乌鲁木齐冬末一次伴随焚风的重污染天气过程探测研究

王 楠 ，李 霞 *，李淑婷 ，于晓晶 ，冯志敏 ，郭宇宏

（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.中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京100029；3.中国气象局乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆 乌鲁木齐830011；4.新疆环境监测总站，新疆 乌鲁木齐830011）

改革开放40 多年来，我国经济持续高速发展，工业化和城市化进程不断加速，京津冀、长三角、珠三角、东北辽东地区、四川盆地、兰州盆地、天山北麓的乌鲁木齐等城市和城市群区域大气污染日趋严重[1]。2012—2013 年，乌鲁木齐市政府先后投入332亿元进行大气污染治理。到2014 年底，累计减少燃煤消耗1200 万t，减排污染物23.9 万t[2]。通过对煤改气等大气污染治理综合工程实施前后环境监测数据的对比分析，得到乌鲁木齐的大气污染物PM10、SO2、NO2浓度各自下降了 26.1%、80.2%、11.6%[3]。但良好形势并没有维持多久，2016 年12 月—2017 年2 月，空气质量在线监测分析平台（https：//www.aqistudy.cn/）公布的数据显示，整个冬季乌鲁木齐只有5 d 空气质量达到了良，其余天都出现不同程度的污染。近年来，针对乌鲁木齐大气污染的气象成因开展了大量的研究。李霞等[4-6]通过对地面加密观测站数据、风廓线雷达和微波辐射计等探测数据的分析并结合数值模拟诊断等分析手段，发现在峡口地形下，乌鲁木齐一年四季都会出现焚风，且冬季出现频率最多。冬季准噶尔盆地被冷气团盘踞，大气层结非常稳定。尽管穿越中天山峡谷的焚风气流下沉运动较强，但是遭遇到乌鲁木齐上空的稳定气团后，这股暖气流不仅没有突破逆温层，且被冷气团分离为上下两层。近地层焚风气流与盆地强大冷气团抗衡，在市区形成“微型锋面”和辐合带，造成污染物集聚；上层的焚风气流昼夜穿过城市上空，促使市区上空逆温层更加深厚、逆温增强、混合层高度下降，致使污染物向边界层下层聚集，最终造成冬季乌鲁木齐重污染过程的频繁发生。还有一些学者[7-8]研究了乌鲁木齐污染物浓度分布特征，发现乌鲁木齐的污染冬季最强，春秋次之，夏季最轻，首要污染物以颗粒污染物且以细颗粒物为主，PM2.5空间分布特征为从北到南逐渐升高，总体表现为中部低，市区北部、东部较高的空间分布特征。此外，还有关于乌鲁木齐颗粒物组成的研究[9-11]，但很少涉及大气气溶胶光学特性及其垂直分布特征，而气溶胶垂直分布特征对局地气候变化、城市边界层以及生态环境等多方面研究具有重要意义[12-15]。因此，开展该地区气溶胶的垂直分布特性研究十分必要。

激光雷达是探测气溶胶垂直分布特征比较有效的工具。米散射激光雷达发射波长短，时空分辨率高，不仅可以测量气溶胶的光学特性、光学厚度，还可以得到高时空分辨率的垂直分布特征，能很好地弥补常规探测仪器的不足。目前激光雷达已广泛应用于我国中东部及沿海地区，在气象服务和环境监测等方面发挥着重大作用。王耀庭等[16]利用激光雷达设备研究了北京地区不同季节气溶胶的垂直分布特征，葛顺等[17]将激光雷达与气溶胶在线离子分析仪等探测设备结合研究了南京灰霾天气特征，王苑等[18]利用激光雷达研究了上海浦东地区不同强度霾天气下气溶胶的消光特性。但是，激光雷达目前还很少应用于乌鲁木齐污染天气过程的研究。本研究基于激光雷达的连续观测数据，结合地面常规观测数据、探空数据等对2017 年乌鲁木齐冬末春初的一次重污染过程进行了综合分析，揭示了此次重污染过程比较独特的气象成因，可以为乌鲁木齐及其周围地区的空气污染预报、大气污染防治等提供一些科学依据。

