珠三角干季海陆风特征及其对空气质量影响的观测

吴 蒙,罗 云,吴 兑,范绍佳(1.中山大学大气科学学院,广东 广州 510275；2.佛山市气象局,广东 佛山 528000；3.佛山市龙卷风研究中心,广东 佛山 528000；4.暨南大学大气环境安全与污染控制研究所,广东 广州 510632)

珠三角干季海陆风特征及其对空气质量影响的观测

吴 蒙1,2,3,罗 云2,3,吴 兑1,4*,范绍佳1*(1.中山大学大气科学学院,广东 广州 510275；2.佛山市气象局,广东 佛山 528000；3.佛山市龙卷风研究中心,广东 佛山 528000；4.暨南大学大气环境安全与污染控制研究所,广东 广州 510632)

通过2004年10月在珠江三角洲(以下简称“珠三角”)开展大气边界层观测试验得到的垂直风温资料和逐时P M2.5浓度资料,利用局地环流指数(RF)等方法研究了珠三角海陆风特征及其对空气质量的影响.结果表明：局地环流指数是表征局地大气输送能力的有效指标;冷暖气团对峙导致珠三角污染日背景风场较弱,沿海海陆风活动活跃,空气质量指数与 RF系数相关性颇高,珠三角沿海 100～400m处RF系数值主要分布在0.5～0.8之间;在海陆风影响下低层风场的有效输送能力较弱,不利于污染物的输送扩散.而随着冷空气全面控制珠三角,垂直风场RF系数值高达0.9以上,海陆风难以发展,风场输送能力强,能够持续的将污染物输送出去.观测发现沿海观测点试验期间海陆风发生频率约为 47.8%,其中 72.7%的海陆风日出现了污染天气,海陆风日地面风向呈现出明显的随时间顺时针偏转特征,海风约从16：00时开始出现,并在20：00达到最大影响高度约为600～800m.夜间海风将污染物输送回内陆观测点,导致内陆PM2.5浓度在19：00～21：00时出现浓度峰值,呈现出明显的双峰结构.

海陆风；局地回流指数；空气质量；珠三角

海陆风是由于一日内海陆非绝热加热不均匀造成的局地次级环流,是一种典型地形诱发的中尺度现象,是沿海地区大气边界层研究的重要内容[1].海陆风环流与大气环境的污染密切相关,对大气中污染物的稀释扩散行为有重要的意义,因此沿海地区海陆风环流及其对大气扩散的影响一直是国内外污染气象学家关注的重要领域

[2-3].国内外很多研究表明在沿海地区海陆风对空气质量有着重要的影响,特别是夜间向岸的海风会直接影响污染物的输送,进而导致内陆地区空气质量的恶化[4-5].美国和欧洲的一些研究基于大量观测试验证实海陆风会导致陆地大气边界层结构发生改变,尤其是夜间海风深入内陆使得贴地逆温强度减弱,不利于稳定边界层的发展[6-9].Bridget等[10]观测发现夜间海风深入内陆形成热内边界层,并且伴随着较弱的风速,大气扩散能力被减弱.Luria等[11]研究表明向岸的海风会将沿海地区排放的污染物输送到内陆地区,其他地区的观测研究也确认了这一现象[12-14].在我国关于海陆风的研究也开展的较多,在环渤海地区的研究表明海陆风活动颇为显著造成了污染物交叉输送[15-16].珠江三角洲地区(珠三角地区)关于海陆风的研究主要采用的是地面常规观测资料和数值模式模拟方法[17-18],张立凤等[19]统计表明海陆风是珠江口常见的天气现象,尤其是冬季频率较高,而且珠江口东岸海风强度要大于西岸,陈训来等[20]利用数值发现在海风维持的情况下,海风与离岸型背景风方向相反,造成海风较小,致使整个珠江三角洲地区空气质量较差[21-23].随着城市的快速发展,热岛效应也对海陆风产生较大的影响,研究表明热岛效应会导致海风强度增大,陆风出现时间更晚[24-26].热岛环流与海陆风环流的交汇,会导致出现气流辐合,风速减弱,不利于污染物的扩散[27].

