四川盆地两次区域污染过程对比分析

杜筱筱，冯 勇，成 翔，赵晓莉

1.四川省气象灾害防御技术中心，四川成都 610072；2.中国气象局成都高原气象研究所，四川成都 610072；3.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川成都 610072

近年来，随着我国大气污染防治工作的不断推进，大气环境呈现向好趋势。但受不利气象条件的影响，仍有持续性、区域性重污染天气发生[1-3]。四川盆地是我国四大盆地之一，海拔300～700 m，四周被海拔1 000～4 000 m的山地所环抱。特殊的地形使四川盆地大部地区不易受冷空气影响，秋冬季容易出现以细颗粒物PM2.5为主的区域污染天气[4-5]。

空气污染不仅是环境问题，更是关系到人体的健康问题，多年来一直是科研工作者的研究重点。刘培川等[6]的研究发现四川不同污染类型下PM2.5平均浓度差异大，区域污染、秸秆焚烧、燃放烟花爆竹3种污染类型对四川省PM2.5年均值贡献比例依次降低；罗青等[7]通过分异指数和相关性分析对四川盆地近地面风场及污染物输送通道进行了统计分析；邓中慈等[8]利用四川盆地一次气态前体物和气象因子研究发现，2015—2017四川盆地PM2.5浓度逐年降低，影响PM2.5的主导影响因子包括SO2、NO2、CO、温度、气压和相对湿度。

2020年12月下旬，全国大部地区发生了长时间的污染天气，四川盆地也在其列。本研究对比2019年同期(2019年12月27日—2020年1月4日)污染过程，从污染过程期间的天气背景、气象要素、污染天气消散阶段的形成与发展等方面，对四川盆地2020年12月20—28日区域污染天气进行了研究分析，初步探索污染天气与大气环流形势之间的关系和规律，为四川盆地大气污染防治工作提供科学依据和技术参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

大气环流形势背景资料为中国气象局的MICAPS数据。大气环境监测资料来源于成都市金泉两河、十里店、三瓦窑、沙河铺、君平街、大石西路6个环境空气质量监测站点的小时数据，数据类型包括SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10污染物质量浓度。地面气象要素数据采用国家气象信息中心研制的CLDAS2.0实时数据产品(空间分辨率0.05°×0.05°)。

1.2 研究方法

空气质量指数日值由小时污染物浓度数据算术平均求得日浓度，再根据环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ633-2012)计算得到。混合层高度基于CLDAS2.0实时数据产品由罗氏法计算得到[9]。参考四川省生态环境厅对盆地区域大气污染统计方案，当盆地17个城市有9个及以上达到污染(AQI＞100)，且≥5个污染城市接壤连片时，则定义为区域大气污染。

2 结果与分析

2.1 污染特征分析

2020年12月下旬，全国大部地区出现了长时间的污染天气。四川盆地从12月20日开始(图1)，东北部的达州、南充最先发生污染天气，21日盆地西北部也开始出现污染天气，22日扩展到盆地南部和西南部，23日盆地中部出现污染天气，24日达州最先达到中度污染，25日转为重度污染，26日达州、广安、宜宾3个城市达到重度污染，28日重度污染发展到5个城市，为污染过程最严重时段。整个污染过程的演变区域特征为先是盆地东北部发生污染，再是盆地西北部和盆地南部，然后是整个盆地。

图1 四川各市州2020年12月20—28日AQI等级填色图

2020年12月20—28日污染过程的特点是以颗粒物PM2.5为首要污染物的区域雾霾污染天气，污染最大量级为重度，是2020年四川唯一1次区域重污染天气。

2019年同期，2019年12月27日—2020年1月4日四川盆地也发生了1次类似的区域污染天气过程。2次污染过程虽然持续时间都是9 d，达到区域污染的天数也相同，为7 d，但2020年12月污染程度略高，过程中达到重度的城市数量有5个，多于2019年的1个城市，污染清除的时间也不同，2020年为1 d的快速结束型，2019年用时2 d，区域污染过程才结束。污染区域的演变路径特征都是东北→西北→川南→整个盆地，污染过程的城市特点均是达州市先污染，且先达到中度和重度(表1)。

表1 2次污染过程特征对比

2.2 500 hPa高空和地面天气形势分析

天气形势从根本上决定了气象要素的分布和时空变化，从而决定了大气的扩散能力与大气稳定程度[10]。利用MICAPS数据，分析2020年(2020年12月20—28日，下同)和2019年(2019年12月27日—2020年1月4日，下 同)污染天气过程的500 hPa高度场，2次过程天气形势稳定少变，四川受纬向西风气流影响，径向环流弱，中高纬冷空气入侵少(图2)。

图2 2020年12月21日20:00和2020年1月2日08:00 500 hPa高度场

基于Cost733，倾斜T模态主成分分析方法，对四川海平面气压场进行客观分型，得出高压前部型、低压底部型、低压型、均压场型不利于大气污染物扩散的结论[11]。2020年污染过程如图3所示，四川盆地主要受低压型，均压场型影响。低压型，四川外围被高压包围，形成环绕之势，配合四川盆地的特殊地形，不利于污染物的稀释扩散；均压场型，高压中心到低压中心的缓慢过渡带气压梯度小，易形成污染天气。2019年海平面气压场除均压场型、低压场型外，还有高压前部型(图4)。高压前部型类型下，海平面气压场青藏高原和川西高原上为高压控制，川西高原以东均为较大范围的气压低值区，四川盆地位于高压前部，相对湿度偏高，有利于污染物的二次转化，加重污染。

