楊 群，張李娟，胡 萍，徐大紅

(貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300)

0 引言

一般污染過程產生的2個關鍵因素在于污染排放源和氣象因子，對排放源的控制可以有效地掌控大氣污染治理，而氣象條件則是難以通過人為手段進行控制，因此通過分析氣象條件對污染天氣的影響，來科學、有效的預測可能形成污染的天氣，以便動態(tài)的調控污染物排放治理污染，成為學者研究的一個重要課題。目前針對我國中東部地區(qū)的污染過程，已有學者在分析大氣污染發(fā)生和發(fā)展過程中發(fā)現(xiàn)：氣象條件為氣溶膠粒子輸送、滯留及其與本地污染粒子的疊加提供了環(huán)流背景[1]；持續(xù)的穩(wěn)定天氣形勢是導致中國東部重污染天氣的主要氣象原因[2]。由于地面系統(tǒng)的變化主要受高空系統(tǒng)變化的影響，平穩(wěn)的高空暖平流，利于地面高壓系統(tǒng)的維持，從而利于PM2.5重污染事件的形成與發(fā)展[3]。在天氣形勢對污染天氣影響的研究中均發(fā)現(xiàn)，引起地面靜風和逆溫層存在的天氣系統(tǒng)與污染事件的形成有著重要的聯(lián)系[4-6]。在相同的天氣環(huán)流背景下，影響污染物濃度的氣象因素主要跟氣壓場、風速風向、溫度、濕度、降雨、邊界層高度等有關，污染物濃度與相應的風速呈負相關，連續(xù)降雨和較大的降雨量對大氣顆粒物起到顯著的濕清除作用[7-9]；小于1 mm的弱降水的氣象條件不利于污染的稀釋擴散和沉降；大于1 mm的降水對大氣污染物有明顯的清除作用，清除能力隨著降水量級的增加而增大[10]。同時較高的濕度可以改變顆粒物的粒徑分布和光學特性，從而導致能見度的變化[11], PM2.5和PM10質量濃度與相對濕度呈負相關關系[12-13]。持續(xù)的弱風和靜風使得局地排放的污染物聚集，以及長時間貼地、懸浮的多層逆溫的存在，會抑制污染物的垂直擴散[14-16]?？傊?，靜穩(wěn)天氣、均壓場、弱風、強而厚的逆溫層等極其不利于污染物擴散的氣象條件，是重度污染形成的外部因子[17-20]。氣象條件通過影響污染物的稀釋、擴散、傳輸過程,進而影響污染物的分布。

關于中國中東部的環(huán)境污染研究較多，已有很多研究成果，但針對貴州研究還是較少。在2016年前貴州環(huán)境空氣質量優(yōu)良率在90%以上，僅在冬季容易出現(xiàn)少量輕度污染日，屬于全國較好水平[21]。而銅仁地處貴州高原東部，位于群山環(huán)伺的盆地中，地形復雜，常年處于靜風到微風狀態(tài)，逆溫現(xiàn)象較多，2016年統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)銅仁空氣質量優(yōu)良率也為96.45%，僅在冬春季節(jié)形成了輕度的污染日[22]。因此關于貴州的環(huán)境污染，前幾年關注度不高，分析研究也很少。但在近3 a輕到中度污染天氣開始逐漸增多，特別是2019年1月銅仁出現(xiàn)持續(xù)16 d的中到重度污染過程，污染現(xiàn)象明顯加重，這是很少見的現(xiàn)象，對人們的生活造成了一定的影響。因此本文針對2019年1月份出現(xiàn)的污染日，從氣象條件特征進行分析，以期得到一些環(huán)境空氣質量氣象預報因子，為未來銅仁重污染天氣預報及有效治理顆粒物污染提供參考，服務于本地社會經濟發(fā)展。

1 資料與方法

利用2019年1月地面和高空氣象觀測資料、我國生態(tài)環(huán)境部及銅仁市環(huán)保局提供的銅仁市2個站點(衛(wèi)校、七中)逐時各類污染物質量濃度及AQI數(shù)據(jù)。其中探空資料每12 h 1次，分別為08時和20時(北京時，下同)，地面氣象資料每1 h 1次。使用統(tǒng)計方法及天氣學分析方法分析污染物及氣象要素特征。

