太原市冬季一次霾和沙尘“混合型污染”过程天气成因分析

王小兰， 闫世明， 王 雁， 郝振荣， 郭 伟， 蒋云盛， 贺洁颖

(1.山西省气象科学研究所，太原 030002； 2.山西省气象信息中心，太原 030006)

引 言

“混合型污染”指2种或2种以上不同种类不同性质的污染物或同种污染物的不同来源，也指 2种或2种以上不同类型的污染物在同一环境中同时存在所形成的环境污染现象[1]。霾是大量粒径为几微米的大气气溶胶粒子使水平能见度小于10 km、空气普遍浑浊的天气现象[2]。沙尘天气是风将地面尘土、沙粒卷入空中使空气混浊的一种天气现象的统称，包括浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴天气[3]。霾和沙尘都属于低能见度天气，但霾和沙尘很难用肉眼区分[4]。霾和沙尘天气发生时，常伴随着颗粒物超标。霾出现时首要污染物通常为PM2.5，沙尘发生时，首要污染物通常为PM10[5]。

颗粒物影响太阳辐射的散射和吸收及人体健康，对能见度亦发挥重要作用[6-7]。针对京津冀地区冬季污染过程的研究结果表明，在京津冀地区，盛行偏南风时，污染物会向北京输送，导致或加重北京地区的霾天气[8]。沙尘天气与大气环流形势关系密切[9]，弱辐合区、稳定层结及小风速等气象条件均不利于污染物扩散，是导致或加重重污染天气的原因之一[10]。部分研究对北京地区典型回流沙尘天气分析结果表明，沙尘回流时颗粒物浓度与气态污染物浓度均表现出同步上升的变化趋势[11]。刘超等[12]对北京2018年3月26-29日一次“先霾后沙”的空气污染过程分析结果表明，河北省中南部、山西省中部等地在霾影响时段，对北京PM2.5贡献较多，而沙尘影响时段，北京地区的PM10主要来源于内蒙古中部和辽宁西部。郭虎等[13]研究发现，北京“回流”天气形势下，沙尘可以沿着偏东风返回北京造成二次污染。张亚妮等[14]通过分析2012年4月27-28日影响北京的一次沙尘天气，并通过HYSPLIT模式模拟，发现一次由东风回流造成北京扬沙天气的个例。熊亚军等[5]对北京2015年3月26-31日一次霾和沙尘混合污染天气过程分析表明，该过程可分为霾-沙尘-沙尘回流-霾4个发展阶段，是一次典型的沙尘回流所导致的混合污染型天气个例。

2018年11月22日-12月5日，太原市出现一次霾和沙尘混合型污染天气过程。根据山西省气象信息中心多年气象资料统计结果，太原市冬季出现沙尘次数较少，霾和沙尘混合污染过程亦较少，因而针对太原地区此类污染过程的研究很少。事实上，大气污染受本地污染源排放、区域传输、天气气候条件等多种因素的影响。人类活动、工业化及城市化进程导致气候变暖、“温室效应”加剧、冷空气活动减弱[15-16]；城市扩建导致“热岛效应”增强，高楼林立对城市通风造成影响[17-18]。上述诸多因素导致这类“混合型”“非典型污染天气”个例正逐渐变得“典型”起来。此类污染过程能见度持续较低，天气现象肉眼难以分辨，对人类健康、生活生产活动造成了一定的影响。本文针对太原市此次混合型污染天气过程，对其环流形势、气象条件、垂直扩散条件、后向轨迹及颗粒物浓度与气态污染物浓度之间的关系进行分析，探求太原市此类混合型污染天气的发生发展机制，以期为更好地开展环境气象预报及太原地区的污染治理提供参考。

1 资料和方法

1.1 研究区域概况

山西省地形复杂，总的地势是“两山夹一川”，中部为一列串珠式盆地沉陷，平原分布其间。全省主体轮廓很像一个“凹”字形，太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，西、北、东三面环山，中、南部为河谷平原，全市整体地形北高南低呈簸箕形(图1)。太原是全国能源重化工基地之一，工业结构及地形因素造成了该地区大气污染较为严重，以盆地为主的地形特征非常不利于污染物的扩散[18]。

图1 山西省地形、太原市区所在位置(a)及太原市环境监测站位置(b)

