运城盆地重污染特征及天气模型

刘婉莉， 李冬梅， 张倩倩， 贺钰清

(1.山西省运城市气象局，山西 运城 044000； 2.山西省忻州市气象局，山西 忻州 034000)

引 言

伴随着工业和经济的快速发展，污染天气频发，给人们的健康、生活及经济发展等带来很大影响。在污染排放源相对稳定的前提下，重污染事件的发生与天气形势密切相关[1]，很多专家对此已开展了一系列研究[2-13]。陈朝晖等[14]指出,大尺度天气型结构的演变对重污染预报有重要意义。苏福庆[15]、王莉莉[16]等分析了引起北京严重污染的主要影响天气系统，以及不同天气形势对污染物浓度的影响。喻谦花等[17]分析了开封市空气重污染日高空和地面天气形势，认为高空平直纬向环流型和地面高压前部型是开封出现重污染的主要天气形势。王琼等[18]通过对河北不同区域重污染天气进行分析，建立了不同区域重污染天气预报概念模型。闫世明[19]、李博[20]、李雁宇[21]等分别对太原、青岛和汾渭平原的污染传输路径及潜在源区进行了研究。

近年来，汾渭平原大气污染治理备受关注。运城盆地位于山西省西南部，是汾渭平原的核心地区，海拔低，人口多，其特殊地形不利于污染物扩散。污染治理需要区域间联防联控[19]，因此，研究运城盆地的重污染问题对汾渭平原有重要意义。本文选取汾渭平原重污染区的山西运城市重污染过程，利用2015-2018年环境资料进行重污染特征分析；用高空、地面观测资料及NCEP再分析资料，对重污染出现的天气形势及大气层结进行分析，以期提高运城重污染天气预报预警水平，为污染防治决策提供科学参考。

1 资料及标准

资料年限为2015-2018年。环境资料来自中国空气质量在线监测分析平台历史资料查询，气象资料来自常规高空、地面观测资料及NCEP1°×1°全球客观分析资料，秋冬季按气象标准划分为每年的9月到次年2月。

环境空气质量标准(表1)[22]:AQI为201-300，空气质量为重度污染；AQI大于300，为严重污染[22]。对运城盆地重污染日进行统计，2015-2018年运城共出现重污染日118天，其中≥3天重污染过程为17次。

表1 空气质量标准

2 污染物特征

2.1 污染物浓度月变化

2017年、2018年运城市主要污染物月均浓度变化如图1所示， 除O3月均浓度呈现中间高两头低外，PM2.5、PM10、SO2、 CO、NO25项污染物月均浓度均呈现“两头高、中间低”，即采暖期污染物浓度高于非采暖期浓度的变化特征。从 2017年、2018 年全年情况来看，运城市2018年SO2、CO和NO2月均浓度与 2017年的相比，均有明显下降，2018年2月和12月PM2.5和PM10浓度比2017年同期的下降，12月的下降明显。

图1 2017-2018年运城市主要污染物浓度月际变化(a)PM2.5，(b)PM10，(c)SO2，(d)CO，(e)NO2，(f)O3

2.2 治理前后主要污染物年变化及污染天数变化

2015-2016年运城市重污染问题严重， 2018年运城污染治理措施和力度加大。为了解污染治理措施成效，选取2017、2018年的主要污染物浓度年变化进行分析(表2)，结果发现，2018年PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3较2017年的污染物浓度均有所降低。其中，SO2年均浓度下降最多，较2017年的下降43.1%；其次为CO，年均浓度为1.3 mg/m3,较2017年的下降了27.8%；NO2年均浓度为 30.2 μg/m3,较2017年的下降了13.2%；PM2.5和PM10均值浓度较2017年的分别下降了10.6%和3.5%；O3年均浓度下降最少，较2017年的下降了2.3%。2018年SO2年均浓度明显下降，说明城市燃煤治理成效显著；2018年CO、PM2.5均值较2017年的下降明显，说明运城市污染治理措施效果明显，PM10年均浓度小幅下降，扬尘治理还需加强，O3浓度主要发生在夏季，和秋冬季污染治理关系不大。

表2 2017-2018年运城市主要污染物浓度年均值变化 μg/m3(CO为mg/m3)

根据AQI指数及空气污染标准，对2017-2018年运城市污染天数进行了分析(表3)，结果发现，2018年运城市出现重度污染和严重污染18 天，与2017年(35天)的相比，减少了48.6%；中度污染天数较2017年的减少了7 天；轻度污染天数较2017年的减少了14天，优良天数增加了24.1%(38 天)。分析发现，2017年和2018年气象条件相似，2018年的重度污染和严重污染天数显著减少，优良天数明显增加，说明运城市在大气治理方面成效显著。

