基于污染天气系统特征分析的霾预报概念模型构建

罗菊英，张 仪，林丽燕

(1.恩施自治州气象局,湖北 恩施 445000；2.恩施州环境保护局, 湖北 恩施 445000)

引 言

在社会经济不断发展的今天，环境问题日益受到各级政府的高度重视。地处鄂西南的恩施自治州全境为山地，以农业为主，旅游业是当地主要经济产业之一。从近几年环保部门的空气质量监测数据来看，相对于我国北方和湖北省其他地区，恩施州空气质量整体较好，但在冬半年的11月到次年3月，特别是12月到次年2月，污染天气出现仍较频繁。如2015年1月、2017年1月，恩施城区分别出现25天、20天不同程度空气污染。绿色生态发展一直是地方政府经济发展不变的理念，环境大气污染问题引起了地方政府高度重视。恩施州政府于2016年、2019年先后两次印发恩施州城重污染天气应急预案，并积极组织相关部门采取应对措施，环保、气象两部门协同配合，共同会商研判，适时发布环境气象预报服务产品和重污染预警，取得了一定成效。

大量研究结果表明，在污染源相对稳定的前提下，气象条件是影响城市空气污染的主导因素，主要影响污染物的传播、集聚、稀释扩散[1-6]。不同天气形势下气象条件的不同导致影响程度的差异，如恩施州重污染发生时伴随空气湿度明显加大，日均值在90%附近或以上[7-8]。在相同天气背景下，同区域不同城市大气污染既有共性，也有差异，这主要与当地所处地理位置、地形地貌环境有关。罗菊英[9]、王颖[10]、邵梦琪[11]、严晓瑜[12]等针对恩施州空气污染的空间分布研究表明，在地形闭塞的凹地，相对于开阔盆地或迎风坡地带，发生重污染的可能性更大。针对空气污染与气象条件关系的分析及预报，国内外众多学者从不同角度进行了研究。赵娜等[13]通过对河北重污染天气进行天气学分型，得出不同型污染天气气象特征量。傅瑜等[14]通过对大连市大气污染天气特征及污染成因模拟分析，得出了影响大气污染的主要高空和地面形势场特征。周书华等[15]通过成都地区大气边界层逆温特征分析，揭示了逆温结构与污染物的扩散规律。从湖北省内看，目前开展空气污染与气象条件关系分析及环境气象预报研究较多，并转化为业务应用，如白永清等[16]基于WRF/Chem的华中区域环境气象数值预报系统。针对恩施州，目前虽有一些初步的研究成果[17]，也开展了空气污染气象条件预警预报业务，但还不能完全满足地方经济发展对生态文明气象保障服务的高需求，还需要有针对性地结合当地实际情况开展相关研究，来提高污染天气精细化预报预警能力。

本文采用恩施州环保部门2015-2019年大气污染监测资料，结合对应气象资料，对发生的污染天气进行了天气学普查，选取足够多的污染天气实例进行环流形势分析，归纳不同强度污染天气发生时的天气系统统计特征及结构配置，并将对大气污染潜势预报具有更好指示作用的地面形势场进行天气学分型，建立不同强度、不同月份污染天气概念模型。

1 资料与方法

1.1 资料与样本选取

环境监测资料来源于恩施州环保部门，采用了2015-2019年恩施城区逐小时SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO浓度监测资料，恩施州所属8个县(市)逐日AQI资料，其中恩施城区AQI资料为州电力公司和湖北民院两个环境监测点平均值。气象资料采用恩施站(57447)同时段地面、高空气象常规观测资料，Micaps卫星地面、高空实况资料，其中高空温度露点差值利用公式转换为相对湿度值，转换公式为[18]

(1)

(1)式中U、Td、T分别为相应高空层相对湿度、露点温度、温度。

2015到2019年冬半年(1、2、3、11、12月，下同)日AQI均值超过100的共181个污染天气样本，对其中的172个样本资料进行了天气学普查，对12次典型污染过程进行了天气环流形势分析。

1.2 研究方法

1.2.1 空气质量描述量来源依据

AQI是定量描述空气质量状况的无量纲指数，相关计算公式及分级标准参照HJ633-2012中环境空气质量指数(AQI)技术规定[19]，空气质量指数共分六级，具体见表1。

表1 空气质量指数AQI等级划分表

1.2.2 资料分析说明

根据恩施州气象部门已有研究成果[17]，全州污染天气主要发生在冬半年(11月-次年3月，下同)，污染呈阶段性区域大面积发生的特点。恩施城区污染天气总是最早发生，最晚结束，污染程度最重。故文中在普查2015-2019年全州污染天气时空分布的基础上，以恩施州城为代表点和影响中心进行天气形势分析。