1.2 数据来源

PM2.5、PM10、SO2、NO2浓度数据及AQI(air quality index，空气质量指数)数据为山西省生态环境监测中心提供的2018年11月21日-12月7日逐日及逐小时监测数据，监测站点数量为9个，均位于太原市建成区范围内。根据环境空气质量评价技术规范(HJ663-2013)要求，各监测点小时浓度监测数据为整点时刻前1 h时段内监测点污染物浓度的算术平均值，日均值为各监测点24 h平均浓度值的算术平均值。气象数据为山西省气象信息中心太原市小店站同期观测数据。用于后向轨迹模式计算的同期气象场为美国国家环境预报中心(NCEP)提供的全球资料同化系统(global data assimilation system，GDAS)数据，每日4个时次，即00:00、06:00、12:00和18:00(世界时)，水平分辨率为1°×1°。卫星数据来源于同期葵花8号卫星监测数据，图片由北京中科锐景科技有限公司制作。

1.3 研究方法

1.3.1 HYSPLIT后向轨迹模型

HYSPLIT模型是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空气资源实验室和澳大利亚气象局在过去20年间联合研发的一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型。该模型是具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源功能的较为完整的输送、扩散和沉降模式，已经被广泛地应用于多种污染物在各个地区的传输和扩散的研究中。将太原市(37.87°N、112.53°E)设为起点，将模拟起始高度设置为500 m[19]，模拟时长为72 h，进行后向轨迹计算，并对气流轨迹进行聚类分析。

1.3.2 聚类分析方法

聚类分析是一种多元统计技术，可对大量的数据进行分组，合理有效地简化数据，提高信息利用率，广泛应用于大气污染研究中。根据气团移动速度和方向对大量轨迹进行分组，得出不同的输送轨迹分组，可以比较直观地了解气团的来源方向和传输距离。本研究采用二分K均值算法进行聚类分析。该算法首先将所有的轨迹作为一组，然后将该组一分为二，之后选择其中的一个组继续划分，选择哪一个组进行划分取决于对其划分是否可以最大程度地降低误差。重复上述基于风向角度的划分过程，直到组数目和指定的K值相等，K值代表聚类轨迹条数[20-21]。

风向角度计算方法如下：

(1)

Ai=(X1(i)-X0)2+(Y1(i)-Y0)2

Bi= (X2(i)-X0)2+(Y2(i)-Y0)2

Ci= (X2(i)-X1(i))2+(Y2(i)-Y1(i))2

式中，(X1，Y1)和(X2，Y2)分别表示轨迹1及2的坐标，d12表示轨迹1和2的夹角距离。

2 结果分析

2.1 污染过程分析

2018年11月21日-12月5日，太原市出现了一次大气污染过程。表1给出了本次污染过程日均PM10及PM2.5浓度，PM2.5/PM10(浓度比值，下同)、日均能见度、空气质量级别、首要污染物及日空气质量指数(AQI)、天气现象等。此次污染过程时间较长，历时14天，其中有9天处于中度污染以上。根据山西省气象信息中心气象观测资料，本次污染过程期间，霾和沙尘天气现象交替出现。山西省生态环境监测中心的污染物监测数据结果表明，本次天气污染过程污染物主要为颗粒物。

表1 太原市2018年11月21日-12月7日逐日气象要素及污染物概况

图2为葵花8号卫星监测的本次污染过程出现的沙尘天气(粉色代表沙尘)。图3给出了此次过程能见度及湿度，PM2.5、PM10质量浓度变化、PM2.5/PM10、风向风速逐小时变化趋势，图3(b)中圆圈表示沙尘天气时段。由于此类低能见度天气常出现天气现象特征不明显、肉眼无法判断的时段，根据现有研究结果，出现此类天气现象时，当PM2.5/PM10浓度比值<0.35时，可视为沙尘天气现象[22]。

