铜仁市2019年1月两次空气污染过程及其气象条件特征分析

杨 群，张李娟，胡 萍，徐大红

(贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300)

0 引言

一般污染过程产生的2个关键因素在于污染排放源和气象因子，对排放源的控制可以有效地掌控大气污染治理，而气象条件则是难以通过人为手段进行控制，因此通过分析气象条件对污染天气的影响，来科学、有效的预测可能形成污染的天气，以便动态的调控污染物排放治理污染，成为学者研究的一个重要课题。目前针对我国中东部地区的污染过程，已有学者在分析大气污染发生和发展过程中发现：气象条件为气溶胶粒子输送、滞留及其与本地污染粒子的叠加提供了环流背景[1]；持续的稳定天气形势是导致中国东部重污染天气的主要气象原因[2]。由于地面系统的变化主要受高空系统变化的影响，平稳的高空暖平流，利于地面高压系统的维持，从而利于PM2.5重污染事件的形成与发展[3]。在天气形势对污染天气影响的研究中均发现，引起地面静风和逆温层存在的天气系统与污染事件的形成有着重要的联系[4-6]。在相同的天气环流背景下，影响污染物浓度的气象因素主要跟气压场、风速风向、温度、湿度、降雨、边界层高度等有关，污染物浓度与相应的风速呈负相关，连续降雨和较大的降雨量对大气颗粒物起到显著的湿清除作用[7-9]；小于1 mm的弱降水的气象条件不利于污染的稀释扩散和沉降；大于1 mm的降水对大气污染物有明显的清除作用，清除能力随着降水量级的增加而增大[10]。同时较高的湿度可以改变颗粒物的粒径分布和光学特性，从而导致能见度的变化[11], PM2.5和PM10质量浓度与相对湿度呈负相关关系[12-13]。持续的弱风和静风使得局地排放的污染物聚集，以及长时间贴地、悬浮的多层逆温的存在，会抑制污染物的垂直扩散[14-16]。总之，静稳天气、均压场、弱风、强而厚的逆温层等极其不利于污染物扩散的气象条件，是重度污染形成的外部因子[17-20]。气象条件通过影响污染物的稀释、扩散、传输过程,进而影响污染物的分布。

关于中国中东部的环境污染研究较多，已有很多研究成果，但针对贵州研究还是较少。在2016年前贵州环境空气质量优良率在90%以上，仅在冬季容易出现少量轻度污染日，属于全国较好水平[21]。而铜仁地处贵州高原东部，位于群山环伺的盆地中，地形复杂，常年处于静风到微风状态，逆温现象较多，2016年统计发现铜仁空气质量优良率也为96.45%，仅在冬春季节形成了轻度的污染日[22]。因此关于贵州的环境污染，前几年关注度不高，分析研究也很少。但在近3 a轻到中度污染天气开始逐渐增多，特别是2019年1月铜仁出现持续16 d的中到重度污染过程，污染现象明显加重，这是很少见的现象，对人们的生活造成了一定的影响。因此本文针对2019年1月份出现的污染日，从气象条件特征进行分析，以期得到一些环境空气质量气象预报因子，为未来铜仁重污染天气预报及有效治理颗粒物污染提供参考，服务于本地社会经济发展。

1 资料与方法

利用2019年1月地面和高空气象观测资料、我国生态环境部及铜仁市环保局提供的铜仁市2个站点(卫校、七中)逐时各类污染物质量浓度及AQI数据。其中探空资料每12 h 1次，分别为08时和20时(北京时，下同)，地面气象资料每1 h 1次。使用统计方法及天气学分析方法分析污染物及气象要素特征。

2 污染特征

2.1 AQI变化特征

本次污染过程从日平均的AQI值变化来看，污染从2019年1月2日开始，AQI呈现波动形势,8日达到第1个峰值(198)，期间8日07—20时AQI值超过200；15—16日有短暂的上涨超过100，然后又快速下降，直到20—29日铜仁市AQI又持续上涨到100及以上，其中26—27日达到第2个峰值(168)，期间23日20—23时AQI值有短暂高涨再次超过200；30日至31日AQI开始下降，污染得到缓解。

从本次污染过程AQI平均值的逐时演变可以看出，平均的每日AQI呈现波动趋势，在13时和21时最高，06时和16时最低。17时之后到21时污染浓度逐渐上升，AQI持续增大。22—01时污染物浓度维持在一个较高水平。02—06时污染物浓度快速下降，AQI降到最低。08时之后污染物浓度又开始急速上升，13时达到最大，这跟人为活动和本地源变化影响有关[17]。由此可见，污染物浓度从每天傍晚到前半夜和正午时段，人流量活动最大的时候上升，凌晨休息时段和下午上班时段有所下降，空气质量好转。

