郝天依,陳樹成,蔡子穎,單曉琳,孟麗紅,韓素芹,東高紅(.天津市環(huán)境氣象中心,天津 0007；2.天津市氣象探測中心,天津 0006；.天津市濱海新區(qū)氣象局,天津 0057；.天津市氣象科學(xué)研究所,天津 0007)

天津地區(qū)海風(fēng)對(duì)大氣污染物濃度的影響

郝天依1,陳樹成2*,蔡子穎1,單曉琳3,孟麗紅4,韓素芹4,東高紅1(1.天津市環(huán)境氣象中心,天津 300074；2.天津市氣象探測中心,天津 300061；3.天津市濱海新區(qū)氣象局,天津 300457；4.天津市氣象科學(xué)研究所,天津 300074)

采用污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和大氣化學(xué)模式WRF-CHEM分析天津地區(qū)海風(fēng)對(duì)大氣污染物濃度的影響.結(jié)果表明:天津地區(qū)東部沿海的空氣質(zhì)量優(yōu)于西部內(nèi)陸及城市中心.在天津地區(qū)污染天氣高發(fā)的秋冬季,海風(fēng)對(duì)污染物濃度起到了稀釋作用,所以海風(fēng)有利于天津地區(qū)大氣污染的緩解,并且對(duì)城郊污染物濃度的影響相對(duì)較大,弱氣壓場形勢下有海風(fēng)存在相對(duì)于無海風(fēng)時(shí)PM2.5、PM10和O3的日均濃度減幅分別為14.4μg/m3,22.9μg/m3和8.9μg/m3. 2015年1月4日海風(fēng)過程的實(shí)例分析表明海風(fēng)鋒可將沿海的部分大氣污染物輸送至所經(jīng)過的內(nèi)陸地區(qū),所以處于海風(fēng)鋒前的地區(qū)污染物濃度存在短暫的小幅上升,移至海風(fēng)鋒后部后污染物濃度呈下降趨勢,市區(qū)的 PM2.5小時(shí)濃度由342μg/m3上升為399μg/m3,而后再呈下降趨勢,降至160μg/m3左右.海風(fēng)有利于天津地區(qū)大氣污染物的擴(kuò)散,既將污染物向海風(fēng)的下游方向輸送,又增強(qiáng)了污染物的垂直擴(kuò)散能力.此次過程影響范圍較廣,使得天津地區(qū)的大氣污染得到了緩解,但并沒有使大氣污染物消散.

天津；海風(fēng)；大氣污染

天津地處華北平原北部,東臨渤海,是我國北方最大的港口城市.海岸線基本呈東北-西南走向,地勢呈梯次結(jié)構(gòu),西北高東南低.地處中緯度東亞季風(fēng)區(qū),該區(qū)氣候受海洋影響較為顯著,是海陸風(fēng)的多發(fā)區(qū),所以地理位置決定海陸風(fēng)環(huán)流為影響天津的重要的局地環(huán)流.海陸風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展直接影響著沿海地區(qū)溫度場、濕度場和風(fēng)場的分布,并引起低層大氣層結(jié)狀況的改變,與沿海地區(qū)的空氣污染有著密切的關(guān)系[1-4].

通常認(rèn)為海陸風(fēng)期間海風(fēng)能將海洋上相對(duì)清潔的大氣吹向沿海地區(qū),可以改善沿海地區(qū)的空氣質(zhì)量[5-8].同時(shí),陸風(fēng)向海風(fēng)轉(zhuǎn)換階段會(huì)導(dǎo)致陸地上的污染物滯留累積[9].陳訓(xùn)來等[10]的研究指出當(dāng)背景風(fēng)為離岸型時(shí),海風(fēng)與背景風(fēng)方向相反,造成海風(fēng)較小,致使整個(gè)珠三角洲地區(qū)灰霾天氣都比較嚴(yán)重.林長城等[11]的研究表明在臺(tái)灣海峽西岸的北部,連續(xù)的海陸風(fēng)現(xiàn)象會(huì)造成 PM10濃度產(chǎn)生正增長,陸風(fēng)和海風(fēng)轉(zhuǎn)換期間 PM10濃度易聚集升高.吳蒙等[12]研究表明在海陸風(fēng)的影響下低層風(fēng)場的有效輸送能力較弱,不利于污染物輸送擴(kuò)散,并且在夜間海風(fēng)可導(dǎo)致 PM2.5濃度出現(xiàn)另一峰值.Yoshikado等[13]研究東京灣地區(qū)的海風(fēng)時(shí)指出當(dāng)海風(fēng)環(huán)流與熱島環(huán)流耦合時(shí),海風(fēng)不會(huì)到達(dá)更遠(yuǎn)的內(nèi)陸地區(qū),可導(dǎo)致輻合區(qū)污染物濃度的升高.BischoffGau?等[14]研究巴西圣保羅地區(qū)二級(jí)環(huán)流對(duì)空氣污染的影響時(shí)指出,白天海風(fēng)將低層的 SO2輸送至內(nèi)陸高原,夜間陸風(fēng)又將 SO2輸送至海岸地區(qū),但由于內(nèi)陸高原高于沿岸的混合層高度,所以大氣污染物可由邊界層輸送至自由大氣.