1 仪器设备、数据及反演方法

1.1 观测设备和数据

2017 年 3 月 1 日—4 月 18 日，利用美国 Sigma Space 公司的微脉冲激光雷达在乌鲁木齐树木年轮实验室二楼楼顶进行了为期45 d 的激光雷达探测试验（图1）。微脉冲激光雷达主要用于探测对流层大气中的云、雾、气溶胶粒子时空分布特征。它由激光器、信号控制器、信号接收器（信号发射和接收共用）和数据处理器组成，其主要技术参数如表1 所示。同时，年轮实验室东侧20 m 外的乌鲁木齐气象站有CFL-03 型风廓线雷达、GTS1-1 型探空及地面常规监测设备，这些气象设备可以提供高空温、压、湿、风及地面湿度、能见度、风等数据。另外，由于乌鲁木齐市地形非常复杂，本文从市区北郊到市区以南40 km 分别选取了5 个地面加密观测站数据来辅助分析地面气象场。安宁渠在乌鲁木齐市区以北的农田，代表北郊状况；高新区代表市区中心地带；乌鲁木齐站代表市区偏东南状况；乌拉泊代表南郊状况；水西沟则表示天山北坡山前状况。PM2.5逐时浓度数据则来源于乌鲁木齐环境监测站发布的6 个站点逐时监测数据。这6 个大气环境监测站从北往南依次是农科院、监测站、铁路局、三十一中、收费所、培训基地（图1）。本文中涉及的时间均采用北京时。

表1 MPL 激光雷达主要性能参数

1.2 气溶胶光学参量反演方法

大气气溶胶的光学参量可以通过求解米散射激光雷达方程得到，目前求解米散射激光雷方程的方法主要有 Collis 斜率法、Klett 算法、Fernald 方法 3种，但都有其适用条件，在本论文中采用的是应用最广的大家普遍采用的Fernald 方法[19-20]，激光雷达是探测大气边界层高度的一种有效手段，本文中采用梯度法[21]对边界层高度进行计算，并根据实际情况进行了适当修正，计算得到重污染阶段的边界层高度值。

2 重污染天气过程环流背景特征

图1 乌鲁木齐市及其周边大气环境监测站点和主要气象站分布

2017 年 3 月 1 日—4 月 18 日激光雷达探测期间，乌鲁木齐一共发生了2 次重污染事件。在整个污染事件中至少1 日的空气质量指数AQI（Air Quality Index）>200。第 2 次重污染事件发生在 2017 年 3 月5—12 日，其中 3 月 8 日、9 日的 AQI 日均值分别为265.5、265.9，激光雷达较为完整地记录了这次污染事件。因此，本文着重分析此次污染过程。从5 日开始，500 hPa 欧亚范围内里海—新疆上空受一个宽广的高压脊控制，巴尔喀什湖南侧是一个中亚低涡。随后高压脊逐步东移，7—9 日在新疆北部—贝加尔湖地区维持（图2）。中亚低涡则在8—9 日削弱成槽，东移出北疆之后，咸海地区再次被一个新的低涡控制，新疆仍然处于脊区。从海平面气压场来看，50°N 附近 70°～100°E 内盘踞着一个带状高压带，蒙古高压中心多数时间都在贝加尔湖以南的广大地区维持，新疆则处在蒙古高压中心外围的西部。尽管偶尔有冷空气进入北疆（图2），但是冷空气势力都较弱，由此导致本次污染过程历经3 d 才消亡。

