乌鲁木齐冬季浅薄型焚风对大气扩散条件及空气质量的影响

赵克明，李 霞，孙鸣婧，于碧馨，阿不力米提江·阿布力克木，卢新玉

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐830002；3.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002；4．兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州730000）

世界气象组织定义焚风是因下沉运动导致的一股温暖且干燥的风，且多出现在山脉背风坡[1]。山区山口风多表现为焚风特征[2]。国际上针对山口风的研究先后开展了几个大型观测试验（CALJET、PACJET、MAP）[3，4]，其中阿尔卑斯山中尺度计划（MAP）就以山口风为明确研究目标。相关研究[5-7]将阿尔卑斯山的焚风分为2类：深厚型焚风和浅薄型焚风。深厚型焚风（deep foehn）是指在阿尔卑斯山的南部，迎风坡冷空气比较深厚，在跨越山脉的过程中，越过山脉的气流显著高于穿过山口的部分，此时背风坡出现的焚风属于深厚型焚风[5，6]；反之，如果迎风坡冷空气比较浅薄，以至于被山脉完全阻挡，气流主要通过穿过山谷等才能够到达背风坡，这时形成的焚风则称为浅薄型焚风[6]。浅薄焚风经常先行于深厚型焚风，但也有个例表明不是所有浅薄型焚风都会发展为深厚型焚风。浅薄型焚风的一个特征就是焚风与其上层的西风气流是分离的，不存在耦合现象[7]。如果在强逆温层下方近地表存在稳定的冷湖（冷气团），由于大气层结异常稳定，这团冷气团不会被南风型焚风驱逐，会出现垂直结构为三层的焚风，在当地这类焚风也被称为“三明治”焚风[8]。焚风对当地的城市设施、交通、作物生长、旅游（如滑雪）、空气质量、身体健康等带来了诸多影响，因此至今围绕阿尔卑斯山地区焚风研究已经持续了150多年[2]。

乌鲁木齐东南大风是全国有名的山口风之一。当北疆的冷空气东移至蒙古附近时，在东高西低的气压场驱动下，冷高压后部的冷空气再次流向东疆南部地区，配合大地形阻塞和天山南北向气压梯度力的共同作用，气流开始从达坂城—乌鲁木齐的峡谷穿越或翻山，导致乌鲁木齐甚至于其下游地区出现东南大风[9]。乌鲁木齐东南大风是焚风[10，11]。已有研究将乌鲁木齐东南大风分为接地型东南大风和低空型东南大风[11]。接地型东南大风对当地的生产生活影响很大且易被观测捕捉到，因此是诸多学者一直关注的气象灾害[12-20]。接地型东南大风多发于春秋季，能够着陆于市区，风力往往达7～8级以上，平均最大风力11级，瞬间甚至突破40 m/s，并伴有强烈的升温、降压和降湿特征[9]。低空型东南大风着陆地点则主要分布在乌鲁木齐南郊—西郊一带，然后穿越城市上空，此时市区多表现为小风或静风状态。乌鲁木齐低空型东南大风属于浅薄型焚风[11]，到目前为止围绕着乌鲁木齐浅薄型焚风的研究还相对较少。

乌鲁木齐地处我国西部经济不发达地区，却是我国空气污染最为严重的城市之一。受山脉、峡谷复杂地形及天气系统的共同影响，乌鲁木齐一年四季都会遭受焚风的侵袭。近几年通过对常规探空[20]、系留探空[21]、风廓线雷达和微波辐射计等数据[22]的分析研究，发现乌鲁木齐浅薄型焚风属于“三明治”焚风，在冬季发生的频率最高，对城市的边界层结构存在热力和动力的双重影响，从而对乌鲁木齐大气污染的形成起着重要作用[22]。目前浅薄型焚风对乌鲁木齐大气污染扩散条件以及空气质量的定量影响研究还比较薄弱，本文将依据2013—2015年冬季风廓线雷达监测数据对乌鲁木齐冬季划分为焚风日和非焚风日，针对气象条件和空气质量状况开展对比研究，从而对焚风的影响给予定量评估，为当地的空气质量预报、城市发展规划等提供一些科学依据。