珠三角地区是我国三大城市群之一,正处于城市化、工业化快速发展时期,是我国经济发展快、经济总量大、综合实力强的地区之一.由于区域资源和能源消耗量过大,多种大气污染物高强度集中排放,大气环境问题突出.空气质量恶化所引起的大气环境问题对广大人民群众的生产、生活活动造成极大的危害,珠三角多数城市所面临的大气污染形势非常严峻.现有研究多利用地面观测资料探讨了地面风场对污染物输送的影响,受数据资料所限难以从垂直方向上分析与空气质量有关的海陆风局地环流特征,特别是结合垂直风温特征的研究,因此针对珠三角海陆风对空气质量的影响方面还是有很多工作需要进一步去做的.本研究主要从两个方面开展工作：从实际探空的角度分析珠三角海陆风的特征和海陆风对空气质量的影响,海陆风影响下的污染机理,为后续研究提供参考.

1 资料与方法

1.1 资料

本研究主要采用的是2004年10月珠三角干季观测试验(PRIDE-PRD2004)得到的垂直探空数据(图1),该实验主要目的是研究珠三角南北向大气边界层风温结构,其中新垦站(Xinken)是沿海观测点,而番禺站(Panyu)是内陆观测点.地面温度资料采用的观测试验期间安装在新垦观测点的自动气象站采集到的逐时温度数据,以及广州地面气象站(站号：59287)观测得到的逐时温度数据.空气质量数据除了相应的API数据之外,还采用了 PRIDE-PRD2004期间新垦和番禺同步观测得到的逐时 PM2.5浓度资料,研究中将API＞100的一天作为一个污染日.

图1 2004年10月边界层观测试验观测点分布Fig.1 Theobservation stations of the ABL campaign during Oct 2004

珠三角地区机场众多,空域繁忙,航线覆盖

面积广,航空管制非常严格,为了保证基本的航空安全需求,边界层野外观测试验采用双经纬仪基线小球测风和低空探空.实际观测发现,双经纬仪基线小球测风和低空探空操作便捷,稳定可靠,抗干扰性好,所采集到的数据质量和精度能够满足研究需要,是一种适合珠三角大气边界层观测的探测手段.边界层观测试验所使用的探空仪为北京大学地球物理系工厂生产的温度单要素探空仪,经纬仪和探空仪在出厂前都经过了严格的标定,在观测时,探空气球升速约为 100m/min,测风读数间隔为 30s,温度探空数据采集间隔为5s.

1.2 方法

局地回流指数RF系数(Recirculation factor)是 Allwine等[28]提出的用来反映风场的运动特征,特别是用来描述风场的通风能力、停滞气流和潜在回流特征的无量纲指数,其认为局地回流是指污染物起初被风场输送出去,但是在随后时刻又被输送回来的现象(图 2(a)),因此在受海陆风影响区域有着较好的应用.如图2(b)所示,在某一段时间内,风场可能累积运动距离为 l,但是其实际有效运动距离仅为h,因此可以得到R系数为h与l之比,用以表征风场的有效输送能力,其计算公式如下：

式中：i为相应的数据时刻;is为起始时刻;ie为终止时刻; 为平均数据时间间隔;ui为水平风速的南北分量;vi为水平风速的东西分量.实际应用中,当RF接近1时,代表的是平直稳定的输送;当RF接近0时,代表着几乎没有有效输送(图2(c)).