天津市氣象科學(xué)研究所 1983～1984年在渤海灣西岸地區(qū)進(jìn)行了 5次海陸風(fēng)觀測試驗(yàn),系統(tǒng)地揭示了海陸風(fēng)的氣候特征和三維空間結(jié)構(gòu)[15-17].關(guān)于天津地區(qū)海陸風(fēng)的主要特征[15-18]以及其對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的影響[22-30],前人已經(jīng)進(jìn)行了大量研究.眾所周知,重污染過程易發(fā)生在靜穩(wěn)天氣維持的冬季,而海陸風(fēng)恰是在這種弱氣壓場的形勢下易于識(shí)別出來,從風(fēng)向與風(fēng)速量級(jí)上都對(duì)系統(tǒng)風(fēng)產(chǎn)生重要影響.盡管大氣污染物的擴(kuò)散與輸送明顯受到海陸風(fēng)的影響,并且海陸風(fēng)在污染擴(kuò)散問題上的重要性已引起了人們的注意,但由于海陸風(fēng)易于淹沒在大尺度的系統(tǒng)環(huán)流之下,所以僅針對(duì)海陸風(fēng)對(duì)大氣污染物濃度的深入研究仍為數(shù)甚少,所以開展海風(fēng)對(duì)大氣污染的影響,對(duì)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)沿海地區(qū)污染物濃度的變化具有相當(dāng)重要的意義.

本文選取2014年9月至2015年8月污染物濃度監(jiān)測資料和常規(guī)、非常規(guī)氣象資料,并結(jié)合WRF-CHEM模式分析天津地區(qū)主要大氣污染物的空間分布特征及其與海風(fēng)的關(guān)聯(lián),并通過典型個(gè)例具體分析了海風(fēng)對(duì)天津地區(qū)大氣污染物濃度的影響.

1 資料與方法

1.1 站點(diǎn)與資料

如圖1所示,天津地區(qū)選取了27個(gè)環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn),其中14個(gè)為國控站點(diǎn),主要監(jiān)測6種主要大氣污染物(PM2.5,PM10,CO,NO2,O3,SO2)的質(zhì)量濃度.為了比較大氣顆粒物濃度的時(shí)間變化,選取同緯度且不受海風(fēng)影響的保定作為參照站點(diǎn).另外選取了5個(gè)國家級(jí)氣象觀測站和273個(gè)自動(dòng)氣象站,其中有一個(gè)國家級(jí)氣象觀測站位于渤海的 A平臺(tái),為了比較海陸溫差,選取A平臺(tái)的溫、濕代表海洋上空的溫、濕.

圖1 氣象站點(diǎn)(△)與大氣污染物監(jiān)測站點(diǎn)(●)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations (△) and air pollutant monitoring stations (●)

環(huán)境數(shù)據(jù)選取2014年9月～2015年8月的PM2.5、PM10質(zhì)量濃度的小時(shí)均值和O3的8h質(zhì)量濃度,保定AQI數(shù)據(jù)獲取自國家環(huán)境監(jiān)測總站的網(wǎng)上實(shí)時(shí)發(fā)布結(jié)果.氣象數(shù)據(jù)選取對(duì)應(yīng)時(shí)段的逐小時(shí)觀測的溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等數(shù)據(jù).同時(shí)選取了位于天津市西青區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)(CFL-06)的資料以及位于天津市區(qū)南部的255m大氣邊界層氣象鐵塔的風(fēng)梯度資料.風(fēng)梯度資料來自中國氣象局天津大氣邊界層觀測站(39°04′N,117°12′E,海拔2.2m),屬于商業(yè)、居民混合點(diǎn)位,其周圍環(huán)境基本代表了大城市復(fù)雜下墊面.觀測塔上共設(shè)置15層觀測平臺(tái).

模式采用的是大氣化學(xué)模式 WRF-CHEM,模式考慮大氣污染的化學(xué)過程、平流過程、湍流擴(kuò)散和干濕沉降過程.模式的化學(xué)過程采用CBMZ機(jī)制,氣溶膠過程采用MOSAIC模型,其中積云對(duì)流方案采用GRELL-3D,微物理過程采用WSM5,長波輻射方案和短波輻射方案均采用RRTMG.另外,模式的水平分辨率為15km,水平網(wǎng)格 121×121,中心經(jīng)緯度為 39N°、117E°,垂直方向分為41層.模式的人為排放源使用清華大學(xué)的MEIC排放源,分辨率0.25°×0.25°,在天津地區(qū)使用28個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測站實(shí)況數(shù)據(jù)和相關(guān)排放源統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行時(shí)空的細(xì)化.初始場和背景場均使用NCEP的FNL全球1°×1°的氣象數(shù)據(jù).