图2 2018年11月26日06:30(a)及12月3日03:00(b)葵花卫星检测的山西省区域沙尘分布图

由图3可知，整个过程期间，偏西北气流与偏南气流交替出现，霾和沙尘天气现象亦交替出现，同时还出现了霾天气和沙(浮)尘天气特征比较不明显的时段。受弱冷空气影响，地面风向以西北风为主时，一般伴随沙(浮)尘出现。由PM2.5/PM10值来看，沙(浮)尘出现时段，PM2.5/PM10值会急剧下降。污染过程期间，PM2.5/PM10值为0.05～0.64，平均能见度为7.8 km。整个污染过程可分为五个阶段:阶段一：起始于11月21日夜间的霾天气现象时段；阶段二：始于11月26日傍晚的沙尘天气现象时段；阶段三：始于11月28日午后的霾天气现象时段；阶段四：始于12月2日晚的沙尘天气现象时段；阶段五：始于12月5日凌晨的霾天气时段，12月6日凌晨起污染过程结束。

根据气象观测数据、PM2.5/PM10值(表1及图3)及霾天气定义[2]综合判断，此次污染过程是一次霾和沙尘天气现象交替出现，PM2.5、PM10超标导致的污染过程。

图3 太原市2018年11月21日-12月6日能见度、湿度(a)和风向风速、PM2.5、PM10浓度及PM2.5/PM10(b)逐时变化

第一阶段：11月21日至11月26日。11月21日，空气质量指数(AQI)为68，空气质量级别为良，小时能见度基本大于30 km，11月21日21时起，能见度开始下降，至21日23时小时能见度降至8 km，大气中的污染物尤其是PM2.5浓度逐步累积增加。根据PM2.5/PM10值及历史气象观测资料判断，该阶段天气现象为霾，持续至11月26日白天。第一阶段平均能见度为7.7 km。这是由于当地面风速较小，天气静稳，污染物难以扩散，粒径较大的颗粒物受重力影响会沉降，而细粒子容易悬浮在空气中累积，所以PM2.5浓度会逐步累积增加，细粒子浓度的增加导致PM2.5/PM10小时浓度比值亦呈增加趋势。此阶段污染特征为能见度较低，以轻度污染为主，并随着污染物的累积，PM2.5/PM10值呈增加趋势。

第二阶段：11月26日至11月28日。11月26日，能见度持续较低，天气现象由霾逐渐转为沙尘(由于沙尘到达时间较晚，致使26日PM2.5/PM10浓度比值仍大于0.35，该日天气现象记为霾和沙尘)。本阶段平均能见度为7.4 km。葵花8号卫星监测结果显示(图2a)，26日06：30，山西上空出现沙尘，随着沙尘的到来，能见度逐步降低，最低降至3 km。11月26日，天气现象肉眼难以区分，根据PM2.5/PM10值并结合葵花卫星数据判断，26日至28日凌晨，天气现象均为沙尘。沙尘初期PM2.5与PM10浓度均呈增加趋势，其中PM10浓度从15时开始，呈现暴发式增长，从268.0 μg/m3增加至20时的653.2 μg/m3，达当日最高值，此时，地面小时平均风速为4.8 m/s(椭圆内为风速杆)，亦达到26日最大，风向为WNW。此后PM10浓度略微下降。在本次沙尘过程期间，PM10浓度均处于较高水平，这是由于沙尘从沙源地随气流到达太原上空后，质量较大颗粒物从高空逐步沉降到地面，而质量较小的粒子会悬浮在空气中。11月26日，PM10日均浓度值为364 μg/m3，AQI为220，首要污染物为PM10，污染程度为重度污染。11月27日PM10日均浓度值为305 μg/m3，AQI为178，首要污染物亦为PM10。在11月26日开始的沙尘天气现象期间，PM2.5浓度呈现波动变化趋势。在沙尘到达初期，PM2.5浓度亦有所增加，但PM2.5/PM10值会随着沙尘的到来急剧下降，最低降至21时的0.16。这是由于沙尘随着气流到达后，空气中粗粒子的比重增加，而地面西北风风速增加对在霾天气阶段累积的细粒子有一定的清除作用。此后随着粗粒子的沉降，PM2.5/PM10又有所增加。此阶段污染特征为能见度低，以重度污染和中度污染为主，PM2.5/PM10值急剧下降后缓慢上升。

