边界层动力过程对成都冬季细颗粒物污染事件的影响

2022-01-04王晨曦王维佳桂海林曹杨郭云云

气象科技 2021年6期

王晨曦王维佳桂海林曹杨郭云云

(1 四川省气象灾害防御技术中心，成都 610072; 2 中国气象局云雾物理环境重点实验室，北京 100081; 3 四川省人工影响天气办公室，成都 610072; 4 国家气象中心，北京 100081; 5 四川省气象台，成都 610072)

引言

近年来，随着社会各界的共同努力，大气污染防治攻坚稳步推进，我国大气环境质量整体上持续稳中向好，然而空气质量仍有波动，特别是在冬季仍有重污染事件发生，大气污染治理呈现复杂性和艰巨性。持续开展重污染过程监测和分析对于科学支撑环境管理部门综合决策具有重大意义。国内外的研究结果表明，细颗粒物(PM2.5)污染与静稳天气下的环流形势、相对湿度、逆温、大气稳定度、边界层高度、边界层内的气象要素特征均有着密切联系[1-6]。此外，某些特殊地形限制了污染物的扩散，并促进了污染物的吸湿性增长以及二次转化，再加上区域输送，往往会导致污染物浓度的爆发性增长。京津冀、长江三角洲、珠江三角洲[7-15]作为我国大气污染治理的重点区域，区域及周边地区大气污染问题一直备受关注，四川盆地和汾渭平原由于特殊地形而频发的秋冬季污染问题也日益受到重视。已有的研究结果表明：均压场的分布和较为平稳的高空形势为污染天气提供了有利气象背景；高湿、静小风、逆温、较低的混合层高度以及较差的边界层内垂直扩散条件不利于污染物的扩散；特殊地形下，污染阶段与清除阶段具有不同的低层盛行风向；大气折射率结构常数偏高以及边界层内的通风系数对污染物累积以及清除也具有一定的指示性。

四川是中国四大霾区之一，地形与气象因素造成四川盆地秋冬季静稳天气居多、雾霾频发，在高浓度排放叠加下PM2.5等颗粒物污染情况严重[16-19]。成都作为四川的省会城市，环山地形特征导致成都地面风速整体偏小，风场对污染物的扩散能力弱，局地环流特征显著。冬季成都近地面容易产生逆温，雾霾频发，能见度偏低。对成都的PM2.5污染输送与潜在来源的研究结果表明，成都南部及西南部城市群有显著贡献。但是，目前针对成都地区污染过程的研究大多局限于地面气象要素，边界层特征的研究仍较缺乏。因此，本研究利用高时空分辨率的风廓线雷达资料结合常规气象观测数据，选取了2017年12月至2018年1月成都两次持续时间长的冬季典型重污染过程，从地面气象要素、环流形势、边界层风场、边界层湍流以及动力特征、局地环流、通风系数等多方面对比分析两次污染过程生消特征的异同，旨在为大气污染的预报以及防治提供科学依据。

1 数据及方法

选取位于成都市龙泉驿(104.26°E，30.61°N，海拔高度461 m)与大邑(103.46°E，30.56°N，海拔高度507 m)的L波段边界层风廓线雷达，数据包括水平风速、水平风向、垂直速度、大气折射率结构常数等，该数据的垂直分辨率在900 m以下为60 m，900 m以上为120 m。PM2.5浓度数据来源于成都市区沙河铺(104.13°E，30.63°N)的环保国控站点。选取位于成都市温江区(103.85°E，30.74°N，海拔高度547.7 m)的探空风场数据以及地面常规观测站的温、压、湿、风资料，其中探空数据的观测时间为每天08:00与20:00，其余数据的时间分辨率均为1 h。

1.1 通风系数

通风系数(VI)指一定高度层内累计水平风速的大小，可以用来表征水平方向上的风场对污染物的输送能力，公式如下：

(1)

其中，i为该时刻数据中垂直高度由低至高的第i层数据；hi为第i层数据所对应的垂直高度(单位:m)，vi为第i层数据对应的风速大小(单位：m/s)。

1.2 局地回流指数

局地回流指数(RF)可以用来反映风场的有效输送能力，RF的值介于0～1之间，当RF接近1时，表示污染物可以被风场输送到较远的距离，而RF接近0时，则认为该时段内的风场使污染物回流堆积的效果越明显，污染物的有效扩散区域小[7]，公式如下：

