冬季一次南支槽活动对川南城市群空气重污染过程影响研究

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(1.成都信息工程大学大气科学学院,高原大气与环境四川省重点实验室,四川 成都 610225； 2.遵义院士工作中心，气候环境与医疗康养重点实验室，贵州 遵义 563000; 3.香港中文大学，环境、能源及可持续发展研究所，香港 999077)

引言

大气污染会对相关居民健康产生严重影响，其毒性作用机制也极为复杂[1-5]。近几年中国大气污染问题严重，已有多位学者对我国主要城市的污染状况及其机制做了分析研究[6-10]。相比我国其他几个重污染区，目前对四川盆地大气污染的研究起步较晚、成果相对较少。有研究认为盆地内风速弱、大气层结稳定以及相对湿度高，不利于大气污染物的扩散[11-12]，还有研究探析了四川盆地内单个城市大气污染与气象因子之间的关系[13-14]。林娜[15]总结了四川盆地地面污染物和边界层污染物在盆地内部输送的3条路径。郭晓梅等[16-17]探讨了近 50 a 四川盆地大气干消光系数、风速、能源消耗和人口等因素与霾日数之间的关系，且进一步讨论了大地形作用对抑制污染物扩散的贡献。宁贵财等[18-19]对四川盆地不同区域的大气污染特征做了研究，并对四川盆地西北部低压系统对冬季重污染的影响做了详细的分析。还有许多学者从污染物化学成分、化学变化和污染物来源等方面也对四川盆地的大气污染问题进行了多维度的研究[20-24]。川南城市群是四川省第二大城市群，仅次于成都都市圈，其工业化和城市(群)化发展较快，其城市群污染也成为四川盆地较严重的地区之一。对于该区域，目前的研究主要总结了污染物的时空分布特征及其成因[25-28]。但是，对大尺度环流背景、来自于低纬度天气系统(如南支槽等)的影响却很少关注。另一方面，南支槽的活动对大气环流、降水、强对流天气都具有重要影响[29-32]。但是，关于南支槽对相关地区空气污染潜势影响的研究却尚未见报道。因此，本文通过对川南城市群一次典型南支槽影响下所造成大气重污染事件的深入研究，探析南支槽活动对川南地区重污染过程的影响，并着重研究其南支槽前西南暖气流北上对此次重污染过程中局地低空大气层结等气象条件的影响，进而探明川南城市群大气重污染的气象成因及其作用机制，有助于进一步提高对川南城市群大气污染的认知，为其预报和防控提供科学依据。

1 资料与方法

所用数据为2016年12月26日至2017年1月11日川南城市群(宜宾、自贡、泸州、内江、乐山)污染物浓度观测数据，MICAPS常规观测数据，ECMWF的0.25 °×0.25 °逐6 h再分析数据。首先利用污染物浓度观测数据对重度污染过程的污染物浓度变化进行分析，了解重污染过程的加重和消散时段。之后利用MICAPS常规观测资料和ECMWF再分析资料，对此次过程中气象要素的变化进行分析，讨论天气系统的变化和此次污染过程加重和消散的机制。文中主要对500 hPa、700 hPa、850 hPa的位势场、温度场、风场进行了分析，对风、温度、相对湿度做垂直剖面分析，利用MICAPS的24 h降水实况数据，分析降水的湿清除效果。

2 结果分析

2.1 重污染过程AQI日均值变化

根据AQI的日均值变化显示(图1)，此次重污染过程中，5个城市的AQI都从12月26日开始持续上升，峰值出现在1月4日或5日，之后开始缓慢下降，在1月7日之后迅速下降，5个城市AQI的变化具有很强的一致性。5个城市中，AQI日均值的最大值于2017年1月4日出现在宜宾市，达286。宜宾市的AQI日均值在5市中变化最大，其在2017年1月2日为5市中同日最低，而后又迅速上升，于1月4日达到5市最高。从重污染的强度和持续时间来看，5个城市的AQI日均值峰值都达到200以上的情况出现，其中自贡的污染状况最严重，其次为泸州，这两个城市AQI超过200的持续时间都达到了7 d，内江污染状况最轻，仅有1 d的AQI日均值在200以上。

图1 2016年12月26日至2017年1月11日川南城市群AQI日均值Fig.1 Variation of daily mean AQI from December 26,2016,to January 11,2017,in Southern Sichuan urban agglomeration

2.2 降水对污染物浓度的影响

降水产生的湿清除效果，对污染物浓度的变化十分重要，因此对于AQI的日均值变化需要根据降水实况做进一步分析。根据2016年12月26日至2017年1月11日期间的24 h降水数据显示(图2)，在1月8—11日有较大范围的降水，降水的主要城市为乐山、泸州、内江、自贡。宜宾市在12月31日至1月1日有少量降水，其中12月31日的24 h降水量为0.9 mm。

图2 2016年12月26日至2017年1月11日川南城市群24 h累计降水量Fig.2 Variation of 24-h cumulative precipitation from December 26,2016,to January 11,2017,in Southern Sichuan urban agglomeration

