珠三角地区典型城市重污染天气案例分析

李庆旭 朱 娟 吴 锋 李 锟

(1.中国生态文明研究与促进会，北京 100035；2.深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司，深圳 518000；3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)



珠三角地区典型城市重污染天气案例分析

李庆旭1，3朱 娟2吴 锋2李 锟2

(1.中国生态文明研究与促进会，北京 100035；2.深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司，深圳 518000；3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

本文利用天气后报网站的2014年空气质量指数资料、香港科技大学网站的气象要素资料以及利用HYSPLIT-WEB模式，对广州、肇庆、珠海 3个典型城市两次重污染天气过程和一次清洁过程进行对比分析，探讨了空气污染与气象要素的关系，结果表明：空气污染与气象条件有着密切的关系：1月的重污染天气过程主要由大陆冷高压变性出海引起，7月的污染过程主要受台风外围下沉气流影响；与清洁过程的气象条件相比，污染过程风速小，且存在逆温，不利于污染物的输送和扩散。后向轨迹的分析进一步证明了珠三角城市间空气污染的相互影响，下风向的珠海受污染情况相比广州、肇庆有一定的延迟。

珠江三角洲；空气质量指数；污染过程；清洁过程；气象条件

1 引 言

珠江三角洲是我国三大城市群之一，随着工业化、城市化以及交通运输现代化的迅速发展，区域性、复合型空气污染特征日益突出，空气质量形势不容乐观。空气质量主要取决于污染源排放和气象条件，在污染源排放相对稳定的条件下，气象条件对空气质量变化则起主导作用[1-2]。而气象条件影响的范围往往是区域性的，珠三角城市间距离较近，城市空气污染物之间相互影响，造成区域性污染。气象条件受地理位置、季节、大尺度天气背景与层结稳定度控制，主要包括天气形势和各种气象要素(如风速、风向、温度、湿度等)[3-4]。罗森波等[3]通过分析2002—2004年广州市典型的空气污染过程，得出了不同季节大气污染与气象条件的关系。周亚军等[5]研究发现空气污染指数特征与地面气压型有密切关系。张人文等[6]利用2006—2008年珠三角风场资料与区域空气质量指数数据发现区域污染输送对珠江三角洲空气质量有重要影响，且区域平均风速大小与空气污染程度有密切关系。Wu等[7]研究得出2003年11月2日的极度低能见度事件，是由台风外围下沉气流的影响下带来近地面低风速，低边界层高度所引起。

近年来，已有许多学者分析研究了珠三角城市间空气污染相互影响的特征。符春等[8]通过对2001年冬季珠三角城市群典型空气污染过程分析，指出珠三角城市群处于同一天气系统影响下，日空气污染变化具有很强的同步性，且因地理位置和经济条件不同而各有特点。王淑兰等[9]利用CALPUFF分析2002年的空气污染情况，指出珠三角城市间空气污染相互贡献作用显着，其中广州是最典型的与周边发生显着相互作用的城市之一。李婕等[10]通过对2002-2011年的空气污染指数资料进行统计分析发现位于珠三角中部的广佛地区对东、南部的深圳和珠海空气质量产生影响。

目前对于单个城市空气污染时空分布特征分析也有不少研究[11-12]，还有对不同城市之间的空气污染对比分析[13-14]。但这些研究大多是针对经济水平较高的城市，对二线城市的研究较少。为此，本文以广州为背景，选取2014年为基准年，分析珠三角城市典型重污染天气案例，通过HYSPLIT模式分析探究城市间的相互影响效应，阐述气象因素对空气质量的影响，探讨污染天气形成机理，为今后出现污染天气的气象条件分析及预报预警业务开展提供科学依据。

2 数据与方法

2.1 研究区域

珠江三角洲地区以香港、广州、澳门为中心，深圳、佛山、珠海为副中心，包括东莞、惠州、肇庆、中山、江门，共11个城市。广州位于珠江三角洲北缘，是主要的经济文化中心；肇庆位于珠三角西部，是风景旅游城市和宜居城市；珠海市位于珠三角西南部，是工农业结合的出口商品基地，是旅游胜地。