2 污染特征

2.1 AQI變化特征

本次污染過程從日平均的AQI值變化來看，污染從2019年1月2日開始，AQI呈現(xiàn)波動形勢,8日達到第1個峰值(198)，期間8日07—20時AQI值超過200；15—16日有短暫的上漲超過100，然后又快速下降，直到20—29日銅仁市AQI又持續(xù)上漲到100及以上，其中26—27日達到第2個峰值(168)，期間23日20—23時AQI值有短暫高漲再次超過200；30日至31日AQI開始下降，污染得到緩解。

從本次污染過程AQI平均值的逐時演變可以看出，平均的每日AQI呈現(xiàn)波動趨勢，在13時和21時最高，06時和16時最低。17時之后到21時污染濃度逐漸上升，AQI持續(xù)增大。22—01時污染物濃度維持在一個較高水平。02—06時污染物濃度快速下降，AQI降到最低。08時之后污染物濃度又開始急速上升，13時達到最大，這跟人為活動和本地源變化影響有關[17]。由此可見，污染物濃度從每天傍晚到前半夜和正午時段，人流量活動最大的時候上升，凌晨休息時段和下午上班時段有所下降，空氣質量好轉。

1月8日為此次污染過程最嚴重的一日，從8日AQI逐時變化曲線發(fā)現(xiàn)，污染濃度從06—20時處于持續(xù)上升的趨勢，13時達到最大AQI值為236，為重度污染。22時后開始降低。

圖1 2019年1月1—31日銅仁市日均AQI演變(a)及平均AQI逐時變化(b)和8日AQI逐時變化(c)

2.2 PM2.5和PM10的變化特征

分析整個過程2019年1月1—31日平均的PM2.5和PM10的波動曲線可以看出，PM2.5和PM10質量濃度的變化趨勢大體一致，且與AQI的逐時變化趨勢接近。PM2.5和PM10是本次污染過程的首要污染物。選取其中1月8日、1月27日的PM2.5和PM10的質量濃度逐時對比進行分析，發(fā)現(xiàn)1月8日PM2.5和PM10的質量濃度相當接近，兩者之間的比值接近1.0，則PM2.5為主要污染物。在27日污染過程中，PM10質量濃度遠大于PM2.5，27日00時的PM10質量濃度值為144 ug/m3，PM2.5為111 ug/m3，到27日23時PM10質量濃度為172 ug/m3，而PM2.5為132 ug/m3，比值為0.77。可見，在污染整個過程中，PM2.5質量濃度與PM10質量濃度的比值均在0.75以上，則在此次污染過程中，PM2.5對空氣污染貢獻更大。

圖2 2019年1月1日—31日(a)、1月8日(b)、1月27日(c)銅仁市PM2.5(單位: ug/mV3)和PM10(單位: ug/m3)演變

3 氣象條件對污染過程的影響

3.1 污染天氣形成和持續(xù)的大氣環(huán)流背景

天氣形勢是影響氣象要素分布及演變的主要背景場，大尺度環(huán)流形勢和局地氣象條件是影響污染物生成、積累和清除的主要因素。依據(jù)AQI的逐日變化趨勢，將本次污染過程分為2個階段：2019年1月8日重污染、27—29日持續(xù)中度污染。以下針對這2個階段分別進行討論。

2019年1月8日第1階段空氣污染形成時，從1月8日08時500 hPa環(huán)流形勢發(fā)現(xiàn)，銅仁(107～109°E)上空為弱脊東移控制，高原槽位于四川西部，南支槽位于85°E，高空槽離銅仁較遠，700 hPa為西到西南氣流，850 hPa為從北方回流南下的東北風。地面形勢上8日08時銅仁受內蒙古—山西—河南—湖北—湖南—貴州偏東路徑冷空氣前部1 032.5 hPa的均壓區(qū)控制，等壓線稀疏，氣壓梯度小，風力小，無降雨發(fā)生。8日08—20時污染物濃度從增加到維持期間，銅仁近地面風向維持為偏東風2 m/s，且有4個時次的靜風，風向表現(xiàn)為8日12時前東南風，13時后為東北風的轉換，在轉換過程中污染物濃度也表現(xiàn)為增加到最大，然后逐漸略有下降并維持的形勢。到8日20時(圖略)，500 hPa高空槽東移，南支槽東移至95°E，銅仁處于槽前西南氣流中，有利于水汽向銅仁輸送，加上地面冷空氣的北抬，鋒面影響銅仁區(qū)域，氣溫下降，利于銅仁出現(xiàn)雨雪天氣。同時近地面風速開始增大為4 m/s，風向由東北風轉為偏北風，風速增大，大氣湍流加強，利于污染物在垂直方向上的稀釋和擴散，空氣污染物濃度得到降低。

