新都区冬季空气污染扩散与气象要素相关性研究

叶如辉 , 肖天贵 , 谢志轩 , 杨明鑫 , 王映思

（1.四川省成都市新都区气象局，新都 610599；2.成都信息工程大学，成都 610225；3.四川省成都市金堂区气象局，金堂 610499）

引言

在生态文明建设的大环境中，成都是全国空气污染治理最为严峻的区域之一。2013年，国务院颁布《大气污染防治行动计划》（常称《大气十条》）后，国家强力推进蓝天保卫战，强控污染源头[1]。已有研究[2-3]表明，2013～2020 年全国空气质量得到了有效的改善，PM2.5年均浓度平均下降了42.1%，京津冀、长三角、珠三角、成都平原地区PM2.5浓度分别下降了 47.2%、47.8%、53.2%、54.8%，下降趋势明显；2020年北京地区 PM2.5年均浓度为 51 μg/m3，成都地区为 41 μg/m3，长三角和珠三角地区分别为35 μg/m3和22 μg/m3。可见，虽然不同区域空气质量大幅提升，但区域之间空气质量的差异仍然显著，尤其北京地区和成都地区，距离国家空气质量达标要求（PM2.5＜35 μg/m3）仍有较大差距[4]。

近年来，关于成都平原空气污染状况已有较多研究。孙冉等[5]对2014年成都市PM2.5污染特征分析得出，该年成都有大半以上天数空气质量等级为良；1～12月PM2.5质量浓度呈“U”形分布，污染程度最大在1月，最小在8月；PM2.5质量浓度与月降雨量、月平均气温为较高的负相关性，与风向、平均相对湿度为弱的负相关，与平均气压为正相关。张潇文等[6]对2014～2016年成都地区空气质量特征进行分析，得出成都市总体空气质量在夏秋季最佳，春季次之，冬季最差。魏海川等[7]通过分析2017年成都平原空气质量与空气污染物变化特征，指出2017年成都平原首要污染物为PM2.5，空气质量优良率为75.5%，1月空气质量最差，10月最好，整体呈“W”型污染趋势。陈雨婷等[8]对成都空气污染等级进行统计，得出2014～2018年成都空气污染等级为优良的天数占63.33%，轻度污染占24.92%，重度污染占4.67%，严重污染占0.49%；月均PM2.5浓度变化形态与孙冉等[5]的研究结果相似，近似抛物线型，1月和12月浓度最高，7月最低。

成都位于四川盆地内部，有利于污染物的积累，污染相对严重，空气质量较差，尤其是冬季降水条件较差，相对湿度基本高于70%，风速基本稳定在1～2级，风向多为东北风，更容易造成严重空气污染，需要重点关注。由于成都地区产业发展进程与工业布局不同，各区域空气污染特征存在差异，特别是有众多工业发展的新都区[9]，空气污染状况尤为严峻。2019年、2020年公布的成都地区22个县区环境空气质量综合指数表明，新都区综合污染程度较重，空气质量排位较低，分别为第18和第17位[10]，在成都第二经济圈层[9,11]中污染严重程度排第1位。但目前对于新都区大气污染问题及其扩散条件的研究还不够深入系统。因此，本文利用2014～2018年冬季空气质量和污染物浓度数据，结合多种气象观测资料，分析成都市新都区大气污染特征及其扩散条件，以期为当地大气污染防治和环境质量改善提供科技支撑。

1 资料与方法

如图1所示，新都区位于四川盆地西部，成都市东北部，属中亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨热同期，四季分明。全区地貌以平坝为主体，部分为台地。区境狭长，地势西北高、东南低，整体地形起伏较小，有利于温度均匀分布，但空气的小尺度垂直扰动较少，不利于污染物的扩散。新都区是夹在龙门山和龙泉山两个东北-西南向山脉中的一个局部小区域，最近的是东边的龙泉山脉，最高海拔1051 m；西边为邛崃山与岷山，最高处海拔＞4000 m（图2）。受地形山地环境影响，新都区冬季主要盛行东北风[12-15]。

