贵州省空气污染过程的大气环流特征及分型研究

李 浪，白 慧，方 荻，宋 丹

(1.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002；2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州 贵阳 550002；3.贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550002)

0 引言

随着我国经济建设的高速发展及城市化进程的加速，城市内各种能源消耗和污染物排放加剧，我国城市大气环境污染问题日益剧增，而大气污染会导致人群呼吸系统疾病和心脑血管疾病的发病率增加，对人体健康造成严重危害[1-4]。近年来，我国大气污染已由点源污染扩展到区域性污染[5]，大气污染物主要包括：颗粒物、CO、O3、SO2、氮氧化物、重金属等，而颗粒物污染已成为我国环境空气质量的重要污染物[6-7]。目前，在大气环境问题频发及公众环保意识快速提高的背景下，大气污染的研究受到了越来越多的关注。

研究表明污染天气过程的形成主要有污染源排放和气象因素这两方面的原因。相关研究表明，在污染物源相对恒定的情况下，天气形势和气象条件(诸如降水、湿度、风以及逆温层、对流混合层高度等)对污染过程的维持和发展,大气污染物的扩散、稀释和累积有决定性的作用[8-11]。就环流形势而言，任阵海等[12]表示，当大气层结稳定、低层出现逆温、上层空气湿度大于下层时，易造成污染物的累积；王珊等[13]发现，低的混合层厚度下空气上下的对流运动受阻，导致大气湍流运动减弱，污染物输送、稀释能力下降；蒋婉婷等[14]对2014—2016年四川盆地大气污染的研究表明，冬季700～600 hPa附近易出现逆温，500 hPa高空环流形势为纬向环流型和槽后型，850 hPa高空附近气压梯度小，大气趋于稳定，污染物不易扩散。杨旭等[15]强调，冬季高湿条件有利于气溶胶吸湿增长及污染物的聚集和二次转化，使大气污染加重；刘佳等[16]对西南地区多年不同强度霾日的研究分析发现，500 hPa高度场上，春、夏季欧亚中高纬呈两槽一脊环流形势，印缅槽较强，云贵高原处于副热带高压底部东南气流中，大气层为“上冷下暖”，有利于降水和污染物扩散，而秋、冬季以纬向环流为主，经向环流较弱，青藏高原以东为“上暖下冷”的逆温层结，不利于污染物水平扩散。总体而言，对污染过程的天气特征分析及其形成机制的研究，为大气污染防治工作的开展提供了相应科学支撑。

目前有关大气污染的研究多集中在京津冀、长三角、珠三角、成渝、中原腹地等地区[17-19]，而在贵州地区相关研究较少，主要侧重于分析污染物的时空特征。早期赵彩等[20]使用三维地形跟踪坐标系上的动力学流场模式和平流扩散方程浓度场模式，对贵阳市冬季严重的SO2污染的环流特征和浓度分布进行了模拟；相关研究对贵阳市白天和夜间PM10浓度与主要气象因子之间的相关性[21]及冬、夏季PM10的质量浓度分布特征、粒径分布特征等进行了分析探讨[22]；宋丹等[23]提出了贵阳市污染环流特征概念模型，分析了空气质量指数(AQI)的时空变化特征；吴战平等[24]对贵阳市2013—2015年6种主要大气污染物的时空变化特征及降水对污染物浓度变化的影响进行了深入探讨。已有的贵州空气污染的大气环流特征分析研究中，主要针对点源污染分析，其中张春辉等[25]指出，西太平洋副高西伸，贵州中部高空有下沉气流，地面高温、低湿和强日照，配合微风静稳天气，是导致贵阳市2016年秋季一次污染过程的重要原因；吴战平等[26]强调，贵阳市空气污染过程中处在静止锋面附近，位于南北风辐合区及高空脊前的下沉气流区，高层为稳定的环流形势，中层为较弱的对流活动，逆温层的发展和维持加强了污染物在近地面集聚。近年来，SO2、NO2、CO等污染物排放已得到很大程度的控制和缓解，影响贵州省空气环境质量的首要污染物已从SO2等转变为可吸入颗粒物[27]，其中PM2.5的占比很高[28]。因此，为缓解空气污染对人体健康和社会经济发展的负面影响，对贵州省开展有关区域空气污染过程的气象成因及大气环流形势分型研究具有重要意义。