1.2 海陸風(fēng)的定義及識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

海陸風(fēng)是由局部地區(qū)海陸間晝夜溫差而產(chǎn)生的以日周期交替變化為重要特征的中尺度天氣現(xiàn)象.本文的海陸風(fēng)的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)采用高佳琦[31]的方法:

(1)首先選取弱環(huán)流天氣形勢:規(guī)定在 37～41°N,115～120°E區(qū)域范圍內(nèi)在地面天氣圖上只有≤1條等壓線通過,即滿足梯度風(fēng)很微弱的均壓場條件,在上述區(qū)域范圍內(nèi)在每日的地面天氣圖上 08:00,14:00,20:00出現(xiàn)兩次以上的弱環(huán)流型,則該日規(guī)定為弱環(huán)流天氣日.

(2)海陸溫差:從日出到日落后這段時(shí)間內(nèi)具有陸海溫差大于0℃時(shí)刻的出現(xiàn).

(3)海風(fēng)風(fēng)向與持續(xù)時(shí)間:以塘沽為準(zhǔn),規(guī)定海風(fēng)風(fēng)向?yàn)?45°～180°.日出時(shí)到日落后 2h內(nèi),至少有連續(xù)3h海風(fēng)風(fēng)向出現(xiàn),并且海風(fēng)風(fēng)速＞1m/s.

(4)陸風(fēng)風(fēng)向與持續(xù)時(shí)間:日落后 2h到日出后1h內(nèi),有至少連續(xù)3h陸風(fēng)風(fēng)向的出現(xiàn),并且陸風(fēng)風(fēng)速＞0.5m/s.

海風(fēng)強(qiáng)度定義為風(fēng)發(fā)展到最強(qiáng)盛時(shí)期海風(fēng)的風(fēng)速值,即在海風(fēng)時(shí)間內(nèi)近地面海風(fēng)風(fēng)速達(dá)到最大時(shí)的風(fēng)速定義為海風(fēng)強(qiáng)度.

2 結(jié)果與討論

2.1 天津地區(qū)大氣污染物水平分布的相關(guān)性

為了闡明大氣污染水平范圍的相關(guān)性,選取了代表天津西部、中部和東部的武清、市區(qū)和塘沽站,比較其日均PM2.5、PM10和O3濃度的關(guān)系.由圖2可知,就整體而言,全區(qū)域PM2.5濃度的相關(guān)性最高,也就是相對(duì)于 PM10和 O3天津地區(qū)PM2.5濃度的水平分布較一致.市區(qū)的 PM10濃度與西部武清分布的一致性較高,而O3則是與東部塘沽的一致性較高.相較于塘沽,市區(qū)與武清的 3種污染物濃度相關(guān)性較高,尤其是 PM2.5的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94,臭氧相關(guān)最低為0.81.市區(qū)的3種污染物濃度日均值均高于塘沽,尤以 O3和 PM10的相差程度較大.可見,天津地區(qū)東部沿海的空氣質(zhì)量優(yōu)于西部內(nèi)陸及城市中心.天津各區(qū)域天氣背景形勢差異不大,所以這一分布特征就與排放源分布和局地環(huán)流密切相關(guān).天津地區(qū)的下墊面特征決定了海陸風(fēng)為影響天津地區(qū)的重要的局地環(huán)流,所以海陸風(fēng)對(duì)天津地區(qū)大氣污染的影響就成為了一個(gè)重要的問題.

圖2 (a)PM2.5、(b) PM10和(c)O3日均濃度比較(1:天津市區(qū)與武清比較,2:天津市區(qū)與塘沽比較)Fig.2 The daily concentration comparison of (a) PM2.5、(b) PM10and (c)O3(1: comparison between Tianjin and Wuqing, 2: comparison between Tianjin and Tanggu)

2.2 不同天氣背景下大氣污染物濃度對(duì)比

大多數(shù)的重污染發(fā)生在靜穩(wěn)形勢下,即梯度風(fēng)很微弱的均壓或弱氣壓條件下.圖 3給出的是弱環(huán)流日、海陸風(fēng)日與其他形勢下六種污染物日均濃度的對(duì)比情況.選取了天津地區(qū)4個(gè)代表站,其中市區(qū)代表城市,東麗代表城郊,塘沽代表沿岸,薊州代表山區(qū).由圖可見,弱環(huán)流天氣類型下污染物的濃度最高,并且污染物濃度的大值中心出現(xiàn)在城市,次大值出現(xiàn)在城郊,沿岸地區(qū)污染物的濃度最低,其中塘沽地區(qū)顆粒物和O3相較其他三站均較低.當(dāng)弱環(huán)流天氣形勢下,有海風(fēng)發(fā)生時(shí),會(huì)使整個(gè)天津地區(qū)的O3濃度增加,這可能是海風(fēng)對(duì)應(yīng)的O3濃度明顯高于陸風(fēng)的原因[33].除了O3的濃度,其他五種污染物濃度均有所減輕,并且位于市區(qū)與塘沽之間的城郊地區(qū)的東麗減幅最大,PM2.5、PM10和 O3的減幅分別為 14.4μg/m3, 22.9μg/m3和8.9μg/m3,這可能與海風(fēng)所傳播距離的概率相關(guān),環(huán)渤海地區(qū)海風(fēng)深入內(nèi)陸的距離一般為30km左右[16-18].總的來說,海陸風(fēng)有利于大氣污染的減輕,并且對(duì)城郊污染物濃度的影響相對(duì)較大.