表3 2017-2018年运城市污染日数变化

2.3 秋冬季重污染天气特征

2.3.1 秋冬季重污染天气主要污染物变化特征

对2015-2018年秋冬季重污染天气主要污染物浓度年际变化进行分析(表4)，结果发现，2015-2018年秋冬季重污染天气SO2、CO和NO2浓度呈逐年下降趋势。其中，2018年秋冬季SO2平均浓度为 42.4 μg/m3,较 2017年的下降了64.5%,下降最为明显；CO平均浓度为 3.0 mg/m3,较2017年的下降了16.7%；NO2平均浓度为 60.4 μg/m3,较2017年的下降了5.5%。PM2.5、PM10浓度在2015-2017年秋冬季重污染天气均呈逐年下降趋势，但在2018年秋冬季有小幅反弹，2018年秋冬季重污染天PM2.5均值浓度为199.9 μg/m3，较2017年的上升了5.3%，PM10均值浓度为294.6 μg/m3，较2017年的上升了4.6%。

表4 2015-2018年秋冬季运城市重污染天气主要污染物浓度年际变化 μg/m3(CO为mg/m3)

上述分析可以看出，2015-2018年秋冬季重污染天气SO2、CO和NO2浓度呈逐年下降趋势，2018年秋冬季重污染天气SO2浓度下降最为明显，PM2.5、PM10浓度在2015-2017年秋冬季重污染天气呈逐年下降趋势，但在2018年秋冬季有小幅反弹，这可能和2018年秋冬季(2018年9月-2019年2月)降水天数(25天)比2017年秋冬季的偏少10天有关。

2.3.2 秋冬季重污染日变化特征

2015-2018年运城秋冬季各月平均重污染天数统计结果见表5。由表5可看出，运城重污染天数主要集中在11月到次年2月。其中，次年1月的最多，平均为10.8天；12月的次之，为9.0天；11月的最少，平均为3.8天；次年2月的介于12月和11月的，为6.0天。分析历年秋冬季重污染变化情况(表6)发现，2016年秋冬季重污染天数最多，为40天；2015年秋冬季的次多，为36天；2017年秋冬季和2018年秋冬季的最少，为21天，较2016年秋冬季重污染天数减少19天，也进一步说明污染治理卓有成效。

表5 2015-2018年秋冬季运城市月平均重污染天数

表6 2015-2018秋冬季运城市重污染天数(AQI>200)

3 重污染天气环流特征及模型

3.1 重污染过程及天气形势

按照空气污染标准，某一日AQI>200 μg/m3为一个重污染日。据此标准，2015-2018年秋冬季运城出现重污染日118天，其中≥3天重污染过程一共有17次。对重污染日的天气形势分析统计结果见表7。参考山西省天气预报手册[13]，根据重污染日500 hPa环流形势，将重污染过程的天气形势分为三类：宽广低值型(64%)，两槽一脊型(23%)，槽前西南气流型(13%)。

表7 2015-2018年秋冬季运城市≥3天重污染过程天气形势统计

500 hPa高度场上，宽广低值型：中高纬度地区平直偏西气流，天气背景稳定；两槽一脊型：乌拉尔山脉和东亚东部地区为槽区，贝加尔湖地区高压脊北伸形成阻高，阻挡极地冷空气南下，脊前西北气流影响运城；槽前西南气流型：高原到河套有短波槽东移，运城处于槽前西南气流中，以阴雨天气为主。

地面气压场反映冷空气强弱及移动路径。重污染天气发生时，地面形势划分为三类(图2)：高压前底部型、均压场型和高压底后部型。其中，高压前底部型最多，占71%；均压场型次多，占25%；高压底后部型最少，占4%。

高压前底部型(图2a)：地面冷高压中心一般位于92°-105°E、45°-50°N，高压前不断有冷空气扩散南下，运城处于高压前底部，风速≤4 m/s，天空以晴为主。随着小股冷空气南下，上游污染物不断输送至运城盆地，形成重污染。均压场型(图2b)：均压场影响下，运城地面风速小，水汽和污染物在水平方向扩散能力差，导致本地污染物不断积聚，加之盆地特殊地形的作用，运城易出现重污染天气。高压底后部型(图2c)：华北平原地面气压场为“西南低东北高”，河套倒槽伸展至50°N附近，东北地区为冷高压控制，冷空气从东路自北向南压，形成地面回流，运城受高压底后部偏东气流影响，湿度增加，重污染出现在阴雨天前。

图2 地面气压场(a)高压前底部型(2016年1月3日20时)，(b)均压场型(2016年12月2日14时)，(c)高压底后部型(2017年1月5日14时)；实心圆点为运城

统计发现，当高空为两槽一脊、地面气压场维持高压前底部型时，或高空为宽广低值型、地面为高压前底部型、均压场时，运城容易出现持续性重污染天气。

3.2 重污染天气模型

根据500 hPa环流形势，将运城重污染天气模型分为宽广低值型、两槽一脊型、槽前西南气流型。其中，宽广低值型为运城盆地出现重污染天气的主要环流形势，与喻谦花等[17]研究的开封重污染日500 hPa平直纬向环流型出现频率最高的结论一致。

