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user: 4. 污染事件天气形势特征 4.1. 大气环流背景分析 本次重污染事件与气象条件密切相关，由大气环流背景及污染物浓度变化特征将本次过程细分为四个阶段，图3为本次污染过程四个阶段的环流形势图，第一阶段：2018年12月11日08时至18年12月14日18时，此阶段主要污染物浓度开始上升，并达到轻度污染；第二阶段：2018年12月14日20时至2018年12月16日20时，此阶段空气质量出现两次由中度污染转为优的情况；第三阶段：2018年16日~20日，此阶段为空气污染加重阶段，表现为中度污染和重度污染的交替出现；第四阶段：2018年12月21日至2018年22日，此阶段污染物浓度持续下降，空气质量迅速转为优。以下针对这四个阶段分别进行讨论。 第一阶段，12月11日前受冷空气影响，空气质量良好。12月11日后，500 hPa上，四川盆地上空环流保持持续的平直西风；850 hPa温度场上始终为一暖脊，且有暖平流向四川盆地输送；海平面气压场上，冷高压持续减弱，成都位于地面冷高压前部的均压场中，等压线稀疏，气压梯度小，风速很小，属于小风状态，有利于大气静稳层结的形成和维持，污染物浓度持续上升，空气质量转坏。第二阶段中，500 hPa上，位于贝加尔湖北部的冷涡从西北—东南方向移动，低压槽由75 ˚N延伸至30 ˚N，四川盆地位于低压槽底部。与此同时，位于里海西侧的切断低涡向东移动，在我国新疆北部形成一弱脊，共同引导高纬冷空气南下，四川盆地上空有较强的冷平流。850 hPa上，四川盆地有冷平流输送，温度脊减弱。海平面上，我国青藏高原地区的冷高压加强，并沿西方路径南下，弱冷空气随后入侵到四川盆地内，地面风速短时内加大，有利于污染物的水平扩散，污染物浓度在短时内下降，空气质量由轻度污染转优。第三阶段中，17日至18日500 hPa上，高空冷涡继续向东南方向移动，低压槽也随之移动到125 ˚E附近，四川盆地上空受槽后西北气流控制。19日高空冷涡一分为二，主体部分西退至贝加尔湖西北部，其底部为平直西风带，低压槽随较弱的冷涡入海并逐渐减弱。19日至20日，四川盆地上空转为平直西风控制。在此阶段内，850 hPa上始终有暖平流向四川盆地内部输送，盆地南部的温度脊重新建立。海平面气压场上，地面高压强度也逐渐减弱，四川盆地位于地面冷高压前部的均压场中。这样的高低空环流配置有利于污染物的逐步累积，在20日19时主要污染浓度达到此次污染过程的峰值。第四阶段，21日08时500 hPa上，高空冷涡中横槽开始转竖，20时低压槽底部南压至四川盆地，冷空气迅速南下，等温线密集，温度槽向低纬南压。21日850 hPa上冷锋锋区位于我国新疆地区，22日锋区南压至四川盆地北部。海平面气压场上冷高压迅速增强，其中心气压值达到1052 hPa，并沿西北—东南方向向南移动控制成都地区。低层冷空气沿西方路径入侵，受冷空影响，850 hPa、925 hPa等压面上水平风速加大，彻底改变静稳大气层结，污染物浓度迅速降低，空气质量达到优。至此，历时12天的重污染过程结束。 图3. 2018年12月11日至2018年12月22日成都市重污染过程4个阶段500 hPa天气图和海平面气压场(hPa) 通过以上对大气环流背景的分析可知，在这次历时12天的重污染过程中，受高空冷涡南下影响，并配合地面高压加强南下，共有两次冷空气影响成都地区，第一次由于高空冷涡位置偏东，成都地区受冷空气影响较小，致使污染物浓度下降后又迅速上升是本次重污染过程历时较长的原因。除此之外，在19日500 hPa上，四川盆地上空西侧有短波槽活动，成都位于短波槽槽后；850 hPa上，盆地内风场有气旋式辐合；海平面气压场上，成都西侧高原上为反气旋控制，南部有一气旋。