1.2.3 天气学普查方法

对2015-2019年冬半年恩施州内AQI均值大于100的污染天气，从造成污染天气的环流背景、影响系统，针对不同级别污染天气进行天气学普查。同时，考虑大气环流的季节性差异，分月挑选典型污染个例，对一次阶段性污染过程从污染开始、发展加重、污染结束三个阶段进行天气形势分析，得出相关天气系统影响的统计特征和影响系统结构配置特征。最后根据天气学普查和个例分析结果，分月、分天气型建立空气污染天气学概念模型。

2 鄂西南山区空气污染天气系统相关统计特征

2.1 污染天气概况

鄂西南山区污染天气基本出现在冬半年。2015-2019年的1825天中，共出现不同级别污染日187天，出现频率为10.2%(表2)，4-10月仅出现6天(其中1天中度、一天重度，主要污染物为O3)，也就是说96.8%的污染出现在冬半年不利大气扩散气象条件下，2015-2019年冬半年750天共出现不同级别污染日181天，出现频率为24.0%，主要污染物为PM2.5。分析2015-2019年冬半年污染日分布发现，污染日呈阶段性出现，持续3天及以上污染天气共27段，最长持续19天，出现在2015年1月8日到26日。

按照AQI分级，继续分析表2中冬半年181个污染日月分布情况。2015-2019年，州内轻、中、重度污染日分别占污染总日数的62.4%、24.3%、13.3%，未出现AQI超过300的严重污染日。在冬半年各月中，1月污染日占比最高，为43%，其次是12月的29%，2月污染日占比为20%，3月、11月发生污染日的概率都较小，3月的占6%，11月的仅占2%，且均为轻度污染。重度污染也主要出现在1月、12月，其他月份基本不出现(表3)。

表2 2015年1月-2019年12月恩施州空气污染(AQI>100)日数统计

表3 2015-2019年恩施州冬半年各月不同级别污染天气样本统计

2.2 天气系统的统计特征

通过对2015-2019年27次阶段性污染时段共172个不同级别污染日天气学普查(表略)及对11次典型阶段性污染过程和1次连续重污染过程进行天气环流形势分析(表4)，得出污染天气的主要影响系统有地面湿舌(暖)、地面显著湿区、低层辐合线(区)等11个，具体见表5。

表4 2015-2019年恩施州典型污染天气分析个例统计

表5 2015-2019年恩施州污染天气主要天气系统统计

从表4、5可以看出，在不利大气污染扩散气象条件下，一次污染天气过程总是呈不同级别交替持续出现，而造成空气污染的各天气系统不孤立存在，不同的系统配置对应的天气不同，大气污染扩散条件也不同，空气污染程度也有很大差别。以2015年1月23日20时的一次重污染过程为例(图1)，高空各层系统配置结构如下，即500 hPa空气污染影响区主导气流偏西；700 hPa为西南气流，12 m/s及以上急流形成；850 hPa影响区处于暖切变顶部辐合区附近；925 hPa处于东北风与偏南气流辐合区中；对应时次地面图影响区处于锋前暖低压带中(图略)，当日天气阴沉，地面暖湿，出现了相对湿度为90%以上的显著湿区，日平均风速仅0.5 m/s。

图1 2015年1月23日20时鄂西南冬半年重污染典型高空系统配置结构图

分析上述系统配置发现，地面暖低压抑制了水汽向上扩散，使水汽聚集到较低层次，低层辐合线的存在有利于近地层水汽和大气气溶胶污染物的聚集，气溶胶浓度增加有利于近地层逆温形成，为霾天气形成创造了条件，而地面湿度的增加又加重了污染颗粒物的湿增长，为二次气溶胶增加创造了环境，污染加重[20-21]。同时，位于影响区的恩施刚好处于东、西、北三面环山，地形闭塞的凹地，在周围高山的屏障作用下，排放到山谷的污染物由于垂直、水平扩散均受阻，污染物更容易聚集且难扩散稀释，也会加重污染[17，22]。

3 鄂西南山区空气污染天气学预报概念模型

3.1 天气学分型

Ⅰ型(图2a)。该型在污染天气中出现频次最高，冬半年各月均可出现，在一次污染天气过程中，常与Ⅱ型交替出现。影响区位于高压底部或后部，等压线稀疏，天气条件静稳，弱风或静风，一般无降水，天气阴沉，伴随轻雾或雾，气温较高，湿度条件适宜(80%附近或以上)。

