王若男 劉寧微 馬林 郭宗凱 劉振宏 李東宇 于文博 王一 郭海

摘要利用NCEP全球再分析資料和地面大氣成分觀測資料，根據(jù)大尺度天氣背景，將2010—2012年出現(xiàn)在遼寧中部地區(qū)的全部持續(xù)性大氣污染過程劃分為5種類型：蒙古高壓型、變性高壓型、蒙古氣旋型、弱低壓型和江淮氣旋型。進一步的邊界層物理機制研究表明：江淮氣旋型與蒙古高壓型污染的區(qū)域水平氣流輻合、垂直的氣流輸送、大氣層結(jié)穩(wěn)定度都比較相近，只是前者的逆溫強度更大。相比以上兩種類型，其他三種類型的水平輻合程度相當(dāng)，但下沉氣流、大氣層結(jié)穩(wěn)定度和逆溫現(xiàn)象要明顯偏弱甚至未出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞持續(xù)性污染天氣；污染天氣分型；水平輻合；逆溫

某地區(qū)某一段時間內(nèi)大氣污染物濃度居高不下的狀況不僅與該地區(qū)大氣中的微小塵粒、煙粒、鹽粒等的含量有關(guān)，也與當(dāng)?shù)貧庀髼l件密切相關(guān)。不同氣象條件下，同一污染源排放所造成的大氣污染物濃度可相差幾十倍甚至幾百倍（Seinfeld and Pandis，2016）。區(qū)域持續(xù)性大氣污染既是污染源排放的問題，也是氣象條件不利于污染物擴散的結(jié)果（蘇福慶等，2004；劉瑞陽等，2014；陶麗等，2016；王博妮等，2016；鄭龍飛等，2016）。因此，在無法改變氣象條件的前提下，如何通過研究區(qū)域性持續(xù)污染的形成機制，掌握其變化規(guī)律，提前預(yù)測出區(qū)域持續(xù)污染發(fā)生的天氣學(xué)潛勢，進而通過實施區(qū)域范圍內(nèi)的污染源減排調(diào)控，達到防止區(qū)域性大氣污染事件發(fā)生的目的，已成為當(dāng)前一個亟待研究解決的重要問題。

作為全國老工業(yè)生產(chǎn)基地的遼寧中部地區(qū)，其環(huán)境問題一直受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，其中大氣環(huán)境問題尤為突出（Bu et al.，2011；劉寧微等，2011；Li et al.，2017）。近年來，各級政府加大了對遼寧省大氣污染的治理力度，削減了大量的低矮面源，使得該地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量有了明顯的改善。然而，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，特別是近年來交通運輸、機動車輛的不斷增加，工業(yè)規(guī)模及城市范圍的不斷擴大，遼寧省的污染面積逐漸增大，污染類型也已開始由煤煙型向煤煙型與汽車尾氣污染共存的復(fù)合型污染轉(zhuǎn)化，大氣細粒子污染嚴重，灰霾天氣加?。R雁軍等，2011；劉寧微等，2012，2015；Liu et al.，2015；Li et al.，2017）。在不利于污染物擴散的氣象條件下，大氣污染物經(jīng)過持續(xù)不斷的積累，極易形成持續(xù)性的區(qū)域重污染天氣。以沈陽為例，2015年大氣細顆粒物PM25超過國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準11倍，全年日均值達標率僅為674%，PM25日均濃度的超標率在271%～868%之間（沈陽市環(huán)保局，2016）。因此，本研究將從出現(xiàn)在遼寧中部地區(qū)的持續(xù)性大氣污染過程入手，依據(jù)大尺度天氣背景將其劃分為不同的類型，并研究導(dǎo)致不同類型污染的邊界層物理機制，探索污染形成與發(fā)展的氣象學(xué)成因，為區(qū)域持續(xù)性大氣污染的預(yù)報預(yù)警提供參考依據(jù)。