图1 成都市行政区划与地形分布

图2 新都区行政区划与地形分布

本文所用资料包括：2014～2018年冬季空气质量、污染物浓度数据（来源于https://quotsoft.net/air/）、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）数据、新都区国家气象站观测资料、成都市风廓线雷达与探空资料。运用数理统计方法，对新都区2014～2018年冬季的气象要素及其污染扩散条件进行分析，并讨论了2018年1月13～16日新都区一次重污染天气过程。

2 新都区冬季污染与气象要素特征

2.1 冬季污染物变化特征

选取2014～2018年新都区冬季空气质量指数（Air Quality Index，AQI）实时值、PM2.5、PM10、SO2、NO2及CO的24 h滑动均值，再对其求年平均，得到年平均变化趋势（图3）。如图所示，2014～2018年新都区冬季AOI主要呈下降趋势，2018年冬季AQI平均值＜100，其余年份均在100以上，2016年平均AQI值为156，达到了中度污染标准；CO浓度2014～2016年冬季呈上升趋势，2016～2018年冬季为下降趋势，2016年冬季是5年中最高的，达到1.55 μg/m3，2018年冬季平均浓度最低；PM2.5与PM10浓度的冬季年际变化与AQI值趋势一致，2016 年最高；NO2浓度 2014～2017年冬季年际变化不大；SO2浓度在五年中逐年下降。PM2.5、PM10在2016年均为最大，使得AQI指数明显偏高。

图3 2014～2018年新都区冬季AQI指数与污染物浓度年际变化

图4 给出了 2014～2018 年新都区冬季 AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 浓度逐时变化。如图所示，2014～2018年冬季AQI逐时变化趋势较一致，10～13时AQI值较大，17～18 时 AQI值最低，11～18时 AQI值呈减小的趋势，18时～次日00时AQI值呈上升趋势；除2015年以外，00～07时AQI值变化不大。PM2.5和PM10浓度的日变化特征与AQI值十分相似，最大值均出现在10～13时，下午均为下降趋势，傍晚到午夜浓度又升高，凌晨时段浓度值变化不大或略有下降。CO浓度的日变化规律十分显著，2014～2018年均在凌晨浓度减小，07时左右浓度上升，10时左右达到日最大值，10～17时逐渐下降，17时～次日00时继续上升。SO2浓度变化在00～12时呈略微上升趋势，12～18时呈弱下降趋势，部分年份在15时左右会出现一个极大值。综上所述，PM2.5、PM10、CO浓度均在下午呈下降趋势，18时左右浓度降到一天中最低，11时左右存在一个峰值，其中CO浓度峰值最为明显；而SO2在11时左右存在一个峰值，但与其它污染物相比，18时没有低值存在。

图4 2014～2018 年新都区冬季 AQI与污染物浓度逐时变化（a.AQI，b.PM2.5，c.PM10，d.CO，e.SO2）

2.2 冬季风场变化特征

图5给出了2014～2018年新都区冬季风速与风向分布特征。如图所示，2014～2018年新都区冬季盛行风向为NE，占比10.4%，其次为SE、N、E风向，分别占比8.45%、8.45%、8.32%，WSW风向频率最低，仅占1.63%，SSW、SW、W风向频率也较低，均低于3%，静风频率为4.83%，其中各风向的主要风速区间均在1～2 m/s。因此，2014～2018年新都区冬季主导风向为东北风，主要风速区间在3 m/s以下。图6给出了2014～2018年新都区冬季平均风速变化。由图可知，2014年冬季平均风速较小（1.21 m/s），2014年后整体呈上升趋势，2016年冬季风速略微下降，2017年与2018年冬季平均风速均大于1.55 m/s。根据新都区2014～2018年空气质量排名可知，2016年空气优良天数最少，可见冬季平均风速偏大是导致污染天数较多的原因之一。

图5 2014～2018年新都区冬季风玫瑰（a）与风向分布（b）

图6 2014～2018年新都区冬季平均风速逐年变化

图7是2014～2018年新都区冬季风玫瑰逐年变化。如图所示，2014～2018年新都区冬季盛行风向分别为ENE、NE、NE、N、NE、NE；2014～2015年冬季除ENE、NE风向频率较大外，SSE、SE与NNW风向频率也较大；2016年和2017年北风明显增大，西北风与北西北风风向频率减小。整体上，2014～2018年冬季新都区风向以东北风和北风为主，西南风较少。