1月8日为此次污染过程最严重的一日，从8日AQI逐时变化曲线发现，污染浓度从06—20时处于持续上升的趋势，13时达到最大AQI值为236，为重度污染。22时后开始降低。

图1 2019年1月1—31日铜仁市日均AQI演变(a)及平均AQI逐时变化(b)和8日AQI逐时变化(c)

2.2 PM2.5和PM10的变化特征

分析整个过程2019年1月1—31日平均的PM2.5和PM10的波动曲线可以看出，PM2.5和PM10质量浓度的变化趋势大体一致，且与AQI的逐时变化趋势接近。PM2.5和PM10是本次污染过程的首要污染物。选取其中1月8日、1月27日的PM2.5和PM10的质量浓度逐时对比进行分析，发现1月8日PM2.5和PM10的质量浓度相当接近，两者之间的比值接近1.0，则PM2.5为主要污染物。在27日污染过程中，PM10质量浓度远大于PM2.5，27日00时的PM10质量浓度值为144 ug/m3，PM2.5为111 ug/m3，到27日23时PM10质量浓度为172 ug/m3，而PM2.5为132 ug/m3，比值为0.77。可见，在污染整个过程中，PM2.5质量浓度与PM10质量浓度的比值均在0.75以上，则在此次污染过程中，PM2.5对空气污染贡献更大。

图2 2019年1月1日—31日(a)、1月8日(b)、1月27日(c)铜仁市PM2.5(单位: ug/mV3)和PM10(单位: ug/m3)演变

3 气象条件对污染过程的影响

3.1 污染天气形成和持续的大气环流背景

天气形势是影响气象要素分布及演变的主要背景场，大尺度环流形势和局地气象条件是影响污染物生成、积累和清除的主要因素。依据AQI的逐日变化趋势，将本次污染过程分为2个阶段：2019年1月8日重污染、27—29日持续中度污染。以下针对这2个阶段分别进行讨论。

2019年1月8日第1阶段空气污染形成时，从1月8日08时500 hPa环流形势发现，铜仁(107～109°E)上空为弱脊东移控制，高原槽位于四川西部，南支槽位于85°E，高空槽离铜仁较远，700 hPa为西到西南气流，850 hPa为从北方回流南下的东北风。地面形势上8日08时铜仁受内蒙古—山西—河南—湖北—湖南—贵州偏东路径冷空气前部1 032.5 hPa的均压区控制，等压线稀疏，气压梯度小，风力小，无降雨发生。8日08—20时污染物浓度从增加到维持期间，铜仁近地面风向维持为偏东风2 m/s，且有4个时次的静风，风向表现为8日12时前东南风，13时后为东北风的转换，在转换过程中污染物浓度也表现为增加到最大，然后逐渐略有下降并维持的形势。到8日20时(图略)，500 hPa高空槽东移，南支槽东移至95°E，铜仁处于槽前西南气流中，有利于水汽向铜仁输送，加上地面冷空气的北抬，锋面影响铜仁区域，气温下降，利于铜仁出现雨雪天气。同时近地面风速开始增大为4 m/s，风向由东北风转为偏北风，风速增大，大气湍流加强，利于污染物在垂直方向上的稀释和扩散，空气污染物浓度得到降低。

第2阶段1月27—29日为空气污染浓度持续维持时段，500 hPa为高压脊转脊后西南气流形势，无明显槽影响，700 hPa为持续的西南风急流，风速辐合偏北，850 hPa为弱东北回流影响，风速为2～4 m/s。地面为均压区。铜仁处于高空脊前下沉气流区，中层西南暖湿气流叠加低层东北回流冷气流之上形成逆温，地面为冷空气西推后部均压区，大气处于静稳状态，不利于污染物的扩散。期间地面风速大多维持在2～4 m/s，风向则表现为27日持续东北风2～4 m/s，其中7个时次静风，28日西北风转东北风2～4 m/s，29日东北风到东南风2～4 m/s，1个时次静风。对应了27、29日污染较高浓度且较28日高，可见地面持续偏东风更利于铜仁污染物浓度的升高。直到1月30日南支槽东移至云南，贵州受槽前强西南气流影响，地面贵州西部低压向东发展锋区北抬影响铜仁，由于南支槽前水汽的输送加上地面锋区附近动力抬升作用，铜仁出现降雨，污染物浓度开始降低。31日贵州西部热低压发展逐渐控制铜仁，风速增大，天气晴好，大气湍流扩散加强，有利于污染物扩散，铜仁1月持续的污染过程结束。