第2階段1月27—29日為空氣污染濃度持續(xù)維持時段，500 hPa為高壓脊轉脊后西南氣流形勢，無明顯槽影響，700 hPa為持續(xù)的西南風急流，風速輻合偏北，850 hPa為弱東北回流影響，風速為2～4 m/s。地面為均壓區(qū)。銅仁處于高空脊前下沉氣流區(qū)，中層西南暖濕氣流疊加低層東北回流冷氣流之上形成逆溫，地面為冷空氣西推后部均壓區(qū)，大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài)，不利于污染物的擴散。期間地面風速大多維持在2～4 m/s，風向則表現(xiàn)為27日持續(xù)東北風2～4 m/s，其中7個時次靜風，28日西北風轉東北風2～4 m/s，29日東北風到東南風2～4 m/s，1個時次靜風。對應了27、29日污染較高濃度且較28日高，可見地面持續(xù)偏東風更利于銅仁污染物濃度的升高。直到1月30日南支槽東移至云南，貴州受槽前強西南氣流影響，地面貴州西部低壓向東發(fā)展鋒區(qū)北抬影響銅仁，由于南支槽前水汽的輸送加上地面鋒區(qū)附近動力抬升作用，銅仁出現(xiàn)降雨，污染物濃度開始降低。31日貴州西部熱低壓發(fā)展逐漸控制銅仁，風速增大，天氣晴好，大氣湍流擴散加強，有利于污染物擴散，銅仁1月持續(xù)的污染過程結束。

綜上所述，1月8日污染物形成第一階段，銅仁上空500 hPa為弱脊控制，地面以偏東路徑南下的冷空氣，銅仁形成的均壓區(qū)中心為1 032 hPa，風速均為2 m/s，風速較小。1月27—29日污染形成和維持的第2階段，銅仁高空為明顯的脊控制，地面均壓區(qū)，中心為1 027.5 hPa，強度較8日弱，風速為2～4 m/s比8日大，且有風向的轉變，則污染濃度也較8日輕。由此可見，從環(huán)流形勢來看，在西南氣流或脊控制的高空環(huán)流形勢下，當銅仁受地面均壓場的控制時，地面為弱的東北風，大氣層結穩(wěn)定，無降雨發(fā)生時，往往會造成污染物的匯聚和積累，且地面冷高壓中心越強，就越利于污染物濃度的增加。只有當?shù)孛嬗欣淇諝獾难a充或減弱，鋒面北抬影響銅仁時，發(fā)生降雨后會使得污染物濃度下降。

3.2 影響污染形成的氣象要素特征

3.2.1 逆溫層特征 逆溫層的存在使得污染物無法有效地在垂直方向進行擴散，逆溫厚度越厚，強度越強，大氣對污染物擴散能力越弱。且逆溫層數(shù)越多，污染物越不容易擴散[23]。為了便于描述和分析討論逆溫強度,參考王曉明等[24]用逆溫值(即某逆溫層的溫差)來表示逆溫強度,設逆溫層底部的溫度為T0，逆溫層頂部的溫度為T1，T1-T0>0為逆溫,該值越大,逆溫越強。將逆溫強度分為4個級別, 即:0級為逆溫值<4 ℃；Ⅰ級為4 ℃≤逆溫值<6 ℃；Ⅱ級為6 ℃≤逆溫值<8 ℃；Ⅲ級為逆溫值≥8 ℃。而逆溫層厚度參考劉增強等[25]研究計算公式：ΔH=H2-H1，ΔH為逆溫層厚度，H1為逆溫層底高，H2為逆溫層頂高，單位為hPa。

