四川盆地一次持续性雾霾天气演变特征及其成因

卿清涛，刘 佳，李小兰，罗 玉，郭海燕，甘薇薇，孙 彧

(1.四川省气候中心，四川 成都 610072；2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点研究室，四川 成都 610072；3.四川省气象探测数据中心，四川 成都 610072)

引 言

雾霾为雾和霾的统称。雾或霾天气出现时，边界层中低层的逆温使得各种细颗粒物聚集在近地层难以向外输出，致使能见度低下、污染物质量浓度升高及空气质量不佳，因此通常将雾、霾并入一起作为灾害性天气预警预报，统称为“雾霾天气”[1-2]。大量排放源排放出的气溶胶是城市雾霾天气形成的主因[3]，这些排放源有燃煤源、工业污染源、汽车尾气和城市扬尘等[2]。

雾霾中的主要污染物成分各地不尽相同，硫酸盐是美国雾霾天气的主要污染物[4]，而北京灰霾天气主要主要成分为硫酸铵、硝酸铵以及硝酸钙等，上述成分对人体健康有害[5]，持续时间较长的雾霾天气过程对敏感人群的健康影响更大，同时雾霾天气伴随的低能见度限制了交通运输的正常开展。研究典型雾霾天气过程发生的气象条件，可以提高雾霾天气预测的准确性，并在污染天气来临之前采取减排措施，降低雾霾天气过程的污染物浓度，减轻其不利影响。

我国雾霾污染呈现东高西低、北高南低的分布特征[6]。雾霾污染的区域性特征显著，以京津冀、长三角地区为核心逐渐向周边城市扩散蔓延，且集中连片爆发[7]。同时雾霾天气的发生具有很强的季节性特征，秋冬季节正是我国雾霾污染天气的多发期[8]。近30 a来中国东部和西南部雾霾天气发生频率呈上升趋势[9]，进入21世纪，一方面由于中国经济飞速发展，石化燃料消耗量增加，伴随各种污染物排放量上升，雾霾天气日数增多，且持续时间增长、影响范围更广[10-12]。2013年1月华北地区出现持续时间长、影响范围广的雾霾天气过程，引起广泛关注，研究表明地面弱的气压场、较小的风速、较大的相对湿度、边界层逆温和PM2.5质量浓度的上升是持续性雾霾天气过程形成和发展的有利条件，硝酸盐是此次华北地区雾霾过程气溶胶的主要贡献者[13-14]。

四川盆地区域人口密集，经济发达，污染物排放量大[15]，是全国雾霾天气的频发区域之一[16-17]，其中盆地中部和东部地区是雾霾高发区[18]。四川盆地地形特殊，主要由盆地周边山地、盆中丘陵及盆内平原组成，与盆地四周接壤的高原、高山形成自然阻隔，致使盆地内外低层大气难以交换，易出现静稳天气，具备雾霾形成的气象条件。另外，盆地秋冬季节大气层结稳定，高湿度、低风速以及逆温等气候条件共同作用致使大气扩散和输送能力较弱，易形成持续性雾霾天气过程[19]。

2014年12月至2015年1月四川盆地区域出现持续40 d的严重雾霾天气，对人们的生活以及社会经济造成重大影响。本文通过单站及区域雾霾过程的判识，结合污染物质量浓度变化，分析此次过程的气象条件，以揭示持续性雾霾天气过程的阶段性特征及其影响因子，旨在为持续性雾霾天气的预测预警提供技术支撑。

1 资料与方法

1.1 资 料

所用资料为：(1)国家气象信息中心全国综合气象信息共享平台(CIMISS)提供的四川盆地103个国家气象站(扣除峨眉山气象站)地面观测日值数据，包括气温、降水、相对湿度、风速、能见度、日照等；(2)大气污染数据来自四川省环境监测总站逐日资料，包括空气质量指数(air quality index, AQI)及SO2、NO2、PM10、PM2.5等污染物质量浓度；(3)NCEP/NCAR日平均大气再分析资料，包括500 hPa位势高度、海平面气压场、850 hPa平均风、垂直速度、温度以及相对湿度，时间范围为2014年12月19日至2015年1月27日，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直分辨率为17层；(4)边界层高度、对流有效位能CAPE为ERA5再分析资料的小时平均数据，空间分辨率0.25°×0.25°，区域范围为105°E—108°E、28°N—33°N。文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2017)3320的标准地图制作，底图无修改。