圖 4為各季節(jié)海風(fēng)對(duì)大氣顆粒物濃度的影響,在地面為弱氣壓場的控制下,分別對(duì)有、無海風(fēng)的情況下各季節(jié)的大氣顆粒物濃度的日均值進(jìn)行比較.由圖可知,在弱氣壓場形勢下天津地區(qū)冬季PM2.5和PM10的日均濃度均比較高,分別為114μg/m3和 179μg/m3,秋 季 次 之 分 別 為105.7μg/m3和151μg/m3,夏季最小.從海風(fēng)對(duì)顆粒物濃度的影響方面來看,秋、冬季海風(fēng)有利于PM2.5擴(kuò)散,其中對(duì)秋季PM2.5濃度的擴(kuò)散作用尤為明顯,在海風(fēng)存在的情況下,秋季 PM2.5的日均濃度降低了36.1%.在春夏季海風(fēng)對(duì)PM2.5濃度起到了助長的作用,PM2.5的日均濃度上升了12.6%,但總體而言擴(kuò)散作用大于助長作用.除了夏季其他季節(jié)海風(fēng)對(duì)天津地區(qū) PM10均起擴(kuò)散作用,其中也是秋季尤為明顯,在海風(fēng)存在的情況下,秋季PM10的日均濃度降低了29.8%.綜上可見,在天津地區(qū)污染天氣高發(fā)的秋冬季,海風(fēng)對(duì)污染物起到了擴(kuò)散作用,所以海風(fēng)比較有利于天津地區(qū)大氣污染的緩解.

圖3 不同天氣背景、不同地域大氣污染物濃度對(duì)比Fig.3 Comparison of air pollutant concentrations in different weather and different regions

圖4 弱氣壓場下海陸風(fēng)日與非海陸風(fēng)日各季節(jié)(a)PM2.5和(b)PM10日均濃度對(duì)比Fig.4 The contrast of (a) PM2.5and (b) PM10daily average concentration between sea breeze days and no sea breeze days under weak pressure field

2.3 海風(fēng)對(duì)大氣顆粒物影響的實(shí)例分析

2.3.1 海風(fēng)過程概況 以2015年1月4日海風(fēng)過程為例,分析海風(fēng)及其對(duì)大氣顆粒物濃度的影響.此次過程地面氣壓場較弱,導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)較弱,以局地環(huán)流為主.圖5為自動(dòng)站風(fēng)場的變化,其中紅線表示海風(fēng)鋒,由圖所示,11:00左右天津東南沿海地區(qū)風(fēng)向開始轉(zhuǎn)為海風(fēng)方向,海風(fēng)鋒逐漸由東南向西北方向推移,直至18:00為海風(fēng)鼎盛時(shí)期,已傳至北京的東部地區(qū).隨后,海風(fēng)強(qiáng)度開始減弱,伸展范圍逐漸向東南退縮,23:00之后,地面風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為陸風(fēng)風(fēng)向,此次海風(fēng)過程結(jié)束.此次海風(fēng)過程傳播距離較遠(yuǎn),影響范圍較大,持續(xù)時(shí)間也比較長.

圖5 天津地區(qū)(a)海風(fēng)開始(2015年1月4日11時(shí)),(b)海風(fēng)強(qiáng)盛(2015年1月4日18時(shí))和(c)海風(fēng)結(jié)束(2015年1月5日01時(shí))時(shí)期自動(dòng)站風(fēng)場(紅線代表海風(fēng)鋒)Fig.5 Automatic station wind field during the period of (a) beginning (b) strong (c) termination of sea breeze (the red line represents the sea breeze front)

圖6 海風(fēng)過程溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)的時(shí)間變化(虛線框?yàn)楹ｏL(fēng)時(shí)段,雙斷線為海風(fēng)開始時(shí)刻,點(diǎn)線為海風(fēng)結(jié)束時(shí)刻)Fig.6 Time variation of temperature, relative humidity and wind in sea breeze process (Box represents the sea breeze period, double line represents the beginning of the sea breeze, the dot represents the end of the sea breeze )

圖7 2015年1月3～5日天津風(fēng)場的垂直變化( a為西青風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測,b為市區(qū)氣象鐵塔監(jiān)測,雙斷線為海風(fēng)的影響時(shí)段)Fig.7 vertical variation of wind of Tianjin on 3～5 January, 2015 (a: wind profile radar monitoring in Xiqing, b: meteorological tower monitoring in urban, Double dot line represents the influence period of sea breeze)