1 数据和方法

乌鲁木齐市全市6个大气环监测站（收费所、三十一中、监测站、铁招、七十四中和实验农场）的6类污染物浓度逐时数据来源于乌鲁木齐市环保局。各个测站地理位置及周边环境介绍见文献[23]。统计全市某站每日每类污染物日平均浓度值的方法如下：该站某类污染物24 h有效监测数据≥18个时次才开始计算日均值。对于全市某类污染物某小时的平均浓度值，则是6个子站点至少≥3个站点存在有效监测值。依照上述规定，统计2013年1月—2015年2月期间冬季全市6类污染物的日均值。日界的划分方法采用气象日界法，从21：00时到次日20：00时为一日。四季划分3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—次年2月为冬季。

气象数据包括乌鲁木齐市气象站2013年1月—2015年2月逐日08：00的秒级探空资料、地面逐时监测数据、每日逐时的风廓线雷达（CFL-03）探测反演数据（相关性能评估见文献[24]）。每日最大混合层厚度（the maximum mixing layer depth，简称MMLD）选择干绝热法[25]和逐步逼近法[26]计算。

浅薄型焚风在风廓线雷达图上表现为乌鲁木齐上空存在一定厚度的东南风，气流底部没有接地。查阅2013—2015年冬季每日24 h的乌鲁木齐风廓线雷达图像，如果浅薄型焚风出现时段≥12 h则视为一个焚风日，由此确定了3 a的焚风日与非焚风日日期。浅薄型焚风日乌鲁木齐上空典型的风场如图1。图1是2013年1月14日00：00—23：00（世界时）乌鲁木齐上空风场的逐时数据，500～2000 m之间存在一致的东南风，这就是焚风气流。焚风气流底高确定方法为东南风各个时刻最低高度的平均值；气流顶高确定方法为东南风各个时刻最高高度的平均值；气流厚度的确定方法为焚风日气流顶高与底高的差值。

图1 2013年1月14日00：00—23：00（世界时）乌鲁木齐风廓线雷达监测图

2 结果分析

2.1 冬季浅薄型焚风出现频率及参数特征

2013—2015年冬季239 d中有137 d出现了浅薄型焚风（表1），占冬季日数的57.3%。1月出现次数最多，3 a内共出现58 d，频率高达42.3%，平均每年19.3 d。其它2个月维持在14 d以上。同时可见冬季浅薄型焚风气流底高维持在600 m左右，1月最低（514 m）；气流顶高在2100 m左右，12月最高为2210 m；气流厚度在1500 m左右，12月最厚，达1674 m。

2.2 冬季浅薄型焚风对大气扩散条件的影响

2.2.1 焚风日与非焚风日最大混合层厚度对比

表1 2013—2015年冬季乌鲁木齐浅薄型焚风特征参数统计

乌鲁木齐冬季焚风日与非焚风日的MMLD特征为：焚风日MMLD平均为345 m，非焚风日MMLD平均为545 m，可见尽管乌鲁木齐冬季的MMLD比较低，但焚风日比非焚风日要偏低200 m，说明焚风对乌鲁木齐的MMLD发展有一定的抑制作用。比较乌鲁木齐冬季每个月焚风日与非焚风日MMLD的差异（表2），可见12月、1月和2月焚风日MMLD都比非焚风日低，1月最低（为301 m），比同期非焚风日MMLD偏低158 m。混合层高度的下降促使污染物向近地层累积，这与乌鲁木齐1月污染状况最为严重的事实相对应。

表2 2013—2015年冬季乌鲁木齐焚风日与焚风日月平均MMLD m

2.2.2 冬季焚风日与非焚风日逆温的对比分析

表3显示了乌鲁木齐冬季焚风日与非焚风日逆温状况。焚风日为133 d，平均逆温层厚度为784 m、逆温差为8.8℃、逆温强度为1.36℃/100 m；非焚风日为89 d，平均逆温层厚度为440 m、逆温差为4.4℃、逆温强度为1.35℃/100 m。由此可见，乌鲁木齐冬季平均逆温层厚度都较为深厚，但焚风日比非焚风日偏厚344 m，逆温差焚风日比非焚风日要偏高4.4℃，逆温强度焚风日比非焚风日差别不显著（0.01℃/100 m）。同时可见，12月焚风日逆温层厚度最厚（810 m），逆温强度相对最强，为1.42℃/100 m，但逆温差却是1月最大，达9.41℃；非焚风日12月逆温层厚度也相对较厚，为550 m，逆温差5.04℃，但逆温强度1月最强，为1.40℃/100 m。由此可见，乌鲁木齐焚风促使逆温层厚度增加、逆温差加大，如此边界层结构更加趋于稳定，不利于污染物的扩散。

