王安琪， 盛立芳,2*， 曹子淇， 王文彩， 孫即霖,2

(1.中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，；2.海洋大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

污染物跨界輸送對珠三角旱季霾的影響過程研究

王安琪1， 盛立芳1,2*， 曹子淇1， 王文彩1， 孫即霖1,2

(1.中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，；2.海洋大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

利用EOF分析方法和HYSPLIT-4軌跡模式對珠江三角洲2005-2015年旱季共251個霾日的天氣形勢及氣團(tuán)后向軌跡進(jìn)行聚類，分析了外源污染物跨界輸送對珠三角旱季霾發(fā)生的影響過程.以2015年1月20日為典型霾日個例，從天氣學(xué)和物質(zhì)輸送角度對該個例進(jìn)行研究.結(jié)果表明，引起珠三角地區(qū)旱季霾發(fā)生的外源污染物主要來自珠三角以北的中國大陸地區(qū).霾形成過程中，華北地區(qū)700 hPa高壓脊前負(fù)渦度平流對應(yīng)海平面至850 hPa均有一高壓系統(tǒng)，高壓東北向氣流有利于污染物由從長三角地區(qū)輸送至珠三角地區(qū).長三角地區(qū)平均空氣質(zhì)量通量為負(fù)，有質(zhì)量輸出；珠三角地區(qū)平均空氣質(zhì)量通量為正，有質(zhì)量輸入.珠三角地區(qū)在高壓影響的下沉氣流控制下，Q矢量散度為正，污染物易積聚成霾.圖12，參24.

霾；跨界輸送；天氣形勢；垂直運(yùn)動；Q矢量散度

珠江三角洲是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，由于區(qū)域資源和能源消耗量過大，多種大氣污染物高強(qiáng)度集中排放，光化學(xué)煙霧、霾等大氣污染問題日益突出[1-2].珠三角地區(qū)各個城市旱季(10月-次年3月)的霾日明顯多于雨季(4-9月)，當(dāng)冷暖氣團(tuán)強(qiáng)度相當(dāng)或交匯時，易出現(xiàn)區(qū)域性污染[3].珠三角地區(qū)北依南嶺，南臨南海，地理環(huán)境特殊，其氣象特征非常復(fù)雜.雨季珠三角極易受到南海夏季風(fēng)和臺風(fēng)的影響；旱季又頻繁受到寒潮的影響；同時還受海陸風(fēng)、城市熱島環(huán)流、越南嶺下沉氣流等的復(fù)合影響[4].

霾的發(fā)生與天氣形勢和氣象條件有關(guān).關(guān)于天氣形勢和氣象條件對污染狀況的影響，國內(nèi)外已經(jīng)有較多的研究工作[5].Stohl等利用拉格朗日算法分析美國污染事件中污染物的氣團(tuán)軌跡與天氣形勢的關(guān)系發(fā)現(xiàn)美國東部和中西部的區(qū)域污染事件與緩慢移動的高壓系統(tǒng)和邊界層不利的通風(fēng)條件緊密相關(guān)，而污染事件的終結(jié)則是由東移的中尺度氣旋造成的[6].Vuko vich指出污染事件頻率的年際變化很大程度上依賴于天氣條件，污染形勢對天氣尺度環(huán)流也具有較強(qiáng)的敏感性[7].吳蒙等研究表明，風(fēng)是影響珠三角地區(qū)空氣質(zhì)量最主要的氣象要素，區(qū)域霾天氣過程與該區(qū)域內(nèi)靜小風(fēng)過程關(guān)系密切[8].吳兌等認(rèn)為靜小風(fēng)、相對濕度增加、地面溫度升高易形成穩(wěn)定的天氣形勢，有利于污染物的聚積；而降雨、降雪、強(qiáng)平流輸送常伴隨污染物的消散[9].

引發(fā)霾的污染源有本地源及外地源，外地污染物通過跨界輸送影響霾的發(fā)生與空氣質(zhì)量.國外學(xué)者針對污染物跨界輸送開展了不少研究.Masiol等通過研究威尼斯霾日PM10的化學(xué)成分總結(jié)出不同天氣形勢下的污染物跨界輸送的特征[10].Moussiopoulos等利用TRAPPA 模型研究了歐洲東南部NOx和SO2基于不同天氣形勢的跨界污染路徑[11].Kaldellis等定量研究了歐盟各國輸出到其它國家以及由其它國家輸入到歐盟的NOx和SO2[12].我國學(xué)者也針對京津冀、長三角和珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)開展了不少污染物跨界輸送的研究.王淑蘭等通過零排放擾動法指出珠三角地區(qū)城市之間存在相互污染繼而導(dǎo)致霾的發(fā)生[13].王艷等通過MM5模式及氣流前向軌跡得出長江三角洲地區(qū)對外界的中尺度污染傳輸主要受東亞季風(fēng)活動的影響,其中冬季季風(fēng)是長三角污染物向華南和西太平洋地區(qū)傳輸?shù)囊粋€主要機(jī)制[14].污染物通過跨界輸送，造成各城市大氣污染相互關(guān)聯(lián)以及多種高濃度污染物在時空上的重疊，并導(dǎo)致污染物在輸送轉(zhuǎn)化過程中的耦合作用，形成區(qū)域性污染[15].