2.3.2 海風(fēng)過程溫度、濕度和風(fēng)的變化 圖 6給出了此次海風(fēng)過程中溫、濕、風(fēng)的時(shí)間變化,虛線框?yàn)楹ｏL(fēng)時(shí)段,雙斷線為海風(fēng)開始時(shí)刻,點(diǎn)斷線為海風(fēng)結(jié)束時(shí)刻.由圖可知,早上09時(shí)后陸地氣溫開始高于海上氣溫,市區(qū)氣溫于 12時(shí)達(dá)到最大值后開始下降,而沒有海風(fēng)發(fā)生的前后兩日氣溫均與14時(shí)左右達(dá)到峰值.另外,海風(fēng)日的夜間時(shí)段氣溫較前一日明顯升高,且城市熱島強(qiáng)度較前一日減弱.由海風(fēng)時(shí)段相對(duì)濕度的變化也可知,當(dāng)轉(zhuǎn)為海風(fēng)時(shí)陸地的相對(duì)濕度上升速率較快,由中午的20%迅速上升至80%左右,并且塘沽的相對(duì)濕度開始上升的時(shí)間早于市區(qū).對(duì)比3日無海風(fēng)發(fā)生且風(fēng)向較穩(wěn)定時(shí),相對(duì)濕度變化較平緩并不存在驟升的現(xiàn)象.海陸氣溫差小于0℃后約2h塘沽風(fēng)向轉(zhuǎn)為海風(fēng)方向,市區(qū)海風(fēng)開始時(shí)間晚于塘沽約 2h.市區(qū)和塘沽的海風(fēng)強(qiáng)度分別為2m/s和3m/s,市區(qū)和塘沽海風(fēng)的持續(xù)時(shí)間分別為11h和15h.所以從沿海到內(nèi)陸海風(fēng)的影響時(shí)間依次縮短,海風(fēng)強(qiáng)度依次減小.

圖8 天津地區(qū)(39oN,117oE)溫度(紅線:℃),相對(duì)濕度(陰影)和風(fēng)場的時(shí)間-高度剖面圖(虛線為海風(fēng)影響范圍)Fig.8 Time and height section of temperature (red line:℃), relative humidity (shadow) and wind in Tianjin (39°N, 117°E)

圖 7為海風(fēng)日及其前后日天津市區(qū)風(fēng)場的垂直變化,雙斷線為海風(fēng)的影響范圍.由圖所示,可監(jiān)測到風(fēng)向明顯的轉(zhuǎn)變,海風(fēng)起止時(shí)間與上述結(jié)果一致,為4日12:00左右至22:00左右,海風(fēng)傳輸?shù)绞袇^(qū)所到達(dá)的高度為 800m左右.海風(fēng)結(jié)束后可以看出明顯的陸風(fēng)時(shí)段,且風(fēng)速明顯加大,并且地面相對(duì)高空略早轉(zhuǎn)為陸風(fēng)方向,陸風(fēng)高度也達(dá)到了1300m左右.

為較全面掌握海陸風(fēng)時(shí)期氣象要素場的配置,利用WRF-CHEM模式模擬分析了海陸風(fēng)時(shí)段的溫度,相對(duì)濕度和風(fēng)場,取 39°N,117°E的時(shí)間-高度剖面(圖8).結(jié)果表明,4日早晨出現(xiàn)了逆溫,1500m與地面之間的逆溫強(qiáng)度達(dá)到了8℃,隨著地面溫度的升高,白天逆溫消失,夜間隨著海面的暖濕氣流到達(dá)陸地,抵消了部分輻射冷卻作用導(dǎo)致的降溫強(qiáng)度,從而降低了 1500m與地面之間的逆溫強(qiáng)度.同時(shí)暖濕平流也導(dǎo)致地面的相對(duì)濕度逐步增大,并且此次模擬的海風(fēng)高度與實(shí)測基本一致達(dá)到了700米左右.在海風(fēng)到達(dá)時(shí)海風(fēng)強(qiáng)度最大,隨后海風(fēng)強(qiáng)度減弱并且影響高度也降低.地面風(fēng)向于 23點(diǎn)左右率先轉(zhuǎn)為陸風(fēng)風(fēng)向,此時(shí)海風(fēng)的影響高度僅300米左右,2小時(shí)后高空風(fēng)向也全部轉(zhuǎn)為陸風(fēng)風(fēng)向,此次海風(fēng)過程結(jié)束.

圖9 2015年1月3～5日天津(a)PM2.5和(b)PM10濃度變化(黑框?yàn)楹ｏL(fēng)時(shí)段)Fig.9 Concentration variation of (a)PM2.5and (b)PM10of Tianjin on 3～5 January, 2015 (Black box represents the sea breeze period)

