冬季局地環流對成都地區大氣污染的影響

魯峻岑 , 張小玲 , 王安怡 , 韋 榮 , 李朝陽

（成都信息工程大學大氣科學學院/高原大氣與環境四川省重點實驗室，成都 610225）

引 言

城市大氣污染是指在城市的生產和生活中，向自然界排放的各種空氣污染物，受特殊的下墊面條件、邊界層結構等影響，超過了自然環境的自己能力，所造成的空氣污染。城市大氣污染發生后，由于污染物質的來源、性質、濃度和持續時間的不同，污染地區的氣象條件、地理環境等因素的差別，甚至人的年齡、健康狀況的不同，均會對人造成不同程度的危害。在信息交流高速發展的今天，環境空氣質量成了影響人們日常生產生活的一項重要考量因素，直接關乎廣大人民的幸福與健康。因此，研究城市大氣污染事件發生規律及機制具有重要的科學意義和社會價值。

近年來，國內學者對北京、上海、南京、成都等城市的大氣污染進行了深入分析，尤其是對霧霾污染與氣象要素、邊界層、局地環流等諸多因素的密切聯系做了大量研究[1-9]。普遍認為：除污染物排放外，天氣系統、局地氣象條件也是大氣污染形成的重要因素[10]；污染物在大氣中的輸送與匯聚主要取決于大氣流場特征和大氣層結穩定度，其中低層大氣流場對于污染物的區域性輸送和擴散的影響更為重要[11-14]；在大氣污染過程中PM2.5濃度和能見度的日變化主要是由混合層高度晝高夜低、濕度晝小夜大所導致，大氣污染通常發生在天氣系統弱、氣壓梯度小的天氣條件下，復雜下墊面的熱力差異而產生的局地環流（包括山谷風、海陸風和城市熱島環流）影響不可忽視[15]。李青青等[16]研究指出，山谷風可以決定PM2.5濃度的空間分布，在兩者轉換期所形成的氣象條件對PM2.5濃度具有重要影響。吳蒙等[17]利用風廓線雷達數據分析了珠江三角洲地區一次持續大范圍的空氣污染過程，認為垂直風場中風速較小是造成此次污染過程的重要原因，并使用了局地環流指數來研究海陸風對空氣質量的影響。曾佩生等[18]分析了京津冀平原地區局地大氣環流日變化，發現京津冀平原地區低空風場變化是天氣系統與局地大氣環流共同作用的結果，大氣環流在大氣污染過程中起重要作用。田越等[19]利用WRF 對2016 年12 月7 日成都東部（龍泉山）一次污染過程下的山地—平原風環流進行了模擬，發現不同時段山地—平原風環流在龍泉山脈南北方向上差異較大，越山下坡風環流在南段最強而中段最弱，中、南段山體較低窄，平原風環流易被湍流掩蓋，北段平原風環流最為明顯。

成都市位于我國西南地區，是成渝經濟區兩個超大城市之一，城區顆粒物濃度常年處于較高水平，尤其在冬季，更是我國能見度較低的城市之一。究其原因，成都地區受兩側地形（西側青藏高原、龍門山，東側龍泉山）影響，氣象條件復雜，易長時間出現靜小風或逆溫天氣，尤其是冬季典型的輻射逆溫，具有維持時間長、強度大且厚的特點，污染物的擴散條件相對較差，有時甚至存在多層逆溫，導致污染物更難及時擴散和稀釋，這就造成了秋冬季（11—12 月、1—2 月）區域污染多發且持續時間較長的現狀[20-26]。當前，成都地區經濟發展迅速，這也使得當地面臨污染問題的嚴峻挑戰。為此，本文將以2018 年1 月成都重污染過程為例，分析局地環流變化規律及其對PM2.5濃度分布的影響，探究該地區重污染事件發生發展的物理機制，旨在加深對成都地區污染成因的認知，同時也為合理制定城市建設規劃提供科學參考。

1 研究資料

1.1 研究區域

成都市位于四川盆地西部，平均海拔508 m，東側龍泉山最高海拔1046 m，西靠橫斷山脈，其中距離最近的邛崍山嶺脊平均海拔3000 m 以上，特殊的地形導致成都市靜小風頻率常年較高[20]。研究區域地形和監測站點分布如圖1 所示。