3 重污染过程气溶胶分布特征

3.1 地面污染状况

图 2 2017 年 3 月 7—9 日新疆上空 500 hPa 环流形势（a，c，e）及海平面气压场（b，d，f）

图3 显示了3 月5—12 日乌鲁木齐市区PM2.5浓度、能见度、相对湿度逐时平均值。由于培训基地站点距离市区较远，这里的PM2.5浓度逐时平均值取农科院、监测站、收费所、铁路局、三十一中5 站的平均值。5—12 日的PM2.5日平均浓度分别是75.4、87.9、176、215.5、215.9、176.3、115.6、116.2 μg/m3，其中7—10 日日平均 PM2.5浓度均>150 μg/m3，即日平均AQI>200，达到重污染等级。此次污染过程可分为发展期、重污染期、消亡期3 个阶段，其中发展期在5日 2：00—7 日 2：00，PM2.5平均浓度为 87.2 μg/m3，PM2.5浓度由 5 日 2：00 的 53.2 μg/m3开始上升且在7 日的 2：00 达到 122.2 μg/m3；7 日 3：00—10 日18：00 为重污染阶段，重污染阶段PM2.5平均浓度为 202.8 μg/m3，最高值出现在 8 日 17：00，达到281 μg/m3，重污染阶段一直持续到 10 日 18：00。此后此次污染过程进入消亡阶段，消亡阶段PM2.5平均浓度为 113.7 μg/m3，最小值为 91 μg/m3。

从图3 中的能见度变化曲线可以看出，此次重污染期间能见度一直维持较低值，在整个过程中有98%的时段保持在3000 m 以下，56%的时段保持在1500 m 以下。与重污染阶段相比，该过程的发展及消亡阶段PM2.5浓度较低，但是能见度却没有明显高于重污染阶段，且能见度最低值和PM2.5浓度最高值出现的时间也不完全吻合。例如在3 月9 日14：00，地面相对湿度下降至42%、PM2.5浓度为75 μg/m3，能见度却达到5842 m，这主要是由于空气的相对湿度降低，使得大气的能见度变高。15：00 地面相对湿度为 54%，PM2.5浓度从 14：00 的 75 μg/m3上升至310 μg/m3，能见度从 5842 m 下降到 2791 m，说明这段时间内主要是空气中PM2.5含量升高，消光作用增强，造成大气能见度降低。而3 月10 日以后，PM2.5浓度逐渐下降到100 μg/m3附近，能见度却一直保持在1000 m 以下，这主要是由于3 月10—12 日的相对湿度一直很大，水汽对太阳光存在较强的消光作用。这表明能见度的变化受近地面相对湿度和污染物PM2.5浓度共同作用的影响。

3.2 气溶胶垂直光学特性

图4 为3 月7—9 日激光雷达距离平方修正回波信号（Rang Corrected Signal，简称 RCS）、退偏比及消光系数垂直分布日变化，其中3 月8 日3：00—10：00 由于雾凇天气导致数据缺测。从图4 可以看出此次污染过程的最严重阶段气溶胶的垂直光学特性存在4 个显著特征。首先，RCS（图4a）和消光系数（图4c）都反映出冬末这次重污染过程中气溶胶主要集中在1000 m 以下，更确切地说是600 m 以下；其次，3 d 中边界层内消光最显著时段，或者说污染最严重时段表现出明显的日变化特征，如0：00—13：00，600 m 以下的消光系数普遍较低（<0.2 km-1）；14：00—21：00，消光系数迅速增大，达到 1.4 km-1以上，是夜晚—上午时段的7 倍，可见午后消光系数比夜间明显偏高，这与东部地区消光系数日变化分布不同[22-24]。接着，从图4a 中边界层高度（白线所示）可见，7—9 日的边界层高度日变化规律不明显，但是3 d内白天的边界层高度经常低于夜晚，这与多数地区白天边界层高度普遍高于夜间[25-27]迥异。7—9 日平均边界层高度为433 m，整体边界层高度都较低，较低的边界层高度为污染物在近地面积累提供了条件。再者，地面污染最严重时段如8 日午后PM2.5浓度最高（图3），而边界层消光系数最大时段出现在7日午后，这两者不匹配。原因有两方面：一方面市区地形复杂，边界层气象场如风场等分布规律复杂[4]，全市逐时平均污染物浓度与一个站点的污染浓度/消光系数存在差别；另外一方面，地面污染物浓度只反映了近地层状况，而激光雷达反映了整个边界层气溶胶的分布特征。图4b 给出了3 月7—9 日退偏比值随高度的分布情况，可以看出在边界层内气溶胶的退偏比随着高度的增加具有明显的分层现象，且在污染较为严重的阶段，其退偏比都很小（＜5%），如 7 日 0：00—23：00、8 日 13：00— 9 日 1：00、9 日14：00—21：00 时间段，这种分布特征和边界层内的温湿结构有关。