第三阶段：11月28日至12月2日。11月28日凌晨起，天气现象逐渐转变为霾。该阶段平均能见度为5.3 km，能见度较第一、第二阶段的有所下降，这可能是由于前期污染物的不断累积所致。28日PM10日均浓度为337 μg/m3，地面风速逐渐减小，PM2.5浓度逐渐增加。至12月2日夜间冷空气到达之前，PM2.5浓度出现最高值(257.25 μg/m3)，PM2.5/PM10小时浓度比值亦逐渐上升。这是由于当地面偏南风风速较小时，空气污染扩散气象条件较差，空气中细粒子会逐步累积，同时空气中质量较大的例子会沉降，因而PM2.5/PM10值增加。此阶段主要特征为能见度低，小时首要污染物主要为PM2.5，以中度污染和重度污染为主。

第四阶段：12月2日至5日。12月2日19时开始，地面风向转为偏北风。12月2日20时起，根据PM2.5/PM10值、历史气象资料，并结合葵花卫星数据(图2b)综合判断，地面天气现象由霾转为沙尘，空气湿度下降，PM2.5/PM10值下降，PM10浓度逐渐升高。期间PM10小时浓度最高，为387.6 μg/m3，出现在12月3日02时。之后随着颗粒物的沉降，PM10浓度逐渐降低。该阶段能见度持续较低，最低值为5.9 km，出现在12月3日01时，此后能见度有所增加，第四阶段平均能见度为14.2 km。12月4日08-11时，能见度出现大于30 km时段，之后能见度又逐渐减少。这可能是由于在本阶段沙尘过程后期，地面风向为西北风向，且风速持续较大，空气污染扩散气象条件转好，而沙尘中粒径较大的颗粒物已沉降或通过扩散清除，地面粒径较小的颗粒物在西北风风速较大时不容易累积，所以出现短时能见度较好。从PM2.5浓度水平来看，相比11月26日的第二阶段沙尘过程，12月2日的第四阶段的沙尘过程中，PM2.5浓度整体低于11月26日沙尘过程的浓度(11月26日沙尘过程期间，PM2.5平均浓度为95.8 μg/m3，本次沙尘过程PM2.5平均浓度为54.4 μg/m3)。这是由于12月2日的沙尘过程期间地面平均风速(2.8 m/s)大于11月26日沙尘过程期间地面平均风速(1.2 m/s)，较大风速有利于细粒子的清除。此阶段主要特征为能见度短时转好但很快降低，由重度污染转为轻度污染，首要污染物由PM2.5转为PM10，PM2.5/PM10值急剧降低。

第五阶段：12月5日至12月6日。12月5日05时起至12月6日00时，天气现象由沙尘转为霾。该时段内平均能见度为4.8 km，颗粒物浓度、空气湿度均持续上升，PM2.5/PM10值增加。本阶段污染物变化具有霾天气现象阶段典型变化特征[9-10]。之后从12月6日夜间起，冷空气影响太原。由于污染物累积时间较短，所以本阶段污染以中度污染为主。随着冷空气到达，空气污染扩散气象条件好转，污染物浓度下降，12月6日AQI为74，空气质量级别为良，此次污染过程结束。

本次污染过程历时较长，霾与沙(浮)尘交替出现，天气现象肉眼难以区分，能见度低，轻、中、重度污染均有出现，PM2.5和PM10作为首要污染物交替出现。

2.2 环流形势分析

图4给出了污染过程期间部分时段高空500 hPa形势、海平面气压场及850 hPa风场。从11月25日18时高空500 hPa形势场(图4a)来看，太原高空受华北弱脊控制，中纬度环流较平直，地面形势为均压场(图4b)，850 hPa风场(图4a)为弱偏南气流。此类天气形势所对应的大气层结稳定，地面风速小。在秋冬季，当山西省位于此类天气形势下，近地层极易形成逆温层，而较弱的上升运动卷起地表污染物滞留在空中，由于大气层结稳定，容易形成霾天气[19]。冷空气到来之前，大气污染扩散气象条件持续较差，PM2.5累积至最大值，天气现象为霾，地面能见度低，11月25日平均能见度为6.6 km。

从11月26日06时及12时高空500 hPa形势场(图4c、e)来看，太原处于东北冷涡底部，850 hPa(图4c、e)以西北气流为主，地面处于蒙古高压底前均压场(图4d、f)，受东北冷涡东移影响，冷空气携带大量沙尘即将影响太原。影响山西的沙尘天气一般有西北路径、偏西路径和偏北路径[23]。结合后向轨迹分析，本次沙尘过程为西北路径[23]。11月26日，太原出现沙尘污染过程，天气现象由霾变为沙尘，11月26日20时，PM10小时浓度达到最高，为653.2 μg/m3。

