山谷风对太原市污染物质量浓度的影响

李艳红， 赵彩萍， 李梦军， 荆肖军， 李兆奇

(太原市气象局，太原 030082)

引 言

近年来，随着化石燃料消耗量的迅猛增加，城市空气质量恶化已成为关系人类生存的重大环境问题，引起了社会各界的广泛关注。在区域污染物排放相对稳定的前提下，天气形势及局地气象条件的变化是影响空气污染物扩散和混合程度的决定性因素[1-5]。在山地地区，白天由于坡地受太阳辐射加热后升温更快，温度更高，致使空气沿坡上升成为谷风，夜间由于下垫面辐射冷却，邻近的空气迅速变冷，密度增大，因而沿坡流泻，成为山风[6]。山谷风环流是影响山区大气扩散的重要气象因素，对当地污染物的扩散、输送有直接影响[7-10]。山谷风影响区域存在着沿山地平原交接地带的辐合气流区[11]，很多污染过程都是向山前输送并累积的过程[12]，山谷风转换期的特殊气象条件对污染物浓度也具有重要影响[13-15]。不同区域山谷风系统存在显著差异，下垫面类型和日照条件等诸多因素决定了局地山谷风的强弱和时间变化[16]。

太原市地处山西省中部、太原盆地北端，城区三面环山，山区多为干冷清洁空气控制区，平原多为暖湿污染气团停滞区，平原与山区之间属于干冷清洁空气与暖湿污染气团之间的过渡区，属山前地形、冷暖空气扰动区[17]。太原市是典型的三面环山的河谷地形，“山谷风”环流对太原地区的污染物在河谷地带内的动态“迁移、扩散”运动与“堆积”现象起重要作用[7]，对污染物浓度及其分布有重要影响。白天的地形南风使暖湿污染空气在城区汇聚，夜间的地形北风把山区的干冷清洁空气吹向城区，使之表现出明显的日变化特征。山谷风对当地污染物的传输扩散起重要作用，河谷地形与太原市可持续发展及其环境影响问题是当地讨论城市发展的关键“热点”，然而这方面的研究尚属空白。近年来，伴随太原城市化的迅速发展，空气污染问题日益加重，深入探讨当地山谷风形成的机制及对污染物的传输扩散作用，不仅必要，而且十分迫切。

1 资料与方法

1.1 研究区域

太原市位于111°30′E至113°09′E、37°27′N至38°25′N之间，地处山西省中部，太原盆地北端。市境东、西、北三面群山合抱，整个地势北高南低，城区坐落于海拔800 m的汾河河谷平原上。城区环境监测站点及气象站点分布如图1。环境监测站点有8个，由北至南分别为上兰、南寨、尖草坪、桃园、坞城、金胜、小店、晋源，其中上兰为清洁对比站。国家级气象观测站有3个，分别为尖草坪气象站(53677)、小店气象站(53679)、太原国家基本气象站(53772)。其中尖草坪气象站位于主城区的西北部，处于城市的上风方，地势较高，和其他两个站点高差33 m；小店气象站位于主城区的南部，处于城市的下风方，地势较低；太原国家基本气象站位于主城区的东南部，距离城市较远，距离太原东山较近。

图1 太原市城区环境监测站点与气象站点及海拔高度分布环境监测站点：A.上兰，B.南寨，C.尖草坪，D.桃园，E.坞城，

1.2 数据来源

本文利用2014年12月1日至2017年11月30日太原市城区8个环境空气监测站PM10、PM2.5和O3质量浓度资料及3个国家气象站风向、风速逐时及日平均资料,针对尖草坪(北部城区)、桃园(市中心)、金胜(西部城区)、小店(南部城区)等代表性站点分析太原市近年来大气污染特征及与风场(山谷风)的关系。