1.2 方 法

1.2.1 单站雾霾日和区域雾霾过程确定

一直以来，雾日判识标准比较统一，但霾的判识缺乏统一标准， 2003年中国气象局发布了霾的观测标准[20]，但由于轻雾和霾的能见度判别阈值相同，两者的判识受地面气象观测员主观影响较大，所以霾和轻雾日的统计存在差异，难以反映出真实状况[21-23]。2010年初中国气象局发布了统计霾日的新标准《霾的观测和预报等级》[24]，全国统一以相对湿度80%作为辅助标准，相对湿度为80%～95%时按照气象观测规范或大气成分进一步判识。由于目前四川大部分观测台站缺乏大气成分观测资料，根据该标准记录霾日时出现争议。为了使霾日的统计结果更客观，孙彧等[25]、刘佳等[17]对比了多种霾的判识方法，认为表1所列的判识条件能体现四川雾霾日的分布特征，符合气候区划特点，因此本文将基于此方法进行雾霾日的判识。

表1 雾霾日判别条件

区域雾霾过程定义参考肖莺等[26]关于湖北省雾霾过程的判识方法，四川盆地连续5 d有20%(21个)以上站点出现雾或霾，则认为出现了区域雾霾过程；超过5 d的过程中，如果有1 d雾霾站点数大于10%且小于20%，且后面雾霾站点数又超过20%，则判定为同一次过程，否则判定为两次过程。

1.2.2 污染指数

污染指数公式如下：

Pij=Cij/Sj

(1)

式中：Cij为第i个城市第j种污染物日平均质量浓度；Sj为第j种污染物质量浓度标准值。如果Pij>1则表示第i个城市第j种污染物超标。

2 雾霾过程概述

2014年12月19日至2015年1月27日四川盆地出现长达40 d的雾霾过程，除2015年1月6日和8日雾霾站点数少于20%外，其余时间雾霾站点数都超过20%。其中2015年1月3日91站出现雾霾，有21站雾霾连续出现日数在10 d以上，9站在15 d以上，广安连续日数最多(20 d)。有20站雾霾累计出现日数在30 d及以上，5站在35 d以上，其中广安雾霾累计出现日数最多，达37 d；整个过程只有雅安的石棉和荥经两县未出现雾霾天气。

雾霾累计出现日数超过30 d的区域主要集中在盆地东北部的广安市和达州市，盆地中、南部的内江市、自贡市和泸州市，另外成都和遂宁等市的局部区域雾霾累计出现日数也在30 d以上(图1)。

图1 2014年12月19日至2015年1月27日四川盆地雾霾累计出现日数空间分布(单位：d)

3 雾霾过程AQI和污染物质量浓度变化

3.1 AQI变化及雾霾过程定义的合理性

本次过程雾霾累计出现日数最多的区域为广安、达州、泸州、自贡、内江等市，以及成都、遂宁等市的局部区域，其中广安、达州、内江和遂宁2014年12月没有污染资料或缺测严重，因此选取成都、自贡、宜宾、泸州和南充5市AQI、SO2、NO2、PM10和PM2.5资料，研究AQI和污染质物量浓度的变化与雾霾天气的关系。为验证单站雾霾识别条件和区域雾霾判定方法，资料序列长度在本次雾霾过程的开始前和结束后各增加3 d，即2014年12月16日至2015年1月30日。

图2为2014年12月16日至2015年1月27日5市不同等级AQI日数分布。可以看出， 5市AQI≥100的日数为36～38 d，AQI≥150的日数为22～33 d，其中宜宾、南充分别为22和23 d，自贡最多为33 d；AQI≥200的日数为7～21 d，南充最少(7 d)，自贡最多达21 d；AQI≥300的只有泸州站(2 d)，AQI最大为304。