圖1 成都地形和站點分布

1.2 數據來源

污染資料為成都地區36 個污染監測站點逐時觀測資料，為了保證數據的可靠性，剔除了不可抗因素（停電、儀器校準）導致的缺測值。氣象資料為中國氣象數據共享網（http://cdc.cma.gov.cn）提供的地面氣象站逐時觀測資料，具體要素包括溫度、相對濕度、降水、風速、風向、氣壓，原始數據文件已經過嚴格的質控和檢驗，數據真實可靠。高低空環流場數據為歐洲中心ERA5 逐時再分析資料，空間分辨率為0.25°×0.25°。2 m 風場資料為歐洲中心ERA5-Land 逐時再分析資料，空間分辨率為0.1°×0.1°。成都市溫江站探空資料來源于懷俄明大學天氣數據網站（http://weather.uwyo.edu/wyoming/）。地形數據為SRTMDEMUTM 30 m 分辨率的DEM 高程數據。

2 結果分析

2.1 污染物時空變化特征

分析成都地區36 個站點平均的污染物時間序列（圖2）可知，本次污染過程從2018 年1 月10 日開始，共持續7 d，污染程度較嚴重，污染物中細顆粒物的占比（PM2.5/PM10）維持在0.6～0.7，且污染期間成都市PM2.5和PM10濃度日均值均連續3 d 超出國家環境空氣質量 二 級 標 準（PM2.5為75 μg/m3，PM10為150 μg/m3）的2 倍，NO2濃度日均值連續3 d 大于國家環境空氣質量二級標準（80 μg/m3），而SO2、CO 濃度未出現嚴重超標。由此，可判斷此次過程是以PM2.5為主要污染物，其次為PM10、NO2。通過對比分析2018 年1 月10—16 日成都市日均PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2的時間序列（圖2），發現污染過程期間PM2.5、PM10濃度呈現波動式上升趨勢，均于每日10 時左右達到峰值，其快速增長期均出現在18 時—次日02 時，02—10 時為高濃度維持期，而11—18 時出現濃度下降，PM2.5小時峰值濃度（225 μg/m3）出現在1 月15 日11 時。分析成都地區同時段氣溫和相對濕度的時間變化可知：此次污染過程中，區域平均溫度和相對濕度呈現較規律的晝夜振蕩特征，13—15 日平均最低溫度較10—12 日有所上升，15 日最高溫度略有降低；PM10、PM2.5變化趨勢與風速變化一致，風速增大時段PM2.5濃度有所下降；污染過程中地面風速較小，靜風時段污染擴散條件較差。

圖2 2018 年1 月9—16 日成都地區污染物和氣象條件的逐時變化

本次污染過程中，PM2.5日均濃度呈“西高東低”的分布特征，反映出自西向東擴散的污染形勢（圖3）。從2018 年1 月9 日起，成都地區氣象條件轉差，于2018 年1 月11 日00 時啟動重污染天氣黃色預警。1月10—11 日成都崇州、溫江地區首先達到中度污染水平，局部污染區域由成都西部逐漸向東擴散至中心城區，15 日成都區域達到嚴重污染水平，16 日污染有所緩解。由此，將本次污染過程分為4 個階段，即2018 年1 月10—11 日為污染開始階段，12—13 日為污染維持階段，14—15 日為重污染階段，16 日為污染緩解階段。由于污染維持與開始階段變化特征較一致，下文只對污染開始、重污染和污染緩解這3 個階段進行分析。

圖3 2018 年1 月10—16 日成都地區PM2.5 濃度空間分布（單位：μg/m3）

2.2 天氣環流形勢

圖4 給 出 了2018 年1 月10—11 日、14—15 日和16 日500 hPa、700 hPa、850 hPa 天氣形勢，分別代表污染開始階段、重污染階段、污染緩解階段。

圖4 2018 年1 月10—11 日（左）、14—15 日（中）和16 日（右）500 hPa（a～c）、700 hPa（d～f）、850 hPa（g～i）天氣形勢（等值線表示位勢高度，單位：gpm；箭頭表示水平風，單位：m/s；填色表示溫度，單位：℃）

