天津市津南区一次持续性污染天气特征及气象条件分析

吴 洋，张 禄，孙树鹏，廖云琛

(天津市津南区气象局 天津300350)

0 引 言

近年我国经济不断快速发展和城镇化进程迅速加快，越来越多的污染物被排放到大气中，导致空气污染日益严重，其中长三角、珠三角和京津冀等东部地区污染更加严重。重污染天气不仅使大气水平能见度下降，还容易造成心脑血管和呼吸道等疾病[1-3]。大量学者对重污染天气进行研究[4-5]，发现重污染天气的发生不仅受污染物排放影响，还受到气象要素和区域输送的影响。

东高红等[6]对 2013—2015年天津发生的中度霾天气的气象要素特征等方面进行分析发现，地面气压场较弱，风力较小是秋冬季重度霾天气发生的重要条件之一；赵金霞等[7]研究发现逆温层形成后接地是滨海新区持续性重度雾霾产生的关键条件之一；蔡子颖等[8-9]将 2014—2017年天津地区中度以上霾过程分为 5种大气环流类型，总结了 2009—2016年天津地区易出现重污染天气的 4种地面形势；石春娥等[10]针对污染物区域输送进行研究，发现 2013年 1月安徽各地霾天气偏多的原因与近地层偏东来向的气团有关；翟殿清等[11]研究发现，中远距离的输入将对天津采暖季 PM10质量浓度的增加产生影响；王燕丽等[12]研究发现，天津与北京、廊坊、保定、沧州、唐山等城市之间存在城市间PM2.5污染交互影响。

天津市津南区位于天津市中南部，经济水平、人口数量、城镇化快速发展，大气污染也日益严重。但是针对津南区气象要素和区域输送对持续性污染的研究较少，因此本文对2018年3月9日～15日津南区一次持续性污染天气过程进行分析，主要研究污染物和气象要素、混合层高度之间的关系，以及天气系统对污染过程影响和污染物区域输送情况，为津南区污染天气预报提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

本文研究使用资料为欧洲中期数值预报中心(ECMWF)提供的2018年3月9日～15日海平面气压场及高空位势高度场，格点分辨为 0.125°×0.1225°。地面气象观测资料为津南区国家一般气象观测站地面逐时的相对湿度、风速、海平面气压等观测资料；PM2.5质量浓度为环保局提供的津南区东沽路观测站逐时观测数据。

1.2 方法

本文利用罗氏法计算混合层高度[13]：

式中：h为混合层高度(m)；P为 Pasquill稳定度级别；T为温度(℃)；Td为露点温度(℃)；Uz为高度Z处的平均风速( m × s−1)；f为地转参数( s−1)；Z0为地表粗糙度(m)。

2 结果分析

2.1 污染特征分析

本文利用的 PM2.5质量浓度评价标准采用环保部发布的 GB 3095—2012《环境空气质量标准》中24h平均值的二级标准值，即PM2.524h平均质量浓度限值为75 µ g/m3。

2018年3月9日～14日天津市津南区出现一次持续性污染天气，从表 1可以看出，9日开始津南区PM2.5质量浓度开始逐渐增加，10日 PM2.5质量浓度超过75 µ g/m3，11日津南区监测站PM2.5质量浓度降低，低于 75 µ g/m3，污染略有缓解；12～13日污染快速发展，其中 13日津南区监测站 PM2.5质量浓度达271 µ g/m3。14日津南区 PM2.5质量浓度开始下降，15日PM2.5质量浓度低于75 µ g/m3，此次持续性污染天气过程结束。

表1 津南区监测站点PM2.5质量浓度日均值和PM2.5/PM10Tab.1 Daily mean value of PM2.5 mass concentration and PM2.5/PM10 in Jinnan District