3.2.1 宽广低值型

500 hPa高度场上(图3a)，纬向环流影响中高纬度地区时，河套地区一般为平直偏西气流，天气背景稳定，对大气污染扩散不利；700 hPa运城处于槽前西南气流(图3b)，利于汾渭平原西南部污染颗粒及水汽输送，易造成运城重污染； 850 hPa为平直偏西气流，河套暖脊明显(图略)；相应地面气压场一般为高压前底部型(图3c)、均压场型。探空图上，850 hPa(图3d)以下有低空逆温层维持，稳定的大气层结对污染物颗粒扩散不利。此形势下无明显冷空气影响，容易出现持续性重污染天气。

图3 模型一：宽广低值型(2016年1月1日08时)(a)500 hPa高度场，(b)700 hPa高度场，(c)地面气压场，(d)西安探空；实心圆点为运城

3.2.2 两槽一脊型

500 hPa位势高度场上(图4a)，中高纬地区为两槽一脊型时，乌拉尔山脉和东亚东部地区为槽区，贝加尔湖地区为高压脊，且高压脊伸至70°N 附近，形成阻高，极地冷空气无法南下；运城处在脊前西北气流控制之下，等高线与等温线接近平行，没有明显的冷平流，近地面污染物不易扩散；在700 hPa(图4b)和850 hPa(图略)图上运城处于弱脊前西北气流，850 hPa 温度场，高原东部到河套地区受暖脊控制；对应地面图上(图4c)一般为高压前底部型或均压场型,等压线稀疏。探空图上(图4d)，925 hPa附近存在逆温层，由于大气层结稳定，对空气污染物扩散不利，易引发重污染天气。此型下的阻塞形势不利于引导冷空气南下至山西南部，当地面配合高压前底部型、均压场型时，运城容易出现≥3天的持续重污染天气。因此阻塞形势是预报秋冬季持续性重污染天气的重要指标。

图4 模型二：两槽一脊型(2015年12月30日08时)(a)500 hPa高度场，(b)700 hPa高度场，(c)地面气压场，(d)西安探空；实心圆点为运城

3.2.3 槽前西南气流型

500 hPa(图5a)高纬度环流平直，高原到河套有短波槽东移，运城处于槽前西南气流中；700 hPa(图5b)运城受西南槽前偏南气流控制，850 hPa(图略)受一致偏东气流影响，对水汽输送有利，温度场上，河套地区受暖脊控制，此型天空状况以阴雨天气为主。地面图上(图5c)一般为高压底后部型、倒槽型。探空图上(图5d)700 hPa以下有逆温和明显“上干下湿”的层结特征，这种“干暖盖”严重阻碍着空气的对流运动，使近地层的污染物垂直扩散能力变弱，从而导致污染加重[23]。此型个例较少，重污染一般出现在阴雨天前。

图5 模型三：槽前西南气流型(2017年1月5日20时)(a)500 hPa高度场，(b)700 hPa高度场，(c)地面气压场,(d)西安探空；实心圆点为运城

上述分析发现，运城秋冬季出现持续重污染天气的3种模型中，探空图上，中低层都存在逆温层, 低层温度层结的分布决定大气静力稳定度，逆温层的强度、厚度和层数对污染物扩散都有影响[24]，逆温层能抑制大气垂直运动，对污染物垂直方向的扩散不利，因此中低层逆温有利于重污染天气的形成。

4 结 论

本文利用2015-2018年环境和气象资料对运城污染天气特征及天气形势进行分析,得到了如下结论:

(1)2017年、2018年运城市主要污染物(PM2.5、PM10、SO2、 CO)月均浓度均呈现“两头高、中间低”的分布,即采暖期污染物浓度高于非采暖期的变化特征。2018年SO2和CO月均浓度与2017年的相比均有明显下降;2018年运城市重度污染和严重污染天数(18天)较2017年的减少了17天。

(2)运城重污染天数多发于11月到次年2月，1月的最多(10.8天)，其次为12月的(9.0天)。2017年和2018年秋冬季重污染天数均为21天，较2016年秋冬季的明显减少(19天)。2015-2018年秋冬季重污染日SO2、CO和NO2浓度逐年下降，2018年SO2平均浓度较2017年的显著下降(64.5%)。

(3)根据运城重污染天气的环流特征,将500 hPa天气形势分为宽广低值型(64%)、两槽一脊型(23%)和槽前西南气流型(13%)；地面气压场分为高压前底部型、均压场型、高压底后部型，重污染天气时高压前底部型出现次数最多(71%)。依据500 hPa环流形势，建立了运城重污染天气模型，为运城重污染天气预报提供依据。

(4)中低层存在逆温层，逆温层能抑制大气垂直运动，对污染物垂直方向的扩散不利，导致污染物在近地层聚集，因此中低层逆温有利于秋冬季运城重污染天气的形成。