陕西关中重污染天气低空流场的分型研究

胡淑兰， 胡 琳， 程 路， 林 扬， 路岑之

（1.陕西省气候中心，陕西 西安 710014；2.陕西省气象科学研究所，陕西 西安 710014；3.西安市周至县水务局，陕西 西安 710040）

随着我国城市化进程的加快和经济的快速发展，污染物排放量增大、城市颗粒物浓度持续增高等大气污染问题日益严重，区域重污染天气事件频发，严重影响人民群众的身心健康和日常生产生活［1-5］。大气污染过程具有影响范围广、持续时间长、强度大等特点，引起各国政府的高度重视。有研究表明区域性大气重污染已经成为中国的主要大气污染问题［6］，国内外学者针对区域污染展开了广泛深入的研究。苗蕾等［7-10］分别对长江中下游地区、珠三角、京津冀等地区的区域大气污染的特征进行了深入研究，陈卫卫等［11-12］研究了东北区域重污染成因，姬艺珍对太原市重污染天气过程成因进行了分析［13］。以西安为中心的陕西关中区域是我国大气污染的重灾区之一，也是大气污染防治重点区域之一，2018年汾渭平原（含陕西关中）被国家纳入大气污染防治重点区域。有关关中空气污染众多学者也已开展了一些研究，胡琳［14-17］等分析了关中区域雾霾天气变化特征，分析了污染过程的气象条件特征，但未见关于频发的关中区域重污染天气流场分析的相关工作。本研究对比分析了30 m、50 m、70 m 和100 m 的低空流场与典型污染过程的对应关系，认为30 m 流场更具有代表性，因此本研究拟从关中区域的重污染天气30 m 流场分析影响关中区域各市污染的主要流场类型，对环保、气象等相关部门开展重污染天气预报以及为政府提供防污治霾决策服务提供技术支撑，具有实际指导意义。

1 研究区概况

陕西关中［18］南倚秦岭北坡，北靠黄土高原南缘，介于陕北高原与秦岭山地之间，西起宝鸡峡，东迄潼关，海拔460～850 m，长约300 km，属于亚热带季风气候，夏季高温多雨、冬季温和少雨（图1）。该区域为陕西的工农业发达、人口密集地区，具有区位交通优势显著、历史文化底蕴深厚、现代产业体系完备、创新综合实力雄厚、城镇体系日趋健全等特征，在国家现代化建设大局和全方位开放格局中具有独特战略地位。

2 数据与方法

2.1 数据来源

（1）空气质量数据：采用关中区域五市（西安、咸阳、渭南、铜川、宝鸡）污染指数（AQI）数据分析筛选代表年。选取关中区域五市有PM2.5监测以来的2014—2019 年各市AQI 对关中区域五地市进行分析，2017年关中区域污染日共计178 d，区域重污染日62 d，污染日数为5 a 之最，重污染日也属偏多年份，因此选择2017年为代表年。2017年关中区域重污染日绝大部分均出现在1—3 月和11—12 月采暖期间，首要污染物均为PM2.5，4 月18 日、5 月5—6 日首要污染物为PM10，由沙尘暴天气引起，多地爆表，而6 月2 日、7 月2—3 日、7 月10—11 日、8 月4 日首要污染物均为O3，与雾霾形成基本无关，因此本研究只讨论与防污治霾关系密切的PM2.5的56 d 关中区域重污染情况。

（2）气象数据：采用WRF 开展中尺度数值模拟，以NCEP DS083.2再分析资料作为初始场和边界条件，结合NCEP DS337.0高空和地面天气观测数据进行3DVar 同化分析；在水平方向三重嵌套在陕西区域达到3 km×3 km 水平分辨率，在垂直方向分为49 层，在近地面达到20 m 左右的垂直分辨率，模拟生成陕西区域2017年逐小时气象数据，用以描述区域气象流场，为重点分析陕西关中地区重污染提供基础数据。

2.2 研究方法

（1）区域污染日。若陕西关中区域5 个城市（西安、咸阳、渭南、铜川、宝鸡）某天中有3个及以上城市AQI日值大于100，即设定为区域污染日。

（2）区域重污染日。若陕西关中区域5个城市某天中有3个及以上城市AQI日值大于150，即3个及以上城市出现中度及以上污染，设定本日为区域重污染日。

（3）低空流场。因为城市发展，10 m 高度受局地地形影响大，流场不具有代表性，因此本文对比分析了30 m、50 m、70 m和100 m的低空流场与典型污染过程的对应关系，认为30 m 流场更具有代表性，选取30 m 流场分型，并重点研究各流场分型与PM2.5浓度的关系。