本文选取广州、肇庆、珠海三个城市进行污染过程和清洁过程的对比分析，探究气象因素与空气污染的关系。据2014年广州市气候公报[15]显示，1月2日至8日是典型的灰霾过程，2月5日-10日是明显的清洁空气过程，7月22-23日广州出现轻度污染情况，因此本文选取这三个过程度气象条件作详细分析。

2.2 数据来源

本文收集了2014年1月、2月及7月珠三角地区广州、肇庆、珠海的逐日空气质量指数，来源于天气后报网站；2014年1月1日-9日典型灰霾过程、7月22日-23日轻度污染过程以及2月5日-10日清洁过程的气象要素资料，其中包括天气形势图、风向风速变化图、探空图(清远站)，来源于香港科技大学网站；最后，尝试运用HYSPIT-WEB模式作分析，进一步阐述城市间空气污染的相互影响效应。

2.3 研究方法

2.3.1 环境空气质量指数(AQI)

环境空气质量指数(Air Quality Index，简称AQI)是描述城市空气质量状况的无量纲指数，可分级表征空气污染程度和空气质量状况(表1)，AQI值越大表明综合污染程度越重，本文中定义AQI大于100为污染日。

表1 空气质量分级标准

注：空气质量等级根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)规定划分。

2.3.2 HYSPLIT模式

HYSPLIT，即拉格朗日混合单粒子轨道模型，用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型，已被广泛地应用于多种污染物在各个地区的传输和扩散的研究。文中采用该模式对广州(23.08N，113.14E)、肇庆(23.03N，112.27E)以及珠海(22.17N，113.34E)三个点2014年1月5日20时(北京时间)和6日20时(北京时间)24小时的后向轨迹对污染源进行分析。

3 重污染天气典型案例

3.1 大陆冷高压引起的重污染天气

2014年，广州年灰霾日数平均36.8天，为2000年以来最少，但也出现几次比较严重的灰霾天气，主要是在1月份[16]。2014年1月2—7日广州出现持续性灰霾天气，AQI持续超过100，市气象台以及区气象台从3日起陆续发布灰霾黄色预警，广州市启动空气重污染二级应急响应。与其同时，肇庆、珠海也出现污染天气，其中肇庆持续8天AQI超过150，珠海2-6日AQI超过100。2014年6日前后出现最高值，当日3-7时，广州测得能见度不到2公里，AQI高达206，然后逐渐下降，9日AQI恢复到良。下文将给出2014年1月1日-9日珠三角出现的重污染天气污染过程的变化特征以及原因分析，主要从天气形势、水平风场特征、垂直风场以及逆温层分析和后向轨迹分析四方面展开。

3.1.1 污染过程特征分析

3.1.1.1 AQI指数变化特征

珠三角城市群之间的距离最远达二百多公里，部分城市地处海滨，气候条件有所区别，但重污染的出现有较强的一致性。

由图1的1日-9日各城市AQI变化可知，广州、肇庆、珠海AQI指数出现峰值和谷值的时间基本一致，起伏变化也大致相同；广州、肇庆1月3日出现第一个极值点，珠海则在1月4-5日，之后逐渐下降；1月6日，广州、肇庆迎来第二个极值点，也是最高点，AQI超过200，污染情况严重；珠海则继续保持下降趋势，1月7-8日，广州、肇庆逐渐下降，到1月9日，三个城市AOI均低于100。但珠海1月8日呈现了较为明显的回升趋势，在8日出现了第二个极值点。由此可得，广州与肇庆污染同步性较强，珠海有一定的延迟性，这与珠海所处地理位置以及盛行风向有关，下文将会有进一步论述。

图1 2014年1月1-9日广州、肇庆、珠海典型污染过程变化

3.1.1.2 污染过程主要污染物特征

广州、肇庆和珠海三个城市的空气污染变化具有较强的同步性，各个城市的首要污染物变化也有一定的规律性。

由广州、肇庆、珠海2014年1月1-9日主要污染物监测数据可知：三个城市的首要污染物均为可吸入颗粒物(PM10)；SO2与NO2变化趋势不明显，可见其对此次污染过程的影响最小；首要污染物浓度的变化趋势与AOI变化趋势一致，1月1日开始上升到1月3日前后达到次高点，此时广州和肇庆4-5日有所缓解，6日继续上升至最高点，7日开始逐渐下降，到9日前后均下降至正常浓度范围；珠海4-5日上升至最高点后开始逐渐下降，7-8日受冷空气过境影响有所回升后又迅速下降。