1.3 山谷风确定原则

由于辐射差异，山谷地带经常存在局地环流，在计算局地环流时应设法消除背景风的影响[18]。为从实测风中分离出局地风并根据局地风情况判断山谷风日，本文参考张人文等[19]的方案，先将每日的逐时实测风UC分解成u、v分量，则u、v分量的日平均为系统风US的u、v分量，局地风UL的u、v分量为逐时实测风UC的u、v分量减去系统风US的u、v分量，合成后得到的风矢量为去掉系统风之后的局地风UL。当山风、谷风在山谷风发生的理论时段内持续出现4个及以上时次，并且背景风不大(风力小于3级)、天气晴朗、弱天气系统控制，则该日为山谷风日。弱天气系统控制(风力小于3级)之下没有出现山谷风的为无山谷风日。风力大于3级的为其他类型。

2 结果分析

2.1 山谷风分布

对2014年12月至2017年11月小店站的逐时风资料和太原市4个代表性环境监测站点的PM10、PM2.5和O3质量浓度日均值资料进行统计。经数据质量控制后合格数据为1089天，其中山谷风日520天，占全年天数的48%，无山谷风日240天，其他类型329天。山谷风日数在秋季最多(160天)，冬季的次之(153天)，春夏季的较少(100～107天)，这与春季风速较大、夏季云雨日数较多、秋冬季多静稳天气有关。山谷风日实测风平均风速为1.5 m·s-1，无山谷风日的为1.6 m·s-1，其他类型的为2.6 m·s-1。

2.2 实测风风频日变化

图2为2014年12月至2017年11月尖草坪气象站、小店气象站、太原国家基本气象站实测风风频日变化。受山地-平原共同作用，太原市城区实测风有明显的山谷风特征，表现为山风和谷风在一周日内的周期更替[1]。白天以谷风(偏南风)为主，夜间以山风(偏北风)为主，山谷风转换时间在日出日落前后。尖草坪气象站谷风出现时间为09：00-19：00；小店气象站谷风出现时间为06：00-20：00，持续时间最长；太原国家基本气象站谷风出现时间为08：00-20：00。06：00-09：00及19：00-20：00，尖草坪气象站的偏北风和小店气象站、太原国家基本气象站的偏南风辐合，污染物在城区汇聚。09：00-19：00，3个测站都为偏南风，污染物质向北部山前输送并累积，造成山前郊区及城区北部污染浓度升高。20：00-次日06：00，尖草坪气象站和小店气象站都为偏北风，污染物向城市南部郊区输送，城区污染物浓度逐渐降低。由于三面环山，在风向转换期，山前出现一条弧形的汇聚带。在这种特殊的风场配置下，该地区的污染情况较为复杂。在日出后汇聚带形成前，太原地区盛行偏北风，污染物扩散条件较好，汇聚带形成后，污染物来自汇聚带两侧(尖草坪气象站为北风，小店气象站、太原国家基本气象站为南风)。在日落后汇聚带形成前，太原地区盛行西南风，污染物来自西南方，在汇聚带形成后，污染物来自汇聚带两侧。

早晨山风向谷风的转换时间，小店气象站的最早，太原国家基本气象站的次之，尖草坪气象站的最晚；傍晚谷风向山风转换的时间，尖草坪气象站的最早，太原国家基本气象站的次之，小店气象站的最晚。这种风向转换时间上的差异，是由于不同位置的站点所受到的局地热力动力条件不同。由郊区向城区辐合的热岛环流和局地风风向转换有一定关系。位于城北的站点(尖草坪气象站)，受到的热岛环流方向与山风一致，两者叠加的效果使其山风增强，早晨山风向谷风转换的时间较晚，傍晚谷风向山风转换的时间提前。位于城南的站点(小店气象站)，受到的热岛环流方向与谷风的相同，两者叠加的效果使其早晨山风向谷风转换时间相对较早，傍晚谷风向山风转换的时间相对较晚。太原国家基本气象站位于城市远郊，热岛环流对其影响较小[20-21]。