结合AQI变化以及降水实况可以得出，12月26日的降水使污染物浓度处于低值(AQI日均值50)，之后污染物浓度持续上升。宜宾市在2016年12月31日、2017年1月1日有降水产生，因此可见在对应时间内仅宜宾市的AQI浓度有明显下降。1月9—11日，发生大范围长时间的降水，湿清除效果显著，川南各市AQI日均值均降至50以下，仅乐山市略高(59)。川南城市群各市的污染物浓度在大范围降水前(1月5—8日)已经开始下降，具体原因有待对气象场的变化做进一步分析。

2.3 大气环流形势分析

根据500 hPa位势场和风场，在2016年12月28日08:00(北京时间，下同)之前，有一低槽处于四川盆地以西至孟加拉湾一带，此时川南地区受平直西风气流控制。12月31日02:00，500 hPa有一低槽加强，为南支槽，位于印度东部，川南地区处于高空槽前脊区控制。受南支槽加强影响，南风分量增加。南支槽在12月31日至1月1日期间略有减弱。1月2日08:00至5日08:00(图3)，南支槽再次加强，向南加深并缓慢东移。之后南支槽逐渐减弱，在1月6日20:00，川南地区高空开始转为平直西风气流控制。

图3 2017年1月2日(a)、3日(b)、4日(c)、5日(d)08:00 的500 hPa等压面位势高度场、风场分布Fig.3 Distribution of geopotential height field and wind field on 500 hPa at 08:00 on January 2 (a),3 (b),4 (c),and 5 (d),2017

川南地区处于高空南支槽前的时间主要是12月31日至1月6日，这段时间内污染物浓度也最高，并且在南支槽减弱后，污染物浓度也开始有所下降。从风场的情况看，在12月31日至1月5日期间川南地区主要受偏西南气流控制，这与重度污染时间段较吻合，并且气流偏南分量的减弱比南支槽的减弱稍早。因此认为500 hPa上南支槽的活动对重污染加剧和维持起主要作用。

根据700 hPa环流形势分析，川南地区也有低槽活动，污染加重期间该区域一直处于700 hPa槽前，低槽在2016年12月30日至2017年1月5日期间稳定维持，之后有所减弱。根据上述期间700 hPa风场(图4)的分布，该时段内川南地区主要受西南气流控制。

结合700 hPa温度场和风场分析气流的冷暖可知，12月29日至1月3日，川南地区主要受暖平流影响。1月3日14:00至4日20:00温度场(图5)表现为川南地区持续受暖中心控制。之后暖中心逐渐减弱南退离开川南地区，暖平流仍维持，但强度减弱。整体而言，500 hPa与700 hPa的表现较为一致。

分析850 hPa风场和温度场，在重污染过程中，川南地区变为受偏南北气流交替控制，风向变化频繁且风速小，没有表现出显著且长时间持续的风场或温度场特性。

位势高度单位为dagpm图4 2016年12月30日至2017年1月5日700 hPa平均位势高度场、风场Fig.4 Distribution of potential height field and wind field on 700 hPa averaged from December 30,2016,to January 5,2017

图5 2017年1月3日14:00至4日20:00 的700 hPa平均温度场Fig.5 Distribution of air temperature field on 700 hPa averaged from 14:00 on January 3 to 20:00 on January 4,2017

对于近地面风场变化，12月26—28日，川南城市群以北和以南地区分别受偏南和偏东气流控制，风向辐散。从28日20:00开始，一直到1月6日(图6)，川南城市群以北和以南地区，转变为分别受到偏北和偏南气流控制，风速小，但风向辐合明显，有利于污染物在川南城市群一带聚集和累积。7日08:00之后，川南以北地区仍盛行偏北气流，但其以南地区则由偏南气流转为偏北气流，污染物的扩散条件改善。

图6 2016年12月28日20:00至2017年1月6日20:0010 m高度风场Fig.6 Distribution of 10-m wind field averaged from 20:00 on December 28,2016,to 20:00 on January 6,2017

索渺清和丁一汇[30]对冬半年副热带南支西风槽结构和演变特征进行了研究，认为从气候平均看，冬季水汽输送较弱，上升运动浅薄，无强对流活动，南支槽前降水不明显，雨区主要位于高原东南侧昆明准静止锋至华南一带，且700 hPa南支槽前有干暖平流，槽后有冷湿平流输送。南支槽前干暖平流有助于在高原东侧冷垫上形成上干暖下冷湿的温度结构。可以认为，南支槽的活动有助于川南地区形成上干暖下冷湿的温度结构，利于逆温的形成。上述分析结果也显示，在重污染过程中，500 hPa的南支槽引导偏西南暖气流控制川南地区对重污染的产生和维持起主要作用，同时配合700 hPa偏西南气流，引导暖气流促使中层大气增暖，形成稳定层结，阻止污染物扩散，导致污染物浓度持续增加。另一方面,在近地面南北两支气流辐合(具体表现为低风速下的风向辐合)，进一步促进污染物向川南地区输送和堆积，使得污染加重。