图3 2020年12月20—28日污染过程的低压型和均压场型

图4 2019年12月27日—2020年1月4日的高压前部型、均压场型和低压场型

2.3 气象要素分析

大气污染与气象条件是密切相关的，气象条件的改变决定着大气污染物的输送与扩散，进而影响空气质量。以成都市2020年污染过程为例，利用CLDAS地面要素和AQI数据绘制2020年12月18—29日折线图(图5)。20—22日，AQI变化幅度小，混合层高度、相对湿度和风速(即地面风速)3个气象要素也无显著变化。23—28日，混合层高度先是在23日微抬，24日以后混合层高度越低AQI越高，混合层高度和AQI呈相反的变化趋势；相对湿度在26日有明显升高，变化趋势和AQI相近；风速在24日明显下降，并维持在0.5 m/s，水平风向的扩散减弱，进一步加剧了大气污染物的累积，使污染等级加重。由此可见，混合层高度、风速、相对湿度3个气象要素与空气质量的变化密切相关。

图5 成都市2020年12月18—29日AQI和混合高度、相对湿度、地面风速折线图

统计2次污染过程中成都市混合层高度、相对湿度、地面风速与AQI相关性(表2)可知，2次污染过程的相对湿度较为接近，无明显的差异；2020年的AQI值为151，高于2019的114，表示成都在2020污染过程中污染更严重。2020年平均风速0.56 m/s，明显小于2019年的0.89 m/s，混合层高度也是2020年的916 m小于2019年的994 m。由此可知，成都市2020年污染过程的气象条件更不利于大气污染物的稀释与扩散。

表2 2次污染过程成都市AQI与气象要素相关性统计

进一步利用CLDAS数据统计四川省2019年12月27日—2020年1月4日和2020年12月20—28日的平均风速和混合层高度，混合层高度由罗氏法计算得到。由图6可知，2020年盆地大部分地区平均风速为0.4～1.2 m/s，2019年平均风速多为0.8～1.6 m/s，风速大小分布不规律，但盆地区域2020年污染过程的平均风速明显小于2019年。由2次污染过程的平均混合层高度填色图(图7)可见，2020年盆地大部地区平均混合层高度为300～900 m，低值区主要位于盆地中部、西南部和南部；2019年平均混合层高度为600～1 200 m，低值区主要位于盆地东部、西北部和南部，和平均风速一致，盆地区域2020年污染过程的平均混合层高度明显低于2019年。由以上分析可知，风速小不利于污染物在水平方向上扩散，混合层高度低使污染物在垂直方向扩散受限，在较高的相对湿度条件下，持续的小风速和低混合层高度导致污染物累积，污染区域扩大，污染等级加重，这是2020年污染过程比2019年严重的主要原因。

图6 四川盆地2020年和2019年2次污染过程平均风速填色图

图7 四川盆地2020年和2019年2次污染过程平均混合层高度填色图

2.4 消散阶段的天气学原因分析

2.4.1 2020年12月20—28日污染过程2020年12月26日，500 hPa高度场上乌山阻高开始形成，高压脊前偏北气流加强，引导冷空气在贝湖附近的横槽内聚集，冷中心温度可达-48 ℃。随后高空槽携冷空气东移南下，28日开始影响我国。而冷空气对四川盆地的影响时段主要从28日夜间开始，28日盆地北部局地风速升高，29日盆地风速明显增大，极大风速可达16 m/s(图8)，2020年污染过程的清除方式为大范围的大风天气。

图8 四川省2020年12月28日和29日平均风速

2.4.2 2019年12月27日—2020年1月4日污染过程2019年污染过程的清除方式与2020年的污染过程不同。2020年1月5日，500 hPa先是南支槽带来大量暖湿气流，形成弱降水，6日高空槽过境降水增大，但降水强度和范围都较小，仅在盆地东部和南部小到中雨，盆地南部和中部小雨(图9)。2019年污染过程清除以降水为主，风速起到辅助作用，结束时间长于2020年。

图9 四川省2020年1月5日和6日累计日降水

3 结论

(1)盆地2次区域污染过程的污染演变路径特征都是盆地东北→盆地西北部→盆地南部→整个盆地。2次污染过程持续时间都是9 d，达到区域污染的天数也相同，为7 d，但2020年12月污染程度更严重，过程中达到重度的城市数量有5个，多于2019年的1个。

(2)长时间静稳天气，在较高的相对湿度条件下，持续的小风速和低混合层高度导致污染物累积，污染区域扩大，污染等级加重。这是2020年污染过程比2019年更严重的主要原因。

(3)2020年污染过程的清除方式是大范围的大风天气，1 d内盆地空气质量转为优良。2019年污染过程的清除方式与2020年的污染过程不同，以降水为主，以风速为辅，结束时间长于2020年。