Ⅱ型(图2b)。该型出现频率仅次于Ⅰ型出现频率，影响区位于高压底部或后部，通常冷空气前锋移过影响区，北部还有副冷锋不断扩散南下，影响区等压线相对均压场略密，天气条件静稳，弱风或静风，一般无降水，以阴或多云天气为主，伴随轻雾或雾，气温较高，湿度条件适宜(80%附近或以上)。

Ⅲ型(图2c)。该型一般出现在北方有冷空气南下的前几天，影响区位于冷锋前沿暖低压带中，常常会出现暖湿舌，对应天气一般无降水，阴沉天气较多，地面要素表现为弱风或静风，气压低，气温高。锋区逼近影响区附近时，可出现弱降雨，此时往往加重污染，地面湿度达到90%以上。

图2 鄂西南冬半年空气污染期间三类典型地面形势场

上述三种天气形势均可出现不同级别污染天气，重污染天气主要出现在锋前暖低压型中，如在表4中分析的个例中，1月的重污染天气在三种天气型中均可出现，而12月、2月重污染天气只出现在锋前暖低压中。从月分布看，在冬半年各月中，11月所有污染天气均为锋前暖低压型。

3.2 各型系统结构配置及概念模型

根据对2015-2019年27次阶段性污染时段内172个污染实例普查结果，选取典型个例，利用中尺度天气分析方法，借助Micaps平台强天气分析工具，分月建立鄂西南山区冬半年不同级别(强度)污染天气预报概念模型。以1月份为例，不同类型轻度和重度污染天气学预报概念模型见图3-5。

3.2.1 均压场型(Ⅰ型)

该型轻度污染天气一般系统结构配置为：500 hPa主导气流偏西(以WSW居多)；700 hPa为西南气流；850 hPa为偏南气流(西南、南、东南)；925 hPa处于偏东与偏南气流(暖)辐合区，恩施站以偏东气流为主；地面处于高压底部(后部)均压场中，弱风或静风，暖湿，常伴随轻雾，无降水，天气学概念模型见图3(a)。

重度污染天气一般系统结构配置为：500 hPa主导气流偏西(以WSW居多)；700 hPa为西南气流；850 hPa为偏东与偏南气流(暖)辐合区，有时影响区处于暖切变辐合区顶部附近，恩施站以偏南气流为主；925 hPa处于偏东与偏南气流(暖)辐合区，恩施站以偏东气流为主；地面处于高压底部(后部)均压场中，弱风或静风，暖湿(恩施州处于相对湿度为90%以上的明显湿区中)，常伴随轻雾，有时有大雾，无降水，天气学概念模型见图3(b)。

红一、四方面军川西北会师后，针对西北地区民族构成特点，中共中央专门制定《关于少数民族中党的基本方针》，提出“争取少数民族在中国共产党领导下对于中国革命胜利前途有决定的意义。”红军进入甘南藏区，面临粮食奇缺的巨大困难，红军坚持执行严格的军纪，不仅逐渐取得沿途藏族群众的理解，而且还得到当地少数民族的支持援助。卓尼土司杨积庆为红军北上让出通道，“将曹日仓的麦粮暗中开放接济了过境的红军。当时这个仓设两个仓库，共装小麦四、五十万斤。红军走后，一个仓库内的粮食全部吃用完，另一个仓库里用去了多半仓。”[5]P141就是中国共产党领导红军执行民族政策的典型事例。

图3 鄂西南1月均压场型轻度(a)和重度(b)污染天气学预报概念模型

Ⅰ型轻度污染和重度污染模型的主要差别：重度污染时地面湿度明显增大，更暖、更湿，低层辐合加强，更有利于污染颗粒物的增长和集聚。

3.2.2 变性高压型(Ⅱ型)

该型轻度污染系统结构配置为：500 hPa主导气流偏西(多平直西风)；700 hPa为西南气流；850 hPa为偏南气流，恩施站以西南气流为主；925 hPa出现偏东与偏南气流(暖)辐合区，恩施站以偏东气流为主；地面处于高压底部(后部)均压场中，前锋移过影响区，北方不断有冷空气扩散南下，弱风或静风，暖湿，常伴随轻雾，无降水，天气学预报概念模型见图4(a)。

重度污染系统结构配置为：500 hPa主导气流偏西(以WSW居多)；700 hPa为西南气流，12 m/s以上西南急流发展；850 hPa为偏南气流；925 hPa位于偏东与偏南气流(暖)辐合区顶部，恩施站以偏东气流为主；地面处于高压底部(后部)，前锋移过影响区，北部有冷空气扩散南下，弱风或静风，暖湿(恩施州处于相对湿度为90%以上明显的湿区中)，常伴随轻雾，有时有大雾，无降水，天气学概念模型见图4(b)。