2.3.3 海風(fēng)對(duì)顆粒物濃度的影響 圖 9給出了2015年1月3～5日天津地區(qū)顆粒物濃度的變化.結(jié)合圖7可知,3日以系統(tǒng)風(fēng)西南風(fēng)為主,為污染物的輸送累積時(shí)期,顆粒物濃度在4日的凌晨至上午這一段時(shí)間達(dá)到頂峰并維持,PM2.5峰值濃度達(dá) 410μg/m3,PM10峰值濃度為 507μg/m3.在 4日的海風(fēng)時(shí)段,PM2.5濃度迅速下降至 160μg/m3左右,且3個(gè)站點(diǎn)下降時(shí)間的先后順序?yàn)樘凉?東麗和市區(qū),與海風(fēng)到達(dá)的順序一致.并且在塘沽PM2.5濃度開始下降的時(shí)段市區(qū) PM2.5濃度先有小幅上升后,由 342μg/m3上升為 399μg/m3,而后再呈下降趨勢,降至 160μg/m3左右.另外,圖中參照站保定的AQI變化可知保定并未受到此次海風(fēng)的影響,在天津的海風(fēng)時(shí)段保定的AQI沒有出現(xiàn)下降,可見,天津大氣顆粒物濃度的下降并不是由系統(tǒng)風(fēng)造成的.5日凌晨海風(fēng)結(jié)束后,顆粒物濃度不再繼續(xù)下降,而是維持在海風(fēng)結(jié)束時(shí)的污染物濃度,5日夜間來自東北偏北的冷空氣結(jié)束了此次污染過程.

圖10 (a)海風(fēng)前期(2015年1月4日06時(shí)),(b)海風(fēng)時(shí)期(2015年1月4日12時(shí)), (c)海風(fēng)時(shí)期(2015年1月4日15時(shí))和(d)陸風(fēng)時(shí)期(2015年1月5日03時(shí))自動(dòng)風(fēng)場和PM2.5濃度的空間分布(雙紅線代表海風(fēng)鋒)Fig.10 Spatial distribution of wind field and PM2.5concentration of (a) sea breeze early period, (b) sea breeze period and (c) land breeze period (Double red line represents the sea breeze front)

圖10為海風(fēng)前期、海風(fēng)時(shí)期和陸風(fēng)時(shí)期自動(dòng)站風(fēng)場和PM2.5濃度的空間分布.由圖可知,在海風(fēng)開始之前,PM2.5濃度的大值中心位于市郊靠近沿海地區(qū).當(dāng)海風(fēng)開始幾小時(shí)后,沿海地區(qū)的PM2.5濃度有所下降,PM2.5濃度的大值中心隨海風(fēng)鋒推移至市區(qū).所以在塘沽污染物濃度開始下降時(shí)段,海風(fēng)鋒可將沿海的部分污染物經(jīng)輻合作用移至所經(jīng)過的內(nèi)陸地區(qū),處于海風(fēng)鋒前的地區(qū)污染物濃度存在短暫的小幅上升,移至海風(fēng)鋒后部后污染物濃度呈下降趨勢.此次實(shí)例表明海風(fēng)減輕了該次過程的污染程度,有利于污染物的擴(kuò)散,但由于海風(fēng)強(qiáng)度 和發(fā)生時(shí)間的限制,并沒有結(jié)束此次污染過程.

圖11 1月4日(a)12:00,(b)17:00,(c)19:00, (d)20:00,1月5日(e)00:00和(f)03:00PM2.5濃度和風(fēng)場的39°N垂直剖面Fig.11 The 39°N vertical profile of PM2.5concentration and wind field at (a) 12:00,(b)17:00,(c)19:00Jan. 4, (d)20:00, (e)00:00Jan.5and (f)03:00Jan.5

結(jié)合 WRF-CHEM的模擬結(jié)果,分析 PM2.5濃度的垂直變化情況.圖11為海陸風(fēng)時(shí)段PM2.5濃度和風(fēng)場的39°N垂直剖面圖.由圖11a可知,在海風(fēng)影響之前,PM2.5濃度的大值中心位于沿海地區(qū)靠近塘沽,并且污染物(PM2.5濃度＞175μg/m3)主要集中在 600m以下.在海風(fēng)的鼎盛時(shí)期(圖11b～d),在海風(fēng)的影響下污染物濃度的大值中心逐漸向西移,海風(fēng)經(jīng)過的地面上的污染

物濃度逐步降低 .同時(shí)由污染物濃度的垂直分布也可見,在海陸風(fēng)時(shí)期污染物的垂直擴(kuò)散能力增強(qiáng),甚至強(qiáng)于正午 12:00,這可能是海陸風(fēng)局地環(huán)流中位于陸地的上升氣流所造成的.整個(gè)海風(fēng)過程使天津地區(qū)地面的 PM2.5濃度降低了150μg/m3左右.當(dāng)海風(fēng)結(jié)束,地面風(fēng)轉(zhuǎn)為陸風(fēng)方向(圖 11f),污染物濃度大值中心的濃度有所增大,并且市區(qū)的污染物濃度略有回升.綜上,海風(fēng)有利于天津地區(qū)大氣污染物的擴(kuò)散,既將污染物向海風(fēng)的下游方向輸送,又增強(qiáng)了污染物的垂直擴(kuò)散能力.

3 結(jié)論

3.1 天津地區(qū)東部沿海的空氣質(zhì)量優(yōu)于西部內(nèi)陸及城市中心.相對(duì)于PM10和O3天津地區(qū)PM2.5濃度的水平分布較一致.市區(qū)的 PM10濃度與西部地區(qū)分布的一致性較高,而O3則是與東部地區(qū)的一致性較高.