3 结果与分析

3.1 流场分型

经过对2017 年56 个重污染天气日流场的判读和分析，按照08:00—19:00为昼间，20:00-07:00为夜间，最终将影响关中区域的流场分为4 个大类，6 个小类，共8个具体类型。根据关中区域低空流场，将重污染天气日流场分为：东部来流、西部/南部来流、北部来流非转向和无显著流场4个大类。东部来流和西部/南部来流根据出现时间和地点等又各分3个小型。各分型描述见表1和图2～8。

表1 重污染天气日流场分型Tab.1 Classification of daily airflow field in heavy pollution weather

图2 东北来流（A型）示意图及30 m流场个例（2017年2月5日09:00）Fig.2 Airflow from northeast(type A)and an example of airflow field at 30 m height(09:00 on February 5,2017)

3.1.1东部来流 东部来流中，关中区域为比较一致的偏东气流，平原南部秦岭山地为偏南风，平原西部为偏东风南下或偏西风，在关中区域内形成辐合流场。其形成原因是：东北气流沿东北偏南向的川道南下，经西安、咸阳等城市建筑群时发生气旋式旋转，形成气流辐合。特殊地形下昼夜流场变化明显，具有山谷风、局地热对流等影响的局地小气候特征。根据来流起始位置将该型分为3 个小型：东北来流（A）（图2a）、东北来流夜间型（B）（图3a）、渭南绕山来流（C）（图4a）。该型流场的典型个例见图2b、图3b和图4b。

图4 渭南绕山来流型（C型）示意图及30 m流场个例（2017年1月25日07:00）Fig.4 Airflow from Weinan around mountains(Type C)and an example of airflow field at 30 m height(07:00 on January 25,2017)

3.1.2西部/南部来流 此型中关中区域为比较一致的偏西气流，宝鸡、西安、咸阳为偏西风或静风，一直到渭南、蒲城等地均为西南风或西风，长武、旬邑、彬县等地为偏北气流。根据来流起始位置将该型分为3个小型：西南/南部来流（D）（图5a）、北部来流转向（E）（图6a）和西部来流（F）（图7a），其中D型是在大气静稳条件好的情况下，关中区域风速很小或静风，昼间沿秦岭北坡而下的山风到达关中区域形成辐合；E型是偏北气流顺黄土高原南坡而下，抵达渭河河谷地带遇南部秦岭大地形阻挡气流转向、北部来流到达关中区域东部朝西转向，到达关中西部的气流朝东转向；F 型是西北气流在关中西部渭河中游沿地势低洼的渭河河谷地形顺流而下，形成西部来流。该型流场的典型个例见图5b、图6b 和图7b。

图5 西南/南部来流（D型）示意图及30 m流场个例（2017年1月3日10:00）Fig.5 Airflow from southwest/south(Type D)and an example of airflow field at 30 m height(10:00 on January 3,2017)

图6 北部来流转向（E型）示意图及30 m流场个例（2017年12月4日21:00）Fig.6 Airflow from northern diversion(Type E)and an example of airflow field at 30 m height(21:00 on December 4,2017)

3.1.3北部来流非转向 此型中，陕北至关中区域为一致的偏北气流，一般为北部冷空气南下导致的污染天气主要形式（图8a），该型典型个例见图8b。冷空气南下到达关中渭河河谷低洼地形后，关中区域的暖空气被抬升，特殊的地形上空形成逆温层，污染物不易扩散。

图8 北部来流非转向（G型）示意图及30 m流场个例（2017年1月26日21:00）Fig.8 Airflow from northern(Type G)and an example of airflow field at 30 m height(21:00 on January 26,2017)

3.1.4无显著流场 此型无明显的流场特征，大部分与静风相关。

3.2 各流场分型统计

统计分析区域重污染日逐时流场分型（表2）可以看出，区域重污染过程中东部来流出现最多，频率达到59.8%，其中B、C型流场出现次数最多，占比均达到25.0%以上，E、F 型出现频率高于10.0%；在昼间（08:00—19:00）流场中，出现最多的是C 型流场，频率近40.0%，其次是E 型，A 型也较多，频率近15.0%，其余类型出现较少，频率不超过10.0%；在夜间（20:00—07:00）是B、E、F 型活跃时段，夜间出现最多的是B型流场，出现频率近50.0%。其次是E、F型，频率15.0%以上，G型出现最少。对比昼夜间各型分布可以看出：A、D、G、H 型夜间出现比昼间偏少。