图4 鄂西南1月变性高压型轻度(a)和重度(b)污染天气学预报概念模型

Ⅱ型轻度与重度系统配置的区别：重度污染时700 hPa中空暖平流发展更强，近地层辐合也更强，地面更暖、更湿。

3.2.3 锋前暖低压型(Ⅲ型)

该型轻度污染系统结构配置为：500 hPa主导气流偏西(以WSW居多)；700 hPa维持西南气流；850 hPa恩施州处于暖辐合区，恩施本站以偏南气流为主；925 hPa恩施州处于暖辐合区，恩施站以偏东气流为主；地面处于冷锋前暖低压带中，污染影响区处于暖湿舌中，弱风或静风，天气阴沉，常伴随轻雾，天气学概念模型见图5(a)。

重度污染系统结构配置为：500 hPa主导气流偏西(以WSW居多)；700 hPa为西南气流，12 m/s以上西南急流发展；850 hPa处于暖辐合线区，恩施本站以偏南气流为主；925 hPa恩施州处于暖辐合区，恩施站以偏东气流为主；地面处于冷锋前暖低压带中，污染影响区处于暖湿舌中，弱风或静风，天气阴沉，有时可伴随弱降雨，加重污染，天气学概念模型见图5(b)。

图5 鄂西南1月锋前暖低压型轻度(a)和重度(b)污染天气学预报概念模型

Ⅲ型轻度与重度系统配置的区别：重度污染时700 hPa中空暖平流发展更强，地面更暖、更湿，一般锋面也更逼近影响区，可伴随弱降雨发生。

采用同样的方法，建立了冬半年其他月份(11、12、2、3月)不同类型轻度和重度污染天气学预报概念模型，限于篇幅，不再赘述。

3.3 污染结束首日影响系统结构配置及概念模型

通过表4中12个典型个例分析及多个空气污染实例天气学普查发现，在冬半年，污染天气结束基本都伴随不同程度冷空气南下，带来一次降水、降温、风力加大的有利于污染物扩散的天气过程。在污染结束首日，影响区典型系统结构配置及概念模型：500 hPa位于西北气流或南支槽前西南气流中(西北气流居多)；700 hPa处于冷切变南部西南气流中(常出现西南急流)；850 hPa处于偏北或偏东气流，气流辐合区消失或南压；925 hPa处于偏北或偏东气流，气流辐合区消失或南压；地面处于锋面(区)附近或锋后，冷空气正在影响或过境，有较明显降雨或转晴天，以降水、降温天气居多，日平均风速由污染期间弱风或静风至少加大到2 m/s及以上，风向以偏北为主，典型天气学概念模型见图6。

图6 鄂西南山区冬半年污染天气结束首日典型系统配置结构

4 结论与讨论

(1)鄂西南山区96.8%的空气污染日出现在冬半年不利天气条件下，具有阶段性大范围发生的特点，首要污染物是PM2.5。重污染天气比例为13.3%，主要发生在1月和12月，未出现AQI超过300的严重污染。

(2)影响污染天气的各天气系统不孤立存在，不同的系统配置对应大气污染扩散条件不同，空气污染程度也有很大差别。但具有以下典型特点，即地面暖低压抑制了水汽向上扩散，使水汽聚集到较低层次，低层辐合的存在有利于近地层水汽和大气气溶胶污染物的聚集，气溶胶浓度增加有利于近地层逆温形成，为霾天气形成创造了条件，而地面暖湿舌又加重了污染颗粒物的湿增长，为二次气溶胶增加创造了环境，污染加重。

(3)低层到地面天气形势对大气污染的潜势预报具有更好的指示作用。根据地面天气形势场，可将大气污染归纳为均压场型(Ⅰ型)、变性高压型(Ⅱ型)、锋前暖低压型(Ⅲ型)三类。各型在不同月份、不同污染强度时系统结构配置既有相同点，又有不同点。轻度污染和重度污染系统配置主要不同点在于，重度污染出现时地面更暖、更湿，低层辐合加强，更有利于污染颗粒物的增长和集聚。

(4)污染天气结束基本都伴随不同程度冷空气南下，带来一次降水、降温、风力加大的有利于污染物扩散的天气过程。

鄂西南山区由于地理位置和地形地貌的特殊性，空气污染主要是在不利大气扩散条件下污染物不断积累而形成。本文采用描述空气质量状况的无量纲指数AQI将空气污染日数进行分级，并在此基础上对形成空气污染的天气环流形势从开始、加重、结束三个阶段分析后，分月建立了冬半年不同级别天气学预报概念模型，在实际业务应用中，对环境气象业务及服务具有很好的参考价值。