3.2 海風(fēng)可增加天津市區(qū)臭氧的濃度,但是有利于大氣顆粒物濃度的降低,并且對(duì)城郊污染物濃度的影響相對(duì)較大.在天津地區(qū)污染天氣高發(fā)的秋冬季,海風(fēng)對(duì)大氣污染物起到了擴(kuò)散作用,有利于大氣污染的緩解.

3.3 對(duì)2015年1月4日的天津地區(qū)一次冬季污染過程分析表明海風(fēng)可減輕所經(jīng)過地區(qū)的大氣污染,海風(fēng)鋒可將沿海的部分污染物輸送至所經(jīng)過的內(nèi)陸地區(qū),所以處于海風(fēng)鋒前的地區(qū)污染物濃度存在短暫的小幅上升,移至海風(fēng)鋒后部后污染物濃度呈下降趨勢.海風(fēng)有利于天津地區(qū)大氣污染物的擴(kuò)散,既將污染物向海風(fēng)的下游方向輸送,又增強(qiáng)了大氣污染物的垂直擴(kuò)散能力.此次海風(fēng)過程影響范圍較廣,使得天津地區(qū)的大氣污染得到了緩解,但并沒有使大氣污染物消散,這可能是由于海風(fēng)強(qiáng)度和發(fā)生時(shí)間的限制.

[1]Ueda H, Mitsumoto S, Kurita H. Flow Mechanism for the Long-Range Transport of Air Pollutants by the Sea Breeze Causing Inland Nighttime High Oxidants [J]. Journal of Applied Meteorology, 2010,27:2(2):182-187.

[2]Yoshikado H, Kondo H. Inland penetration of the sea breeze over the suburban area of Tokyo [J]. Boundary-Layer Meteorology, 1989,48(4):389-407.

[3]Tsai HsiehHung, Yuan ChungShin, Hung ChungHsuang, et al. Influence of sea-land breezes on the tempospatial distribution of atmospheric aerosols over coastal region [J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2011,61(4):358-76.

[4]Chen X L, Feng Y R, Li J N, et al. Numerical Simulations on the effect of sea–land breezes on atmospheric haze over the Pearl River Delta Region [J]. Environmental Modeling & Assessment, 2009,14(3):351-363.

[5]Papanastasioua D K, Melasb D. Climatology and impact on air quality of sea breeze in an urban coastal environment [J]. International Journal of Climatology, 2009,29:305-315.

[6]莊延娟,王伯光,劉 燦.珠江口西岸冬季海陸風(fēng)背景下羰基化合物的初步研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2011,31(4):568-575.

[7]馮 琨,苑魁魁,李王鋒,等.空氣污染物遠(yuǎn)程傳輸對(duì)海島型城市污染的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(6):1410-1419.

[8]王莉莉,王躍思,吉東生,等.天津?yàn)I海新區(qū)秋冬季大氣污染特征分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2011,31(7):1077-1086.

[9]Evtyugin M G, Pio C, Nunes T, er al. Photochemical ozone formation at Portugal West Coast under sea breeze conditions as assessed by master chemical mechanism mode [J]. Atmospheric Environment, 2007,41:2171-2182.

[10]陳訓(xùn)來,馮業(yè)榮,范紹佳,等.離岸型背景風(fēng)和海陸風(fēng)對(duì)珠江三角洲地區(qū)灰霾天氣的影響 [J]. 大氣科學(xué), 2008,32(3):530-542.

[11]林長城,吳 濱,陳彬彬,等.海峽西岸海陸風(fēng)特征及對(duì)大氣污染物濃度影響 [J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2015,38(6P):56-60.

[12]吳 蒙,羅 云,吳 兌,等.珠三角干季海陸風(fēng)特征及其對(duì)空氣質(zhì)量影響的觀測 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2016,36(11):3263-3272.

[13]Yoshikado H, Tsuchida M. High levels of winter air pollution under the influence of the urban heat island along the shore of Tokyo Bay [J]. Journal of Applied Meteorology, 1996,35(10): 1804-1814.

[14]BischoffGau? I, Kalthoff N, Fiedler F. The impact of secondary flow systems on air pollution in the area of S?o Paulo [J]. Journal of Applied Meteorology, 2010,37(3):269-287.

[15]陳焱源,魏敏捷.海陸風(fēng)研究的進(jìn)展 [J]. 氣象科技, 1985, (1):13-18.

[16]于恩洪,陳 彬,白玉榮.渤海灣西部海陸風(fēng)的空間結(jié)構(gòu) [J]. 氣象學(xué)報(bào), 1987,45(3):379-381.

[17]于恩洪,等.海陸風(fēng)及其應(yīng)用 [M]. 北京:氣象出版社, 1997: 1-46.

[18]陳 彬,于恩洪.渤海灣西部海陸風(fēng)的天氣氣候特征 [J]. 海洋通報(bào), 1989,8(1):23-29.