表2 56个重污染日各时次流场分型出现次数Tab.2 Occurrence times of flow field classification in 56 heavy pollution days

3.3 各流场分型与PM2.5浓度的关系

关中区域秋冬季空气污染较为突出，一方面是由于冬季采暖，污染排放量增大，造成环境空气质量超标；另一方面秋冬季大气扩散能力显著下降，可能是造成近年关中区域污染日数增多的主要原因之一。为进一步分析低空流场对区域污染的影响，结合2017年关中区域内五市环境空气质量现状监测资料，对不同流场类型下的五市PM2.5小时平均浓度进行了统计分析。不同类型流场下PM2.5的小时平均浓度统计见表3，D、E 型流场则更容易导致PM2.5浓度上升，D、E型流场属于山谷风流场，往往在夜间出现。

表3 不同类型流场下PM2.5的小时平均浓度统计Tab.3 Statistics of PM2.5 hourly average concentration under different types of flow field

进一步分析日均浓度最大的前10 个严重污染日及其流场情况可知：受喇叭口地形影响，昼间气流沿汾渭平原输送，在关中形成辐合，午后气流沿山向西绕流在关中形成辐合，夜间气流沿秦岭北坡进入平原地区，A、C型和B、D、E型形成的山谷风容易在关中区域形成涡旋气流，造成污染物堆积，导致PM2.5浓度上升，引起区域重污染天气，污染物沿东部来流路径被输送至关中是关中区域重污染天气的主要成因之一；另外，关中区域无显著流场出现83次，平均PM2.5浓度203.4 μg·m-3，为8种流场平均最大，1 月1 日最大持续21 h，期间西安PM2.5最大浓度达485.0 μg·m-3，可见，区域大气处于静稳状态，是造成关中区域污染形势进一步加重的主要原因之一。

4 讨论

由上述的研究可知，陕西关中是污染重发、多发区，污染物排放、输送等都是造成关中区域重污染的重要因素。韩博威等［19］统计分析了冬季长三角地区重污染过程中大尺度环流背景场及气象要素的影响，发现区域重污染的发生发展与大气环流有着密切联系，其中地形对污染的影响主要通过大气环流。关中复杂的喇叭口地形，可导致吹向关中的偏东北或偏西气流，与南部秦岭北麓的偏西南风或偏南风汇合，在关中区域形成气旋辐合或切变辐合。大西北的污染物从宁夏、陕北等地飘来，以及山西的污染物在关中与汾河谷地聚集回旋，造成区域重污染。另外，复杂地形、局地的小气候影响，可能会造成一种或多种类型低空流场同时出现，形成复合流场。因此，后期研究工作应该进一步分析复合流场，厘清各类型流场及复合流场各种组合对关中区域重污染影响，以期更清楚的认识污染传输机理，为政府开展联防联控、防污治霾工作提供理论依据。

5 结论

本研究以陕西关中区域五市（西安、咸阳、渭南、铜川、宝鸡）为一个整体的研究对象，定义了区域污染和区域重污染，选取2017 年为代表年，利用模式格点模拟数据，对关中区域30 m 流场分型，重点分析了各流场分型与PM2.5浓度的关系，得出以下结论：

（1）造成关中区域重污染的流场分为：东部来流（A～C）、西部/南部来流（D～F）、北部来流非转向（G）和无显著流场（H）4个大类，根据出现时间和地点，东部来流又可被分为东北来流（A）、东北来流夜间型（B）、渭南绕山来流（C），西部/南部来流可被分为西南/南部来流（D）、北部来流转向（E）、宝鸡来流（F），共8个类型分别记为（A～H）。

（2）区域重污染过程中东部来流出现最多，频率达到59.8%，其中B、C型流场出现次数最多，占比均达到25.0%，E、F 型出现频率均高于10.0%，E、F型流场往往在夜间出现。各流场分型昼夜变化较大，在昼间的流场中，出现最多的是C 型流场，频率近40.0%，其次是E 型和A 型。夜间是B、E、F 活跃时段，出现最多的是B 型，出现频率近50.0%，其次是E、F型，此外A、D、G、H型夜间出现比昼间多。

（3）关中区域重污染主要出现在冬季，除因供暖导致的污染物的排放量增加外，低空流场对污染物扩散影响显著，从流场分型上看，静稳天气、山谷风、北方污染物输送是导致关中区域重污染的主要原因。