前人的研究證明了大氣污染物可以通過平流輸送對其他地區(qū)產(chǎn)生影響，但從氣象學(xué)角度對污染物跨界輸送的具體過程解釋還不充分.本文將重點(diǎn)研究污染物跨界輸送對珠三角旱季霾的影響過程.從氣象學(xué)角度出發(fā)，結(jié)合天氣形勢與氣團(tuán)后向軌跡，利用氣象要素變化場解釋外源污染物跨界輸送的原因.研究有利于深入了解霾形成的外部條件，為區(qū)域污染聯(lián)合防治提供科學(xué)支持.

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

(1)2005～2015年全國地面站點(diǎn)氣象觀測資料，包括每日四次的風(fēng)速、風(fēng)向、能見度、溫度、露點(diǎn)溫度、天氣現(xiàn)象.

(2)歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)網(wǎng)站發(fā)布的2005～2015年海平面、1 000 hPa至500 hPa共16層等壓面經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)、垂直速度、相對渦度、相對濕度、位勢高度資料.空間分辨率為0.5°×0.5°，時間分辨率為6 h.

(3)美國國家海洋大氣研究中心(NOAA)空氣資源實(shí)驗(yàn)室HYSPLIT-4單粒子軌跡模式提供的氣團(tuán)移動過程中的軌跡數(shù)據(jù).空間精度為1°×1°.

(4)環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心提供的2015年全國367個站點(diǎn)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI).

1.2 研究方法

1.2.1 霾日篩選

篩選霾日一般有兩種方式，一種是用能見度日均值，定義日均能見度小于10 km，日均相對濕度小于90%，并排除降水、吹雪、雪暴、揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵和煙幕等其他能導(dǎo)致視障現(xiàn)象的事件為一個霾日；另一種是使用能見度14∶00(北京時間，下同)的實(shí)測值，用于分析能見度小于10 km，相對濕度小于90%，并排除其他能導(dǎo)致視障現(xiàn)象事件的情況為一個霾日[16].為防止夜間邊界層變化引起的誤差，本文采用后者作為篩選霾日的標(biāo)準(zhǔn).取珠三角內(nèi)廣州、東莞、中山、深圳、珠海、惠陽、香港、澳門共八個站點(diǎn)中有4個或4個以上站點(diǎn)發(fā)生霾，則計1次珠三角霾日.利用2005～2015年珠三角地區(qū)旱季的氣象資料，共挑選出251個霾日.

1.2.2 自然正交函數(shù)

采用氣候?qū)W研究中常用的自然正交函數(shù)(EOF)分析珠三角旱季霾發(fā)生時500 hPa、700 hPa、850 hPa位勢高度場以及海平面氣壓場特征.特征向量對應(yīng)空間樣本，稱空間模態(tài)；主成分對應(yīng)時間變化，稱時間系數(shù)[17].利用EOF對位勢高度場進(jìn)行分析可以得出珠三角旱季霾日主要的天氣形勢.EOF分解結(jié)果需通過North檢驗(yàn)，即計算特征值誤差范圍的方法來進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).特征值λj誤差范圍為

(1)

其中，n為樣本量.當(dāng)兩相鄰的特征值λj+1滿足λj-λj+1≥ej時，則認(rèn)為這兩特征值所對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)有意義.

1.2.3 局地環(huán)流指數(shù)

在描述近地面風(fēng)場輸送能力時，引入風(fēng)場的局地環(huán)流指數(shù)R[18]，公式如下：

(2)

其中，ΔT表示時間間隔，i表示數(shù)據(jù)時刻，is為起始時刻，ie是終止時刻，u表示10m風(fēng)水平風(fēng)速的南北分量，v表示10 m風(fēng)水平風(fēng)速的東西分量.當(dāng)R接近1時，表示穩(wěn)定的輸送；當(dāng)R接近0時，表示幾乎沒有有效輸送.