1 资料和方法

1.1 资料

观测资料：贵阳市环境监测中心站提供的2017—2019年贵州省逐日空气质量指数(AQI)，包括贵阳、遵义、安顺、都匀、凯里、铜仁、毕节、六盘水、兴义站。

再分析资料：NCEP/NCAR提供的逐日位势高度场、U-V风场、垂直速度场和温度场的再分析格点资料，水平分辨率均为 2.5°× 2.5°，垂直分辨率为17层。

气候态时间范围为1981—2010年。

1.2 方法

本文定义贵州省空气污染过程为：同时2站及以上满足AQI>100(轻度及以上污染等级)，持续时间在2 d(允许持续2 d后间隔1 d)及以上的时段定义为1次空气污染过程。对9次贵州省空气污染过程共计47个空气污染日样本进行统计。

EOF分型：对贵州省9次空气污染过程的500 hPa高度距平场进行EOF分解，从EOF第1模态中挑选出2次持续时间较长、污染较重的典型过程(2015年2月10—16日，2017年12月23—28日)，并对2次空气污染过程的高空环流形势、低空风场、逆温、风切变及垂直速度等进行进一步的分析。

表1 9次空气污染过程统计

2 大气环流特征

2.1 高空环流特征

对贵州省9次空气污染过程发生时段进行统计，发现其主要集中发生在冬季，1月发生的频率最高(43%)，12月次之(32%)，11月最少(5%)(图略)。对9次空气污染过程发生时的500 hPa高度场和海平面气压场进行合成分析，如图1，贵州省9次空气污染过程期间，欧亚中高纬环流主要呈两槽一脊型，高压脊位于贝加尔湖附近，无明显冷空气活动，低压槽分别位于乌拉尔山和东亚地区。与多年平均相比，500 hPa高度场亚洲中高纬呈西低东高，东亚地区高度场以正距平为主，东亚大槽偏弱，亚洲中高纬受纬向环流控制，经向度较小，不利于冷空气南下。西太平洋副热带高压主体较常年偏强，西伸至118°E，北至22°N，位置偏西、偏北，长江以南地区受正距平控制。加之，南支槽平均位置大致位于85°E附近，距平场上呈正距平，强度偏弱。副热带大气环流形势均不利于来自孟加拉湾和印度洋的暖湿气流向我国输送，降水较常年同期偏少，不利于污染物的沉降和稀释。近地面，我国中东部地区大多位于冷高压前部的均压场控制下，地面气压梯度较弱，风速较小，以下沉气流为主，利于污染物的累积。

图1 2015—2017年贵州省9次污染天气过程中的平均环流形势：(a)500 hPa平均位势高度(实线：等值线)和距平场(阴影)，单位：dagpm；(b)平均海平面气压场(等值线)及其距平场(阴影)，单位：hPa

2.2 温度垂直结构

图2为贵州省2015—2017年9次污染过程中的温度距平和风速距平的时间—高度剖面图。由图2a可知，9次过程中除2015年1月13日和2月10日外均存在异常逆温层，逆温中心位于700～600 hPa之间，2015年1月4日的污染过程中逆温层强度最强，2016年12月7—13日期间逆温层持续时间最长。9次过程中对流层整层风速偏小(图2b)，负值中心位于对流层中高层。其中，2015年1月1—4日、1月19—24日、2016年12月7—13日污染过程期间存在异常逆温，且对流层中高层风速存在负距平中心，使得大气层结更加稳定，是空气污染物得以发展和维持的重要条件。

图2 贵州省2015—2017年9次污染过程中的温度距平(a)和风速距平(b)的时间—高度剖面图

3 高空环流EOF分型

3.1 EOF分型结果

对贵州省空气污染9次过程(共47 d)的500 hPa高度距平场进行EOF分解，前3个模态对应的方差贡献率分别为29.9%、21.1%和13.3%，其累计方差贡献率达到64.3%，表明前3模态占主导作用。从图3a可以看出500 hPa高度距平场EOF第1模态在东亚地区的中高纬和副热带表现为南北反位相变化，正负中心值分别位于55°N、150°E和25°N、120°E，表明东亚大槽偏弱和西太平洋副热带高压偏弱，即东亚中高纬经向环流偏弱、以纬向环流为主，不利于北方冷空气南下。从PC1可以看出(图3b)，2015年1月13—26日、2015年2月10—16日、2017年1月1—3日等空气污染过程中500 hPa环流形势的分布型与EOF1较为一致。

图3c为EOF第2模态空间分布，在欧亚中高纬地区高度距平场自西向东表现为负、正、负的两槽一脊环流形势。中心值分别位于乌拉尔山一带、贝加尔湖东侧和日本岛以东，表现为贝加尔湖阻塞高压偏强、东亚大槽偏强，利于加强东亚地区中高纬经向环流，但位置偏东。从PC2可以看出(图3d)，2015年2月10—16日、2015年12月26—27日、2016年12月7—13日等空气污染过程中500 hPa环流形势的分布型与EOF 2较为一致。