從10—11 日環流形勢（開始階段）看：500 hPa 脊位于青藏高原至新疆北部，槽位于我國東部沿海地區，脊區呈現出匯合脊的特征，表明脊將逐漸減弱，此時成都地區受西北氣流控制，位于脊前下沉氣流區，有利于污染物的累積；700 hPa 高原東部的高壓脊強度明顯減弱，川西地區開始有弱低槽發展，成都地區位于東北-西南向的淺槽前部，受到槽前西南氣流向盆地輸送的暖濕空氣影響；850 hPa 表現為弱氣旋性環流，風速較小，污染濃度增加。

從14—15 日環流形勢（重污染階段）看：500 hPa我國高緯地區多受平直緯向西風氣流控制，有較小波動帶來較弱的冷空氣南下，但對我國中南部影響較小，此時四川地區無明顯南支槽脊波動，主要受平直西北風氣流控制；700 hPa 高原東部高壓脊發展，成渝地區上空溫度梯度較小，受西北氣流控制，在成都地區西部上空存在反氣旋環流，受西部高壓脊變化影響，污染加重。

從16 日環流形勢（緩解階段）看：500 hPa 成都地區上空有弱槽，此后小槽東移，東北部低壓繼續發展加強，成都地區位于槽后脊前，污染減弱消散速度加快；700 hPa 西北部高脊發展，成都地區上空受脊前西北氣流影響；850 hPa 偏南氣流有所加強，利于污染物的擴散。

綜上所述，成都地區此次重污染過程整體處于天氣系統弱的條件下，小風、靜穩、高濕、多逆溫且無降水，污染易持續積累，污染物的區域性輸送和擴散也易受低層大氣局地流場的影響。

2.3 重污染形成過程中局地環流演變特征

結合上節高空環流形勢，分析1 月10 日10 時、12 時、18 時、20 時污染空間分布和垂直剖面（圖5）可知，當日成都高空受脊前西北氣流控制，底層背景環流弱，小風具有山谷風特征，垂直運動較弱，水平擴散條件和垂直擴散條件開始轉差。10 日10 時，成都地區西部山體上空為顯著的下沉氣流，向西的下坡風與平原風在成都西部區域形成輻合風場，使得偏西區域附近PM2.5濃度更易短時積累，而中心城區的濃度積累更受排放影響，導致成都中部偏西區域形成局部污染。10—12 時，成都西部山地區域溫度升高，氣流上升速度明顯增強，對應邊界層高度也有所抬升，導致西部區域底層PM2.5向上輸送，其次風速開始增大且風向轉變成東南向的谷風，因此地面PM2.5濃度下降。這是由于成都地區西部海拔高，中東部海拔低，受地形影響，山谷地區受熱性質不均勻，從而形成山谷風。12—18 時，由于空氣的上升運動不斷加強，偏西區域谷風也有所增強，地面PM2.5污染得到部分緩解。20 時，東部平原地面快速冷卻，上升氣流逐漸減弱，下沉氣流逐漸加強，西部山風、下坡風再次發展，在西部區域再次形成輻合氣流，使得PM2.5濃度首先在西部地區不斷積累，形成局部污染。受夜晚風速減小以及排放共同影響，PM2.5處于快速增長的階段，山風開始逐漸形成，污染區域開始從西部向中東部擴散。10 日20 時—11 日03 時，成都中西部為下沉氣流控制，對應邊界層高度很低，不利的擴散條件導致PM2.5不斷累積。11 日03 時之后，由西部山體吹來的山風自西向東不斷減弱，使得成都中部局地污染加重。

圖5 2018 年1 月10 日10 時（a、f）、12 時（b、g）、18 時（c、h）、20 時（d、i）及11 日03 時（e、j）污染空間分布（a～e.填色表示PM2.5 濃度，箭頭表示10 m 風場）和垂直剖面（f～j.風向桿表示風速，填色表示垂直速度，正值為下沉速度，負值為上升速度）