图7 2014～2018年新都区冬季风玫瑰逐年变化（a.2014年，b.2015年，c.2016年，d.2017年，e.2018年）

图8给出了2014～2018年新都区冬季平均24 h风速变化。可以看出，新都区冬季逐时平均风速大多低于2 m/s；00～09时风速呈小幅减小趋势，从00时1.23 m/s减小到09时1.05 m/s，平均每小时下降0.019 m/s；09时以后呈显著增大趋势，从09时1.05 m/s增加到15时2.07 m/s，每小时增加0.168 m/s；15时以后风速逐渐减小，15～19时减小幅度大，19～23时减小幅度变小。整体上看，近年来新都区冬季风速在09时开始增加，14时和15时达到最大值（2.07 m/s）；15时～次日09时为下降趋势，风速最小值出现在08时和09时，仅为1.06 m/s；06～07时与19～20时有略微增大的趋势，但幅度不大。与2014～2018年新都区冬季AQI指数与污染浓度逐时变化（图4）对比，可以看出，风速与污染物浓度有着很好的对应关系。当风速为气候平均风速小值时，污染物逐渐聚集；随着风速逐渐增加，到达气候平均风速大值时，AQI指数开始减小，PM2.5、PM10、CO、SO2浓度开始下降，18时左右污染物浓度降到最低；随后风速减小，污染物浓度再次开始增加。以上分析说明，冬季新都区大气污染与该地区风速变化有着密切关系，当风速较大时，污染程度较小。

图8 2014～2018年新都区冬季平均24 h风速变化

2.3 冬季气温变化特征

图9为2014～2018年新都区冬季平均气温变化特征。如图所示，2014～2018年新都区冬季平均气温波动明显，2016年冬季平均气温最高（7.46℃），2015年冬季平均气温最低（6.25℃）；除2016年冬季与2014年冬季外，其余年份平均温度均低于6.4℃。与新都区冬季污染物浓度的年际变化（图3）比较，除了2018年冬季平均气温较高，而污染物浓度低以外，其余年份均呈现出平均气温越高则污染物浓度越高的变化特征，2016年最为显著。因此，对于该地区来说冷空气也是影响污染的一个重要因素，冬季冷空气强度越弱，气温越高，越不利于地面污染物的扩散。

图9 2014～2018年新都区冬季平均气温变化特征

2.4 冬季相对湿度变化特征

无论是高污染或是低污染的城市，相对湿度在其细颗粒物的监测和预报中都起着重要作用。当空气相对湿度在60%～80%以下且无降水时，颗粒物的二次生成能力较强；当空气相对湿度达到80%时，容易形成降水，降水对空气中的颗粒物有冲刷作用。所以，在无降水且相对湿度较高的环境下，污染物粒子二次生成能力会加强[16]。图10给出了2015～2018年新都区冬季24 h相对湿度变化。如图所示，新都区冬季相对湿度变化多介于60%～80%；2016年冬季平均相对湿度最大，超过80%，在这种高湿、降水少的环境下，有利于细颗粒物的生成。

图10 2015～2018年新都区冬季24 h相对湿度变化

2.5 冬季降水变化特征

从以上分析可知，污染物浓度与相对湿度有很大关系，而降水的多寡影响着空气相对湿度。从新都区冬季降水日数（图11）可以看出，2014～2018年新都区冬季降水日数波动明显；2016年冬季降水日数最少（仅为 10 d），其次为 2014 年（13 d）与 2017年（14 d），2018年冬季降水日数最多（20 d）。