1數(shù)據(jù)與方法

11數(shù)據(jù)來源

2006年8月，遼寧中部地區(qū)4個有代表性的大氣成分觀測站（沈陽、鞍山、撫順、本溪）同時開始正式運行。目前，各站均設(shè)有德國的GRIMM180顆粒物監(jiān)測儀、美國熱電的反應(yīng)性氣體監(jiān)測儀、芬蘭的VAISALA FD12能見度儀、法國的CE318太陽光度計和太陽輻射儀等儀器，對大氣可吸入顆粒物濃度（包括PM10、PM25、PM1的質(zhì)量濃度和數(shù)濃度）和黑碳氣溶膠、反應(yīng)性氣體（SO2，NO2和CO）、臭氧、大氣能見度、光學(xué)厚度等大氣環(huán)境因子進行在線連續(xù)觀測。沈陽大氣成分站位于原沈陽區(qū)域氣象中心大樓樓頂；鞍山大氣成分站位于鞍山市氣象局辦公樓樓頂；撫順市大氣成分站位于撫順市政府大樓樓頂；本溪市大氣成分站位于本溪市氣象局觀測場。4個站點的經(jīng)緯度和海拔高度見表1。

12研究方法

本研究根據(jù)2012年頒布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB30952012）中對6種污染物濃度的限值規(guī)定，以及Li et al.（2017）對遼寧城市持續(xù)性污染的定義，挑選出2010年1月1日—2012年12月31日同時出現(xiàn)在4個大氣成分站、某一種污染物濃度超過限值、持續(xù)2 d或2 d以上的全部污染過程，作為遼寧中部地區(qū)持續(xù)性的大氣污染事件。

對2010年1月1日—2012年12月31日遼寧中部地區(qū)持續(xù)性污染過程的統(tǒng)計顯示，3 a間共有37次污染過程發(fā)生，首要污染物全部為PM25。從時間分布來看，12月污染過程最多，達到8次；1月和11月次之，各為5次；4月、6月和9月污染過程最少，均為1次（表2）。四季污染過程次數(shù)從高至低分別為冬季（17次）、秋季（9次）、夏季（7次）、春季（6次）。3 a間的持續(xù)性污染主要發(fā)生在秋、冬兩季，在總污染次數(shù)中所占比例為2/3。夏季的細粒子污染也不容忽視，持續(xù)污染在污染日中占有相當(dāng)?shù)谋壤?。相對而言，春季發(fā)生持續(xù)性污染的概率最低。從區(qū)域性、持續(xù)性、代表性的霧霾天氣過程入手，利用每6 h一次、水平分辨率為25°×25°的NCEP全球再分析格點資料，將3 a中的全部持續(xù)性污染事件進行大尺度天氣背景分型，并選擇對遼寧中部地區(qū)持續(xù)性大氣污染發(fā)生頻率最高的兩個天氣類型，分析其相關(guān)物理量特征。

2天氣系統(tǒng)分型

通過東亞地區(qū)的海平面氣壓場和10 m風(fēng)場分布，分析引發(fā)遼寧中部地區(qū)持續(xù)性污染發(fā)生、發(fā)展及消散的主要環(huán)流形勢和天氣系統(tǒng)，對全部持續(xù)性霧霾過程的天氣系統(tǒng)進行類型劃分，從大尺度角度探明各類污染形成、發(fā)展與維持的天氣學(xué)成因。通過海平面氣壓場分布，將全部污染過程的天氣系統(tǒng)劃分為五種類型：蒙古高壓型、變性高壓型、蒙古氣旋型、弱低壓型、江淮氣旋型（圖1），各類型出現(xiàn)次數(shù)及在總污染次數(shù)中所占的比例見表3。蒙古氣旋引發(fā)的區(qū)域持續(xù)性污染過程次數(shù)最多，達到327%；江淮氣旋引發(fā)的區(qū)域持續(xù)性污染過程次數(shù)最少，僅為61%。