图2 2014年12月至2017年11月尖草坪气象站(a)、小店气象站(b)、太原国家基本气象站(c)实测风风频日变化

2.3 风速日变化

图3为小店气象站实测风(a)、山谷风(b)、无山谷风(c)及其他类型(d)风速的日变化。可以看出，山谷风与实测风风速分布及昼夜变化非常相近。两者均为春季风速较大，其余几个季节相差不大。风速的日变化具有明显相似的特征：傍晚，随着太阳落山，风速持续减弱，至凌晨达全天最低；凌晨，随着太阳升起，风速逐渐增大，至午后达全天最高；不论是实测风还是山谷风，夜间的风速均小于白天的。低层大气中风速的日变化主要决定于湍流交换的日变化。日出以后，上下层空气的湍流交换加强，动量下传使近地层空气风速增大；大约16时以后，随着辐射的减弱，湍流交换减弱，风速减小；夜间，地面辐射降温进一步抑制了湍流交换，风速继续缓慢下降。一日内午后风速最大，扩散条件最好。无山谷风日经常伴随阴天和多云天气，白天大气对太阳辐射的削弱强，上下层空气的湍流交换较弱，夜晚大气的逆辐射强，上下层空气的湍流交换相对较强，因而其风速日变化幅度较小。其他类型天气往往伴随较强系统过境，风速较大，空气质量较好。其中，实测风(a)、山谷风(b)、无山谷风(c)都是春季风速最大，只有其他类型(d)为冬季风速最大，这是因为冬季常有较强冷空气活动，风速偏大。

图3 2014年12月至2017年11月小店气象站实测风(a)、山谷风(b)、无山谷风(c)、其他类型(d)不同季节风速日变化

2.4 山谷风对污染影响的总体特征

利用2014年12月至2017年11月山谷风和污染物浓度资料，分别统计了山谷风日、无山谷风日及其他类型天气对污染物浓度的影响，比较结果见图4。由图4可见，PM10和PM2.5质量浓度在山谷风日最高，无山谷风日的次之，其他类型的最低。O3质量浓度在山谷风日的最低，无山谷风日及其他类型的较高，这是由于这两类天气类型在春夏两季出现频率(60%～69%)显著偏高，同时其他类型天气形势下风速偏大，而O3浓度有随着风速增大升高的趋势[22-24]。在不同地域不同环流背景下PM10、PM2.5、O3质量浓度均为金胜的最高，桃园的最低，尖草坪和小店的相差不多。

图4 山谷风(a)、无山谷风(b)、其他类型(c)的天气类型不同地域的污染物浓度比较

山谷风存在的情况下，白天的谷风使污染物向北部输送，由于受到北部山脉的阻挡，污染物在山前堆积，造成山前或者北部城区污染物浓度增加；夜间山坡气温下降迅速，冷空气下沉，集聚于谷底或盆地底部，另一方面山谷风日夜间地面辐射较强，降温剧烈，导致山谷风日夜间近地面经常形成强而持久的逆温，抑制了污染物的垂直扩散；受山风的影响，午夜至凌晨城区污染物浓度有所下降，但是由于山风较弱，不能对空气质量的提升产生显著作用。其他天气由于风速较大，水平扩散条件较好，污染物浓度最低。无山谷风类型的污染物浓度居中。

2.5 个例分析

2016年12月30日至2017年1月3日太原市出现了一次严重污染过程。其中，2016年12月30日为重度污染，2016年12月31日至2017年1月3日为严重污染，首要污染物为PM2.5。图5为尖草坪气象站、小店气象站、太原国家基本气象站在此次污染过程期间的局地风变化。

图5 2016年12月28日21时至2017年1月6日20时尖草坪气象站(a)、小店气象站(b)、太原国家基本气象站(c)局地风矢量

由图5可见，2016年12月28日至2017年1月3日太原市出现了持续的山谷风环流，导致PM2.5浓度持续多天增长，2017年1月3日傍晚山谷风开始减弱，同时3个测站一致出现较强偏北风，污染过程随之趋于结束。山谷风环流持续期间，500 hPa高空为平直西风气流，地面持续受弱高压场控制，高压边缘的偏东气流形成了区域性的流场汇聚；近地层西南暖湿气流输送造成的平流逆温、高压内部的下沉逆温及辐射逆温的叠加，使太原形成了强而持久的逆温，抑制了污染物的垂直扩散，同时水平风速较小，对污染物水平扩散不利；气团潮湿稳定，持续的静稳天气造成了本地污染物的堆积，导致污染物浓度持续位于高位，达到严重污染级别[25,26]。