通过分析 PM2.5与 PM10质量浓度的比值可以判断污染过程中细颗粒所占比例。从表 1可以看出，此次污染过程 PM2.5/PM10范围为 43%～92%，9～11日污染开始阶段，PM2.5/PM10范围在 67%～74%，12～14日污染严重时段占比83%～92%，15日污染过程开始消散占比明显下降至44%左右。所以，此次津南区持续性污染过程中污染物以细颗粒污染物为主，因此本文主要对PM2.5质量浓度变化进行分析。

2.2 持续污染天气环流特征

由图 1可知，在此次持续性污染过程开始阶段(9日08时)，500hPa环流场上在欧亚中高纬度地区存在“两槽一脊”的环流形势，高压脊位于贝加尔湖地区，我国华北地区受脊前偏西气流控制；850hPa环流场上我国中南部受高压控制，不断北顶东移，逐渐影响华北地区；对应地面图上贝加尔湖和我国中南部均为高压场控制。10日，高空槽不断东移，冷空气逐渐影响华北地区，受冷空气影响津南区污染物被暂时清除，PM2.5质量浓度略有下降。11日，500hPa环流逐渐转平，850hPa位于我国中南部高压中心继续东移北顶，华北地区位于高压中心后部，受西南风影响，有利于将河北中南部污染物向津南区输送。12～13日，华北地区 500hPa环流转平，华北地区受平直西风气流控制，850hPa高压中心继续东移，华北地区仍受西南气流控制；地面图上，华北地区逐渐被东移南下的低压中心控制，津南区受低压前西南气流控制，中高层平直西风气流，低层及地面受西南气流控制，有利于污染物向津南区输送，配合低层稳定的大气层结，使得津南区污染物再次积累。15日开始，500hPa环流场上高空槽不断东移，高空槽携带的冷空气不断影响华北地区；地面图上，贝加尔湖高压加强南压，地面气压梯度加大，地面风速加大，逐渐有利于污染物扩散，津南区此次污染过程结束。

图 1 2018年 3月 9日 08：00(a)、11日 20：00(b)及 13日 08：00(d)500hPa高度场(a、b、d，单位：dagpm)和 11日 20：00(c)850hPa高度场(c，单位：dagpm)和 13日(e)及 15日 08：00(f)海平面气压场(e、f，单位：hPa)Fig.1 Geopotential height fields on 500 hPa(a，b and d，Unit：dagpm) at 08：00 9(a)，20：00 11(b) and 08：00 13(d)，geopotential height field on 850 hPa(c，Unit：dagpm) at 20：00 11(c) and sea level pressure fields(e and f，Unit：hPa) at 08：00 13(e) and 15(f) on March，2018

2.3 后向轨迹变化

为进一步研究津南区污染物区域输送情况，以天津市津南区东沽路观测站(117.39°E，39.00°N)为参考点，计算2018年 3月 13日 20时的后向轨迹，追踪抵达津南区的气团过去 24h的轨迹。通过图 2可以看出，低层污染物不断从河北中南部向津南区输送，并在输送过程中不断下沉，因此在津南区持续性污染天气预报时需考虑河北中南部污染物的输送。

2.4 气象要素与PM2.5质量浓度关系分析

海平面气压场能够反映冷空气活动路径、强度，因此海平面气压对持续性污染天气过程有着重要的影响。由图3可知，在10日05时PM2.5质量浓度达到第一个峰值前，海平面气压逐渐下降，9日00时～10日 00时 24h变压为-5.2hPa；10～11日 PM2.5质量浓度开始下降，津南区海平面气压逐渐增加，11日00时维持在1025hPa左右；在污染达到第2个峰值前，海平面气压迅速降低，11～12日 24h变压为-10.3hPa；12～13日 17时 PM2.5质量浓度迅速增加至339 µg/m3，津南区受低压控制，海平面气压维持在1008hPa左右。14日08时～15日，PM2.5质量浓度略有增加，但津南区海平面气压迅速上升，可能与冷空气抵达津南区前污染物的聚集有关。随着冷空气逐渐影响津南区，15日 20时 PM2.5也迅速降低至15 µg/m3，海平面气压迅速增加至 1032.8hPa，24h变压达 17.6hPa。通过分析发现，24h负变压使津南区 PM2.5质量浓度增加，24h正变压有利于污染物的清除，但是在冷空气到达前，海平面气压的升高也会造成津南区污染物短暂的上升。