1.2.4 HYSPLIT-4模式

采用美國國家海洋大氣研究中心(NOAA)空氣資源實(shí)驗(yàn)室的軌跡模式(HYSPLIT-4)分析典型個例的氣團(tuán)后向軌跡，該模式結(jié)合歐拉和拉格朗日算法計算氣團(tuán)移動過程中的平流輸送、擴(kuò)散及沉降，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于分析污染物來源及軌跡的研究中，模式初始場采用的是NCEP全球同化資料(Global Data Assimilation System，GDAS)提供的空間精度為1°×1°的分析場資料[19].研究表明，一般城市建筑群上空(320 m)為大尺度遠(yuǎn)距離輸送即外源污染物影響顯著區(qū)[20].因此本文取深圳市(22.72°N,114.24°E)300 m 高度72 h的氣流后向軌跡變化為研究對象.

1.2.5 Q矢量及Q矢量散度

Hoskins根據(jù)p坐標(biāo)系下運(yùn)動方程組及熱成風(fēng)方程將準(zhǔn)地轉(zhuǎn)強(qiáng)迫項(xiàng)表示為一個矢量的散度，將這個矢量稱為Q矢量(式(3)).用Q矢量散度表示垂直速度ω的大小及分布[21,22]，(4)式中ω的大小僅與Q矢量散度有關(guān)，克服了位勢傾向方程中兩項(xiàng)產(chǎn)生二級環(huán)流相互抵消的作用，利用Q矢量散度建立溫度平流及位勢場變化對垂直速度的影響，解釋氣團(tuán)在運(yùn)動過程中上升及下沉的物理原因.由于公式(4)左端項(xiàng)與-ω成正比，所以ω∝；Q矢量輻散區(qū)，為正，ω為正(公式中取垂直向下為正方向)，有下沉運(yùn)動；Q矢量輻合區(qū)，為負(fù)，ω為負(fù)，有上升運(yùn)動.

(3)

(4)

1.2.6 跨界輸送質(zhì)量通量

描述霾發(fā)生時高空風(fēng)場的質(zhì)量輸送能力時，作氣團(tuán)后向軌跡起始點(diǎn)(30°N，120°E)至終點(diǎn)(22°N，114°E)間連線，取底邊垂直于兩點(diǎn)間連線的單位面積.運(yùn)用通量法對氣團(tuán)后向軌跡剖面上空氣質(zhì)量通量進(jìn)行計算.公式如下[23]：

φ=ρ(ui-ui+1)

(5)

其中，φ為質(zhì)量通量(kg·m-2·s-1),ρ為空氣密度(kg·m-2)，u為通過插值得到的兩點(diǎn)間連線上的格點(diǎn)風(fēng)速(m·s-1),i為格點(diǎn)數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 霾日天氣形勢

運(yùn)用EOF分析珠三角旱季霾日500、700、850 hPa等壓面位勢高度場及海平面氣壓場以判斷該地區(qū)旱季霾日典型天氣形勢.第一模態(tài)結(jié)果全部通過信度檢驗(yàn)并且方差貢獻(xiàn)率均高于60%，所以本文選取第一模態(tài)結(jié)果為重點(diǎn)研究對象.通過對第一模態(tài)中主成分高于1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差的個例位勢高度場及海平面氣壓場求平均，得到珠三角旱季霾發(fā)生時最顯著的天氣形勢.

冬季北半球500 hPa圖(略)上，中、高緯度主要呈典型的冬季三波結(jié)構(gòu).霾發(fā)生時，500 hPa(圖1a)東北、華北地區(qū)位于高壓脊前負(fù)渦度平流區(qū)，珠三角受西南氣流控制.700 hPa北方大陸地區(qū)受暖高壓脊控制(圖1b)，對應(yīng)850 hPa(圖1c)、海平面氣壓場(圖1d)中出現(xiàn)面積較大的高壓.珠三角位于高壓底部，盛行東北風(fēng).