图2 局地回流指数计算示意Fig.2 The diagrammatic sketch of calculatingrecirculation factor

2 结果分析

2.1 观测试验期间天气概况

图3 2004年10月观测试验期间广州站逐时温度和风速Fig.3 The hourly temperature and wind speed during the observations of October 2004 in Guangzhou station

PRIDE-PRD2004试验期间,珠三角共经历多次弱冷空气过程(图 3(a)),尤其是在冷气团影响前的回暖期时,冷暖气团的交汇导致珠三角地面风速显著减弱(图 3(b)),较弱的地面风场会形成气流停滞区,不利于污染物的输送扩散,进而促使了空气质量的恶化.而且在冷气团影响期间,珠三角受大陆冷高压控制,地面形势稳定,冷暖气团交汇使得背景风场较弱,有利于海陆风的发展.

观测试验期间新垦观测点 API值相对较高(图 3(a)),污染较为严重,期间共观测到两次较为严重的污染过程,分别为10～17日和29～31日,污染日共计 11d.利用新垦观测试验得到的风廓线资料,同时结合番禺和新垦的逐时温度资料,统计

发现新垦观测点在观测试验期间共观测到11个海陆风日,约占总观测日数的47.8%,其中有8个海陆风日出现在污染日,约占观测到海陆风日数的72.7%,尤其是在10～17日较为严重的污染过程期间,海陆风非常活跃.

2.2 珠三角沿海局地回流指数特征

图4为新垦观测站点污染日与非污染日的RF廓线分布.从图4可以看出,新垦污染日近地层平均 RF系数较小,不足0.8,随着高度逐渐增加,在1000m左右RF已经接近1,污染日RF各高度极小值差别较大,400m处RF极小值甚至小于 0.2;新垦非污染日RF系数相对稳定,近地层大于 0.9,并且极小值也显著大于污染日.珠三角处于冷空气前暖期控制时,冷暖气团的交汇造成背景风场大幅减弱,有利于海陆风局地环流的发展,RF系数特征进一步证明了新垦污染日海陆风局地环流发展活跃,对空气质量有着不可忽视的影响.

图4 新垦观测站点(a)污染日与(b)非污染日RF廓线Fig.4 The RF profiles of (a) pollution days and (b) non-pollution days of Xinken

表1 新垦观测试验期间API与RF值的相关系数Table 1 The correlation indexbetween API and RFs ofXinken during the campaigns.

图5 新垦逐日API与100m和900m处RF值Fig.5 The daily API and the RFs of 100m and 900m at Xinken

表1为新垦观测点API与RF值相关系数特征.新垦观测点RF值与API的相关性随高度增加逐渐递减,在低层相关性较好,尤其400m以下均通过了显著性检验,而这个高度恰恰是海陆风发展最活跃的气层,这说明海陆风对低层大气扩散能力影响显著.

通过以上分析,图5给出的是新垦逐日API和100m与900m出RF值变化情况.100m处RF值(RF100)与 900m处 RF值(RF900)差异非常明显,RF900随时间变化较小,基本上维持在0.9左右.而RF100则变化剧烈,当RF100减小的时候,API逐渐增大,当RF100与RF900较为接近的时候,API逐渐减小.受海陆风活动强弱的影响,污染日新垦

RF100多数分布在 0.5～0.8之间,垂直风场的有效输送能力明显减弱.

综上所述,在干季冷暖气团对峙形成的较弱的背景风场有利于珠三角沿海海陆风局地环流的发展.污染日与非污染日的 RF系数特征,特别是400m高度以下的R系数差异显著,表明海陆风局地环流对珠三角空气质量有着重要的影响.非污染日局地环流影响较弱,垂直风场较为稳定,大气输送能力强,能够持续有效地将污染物输送出去,而污染日海陆风局地环流活跃,大气扩散能力较差,有利于污染日的累积.

2.3 珠三角海陆风特征

通过对新垦风廓线和RF值特征的分析,可知海陆风对珠三角空气质量的影响不容忽视,因此研究珠三角海陆风发展特征具有重要的意义.图6为新垦观测点海陆风日 100m处各时刻风矢量变化情况.从图6可以看出,06：00风矢量主要为东北偏北偏北风,10：00逐渐转为东北偏东风,而且受陆风影响风速显著减小.18：00起受海风影响,风向由东南偏北风逐渐转为东南偏南风,风速也呈现出增大的特征.风向总体随时间由 06：00～23：00顺时针旋转了约 160°,与海陆风影响时风向随时间顺时针旋转的理论规律是相符的[29].