因此，成都正好处在弱的辐合场中。该日，成都地区24小时累计降水2.3 mm，由于降水量偏小，且地面没有冷空气补充，降水过程并没有起到清洁污染物的作用，相反，由于成都上空湿层深厚，造成污染物浓度升高。此次重污染过程中在空气质量恶化加重和污染维持阶段，对应的大气环流为，在500 hPa上，四川盆地维持平直西风或受脊前西北气流控制，垂直上升运动较弱；850 hPa上有温度脊存在，同时有暖平流向盆地内输送；地面图上，成都位于高压前部的均压场中，水平气压梯度力小，出现小风甚至静风。 4.2. 污染气象参数特征 大气环流在一段时间内维持相对稳定，是污染物累积的重要基础，而稳定的大气层结能够抑制对流运动，阻碍空气污染物向高空传输，为空气污染的持续、加重创造了极为有利的条件。混合层高度能够表征污染物在铅直方向上被对流与湍流运动输送所能达到的最大高度。因此，它反映了对污染物垂直扩散的能力，是影响空气污染物的重要气象因子之一 [ 15 ] 。以下，本文将分别论述此次重污染过程的混合层高度特征及逆温层特征。 4.2.1. 混合层高度特征 在空气污染气象学中，计算混合层高度有干绝热作图法、罗氏计算等方法 [ 16 ] 。本文利用温江气象站观测资料，采用罗氏计算方法计算此次成都地区重污染过程中每日08时、11时、14时、17时、20时的混合层高度，并求其平均值代表白天混合层的平均高度。 从图4可以看出，12日至14日，成都市的混合层高度由565 m下降到216 m，AQI由90上升至131；14日至16日混合层高呈现上升趋势，由216 m上升到549 m，AQI下降到最低点80；17日至19日混合层高度逐渐下降，空气质量随之恶化，达到重污染级别；22日混合层高度跃升至本次过程的最大值690 m，AQI下降至最低值57，污染过程结束。在整个重污染过程中，前期混合层的整体高度相对较高，平均高度达到459 m，对应的污染程度较轻；后期混合层高度相对较低，平均高度仅为357.5 m，对应的污染程度也较重。混合层高度越高时，大气的环境容量也相对较大，污染程度也较轻；当混合层高度下降时，大气的环境容量也随之下降，污染程度加重。AQI与混合层高度之间呈现明显的负相关性，其相关系数达到−0.644。 图4. 2018年12月11日至2018年12月22日白天混合层平均高度和日平均AQI 从表1可以看出，污染物监测要素中只有PM 2.5 、PM 10 与混合层高度具有明显的负相关性，相关系数分别达到−0.642和−0.660，并且通过0.05显著性检验。结合图4及表1分析可知，低的混合层高度使大气环境容量减小，抑制了污染物在垂直向上的扩散，造成PM 2.5 、PM 10 浓度累积。据环境监测数据表明，PM 2.5 是此次重污染过程的首要污染物质，这也在一定程度上解释了细颗粒物是此次污染过程的首要污染物质。值得注意的是，臭氧在本次污染过程中与混合层高度呈现明显的正相关性。因此，即使是在空气质量较好的情况下，臭氧的含量也有可能超标，同样也会对人造成危害。所以，相关部门应该加强对于臭氧污染的治理。 Table 1 Correlation coefficient between mixing layer height with various pollution monitoring elements area from 11 December 2018 to 22 December 2018 in Chengd 相关系数 污染监测要素 AQI PM 2.5 PM 10 O 3 CO NO 2 SO 2 R −0.644 * −0.642 * −0.660 * 0.635 * −0.387 −0.463 −0.054 表1. 2018年12月11日至2018年12月22日成都地区混合层高度与各污染监测要素的相关系数 注： * 表示相关系数通过0.05显著性检验。 