[19]許啟慧,苗峻峰,劉月琨,等.渤海灣西岸海陸風(fēng)特征對(duì)城市熱島響應(yīng)的觀測分析 [J]. 氣象科學(xué), 2013,33(4):408-417.

[20]許啟慧.天津地區(qū)海陸風(fēng)時(shí)空變化特征及其對(duì)熱島效應(yīng)的響應(yīng)研究 [D]. 南京:南京信息工程大學(xué), 2012.

[21]邱曉暖,范紹佳.海陸風(fēng)研究進(jìn)展與我國沿海三地海陸風(fēng)主要特征 [J]. 氣象, 2013,39(2):186-193.

[22]劉彬賢,王 彥,劉一瑋.渤海灣海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒碰撞形成雷暴天氣的診斷特征 [J]. 大氣科學(xué)學(xué)報(bào), 2015,38(1):132-136.

[23]王 彥,高守亭,梁釗明.渤海灣海風(fēng)鋒觸發(fā)雷暴的觀測和模擬分析 [J]. 高原氣象, 2014,33(3):848-854.

[24]梁釗明,高守亭,王東海,等.京津冀地區(qū)與海風(fēng)鋒相互作用的對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展預(yù)判分析 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 2014,(1):116-132.

[25]東高紅,劉一瑋,孫蜜娜,等.城市熱島與海風(fēng)鋒疊加作用對(duì)一次局地強(qiáng)降水的影響 [J]. 氣象, 2013,39(11):1422-1430.

[26]易笑園,張義軍,沈永海,等.一次海風(fēng)鋒觸發(fā)的多單體雹暴及合并過程的觀測分析 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 2012,70(5):974-985.

[27]盧煥珍,劉一瑋,劉愛霞,等.海風(fēng)鋒導(dǎo)致雷暴生成和加強(qiáng)規(guī)律研究 [J]. 氣象, 2012,38(9):1078-1086.

[28]東高紅,何群英,劉一瑋,等.海風(fēng)鋒在渤海西岸局地暴雨過程中的作用 [J]. 氣象, 2011,37(9):1100-1107.

[29]王 彥,于莉莉,朱男男,等.渤海灣海風(fēng)鋒與雷暴天氣 [J]. 高原氣象, 2011,30(1):245-251.

[30]王 彥,李勝山,郭 立,等.渤海灣海風(fēng)鋒雷達(dá)回波特征分析[J]. 氣象, 2006,32(12):23-28.

[31]高佳琦.渤海西部海陸風(fēng)識(shí)別方法及其時(shí)空分布特征研究 [D].南京信息工程大學(xué), 2011.

[32]韓素芹,馮銀廠,邊 海,等.天津大氣污染物日變化特征的WRF-Chem數(shù)值模擬 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2008,28(9):828-832.

[33]黃志新.上海市郊春季臭氧及其前體物觀測研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2011,34(5):87-89.

Influence of sea breeze on atmospheric pollutant concentration over Tianjin.

HAO Tian-yi1, CHEN Shu-cheng2*, CAI Zi-ying1, SHAN Xiao-lin3, MENG Li-hong4, HAN Su-qin4, DONG Gao-hong1(1.Tianjin Environmental Meteorological Centre, Tianjin 300074, China；2.Tianjin Meteorological Observation Centre, Tianjin 300061, China；3.Tianjin Binhai New Area Meteorological Bureau, Tianjin 300457, China；4.Tianjin Institute of Meteorological Science, Tianjin 300074, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3247～3257

The influence of sea breeze on the concentration of air pollutants in Tianjin was analyzed by using the monitoring data of pollutants concentration, meteorological data and WRF-CHEM model. Research results show that the air quality in the eastern coastal areas of Tianjin was better than that in the west inland and urban center. In the autumn and winter of high pollution weather in Tianjin, sea breeze played a role in reducing the concentration of pollutants. Therefore, the sea breeze was beneficial to reduce the air pollution, and the impact on the concentration of pollutants in the suburbs was relatively obvious. The daily average concentration of pollutants was lower in the presence of sea breeze than that without sea breeze in weak pressure field. The daily average concentration reduction of PM2.5, PM10and O3were 14.4μg/m3, 22.9μg/m3and 8.9μg/m3respectively. The sea breeze episode in January 4, 2015 shows that the pollutants in the coastal area could be moved to the inland areas by sea breeze front. The pollutants concentration increased slightly in the front of the sea breeze front. When the sea breeze front moved, the pollutants concentration showed a downward trend. As a result of the wider impact of this sea breeze process, air pollution in Tianjin has been eased.

Tianjin；sea breeze；air pollution

X51

A

1000-6923(2017)09-3247-11

2017-01-23

天津市氣象局科研項(xiàng)目(201736bsjj02);環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201409001);國家科技部科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAC23B00);天津市氣象局課題(201718ybxm12);天津市重大科技專項(xiàng)(14ZCDGSF00027)

* 責(zé)任作者, 工程師, csc_zhuce@126.com

郝天依(1985-),女,吉林省吉林市人,工程師,博士,主要從事環(huán)境氣象學(xué)研究.發(fā)表論文4余篇.