图6 新垦海陆风日100m高度处风矢量变化Fig.6 The variation of wind vectors on 100m of sea-land breezes days at Xinken.

海陆温差是形成海陆风的最基本的热力条件,图7为海陆风日广州与新垦温度日变化情况,由于新垦位于珠江口沿海,受海洋影响较大,可在一定程度上反映海洋温度变化,广州则位于内陆,可一定程度上反映陆地温度变化.从中可以看出,07：00后随着太阳辐射增强,广州与新垦温度均在逐渐增加,而且两个观测站温度差别不大;午后15：00起,广州温度已明显高于新垦,并且温差持续增大至2.5℃,随着午后海陆温差的增大,满足了出现海风的热力条件;00：00～06：00温差则逐渐减小,其中部分原因是新垦受海风影响较大,降温较慢.此外,图7中广州与新垦的温差能够持续存在于整个夜间,这与广州站临近城区热岛效应较强有关.

图7 海陆风日广州与新垦逐时温度Fig.7 The hourly temperature of sea-land breezes days at Guangzhou and Xinken station.

图 8为新垦海陆风日平均风廓线情况和不同高度风向频率分布情况.从图8可以清晰的看到,从 16：00～17：00起在海风的影响下,风向逐渐开始偏转为东南偏南风,而且海风的影响高度也随时间逐渐增大,在 22：00～23：00时左右达到最大高度约为 600m.新垦陆风的影响相对较弱,但是也可以发现10：00～14：00的风速要略小于白天其他时刻.在近地层 300m下存在两个高频率风向分布区,分别是东北风和东南偏南风.东南偏南风是海风出现时的主导风向,而东北风则是非海风时刻的主导风向.

综合以上分析可知,污染日珠三角沿海海陆风出现频率相对较高,海陆风对珠三角空气质量有着重要的影响.在海陆风日,新垦地面风场呈现出显著的随时间顺时针偏转的特征,海陆风温差较大满足出现海陆风的热力条件.新垦海风发展较为显著,约在 16：00～17：00逐渐出现,风向也逐渐开始偏转为东南偏南风,而且海风的影响高度

也随时间逐渐增大,在 22：00～23：00左右达到最大高度约为600m.

图8 新垦海陆风日(a)垂直风场和(b)风向频率分布Fig.8 The wind profiles (a) and frequency of wind directions (b) of sea-land breezes days at Xinken station

2.4 珠三角海陆风对空气质量的影响

为了更加清晰的分析新垦海陆风特征,选取2004年10月13～16日的作为海陆风的典型个例进行研究,该观测时间段内珠三角出现严重的污染天气过程.图9(a)为2004年10月13～16日新垦的逐时温度变化情况,可以看到13～16日新垦温度的最大值一般出现在 14：00.由于海风吹来的较冷的冷空气使得午后降温更加迅速,从而导致峰值前的温度增高趋势与峰值后的温度降低趋势明显不同,出现类双峰结构,这与理论上海陆风影响下日温度变化趋势时相符的[30].

图9 新垦2004年10月13～16日逐时温度Fig.9 The variation of hourly temperature on Xinken during 13～16 October 2004

图10 新垦2004年10月13～17日垂直风场Fig.10 The vertical wind field on Xinken during 13～17 October 2004

图10为2004年10月13～17日新垦垂直风场变化情况,从图10可以清晰地看出逐日的海陆

风演化特征.14：00左右海风逐渐出现,风向主要为东南风以及东南偏南风,最大影响高度约为600～800m.随着海风影响的减弱,陆风开展逐渐发展,陆风影响时间每天有所差异,约在 02：00～12：00之间,主导风向为东北偏东风,最大影响高度约为500～600m.