3.1.2 污染过程原因分析

3.1.2.1 天气形势

珠三角城市重污染天气的同步出现及变化趋势的一致性表明此时气象条件的影响超过了污染源的影响。文中主要通过分析广州地区的气象条件来探究污染天气过程和原因。

1月份广州冷空气频繁，1月1-2日，弱冷空气南下，广州受冷高压控制，并逐日减弱，风速小不利于污染物扩散，1月3日广州、肇庆均出现了第一个高值，4日冷空气前锋到达南岭附近，广州、肇庆的雾霾天气都有所缓解，而珠海1月4日却迎来了第一个高值。 1月5日有所缓解后6日达到AQI最高点，污染最为严重，珠三角地区此次污染过程主要是大陆冷高压北抬变性出海的引起的。

从2014年1月5日-6日14时和20时的地面天气图(图2)。可以发现，1月5日原本在江淮地区的冷高压中心北抬至东北地区，并逐渐向东移，1月6日白天，冷高压变性出海，20时位于日本海地区。随着冷高压中心位置的改变，气压场也发生变化，珠三角地区在6日形成均压场，近地层东至东南风，风速较小，不利于污染的扩散，因此，广州、肇庆的灰霾天气表现显着，甚至达到重度污染状况，AQI超过200。

图2 2014年1月5日-6日地面天气图

进一步分析图3可得，1月7日，地面冷高脊继续减弱，珠三角地区处于(准)均压场中，地面以静风或弱风为主，无持续风向，有利于灰霾天气的维持，广州、肇庆AQI有所下降但仍为中度污染状况；珠海6-7日空气质量状况与广州肇庆有所不同，5日AQI已开始逐渐下降，6-7日下降趋势明显，AQI指数小于100；1月8日，随着一股新的中等偏强冷空气南下，低层北风增大，并伴有分散小雨，广州、肇庆的灰霾过程基本结束，空气质量才有了较明显改善。而珠海8日AOI却出现小回升，8日上升至92，随后又迅速下降，对珠海空气污染有一定影响。

3.1.2.2 水平风场分析

图4给出了1月1日-9日广州逐时的风向风速，连续几天广州地区风速不大，无明显持续风向。

图3 2014年1月8日14时地面天气图

进一步分析可看出，1-7日的空气污染过程与风速密切相关。1月1-3日广州地区风速均小于3m/s，即主要为微风或静风，无明显持续风向，3日夜间才出现明显的偏北风，风速小不利于污染物的输送与稀释，使得污染物容易堆积，造成污染物浓度逐步上升，其中广州、肇庆在3日达到第一个极值点，珠海在4日达到第一个极值点；结论与文献大体一致。4-5日风速增大，且主要为偏北风，结合AQI曲线，此时三个城市AQI浓度都有所下降，空气质量有所改善。但是6日，风速又下降至2m/s左右，污染物再次积累，使得污染加剧，广州AQI浓度高达205，由于地面主要变现为偏东风，处于广州西部的肇庆空气质量甚至出现重度污染，AQI浓度高达262，相反，处于广州北部的珠海6日空气污染并没有加重。8日出现较强的偏北风，有利于污染物的迅速扩散，广州、肇庆的AQI浓度明显下降，空气质量逐渐改善，而珠海在8日AQI浓度有明显的小回升后于9日开始迅速下降，这是由于珠海处于下风向，强北风稀释广肇地区污染物时，把污染物带到珠海，但由于北风较强，污染物停留时间较短，因此并未给珠海带来过多影响。

3.1.2.3 垂直风场及逆温层分析

逆温的存在对污染物的扩散起到阻挡作用，对灰霾的形成有利[25]。广州没有探空站，因此选择了距离较近的清远探空站作分析，1月6日是污染最为严重，而污染在9日已完全清除。参见香港科技大学网站1月6日08时和9日08时的探空图。由图可见，6日08时1000hPa到900hPa存在一个逆温层，污染过程结束后的6月9日，低层温度层结线跟6日不同，不存在逆温。由此分析可见，低层的逆温对污染过程的产生起到了重要作用。而且，逆温也有明显的日变化特征，6日20时的温度对数压力图上逆温已经消失(图略)，但7日08时仍存在小逆温层。