其中，t为某个时刻，te与ts为起始与终止时刻，ΔT为数据时间间隔，ut与vt为t时刻水平风的东西分量与南北分量。

2 污染过程概述

本文分析了成都冬季两次典型的重污染过程(图1)。过程1(2017年12月17日至2018年1月3日)具有污染持续时间长，重污染为主的特点。整个过程的平均PM2.5浓度为134 μg/m3，峰值浓度为268 μg/m3，重度污染(PM2.5大于150且小于等于250 μg/m3)时段占总污染时段的31%，轻度污染(PM2.5大于75且小于等于115 μg/m3)与中度污染(PM2.5大于115且小于等于150 μg/m3)分别占过程总时段的24%、23%。

过程2(2018年1月8—24日)持续时间较长，以轻度污染为主。过程平均PM2.5浓度为102 μg/m3，峰值浓度为243 μg/m3，其中,轻度污染时间占总污染时段的27%，中度污染以及重度污染的时间分别占过程总时段的20%、13%。综上，过程1与过程2的污染时长基本相当，但过程2的平均浓度、峰值浓度、重度污染时段所占的时长比过程1偏弱。

3 地面气象要素与环流形势分析

成都平原地处四川盆地西部，其东侧为龙泉山脉，西侧为龙门山脉，北接川东北城市群，南临川南城市群，因而成都平原污染高发不仅与特殊地形影响下的气象条件相关，也与城市群间的污染传输相关。根据PM2.5浓度的变化趋势，将过程1划分为2个阶段。在过程1的第1个阶段(2017年12月17—29日)，天气扰动较大，PM2.5浓度曲线波动上扬，并且具有明显的日变化特征。由图1a、b可知该阶段夜间平均风速为0.8 m·s-1，平均相对湿度为94%，PM2.5浓度在静稳高湿的条件下累积；到了白天，平均风速增大到1.2 m·s-1，平均相对湿度则降为68%，PM2.5浓度逐渐下降并在17：00左右达到谷值。结合图2a可知，阶段1期间近地层主导风向为西北风与西风，风向频率分别为21%、16%。当风速小于1 m·s-1时，PM2.5浓度随着风速的减小而增大；当风速大于1 m·s-1时，PM2.5浓度随着风速的增大而增大，PM2.5浓度的大值区主要分布在东北、西、南这3个风向上。综上，在本地不利于扩散的气象条件与区域输送的共同影响下，阶段1的累

图1 成都两次重污染2017年12月17日至2018年1月3日(a,b),2018年1月8—24日(c,d)风向、风速、相对湿度以及PM2.5浓度的时间序列

积情况比较严重。结合天气形势具体看来，16日至23日白天，成都地区高空以纬向型环流为主，地面处于弱气压场中，近地面风向以西北风为主，小时平均风速约为1 m·s-1，同时925 hPa有逆温层存在，950 hPa以下相对湿度缓慢增大至80%，PM2.5浓度在静稳高湿条件下持续积累，于23日00:00达到了288 μg/m3。23日夜间，随着深厚高空槽与地面冷高压东移北抬，地面上成都位于青海冷高压东南部，受高空槽后部干冷空气与地面弱高压影响，近地面转为东南风，风速增大到2 m·s-1，相对湿度降低到30%以下，PM2.5浓度在23日17:00降至102 μg/m3。25日白天，高空转为平直的纬向环流，地面气压降

至1025 hPa，夜间近地面形成多层逆温，925 hPa以下逆温差可达13 ℃，垂直扩散条件转差，因此25日夜间PM2.5浓度波动上升，并在26日08:00达到223 μg/m3。随后，在系统扰动、风场对污染物的区域输送等作用的影响下，PM2.5浓度经历了几次波动，至29日白天，成都受均压场控制，地面相对湿度明显增强到98%，有利于污染物的吸湿增长，PM2.5浓度于12:00爆发式增长至268 μg/m3。29日夜间，850 hPa以下北风盛行，打破了近地层的静稳状态，风速最大值达到10 m·s-1，导致逆温层顶高度下降，近地面温度露点明显增大且湿层浅薄，垂直扩散条件转好，PM2.5在17:00以后减弱至120 μg/m3以下。

