辽宁中部地区持续性污染的天气分型

王若男 刘宁微 马林 郭宗凯 刘振宏 李东宇 于文博 王一 郭海

摘要利用NCEP全球再分析资料和地面大气成分观测资料，根据大尺度天气背景，将2010—2012年出现在辽宁中部地区的全部持续性大气污染过程划分为5种类型：蒙古高压型、变性高压型、蒙古气旋型、弱低压型和江淮气旋型。进一步的边界层物理机制研究表明：江淮气旋型与蒙古高压型污染的区域水平气流辐合、垂直的气流输送、大气层结稳定度都比较相近，只是前者的逆温强度更大。相比以上两种类型，其他三种类型的水平辐合程度相当，但下沉气流、大气层结稳定度和逆温现象要明显偏弱甚至未出现。

关键词持续性污染天气；污染天气分型；水平辐合；逆温

某地区某一段时间内大气污染物浓度居高不下的状况不仅与该地区大气中的微小尘粒、烟粒、盐粒等的含量有关，也与当地气象条件密切相关。不同气象条件下，同一污染源排放所造成的大气污染物浓度可相差几十倍甚至几百倍（Seinfeld and Pandis，2016）。区域持续性大气污染既是污染源排放的问题，也是气象条件不利于污染物扩散的结果（苏福庆等，2004；刘瑞阳等，2014；陶丽等，2016；王博妮等，2016；郑龙飞等，2016）。因此，在无法改变气象条件的前提下，如何通过研究区域性持续污染的形成机制，掌握其变化规律，提前预测出区域持续污染发生的天气学潜势，进而通过实施区域范围内的污染源减排调控，达到防止区域性大气污染事件发生的目的，已成为当前一个亟待研究解决的重要问题。

作为全国老工业生产基地的辽宁中部地区，其环境问题一直受到国内外的广泛关注，其中大气环境问题尤为突出（Bu et al.，2011；刘宁微等，2011；Li et al.，2017）。近年来，各级政府加大了对辽宁省大气污染的治理力度，削减了大量的低矮面源，使得该地区大气环境质量有了明显的改善。然而，随着经济的发展，特别是近年来交通运输、机动车辆的不断增加，工业规模及城市范围的不断扩大，辽宁省的污染面积逐渐增大，污染类型也已开始由煤烟型向煤烟型与汽车尾气污染共存的复合型污染转化，大气细粒子污染严重，灰霾天气加剧（马雁军等，2011；刘宁微等，2012，2015；Liu et al.，2015；Li et al.，2017）。在不利于污染物扩散的气象条件下，大气污染物经过持续不断的积累，极易形成持续性的区域重污染天气。以沈阳为例，2015年大气细颗粒物PM25超过国家环境空气质量二级标准11倍，全年日均值达标率仅为674%，PM25日均浓度的超标率在271%～868%之间（沈阳市环保局，2016）。因此，本研究将从出现在辽宁中部地区的持续性大气污染过程入手，依据大尺度天气背景将其划分为不同的类型，并研究导致不同类型污染的边界层物理机制，探索污染形成与发展的气象学成因，为区域持续性大气污染的预报预警提供参考依据。

1数据与方法

11数据来源

2006年8月，辽宁中部地区4个有代表性的大气成分观测站（沈阳、鞍山、抚顺、本溪）同时开始正式运行。目前，各站均设有德国的GRIMM180颗粒物监测仪、美国热电的反应性气体监测仪、芬兰的VAISALA FD12能见度仪、法国的CE318太阳光度计和太阳辐射仪等仪器，对大气可吸入颗粒物浓度（包括PM10、PM25、PM1的质量浓度和数浓度）和黑碳气溶胶、反应性气体（SO2，NO2和CO）、臭氧、大气能见度、光学厚度等大气环境因子进行在线连续观测。沈阳大气成分站位于原沈阳区域气象中心大楼楼顶；鞍山大气成分站位于鞍山市气象局办公楼楼顶；抚顺市大气成分站位于抚顺市政府大楼楼顶；本溪市大气成分站位于本溪市气象局观测场。4个站点的经纬度和海拔高度见表1。