图3e为第3模态的空间分布，欧亚中高纬500 hPa表现为两槽一脊的异常形势，呈负、正、负距平分布，中心值分别位于60°N、100°E附近、我国东三省地区和50°N、160°E一带。副热带以正距平为主，表明东亚中高纬经向环流偏弱，副热带南支槽活动偏弱。EOF前3个模态主要表现为EOF 1的纬向环流型和EOF 2、EOF 3的两槽一脊型，但两槽一脊的情况有所区别，第2模态中南支槽和东亚大槽均偏强，但东亚大槽位置偏东，对贵州地区影响较小，南北气流交换较弱，不利于降水形成，对空气污染清除作用不佳。第3模态中贵州地区主要为高压控制，大气层结较稳定，南支槽活动较弱，北方冷空气入侵少，不利于污染物扩散。

图3 500 hPa高度距平场EOF分解的前3模态的空间场(a、c、e；阴影：距平)和对应的时间系数(b、d、f)

3.2 2次典型污染过程分析

为进一步分析贵州省发生空气污染时的异常大气环流形势，在上述9次过程中挑选了PC1中时间序列位相相反、持续时间较长，污染站数较多，污染程度较大的2次典型过程(2015年2月10—16日和2017年12月23—28日)，分别对这2次空气污染过程的高空高度场、低空风场、风切变、逆温及垂直速度进行合成分析，对比分析讨论2次过程，探索空气污染与大气环流形势的关系和规律。

3.2.1 高空环流和低空风场 由图4a可以看出，在2015年2月10—16日这次空气污染过程的500 hPa实况高度场中，中高纬地区大致呈现为两槽一脊形势，两槽分别位于东亚地区和西西伯利亚一带，高压脊位于贝加尔湖以东，中高纬地区主要以纬向环流为主，经向环流较弱，不利于冷空气的南下，南支槽有较强波动，东亚大槽较常年同期要略偏西偏弱，西太平洋副热带高压较常年同期呈略偏弱态势，由于南北气流交换较弱，不太利于降水的形成。再结合850 hPa的近地面风场分析(图4c)，从图中看出，在本次污染过程中，贵州主要处于南风气流中，在其东部和南部地区风速较常年同期偏大，但西部和北部地区的平均风速较常年同期偏小，结合本次污染过程也主要发生于省之北部的遵义市和西北部毕节市等地区，与实际情况相符。综上所述，贵州北部和西北部地区高空以纬向环流为主，配合弱南支气流活动，南北气流交换较弱；低空以弱南风为主，风速偏小，不利于污染物的扩散。

由图4b看出，2017年12月23—28日的污染过程的高空环流呈两槽一脊分布型，2个低压槽分别位于乌拉尔山一带和东亚地区，高压脊处于贝加尔湖以西地区，比较2015年2月10—16日的污染过程，本次过程中500 hPa中高纬高压脊有所加强，东亚大槽有所加深，由于受贝加尔湖西侧高压脊控制，贵州地区空处于高压脊前的异常下沉气流区的正距平中，不利于污染物的垂直扩散，副热带南支槽波动较弱，加之西太副高脊线位于20°N附近,西伸脊点至110°E以西、总体偏北偏西偏强，由于副高阻挡作用，不利于北方冷空气入侵，导致南北气流交换少，不易形成大范围降水。从850 hPa近地面风场中看出(图4d)，贵州地面低空整体以南风气流为主，风速较常年同期略偏大，但处于风场辐合区，利于污染物的累积。从2次空气污染过程中高空环流和低空风场来说，均不利于污染物的水平扩散。但2次空气污染过程中存在微量降水，由于少量水汽的累积，有利于污染物的吸湿凝结，对于导致污染物增加起到正贡献，2次污染过程在微量降水前后AQI均发现显著变化，最大变化值分别达49和95。

图4 2次空气污染过程的500 hPa平均高度场实况及气候态分布(绿等值线：气候态；黑等值线：实况；阴影：距平)、850 hPa平均风场分布(阴影：距平；箭头：风向)(a、c：2015年2月10—16日；b、d：2017年12月23—28日)