2019年1月8日08時，第一階段重度污染濃度開始發(fā)展時，從溫度層結曲線來看，逆溫層底部900 hPa溫度為-1.1 ℃，逆溫層頂部700 hPa溫度為3 ℃，則逆溫為4.1 ℃，逆溫厚度為700～900 hPa之間，相差200 hPa，則表現(xiàn)為逆溫強度較強，厚度較厚。此時對應相對濕度圖上，低層800 hPa以下相對濕度小于80%，空氣干燥。到8日20時污染物開始降低時，逆溫厚度為900～800 hPa之間，相差100 hPa，逆溫強度為4.6 ℃，則逆溫層強度仍然較強，但逆溫厚度在減小。此時相對濕度增大達90%以上，特別是在800 hPa和900 hPa相對濕度達到95%，降雨發(fā)生，此時污染濃度AQI開始下降為200以下。可見，近地層逆溫的存在使得近地層大氣層結穩(wěn)定，逆溫強度較強，且厚度較厚時，空氣污染物的稀釋擴散能力相對弱，使得本地排放的污染物逐漸積累，AQI濃度升高。但當?shù)涂账奂?，濕度增加，降雨形成后，即使逆溫層依然存在，由于降雨的作用會使得細粒子污染物得到一定清除?/p>

圖3 2019年1月8日08時(a)、27日08時(c)500 hPa高度場和1月8日14時(b)、27日14時(d)海平面氣壓場

1月27—29日為銅仁中度污染持續(xù)時段，27日08時中度污染開始時逆溫底高度在900 hPa，溫度為2 ℃，逆溫頂高度在800 hPa溫度為3 ℃，逆溫強度為1 ℃，逆溫層在900～800 hPa之間，逆溫厚度為100 hPa。在中度污染持續(xù)時段29日20時逆溫底高度在900 hPa,溫度為2 ℃，逆溫頂高度在800 hPa溫度為6 ℃，則逆溫強度為4 ℃，逆溫層在900～800 hPa，逆溫厚度維持為100 hPa。此時段內，近地層900 hPa以下相對濕度較低為70%～80%，中高層相對濕度較大為90%以上。中高層云層較厚，不利于本地近地層污染物的擴散，使得中度污染濃度維持。此時段逆溫層厚度和逆溫強度均較1月8日偏小，相應的污染物濃度也就相對輕。到了31日08時空氣質量轉為優(yōu)，AQI指數(shù)為50以下時，可以明顯看到，整層逆溫減小，從逆溫底900 hPa到逆溫頂750 hPa，且溫度差僅為0.1 ℃，逆溫非常小或無明顯逆溫層出現(xiàn)。同時相對濕度顯示，低層900 hPa以下相對濕度增大，高層相對濕度減小，云層變薄，利于污染物的擴散。

可見，逆溫層厚度越厚，且逆溫強度越強，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，且近地層濕度越小，空氣干燥，越有利于污染物的積累和增長。當逆溫層減小或消失后，空氣穩(wěn)定度減小，近地層相對濕度增大時，污染物得到逐漸消散，空氣質量轉好。

3.2.2 降雨量對污染物濃度影響 降雨、降雪對空氣污染物能起著清除和沖刷作用。在雨雪作用下，大氣中的一些污染氣體能夠溶解在水中，降低空氣中污染氣體的濃度，較大的雨雪對空氣中污染物粉塵、顆粒也起著有效的清除作用。