表3 2013—2015年冬季08：00乌鲁木齐焚风日与非焚风日逆温状况

2.2.3 冬季焚风日与非焚风日风速的对比分析

表4给出了乌鲁木齐冬季焚风日与非焚风日10 min平均风速统计结果。138 d焚风日里，地面平均风速1.5 m/s；非焚风日100 d，平均风速1.6 m/s。可见冬季乌鲁木齐风速较低，焚风日与非焚风日区别不甚显著。比较每个月的地面风速状况，1、2月相当，12月焚风日风速小于非焚风日，偏小0.3 m/s。焚风天气出现时，偏低的地面风速更容易造成大气扩散条件恶化，污染加重。

表4 2013—2015年冬季乌鲁木齐焚风日与焚风日地面平均风速/（m/s）

2.3 冬季浅薄型焚风对空气质量的影响

2.3.1 冬季浅薄型焚风与空气质量等级的关系

将2013—2015年冬季6级空气质量等级按照焚风日与非焚风日分别统计，结果见表5。空气质量指数从Ⅲ级到Ⅵ级焚风日出现频率都高于非焚风日，从轻度污染形成初期，焚风日出现的频率就显著偏高8.9%，而重污染Ⅴ～Ⅵ级则累计偏高近7%，如此Ⅲ-Ⅵ级污染在焚风日出现的频率累计偏高近18%。同时可以发现，只要出现Ⅵ级严重污染，就一定伴随有焚风，上述分析充分说明焚风能加剧污染程度、促进重污染事件的形成。

表5 2013—2015年冬季乌鲁木齐焚风日与非焚风日空气质量等级发生频率/%

2.3.2 冬季浅薄型焚风对污染物浓度日变化的影响

图2显示了2013—2015年冬季焚风日、非焚风日6类污染物浓度的日变化曲线。可见4个显著特点：（1）无论焚风日还是非焚风日，6类污染物浓度的日变化曲线非常相似，变化规律与以往研究结果一致[26，27]。（2）对 PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2来说，焚风日污染物逐时浓度都高于非焚风日，且全天峰值浓度、谷值浓度差异显著。如焚风日PM10最大值为223 μg/m3，非焚风日则为 201 μg/m3，浓度值相差22 μg/m3；焚风日 PM10最小值浓度 183 μg/m3，非焚风日则为 131 μg/m3，相差 52 μg/m3。峰值、谷值出现的时刻也比较接近，相差仅1～2 h，这深受环境气象条件日变化的影响。（3）对于颗粒物、NO2、CO来说，午后在湍流发展、风速增加的情况下，污染物浓度由此可以较充分混合，导致午后焚风日和非焚风日污染物浓度差异显著减小，其余时间差异较大。（4）非焚风日的O3浓度值高于焚风日。这是由于在焚风日，扩散条件较差，利于在NO2近地层累积；其次，乌鲁木齐在冬季焚风日多伴随着大雾或者多云天气，太阳辐射减弱，不利于光化学反应。因此，尽管近地层有大量的NO2聚集，但是无法转化为O3，因此焚风日O3浓度较低。非焚风日太阳辐射强度大，因此给予光化学反应提供了较充足的条件，有利于O3生成。

图2 2013—2015年焚风日、非焚风日及整个冬季6类污染物浓度日变化

2.3.3 冬季浅薄型焚风对污染物浓度空间分布的影响

图3 2013—2015年乌鲁木齐焚风日与非焚风日6类污染物浓度空间分布

从乌鲁木齐2013—2015年冬季焚风日与非焚风日6类污染物的空间分布图（图3）来看，除O3以外，所有环境监测站5类污染物浓度在焚风日都比非焚风日偏高；其次，在非焚风日，市区内各类污染物浓度空间分布差异与焚风日相比相对较为显著。例如颗粒物PM10和PM2.5都显示出“市区北部偏高、南部偏低（北高南低型模态）”，SO2分布则呈现市区中心高于郊区模态，CO呈现为从市区沿西北—东南“中轴线偏高模态”，NO2呈现市区“南部高于北部（北低南高）模态”，与市区南部拥挤的道路交通流量相关；O3则是“市区中心低于郊区”模态，与前提物NO2分布相反。在焚风日里，上述污染物的空间分布模态没有明显改变，但是由于城市整体的扩散条件不利，导致各个测站的污染物浓度整体大幅度上升，测站之间的浓度差异不甚明显。整体来看，市区南部收费所一带，除了NO2浓度一直偏高以外，由于在焚风日地面主导风向为南风[11，22]，因此水平方向的扩散条件优于其它测站，致使冬季的空气质量优于市区其它地区。