第2阶段(2017年12月30日至2018年1月3日)，风速、风向与湿度条件比阶段1明显转好，污染程度也较阶段1明显偏弱。由图1a、b可知，PM2.5浓度总体维持在150 μg/m3以下，PM2.5浓度曲线夜间高、白天低的日变化特征仍然存在。夜间与白天的平均风速分别为1.1 m·s-1与1.6 m·s-1，夜间与白天的平均相对湿度则分别为80%与60%。结合图2b可知阶段2期间，近地层主导风向为东北风与北风，所占的频率分别为20%、19%。在主导风向上，PM2.5浓度随着风速的增大而减小，当风速大于3.5 m·s-1，PM2.5浓度小于35 μg/m3。当风速介于1.5～3 m·s-1之间时，西北风、西南风与PM2.5浓度大值区有明显的对应关系，这表明风对污染物存在区域输送。30日夜间至1月2日夜间，高空受冷涡后部平直偏西气流控制，大气层结稳定，PM2.5维持在100 μg/m3以下。2日20：00，近地面逆温层消失，地面到700 hPa饱和假相当位温随高度减小，大气层结不稳定，扩散条件转好，3日08:00，孟湾生成的南支槽东移影响成都地区，850 hPa风速达到8 m·s-1，并在市区产生0.5 mm的弱降水，近地层转为东北风，小时风速可以达到3.3 m·s-1，PM2.5浓度在3日13:00降到了29 μg/m3以下，标志着此次污染过程的结束。综上，阶段2期间东北风与北风对PM2.5浓度的清除作用明显，同时西北风、南风对污染的区域输送作用也非常明显。

同样根据PM2.5浓度的变化趋势，将过程2划分为2个阶段。阶段1(2018年1月9—16日)，由图1c、d可知，夜间与白天的平均相对湿度分别为89%、58%，夜间与白天的平均风速为0.8 m·s-1、1.5 m·s-1，PM2.5浓度在夜间高湿小风的条件下吸湿增长并本地累积，随着白天风速增大、相对湿度显著降低而回落。结合图2c可知，阶段1期间近地面主导风向为西北风、西风，所占的频率分别为21%、16%。此外，南风所占的频率也达到了13%，该阶段南风风向上的风速偏大(最大值达到3 m·s-1)，且PM2.5浓度随着南风风速的增大而减小，南风对PM2.5的清除作用明显。PM2.5浓度高值区集中在西、西北、北、东北、东风向上，这些风向上的风速基本小于2 m·s-1，PM2.5浓度随着风速的增大而增大，污染区域输送作用明显。结合天气形势具体看来，9—15日，成都高空基本为纬向环流形势，地面受均压场控制，静稳天气形势持续，925 hPa以下维持贴地逆温甚至多层逆温。PM2.5浓度在不利于扩散的气象条件影响下波动上升，于15日15:00达到峰值243 μg/m3。15日夜间，随着高空槽东移加强并向南延伸影响成都，探空站上空中层湿度扩展，850 hPa的相对湿度大于90%，但贴地逆温消失，850 hPa与925 hPa风速分别达到了10 m·s-1与5 m·s-1，扩散条件相对好转。16日近地面风向转为偏南风，日平均风速增至2 m·s-1，小时最大风速为4 m·s-1，相对湿度下降到了21%，PM2.5浓度在16:00降至18 μg/m3。

第2阶段(2018年17—24日),由图1c、d可知，夜间与白天的平均相对湿度分别为87%、74%，夜间与白天的平均风速分别为1 m·s-1、1.5 m·s-1。结合图2d可知，这个阶段地面主导风向为东北风、北风，所占的频率分别为20%、19%。东北风向上的风速最大值可达到4 m·s-1，且PM2.5浓度随着风速的增大而减小，东北风对PM2.5的清除效果明显。17—24日成都地面始终为均压场，高空在几次短波槽过境的扰动下，PM2.5浓度在风速、风向以及相对湿度的影响下经历了几次累积与降低过程。24日上午，云贵川3省交界处生成气旋，成都位于气旋北侧，受锋面影响，08:00以后市区有零星降水，近地面受偏北风影响，风速在20：00达到了4.3 m·s-1， PM2.5浓度持续降低，至25日03：00，PM2.5浓度降低至35 μg/m3，污染过程结束。