弱环境风条件下，山谷风环流对污染物浓度及其分布有重要影响，这其中不仅有风速的作用，还有风向的作用。白天风速和对流增强，扩散条件较好；夜间风速和对流减弱，扩散条件较差；山谷风转换期间形成的汇聚带导致污染物在特定区域汇合，造成污染加重；午夜以后山风加强，城区污染物浓度开始缓慢下降。另外城区受人类生产生活活动影响较多，污染物浓度变化复杂。

桃园环境监测站位于城市中央，以桃园环境监测站的环境资料讨论山谷风和城区污染物浓度的关系具有代表意义。图6为桃园站2016年12月28日21时至2017年1月6日21时PM2.5和O3浓度及局地风速小时变化。太原的局地环流主要受山谷风影响，局地风速可认为近似等于山谷风风速。由图6可见，在山谷风和人类活动的共同影响下，PM2.5浓度日分布大约呈现一个双峰型结构：日出以后人类活动增多，污染物排放量加大，加之山谷风转换期的风向辐合及北部山脉的阻挡作用，PM2.5浓度增加；午后风速上升至全天最高值，扩散条件较好，PM2.5浓度有所下降；傍晚风速减小，逆温增强，风向辐合，PM2.5浓度快速增加，至午夜达到最高值；此后人类活动减少，污染物排放量下降，增强的山风使污染物向南部郊区输送，并且带来了清洁空气，PM2.5浓度逐渐降低，大约至凌晨达到一个最低值。山谷风的日变化导致PM2.5浓度表现出明显的日变化特征。在山谷风持续期间，由于所处的特殊复杂地形及随之产生的山谷风环流，PM2.5在城区往复输送和累积，PM2.5浓度呈现振荡增强趋势。

O3浓度和风速成正比，表现出明显的日变化特征。山谷风期间一般午后风速较大，午夜风速较小，O3浓度也是午后的最大，午夜的最低，这不仅与风速有关，也和午后辐射加强有关。

PM2.5和O3浓度的变化趋势相反。O3浓度高值集中出现在PM2.5浓度较低时段，随着PM2.5浓度的增高，O3浓度迅速降低。在系统风增强的情况下，O3浓度随着风速的增加迅速增加，而PM2.5浓度随着风速的增大快速减小。O3与PM2.5浓度之间的相关系数为 -0.40683，两者有良好的相关性，通过了α=0.001的检验。

图6 2016年12月28日21时至2017年1月6日21时桃园站污染物浓度及局地风速小时变化

3 结论与讨论

(1)受山地-平原共同作用，太原实测风表现出明显的山谷风特征，白天以谷风(偏南风)为主，夜间以山风(偏北风)为主，山谷风转换时间在日出日落前后，不同位置的站点山谷风风向转换时间不同。

(2)2014年12月至2017年11月太原共出现山谷风日520天，占总天数的48%，春夏季的较少，秋冬季的较多。

(3)山谷风与实测风风速分布及昼夜变化相近，夜间风速小于白天的，凌晨的最小，午后的最大，四季中春季的风速最大。无山谷风日经常伴随阴天和多云天气，风速日变化幅度较小。其他类型天气往往伴随系统过境，风速较大，局地环流对其影响较小。

(4)PM10和PM2.5浓度山谷风日的最高，无山谷风日的次之，其他类型的最低。

(5)个例分析表明，在山谷风持续期间，太原地面平均风速较小，污染物浓度呈现明显的日变化。PM2.5浓度日分布呈现双峰型：日出以后增加，午后开始下降，傍晚快速上升至午夜达最高值，此后逐渐降低至凌晨达最低值。随着山谷风环流的持续，PM2.5浓度振荡增加。当3个测站一致出现较强偏北风时，污染过程趋于结束。相比PM2.5，O3浓度的日变化特征更加明显，与风速日变化成正比。