12研究方法

本研究根据2012年颁布的《环境空气质量标准》（GB30952012）中对6种污染物浓度的限值规定，以及Li et al.（2017）对辽宁城市持续性污染的定义，挑选出2010年1月1日—2012年12月31日同时出现在4个大气成分站、某一种污染物浓度超过限值、持续2 d或2 d以上的全部污染过程，作为辽宁中部地区持续性的大气污染事件。

对2010年1月1日—2012年12月31日遼宁中部地区持续性污染过程的统计显示，3 a间共有37次污染过程发生，首要污染物全部为PM25。从时间分布来看，12月污染过程最多，达到8次；1月和11月次之，各为5次；4月、6月和9月污染过程最少，均为1次（表2）。四季污染过程次数从高至低分别为冬季（17次）、秋季（9次）、夏季（7次）、春季（6次）。3 a间的持续性污染主要发生在秋、冬两季，在总污染次数中所占比例为2/3。夏季的细粒子污染也不容忽视，持续污染在污染日中占有相当的比例。相对而言，春季发生持续性污染的概率最低。从区域性、持续性、代表性的雾霾天气过程入手，利用每6 h一次、水平分辨率为25°×25°的NCEP全球再分析格点资料，将3 a中的全部持续性污染事件进行大尺度天气背景分型，并选择对辽宁中部地区持续性大气污染发生频率最高的两个天气类型，分析其相关物理量特征。

2天气系统分型

通过东亚地区的海平面气压场和10 m风场分布，分析引发辽宁中部地区持续性污染发生、发展及消散的主要环流形势和天气系统，对全部持续性雾霾过程的天气系统进行类型划分，从大尺度角度探明各类污染形成、发展与维持的天气学成因。通过海平面气压场分布，将全部污染过程的天气系统划分为五种类型：蒙古高压型、变性高压型、蒙古气旋型、弱低压型、江淮气旋型（图1），各类型出现次数及在总污染次数中所占的比例见表3。蒙古气旋引发的区域持续性污染过程次数最多，达到327%；江淮气旋引发的区域持续性污染过程次数最少，仅为61%。

蒙古高压型的11次污染过程全部出现在冬季，弱低压型的4次污染过程全部出现在夏季，变性高压型的15次污染过程出现在冬、秋、春三季，江淮气旋型的3次污染过程分别出现在夏、秋、冬三季，而蒙古气旋型的16次污染过程在四季都出现过。因此，秋、冬季是蒙古高压型、变性高压型和蒙古气旋型污染过程的多发季节，而夏季是弱低压型、蒙古气旋型的多发季节。

对大尺度天气背景分布而言，蒙古高压型的海平面形势场特征为：位于西伯利亚、蒙古地区的大范围中心值为1 036～1 050 hPa的高压中心显著影响着亚洲东部地区，主导风向呈顺时针方向。北部地区以西南风为主，东北部地区以西北风为主，东南部以北风为主，南部（印度半岛：热带气团）以东北风为主，西南部（阿拉伯半岛）以东北风为主。随着蒙古高压的东移南下，其对辽宁地区的控制逐渐加强。变性高压型的海平面形势场特征为：高压在源地形成后，离开它的源地移到新的地区，随着下垫面性质以及大范围空气的垂直运动等情况的改变，它的性质也发生了相应的改变（如高压向较暖地区移动，会逐渐变暖，反之会逐渐变冷）。蒙古气旋型的海平面形势场特征为：蒙古气旋发生或发展在蒙古中部和东部高原一带（约在100～115°E、40～50°N之间），当地西部、西北部多高山，蒙古中部和东部处于背风坡，有利于气旋的生成和发展。春秋季，冷暖空气活动频繁，气旋出现次数最多，冬季次之；夏季，锋区北移，暖空气活动占优势，故气旋显著减少，其东移南下对辽宁地区的控制逐渐加强。弱低压型的海平面形势场特征为：弱低压介于高压与低压之间，偏低压，它是一个低压系统，但中心气压值比周边地区略低。江淮气旋型的海平面形势场特征为：在长江中下游及淮河流域（113～120°E，26～35°N）区域内形成，具有明显的冷暖锋结构的气旋系统。江淮气旋一年四季都可以发生，但以春季和初夏两季出现较多。江淮气旋的东移北上对辽宁地区的影响逐渐加大。