4.2.2. 逆温层特征 逆温层的出现标志大气层结十分稳定，阻碍污染物垂直扩散，往往使污染更加严重。本文利用怀俄明大学提供的温江站08时和20时两个时次的探空资料，对此次重污染过程中低层大气出现的逆温进行分析讨论。研究发现，本次重污染过程中，低层大气共存在两种类型的逆温层，一种是接地逆温，另一种是距离地面高度在1000 m~3000 的脱地逆温。脱地逆温在整个重污染过程中始终存在，而接地逆温出现的频率为67%。在重污染过程前期，接地逆温与脱地逆温同时出现的频率高达90%，而在重污染过程后期二者同时出现的频率仅为30%。接地逆温的厚度普遍较小，只在12日08时和17日08时其厚度超过100 m，其逆温层厚度分别为147 m、313 m，其余时段内接地逆温层厚度均在100 m以下，其中最小的接地逆温层厚度仅为18 m。 图5. 2018年12月11日至2018年12月22日成都市08时、20时脱地逆温层底高度及AQI变化图 在此次重污染过程中，呈现出前期接地逆温与脱地逆温同时出现的频率远比后期高，但污染实况却是前期污染程度较后期污染程度轻的特点。因此，本文从这一特征出发，研究了脱地逆温层底部高度与AQI之间的关系，二者之间的关系如图5所示。从图5可以看出，11日08时至13日08时，脱地逆温层底部高度由2988 m下降至2563 m，而AQI由52上升138；13日20时至15日16日08时脱地逆温层底部高度在2500 m上下波动，而AQI也在100上下起伏；16日20时至20日20时脱地逆温层底部高度在2000 m左右浮动，在此期间AQI不断攀升，在19日20时，脱地逆温层底部高度跌至2000 m，AQI随之达到峰值；此后，脱地逆温层底部高度攀升至3000 m以上，而AQI急剧下降，空气质量好转，重污染过程结束。AQI与脱地逆温层底部高度具有十分明显的负相关性，二者的相关系数为−0.6。结合图4可以看出，12日至16日期间，脱地逆温层底部高度在2500 m上下浮动，而17日至21日脱地逆温层底部大致位于大气边界层顶部。因此，位于大气边界层以上的脱地逆温不仅会限制混合层的高度，并且其底部越低对混合层的影响越大。脱地逆温层通过限制混合层的高度，来影响污染物在垂直方向上散布空间的大小。当脱地逆温层底部高度越低时，污染物向上扩散的空间就越小，空气污染就越严重；当脱地逆温层底部高度越高时，污染物向上扩散的空间增大，空气污染程度就越小。因此，脱地逆温层底部高度是影响污染物浓度变化的重要因素之一，这与杜荣光等 [ 17 ] 研究发现污染物浓度与逆温层底部高度呈负相关的结论一致。 综上可知，脱地逆温层底部高度限制了混合层高度，使大气环境容量减小，有利于污染物浓度累积。因此，虽然污染过程前期接地逆温和脱地逆温同时出现的频率较高，但是由于脱地逆温层底部高度相较于污染过程后期高，造成的空气污染程度并没有后期严重。因此，脱地逆温层底部高度是影响此次污染过程的重要污染气象因子。 4.3. 影响污染物扩散的气象条件 4.3.1. 水平风 风是污染物在水平方向上扩散的最直接动力，污染物浓度与风的大小具有明显的负相关性 [ 18 ] 。成都地区的平均海拔在540 m，而850 hPa、925 hPa等压面距海平面的高度分别在1500 m和850 m左右，并且在地面上成都地区多出现小风、静风状态，甚至在污染物快速扩散阶段最大平均风速也不超过3 m∙s −1 。因此，本文选取850 hPa和925 hPa两等压面上的水平风速来分析此次重污染过程中水平风对污染物扩散所起的作用。 图6中黑色实线表示850 hPa等压面上水平风速变化趋势；蓝色实线表示925 hPa等压面上水平风速变化趋势；红色实线代表AQI的变化趋势。