2.2 霾日氣團(tuán)后向軌跡

以深圳站(22.72°N,114.24°E)作為后向軌跡的終點(diǎn)，通過HYSPLIT-4軌跡模式得到2005～2015年旱季珠三角發(fā)生霾時251個個例300 m高空72 h的后向軌跡數(shù)據(jù)，利用TrajStat軟件進(jìn)行軌跡聚類并繪圖[24].圖2顯示，霾發(fā)生時外源氣團(tuán)的輸入路徑主要有四條：由長三角地區(qū)沿東南沿海海岸線輸送至珠三角地區(qū)，所占比例為24%；由長三角經(jīng)大陸上空進(jìn)入珠三角地區(qū)，所占比例為56%；由安徽省經(jīng)大陸上空進(jìn)入珠三角地區(qū)，所占比例為15%；由北部灣進(jìn)入珠三角的占5%.因此，珠三角旱季霾發(fā)生時，95%的外源氣團(tuán)來自于珠三角以北的中國大陸地區(qū).始于長三角，經(jīng)浙江、福建兩省進(jìn)入珠三角的外源跨界輸送最為顯著.所以該文將重點(diǎn)研究由此路徑進(jìn)入珠三角的個例.

圖1 2005～2015年珠三角旱季霾日EOF第一模態(tài)，(a)500 hPa位勢高度場，(b)700 hPa位勢高度， (c)850 hPa位勢高度場，(d)海平面氣壓場.Fig.1 500 hPa geopotential height field(a); 700 hPa geopotential height field(b); 850 hPa geopotential height field (c);sea surface pressure(d) of EOF first mode in haze days in dry season from 2005 to 2015 in PRD

圖2 2005～2015年深圳站(22.72°N,114.24°E)旱季霾日300 m高度72 h后向軌跡聚類Fig.2 300 m backward trajectories in hazy days in dry season in Shenzhen (22.72°N,114.24°E) from 2005 to 2015

2.3 典型霾日過程分析

2.3.1 典型個例簡介

根據(jù)EOF分析所得的天氣形勢第一模態(tài)結(jié)果，挑選出500、700、850 hPa及海平面時間序列均屬前3，并且72 h后向軌跡由長三角經(jīng)大陸上空進(jìn)入珠三角的個例，選取2015年1月20日作為珠三角旱季霾日典型個例.

在珠三角霾發(fā)生之前72 h(后向軌跡的起始時間)，霾的區(qū)域集中在長三角地區(qū)，多站點(diǎn)AQI值達(dá)200以上，平均風(fēng)速2 m·s-1(圖3a).20日珠三角地區(qū)9站中7站有霾，AQI由17日平均值82上升至127，平均風(fēng)速1 m·s-1(圖3b).局地環(huán)流指數(shù)R平均值0.35(圖4)，近地面風(fēng)場輸送能力弱，區(qū)域性霾爆發(fā).

圖3 2015年1月17日及20日14∶00風(fēng)場-AQI-霾站點(diǎn)分布圖(a.17日14∶00，b.20日14∶00； 填色為AQI,矢量為1 000 hPa風(fēng)，單位：m·s-1，黑點(diǎn)為發(fā)生霾的站點(diǎn))Fig.3 Wind field-AQI-haze stations on 17 Jan and 20 Jan 2015(a.at 14∶00 LST on 17 Jan 2015; b.at 14∶00 LST on 20 Jan 2015;shading is AQI; vector is wind at 1 000 hPa,unit: m·s-1 ; black dots are haze stations)

圖4 2015年1月20日14∶00 局地環(huán)流指數(shù)RFig.4 Regional circulation index (R) at 14∶00 LST on 20 Jan 2015

由2015年1月20日14∶00深圳站300 m高空72 h后向軌跡(圖5)看出，氣團(tuán)由長三角經(jīng)過浙江、江西兩省進(jìn)入珠三角.后向軌跡的剖面圖(圖6)顯示，污染物傳播的高度在850 hPa以下.在長三角地區(qū)附近，地形對污染物傳輸有強(qiáng)迫抬升的作用.

霾多發(fā)區(qū)域的改變、AQI增加的趨勢以及氣團(tuán)后向軌跡的方向均由長三角地區(qū)到珠三角地區(qū).說明本次珠三角霾過程的發(fā)生，可能是由長三角地區(qū)污染物的跨界輸送導(dǎo)致.

圖5 2015年1月20日深圳站300 m高空72 h后向軌跡Fig.5 300 m backward trajectary in 72 h on 20 Jan 2015 in Shenzhen

圖6 2015年1月20日14∶00深圳站300 m高空72 h后向軌跡沿軌跡的剖面圖(陰影部分為地形，標(biāo)記為時間點(diǎn))Fig.6 Profile of 300 m-72 h backward trajectary at 14∶00 LST on 20 Jan 2015 in Shenzhen(shading is topography;X mark is timing)

2.3.2 典型霾日下沉運(yùn)動

計算2015年1月20日14∶00珠三角發(fā)生霾時850 hPa及925 hPa的Q矢量及其散度.發(fā)現(xiàn)兩等壓面上Q矢量及其散度分布具有相同的特征：珠三角地區(qū)為Q矢量輻散區(qū)，Q矢量散度為正值(圖7a，b)，對應(yīng)下沉運(yùn)動.在850 hPa及925 hPa均下沉的作用下，珠三角地區(qū)的污染物不易擴(kuò)散，為霾形成創(chuàng)造了有利條件.