虽然各类环流形势对辽宁中部地区持续性污染天气的影响各不相同，但它们的共同点是：污染天气发生前辽宁地区处于系统东部（东北或东南方向），即系统前部大范围的均压场区域，系统将各自的上游细粒子污染物及水汽通过系统气流输送至辽宁中部地区；随着系统的东移，污染过程不断发展，粒子浓度逐渐增大；当系统移出辽宁，其后部有时也会造成区域污染，但维持时间较短，随之而来的是系统过境后等高线的逐渐密集，有利于雾霾的扩散与输送。

3边界层物理机制研究

31蒙古高压型

图2a—2c分别为蒙古高压引发的辽宁中部地区持续性污染发生、发展、消散时距地面10 m的流场与风速。可见，污染发生、发展时辽宁中部地区流场以辐合及气旋性环流为主，大部分地区风速在2 m/s以下，不利于污染物的扩散与输送；而污染物消散时流场比较平直，风速逐渐增大至3～4 m/s，有利于污染物向区域以外输送。图2d—2f分别为污染发生前后2 m高度上的相对湿度与近地面的垂直速度，可以看出污染刚刚发生时相对湿度很大，在95%以上（图2d），随着污染过程的发展湿度逐渐下降，这是一个由雾转为霾的过程。污染区域垂直气流基本都为向下方向（等值线为正值），气流稳定，无法向上扩散输送，随着污染过程的发展气流向下输送的速度降低。

根据相关研究，当1 000 hPa与925 hPa之间温差为负值，或两层之间的温差在0～2 °C之间时，存在逆温层或等温层。因此，1 000 hPa与925 hPa之间的温差可以作为确定大气稳定度的因子之一。图2g—2i分别为污染过程中08时（北京时间，下同）1 000 hPa与925 hPa之间的温度差。污染发生前和发展阶段，925 hPa比1 000 hPa温度明显偏高，表明这一阶段大气层结非常稳定；污染即将结束时温差在-1～1 ℃，大气稳定度降低。与大气稳定度密切相关的是逆温现象，由区域平均的逆温曲线（图2j）可以看出，污染发生、发展期逆温现象显著，逆温层顶高达800 hPa，污染持续期逆温层顶高度降低，但近地层逆温强度仍比较大，污染物在持续性静稳条件下不断积累，浓度升高，形成污染。

32变性高压型

变性高压引发的污染在发生、发展时辽宁中部地区流场以弱辐合及气旋性环流为主，大部分地区风速在3 m/s以下，不利于污染物的扩散与输送；而污染物消散时流场比较平直，风速逐渐增大至3～5 m/s，有利于污染物向区域以外输送。整个污染过程区域的相对湿度都比较小，均不超过75%，多数时间湿度小于50%，空气非常干燥，结合能见度情况（低于10 km）来看多数表现为霾的污染。污染区域垂直气流基本多数为值不超过01 Pa/s的较弱的上升或下沉气流，垂直方向没有明显的污染物输送。污染过程中辽宁中部地区1 000 hPa与925 hPa之间的温差为负值或小于2 °C的正值，存在逆温层或等温层，大气层结稳定。污染发生、发展、维持期间出现逆温现象，但逆温层顶高度為近地层的950 hPa以下，逆温强度很小（图略）。与蒙古高压型相比，变性高压型污染无论从区域水平气流辐合，垂直气流输送，还是大气层结稳定度以及逆温的程度而言都明显偏弱，大气中的水汽含量明显偏小。

33蒙古气旋型

蒙古气旋引发的持续污染发生前，气流在辽西地区辐合，然后向中、东部输送；污染发展、维持期间，蒙古气旋闭合环流进入辽宁境内，整个区域都为2 m/s以下小风区；污染物消散时流场比较平直，风速逐渐增大至3～5 m/s，有利于污染物向区域以外输送。污染发生前，区域的相对湿度不超过75%；污染发生、发展时期，相对湿度增大至85%～95%之间；污染消散时相对湿度又迅速降低至65%以下，结合能见度情况来看多数表现为霾的污染。污染区域垂直气流基本多数为较弱的上升或下沉气流，垂直方向没有明显的污染物输送。污染过程中辽宁中部地区1 000 hPa与925 hPa之间的温差为小于35 °C的正值，表明辽宁中部地区稳定层结的等温层和不稳定层结同时存在。污染发生、发展、维持期间均未出现明显的逆温现象（图略）。与前两种类型相比，蒙古气旋型污染在区域水平气流辐合上与蒙古高压型相近，但垂直的气流输送、大气层结稳定度和逆温的程度均弱于变性高压型，更不及蒙古高压型。