从图6可以看出，AQI与风速具有明显的正相关性，这是因为污染物浓度对风速的反应具有滞后效应，即当水平风速增大(减小)时，污染物的浓度并不能立即做出反应，而是在一段时间后污染物的浓度才下降(升高)。在11日08时至12日08时，850 hPa风速由8 m∙s −1 减小到2 m∙s −1 ，此后一直到14日20时，850 hPa和925 hPa等压面上风速均维持静风状态，不利于污染物的扩散，因此在此期间污染物的浓度不断升高。15日至17日，在此期间风速有三次增大、减小的过程，分别对应污染物浓度有三次下降、上升过程。其中在15至16日有两次风速增大过程使空气质量好转，并达到良。18日20时风速减小到2 m∙s −1 ，此后维持到20日20时，污染物浓度不断攀升，并在20日20时左右达到峰值。20日20时至22日20时，850 hPa和925 hPa水平风速增大，850 hPa上最大风速达到10 m∙s −1 ，925 hPa上风速始终维持在6 m∙s −1 。在此期间，由于两等压面上水平风速长时间维持在较大值，风力在水平方向上对污染物的输送明显，污染物浓度不断下降，空气质量好转，至此重污染过程结束。 通过以上分析可知，当水平风速增大时，污染物浓度随后会下降；当水平风速减小时，随后污染物的浓度会升高。虽然短时间内水平风速的增大能够在一定程度上减轻污染，但是污染物浓度随后又会发生反弹，并不能彻底使空气质量好转。因此，850 hPa、925 hPa等压面上水平风速对污染物的累积和清洁效果较为显著。 图6. 2018年12月11日至2018年12月22日成都市850 hPa、925 hPa等压面上08时、20时水平风速及AQI变化图 4.3.2. 温度平流 大尺度环流是大气污染物累积的气象背景条件，而低层大气的层结稳定度同样是污染物累积的重要影响因素。稳定的大气层结条件使污染物不易向上扩散，造成污染物浓度增大，但是当低空存在一定的冷平流时会打破稳定的大气层结，从而有利于污染物在垂直方向扩散。 图7. 2018年12月11日至2018年12月22日成都地区平均温度平流 单位(10 −4 K∙s −1 ) 本文利用每日4次的NCEP (2.5˚ × 2.5˚)再分析资料，通过计算成都区域的温度平流平均值随时间变化(图7)，来研究此次重污染过程低空温度平流与空气质量的关系。从图7可以看出，11日至13日近地面冷平流在减弱，且冷平流与暖平流交替出现，脱地逆温层底部高度下降，在13日08时降至最低值2100 m，AQI由50上升至150；14日20时至16日08日，受高空极涡后部偏北气流引导冷空气南下导致地面高压加强影响，成都地区低空出现较强的接地逆温。在此期间脱地逆温层底部高度升高，并维持在2600 m左右，AQI呈现下降趋势，其中分别在15日17时、16日08时空气质量好转，空气质量界别达到良。虽然低层较强的冷平流在一定程度上改变了逆温层，脱地逆温层底升高，进而使混合层高度上升，扩大了大气环境容量并导致污染物浓度下降，但是15日08时后高空并没有强冷平流进行补充，冷平流持续短，低空迅速变暖，污染物浓度又迅速反弹。17日至18日成都地区高空受偏西或西北气流控制，低空以暖平流为主，脱地逆温层底部高度降低，期间均维持在1600 m，AQI也持续上升。19日成都受高空短波槽影响，受高空冷平流影响，08时有接地逆温出现，脱地逆温层底部高度出现小幅上升，但20时低空转为暖平流，脱地逆温层底部高度又下降至1100 m，在此期间AQI并未出现大幅下降的情况，反而有所上升。这说明，如果仅受高空系统的影响，而没有地面系统相配合，对污染物清洁作用较弱。21日至22日，受高空极涡逆时针旋转，引导冷空气南下，并配合地面高压系统冷空气从西方路径入侵我国影响，成都高、低空均有冷平流出现，脱地逆温层底部高度迅速上升至3200 m以上的高度，同时配合850 hPa等压面高度以下风速增大，污染物浓度迅速下降，重污染过程结束。