图11为2004年10月13～16日新垦RF廓线变化情况.从图11可以看出,新垦600m以下低层RF值逐渐减小,高层则相对较大.低层海陆风活跃,昼夜风向变化显著,使得RF值相对较小,16日极小值甚至不足 0.2,这与垂直风向的变化特征是一致的,极低的RF值意味着海陆风显著的削弱的大气的有效输送能力,不利于污染物的输送扩散.

图12为2004年10月16日的新垦垂直风廓线和气球轨迹.在500m和1000m左右出现的风切变将16日的风廓线区分为3层,每层的风场结构的日变化特征均不同.500m以下的低层受海陆风影响显著,陆风出现在02：00左右,主要为东北偏北风,风速较小;17：00左右,海风逐渐开始出现,主要为东南偏南风,风速也开始逐渐增大,并且出现一个风切变随时间逐渐增高.图12(b)中的17：00～23：00的气球轨迹也同时随着风向的改变而出现弯曲,其他观测时刻的气球轨迹则相对平直.

图11 新垦2004年10月13～17日RF廓线Fig.11 The RF profilesof Xinken during 13～17 October 2004

图12 新垦2004年10月16日风廓线(a)和气球轨迹(b)Fig.12 The wind profiles (a) and balloon trajectories (b) at Xinken during 16 October 2004

图13 2004年10月16日番禺与新垦各观测时刻温度廓线Fig.13 The temperature profiles of observation times in Panyu and Xinken on 16 October 2004

图13为2004年10月16日番禺与新垦各观测时刻的温度廓线情况.在02：00,新垦的温度整体比番禺要小 2℃左右;06：00新垦温度升高,新垦与番禺之间的温差,陆风影响逐渐出现; 18：00时,在海风的影响下,新垦 300m左右出现了低空逆温,番禺未受海风影响仍为贴地逆温;随着海风影响逐渐深入内陆,20：00时新垦的低空逆温增高到500m,番禺低空逆温出现在200m左右;23：00新垦和番禺的低空逆温高度达到最大,但是强度显著减小,随着海风影响的减弱贴地逆温重新出现.

图14给出的是新垦和番禺2004年10月16日逐时PM2.5浓度,16日是一次非常典型的海陆风日.在陆风和背景风场的共同作用下,番禺和新垦第一个峰值的大小和出现时间都比较接近,但是第二个峰值特征则差别明显.新垦的 PM2.5浓度在20：00出现短暂的峰值后,PM2.5的浓度就开始逐渐降低,而番禺 PM2.5浓度第二个峰值浓度出现 22：00,而且浓度远大于新垦.这是由于随着海风影响的逐渐增强,海风将污染物从沿海输送回内陆,新垦会出现短时的浓度增加,尔后清洁的海风会使得新垦的污染物浓度降低,而海风将污染物输回并停滞在番禺,导致番禺的浓度持续升高.庄延娟等在珠三角也发现了类似的现象[23].

通过以上分析,新垦观测的海风约从16：00开始出现,其主导风向为东南风.随着海风的进一步发展,在20：00达到最大影响高度,约为600～ 800m.陆风的出现时间约在 02：00,其主导风向为西北风,在08：00陆风达到最大影响高度,约为500～600m.

图14 新垦和番禺2004年10月16日逐时PM2.5浓度Fig.14 The variation of hourly PM2.5concentration in Panyu station and Xinken station during 16 October 2004

与此同时,还与我国其他沿海地区海陆风特征进行了对比(表 2).由于采用的资料不同,所以关于海陆风的起始时间等也存在一定的差异.大部分研究认为海风结束时间约在20：00～21：00时,陆风结束时间约为 07：00～09：00时,关于海陆风的发展高度的研究则相对较少,但是依然可以发现海风主要在1000m以下,海风发展高度要大于陆风,这些与本研究是颇为一致的.

