冬季局地环流对成都地区大气污染的影响

鲁峻岑 , 张小玲 , 王安怡 , 韦 荣 , 李朝阳

（成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室，成都 610225）

引 言

城市大气污染是指在城市的生产和生活中，向自然界排放的各种空气污染物，受特殊的下垫面条件、边界层结构等影响，超过了自然环境的自己能力，所造成的空气污染。城市大气污染发生后，由于污染物质的来源、性质、浓度和持续时间的不同，污染地区的气象条件、地理环境等因素的差别，甚至人的年龄、健康状况的不同，均会对人造成不同程度的危害。在信息交流高速发展的今天，环境空气质量成了影响人们日常生产生活的一项重要考量因素，直接关乎广大人民的幸福与健康。因此，研究城市大气污染事件发生规律及机制具有重要的科学意义和社会价值。

近年来，国内学者对北京、上海、南京、成都等城市的大气污染进行了深入分析，尤其是对雾霾污染与气象要素、边界层、局地环流等诸多因素的密切联系做了大量研究[1-9]。普遍认为：除污染物排放外，天气系统、局地气象条件也是大气污染形成的重要因素[10]；污染物在大气中的输送与汇聚主要取决于大气流场特征和大气层结稳定度，其中低层大气流场对于污染物的区域性输送和扩散的影响更为重要[11-14]；在大气污染过程中PM2.5浓度和能见度的日变化主要是由混合层高度昼高夜低、湿度昼小夜大所导致，大气污染通常发生在天气系统弱、气压梯度小的天气条件下，复杂下垫面的热力差异而产生的局地环流（包括山谷风、海陆风和城市热岛环流）影响不可忽视[15]。李青青等[16]研究指出，山谷风可以决定PM2.5浓度的空间分布，在两者转换期所形成的气象条件对PM2.5浓度具有重要影响。吴蒙等[17]利用风廓线雷达数据分析了珠江三角洲地区一次持续大范围的空气污染过程，认为垂直风场中风速较小是造成此次污染过程的重要原因，并使用了局地环流指数来研究海陆风对空气质量的影响。曾佩生等[18]分析了京津冀平原地区局地大气环流日变化，发现京津冀平原地区低空风场变化是天气系统与局地大气环流共同作用的结果，大气环流在大气污染过程中起重要作用。田越等[19]利用WRF 对2016 年12 月7 日成都东部（龙泉山）一次污染过程下的山地—平原风环流进行了模拟，发现不同时段山地—平原风环流在龙泉山脉南北方向上差异较大，越山下坡风环流在南段最强而中段最弱，中、南段山体较低窄，平原风环流易被湍流掩盖，北段平原风环流最为明显。

成都市位于我国西南地区，是成渝经济区两个超大城市之一，城区颗粒物浓度常年处于较高水平，尤其在冬季，更是我国能见度较低的城市之一。究其原因，成都地区受两侧地形（西侧青藏高原、龙门山，东侧龙泉山）影响，气象条件复杂，易长时间出现静小风或逆温天气，尤其是冬季典型的辐射逆温，具有维持时间长、强度大且厚的特点，污染物的扩散条件相对较差，有时甚至存在多层逆温，导致污染物更难及时扩散和稀释，这就造成了秋冬季（11—12 月、1—2 月）区域污染多发且持续时间较长的现状[20-26]。当前，成都地区经济发展迅速，这也使得当地面临污染问题的严峻挑战。为此，本文将以2018 年1 月成都重污染过程为例，分析局地环流变化规律及其对PM2.5浓度分布的影响，探究该地区重污染事件发生发展的物理机制，旨在加深对成都地区污染成因的认知，同时也为合理制定城市建设规划提供科学参考。

1 研究资料

1.1 研究区域

成都市位于四川盆地西部，平均海拔508 m，东侧龙泉山最高海拔1046 m，西靠横断山脉，其中距离最近的邛崃山岭脊平均海拔3000 m 以上，特殊的地形导致成都市静小风频率常年较高[20]。研究区域地形和监测站点分布如图1 所示。