圖7 2015年1月20日14∶00 850 hPa及925 hPa Q矢量及其散度(a.850 hPa，b.925 hPa；填色為垂直速度，單位：Pas-1：，垂直向上為正方向，矢量為Q矢量，等值線為Q矢量散度，實(shí)線為正虛線為負(fù))Fig.7 Q-vector and Q-vector divergence on 850 hPa and 925 hPa at 14∶00 LST on 20 Jan 2015 (a.850 hPa; b.925 hPa;shading is vertical velocity,unit:Pas-1,upward is positive; vectors is Q; contour is Q-vector divergence, Solid line is positive and dashed line is negative)

2.3.3 典型天氣過程分析

天氣系統(tǒng)為污染物跨界輸送提供動力.

17日至20日，500 hPa位勢高度場中位于50～53°N，133～142°E的低壓橫槽轉(zhuǎn)豎(圖略)，東北、華北地區(qū)受暖高壓脊控制.20日，長三角地區(qū)霾消散，AQI指數(shù)下降，珠三角地區(qū)多站點(diǎn)發(fā)生霾.

19日14∶00，500 hPa橫槽轉(zhuǎn)豎過程中，東北、華北地區(qū)500 hPa(圖8a)、700 hPa(圖8b)均受高壓脊前負(fù)渦度平流控制，對應(yīng)850 hPa(圖9a)、925 hPa(圖9b)以及海平面氣壓場(圖略)均出現(xiàn)面積較大的高壓.長三角至珠三角之間從地面至850 hPa均受高壓系統(tǒng)東北向氣流控制，珠三角位于高壓底部，空氣質(zhì)量易受到由東北向氣流攜帶的污染物影響.高壓產(chǎn)生的下沉運(yùn)動，不利于珠三角地區(qū)污染物垂直擴(kuò)散.

20日14∶00海平面氣壓圖(圖10)中高壓移動至河南、山東、江蘇境內(nèi)并出海，海平面氣壓24 h變壓下降，珠三角地區(qū)24 h內(nèi)風(fēng)速下降1.5 ms-1，氣溫上升2.2℃，不利于珠三角地區(qū)污染物水平擴(kuò)散.

在垂直擴(kuò)散與水平擴(kuò)散均不利的條件下，污染物在珠三角積聚成霾，珠三角地區(qū)AQI指數(shù)上升.

圖8 2015年1月19日14∶00 500 hPa及700 hPa位勢高度-溫度-風(fēng)場(a.500 hPa，b.700 hPa；矢量為風(fēng)，單位：m·s-1；黑色等值線為位勢高度，單位：gpm；紅色等值線為溫度，單位：℃)Fig.8 500 hPa and 700 hPa geopotential height-temperature-wind field at 14∶00 LST on 19 Jan 2015 (a.500 hPa; b.700 hPa; vector is wind,unit: m·s-1; black contour is geopotential height,unit: gpm; red contour is temperature,unit:℃)

圖9 2015年1月19日14∶00 850 hPa及925 hPa位勢高度-溫度-風(fēng)場(a.850 hPa，b.925 hPa；矢量為風(fēng)，單位：m·s-1；黑色等值線為位勢高度，單位：gpm；紅色等值線為溫度，單位：℃)Fig.9 850 hPa and 925 hPa geopotential height-temperature-wind field at 14∶00 LST on 19 Jan 2015 (a.850 hPa; b.925 hPa;vector is wind,unit: m·s-1; black contour is geopotential height,unit: gpm; red contour is temperature,unit:℃)

圖10 2015年1月20日14∶00海平面氣壓場-24 h變壓場(填色為24 h變壓，等值線為海平面氣壓，單位：hPa)Fig.10 Sea level pressure and 24 h allobaric field at 14∶00 LST on 20 Jan 2015 (shading is 24 h allobaric field;contour is sea level pressure,unit: hPa)

22日08∶00珠三角地區(qū)500、700及850 hPa(圖11a)均處于槽前正渦度平流控制范圍內(nèi)，易產(chǎn)生上升運(yùn)動.925 hPa(圖11b)珠三角地區(qū)位于高壓后部，在冷平流控制范圍內(nèi).上升運(yùn)動有利于地面污染物垂直擴(kuò)散.地面盛行東北風(fēng)，風(fēng)速5 m·s-1，局地環(huán)流指數(shù)0.9(圖略)，近地面水平擴(kuò)散條件良好，霾消散.

