PM2.5浓度分别156.45、132.11和182.13 μg·m-3，超过国家空气质量四级标准的累积小时数分别为51、27和68 h。29日为沙尘污染过程，PM2.5浓度明显减小，PM10浓度明显增大，宝鸡和铜川的PM2.5浓度开始减小的时刻早于其他3个地市开始减小的时刻。西安、咸阳、宝鸡、铜川和渭南的PM10浓度分别由29日之前的306.24、307.09、223.32、197.51和298.19 μg·m-3转为29日之后的520.79、481.99、440.22、297.42和577.57 μg·m-3，且除铜川外，其他4个城市都出现了AQI爆表现象。此次污染过程具有区域同步性特点，但不同地区略有差异。铜川位于关中北部黄土高原南缘，浓度值最低，且盛行山谷风，污染物浓度具有显著的日变化特征。日出后2～3 h至傍晚以偏南谷风为主，将关中中部城市群的污染物向关中北部铜川输送，使PM2.5浓度在20:00左右达到日最大值，日落后2 h左右转为偏北山风，将污染物向南输送，使PM2.5浓度在08:00左右降到日最小值[25]。

图1 关中5个地市2017年12月26-30日颗粒物浓度小时值变化序列图(a)为PM10的时间序列，图(b)为PM2.5的时间序列

29日凌晨之后虽然PM2.5浓度有所下降，但西安泾河站激光雷达显示(图2)消光系数并没有减小，主要是由于沙尘粒子的衰减作用，直到29日10时以后消光系数才明显减小。29日00时之后退偏比明显增大，说明沙尘粒子增多。

图2 泾河站2017年12月28-29日355 nm消光系数(a)及退偏比(b)随时间的变化

2.2 天气形势分析

当排放源相对稳定时，污染物浓度的变化主要取决于外地污染源的输送和本地大气扩散条件，而大尺度环流形势和局地气象条件与大气扩散能力密切相关[26-27]。2017年12月26日08时500 hPa亚欧中高纬地区为两槽一脊的环流形势，两槽分别位于巴尔喀什湖以西及日本海，贝加尔湖处于高压脊控制区，陕西位于高压脊底部，以西北偏西气流为主。位于巴尔喀什湖以西的低槽向东移动，于27日20时进入新疆地区并继续向东移动，至28日夜间关中地区始终处于西北或偏西气流中，无明显冷空气影响，细颗粒物逐渐累积增加(图3)。地面天气图上，26日02时有两个高压中心：一个位于新疆以北，向东向南移动；另一个高压中心位于内蒙古东部，该高压南北长度较长，陕西处于该高压中心底部以南，以偏东风为主，不利于污染物的扩散。27日20时陕西位于内蒙古东部高压后部，28日08时位于地面倒槽中，且26-28日关中一直处于弱气压场控制，风速小，天气静稳，利于污染物的积累。28日08时，地面天气图上，原位于新疆以北的冷中心沿着河西走廊经宁夏移到陇东地区，29日02时冷空气前沿抵达陕西关中，陕西上游沿河西走廊大多数城市AQI爆表，且首要污染物为PM10，冷空气带来了上游的沙尘粒子。29日08时500 hPa上原位于新疆地区的低槽移至西藏地区东部，陕西处于高空槽前，易触发不稳定能量释放，产生垂直动力，利于沙尘天气的发生，29日凌晨，关中多数城市AQI爆表，冷空气移动速度较快，29日12时之后，PM10浓度显著下降(图4)。此次沙尘过程主要是由于冷空气携带上游沙尘粒子输送且配合本地较有利的天气形势所致。

图3 2017年12月27日20时(a)和29日08时(b)500 hPa位势高度场单位:10 gpm

图4 2017年12月26日20时(a)、27日20时(b)、28日08时(c)及29日02时(d)海平面气压场单位:hPa

2.3 气象条件分析

2.3.1 近地面气象要素特征

由于此次污染过程具有区域同步性，因此选取西安泾河站的气象要素对污染的变化情况进行分析。2017年12月26-28日泾河站大多时次的相对湿度都超过40%(图5)，日平均相对湿度由26日的47.33%增加到28日的55.79%，相对湿度的增加利于细颗粒物的吸湿增长及二次非均相化学反应的转换[28]。26-28日泾河站以弱风或者静风为主，其中27日和28日平均风速都小于1.3 m/s，风向以东北风或偏北风为主，由于关中盆地特殊的地形条件，仅在关中东部有通风口，东北风和偏北风不易将污染物扩散出去，关中盆地处于封闭状态，当地排放的污染逐渐累积。26日至28日午后地面气压处于降压状态，低压辐合系统促使了污染物的累积。随着污染物的积累，气温和能见度都有所下降。27日日最高温度明显低于26日的，这是由于颗粒物对太阳辐射的散射和吸收减弱了到达地面的太阳辐射，进而使地面向上发射的长波辐射减小。能见度在27日和28日都低于10 km，最低能见度达2.9 km，这是由于颗粒物对光的散射作用造成的。29日凌晨干冷空气进入关中地区，气压明显增大，相对湿度显著降低，风速增加，且转为偏南风或者西风，将细颗粒物扩散出去，同时带来沙尘天气。沙尘的增加使夜间辐射降温减弱，最低气温较前两天升高。此次冷空气移动较快，29日中午沙尘天气结束，能见度显著好转。