蒙古高壓型的11次污染過程全部出現(xiàn)在冬季，弱低壓型的4次污染過程全部出現(xiàn)在夏季，變性高壓型的15次污染過程出現(xiàn)在冬、秋、春三季，江淮氣旋型的3次污染過程分別出現(xiàn)在夏、秋、冬三季，而蒙古氣旋型的16次污染過程在四季都出現(xiàn)過。因此，秋、冬季是蒙古高壓型、變性高壓型和蒙古氣旋型污染過程的多發(fā)季節(jié)，而夏季是弱低壓型、蒙古氣旋型的多發(fā)季節(jié)。

對大尺度天氣背景分布而言，蒙古高壓型的海平面形勢場特征為：位于西伯利亞、蒙古地區(qū)的大范圍中心值為1 036～1 050 hPa的高壓中心顯著影響著亞洲東部地區(qū)，主導(dǎo)風(fēng)向呈順時針方向。北部地區(qū)以西南風(fēng)為主，東北部地區(qū)以西北風(fēng)為主，東南部以北風(fēng)為主，南部（印度半島：熱帶氣團）以東北風(fēng)為主，西南部（阿拉伯半島）以東北風(fēng)為主。隨著蒙古高壓的東移南下，其對遼寧地區(qū)的控制逐漸加強。變性高壓型的海平面形勢場特征為：高壓在源地形成后，離開它的源地移到新的地區(qū)，隨著下墊面性質(zhì)以及大范圍空氣的垂直運動等情況的改變，它的性質(zhì)也發(fā)生了相應(yīng)的改變（如高壓向較暖地區(qū)移動，會逐漸變暖，反之會逐漸變冷）。蒙古氣旋型的海平面形勢場特征為：蒙古氣旋發(fā)生或發(fā)展在蒙古中部和東部高原一帶（約在100～115°E、40～50°N之間），當(dāng)?shù)匚鞑?、西北部多高山，蒙古中部和東部處于背風(fēng)坡，有利于氣旋的生成和發(fā)展。春秋季，冷暖空氣活動頻繁，氣旋出現(xiàn)次數(shù)最多，冬季次之；夏季，鋒區(qū)北移，暖空氣活動占優(yōu)勢，故氣旋顯著減少，其東移南下對遼寧地區(qū)的控制逐漸加強。弱低壓型的海平面形勢場特征為：弱低壓介于高壓與低壓之間，偏低壓，它是一個低壓系統(tǒng)，但中心氣壓值比周邊地區(qū)略低。江淮氣旋型的海平面形勢場特征為：在長江中下游及淮河流域（113～120°E，26～35°N）區(qū)域內(nèi)形成，具有明顯的冷暖鋒結(jié)構(gòu)的氣旋系統(tǒng)。江淮氣旋一年四季都可以發(fā)生，但以春季和初夏兩季出現(xiàn)較多。江淮氣旋的東移北上對遼寧地區(qū)的影響逐漸加大。

雖然各類環(huán)流形勢對遼寧中部地區(qū)持續(xù)性污染天氣的影響各不相同，但它們的共同點是：污染天氣發(fā)生前遼寧地區(qū)處于系統(tǒng)東部（東北或東南方向），即系統(tǒng)前部大范圍的均壓場區(qū)域，系統(tǒng)將各自的上游細粒子污染物及水汽通過系統(tǒng)氣流輸送至遼寧中部地區(qū)；隨著系統(tǒng)的東移，污染過程不斷發(fā)展，粒子濃度逐漸增大；當(dāng)系統(tǒng)移出遼寧，其后部有時也會造成區(qū)域污染，但維持時間較短，隨之而來的是系統(tǒng)過境后等高線的逐漸密集，有利于霧霾的擴散與輸送。