2.3.4 質(zhì)量通量

為進(jìn)一步證明物質(zhì)的輸送，用通量法計算氣團(tuán)起始點(diǎn)(代表長三角地區(qū))(30°N，120°E)至終點(diǎn)(代表珠三角地區(qū))(22°N,114°E)之間的平均空氣質(zhì)量通量.空氣質(zhì)量通量表示單位時間單位面積內(nèi)質(zhì)量的輸送值，數(shù)值為正說明空氣質(zhì)量于此地有質(zhì)量貢獻(xiàn)，該地區(qū)有物質(zhì)輸入，負(fù)值則相反，說明該地區(qū)有物質(zhì)輸出.沿氣團(tuán)后向軌跡作截面，計算72 h內(nèi)13個時刻(每6 h為1個時刻)的平均空氣質(zhì)量通量圖，圖12顯示，珠三角地區(qū)平均空氣質(zhì)量通量為正值，有質(zhì)量輸入；長三角地區(qū)平均質(zhì)量通量為負(fù)值，有質(zhì)量輸出.證明20日珠三角發(fā)生霾時，長三角地區(qū)對于珠三角地區(qū)有物質(zhì)貢獻(xiàn).作為珠三角旱季霾日的典型代表，也進(jìn)一步證明，在典型天氣形勢控制下，長三角地區(qū)的污染物跨界輸送對珠三角地區(qū)冬季霾的發(fā)生會產(chǎn)生影響.

圖11 2015年1月22日08∶00 850 hPa及925 hPa位勢高度-溫度-風(fēng)場(a.850 hPa；b.925 hPa；矢量為風(fēng)，單位：m·s-1；黑色等值線為位勢高度，單位：gpm；紅色等值線為溫度，單位：℃)Fig.11 850 hPa and 925 hPa geopotential height-temperature-wind field at 08∶00 LST on 22 Jan 2015 (a.850 hPa; b.925 hPa;vector is wind,unit: m·s-1;black contour is geopotential height,unit: gpm; red contour is temperature,unit:℃)

圖12 2015年1月17日14∶00至20日14∶00珠三角地區(qū)至長三角地區(qū)之間平均空氣質(zhì)量通量圖(等值線為平均空氣質(zhì)量通量單位：kg·m-2·s-1；灰色陰影部分為地形)Fig.12 Average air mass flux from 14∶00 LST on 17 Jan 2015 to 14∶00 LST on 20 Jan 2015 between YRD and PRD(contour is average air mass flux,unit: kg·m-2·s-1 ; shading is topography)

3 結(jié) 論

1)造成珠三角地區(qū)旱季霾發(fā)生的外源污染物主要來自珠三角以北的中國大陸地區(qū)，其中自長三角地區(qū)經(jīng)內(nèi)陸跨界輸送至珠三角地區(qū)的最多，占56%.

2)霾形成過程中，華北地區(qū)500、700 hPa高壓脊前負(fù)渦度平流對應(yīng)850、925 hPa、海平面氣壓場上的高壓系統(tǒng),珠三角位于高壓底部.在高壓東北向氣流控制下，長三角地區(qū)平均空氣質(zhì)量通量為負(fù)，有質(zhì)量輸出，將污染物輸送至珠三角地區(qū).珠三角地區(qū)平均空氣質(zhì)量通量為正，有質(zhì)量輸入.高壓產(chǎn)生的下沉氣流對應(yīng)Q矢量輻散區(qū)，不利于珠三角地區(qū)污染物垂直擴(kuò)散.大陸高壓出海強(qiáng)度減弱,珠三角地區(qū)近地面風(fēng)速減小，氣溫升高，局地環(huán)流降低，不利于污染物水平擴(kuò)散，霾爆發(fā).

3)霾消散過程中，華南地區(qū)500、700、850 hPa槽前正渦度平流對應(yīng)上升運(yùn)動，有利于污染物垂直擴(kuò)散.近地面風(fēng)速5 m·s-1，局地環(huán)流指數(shù)0.9，有利于近地面污染物水平擴(kuò)散.