进一步分析可见，焚风日与非焚风日PM10浓度最大值都出现北部农科院，分别为223μg/m3和196 μg/m3，差值为 27 μg/m3，城南的收费所 PM10浓度焚风日要高出50 μg/m3左右；而最小值焚风日出现在城西的74中（203 μg/m3）和城东的31中（203 μg/m3），非焚风日出现在城东的 31中（164 μg/m3）；PM2.5浓度最大值在焚风日与非焚风日都出现北部农科院，分别为 148、132 μg/m3，二者差异为16 μg/m3，城市中心到城南的PM2.5浓度焚风日要高出30 μg/m3左右；最小值焚风日与非焚风日都出现在城南收费所，浓度分别为116、91 μg/m3；焚风日与非焚风日SO2浓度最大值都出现在城中铁路局，浓度分别为 74、56 μg/m3，差异为 18 μg/m3，其它测站焚风日约高10 μg/m3左右；最小值都出现在城南收费所，浓度分别为 37、30 μg/m3；焚风日与非焚风日CO浓度最大值都出现在监测站，浓度分别为4、3.7 mg/m3，其它测站浓度较接近；最小值都出现在城东31中，浓度分别为3.3、2.7 mg/m3；焚风日与非焚风日NO2浓度最大值都出现城南收费所，浓度分别为 90、85 μg/m3，差值仅为 5 μg/m3，其它测站焚风日约高3～5 μg/m3。NO2浓度次高值焚风日出现在市区中心地带铁路局和监测站（86 μg/m3），非焚风日仍在铁路局附近（82 μg/m3）；焚风日与非焚风日O3浓度最大值都出现城西74中，浓度分别为15.9、21.1 μg/m3，差异为 5.2 μg/m3，其它测站非焚风日约高3～5 μg/m3；O3浓度次高值都出现城东31中，浓度分别为 15.3、17.9 μg/m3；最小值都出现在城南收费所，浓度分别为 10.8、12.0 μg/m3。

3 结论

（1）冬季乌鲁木齐出现浅薄型焚风的频率较高，占57.3%。浅薄型焚风月平均气流底高约600 m，气流顶高维持在2100 m左右，气流厚度较为深厚，为1500 m左右。

（2）冬季乌鲁木齐最大混合层厚度在焚风日比非焚风日偏低200 m，逆温层厚度偏厚近350 m，逆温差偏大4.4℃，逆温强度与地面风速偏差较小。说明乌鲁木齐焚风发生时，造成大气混合层厚度降低、逆温层厚度增大、逆温差加大，大气边界层结构趋于稳定，扩散能力减弱，导致污染物易于累积。

（3）乌鲁木齐焚风日空气质量从Ⅲ～Ⅵ级污染出现频率都高于非焚风日，其中Ⅴ级以上重污染频率偏高7%，Ⅲ～Ⅵ级污染等级累积偏高18%，Ⅵ级严重污染则一定有焚风伴随。

（4）乌鲁木齐冬季焚风日与非焚风日里6类污染物浓度日变化规律类似，焚风日逐时浓度都高于非焚风日对应时刻，且每类污染物浓度峰值、谷值的出现时间在两类天气里相近；非焚风日O3浓度高于焚风日。

（5）冬季焚风日与非焚风日里，乌鲁木齐6类污染物浓度的空间分布模态比较一致，如颗粒物为北高南低型，CO为市区中轴线偏高型模态，SO2呈现市中心高于郊区型，NO2呈现北低南高型，O3则是市中心低于郊区型模态；所有测站焚风日污染物浓度都高于非焚风日；综合比较，市区偏南地带空气质量稍优于市区中心和北部地区。