3.2.2 逆温、风切变及垂直速度 对流层低空大气逆温层的出现，常常增加大气层结的稳定度，减弱湍流活动，从而会阻碍大气的垂直运动，导致地面污染物难以向高空扩散，引起地面污染物的累积，污染加重。从图5a可以看出，在2015年2月10—16日这次过程中，700 hPa气温距平值和850 hPa气温距平值之差为负值，热力条件不利于逆温的形成，但700 hPa风速距平值和850 hPa风速距平值之差为负值(中心值为-6 m/s)，低空风垂直切变较弱，不利于污染物的垂直扩散。而在2017年12月23—28日这次污染过程中(图5b)，700 hPa气温距平值和850 hPa气温距平值之差在贵州地区为明显正值，利于低空大气逆温层的形成，当逆温层出现时，逆温层的“锅盖”效应会抑制大气垂直运动，阻碍污染物向上传递扩散，同时，700 hPa风速距平值和850hPa风速距平值之差也为负值(中心值为-1.5 m/s)，低空风切变较弱，亦不利于污染物的扩散。2017年12月23—28日这次过程的逆温和风速条件均更利于污染物的累积，这与实际情况中2017年这次污染过程的AQI值要高于2015年2月10—16日是相符合的。进一步分析这2次空气污染过程的低空垂直速度(图6)，2次污染过程中，贵州地区低空垂直速度为弱上升气流，对于近地面的污染物向高空扩散的作用微乎其微。从2次空气污染过程中低空逆温、风切变以及垂直运动来说，均不利于污染物的垂直扩散。

图5 2次污染过程700 hPa与850 hPa之差的水平风距平和温度距平分布(等值线：风速距平差；阴影：温度距平差)

图6 2次污染过程850 hPa的垂直速度

通过对贵州9次空气污染过程的分析，以及对两次典型个例过程的高低空配置、逆温、风切变和垂直速度的进一步分析讨论，归纳出一些贵州发生空气污染时的天气概念模型，高空环流形势主要分为两槽一脊型和纬向环流型。两槽一脊形势下，贵州主要受高压脊底部的下沉气流控制，大气层结较稳定，不利于污染物的扩散；在纬向环流型下，中高纬地区主要以纬向环流为主，冷空气入侵较少，由于南北气流交换较弱，降水条件不佳，亦不利于污染物的消散；结合低空风场来看，贵州发生空气污染时，低层主要以偏南风为主，贵州地区风速偏小或处于风辐合区，均不利于污染物的水平扩散；另外，发生空气污染时，常有逆温层的出现，并且低层风垂直切变较弱，低空垂直速度表现为弱上升气流，以上条件也不利于污染物的垂直扩散。综上可知，贵州发生空气污染时，从水平、垂直方向都不利于污染物的扩散，也无有利降水条件对污染物进行稀释清除。

从2次空气污染典型个例的分析中发现，2次污染过程在动力条件和热力条件上有所差别，在2015年2月10—16日这次空气污染过程中，从热力条件来看，并不利于逆温的形成，但在动力条件上，无论是低空风场、风切变和低空垂直速度均是利于污染物的累积。而在2017年12月23—28日这次过程中，热力条件利于形成逆温，从动力条件来看，近地面风场处于风辐合区，低空风垂直切变弱，对流上升运动较弱，均利于污染物的累积。此外，在2次空气污染过程中均存在微量降水，由于少量水汽的累积，有利于污染物的吸湿凝结，在微量降水前后对污染物的增加均是正贡献。但实际情况中，第2次空气污染程度比第1次要严重，因为第2次过程的热力条件和动力条件均利于低空大气层结稳定维持，对污染物的累积均是正贡献。

4 结论

①贵州发生空气污染过程时，500 hPa大气环流主要分为纬向环流型和两槽一脊型。纬向环流型下，中高纬地区经向环流较弱，北方冷空气入侵较少，副热带地区南支槽波动较弱，不利于南北气流交换和降水形成，在贵州上空易形成静稳天气；在两槽一脊型下，两低压槽分别位于东亚地区和乌拉尔山一带，高压脊位于贝加尔湖附近，贵州省处于高压脊底部，受高空下沉气流控制，易于贵州上空大气层结稳定。2种天气形势均不利于污染物的扩散。

②在2次空气污染典型个例过程中，风场在水平输送和垂直输送上均不利于污染物的扩散。在水平方向上，地面风场均处于风速辐合区，大气层结较稳定，利于污染物的累积；在垂直方向上，低层风垂直切变弱，对流上升运动较弱，也不利于污染物向上扩散。

③从热力条件和动力条件上来看，2次典型个例过程中，第1次空气污染过程中热力条件虽然不利于逆温形成，但动力条件在这次过程中正贡献很大，对污染物累积占主导作用。第2次空气污染过程中，热力条件和动力条件均不利于污染物的扩散，对本次污染过程中污染物累积均是正贡献。