图5 泾河站2017年12月26-30日近地面气象要素的逐小时变化

2.3.2 气象要素的垂直分布

图6为泾河站的风场随时间的变化，数据来源于ECMWF发布的ERA5再分析资料。2017年12月28日20时之前，900 hPa以下受东北风控制，最大风速不超过8 m/s，弱的东北风不利于污染物的扩散稀释。900-750 hPa受西南风或偏南风影响，利于水汽的输送。相对湿度和垂直速度时间-高度剖面图(图7)显示，27日08时-29日凌晨900-800 hPa的相对湿度增大，较高的相对湿度利于污染物的吸湿增长和二次颗粒物的生成。29日02时冷空气到达关中，900 hPa以下转为一致的偏西风，且近地层风速增大，相对湿度显著减小，900-700 hPa转为一致的偏北风或西北风，将西北方向的沙尘传输至泾河地区。由于风速较大，沙尘移动速度较快，29日午后沙尘天气已结束。图7中29日02时之前低层以弱下沉运动为主，不利于污染物向上扩散，29日02时之后低层出现强上升中心，细颗粒物浓度显著下降，PM10先急剧上升，随后快速下降。

图6 泾河站2017年12月26-30日不同高度风随时间的变化

图7 2017年12月26-30日相对湿度和垂直速度的时间-高度剖面彩色阴影为相对湿度，黑色等值线为垂直速度，单位:Pa·s-1

根据泾河站常规探空观测资料(图略)，26日08时、27日08时和28日08时边界层都存在明显的逆温，且均强于29日08时贴地逆温。27日和28日700 hPa以下存在多层逆温，温度直减率较低。逆温的存在会降低混合层高度，抑制污染物的垂直扩散，同时使低空水汽难以输送到高空，促使了污染物的累积和吸湿增长[29]。29日08时地面至700 hPa温度直减率较大，利于颗粒物的垂直扩散，PM2.5和PM10的浓度都快速下降。

2.4 气流后向轨迹

利用TrajStat软件对西安PM2.5浓度较高时段和PM10浓度急剧增长时段的24 h气团后向轨迹进行模拟，模拟时间分别为世界时2017年12月28日04、06、08、10、12、14时及17-22时，模拟高度为500 m(图8)。图8(a)显示，到达关中地区的气团受山脉地形的阻挡后转向到达西安。由于关中相对封闭的地形作用，气流在盆地内徘徊，不易将污染物输送出去。6个时次的轨迹线条较短，说明前24 h气团的移动速度缓慢，不利于污染物的扩散。图8(b)显示，PM10浓度急剧增加时有西北方向气流的传输，较长的轨迹线段表明西北气流移动速度较快，说明此次沙尘过程主要是由西北方向的传输引起的。

图8 霾过程(a)和沙尘过程(b)期间气流的24 h后向轨迹图例中的时间为世界时(年月日时)

3 结 论

2017年12月26-29日关中地区经历了一次霾转沙尘天气过程，具有区域同步性，不同城市略有差异。前期霾过程西安和咸阳的PM2.5浓度较其他城市的高，后期沙尘过程宝鸡和铜川PM2.5浓度开始减小的时刻早于其他3个地市开始减小的时刻。铜川污染物浓度具有显著日变化特征。通过分析影响这次污染过程的气象要素,得到如下结论。

(1)霾过程500 hPa天气图上，关中以西北偏西气流为主，无明显冷空气；地面天气图上，关中地区由位于高压底部转为高压后部继而处于地面倒槽中，不利于污染物的扩散。霾过程期间900 hPa以下受弱东北风控制，不利于污染物扩散，900-750 hPa受西南风或偏南风影响，利于水汽的输送，900-800 hPa相对湿度增大，边界层存在多层明显逆温。

(2)霾过程近地面相对湿度较高，以弱风和静风为主，风向以东北风或者偏北风为主，且处于降压状态，利于污染物的积累。29日凌晨干冷空气的到来使地面气压明显增大，相对湿度显著降低，风速增加，PM2.5浓度显著降低，PM10浓度显著增大。

(3)沙尘过程500 hPa关中处于高空槽前，地面天气图上冷高压到达陕西，带来了上游的沙尘粒子。沙尘过程期间900 hPa以下转为一致的偏西风，且近地层风速增大，相对湿度显著减小，900-700 hPa转为一致的偏北风或西北风，地面至700 hPa温度直减率较大，且低层出现强上升中心。

(4)TrajStat模拟显示：霾过程时气流在关中盆地内转向徘徊且移速较慢，不易将污染物输送出去；而沙尘过程时有移速较快的西北方向气流输送将细颗粒物迅速清除，同时带来沙尘粒子。