图4 2014年1月1日-9日广州地区逐时风向、风速变化

进一步分析图5右侧的垂直风场特征，可看出，高层500hPA以上，污染日与非污染日高空风没有明显差别。但是500hPa以下中低层风速大小有一定的差异，5-7日08时的风速明显小于9日08时的风速，并且在污染过程中(5-7日)，中低层出现明显的偏南风，污染结束后的9日中低层均为较强的偏北风，珠三角冬季盛行偏北风，污染过程中出现的偏南风与偏北风对峙，并且由于风速小，仅压制了污染物的扩散，有利于污染物在珠三角地区的积累。由此分析可得，中低层的风向风速变化也是污染过程产生的重要因素。

图5 HYSPLIT气流后向轨迹

3.1.2.4 后向轨迹分析

利用HYSPIT-WEB模式分析广州(23.08N，113.14E)、肇庆(23.03N，112.27E)以及珠海(22.17N，113.34E)三个点2014年1月5日20时(北京时间)和6日20时(北京时间)24小时的后向轨迹。

由图5可见，1月5日20时肇庆200m和500m的24小时后向轨迹主要经过东莞、中山、鹤山等地，广州的后向轨迹主要经过潮汕地区、香港、中山等地，各地的污染物排放会随着气流输送至该地区，形成珠三角区域间空气污染。珠海三个高度(200m、500m及1000m)的24小时后向轨迹主要经过海上，污染相对较轻。1月6日20时三个城市的200m和500m高度的后向轨迹都主要经过海上，在海上几乎没有污染物的排放，而6日广州、肇庆却是污染最为严重的一天，原因解释为：气流只在珠三角区域内部相互输送污染物，但是来自海上的气流表现为暖湿状态，使得珠三角地区增温增湿，从而使珠三角地区逆温增强，形成二次污染，因此污染加重。此外，广州、肇庆的后向轨迹有经过珠海，加之珠海当天污染有所减轻，与气流经过珠海把珠海的污染物带到广州、肇庆有一定的关系。

3.1.3 小结

此次典型灰霾过程，广州和肇庆表现出极为显着的同步性，重污染过程的影响下，珠海也显示出较强的一致性。1月5日珠海空气质量指数开始逐渐下降，没有在1月6日达到最高值，与广州、肇庆相反；接着，7日下降至最低点后8日出现迅速的小回升，9日再次下降至良好的空气质量状况。这可能是由于广州、肇庆城市的纬度相差不大，城市间距离较近，区域性污染特征明显，而珠海处于珠三角西南部，受冷高压影响较少；也与上文风场分析的5-6日中低层出现偏南风有关，偏南风把珠海的污染物输送至北部地区。

珠江三角洲地区冬半年主导风向为东北风、夏半年主导风向为东南风，下游地区易受上游和中部地区污染物输送影响[6]。进一步分析，珠海1月3日空气质量指数骤增，增加幅度大于广州和肇庆，且极值点出现的时间较广州肇庆晚一些，与冬季珠三角地区主要为偏北风有关，珠海处于下风向，广州和肇庆在偏北风作用下影响珠海，导致空气质量骤降，也明显体现出区域性污染特性。再者，珠海1月8日空气质量指数也有明显增加，可以解释为：8日强冷空气南下，北风增强，有利于广州、肇庆的污染物扩散、稀释，污染物随北风扩散至处于下风向的珠海，并且由于风速大，对珠海的影响持续时间短，因此出现小回升后AQI又逐渐下降，没有造成显着污染状况。与前人所做的相关研究一致，冬季，在西北风的作用下，内陆污染较为严重的空气被带进珠海辖区内，造成市内冬季空气质量相对较差。由此，造成珠海市典型的大气污染季节变化特征和区域性特征[22]。

3.2 台风引起的污染天气

珠三角地区夏季空气质量总体最优，但也会出现污染现象。7月广州AQI指数曲线中出现小波动，分析天气后报网站公布的AOI数据发现，7月22日-23日广州出现轻度污染情况，肇庆以及珠海空气质量良好。因此，选取7月22日-23日出现污染天气过程做出分析。