4 边界层特征分析

4.1 水平风场

过程1的阶段1期间，风廓线雷达每日的水平风场(图3)呈现出比较一致的变化特征：1000～2000 m高度(这里指离地高度，下同)以下存在平均风速小于2 m·s-1、风向多变的小风层。2017年12月17—23日，成都在静稳天气持续影响下，小风层厚度具有夜间低、白天高的日变化特征，风向变化频繁，贴地层的冷暖平流交替变化明显。这说明，在太阳辐射的作用下，白天贴地层气温变化明显，湍流运动比较旺盛。到了夜间，地面形成辐射逆温，大气层结变得稳定，抑制了湍流运动的发展，边界层内的风速减小，风向变换频率也减慢。24—25日，在地面弱气压场的影响下，风廓线雷达水平风场显示1000 m以下风速偏小、风向多变，PM2.5浓度逐渐累积。25日上午，东北风由近地面向高层发展，1000 m高度以下风速平均值为4 m·s-1，风速最大值达到6.4 m·s-1，PM2.5浓度在25日14:00降至203 μg/m3。25日夜间至26日凌晨，风廓线雷达显示500 m高度以下暖平流频繁活动，探空资料显示925 hPa以下逆温差增至13 ℃，近地面转为偏西风，小风层厚度仅有500 m，风速日平均值为1.1 m·s-1。在小风层厚度偏低以及近地面逆温的影响下，PM2.5浓度在26日08:00累积达到了273 μg/m3。26日白天，随着1000 m高度以下的偏西风逐渐转为东风，风速平均值达到2.5 m·s-1，PM2.5浓度在18:00降到83 μg/m3。到第2个阶段，小风层特征变得不明显，3000 m以下的风向比较一致，1000 m以下风速比阶段1显著偏大，平均风速达到2.5 m·s-1，风向的交替变换次数明显减少，暖平流活动明显减少。2018年1月2日，随着低层东北风的势力持续增强，1000 m以下风速日均值达到3.7 m·s-1。有利的水平风场扩散条件一直持续到了3日，PM2.5浓度持续下降并达到清除标准。

图3 2017年12月24日(a)、25日(b)、26日(c)、2018年1月1日(d)、2日(e)、3日(f)成都龙泉驿风廓线雷达水平风场(图中时间为世界时，下同)

过程2的阶段1期间，近地面1000 m以下的平均风速比过程1的阶段1偏大(图4)，2018年1月10—14日1000 m高度以下平均风速为2.7 m·s-1，风向具有明显的日变化特征，夜间与凌晨以西南风为主，风速较小；午后以东南风为主，风速偏大。具体看来，15日凌晨，1500 m高度以下出现明显的小风层，小风层平均风速为1.5 m·s-1，风向变化频繁，边界层水平风场扩散条件转差，PM2.5浓度在10:00累积至235 μg/m3。10:00以后，随着近地面东北风势力的增强，1000 m高度以下逐渐被偏北风控制，尽管15日1000 m高度以下的日均风速达到了4.2 m·s-1，但PM2.5浓度仍维持在200 μg/m3以上，这表明持续的偏北风也可能带来上游的污染。16日，随着1000 m高度以下南风持续增强，风速日均值达到了4.8 m·s-1，PM2.5浓度在16日下午降至53 μg/m3。在过程2的阶段2(1月17—24日)期间，风向仍具有明显的日变化特征，1000 m以下整层风速较大(均值为2.9 m·s-1)。PM2.5浓度经历了几次波动上升下降的过程后，在锋面过境的影响下，24日全天1000 m高度以下持续的东北风对PM2.5浓度的清除效果非常明显，污染过程结束。

图4 2018年1月14日(a)、15日(b)、16日(c)、24日(d)成都大邑风廓线雷达水平风场

4.2 垂直速度

在静稳型污染天气的大部分时段，边界层内的垂直速度与大气湍流运动偏弱，而天气扰动往往伴随着强下沉运动，导致垂直扩散条件的好转。过程1期间出现了2次强下沉运动，首先是12月29日，1500～3000 m高度之间出现明显的强下沉运动，垂直速度的最大值为2 m·s-1，至22:00，500 m高度以下出现垂直速度大值区，最大值为1.2 m·s-1，PM2.5浓度断崖式下降。第2个时段(2018年1月3日)，随着冷空气的侵入，垂直速度大值区影响范围从近地层延伸至3000 m左右，垂直速度的最大值出现在近地面500 m高度附近，大小为2 m·s-1，大气垂直扩散条件显著转好，污染过程结束(图5a)。