图 3 2017 年3 月5—12 日乌鲁木齐市PM 2.5 浓度、能见度、相对湿度随时间的变化

图4 2017 年3 月7—9 日乌鲁木齐激光雷达反演的气溶胶光学特性演变（a 为距离平方修正回波信号；b 为退偏比；c 为消光系数）

4 气象要素的影响

4.1 风场

4.1.1 地面风场

为进一步揭示复杂地形下乌鲁木齐重污染过程的气象成因，图5 给出了3 月5—12 日乌鲁木齐农科院、铁路局、监测站、三十一、收费所和培训基地6个环境监测站的PM2.5浓度随时间变化以及安宁渠、高新区、乌鲁木齐站、乌拉泊水西沟5 个地面加密气象站的风场状况。由图5a 可见，此次污染过程中5个环境监测站（培训基地除外）的PM2.5浓度变化与图3 大体一致，即从3 月5 日开始PM2.5浓度逐渐升高，在8 日浓度达到最高，并持续到10 日凌晨，此后PM2.5浓度开始下降，进入消亡阶段。但是不同之处也很显著，每个站点PM2.5逐时浓度表现出较明显的日变化规律。7 d 内市区北部的安宁渠气象站白天率先出现 PM2.5浓度峰值，约在 12：00—14：00；市区铁路局和监测站滞后 1 h 出现，约在 13：00—15：00；三十一中峰值则多在15：00—16：00；南部市区收费所PM2.5浓度峰值或者同步或落后于三十一中1 h；山前的培训基地则在18：00—22：00 出现全天PM2.5的最大值，明显与市区站点步调不一致。

图5 2017 年3 月5—12 日乌鲁木齐市区及周边6站PM2.5 逐时浓度及5 站风场变化

风向决定污染物传输的方向，而风速的大小决定一个地区对污染物水平稀释扩散能力的大小[28]。由图5b 可知，在此次重污染过程中，乌鲁木齐从北往南各站风速大小不同，整个过程中平均风速大小排序依次是乌拉泊（2.3 m/s）>水西沟（1.7 m/s）>乌鲁木齐站（1.4 m/s）>安宁渠（0.8 m/s）>高新区（0.7 m/s）。5 个气象站的小风频率（风速<2 m/s）分别是乌拉泊（48%）<水西沟（67%）<乌鲁木齐站（81%）<安宁渠（99%）<高新区（100%）。乌拉泊气象站地处中天山峡谷北端，山口风导致此地风速相对其它站点偏大，最大风速可达6.0 m/s；水西沟海拔1600 m 左右，地势高，受高空风影响很大，因此风速也较大；高新区在市中心，周边高楼林立，受城市建筑物的阻挡，在整个污染过程中风速不超 1 m/s；安宁渠是5 个站点中海拔最低处的站（565 m），盆地底部由于逆温导致下层空气与盆地上层气团隔离，由此风速也很小。较小的风速不利于污染物的扩散，是重污染产生的主要因素之一。其次，乌鲁木齐背靠大山，四季都盛行山谷风。从高新区—水西沟（图5c）夜间以山风（偏南风）为主，白天以谷风（偏北风）为主，高新区、乌鲁木齐站的谷风明显强于山风。乌拉泊气象站代表的峡谷北端历来是预报员们监测天山北坡焚风（东南风）发生与否的标志性站点。图5d 显示，在地面蒙古高压的控制之下，此次重污染过程中乌拉泊气象站以偏北风为主，偶尔出现偏南风则代表焚风。结合 5 个站的温度序列，4 日夜间、6 日夜间、7 日夜间都发生了焚风。