從逐日和逐時的降雨量與AQI關系來看(圖5)，降雨量與污染濃度有很好的對應關系，1月9日、16日、30日有明顯的降雨，日降雨量均為4 mm以上時，對應的AQI值較低或呈現(xiàn)下降趨勢。其他無雨和微量降雨時段(2—7日、11—14日、21—29日)，對應的AQI呈現(xiàn)增大或趨于上升的趨勢。但1月8日、1月20日有明顯降雨量，污染濃度卻依然較高，這跟降雨的時段和量級有一定關系。1月8日在11時前無降雨發(fā)生，污染物濃度AQI值從94迅速增大到228，11時后隨著降雨的發(fā)生，AQI值逐漸降低，當累計降雨量達到12 mm后，AQI值則降低到200以下。同樣，1月20日09時前銅仁有降雨發(fā)生，降雨量為7.5 mm，此時段銅仁污染濃度AQI值在100以下，空氣質量維持為良好。在09時后降雨停止，污染物濃度開始逐漸上升，到21時污染物濃度AQI值達到162，銅仁出現(xiàn)輕度污染?？梢姡瑹o降雨發(fā)生或僅有微量降雨時，不利于污染物的擴散，污染物濃度增加。從此次過程降雨量與AQI對比分析來看，發(fā)現(xiàn)當有降雨發(fā)生，降雨對污染物濃度有清除和降低作用。同時發(fā)現(xiàn)在靜穩(wěn)環(huán)境背景下，降雨持續(xù)時間對空氣污染物濃度也有影響，當降雨時間較短時，一旦降雨停止又導致污染濃度再次升高。

圖4 2019年1月8日、27日、29日、31日污染從開始—嚴重—持續(xù)—清除時段銅仁溫度和相對濕度探空曲線

圖5 銅仁1月降雨量對AQI值的影響

3.2.3 氣溫、地面氣壓對污染物濃度的影響 地面氣壓和24 h變壓能夠反映冷空氣活動的強弱，污染天氣往往與24 h變壓關系密切[26]。從銅仁站海平面氣壓的逐日變化曲線來看，污染物濃度AQI與氣壓呈正的相關性，氣壓升高對應了污染物濃度的增大。其中1月8日、16日、23日、27日污染物濃度明顯增大日，銅仁地面氣壓值曲線呈現(xiàn)陡增，地面氣壓均上升到1 030 hPa以上。同時從24 h變壓對污染物濃度AQI對應曲線來看，AQI值的增大時段，對應了24 h的正變壓，但變壓值的大小跟AQI值的大小無明顯關系。再從溫度來分析，就日平均溫度而言，1月份日平均溫度在10 ℃以下，在銅仁污染加重時段，銅仁站溫度整體呈下降趨勢。從日最高氣溫來看，在1月8日、16日、23日、27日幾個污染增加時段，日最高氣溫的降低對應著AQI值的升高，1月7日最高氣溫6.5 ℃，8日降低至4.9 ℃，對應8日AQI迅速上升至200以上。1月22日14.9 ℃到23日10.7 ℃，此時段內AQI值略有上升，維持在100以上。到27日最高氣溫再次降低至9.4 ℃，此時AQI值從23日的127上升到169?？梢?，最高氣溫與AQI值的變化有一定關系，當日最高氣溫越低時，說明影響銅仁的冷空氣達到最強，銅仁處于冷高壓控制為均壓區(qū)，風小，從而不利于污染物的擴散?？梢?，對于冬季1月份的污染天氣過程，一般都有強冷空氣的影響，當冷空氣完全控制銅仁，地面為冷高壓控制時，銅仁氣溫降至最低，此時為均壓區(qū)控制，風小，不利污染物濃度于擴散，使得污染物濃度升高。

3.2.4 風向、風速對污染物濃度的影響 通常風速越大，越有利于空氣中污染物質的稀釋擴散[27]。而長時間的微風或靜風則會抑制污染物質的擴散，使近地面層的污染物質成倍地增加。從2019年1月1—31日日平均風速和AQI對比曲線來看(圖7)，銅仁1月1—30日日平均風速均小于3 m/s，風速較小，以微風和靜風為主。31日平均風速明顯增大，達到4 m/s以上。對應AQI值演變表現(xiàn)為1月30日前日平均風速小于3 m/s時，銅仁污染物濃度降低不明顯，在弱風速下污染物濃度AQI值與風速無明顯對應關系。到1月31日平均風速增大，風速達到4 m/s以上時，污染物濃度出現(xiàn)明顯的下降?？梢姶舜挝廴具^程出現(xiàn)時，銅仁為靜風和微風(風力為0～2級)，不利于污染物的快速擴散。在地面風速達到4 m/s以上(即風力達到3級以上)時污染物濃度有所減低，可能風速的增大會使得污染物得到稀釋和擴散。