图4 太原市2018年11月21日-12月6日重污染天气过程期间部分时段500 hPa形势场及850 hPa风场、地面气压场

从12月2日00时高空500 hPa形势场(图4g)来看，太原受较平直西风气流控制，850 hPa风场(图4g)为弱偏南气流，地面形势场(图4h)为蒙古高压前部，地面风速较小，污染物逐渐累积，17时出现此次污染过程中PM2.5小时浓度最高值，为257.3 μg/m3。12月2日当天日均能见度为4.4 km，之后随着蒙古大槽东移(图略)，沙尘随冷空气到达太原，再次出现沙尘天气现象。

此次污染过程环流形势分析结果表明,在高空天气系统东移影响山西的过程中，太原地面均位于弱高压底部，距离高压中心较远，冷空气较弱，近地面大气层结稳定，弱冷空气对污染物的清除作用有限，同时携带沙尘到达地面，导致霾和沙尘的交替出现，天气现象肉眼难以区分，能见度持续较低。

2.3 垂直扩散条件

图5给出了太原市本次污染过程中部分典型时段T-lnp图。由图5(a)可知，11月26日20时，近地面风速的增加，导致近地面湿度降低，虽然近地面风速较大，但由于持续时间较短(见图3)，地面逆温层仍存在，850 hPa为偏西北气流，此时天气现象为沙尘，PM10小时浓度值达到本次污染过程峰值(653.2 μg/m3)。逆温层的存在导致近地面已累积的污染物不容易扩散清除，冷空气携带沙尘到达以后，污染反而进一步加重，能见度持续较低，天气现象肉眼难以分辨。

图5 太原市2018年11月26日20时(a)、12月2日08时(b)、12月6日08时(c)重污染天气过程期间T-lnp图

从12月2日08时T-lnp图来看(图5b)，近地面为西南气流，近地面及850 hPa均出现逆温，且湿度较大，双层逆温导致大气污染扩散气象条件极差，而地面湿度大又导致细粒子容易吸湿增长，近地面污染物不断累积，能见度低。至12月2日17时，PM2.5小时浓度值出现本次污染过程最高值(257.3 μg/m3)，此时天气现象为霾，冷空气尚未影响太原。

由12月6日08时T-lnp图来看(图5c)，地面及高空均出现较强西北气流，逆温层消失，此时，空气污染扩散气象条件良好，污染物清除，此次污染过程结束。

从整个污染过程08时及20时T-lnp图来看(图略)，近地面均有不同程度逆温出现，在天气现象以霾为主时段，空气湿度高于沙尘天气阶段的湿度(霾天气现象阶段的平均湿度为56.2%，沙尘天气现象阶段的平均湿度为32.1%)，逆温层厚度及强度均大于沙尘阶段的，整个污染时段，冷空气活动次数多，但强度弱，不易打破近地面逆温层，对污染物的清除作用非常有限。

2.4 后向轨迹分析

通过后向轨迹模式，对整个污染过程期间逐时后向轨迹进行计算，并通过二分K值法聚类分型，轨迹的路线和方向表示气团在到达计算点(太原市)所经过的地区，根据其长短可以判断出气团移动的速度，长轨迹对应移动快速的气团，短轨迹对应移动缓慢的气团。

整个污染过程期间的轨迹分为4类，水平方向轨迹见图6。从聚类结果来看，2类轨迹为首要污染物为PM10的污染轨迹，其平均移动速度为10.5 m/s。此类轨迹影响时段，PM2.5/PM10平均值为0.34，视为沙尘轨迹，这与冷空气携带沙尘到达目标城市形成污染是一致的。1类轨迹PM2.5/PM10平均值为0.54，其平均移动速度为2.7 m/s，此类轨迹移动速度慢，从其空间特征来看，垂直运动过程中的下沉后再抬升现象更容易将沿途的低层污染物裹挟向下游输送[21]。在此次污染过程中，此类轨迹对应首要污染物为PM2.5的霾天气，这与在大气污染扩散气象条件较差时段，PM2.5粒径较小更容易在空气中悬浮相一致。3类及4类轨迹，对应PM2.5/PM10平均值分别为0.42和0.45。4类轨迹移动速度较3类轨迹的快，从其空间特征来看，亦在垂直方向上出现先下沉后再抬升的运动过程，此类轨迹亦对应首要污染物为PM2.5的霾天气。其中，1类和3类轨迹的移动速度均小于5 m/s，为近距离输送。2类轨迹和4类轨迹分别占污染过程期间轨迹的67.9%和27.9%，这是由于太原市地处中纬度地带大陆内部，西北风盛行，轨迹结果与太原所处的地理位置和季风气候是相适应的[20-28]。