3.2.1 污染过程原因分析

3.2.1.1 天气形势

从7月22日-23日14时(北京时间)的地面天气图(图6)可见，东北部海面上的台风麦德姆逐步向台湾地区移动，7月22日到达台湾东部海面，23日在台湾东部沿海地区登陆。受台风外围下沉气流影响，广州出现轻度污染情况，24日台风继续向西北方向移动，离开广东地区，广州空气质量回转，达到良好。肇庆和珠海处于珠三角西部，受台风影响小，并且本地污染排放较小，因此没有出现轻度污染情况。

图6 7月22日-23日地面天气图

3.2.1.2 水平风场分析

由2014年7月20日—25日广州的风向风速分布图(图7)。可知，7月21日广州地区主要为西南风，这与夏季珠三角地区盛行西南季风的大背景一致。7月22日开始出现明显的东北风，且风速不大，基本小于2m/s，有利于污染物聚积，此时广州地区开始出现轻度污染情况。23日偏东风转为偏北风和西南风，风速有所增大但总体仍然小于3m/s，不利于污染物的迅速扩散，广州继续处于轻度污染情况。7月24日表现为明显的西南风，风速增大，污染情况得到很好的清除，空气质量转为良好。

3.2.1.3 垂直风场及逆温层分析

根据香港科技大学网站上2014年7月22日08时清远站的探空图可知，7月22日900hPa以下出现明显的下沉逆温，不利于污染物的扩散，垂直风场上，近地层表现为明显的北风，下沉气流明显，有利于污染物的聚积。23日逆温层继续保持，污染情况维持，24日温度曲线近乎垂直，逆温消失，空气质量得以改善(图略)。

3.2.2 小结

风向风速变化图与气压场相匹配，22日台风麦德姆移至台湾东部海面，台风外围环流影响下，广州地区近地层出现东北风，且风速较小，而夏季珠三角地区盛行东南季风，东北风与东南风的对峙，加之外围下沉气流的影响，不利于污染物的扩散和输送，因此广州地区出现轻度污染情况，而肇庆、珠海处于珠三角西部，受台风影响程度较小，因此空气质量良好。

图7 2014年7月20日-25日广州地区逐时风向、风速变化

4 有利天气形势分析

4.1 空气质量概况

2014年1月广州空气质量较差，污染天数达21天；2月，空气质量开始转好，2月5日-10日，广州出现了难得的连续优质空气，其中2月9日AQI指数仅为13，同时，肇庆、珠海在此时间段内整体呈现优良状态。下文主要分析此次清洁过程的气象要素变化，与上文1月份典型污染过程做对比分析，重点分析2月9日-10日气象条件(三个城市空气质量同为最优)。

4.2 清洁过程原因分析

4.2.1 天气形势

由2014年2月08日08时和20时的地面天气(图8)可见，8日08时，珠三角地区有强冷空气迅速南下，横扫珠三角地区，给珠三角地区带来较为强劲的偏北风，污染物得到很好的清除作用。随后天气形势良好，主要受冷锋过境后的影响，9日，广西、湖南地区有槽线，珠三角地区主要为东北风，空气质量较为良好。

对比上文污染过程可得，在冬季，珠三角地区变性脊的影响下产生污染过程，冷高压东移出海在珠三角形成均压场，有利于污染物的累积，加剧空气污染；而清洁过程中，冷锋过境带来的强劲北风有利于清除污染物，带来较为优质的空气质量。

图8 2014年2月8日地面天气图

4.2.2 水平风场

由广州2014年2月5日至2月11日的风向风速变化图(图9)可知，这段时间风速总体大于3m/s，5日-7日主要为偏东风，此时，广州、珠海空气质量表现为优质天气，肇庆为良好天气，这与肇庆处于广州东部有一定的联系，偏东风清除污染物的作用在广州表现较为明显；7日夜间，风速迅速增大，变现为显着的偏北风，8日-9日风速逐渐变小，但整体保持在3m/s左右，9日午后，风速再次增大。广州、肇庆、珠海7日开始均表现为优质天气。9日，同为优质天气，广州、肇庆的AQI浓度均小于20，而珠海此时为31，在一定程度上是由于北风的作用，珠海处于下风向，因此空气质量相比广州、肇庆要差些。