圖7 銅仁1月AQI指數(shù)與日平均風速及風向的關系

從銅仁2019年1月風玫瑰圖來看，銅仁1月以東北風(NE)最多，其次為偏東風(ENE、E、ESE)和靜風(C)。說明在冬季銅仁受東北路冷空氣回流影響，且以偏東風為主時，風速小，會容易導致污染物的積累。

3.3 梵凈山地形對污染物擴散的影響

從環(huán)流背景和風速風向分析發(fā)現(xiàn)銅仁1月份污染天氣形成和持續(xù)時段為偏東風，且偏東風維持時間長，風速小。且銅仁地形呈現(xiàn)為中部梵凈山(海拔高度>2 000 m)地形高，東部銅仁城區(qū)(海拔高度283 m)地形低的特征。因此需要考慮在特殊地形影響下，銅仁城區(qū)污染顆粒會不會在偏東風氣流影響下，在山前出現(xiàn)堆積而增長或則翻越山脈向外擴散出去而降低？下面來分析偏東風相對于梵凈山是否會使氣流在山前堆積。

分析地形對氣流影響時用Froude數(shù)。用山體高度為長度尺度，其定義參考Kaimal研究[28]:

Fr=u/(N×h)

(1)

式中:u為水平風速,h為山體的高度,N為逆溫期間的Brunt-vaisala或浮力頻率

N=((g/T)(?θ/?z))1/2

(2)

Kaimal 等人認為, Froude 數(shù)大于1 時氣流會沿山坡爬升，而當Froude數(shù)小于1時氣流較難沿山坡爬升，而會沿山側面繞行或在山腰回繞。如果取梵凈山山體高度為1 000～2 000 m，2019年1月份大氣逆溫強度平均為0.001～0.014 ℃/m，地面風速u平均為1.4 m/s，則銅仁市平均的Froude數(shù)為0.002 4～0.019?？梢奆roude 數(shù)遠遠小于1，在一般的天氣條件下，冬季銅仁市東風氣流根本不可能沿山爬升，因此地面污染物會在山前堆積，而不會通過爬山方式輸送出梵凈山東側的銅仁城區(qū)，使得城區(qū)濃度降低。

4 結論

本文針對2019年1月銅仁污染天氣過程，從環(huán)流背景、氣象要素、地形等影響進行分析，得出以下結論：

①銅仁本次污染過程日均AQI超過150的持續(xù)達9 d，AQI超過200的有2 d，屬于中到重度污染。直到30日07時本次污染過程才結束。期間PM10和PM2.5為主要污染物，但PM2.5對空氣污染貢獻最大。銅仁市污染物濃度從傍晚到前半夜和正午時段，人流量活動最大的時候上升，凌晨休息時段和下午上班時段有所下降，空氣質量好轉。

②此次過程，在污染階段銅仁上空位于高壓脊或一致的西南氣流，地面為冷高壓控制的均壓區(qū)，氣壓梯度小，風小，污染物得到逐漸聚集，AQI值持續(xù)上升。污染減弱階段，高空轉為高空槽前，地面冷空氣補充，氣壓梯度增大，上升運動動力抬升增強，西南風增強，有利于污染物的垂直擴散，AQI逐漸降低。整個污染過程中銅仁地面均受東北路冷空氣影響。

③銅仁污染階段持續(xù)的近地層逆溫層的存在，抑制了近地層大氣垂直方向的湍流交換，致使污染物不易在垂直方向擴散。污染階段，地面以東北風和東風為主，且風速為靜風或微風，不利于污染物的擴散。同時相對濕度低，空氣干燥時，有利于污染物濃度的升高；相反，相對濕度大，濕層深厚時，利于雨雪天氣的發(fā)生，則污染物濃度得到降低。

④受梵凈山地形影響，銅仁市區(qū)呈現(xiàn)西高東低的特殊地形，受持續(xù)較弱偏東風影響，使得本地污染不能翻越山脈，會導致污染循環(huán)累積增加。

本次主要針對2019年1月污染過程進行分析，分析時段比較短，得到的結論對1月份的污染預報有一定參考意義；但針對銅仁秋冬季的污染過程形成的氣象相關條件，還需要收集更多個例和資料進行詳細總結分析，得出污染影響的氣象因子指標。