图6 太原市2018年11月21日-12月6日重污染天气过程期间后向轨迹聚类结果(a)及其空间特征(b)

2.5 气态污染物(SO2、NO2)变化特征

图7给出了污染过程期间太原市颗粒物与气态污染物浓度逐时变化。由图7可知，11月26日，在沙尘到达之前(天气现象为霾时)，SO2和NO2浓度与PM2.5浓度呈现协同变化趋势，13时SO2浓度最高，达到了当日最高值(94.3 μg/m3)，NO2浓度亦出现当日最高值，为100.4 μg/m3。这是由于此时地面风速较小，大气污染气象扩散条件较差，空气中污染物不断累积。随着地面风速增大，天气现象逐渐转变为沙尘，PM10浓度暴发式增长，SO2和NO2浓度快速下降，同时PM2.5/PM10值出现大幅下降，至11月26日21时，SO2浓度为14.2 μg/m3，NO2的浓度下降至当日最低值29.8 μg/m3。之后随着风速降低，天气现象再次转变为霾时，SO2和NO2浓度与PM2.5浓度变化趋势又趋于一致。本次污染过程中沙尘天气阶段和霾天气阶段均呈现类似变化特征，说明气态污染物(SO2和NO2)的浓度受地面风向及风速影响较大[5,12,29-32]。在典型的霾天气时段，SO2和NO2浓度与PM2.5浓度变化趋势一致；在沙尘影响时段，随着风速的增加，SO2和NO2的浓度呈现下降趋势。

图7 太原市2018年11月21日-12月6日重污染天气过程期间颗粒物与气态污染物浓度逐时变化

3 结 论

(1)2018年11月22日-12月5日太原市冬季出现的霾和沙尘“混合型”污染天气过程，历时14天，首要污染物为颗粒物，可分为“霾-沙尘-霾-沙尘-霾”五个阶段，属于一种“非典型性”污染过程。

(2)沙尘随着气流到达后，空气中粗粒子的比重增加，PM10浓度呈现暴发式增长，与此同时地面风速的增大对霾天气阶段累积的细粒子有一定清除作用，导致在沙尘影响阶段初期，PM2.5/PM10值呈现急剧下降趋势；当天气现象逐步转为霾时，地面风速减小，天气静稳，空气中质量较大的粗粒子受重力影响逐步沉降，而细粒子将持续悬浮在空气中并不断累积，导致PM2.5浓度逐步增加，PM2.5/PM10值亦呈增加趋势。

(3)在此次过程期间，随着高空天气系统东移影响山西，太原地面位于弱高压底部，距离高压中心较远，冷空气较弱，近地面大气层结仍趋于稳定，整个污染过程期间08时及20时近地面均有不同程度逆温出现，冷空气对污染物的清除作用有限，同时携带沙尘到达地面，导致霾和沙尘的交替出现。

(4)整个污染过程期间的后向轨迹分为4类，以PM10污染为主的沙尘天气轨迹移动速度高于以PM2.5污染为主的霾天气轨迹移速；在垂直方向上出现先下沉后再抬升的空间运动轨迹，对应首要污染物为PM2.5的霾天气。

(5)气态污染物(SO2和NO2)浓度在沙尘天气和霾天气时段呈现不同变化特征。由于气态污染物的浓度受地面风向及风速影响较大，在沙尘阶段，随着PM10浓度暴发式增长，SO2和NO2浓度快速下降；在风速降低，天气现象逐渐转变为霾时，SO2和NO2浓度与PM2.5浓度变化趋势基本一致。