圖6 是此次污染重階段中14 日10 時、12 時、18 時、20 時污染空間分布和垂直剖面。結合高空環流形勢和溫度廓線可知，14 日成都整個區域處于小風、靜穩狀態，垂直運動弱，不利的水平擴散條件和垂直擴散條件導致污染物不斷累積。14 日10 時，成都西部下沉氣流形成向西的下坡風，下坡風與平原風在該地區形成輻合風場，導致成都偏西部區域的污染物濃度更高。10—12 時，成都西部山地溫度升高，上升運動增強，垂直擴散條件轉好，其次風速不斷增大，風向由山風轉變成東南向的谷風，地面PM2.5濃度有所降低。12 時之后，成都西部區域空氣上升運動明顯增強，偏西部區域谷風達到最大，擴散條件轉好，污染程度開始得到一定緩解。18 時，谷風開始減弱，下沉運動開始增強，PM2.5不斷累積，并且在偏東風的影響下，使得成都西南部地區污染物濃度增大。20 時，成都西部上升氣流逐漸減弱，下沉氣流逐漸加強，山風、下坡風開始發展，在成都西南部形成風場輻合帶，加重成都西南地區污染。

圖6 2018 年1 月14 日10 時（a、e）、12 時（b、f）、18 時（c、g）、20 時（d、h）污染空間分布（a～d.填色表示PM2.5 濃度，箭頭表示10 m 風場）和垂直剖面（e～h，風向桿表示風速，填色表示垂直速度，正值為下沉速度，負值為上升速度）

圖7 是此次污染消散階段中16 日03 時、10 時、12 時、18 時、20 時污染空間分布和垂直剖面。結合高空環流形勢和溫度廓線可知，16 日成都地區高空風切變增強，高空逆溫減弱，底層水平風速明顯增強，垂直和水平擴散條件均明顯轉好。16 日03 時，成都受較大山風和下沉運動影響，導致成都中東部出現短時局部重污染。10 時，下沉運動明顯增強，PM2.5濃度較高，且風向為西風，風速較大，導致成都地區西部的污染物向東部運輸。12 時之后，成都西部區域大氣開始出現上升運動，且此時受風速風向影響，該區域污染先得到緩解。18 時，成都西部和東部區域都有明顯的上升運動，此時為東南向的大風，使得污染得到徹底緩解。20 時，上升運動減弱，西北向的谷風開始減弱，東南向的山風開始增強，導致PM2.5濃度在成都西南地區開始新一輪的累積。

圖7 2018 年1 月16 日03 時（a、f）、10 時（b、g）、12 時（c、h）、18 時（d、i）、20 時（e、j）污染空間分布（a～e.填色表示PM2.5 濃度，箭頭表示10 m 風場）和垂直剖面（f～j.風向桿表示風速，填色表示垂直速度，正值為下沉速度，負值為上升速度）

從垂直擴散條件來看，在污染開始和重污染階段，大氣多為下沉運動，污染物難以擴散，較小的水平風速不利于污染物的擴散，導致污染物持續累積，使得污染加重。由于局地環流的變化，也使得成都西部成為污染先開始、先加重及先緩解的區域。在污染減弱階段，成都地面風速加大且垂直運動增強，有利于污染物的水平和垂直擴散。根據上述分析可知，本次污染過程中風速在每日11 時最小而18 時最大，結合圖1 分析結果，說明每日午后至傍晚空氣質量的好轉與午后風速的增大有一定關系。

2.4 重污染形成過程中溫度廓線及探空分布

已有研究[27]表明，逆溫阻礙了地面污染物的向上擴散，同時靜小風也使污染物不易在水平方向上傳播，而污染物反過來也使逆溫情況進一步加強和維持。而李培榮和向衛國[28]對比分析了四川盆地內溫江（成都）、宜賓、達州、沙坪壩（重慶）四個觀測站，發現成都冬季貼地逆溫和多層逆溫的出現頻次最多。分析此次污染過程溫度廓線（圖8）可知，逆溫多出現在600～700 hPa 之間，且白天貼地逆溫較多而夜晚較少，10—14 日晚上逆溫高度逐漸下降到700 hPa 以下，夜間逆溫強度增加，有利于污染物在夜間堆積，而高空較強逆溫的維持使得污染物濃度在15 日達到最高。重污染期間均有逆溫層出現，逆溫層高度較低，但其在污染過程中有所增加，垂直擴散受到很大的抑制。從10 日開始，白天出現貼地逆溫，逆溫的疊加作用對污染的影響更為顯著。在多層逆溫出現時，大氣污染發生概率高于一般逆溫，多層逆溫尤其加大了中度及重度污染出現的可能性。而高空逆溫與貼地逆溫的雙重加持有利于污染物濃度的不斷增加和較高濃度污染的維持。15 日20 時，高空逆溫上升到700 hPa 以上，但貼地逆溫依然存在。直至16 日08 時，高空逆溫和貼地逆溫明顯減弱，污染物濃度開始下降。