[1] 吳 兌.近十年中國灰霾天氣研究綜述[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2012,32(2):257-269 Wu D． 2012． Hazy weather research in China in the last decade: A review[J]． Acta Scientiae Circumstantiae，32(2) : 257-269

[2] 范紹佳,王安宇,樊 琦,等.珠江三角洲大氣邊界層特征及其概念模型[J].中國環(huán)境科學(xué),2006,26(S1):4-6 Fan Shao-jia,Wang An-yu,Fan Qi,et al.Atmospheric boundary layer features of the Pearl River Delta and its conception model[J].China Environmental Science,2006,26(S1):4-6

[3] 吳 兌,劉啟漢,梁延剛,畢雪巖,李 菲,譚浩波,廖碧婷,陳慧忠.粵港細(xì)粒子(PM2.5)污染導(dǎo)致能見度下降與灰霾天氣形成的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2012,32(11):2 660-2 669. Wu D，Alexis Kai-Hon Lau，Leung Y K，et al． 2012． Hazy weather formation and visibility deterioration resulted from fine particulate ( PM2.5) pollutions in Guangdong and Hong Kong[J]． Acta Scientiae Circumstantiae，2012,32(11) : 2 660-2 669

[4] 范紹佳,王安宇,樊 琦,等.天氣系統(tǒng)對珠江三角洲大氣邊界層影響及其模擬[A].中國氣象學(xué)會.中國氣象學(xué)會2007年年會大氣成分觀測、研究與預(yù)報分會場論文集[C].中國氣象學(xué)會,2007,2007:6 Fan Shao-jia,Wang An-yu,Fan Qi,et al.Impact of weather system on the atmospheric boundary layer features of the Pearl River Delta and its simulations[A].Chinese Meteorological Society.Conferennce Prceeding ofthe Chinese meteorological society annual conference of 2007 atmospheric composition observation,research,and forecast venue[C],Chinese Meteorological Society.2007,2007:6

[5] 謝付瑩,王自發(fā),王喜全.2008年奧運(yùn)會期間北京地區(qū)PM10污染天氣形勢和氣象條件特征研[J].氣候與環(huán)境研究,2010,15(5):584-594 Xie Fu-ying,Wang Zi-fa,Wang Xi-quan.2010.A study of the characteristics of the synoptic situations and meteorological conditions in PM10 air pollution episodes of Beijing during the 2008 Olympic Games period [J].Climatic and Environmental Research (in Chinese),15 (5): 584-594.

[6] Stohl A.A 1-year Lagrangian“climatology”of airstreams in the Northern Hemisphere troposphere and lowermost stratosphere[J].Journal of Geophysical Research,2001,106:7 263-7 279

[7] Vukovich F M.Regional-scale boundary-layer ozone variations in the eastern United States and their as sociation with meteorological variations[J].Atmospheric Environment,1995,29:2 259-2 273

[8] 吳 蒙,范紹佳,吳 兌,等.廣州地區(qū)灰霾與清潔天氣變化特征及影響因素分析[J].中國環(huán)境科學(xué),2012,32(8):1 409-1 415 Wu Meng,Fan Shao-jia,Wu Dui,et al.Characteristics and influence factors study of haze and cleaning weather over Guangzhou Area[J].China Environmental Science,2012,32(8):1 409-1 415

[9] 吳 兌,廖國蓮,鄧雪嬌,等.珠江三角洲霾天氣的近地層輸送條件研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2008,19(1):1-9 Wu Dui,Liao Guo-lian,Deng Xue-jiao,et al.Transport Condition of Surface Layer Under Haze Weather over the Pearl River Delta[J].Journal of applied meteorological science,2008,19(1):1-9

[10] Masilo M,Squizzato S,Ceccato D,et al.Determining the influence of different atmospheric circulation patterns on PM10 chemical composition in a source apportionment study[J].Atmospheric Environment,2012,63:117-124

[11] Moussiopoulos N,Helmis C G,Flocas H A,et al.A modelling method for estimating transboundary air pollution in southeastern Europe[J].Environmental Modelling & Software,2004,19(6):549-558

[12] Kaldellis J K,Chalvatzis K J,Spyropoulos G C.Transboundary air pollution balance in the new integrated European environment[J].Environmental Science & Policy,2007,10(7/8):725-733

[13] 王淑蘭,張遠(yuǎn)航,鐘流舉,等.珠江三角洲城市間空氣污染的相互影響[J].中國環(huán)境科學(xué),2005,25(2):133-137 Wang Shu-lan,Zhang Yuan-hang,Zhong Liu-ju,et al.Interaction of urban air pollution among cities in Zhujiang Delta[J].China Environmental Science,2005,25(2):133-137

[14] 王 艷,柴發(fā)合,王永紅,劉 敏.長江三角洲地區(qū)大氣污染物輸送規(guī)律研究[J].環(huán)境科學(xué),2008,05:1 430-1 435. Wang Yan,Chai Fa-he,Wang Yong-hong,et al.Transport Characteristics of Air Pollutants over the Yangtze Delta[J].Environmental Science,2008,05:1 430-1 435.