图1 成都地形和站点分布

1.2 数据来源

污染资料为成都地区36 个污染监测站点逐时观测资料，为了保证数据的可靠性，剔除了不可抗因素（停电、仪器校准）导致的缺测值。气象资料为中国气象数据共享网（http://cdc.cma.gov.cn）提供的地面气象站逐时观测资料，具体要素包括温度、相对湿度、降水、风速、风向、气压，原始数据文件已经过严格的质控和检验，数据真实可靠。高低空环流场数据为欧洲中心ERA5 逐时再分析资料，空间分辨率为0.25°×0.25°。2 m 风场资料为欧洲中心ERA5-Land 逐时再分析资料，空间分辨率为0.1°×0.1°。成都市温江站探空资料来源于怀俄明大学天气数据网站（http://weather.uwyo.edu/wyoming/）。地形数据为SRTMDEMUTM 30 m 分辨率的DEM 高程数据。

2 结果分析

2.1 污染物时空变化特征

分析成都地区36 个站点平均的污染物时间序列（图2）可知，本次污染过程从2018 年1 月10 日开始，共持续7 d，污染程度较严重，污染物中细颗粒物的占比（PM2.5/PM10）维持在0.6～0.7，且污染期间成都市PM2.5和PM10浓度日均值均连续3 d 超出国家环境空气质量 二 级 标 准（PM2.5为75 μg/m3，PM10为150 μg/m3）的2 倍，NO2浓度日均值连续3 d 大于国家环境空气质量二级标准（80 μg/m3），而SO2、CO 浓度未出现严重超标。由此，可判断此次过程是以PM2.5为主要污染物，其次为PM10、NO2。通过对比分析2018 年1 月10—16 日成都市日均PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2的时间序列（图2），发现污染过程期间PM2.5、PM10浓度呈现波动式上升趋势，均于每日10 时左右达到峰值，其快速增长期均出现在18 时—次日02 时，02—10 时为高浓度维持期，而11—18 时出现浓度下降，PM2.5小时峰值浓度（225 μg/m3）出现在1 月15 日11 时。分析成都地区同时段气温和相对湿度的时间变化可知：此次污染过程中，区域平均温度和相对湿度呈现较规律的昼夜振荡特征，13—15 日平均最低温度较10—12 日有所上升，15 日最高温度略有降低；PM10、PM2.5变化趋势与风速变化一致，风速增大时段PM2.5浓度有所下降；污染过程中地面风速较小，静风时段污染扩散条件较差。

图2 2018 年1 月9—16 日成都地区污染物和气象条件的逐时变化

本次污染过程中，PM2.5日均浓度呈“西高东低”的分布特征，反映出自西向东扩散的污染形势（图3）。从2018 年1 月9 日起，成都地区气象条件转差，于2018 年1 月11 日00 时启动重污染天气黄色预警。1月10—11 日成都崇州、温江地区首先达到中度污染水平，局部污染区域由成都西部逐渐向东扩散至中心城区，15 日成都区域达到严重污染水平，16 日污染有所缓解。由此，将本次污染过程分为4 个阶段，即2018 年1 月10—11 日为污染开始阶段，12—13 日为污染维持阶段，14—15 日为重污染阶段，16 日为污染缓解阶段。由于污染维持与开始阶段变化特征较一致，下文只对污染开始、重污染和污染缓解这3 个阶段进行分析。

图3 2018 年1 月10—16 日成都地区PM2.5 浓度空间分布（单位：μg/m3）

2.2 天气环流形势

图4 给 出 了2018 年1 月10—11 日、14—15 日和16 日500 hPa、700 hPa、850 hPa 天气形势，分别代表污染开始阶段、重污染阶段、污染缓解阶段。

图4 2018 年1 月10—11 日（左）、14—15 日（中）和16 日（右）500 hPa（a～c）、700 hPa（d～f）、850 hPa（g～i）天气形势（等值线表示位势高度，单位：gpm；箭头表示水平风，单位：m/s；填色表示温度，单位：℃）