图11 2014～2018年新都区冬季降水日数变化

选取2014～2018年新都区冬季共93 d降水，查找与之对应的污染程度，统计出新都区冬季日降水量与空气污染情况的关系（图12）。可以看出，有降水发生的重度污染天气中，其日降水量均＜1 mm，其中＜0.1 mm的微量降水与0.1～0.5 mm的少量降水占比80%，而＞0.5 mm的降水仅出现一次，说明大多数重度污染天气过程无降水或仅有微量降水与少量降水；中度污染天气中，日降水量也均＜1 mm，少量降水与微量降水占比67%，与重度污染天气相比，其0.5 mm降水量以上的比例有所增大；轻度污染天气中，少量降水与微量降水占比56%，且出现＞1 mm的降水比例达到33.3%；环境质量为良、优的天气中，微量降水和少量降水次数合计分别占55%和33%，且环境质量为优的天气中，1～2 mm降水量占比最大，＞3 mm降水量日数占比也最大。因此，一般微量降水与少量降水占比与环境空气质量呈相反关系，微量降水与少量降水比例越大，空气质量越差；日降水量＜0.1 mm的比例越大，空气污染情况越重，这是由于微量降水不仅不会对污染物粒子造成沉降作用，还会使污染物粒子聚集，伴随的高湿天气也会加剧污染物粒子的生成[17]。

图12 新都区冬季日降水量与空气质量关系（a.重度污染，b.中度污染，c.轻度污染，d.良，e.优）

2.6 污染过程逆温变化

在稳定的大气环流背景下，低层逆温建立和加强会使大气垂直对流运动受阻，使得大气污染物不易扩散。当逆温层厚度增大，逆温层强度越强，污染浓度就越大。利用成都温江站探空资料，对2018年12月新都区一次重度污染个例进行分析，得到逆温强度与厚度的变化特征，如图13所示。可以看出，在2018年12月重度污染过程中，逆温厚度与强度最高分别达到120 m与4.14℃/100 m，12月19日19时位于较高水平，随后均呈下降趋势，21日19时之后又均呈上升趋势。可见，在严重污染天气中，逆温厚度与强度的变化趋势相似，逆温厚度与强度越大，污染物越不易扩散，易形成重污染天气[18]。

图13 2018年12月18～22日新都区一次重度污染过程逆温特征（a.逆温厚度，b.逆温强度）

3 新都区 2018 年冬季一次污染天气过程分析

3.1 污染过程风场分析

为准确反映新都区上空风场特征，选取2018年1月13日12时～1月16日06时金堂、郫县和龙泉驿3个风廓线雷达站资料，分别位于新都区的东部、西部和南部（图14），以及地面与温江探空站资料，分析新都区风场变化。

图14 风廓线雷达站和温江探空站分布（红框内为新都区）

图15是新都区2018年1月13日12时～1月16日06时的水平风场廓线，高度范围为100～4000 m。可以看到，在这段重污染天气期间，新都上空水平风场特征随时间和高度的变化迅速而复杂。13日，1000 m以下低空基本为西南风所控制，风速较大，1000～2000 m边界层风速变小，有的高度接近静风，而且，风向随高度和时间变化迅速，不利于污染物的输送扩散，新都污染状况持续加重。14日，近地层转为偏东风，风速较13日减弱，约为2～3 m/s。偏东风随高度呈顺时针变化，在2000 m附近转为西南风，根据热成风原理，风向随高度顺转会有暖平流出现，暖平流产生会形成平流逆温。对照图16，14日08时和20时，新都上空在700～800 hPa形成了强大的逆温层，逆温层的存在抑制城市污染物在垂直方向上的扩散，从而使污染物停留在近地层，加重污染状况。2000 m以上，高空均以西南风控制为主，持续稳定的西南风带来了大量的暖湿气流，使新都地区相对湿度保持在70%～90%，高湿环境不仅可以使水汽粒子挟裹污染颗粒物下沉，还可以加速PM2.5粒子的转化。随着时间的推移，高空西南气流的高度不断下降并向近地层渗透，14日20时，边界层整层盛行西南气流，污染物浓度继续累积上升，空气质量继续转差，15日污染到达爆发期。由此看出，从低层到高层有一条倾斜的弱风速带，风速随高度逆转，温江站地转风较强，表明新都区15日受到了冷锋影响。实际上，15日新都上空被东北风控制，风速较大，1500～3000 m出现东北急流区，平均风速为16.8 m/s，最大风速为23.8 m/s，2190 m高度上急流的存在可以将沙尘等可吸入粒子向地面传输，增大地面PM10浓度，并在一定程度上会抑制污染物向上扩散，1000 m以下风速较大有利于污染的扩散。由于受到冷锋的影响，上下大气层混合均匀，逆温层遭到破坏，进而消失，混合层迅速发展。16日，近地层转为强大的西南风，风速较大，风向稳定，污染物快速扩散，空气质量转好。根据已有研究[19]，新都区污染源的其中一个通道就是东北向，即德阳、绵阳至新都通道。在这次重污染过程中，绵阳、德阳同样遭受了严重污染，所以较大的东北风可能将绵阳、德阳的污染物输送到新都，使新都遭受二次污染，加重污染状况。