综上所述，1月8日污染物形成第一阶段，铜仁上空500 hPa为弱脊控制，地面以偏东路径南下的冷空气，铜仁形成的均压区中心为1 032 hPa，风速均为2 m/s，风速较小。1月27—29日污染形成和维持的第2阶段，铜仁高空为明显的脊控制，地面均压区，中心为1 027.5 hPa，强度较8日弱，风速为2～4 m/s比8日大，且有风向的转变，则污染浓度也较8日轻。由此可见，从环流形势来看，在西南气流或脊控制的高空环流形势下，当铜仁受地面均压场的控制时，地面为弱的东北风，大气层结稳定，无降雨发生时，往往会造成污染物的汇聚和积累，且地面冷高压中心越强，就越利于污染物浓度的增加。只有当地面有冷空气的补充或减弱，锋面北抬影响铜仁时，发生降雨后会使得污染物浓度下降。

3.2 影响污染形成的气象要素特征

3.2.1 逆温层特征 逆温层的存在使得污染物无法有效地在垂直方向进行扩散，逆温厚度越厚，强度越强，大气对污染物扩散能力越弱。且逆温层数越多，污染物越不容易扩散[23]。为了便于描述和分析讨论逆温强度,参考王晓明等[24]用逆温值(即某逆温层的温差)来表示逆温强度,设逆温层底部的温度为T0，逆温层顶部的温度为T1，T1-T0>0为逆温,该值越大,逆温越强。将逆温强度分为4个级别, 即:0级为逆温值<4 ℃；Ⅰ级为4 ℃≤逆温值<6 ℃；Ⅱ级为6 ℃≤逆温值<8 ℃；Ⅲ级为逆温值≥8 ℃。而逆温层厚度参考刘增强等[25]研究计算公式：ΔH=H2-H1，ΔH为逆温层厚度，H1为逆温层底高，H2为逆温层顶高，单位为hPa。

2019年1月8日08时，第一阶段重度污染浓度开始发展时，从温度层结曲线来看，逆温层底部900 hPa温度为-1.1 ℃，逆温层顶部700 hPa温度为3 ℃，则逆温为4.1 ℃，逆温厚度为700～900 hPa之间，相差200 hPa，则表现为逆温强度较强，厚度较厚。此时对应相对湿度图上，低层800 hPa以下相对湿度小于80%，空气干燥。到8日20时污染物开始降低时，逆温厚度为900～800 hPa之间，相差100 hPa，逆温强度为4.6 ℃，则逆温层强度仍然较强，但逆温厚度在减小。此时相对湿度增大达90%以上，特别是在800 hPa和900 hPa相对湿度达到95%，降雨发生，此时污染浓度AQI开始下降为200以下。可见，近地层逆温的存在使得近地层大气层结稳定，逆温强度较强，且厚度较厚时，空气污染物的稀释扩散能力相对弱，使得本地排放的污染物逐渐积累，AQI浓度升高。但当低空水汽聚集，湿度增加，降雨形成后，即使逆温层依然存在，由于降雨的作用会使得细粒子污染物得到一定清除。

图3 2019年1月8日08时(a)、27日08时(c)500 hPa高度场和1月8日14时(b)、27日14时(d)海平面气压场

1月27—29日为铜仁中度污染持续时段，27日08时中度污染开始时逆温底高度在900 hPa，温度为2 ℃，逆温顶高度在800 hPa温度为3 ℃，逆温强度为1 ℃，逆温层在900～800 hPa之间，逆温厚度为100 hPa。在中度污染持续时段29日20时逆温底高度在900 hPa,温度为2 ℃，逆温顶高度在800 hPa温度为6 ℃，则逆温强度为4 ℃，逆温层在900～800 hPa，逆温厚度维持为100 hPa。此时段内，近地层900 hPa以下相对湿度较低为70%～80%，中高层相对湿度较大为90%以上。中高层云层较厚，不利于本地近地层污染物的扩散，使得中度污染浓度维持。此时段逆温层厚度和逆温强度均较1月8日偏小，相应的污染物浓度也就相对轻。到了31日08时空气质量转为优，AQI指数为50以下时，可以明显看到，整层逆温减小，从逆温底900 hPa到逆温顶750 hPa，且温度差仅为0.1 ℃，逆温非常小或无明显逆温层出现。同时相对湿度显示，低层900 hPa以下相对湿度增大，高层相对湿度减小，云层变薄，利于污染物的扩散。