近几年，乌鲁木齐将城南的污染企业搬迁或关停，使得重工业区主要位于北部城区。结合城市的山谷风规律，由于白天以谷风为主，且冬末谷风出现在12：00 左右[29]，安宁渠在城北，与重工业区距离最近，白天PM2.5首先出现峰值；随着谷风的发展，偏北风逐步向城市南部传输，污染物也随之南迁，因此才出现了PM2.5峰值在城市由北往南依次出现的规律。水西沟以农牧业为主，人为污染排放源极少，因此只有城区而来的谷风（偏北风）在傍晚时分到达水西沟时，随之而来的污染物才导致水西沟PM2.5出现峰值。夜晚，山风接替了谷风，随后水西沟、乌拉泊风向转为偏南风，水西沟培训基地站点附近残留的污染物开始向城市输送，PM2.5浓度下降，其他5 站的PM2.5浓度保持在一定高值并稳步上升。

4.1.2 高空风场

本文中使用的风廓线数据来源于CFL-03 型风廓线雷达，校验结果表明反演数据与常规探空有着较好的一致性[30]。从高空风场分布可以了解污染物在水平和垂直方向上的传输条件。图6 是3 月5—12 日2500 m 以下乌鲁木齐的垂直风场演变图。可见 4 日 21：00—8 日 14：00，高空风场具有很明显的分层现象，分界线在720 m 附近。720 m 以上高空主导风昼夜都为东南风（图6b），且最大风速值出现在1620 m 附近，这就是冬季经常出现在乌鲁木齐上空的低空型焚风[5]。与此同时，720 m 以下乌鲁木齐风向不定，风速较小（< 2 m/s），200 m 以下风速几乎为零。这个阶段大气层结非常稳定，低空风场条件不利于污染物的扩散。8 日17：00 是此次污染过程中市区PM2.5浓度出现最高值的时刻，也是低空型焚风气流逐步被冷空气抬升到2000 m 以上开始的时刻。8日14：00—12 日20：00，垂直风场不再维持分层现象。从地面至2500 m，以偏北风为主，600 m 以上风速最大可达5 m/s，而在600 m 以下的西风或西北风风速大多<2 m/s。此外，7—9 日 14：00 前后 480 m以下几乎为正北风，这就是市区的谷风气流。5—12日，乌鲁木齐上空900 m 以下垂直速度为0（图6a），说明无对流运动。进一步说明乌鲁木齐气象站附近每天下午边界层内污染物浓度的升高是由于市区北部工业区排放的污染物水平输送而来的。从垂直风速分布来看（图 6b），7 日 17：00—8 日 10：00，1000~1500 m 有弱的上升运动，激光雷达探测的7 日17：00—8 日 10：00，在 600～1200 m 的污染气团（图4c），很可能是空气上升运动将近地面的污染物向上输送导致的，需要进一步分析。

张人文等[31]认为，区域平均风速＜1.8 m/s 时，区域空气污染严重；风速介于1.8～2.6 m/s 时，上游污染物排放量较大的地区污染输送可能会导致下游污染物排放量及较小的地区出现空气污染。由本文上述分析可知，在此次污染过程中乌鲁木齐边界层内无论地面还是600 m 以下的低空，多数时间风速<2 m/s，边界层内的小风为局域大气污染的形成提供了条件。

图6 高空风场分布

4.2 边界层温湿结构特征

图7 显示了乌鲁木齐2017 年3 月5—12 日由常规探空数据计算得到的每日 8：00、20：00 位温[32]、相对湿度廓线。等位温廓线很好地对应着混合层的高度[28]。图7 中每日的位温廓线说明冬末这次重污染过程中市区的低空一直存在混合层，多数时间20：00 的混合层高度高于8：00 的高度。在发展期5—7 日，混合层高度逐步下降。5 日乌鲁木齐混合层高度为 600～900 m，6 日则降到 500 m 左右；在重污染阶段7—10 日，混合层高度在8：00 前后较低，为200～300 m，20：00 前后为当地日落后 1 h 左右，因此混合层高度比早上8：00 高，但多数时间也仅仅维持在 300 m 上下；10 日 19：00 以后，随着冷空气入侵乌鲁木齐地区，扰动造成混合层高度逐步抬升，可见 10—12 日晚间 20：00 时可以达到 500 m 左右，早上8：00 则在300 m 上下。由此可见，此次重污染过程中混合层高度的变化与每日PM2.5浓度的起伏也存在很好的对应关系，说明乌鲁木齐垂直方向上的扩散能力主导了整个市区污染物浓度的变化。结合高空风场（图6b）可见，5—8 日焚风维持的阶段正是乌鲁木齐混合层厚度逐步下降的阶段，再次说明低空型焚风对于乌鲁木齐大气稳定度和垂直扩散能力存在很大影响。