图2 2014年12月16日至2015年1月30日5市不同等级AQI日数分布

图3为2014年12月16日至2015年1月30日5市AQI逐日变化。可以看出，整个雾霾过程除2015年1月6日和8日外，AQI均大于100，1月28日AQI迅速下降至50以下，四川盆地接近40 d的雾霾过程结束。此次雾霾过程AQI绝大多数都在100(轻度污染)以上，部分超过150(中等程度污染)，少部分超过200(重度污染)，说明本文单站雾霾识别和区域雾霾过程判识条件是合理的。

图3 2014年12月16日至2015年1月30日5市AQI逐日变化

3.2 雾霾天气主要污染物质量浓度变化

图4为本次雾霾过程中SO2、NO2、PM10和PM2.5的日均质量浓度变化。可以看出，SO2日均质量浓度均没有超过二级标准，其中成都、自贡、泸州、宜宾和南充市SO2日均质量浓度分别为8～62、14～73、20～78、19～48、11～43 μg·m-3；最大值78 μg·m-3出现在泸州，约为标准值的52%，最小值出现在成都(8 μg·m-3)，约为标准值的5%。

图4 2014年12月16日至2015年1月30日5市SO2(a)、NO2(b)、PM10(c)和PM2.5(d)日均质量浓度变化

除成都市外，其余4市NO2日均质量浓度均没有超过二级标准。其中成都NO2日均质量浓度为46～96 μg·m-3，超标4 d；自贡、泸州、宜宾及南充市NO2日均质量浓度分别为24～46、29～61、34～61及22～59 μg·m-3。本次过程成都市NO2日均质量浓度较高，与成都市汽车保有量有一定关系。

与SO2和NO2不同，PM10和PM2.5日均质量浓度超标日数明显增多。成都市PM10和PM2.5日均质量浓度为83～222和51～206 μg·m-3，分别超标33和37 d；自贡市二者日均质量浓度为83～298和57～244 μg·m-3，分别超标34和37 d；泸州、宜宾及南充市PM10和PM2.5分别超标26、25、28 d及和35、34、36 d。PM10和PM2.5日均质量浓度最大值均出现在泸州市，分别为316 和253 μg·m-3，超标111%和237%；PM10和PM2.5日均质量浓度最小值分别出现在南充和宜宾市，为64和44 μg·m-3，约为标准值的42%和59%。

PM2.5和PM10日均质量浓度超标严重，且与AQI变化趋势几乎一致，其中PM2.5超标天数更多，超标程度更严重，表明这两种污染物为雾霾过程的主要成分，且PM2.5排在第一位。SO2和NO2日均质量浓度的变化趋势与AQI虽有差距，但过程结束时其质量浓度锐减，说明雾霾天气与污染物集聚有相关性。进一步验证单站雾霾和区域雾霾过程的判识条件是合理的。

为进一步说明本次雾霾过程的主要污染物，统计各污染物的污染指数见表2。5个城市污染指数最小、最大及平均值和超标日数百分率均为PM2.5>PM10>NO2>SO2，且PM10和PM2.5污染指数平均值都大于1，即污染物日均质量浓度超出二级标准；PM10和PM2.5污染指数平均值极值分别出现在成都(1.38)和自贡(2.02)，最大值分别出现在成都(2.18)和泸州(3.37)。SO2日均质量浓度5市均没有超标，除成都外其他4市NO2也没有超标，成都市NO2污染指数最大值为1.20，平均值为0.81，超标日数百分率为10%。进一步表明本次过程的主要污染物为PM2.5，其次为PM10。

表2 雾霾过程污染物污染指数统计

4 雾霾过程环流形势和气象条件分析

4.1 环流形势

图5为2014年12月16日至2015年1月27日500 hPa平均位势高度场、平均海平面气压场以及850 hPa平均风场。

图5 2014年12月16—27日(a、b、c)、2015年1月1—5日(d、e、f)、9—21日(g、h、i)和26—30日(j、k、l)500 hPa平均位势高度场(a、d、g、j)(单位：gpm)、平均海平面气压场(b、e、h、k)(单位：hPa)及850 hPa平均风场(c、f、i、l)(单位：m·s-1)