[15] Shao M,Tang X Y,Zhang Y H,et al.City clusters in China: airand surface water pollution[J].Frontiers in Ecology and the Environment,2006,4: 353-361

[16] 吳 兌,吳曉京,朱小祥.霧和霾[M].北京:氣象出版社,2009. Wu Dui,Wu Xiao-jing,Zhu Xiao-xiang.Fog and Haze[M].Meteorological press,Beijing (in Chinese),2009.

[17] 施 能,陳家其,屠其璞.中國近100年來4個年代際的氣候變化特征[J].氣象學(xué)報,1995,04:431-439. Shi-Neng,Chen Jia-qi,Tu Qi-pu.4-phase climate change features in the last 100 years over China[J].Acta Meteorologica Sinica,1995,04:431-439.

[18] Allwine K J,Whiteman C D.Single-station integral measures of atmospheric stagnation,recirculation and ventilation[J].Atmospheric Environment,1994,28:713-721

[19] Zannetti P.Air pollution modeling [M].New York:Van Nostrand Reinhold,1990.

[20] 徐祥德,周秀驥,施曉暉.城市群落大氣污染源影響的空間結(jié)構(gòu)及尺度特征[J].中國科學(xué)(D輯:地球科學(xué)),2005,S1:1-19. Xu Xiang-de,Zhou Xiu-ji,Shi Xiao-hui.The characteristics of spatial structure and scaleof the City community air pollution affect[J].Science in China Ser.D Earth Sciences,2005,S1:1-19.

[21] Hoskins B J,Draghici I,Davies H C.A new look at the ω-equation[J].R.Met.Soc.,1978,104:31-38.

[22] 白樂生.準(zhǔn)地轉(zhuǎn)Q矢量分析及其在短期天氣預(yù)報中的應(yīng)用[J].氣象,1988,(8):25-30. Bai Yue-sheng.Quasi-geostraphicQ-vector analysis and its application in short-range forecasting[J].Meteorology,1988,(8):25-30.

[23] Zhang Q,Streets D G,Carmichael G R,et al.Asian emissions in 2006 for the NASA INTEX-B mission [J].Atmospheric Chemistry and Physics,2009,( 9): 5 131-5 153

[24]Wang Y Q,Zhang X Y,Draxler R R.Traj Stat: GIS-based software that uses various trajectory statistical analysis methods to identify potential sources from long-term air pollution measurement data[J].Environmental Modeling and Software,2009,24(8):938-939

Biography：WANG An-qi,female,born in 1991,master degree candidate,atmospheric environment.

The Impact Process of Trans-boundary Transport of Pollutants on Haze in Dry Season in Pearl River Delta

WANG An-qi1, SHENG Li-fang1,2*, CAO Zi-qi1, WANG Wen-cai1, SUN Ji-lin1,2

( 1.College of Oceanic and Atmospheric Sciences; 2.Ocean-Atmosphere Interaction and Climate Laboratory,Key Laboratory of Physical Oceanography of Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

To deeply understand the impact process of trans-boundary transport of xenobiotic pollutants on haze in dry season,Empirical Orthogonal Function (EOF) and the HYSPLIT-4 model were used to cluster and analyze weather situation and backward trajectories of 251 haze episodes in Pearl River Delta (PRD) in dry season from 2005 to 2015.Analysis of the synoptic situation and the pollutants transmission on Jan.20th in 2015 was made as a typical case.The results showed that the external sources causing haze in dry season in PRD,were mainly from north of PRD (inland).During the forming process of haze,both the negative vorticity advection 700hPa and sea level 850hPa had high pressure systems in North China.Pollutants were transported by northeast airstream of the high pressure from Yangtze River Delta (YRD) to PRD.During the haze occurrence,average air mass flux was negative in YRD but positive in PRD.Under the control of downdraft influenced by high pressure air in PRD,Q-vector divergence was positive and the pollutants easily resulted in haze. 12figs.,24refs.

haze; trans-boundary transport; synoptic situation; vertical motion;Q-vector divergence

2017-01-05

國家自然科學(xué)基金(編號：41675146)

王安琪(1991-)，女，陜西渭南人，碩士研究生，研究方向：大氣環(huán)境學(xué). *通訊作者,E-mail: shenglf@ouc.edu.cn

2095-7300(2017)01-020-11

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