图7 还反映出冬末乌鲁木齐上空相对湿度一直较高，在混合层内相对湿度基本保持在80%以上。混合层内较高的相对湿度有利于气溶胶不断吸湿增长成大的颗粒，有利于近地面气溶胶的气粒转化，污染物浓度不断增加。此外气溶胶的吸湿增长使得气溶胶颗粒呈现球形，其退偏比变小。提取退偏比≤5%的高度最大值，将获取的此高度值与气象常规探空获得的逆湿层顶高度进行对比，得到图8 所示关系。由图8 可知二者存在正相关关系，表明逆湿结构对此污染过程有一定贡献，是造成此次污染过程中近地面退偏比较小的原因。

图7 乌鲁木齐2017 年3 月5—12 日的大气位温、相对湿度廓线

图8 逆湿层顶高度和退偏比≤5%的顶高变化关系

5 结论与讨论

基于米散射激光雷达观测数据并结合风廓线雷达数据、常规探空数据等分析了乌鲁木齐地区发生的一次重污染过程中PM2.5浓度、能见度、湿度及风场的关系，研究了污染物的垂直分布特征及光学特性，并初步分析了形成此特性的原因。得到如下结论：

（1）从环流背景上来看，在此次污染过程中乌鲁木齐上空主要受高压脊控制，尽管有冷空气扰动，但冷空气势力都较弱，导致本次污染过程历经8 d 才消亡。

（2）在此次污染过程中，PM2.5浓度最高可达364 μg/m3，相对湿度基本保持在75%以上；PM2.5浓度高和相对湿度大造成了此次污染过程期间能见度较低。

（3）根据激光雷达探测的污染物垂直分布特征，得到此次污染过程中污染物主要集中在600 m 以下。午后边界层内的消光系数明显高于夜间，此外，大气边界层高度也没有明显的日变化特征，7—9 日白天的边界层高度经常低于夜晚，这与多数地区的消光系数、边界层高度的分布规律不同。

（4）从风廓线雷达结果得到乌鲁木齐站附近500 m 高度以下水平风速普遍低于2 m/s；从北到南地面5 个加密气象站的小风频率依次为99%、100%、81%、48%和67%。在市中心高新区附近受城市建筑物的阻挡，整个污染过程中平均风速仅为0.66 m/s；靠近峡口的乌拉泊风速最大，平均风速达到2.3 m/s，此次污染过程中边界层内的小风分布为局域污染的形成提供了条件。

（5）混合层高度降低是形成此次重污染的重要原因。低的混合层高度使得污染物逐渐向地面累积，近地面污染物浓度逐渐升高。根据湿度廓线可知，此次污染过程中，近地面存在高湿层，有利于气溶胶颗粒物的吸湿增长，加剧了此次重污染的形成。同时粒子的吸湿效应使得粒子呈现球形增长，这也是激光雷达探测的退偏比在近地面比高空偏小的原因。

激光雷达设备是了解污染物垂直分布特征和传输特性的有效工具，可弥补常规探测仪器的不足，本文引入激光雷达并结合常规气象探测设备，有助于准确了解乌鲁木齐发生重污染过程的成因和提高乌鲁木齐重污染天气预警及空气质量预报准确率。后期可结合气溶胶质谱仪等进一步研究乌鲁木齐气溶胶的理化特性，了解该地区的污染成因。