与上文污染过程对比分析可得，清洁过程近地面水平风速较污染过程大，且持续风向明显，主要以偏北风为主，与冬季风盛行风向一致，有利于污染物的清除、稀释与扩散。

图9 2014年2月5日-11日广州地区逐时风向、风速变化

4.2.3 垂直风场及逆温层分析

从2014年2月09日08时(北京时间)的探空图(清远站)可看出，900hPa以下温度层结曲线近似垂直，不存在逆温，但是逆温存在于800～900hPa之间，在观察右侧的垂直风廓线，高层为强劲的西风，中低层主要为较大的东北风，800～900hPa之间的逆温层表现为较强劲的偏南风，由此可见，逆温层的存在与垂直风向有密切关系。

与上文污染过程的对比分析可知，污染过程中低层存在逆温，清洁过程没有逆温，即使有逆温层也是存在与900hPa以上的高层，中低层的逆温存在不利于污染物的扩散；在主要以东北风(冬季风)为主的冬季，污染过程中低层表现为相反的偏南风，且风速较小，有利于污染物的累积；而清洁过程为明显的东北风，且风速较大，有利于增强污染物的扩散。

5 总结与讨论

(1)天气形势对空气污染有重要影响。2014年1月1日-9日的典型空气污染主要由大陆冷高压变性出海引起；7月22日-23日轻度污染过程主要受台湾东部海面台风外围下沉气流影响。

(2)气象要素与空气质量指数变化密切相关：水平风场上，空气质量指数高对应风速小；垂直风场上，中低层的风向风速变化也是污染过程产生的重要因素；逆温的存在对污染物的扩散起到阻挡作用。

(3)后向轨迹分析可见，各个城市间距离较小，常处于同一大气扩散条件下，空气污染物随大气输送，城市间污染相互影响作用明显；冬季在偏北风的作用下，处于下风向的珠海空气污染受上风向的广州、肇庆的污染物输送影响。因此，要改善珠三角地区的空气污染状况，有必要充分考虑大气输送规律，做好区域性污染治理规划。

(4)清洁过程与污染过程对比分析得，清洁过程天气形势良好，风速较大，主要为明显偏北风，中低层不存在逆温，有利于污染物的稀释、清除和扩散，因此空气质量优良。

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Analyses of Heavy Air Pollution Processes in Typical Cities of Pearl River Delta

LI Qingxu1，3ZHU Juan2WU Feng2LI Kun2

(1.Chinese Ecological Civilization Research and Promotion Association，Beijing，100035，China；2.IER Environmental Protection Engineering Technology Co.Itd.，Shenzhen 518000，China；3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，CAS，Beijing 100101，China)

Based on the air quality index(AQI) data from the tianqihoubao website and the meteorological parameters data from the HKUST website as well as HYSPLIT-WEB model utilization，the typical Air pollution processes and cleaning process in 2014 were compared to describe the relationship of air pollution and meteorological factors. The results showed that there was a strong synchronization in typical air pollution process in the three cities，a little delay in Zhuhai however. Moreover，the dominant pollutant changed as Air Quality Index (AQI). Air pollution was closely connected with weather process：the typical pollution processes were caused by Continental anticyclone which changed and removed to ocean in January and by the peripheral subsidence airflow of typhoon systems in July.Compared with the cleaning process，the speed of surface layer in haze process was smaller and there occurred Inversion，which were against the transportation and dispersion of pollutants. The interaction effect of air pollution of cities in PRD was further confirmed by HYSPLIT model，which also showed there was a delay in Zhuhai due to the location in downwind direction.

the Pearl River Delta；Air Quality Index (AQI)；air pollution process；cleaning process；meteorological factors

李庆旭，在读博士，主要从事生态系统服务与区域关联方面研究

吴锋，助理研究员，主要从事自然生态环境保护、环境管理和生态规划方面研究

X82

A

1673-288X(2016)06-0174-08

引用文献格式：李庆旭 等.珠三角地区典型城市重污染天气案例分析[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：174-181.