2.4 气象要素垂直分布

2.4.1 温度垂直变化

温度的垂直变化是判断大气层结稳定状况十分重要的依据之一。前面对环流的分析认为，由于中高层偏西南气流的影响，中高层大气增温，但具体变化需要根据温度垂直分布做进一步分析，因此，对重污染主要维持期间各市的温度随气压变化进行比较(图7)。川南地区各市均有不同强度的等温或逆温出现，其中泸州市表现最强，出现等温或逆温的天数最多，乐山市表现最弱。从等温或逆温的底部高度来看，根据5个城市的表现，其下边界最低达到950 hPa以下，出现在内江和自贡，较高时也处于850 hPa附近，出现在乐山，极大地抑制了污染物的向上扩散。

另外选择103°—106°E、28°—30°N范围(该区域包括了川南城市群绝大部分区域，且范围内地形以平原为主)做温度平均，分析等温或逆温控制川南城市群整体的主要时间。结果显示，2017年1月1日以及1月3—4日(图7f)，有逆温出现。其中12月30—31日等温或逆温也有出现，但主要位于650 —750 hPa，位置较高，而1月1日和1月3—4日等温层的下边界位于900 hPa以下，上边界则随时间逐渐从700 hPa下降至850 hPa。关键由于等温或逆温层的下边界保持较低的高度，且几乎覆盖了川南城市群全域，严重限制了污染物的垂直扩散，污染物逐渐积累，加剧污染。

2.4.2 相对湿度

大气湿度状况对霾的形成和发展有重要影响。为分析重污染过程中相对湿度的变化及其对降水和气溶胶的影响，做相对湿度区域平均(103°—106°E，28°—30°N)的时间剖面(图8)。由图8可见，2016年12月26—28日，空气相对湿度较低，最大值出现在600 hPa，高湿度区的垂直范围小。2016年12月29日至2017年1月7日，近地面相对湿度增加，一直维持在80%以上，范围主要在800 hPa至近地面。由于高湿度区主要位于中低层，且相对湿度主要维持在80%—90%，在未形成降水的情况下，反而有利于气溶胶的吸湿增长。2017年1月7—11日，高湿度区向中高层扩展，产生降水，达到湿清除。

图7 2017年1月1—5日08:00乐山(a)、泸州(b)、内江(c)、宜宾(d)、自贡(e)和区域平均(103°—106°E，28°—30°N)(f)温度随气压变化Fig.7 Variation of air temperature against air pressure in Leshan (a),Luzhou (b),Neijiang (c),Yibin (d),Zigong (e),and that averaged in the region (103°-106°E,28°-30°N) (f) at 08:00 every day from January 1 to 5,2017

图8 2016年12月26日08:00至2017年1月12日08:00区域平均(103°—106°E，28°—30°N)相对湿度的时间—气压剖面Fig.8 Time-pressure vertical crossing section of relative humidity averaged in the region (103°-106°E，28°-30°N) from 08:00 on December 26,2016,to 08:00 on January 12,2017

3 结论与讨论

(1)川南城市群此次重污染过程的形成与南支槽活动密切相关。南支槽加强并引导其槽前西南干暖气流北上，是导致重污染加剧并维持的主要原因。受槽前西南干暖气流影响，在川南城市群上空形成低空等温或逆温层(下边界最低到950 hPa)，严重限制了污染物的扩散，导致污染物逐渐堆积而形成重污染。因此，此次重污染过程中南支槽对静稳天气的形成和加强，从而导致川南城市群污染物浓度快速升高，最终对形成重度污染起了关键性的作用。

(2)川南城市群上空的南北气流交汇以及当地低层大气的高相对湿度，促使重污染过程进一步加剧。来自于北方的弱冷空与南支槽前西南干暖气流在川南城市群上空交汇，气流辐合，导致污染物也随之在川南城市群辐合，进一步加重了当地空气污染。与此同时，低层空气高相对湿度(未形成降水)引起的气溶胶吸湿增长效应，也对污染物浓度达到此次过程的峰值(AQI日均值为286)起了一定的作用。

(3)此次污染过程减弱至结束阶段，源于南支槽减弱，川南城市群由偏南气流转为偏北气流控制，当地逆温减弱消失，当地风向辐合减弱消失，随之川南城市群上空三维大气扩散能力增强，有助于大气污染物快速稀释扩散。因此在大范围降水前，污染物浓度已经开始下降。最后，降水所产生的湿清除效果，结束这次污染过程。

(4)川南城市群的此次空气污染过程与我国其他区域的情况相似，均是在静稳天气条件下污染物难以扩散、逐渐积累而产生的污染过程，最后以降水的湿清除而结束。所不同的是以往未受关注的南支槽，其从发展、加强、维持到减弱的过程对川南城市群上空静稳天气的建立和破坏，进而导致污染过程的形成、加强到减弱、结束，在时空上都表现出非常好的一致性。由此表明，冬季南支槽活动对川南城市群空气质量的影响至关重要。 由于本文就这一次典型污染个例的细致分析，对全面了解南支槽与川南城市群污染过程之间的内在关系及其影响机制还有局限性，仍需要今后更多污染个例的综合研究来对上述研究结论加以验证，并逐步完善，从而为川南城市群地区空气污染预报和防治提供强有力的科技支持。