34弱低压型

无论污染形成还是消散，弱低压型污染的流场在辽宁中部地区始终呈辐合形势，大部分地区风速在2 m/s以下，污染物消散时区域气流都流向辽西地区，在当地形成辐合中心。相对湿度与近地面的垂直速度，可以看出污染发生前后区域相对湿度较高，大部分地区在90%或95%以上。雾区垂直气流很不显著，有弱上升气流，没有向下的垂直气流。污染过程中辽宁中部地区1 000 hPa与925 hPa之间的温差为1～3 ℃的正值，表明辽宁中部地区稳定层结的等温层和不稳定层结同时存在。污染发生、发展、维持期间基本未出现明显的逆温现象（图略）。与前三种类型相比，弱低压型污染在区域水平气流辐合上与蒙古高压型、蒙古气旋型相近，但垂直的气流输送、大气层结稳定度和逆温的程度与变性高压型和蒙古气旋型接近，不及蒙古高压型。

35江淮气旋型

图3a—3c分别为江淮气旋型引发的辽宁中部城市群持续性污染发生、发展、消散时距地面10 m的流场与风速。可见，污染发生、发展时辽宁中部城市群流場以辐合及气旋性环流为主，气旋中心在辽宁南部地区有所体现，城市群区域风速在2 m/s以下，不利于污染物的扩散与输送；而污染物消散时流场比较平直，风速逐渐增大至4～5 m/s，有利于污染物向区域以外输送。图3d—3f分别为污染发生前后2 m高度上的相对湿度与近地面的垂直速度，可以看出污染发生前后区域相对湿度较高，大部分地区在95%以上，下沉气流十分显著，速度可达02～04 Pa/s。

对于大气稳定度，图3g—3i分别为污染发生发展阶段08时1 000 hPa与925 hPa之间的温度差。可以看到，污染过程温差分布为1～3 ℃的负值，表明辽宁中部城市群的大气层结十分稳定。区域平均的逆温曲线（图3j）显示，污染发生、发展、维持甚至消散期间，近地层逆温现象十分显著，层高可达925 hPa，强度也比较大，可达07 ℃/hm，大于蒙古高压型的近地逆温强度。与前四种类型相比，江淮气旋型污染在区域水平气流辐合上与蒙古高压型、垂直的气流输送、大气层结稳定度和逆温趋势都与蒙古高压型比较相近，只是逆温强度更大。

4结论

为了从多尺度角度揭示区域持续性大气污染形成与演变的气象学成因，从2010—2012年出现在辽宁中部地区的全部持续性大气污染过程入手，依据大尺度天气背景将其划分为不同的类型，并揭示了不同类型污染的边界层物理机制。

1）通过海平面气压场分布，将引发辽宁中部地区持续性大气污染过程的天气系统划分为5种类型：蒙古高压型、变性高压型、蒙古气旋型、弱低压型、江淮气旋型。

2）蒙古气旋引发的区域持续性污染过程次数最多，达到327%；江淮气旋引发的区域持续性污染过程次数最少，仅为61%。蒙古高压型的11次过程全部出现在冬季，弱低压型的4次过程全部出现在夏季，变性高压型的15次过程出现在冬、秋、春三季，江淮气旋型的3次过程分别出现在夏、秋、冬三季，而蒙古气旋型的16次过程在四季都出现过。由此可见，秋、冬季是蒙古高压型、变性高压型和蒙古气旋型过程的多发季节，而夏季是弱低压型、蒙古气旋的多发季节。

3）边界层物理机制研究表明：江淮气旋型与蒙古高压型污染的区域水平气流辐合、垂直的气流输送、大气层结稳定度都比较相近，只是前者的逆温强度更大。相比以上两种类型，其他三种类型的水平辐合程度相当，但下沉气流、大气层结稳定度和逆温现象要明显偏弱甚至未出现。

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