图15 2018年1月13日12时～16日06时新都区水平风场时间-高度剖面（单位：m/s）

3.2 污染过程温度分析

图16是利用温江站2018年1月13～16日08时和20时探空资料绘制的垂直温度廓线，可反映污染期间新都区上空逆温层的变化特征。如图所示，13日08时和20时、14日08时和20时以及15日08时，新都区上空均有较强的逆温层存在，且出现了多层逆温，大多集中在700～800 hPa；14日 08时 、15日08时都出现了近地逆温，这些逆温特征会导致污染浓度累积增长；15日受冷锋影响，逆温层遭到破坏后， 15日20时除了750 hPa有一个较弱的高层逆温外，没有其他逆温层存在，16日逆温层特征也较弱[20]。

图16 2018年1月13～16日08时和20时新都区温度廓线（a.13日，b.14日，c.15日，d.16日）

3.3 污染过程垂直速度分析

图17为2018年1月13～16日新都区重污染期间垂直速度的时间-高度剖面，图中正值为下沉气流，负值为上升气流。在污染增长期（13～14日），边界层内以弱上升和弱下沉运动为主，垂直速度维持在-0.5～0.5 hPa/s，较弱的垂直运动有利于大气的稳定维持，不利于污染物向上扩散，使污染物浓度累积加重。15日受冷锋影响，冷锋过境使湍流动量向下输送。15日12～16时，新都区上空有强烈的下沉运动，14时400 m高度附近出现垂直下沉运动中心，速度达到4.2 hPa/s，并且延伸到高空3000 m附近，强烈的下沉运动抑制了污染物的垂直扩散，并进一步压制污染物于地面，造成地面严重污染。强劲的下沉气流到达地面时会造成地表尘粒大量扬起，PM10颗粒浓度变大，进一步加重污染状况， 15日14时达到最大。15日16时之后，下沉运动逐渐减弱，转化为弱的上升运动，配合近地层稳定较强的西南风，污染物扩散，新都区空气质量快速好转[19]。

图17 2018年1月13～16日新都区垂直速度时间-高度剖面（单位：hPa/s)

4 结论

本文利用2014～2018年冬季空气质量和污染物浓度数据，结合多种气象观测资料，运用数理统计方法，对新都区冬季大气污染特征及其扩散条件进行分析，并讨论了2018年1月13～16日一次重污染天气过程，得出以下主要结论：

（1）2014～2018 年新都区冬季 PM2.5、PM10、CO污染物浓度在11时左右达到峰值，随后浓度开始减小，18时左右达到最低。

（2）新都区冬季污染物浓度与风速、气温、降水、相对湿度有密切关系。当风速大于平均风速时，污染物浓度减小，而小于平均风速时污染物积累；气温越高，相对湿度越大，污染也越强；降水较弱时，会加重污染，微量降水与少量降水比例越大，空气质量越差。

（3）2018年1月13～16日污染天气过程期间，逆温强度与厚度都较大，不利于污染物扩散，易形成重污染天气；较强的东北风将绵阳、德阳的污染物输送到新都区，加重了污染程度；新都区边界层内垂直运动较弱，大气维持稳定状态，且上空伴随强烈的下沉运动，抑制了污染物的垂直扩散，进一步压制污染物于地面，造成地面的严重污染。