图2 2018年3月13日20时10、500和1000m气团的后向轨迹Fig.2 Backward trajectories of 10，500 and 1000 m air masses at 20:00 on March 13，2018

图3 津南区海平面气压与PM2.5质量浓度变化Fig.3 Variation of PM2.5 mass concentration with sea level pressure in Jinnan District

PM2.5质量浓度不仅受海平面气压场影响，还受到风向、风速的影响，当风速较小时，不仅不利于污染物的扩散，还会使局地污染物聚集，造成严重污染。由图4可知，12日00时～13日17时PM2.5质量浓度快速上升阶段，津南区风速均较小，平均风速仅1.3m/s。13日夜间津南区风速略有增加，PM2.5质量浓度迅速下降。14日风速继续增加，平均风速达2.6m/s，但是津南区 PM2.5质量浓度略有增加。15日白天风速继续增加，平均风速达 3.1m/s，PM2.5质量浓度迅速降低，此次污染过程结束。

图4 津南区风速与PM2.5质量浓度变化Fig.4 Variation of PM2.5 mass concentration with wind speed in Jinnan District

通过图5发现，在PM2.5质量浓度达到第一个峰值前，津南区相对湿度迅速增加，9日23时相对湿度达80%，10日PM2.5质量浓度达到第一个峰值。12日00时为PM2.5质量浓度快速增加阶段，津南区相对湿度较大，维持高湿状态，12日 00时～13日 17时平均相对湿度为 63.6%。通过以上分析发现，在此次津南区持续性污染过程中，高湿条件是 PM2.5质量浓度迅速增加的一个重要因素。

图5 津南区相对湿度与PM2.5质量浓度变化Fig.5 Variation of PM2.5 mass concentration with relative humidity in Jinnan District

大气混合层高度表示污染物在垂直方向被湍流稀释的高度[14]，因此大气混合层高度对污染物的堆积、扩散等有重要影响，大气混合层高度已成为污染气象学重要研究内容之一。本文对津南区此次持续性污染过程大气混合层高度进行研究，将津南区3月9日～15日每天 08时和 20时混合层高度与 PM2.5质量浓度进行拟合。通过图 6可以看出，混合层高度和 PM2.5质量浓度大致呈指数型分布，津南区混合层高度和 PM2.5质量浓度相关系数为-0.31，并且通过0.05的显著性检验，说明混合层高度和 PM2.5质量浓度呈负相关，即 PM2.5质量浓度随混合层高度的升高而下降。

图6 2018年 3月 9日至 15日 PM2.5质量浓度和混合层高度关系Fig.6 Relationship between PM2.5 mass concentration and mixing layer height from 9 to 15 March 2018

3 结论与讨论

①天津市津南区 2018年3月9日～14日出现一次持续性雾霾天气，13日津南区监测站PM2.5浓度达271 µg/m3，污染物以细颗粒污染物为主。

②此次空气污染过程中高层主要为平直西风气流控制，850hPa受高压中心后部西南气流影响，地面位于地面高压后部或低压前部。中高层稳定环流系统，不利于污染物向上扩散，中低层西南气流有利于将河北中南部污染物向津南区输送，造成严重污染过程。

③气象要素对此次津南区重度污染天气的形成具有一定的作用，其中海平面气压与 PM2.5质量浓度变化趋势相反，但是在冷空气到达前，海平面气压的升高也会造成津南区污染物浓度短暂上升；风速和相对湿度对 PM2.5质量浓度具有明显影响，风速较小，PM2.5质量浓度较高，相对湿度较大，PM2.5质量浓度较高；混合层高度与 PM2.5质量浓度呈负相关，是造成此次持续性污染的重要条件之一。