从10—11 日环流形势（开始阶段）看：500 hPa 脊位于青藏高原至新疆北部，槽位于我国东部沿海地区，脊区呈现出汇合脊的特征，表明脊将逐渐减弱，此时成都地区受西北气流控制，位于脊前下沉气流区，有利于污染物的累积；700 hPa 高原东部的高压脊强度明显减弱，川西地区开始有弱低槽发展，成都地区位于东北-西南向的浅槽前部，受到槽前西南气流向盆地输送的暖湿空气影响；850 hPa 表现为弱气旋性环流，风速较小，污染浓度增加。

从14—15 日环流形势（重污染阶段）看：500 hPa我国高纬地区多受平直纬向西风气流控制，有较小波动带来较弱的冷空气南下，但对我国中南部影响较小，此时四川地区无明显南支槽脊波动，主要受平直西北风气流控制；700 hPa 高原东部高压脊发展，成渝地区上空温度梯度较小，受西北气流控制，在成都地区西部上空存在反气旋环流，受西部高压脊变化影响，污染加重。

从16 日环流形势（缓解阶段）看：500 hPa 成都地区上空有弱槽，此后小槽东移，东北部低压继续发展加强，成都地区位于槽后脊前，污染减弱消散速度加快；700 hPa 西北部高脊发展，成都地区上空受脊前西北气流影响；850 hPa 偏南气流有所加强，利于污染物的扩散。

综上所述，成都地区此次重污染过程整体处于天气系统弱的条件下，小风、静稳、高湿、多逆温且无降水，污染易持续积累，污染物的区域性输送和扩散也易受低层大气局地流场的影响。

2.3 重污染形成过程中局地环流演变特征

结合上节高空环流形势，分析1 月10 日10 时、12 时、18 时、20 时污染空间分布和垂直剖面（图5）可知，当日成都高空受脊前西北气流控制，底层背景环流弱，小风具有山谷风特征，垂直运动较弱，水平扩散条件和垂直扩散条件开始转差。10 日10 时，成都地区西部山体上空为显著的下沉气流，向西的下坡风与平原风在成都西部区域形成辐合风场，使得偏西区域附近PM2.5浓度更易短时积累，而中心城区的浓度积累更受排放影响，导致成都中部偏西区域形成局部污染。10—12 时，成都西部山地区域温度升高，气流上升速度明显增强，对应边界层高度也有所抬升，导致西部区域底层PM2.5向上输送，其次风速开始增大且风向转变成东南向的谷风，因此地面PM2.5浓度下降。这是由于成都地区西部海拔高，中东部海拔低，受地形影响，山谷地区受热性质不均匀，从而形成山谷风。12—18 时，由于空气的上升运动不断加强，偏西区域谷风也有所增强，地面PM2.5污染得到部分缓解。20 时，东部平原地面快速冷却，上升气流逐渐减弱，下沉气流逐渐加强，西部山风、下坡风再次发展，在西部区域再次形成辐合气流，使得PM2.5浓度首先在西部地区不断积累，形成局部污染。受夜晚风速减小以及排放共同影响，PM2.5处于快速增长的阶段，山风开始逐渐形成，污染区域开始从西部向中东部扩散。10 日20 时—11 日03 时，成都中西部为下沉气流控制，对应边界层高度很低，不利的扩散条件导致PM2.5不断累积。11 日03 时之后，由西部山体吹来的山风自西向东不断减弱，使得成都中部局地污染加重。

图5 2018 年1 月10 日10 时（a、f）、12 时（b、g）、18 时（c、h）、20 时（d、i）及11 日03 时（e、j）污染空间分布（a～e.填色表示PM2.5 浓度，箭头表示10 m 风场）和垂直剖面（f～j.风向杆表示风速，填色表示垂直速度，正值为下沉速度，负值为上升速度）