可见，逆温层厚度越厚，且逆温强度越强，大气处于稳定状态，且近地层湿度越小，空气干燥，越有利于污染物的积累和增长。当逆温层减小或消失后，空气稳定度减小，近地层相对湿度增大时，污染物得到逐渐消散，空气质量转好。

3.2.2 降雨量对污染物浓度影响 降雨、降雪对空气污染物能起着清除和冲刷作用。在雨雪作用下，大气中的一些污染气体能够溶解在水中，降低空气中污染气体的浓度，较大的雨雪对空气中污染物粉尘、颗粒也起着有效的清除作用。

从逐日和逐时的降雨量与AQI关系来看(图5)，降雨量与污染浓度有很好的对应关系，1月9日、16日、30日有明显的降雨，日降雨量均为4 mm以上时，对应的AQI值较低或呈现下降趋势。其他无雨和微量降雨时段(2—7日、11—14日、21—29日)，对应的AQI呈现增大或趋于上升的趋势。但1月8日、1月20日有明显降雨量，污染浓度却依然较高，这跟降雨的时段和量级有一定关系。1月8日在11时前无降雨发生，污染物浓度AQI值从94迅速增大到228，11时后随着降雨的发生，AQI值逐渐降低，当累计降雨量达到12 mm后，AQI值则降低到200以下。同样，1月20日09时前铜仁有降雨发生，降雨量为7.5 mm，此时段铜仁污染浓度AQI值在100以下，空气质量维持为良好。在09时后降雨停止，污染物浓度开始逐渐上升，到21时污染物浓度AQI值达到162，铜仁出现轻度污染。可见，无降雨发生或仅有微量降雨时，不利于污染物的扩散，污染物浓度增加。从此次过程降雨量与AQI对比分析来看，发现当有降雨发生，降雨对污染物浓度有清除和降低作用。同时发现在静稳环境背景下，降雨持续时间对空气污染物浓度也有影响，当降雨时间较短时，一旦降雨停止又导致污染浓度再次升高。

图4 2019年1月8日、27日、29日、31日污染从开始—严重—持续—清除时段铜仁温度和相对湿度探空曲线

图5 铜仁1月降雨量对AQI值的影响

3.2.3 气温、地面气压对污染物浓度的影响 地面气压和24 h变压能够反映冷空气活动的强弱，污染天气往往与24 h变压关系密切[26]。从铜仁站海平面气压的逐日变化曲线来看，污染物浓度AQI与气压呈正的相关性，气压升高对应了污染物浓度的增大。其中1月8日、16日、23日、27日污染物浓度明显增大日，铜仁地面气压值曲线呈现陡增，地面气压均上升到1 030 hPa以上。同时从24 h变压对污染物浓度AQI对应曲线来看，AQI值的增大时段，对应了24 h的正变压，但变压值的大小跟AQI值的大小无明显关系。再从温度来分析，就日平均温度而言，1月份日平均温度在10 ℃以下，在铜仁污染加重时段，铜仁站温度整体呈下降趋势。从日最高气温来看，在1月8日、16日、23日、27日几个污染增加时段，日最高气温的降低对应着AQI值的升高，1月7日最高气温6.5 ℃，8日降低至4.9 ℃，对应8日AQI迅速上升至200以上。1月22日14.9 ℃到23日10.7 ℃，此时段内AQI值略有上升，维持在100以上。到27日最高气温再次降低至9.4 ℃，此时AQI值从23日的127上升到169。可见，最高气温与AQI值的变化有一定关系，当日最高气温越低时，说明影响铜仁的冷空气达到最强，铜仁处于冷高压控制为均压区，风小，从而不利于污染物的扩散。可见，对于冬季1月份的污染天气过程，一般都有强冷空气的影响，当冷空气完全控制铜仁，地面为冷高压控制时，铜仁气温降至最低，此时为均压区控制，风小，不利污染物浓度于扩散，使得污染物浓度升高。