2014年12月16—27日，500 hPa平均位势高度场上，乌拉尔山高压脊偏强，东亚大槽偏弱。中低纬南支槽平浅，西太平洋副热带高压(简称 “副高”)偏弱偏南，西南偏西风主要位于长江下游偏南地区，四川大部区域降水较少，不利于污染物扩散。海平面气压场上，地面冷高压位于西北到华中区域，四川位于冷高压底部。850 hPa风场上，四川为偏北风，且风速较小。综上所述，高空平直环流和地面均压场形势均有利于雾霾的发生发展。

2015年1月1—5日，500 hPa平均位势高度场上，孟加拉湾南支槽偏强，副高偏强偏北，四川受副高影响降水较少，受南支槽东移影响，湿润的西南偏西风会使大气中污染物沉降。海平面气压场上，地面冷高压位于西北到华南区域，四川位于冷高压后部的均压场中，天气系统较弱，不利于雾霾的扩散。850 hPa平均风场上，四川大部分区域受偏南风影响，风速小于2 m·s-1，大气层结稳定，利于雾霾的形成。

2015年1月9—21日，500 hPa平均位势高度场上，乌拉尔山高压脊偏强，南支槽偏弱，副高偏弱偏东，西风带主槽位于华北区域，势力弱，四川位于西风带主槽边缘，环流平直。平均海平面气压场上，地面冷高压位于青藏高原到华东区域，四川受冷高压控制。850 hPa平均风速场上，四川位于偏北风区域，但风速较小，大部分区域小于2 m·s-1。高空平直环流和地面均压场形势均有利于雾霾的发生发展。

2015年1月26—29日，500 hPa平均位势高度场上，乌拉尔山高压脊偏弱，东亚大槽偏强偏东，中低纬南支槽偏深偏东，副高偏弱偏北，四川位于南支槽前，西南风带来湿润水汽使四川大部区域降水较多，利于污染物扩散。平均海平面气压场上，地面冷高压位于西北到华南区域，四川位于冷高压后部；850 hPa平均风场上，四川大部位于偏南风区域，冷空气势力较弱，暖湿气流强盛，后期偏南风增强，促进污染物湿沉降，利于雾霾消散。

4.2 气象条件

4.2.1 地面气象要素

表3列出雾霾过程地面气象要素距平值。可以看出，此次雾霾过程四川盆地平均气温较基准值平均偏高1.24 ℃，降水偏少约34.77%，日照时数增加10.33 h，平均相对湿度偏低2.67%，风速与多年平均基本持平。雾霾累计日数不同，上述各要素值略有变化，但大小与累计日数多少无明显相关。

表3 雾霾过程地面气象要素距平

4.2.2 温度

图6为2015年1月1日至2月4日沿107°E的500 hPa温度时间-纬度剖面。可以看出， 2015年1月1—5日暖空气较强，5—12日有冷空气南下，而13日以后暖气团再次增强，19—21日有一股较强冷空气再次南下，之后到29日该区域均处在暖气团控制下，直到30日冷空气再次入侵。对应整个雾霾过程而言，稳定的高空温度为雾霾天气的持续提供了大的环流背景，而末期的冷空气入侵加速了雾霾的消散。

图6 2015年1月1日至2月4日沿107°E的500 hPa温度时间-纬度剖面(单位：℃)

4.2.3 温度平流

为进一步分析温度变化对雾霾过程的影响，对2014年12月19日、2015年1月6日、9日、28日温度平流沿107°E的纬度-高度剖面(图略)进行分析发现，2014年12月19日，28°N—36°N区域地面到700 hPa为弱暖平流，中高层为弱冷平流，上下层整体为相对稳定状态；2015年1月6日，35°N以南区域，近地面存在冷平流，35°N以北高层出现暖平流，该冷暖平流结构利于近地面形成逆温层结； 1月9日，近地面存在暖平流，中高层出现冷平流，该冷暖平流结构利于雾霾扩散；1月28日与1月6日较类似，近地面存在冷平流，中高层为暖平流，该逆温层结构不利于雾霾扩散，对应1月28日AQI值最大。