图6 是此次污染重阶段中14 日10 时、12 时、18 时、20 时污染空间分布和垂直剖面。结合高空环流形势和温度廓线可知，14 日成都整个区域处于小风、静稳状态，垂直运动弱，不利的水平扩散条件和垂直扩散条件导致污染物不断累积。14 日10 时，成都西部下沉气流形成向西的下坡风，下坡风与平原风在该地区形成辐合风场，导致成都偏西部区域的污染物浓度更高。10—12 时，成都西部山地温度升高，上升运动增强，垂直扩散条件转好，其次风速不断增大，风向由山风转变成东南向的谷风，地面PM2.5浓度有所降低。12 时之后，成都西部区域空气上升运动明显增强，偏西部区域谷风达到最大，扩散条件转好，污染程度开始得到一定缓解。18 时，谷风开始减弱，下沉运动开始增强，PM2.5不断累积，并且在偏东风的影响下，使得成都西南部地区污染物浓度增大。20 时，成都西部上升气流逐渐减弱，下沉气流逐渐加强，山风、下坡风开始发展，在成都西南部形成风场辐合带，加重成都西南地区污染。

图6 2018 年1 月14 日10 时（a、e）、12 时（b、f）、18 时（c、g）、20 时（d、h）污染空间分布（a～d.填色表示PM2.5 浓度，箭头表示10 m 风场）和垂直剖面（e～h，风向杆表示风速，填色表示垂直速度，正值为下沉速度，负值为上升速度）

图7 是此次污染消散阶段中16 日03 时、10 时、12 时、18 时、20 时污染空间分布和垂直剖面。结合高空环流形势和温度廓线可知，16 日成都地区高空风切变增强，高空逆温减弱，底层水平风速明显增强，垂直和水平扩散条件均明显转好。16 日03 时，成都受较大山风和下沉运动影响，导致成都中东部出现短时局部重污染。10 时，下沉运动明显增强，PM2.5浓度较高，且风向为西风，风速较大，导致成都地区西部的污染物向东部运输。12 时之后，成都西部区域大气开始出现上升运动，且此时受风速风向影响，该区域污染先得到缓解。18 时，成都西部和东部区域都有明显的上升运动，此时为东南向的大风，使得污染得到彻底缓解。20 时，上升运动减弱，西北向的谷风开始减弱，东南向的山风开始增强，导致PM2.5浓度在成都西南地区开始新一轮的累积。

图7 2018 年1 月16 日03 时（a、f）、10 时（b、g）、12 时（c、h）、18 时（d、i）、20 时（e、j）污染空间分布（a～e.填色表示PM2.5 浓度，箭头表示10 m 风场）和垂直剖面（f～j.风向杆表示风速，填色表示垂直速度，正值为下沉速度，负值为上升速度）

从垂直扩散条件来看，在污染开始和重污染阶段，大气多为下沉运动，污染物难以扩散，较小的水平风速不利于污染物的扩散，导致污染物持续累积，使得污染加重。由于局地环流的变化，也使得成都西部成为污染先开始、先加重及先缓解的区域。在污染减弱阶段，成都地面风速加大且垂直运动增强，有利于污染物的水平和垂直扩散。根据上述分析可知，本次污染过程中风速在每日11 时最小而18 时最大，结合图1 分析结果，说明每日午后至傍晚空气质量的好转与午后风速的增大有一定关系。

2.4 重污染形成过程中温度廓线及探空分布

已有研究[27]表明，逆温阻碍了地面污染物的向上扩散，同时静小风也使污染物不易在水平方向上传播，而污染物反过来也使逆温情况进一步加强和维持。而李培荣和向卫国[28]对比分析了四川盆地内温江（成都）、宜宾、达州、沙坪坝（重庆）四个观测站，发现成都冬季贴地逆温和多层逆温的出现频次最多。分析此次污染过程温度廓线（图8）可知，逆温多出现在600～700 hPa 之间，且白天贴地逆温较多而夜晚较少，10—14 日晚上逆温高度逐渐下降到700 hPa 以下，夜间逆温强度增加，有利于污染物在夜间堆积，而高空较强逆温的维持使得污染物浓度在15 日达到最高。重污染期间均有逆温层出现，逆温层高度较低，但其在污染过程中有所增加，垂直扩散受到很大的抑制。从10 日开始，白天出现贴地逆温，逆温的叠加作用对污染的影响更为显著。在多层逆温出现时，大气污染发生概率高于一般逆温，多层逆温尤其加大了中度及重度污染出现的可能性。而高空逆温与贴地逆温的双重加持有利于污染物浓度的不断增加和较高浓度污染的维持。15 日20 时，高空逆温上升到700 hPa 以上，但贴地逆温依然存在。直至16 日08 时，高空逆温和贴地逆温明显减弱，污染物浓度开始下降。