3.2.4 风向、风速对污染物浓度的影响 通常风速越大，越有利于空气中污染物质的稀释扩散[27]。而长时间的微风或静风则会抑制污染物质的扩散，使近地面层的污染物质成倍地增加。从2019年1月1—31日日平均风速和AQI对比曲线来看(图7)，铜仁1月1—30日日平均风速均小于3 m/s，风速较小，以微风和静风为主。31日平均风速明显增大，达到4 m/s以上。对应AQI值演变表现为1月30日前日平均风速小于3 m/s时，铜仁污染物浓度降低不明显，在弱风速下污染物浓度AQI值与风速无明显对应关系。到1月31日平均风速增大，风速达到4 m/s以上时，污染物浓度出现明显的下降。可见此次污染过程出现时，铜仁为静风和微风(风力为0～2级)，不利于污染物的快速扩散。在地面风速达到4 m/s以上(即风力达到3级以上)时污染物浓度有所减低，可能风速的增大会使得污染物得到稀释和扩散。

图7 铜仁1月AQI指数与日平均风速及风向的关系

从铜仁2019年1月风玫瑰图来看，铜仁1月以东北风(NE)最多，其次为偏东风(ENE、E、ESE)和静风(C)。说明在冬季铜仁受东北路冷空气回流影响，且以偏东风为主时，风速小，会容易导致污染物的积累。

3.3 梵净山地形对污染物扩散的影响

从环流背景和风速风向分析发现铜仁1月份污染天气形成和持续时段为偏东风，且偏东风维持时间长，风速小。且铜仁地形呈现为中部梵净山(海拔高度>2 000 m)地形高，东部铜仁城区(海拔高度283 m)地形低的特征。因此需要考虑在特殊地形影响下，铜仁城区污染颗粒会不会在偏东风气流影响下，在山前出现堆积而增长或则翻越山脉向外扩散出去而降低？下面来分析偏东风相对于梵净山是否会使气流在山前堆积。

分析地形对气流影响时用Froude数。用山体高度为长度尺度，其定义参考Kaimal研究[28]:

Fr=u/(N×h)

(1)

式中:u为水平风速,h为山体的高度,N为逆温期间的Brunt-vaisala或浮力频率

N=((g/T)(∂θ/∂z))1/2

(2)

Kaimal 等人认为, Froude 数大于1 时气流会沿山坡爬升，而当Froude数小于1时气流较难沿山坡爬升，而会沿山侧面绕行或在山腰回绕。如果取梵净山山体高度为1 000～2 000 m，2019年1月份大气逆温强度平均为0.001～0.014 ℃/m，地面风速u平均为1.4 m/s，则铜仁市平均的Froude数为0.002 4～0.019。可见Froude 数远远小于1，在一般的天气条件下，冬季铜仁市东风气流根本不可能沿山爬升，因此地面污染物会在山前堆积，而不会通过爬山方式输送出梵净山东侧的铜仁城区，使得城区浓度降低。

4 结论

本文针对2019年1月铜仁污染天气过程，从环流背景、气象要素、地形等影响进行分析，得出以下结论：

①铜仁本次污染过程日均AQI超过150的持续达9 d，AQI超过200的有2 d，属于中到重度污染。直到30日07时本次污染过程才结束。期间PM10和PM2.5为主要污染物，但PM2.5对空气污染贡献最大。铜仁市污染物浓度从傍晚到前半夜和正午时段，人流量活动最大的时候上升，凌晨休息时段和下午上班时段有所下降，空气质量好转。

②此次过程，在污染阶段铜仁上空位于高压脊或一致的西南气流，地面为冷高压控制的均压区，气压梯度小，风小，污染物得到逐渐聚集，AQI值持续上升。污染减弱阶段，高空转为高空槽前，地面冷空气补充，气压梯度增大，上升运动动力抬升增强，西南风增强，有利于污染物的垂直扩散，AQI逐渐降低。整个污染过程中铜仁地面均受东北路冷空气影响。

③铜仁污染阶段持续的近地层逆温层的存在，抑制了近地层大气垂直方向的湍流交换，致使污染物不易在垂直方向扩散。污染阶段，地面以东北风和东风为主，且风速为静风或微风，不利于污染物的扩散。同时相对湿度低，空气干燥时，有利于污染物浓度的升高；相反，相对湿度大，湿层深厚时，利于雨雪天气的发生，则污染物浓度得到降低。

④受梵净山地形影响，铜仁市区呈现西高东低的特殊地形，受持续较弱偏东风影响，使得本地污染不能翻越山脉，会导致污染循环累积增加。

本次主要针对2019年1月污染过程进行分析，分析时段比较短，得到的结论对1月份的污染预报有一定参考意义；但针对铜仁秋冬季的污染过程形成的气象相关条件，还需要收集更多个例和资料进行详细总结分析，得出污染影响的气象因子指标。