4.2.4 垂直速度和相对湿度

图7为2015年1月1日至2月6日区域平均垂直速度和相对湿度的时间-高度剖面。可以看出，1月1—4日850 hPa以上存在下沉运动，而5日上升运动显著，利于雾霾消散。1月9—27日，除16日800 hPa以下垂直速度基本为负值外，其余时段800 hPa以上垂直速度是正值，存在下沉运动，速度大于10×10-2Pa·s-1。27日以后，受冷空气影响，近地面有较明显上升运动，上升速度大于-5×10-2Pa·s-1，并持续至2月1日，利于雾霾的垂直扩散。1月1—17日，近地面相对湿度较高，超过70%，其中8—9日超过80%。1月30—31日也出现类似情况，同时AQI值减小。

图7 2015年1月1日至2月6日区域(25°N—35°N、100°E—108°E)平均垂直速度(等值线，单位：10-2 Pa·s-1)和相对湿度(阴影，单位：%)的时间-高度剖面

4.2.5 边界层高度及CAPE

图8为2014年12月16日至2015年1月30日四川盆地边界层高度、对流层有效位能及AQI变化。可以看出，2014年12月16—27日，边界层高度逐日下降，并在2015年1月1日达最低值(181.2 m)；CAPE值较小，对流活动潜势变弱，大气层结转向稳定状态，污染物质量浓度逐渐在近地面积累，对应的AQI逐日增大，1月3日达最大，盆地污染加重； 1月5日边界层高度最高(540.0 m)，对应CAPE值也达到了7.0 J·kg-1，此时AQI迅速减小，6日AQI为最小(70.6)；9—21日边界层高度持续降低并保持低值(小于300 m)，并在24日为最低值(190 m)，对应同期CAPE值在1月15日波动增加后又迅速减小，表明对流潜势减弱，AQI相应呈现波动增加，污染逐日加重；1月26—30日边界层高度迅速增高，其中26日CAPE迅速增大并达到最大值(11.9 J·Kg-1)。虽然CAPE对污染物的扩散具有一定的贡献作用，但冬季CAPE明显偏小，对污染物质量浓度的影响不如边界层高度显著，本次雾霾的大范围累积与四川盆地区域平均边界层高度的演变具有明显的关联，较低的边界层高度加之盆地周围不利于污染物扩散的高山地形，使本次雾霾过程持续。

图8 2014年12月16日至2015年1月30日四川盆地(105°E—108°E、28°N—33°N)平均边界层高度、CAPE及AQI变化

5 结 论

(1)此次雾霾天气过程表现出强度强、持续时间长、发生范围广的显著特点。其中2015年1月3日91站出现雾霾，占盆地总站数的90%；有21站雾霾连续出现日数在10 d以上，9站在15 d以上。过程雾霾累计日数超过30 d的区域主要集中在盆地东北部的广安和达州市，以及盆地中、南部的内江市南部、自贡南部和泸州北部，另外成都和遂宁等市的局部区域累计雾霾日数也在30 d以上。

(2)本次过程AQI变化与本文定义的雾霾过程高度一致，验证了单站雾霾识别和区域雾霾过程判识条件是合理的，过程期间，污染物监测点AQI超过100，最大为304，出现在泸州；过程的主要污染物为PM2.5，其次是PM10。

(3)雾霾天气过程的强弱与天气形势、边界层垂直结构密切相关。与历史同期相比，这次超长雾霾过程盆地区平均气温偏高1.24 ℃，降水偏少34.77%，日照偏多10.33 h，相对湿度偏低2.67%，风速基本持平略偏大。雾霾区域的扩展与盆地地区边界层高度的演变有明显的关联，较低的边界层高度加之盆地周围不利于污染物扩散的高山地形，使本次雾霾过程持续维持。

(4)此次雾霾过程发生(消散)阶段，500 hPa中高纬度以纬向(经向)环流为主，乌拉尔山高压偏强(弱)，东亚大槽偏弱(强)偏南(东)，副高偏东(偏北)，四川位于西风带主槽边缘(西风带槽前偏强区)，降水偏少(多)；同时四川位于偏北(南)风区域，且风速较小(较大)，中高纬冷空气的入侵减弱(增强)；雾霾持续阶段，孟加拉湾南支槽偏强，锋区主要位于25°N以南，副高偏强偏北，四川位于冷高压脊后部，天气系统较弱，大气层结稳定，降水较少，利于雾霾形成；但在后期受南支槽东移影响，湿润的西南偏西风会使大气中污染物沉降。