图8 2018 年1 月10—16 日成都市温江站08 时（a）和20 时（b）温度廓线

分析3 个阶段成都市温江站探空（图9）发现：1月10 日污染开始阶段，贴地逆温明显，高空逆温位于600 hPa，且逆温处大气均较为湿润，其中08 时为偏西风且风速较小，有利于污染物的不断积累；14 日重污染阶段，底层风速较小，贴地逆温持续，逆温层湿度增高，高空逆温与10 日相比明显增强且下降至700 hPa，与贴地逆温的共同作用使得污染维持在较高浓度；16 日污染缓解阶段，贴地逆温仍然存在，对比14 日700 hPa 处高层逆温明显减弱，垂直方向上存在风切变，低空风速明显增大，利于污染物的扩散。

图9 2018 年1 月10 日（上）、14 日（中）、16 日（下）成都市温江站08 时（左）和20 时（右）探空分布

综上所述，在2018 年1 月10—16 日，成都地区中低层弱风速、弱的水平风垂直切变、近地面层湿度较大、700 hPa 和近地面层的多层逆温层，均不利于污染物在垂直方向上的扩散，共同导致了此次持续时间长的严重污染天气。

3 结论

本文利用成都市环境监测站逐时PM2.5浓度数据和ERA5 再分析数据，分析了2018 年1 月一次重污染过程中局地环流变化规律及其对PM2.5浓度分布的影响，得到以下主要结论：

（1）2018 年1 月10—16 日污染过程中PM2.5浓度呈现波动式上升趋势，均于每日10 时左右达到峰值，其快速增长期均出现在18 时—次日02 时前后，02—10 时为高浓度维持期，而11—18 时出现浓度下降，PM2.5小时峰值浓度出现在1 月15 日11 时，达到225 μg/m3。

（2）污染开始阶段，成都上空位于高压脊前，受下沉气流控制，污染物逐渐聚集，PM2.5持续上升；重污染阶段，成都上空位于平直西风带中，垂直运动弱，污染进一步加强；污染减弱阶段，由于北方冷空气和南支槽东移，成都上空西风加强，有利于污染物的垂直扩散，PM2.5逐渐降低。污染过程整体处于弱天气系统控制下，小风、静稳、高湿、多逆温且无降水的气象条件，使得污染易持续积累，污染物的区域性输送和扩散也易受低层大气局地流场的影响。

（3）污染开始阶段和重污染阶段，较小的水平风速不利于污染物的扩散，导致污染物持续累积，使得污染加重。由于局地环流的变化，也使得成都西部成为污染先开始、先加重及先缓解的区域。受山谷风环流转换影响，10 时和20 时成都西部区域形成风场辐合，伴随气流下沉运动，形成西部局地污染；随着午后谷风和上升运动加强，边界层高度逐渐升高，污染有所缓解和扩散；而夜间下沉运动明显，边界层降低，污染加重，同时随着山风自西向东，污染也自西向东扩散。污染减弱阶段，由成都地面风速加大，垂直运动增强，有利于污染物的水平和垂直扩散，让污染能在短时间内得以缓解。

（4）夜间逆温强度增加，有利于污染物在夜间堆积，而高空较强逆温的维持使得污染物浓度在15 日达到最高，高空逆温与贴地逆温的双重加持有利于污染物浓度的不断增加和较高浓度污染的维持。