圖8 2018 年1 月10—16 日成都市溫江站08 時（a）和20 時（b）溫度廓線

分析3 個階段成都市溫江站探空（圖9）發現：1月10 日污染開始階段，貼地逆溫明顯，高空逆溫位于600 hPa，且逆溫處大氣均較為濕潤，其中08 時為偏西風且風速較小，有利于污染物的不斷積累；14 日重污染階段，底層風速較小，貼地逆溫持續，逆溫層濕度增高，高空逆溫與10 日相比明顯增強且下降至700 hPa，與貼地逆溫的共同作用使得污染維持在較高濃度；16 日污染緩解階段，貼地逆溫仍然存在，對比14 日700 hPa 處高層逆溫明顯減弱，垂直方向上存在風切變，低空風速明顯增大，利于污染物的擴散。

圖9 2018 年1 月10 日（上）、14 日（中）、16 日（下）成都市溫江站08 時（左）和20 時（右）探空分布

綜上所述，在2018 年1 月10—16 日，成都地區中低層弱風速、弱的水平風垂直切變、近地面層濕度較大、700 hPa 和近地面層的多層逆溫層，均不利于污染物在垂直方向上的擴散，共同導致了此次持續時間長的嚴重污染天氣。

3 結論

本文利用成都市環境監測站逐時PM2.5濃度數據和ERA5 再分析數據，分析了2018 年1 月一次重污染過程中局地環流變化規律及其對PM2.5濃度分布的影響，得到以下主要結論：

（1）2018 年1 月10—16 日污染過程中PM2.5濃度呈現波動式上升趨勢，均于每日10 時左右達到峰值，其快速增長期均出現在18 時—次日02 時前后，02—10 時為高濃度維持期，而11—18 時出現濃度下降，PM2.5小時峰值濃度出現在1 月15 日11 時，達到225 μg/m3。

（2）污染開始階段，成都上空位于高壓脊前，受下沉氣流控制，污染物逐漸聚集，PM2.5持續上升；重污染階段，成都上空位于平直西風帶中，垂直運動弱，污染進一步加強；污染減弱階段，由于北方冷空氣和南支槽東移，成都上空西風加強，有利于污染物的垂直擴散，PM2.5逐漸降低。污染過程整體處于弱天氣系統控制下，小風、靜穩、高濕、多逆溫且無降水的氣象條件，使得污染易持續積累，污染物的區域性輸送和擴散也易受低層大氣局地流場的影響。

（3）污染開始階段和重污染階段，較小的水平風速不利于污染物的擴散，導致污染物持續累積，使得污染加重。由于局地環流的變化，也使得成都西部成為污染先開始、先加重及先緩解的區域。受山谷風環流轉換影響，10 時和20 時成都西部區域形成風場輻合，伴隨氣流下沉運動，形成西部局地污染；隨著午后谷風和上升運動加強，邊界層高度逐漸升高，污染有所緩解和擴散；而夜間下沉運動明顯，邊界層降低，污染加重，同時隨著山風自西向東，污染也自西向東擴散。污染減弱階段，由成都地面風速加大，垂直運動增強，有利于污染物的水平和垂直擴散，讓污染能在短時間內得以緩解。

（4）夜間逆溫強度增加，有利于污染物在夜間堆積，而高空較強逆溫的維持使得污染物濃度在15 日達到最高，高空逆溫與貼地逆溫的雙重加持有利于污染物濃度的不斷增加和較高濃度污染的維持。