表2 我国沿海地区海陆风特征Table 2 Features of sea–land breezes in the coastal region of China

3 结论

3.1 局地环流指数是表征局地大气输送能力的有效指标,珠三角沿海与内陆局地环流指数差异明显.珠江口沿岸新垦观测点500m以下RF值与API相关性较为显著,RF值小的时候,海陆风活

动活跃,风场的有效输送能力较弱,污染日新垦近地层局地RF值主要分布在0.5～0.8之间.非污染日风场较为稳定,RF值较大,海陆风影响较弱,大气输送能力较强,有利于污染物的扩散.

3.2 在海陆风日,海陆温差较大,新垦地面风场呈现出明显的随时间顺时针偏转特征.海风约从16：00时开始出现,主导风向为东南风,在20：00达到最大影响高度约为 600～800m.在海风的影响下,夜间气球轨迹也会出现弯折,温度廓线会出现低空逆温.陆风约从02：00开始出现,其主导风向为西北风,在 08：00陆风达到最大影响高度约为500～600m.

3.3 新垦观测点观测试验期间 47.8%的观测日观测到海陆风,其中 72.7%的海陆风日出现在污染日,污染日珠江口出现海陆风的频率较高,海陆风对珠三角空气质量有着重要的影响.受海陆风影响,夜间海风将污染物输送回内陆,番禺逐时PM2.5浓度呈现出明显的双峰结构,19：00～21：00出现第二个浓度峰值.

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Observation on the characteristics of sea-land breezes and its influence to air quality over Pearl River Delta region during dry season.

WU Meng1,2,3, LUO Yun2,3, WU Dui1,4*, FAN Shao-jia1*(1.School of Atmospheric Science, SunYat-sen University, Guangzhou 510275；2.FoshanMeteorological Bureau, Foshan 528000；3.Tornadoes Research Center of Foshan, Foshan 528000；4.Institute of Atmospheric Environmental Safety and Pollution Control, Jinan University, Guangzhou 510080, China). China Environmental Science, 2016,36(11)：3263～3272

Based on the sounding data obtained from the boundary layer observation experiment over Pearl River Delta (PRD) region during October 2004 and the corresponding hourly PM2.5data, the characteristics of sea-land breezes and its influenceson quality over PRD region were discussed by Recirculation Factor (RF) and other methods. Recirculation factor was a useful tool to represent the atmospheric horizontal transmission capacity.With the influence of the cold air and warm air confront with each other during pollution days, the sea-land breezes occurred frequently as a result of the weak system wind, and air quality index had significant relation with the RF, the RF of 100～400m was about 0.5～0.8. The horizontal transmission capacity of vertical wind field was weak under the influence of sea-land breezes, not conducive to the spread of pollutants. As PRD controlled by cold air overall, the RF of vertical windreach up to 0.9, and sea-land breezes circulation was hard to developing,so the horizontal transmissions capacity was powerful and the pollutants could be spread effectually. Among the observations, the frequency of sea-land breezes was about 47.8% at the coastal station, and the 72.7% of sea-land breezes day was pollution day, the wind directionhad visible change in clockwise over time. The sea breeze occurred in 16：00, and reached the maximum in 20：00 with the influence height was about 600～800m. In the night, sea breeze may transport the pollutants back to inland, and gave rise to a peak value of PM2.5concentration appeared at 19：00 to 21：00 in inland station.

sea-land breezes；recirculation factor；air quality；Pearl River Delta region

X51

A

1000-6923(2016)11-3263-10

吴 蒙(1988-),男,河南光山人,博士,主要从事边界层气象学与污染气象学研究.发表论文10余篇.

2016-03-28

国家重点研发计划大气专项课题(2016YFC0203305);国家自然科学基金资助项目(41630422,41475004);佛山市气象局科学技术研究项目(201503,201602).

* 责任作者, 范绍佳, 教授, eesfsj@mail.sysu.edu.cn; 吴兑, 教授, wudui@grmc.gov.cn