过程2期间也有2次强下沉运动。1月15日，近地面至3000 m出现强下沉区，200～700 m的垂直速度达到3 m·s-1以上，强下沉运动将动量由对流层中低层下传至近地面，对污染物在垂直方向上的扩散清除十分有利。1月24日，近地面至2000 m存在下沉区，垂直速度的日均值达到1 m·s-1(图5b)。

4.3 折射率结构常数

图5 成都重污染过程1(a)与过程2(b)期间垂直速度变化

图6 成都重污染过程1(a)与过程2(b)折射率结构常数变化(由于量级较小，图中为

4.4 局地回流指数

挑选过程1、过程2的污染日与清洁日分别绘制回流指数廓线。由图7a可以看出，过程1的污染日回流指数廓线具有一定的相似性，其主要特征为：近地面的回流指数较低，介于0.4～0.5之间。回流指数随着高度升高而减小，500～1000 m高度附近存在明显的拐点，拐点的回流指数仅为0～0.2，拐点以下的回流指数随着高度逐渐降低，拐点以上的回流指数则随着高度的升高逐渐增大。这表明污染日1000 m以下的风向变化频繁，污染物容易在局地形成回流效应，风场条件非常不利于污染物的清除扩散。清洁日的回流指数廓线则表现为：2000 m以下的回流指数基本上大于0.8(图7b)，这说明2000 m高度以下的风向比较一致，风能把污染物输送到较远的距离，边界层内的水平风场条件非常有利于污染物的清除扩散。

过程2的污染日(图7c)回流指数在近地面100 m高度附近介于0.4～0.5之间，1000 m以下的回流指数平均值都小于0.6。过程2的清洁日回流指数大于0.7(图7d)。

图7 成都重污染过程1污染日(a)与清洁日(b)，过程2污染日(c)与清洁日(d)局地回流指数廓线

4.5 通风系数

通风系数可用于表征水平风场对污染物的清除能力，一定高度内的通风系数较大则表明该高度内水平风对污染物的清除扩散能力较好，反之则较差。过程1期间1000 m以下的平均通风系数为1887 m2·s-1(图8a)。污染累积阶段(2017年12月16—22日)的通风系数显著偏小，平均值为1455 m2·s-1，该阶段1000 m以下的水平风场对污染物的清除扩散效果较差，污染物容易累积。25日，1000 m以下通风系数达到2964 m2·s-1，但并未对污染物达到有效清除的作用，可能有上游污染传输的影响。清除阶段的通风系数显著偏大，2018年1月2日的通风系数达到3321 m2·s-1，有利的通风扩散条件一直持续到过程结束。

过程2期间，1000 m以下的平均通风系数为2725 m2·s-1，比过程1显著偏大(图8b)。2018年1月10—15日，通风系数平均值为2627 m2·s-1，其中14日的通风系数日均值最小，约为2052 m2·s-1，PM2.5浓度在14日达到峰值。随着15日与16日的通风系数日均值分别达到3808 m2·s-1、4271 m2·s-1，PM2.5浓度显著降低。

图8 成都重污染过程1(a)与过程2(b)的通风系数变化(图中为北京时)

5 结论

利用地面常规观测气象资料、风廓线雷达等资料，从环流形势、边界层输送扩散条件等方面对比分析了成都地区2017年12月至2018年1月两次冬季典型重污染生消过程的异同。

(1)两次重污染过程都具有持续时间长、污染程度严重的特点，但过程2的细颗粒物平均浓度、峰值浓度、重污染时段所占的比例都比过程1偏弱；在两次过程的污染累积阶段，天气背景具有共性：高层盛行纬向环流，近地面为均压场、弱气压场，存在多层逆温，夜间相对湿度高，风速小，风向多变，近地面主导风向为西北风、西风，污染的区域输送效果明显；在清除阶段，过程1与过程2分别在南支槽东移与锋面过境的影响下，近地层主导风向转为东北风、北风。

(4)局地回流指数(RF)与通风系数对污染过程预报的指示性非常显著。受盆地独特的地形影响，污染物容易形成局地回流效应。污染累积阶段，1000 m以下的RF小于0.6，近地层的RF小于0.2，通风系数的日平均值仅为1455 m2/s；清除阶段，边界层内的水平风场扩散条件显著转好，局地回流效应减弱，RF大于0.7，通风系数通常大于3000 m2/s；值得注意的是，较大的通风系数也可以起到上游污染物传输的作用。