3邊界層物理機制研究

31蒙古高壓型

圖2a—2c分別為蒙古高壓引發(fā)的遼寧中部地區(qū)持續(xù)性污染發(fā)生、發(fā)展、消散時距地面10 m的流場與風(fēng)速。可見，污染發(fā)生、發(fā)展時遼寧中部地區(qū)流場以輻合及氣旋性環(huán)流為主，大部分地區(qū)風(fēng)速在2 m/s以下，不利于污染物的擴散與輸送；而污染物消散時流場比較平直，風(fēng)速逐漸增大至3～4 m/s，有利于污染物向區(qū)域以外輸送。圖2d—2f分別為污染發(fā)生前后2 m高度上的相對濕度與近地面的垂直速度，可以看出污染剛剛發(fā)生時相對濕度很大，在95%以上（圖2d），隨著污染過程的發(fā)展?jié)穸戎饾u下降，這是一個由霧轉(zhuǎn)為霾的過程。污染區(qū)域垂直氣流基本都為向下方向（等值線為正值），氣流穩(wěn)定，無法向上擴散輸送，隨著污染過程的發(fā)展氣流向下輸送的速度降低。

根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)1 000 hPa與925 hPa之間溫差為負值，或兩層之間的溫差在0～2 °C之間時，存在逆溫層或等溫層。因此，1 000 hPa與925 hPa之間的溫差可以作為確定大氣穩(wěn)定度的因子之一。圖2g—2i分別為污染過程中08時（北京時間，下同）1 000 hPa與925 hPa之間的溫度差。污染發(fā)生前和發(fā)展階段，925 hPa比1 000 hPa溫度明顯偏高，表明這一階段大氣層結(jié)非常穩(wěn)定；污染即將結(jié)束時溫差在-1～1 ℃，大氣穩(wěn)定度降低。與大氣穩(wěn)定度密切相關(guān)的是逆溫現(xiàn)象，由區(qū)域平均的逆溫曲線（圖2j）可以看出，污染發(fā)生、發(fā)展期逆溫現(xiàn)象顯著，逆溫層頂高達800 hPa，污染持續(xù)期逆溫層頂高度降低，但近地層逆溫強度仍比較大，污染物在持續(xù)性靜穩(wěn)條件下不斷積累，濃度升高，形成污染。

32變性高壓型

變性高壓引發(fā)的污染在發(fā)生、發(fā)展時遼寧中部地區(qū)流場以弱輻合及氣旋性環(huán)流為主，大部分地區(qū)風(fēng)速在3 m/s以下，不利于污染物的擴散與輸送；而污染物消散時流場比較平直，風(fēng)速逐漸增大至3～5 m/s，有利于污染物向區(qū)域以外輸送。整個污染過程區(qū)域的相對濕度都比較小，均不超過75%，多數(shù)時間濕度小于50%，空氣非常干燥，結(jié)合能見度情況（低于10 km）來看多數(shù)表現(xiàn)為霾的污染。污染區(qū)域垂直氣流基本多數(shù)為值不超過01 Pa/s的較弱的上升或下沉氣流，垂直方向沒有明顯的污染物輸送。污染過程中遼寧中部地區(qū)1 000 hPa與925 hPa之間的溫差為負值或小于2 °C的正值，存在逆溫層或等溫層，大氣層結(jié)穩(wěn)定。污染發(fā)生、發(fā)展、維持期間出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，但逆溫層頂高度為近地層的950 hPa以下，逆溫強度很?。▓D略）。與蒙古高壓型相比，變性高壓型污染無論從區(qū)域水平氣流輻合，垂直氣流輸送，還是大氣層結(jié)穩(wěn)定度以及逆溫的程度而言都明顯偏弱，大氣中的水汽含量明顯偏小。

33蒙古氣旋型

蒙古氣旋引發(fā)的持續(xù)污染發(fā)生前，氣流在遼西地區(qū)輻合，然后向中、東部輸送；污染發(fā)展、維持期間，蒙古氣旋閉合環(huán)流進入遼寧境內(nèi)，整個區(qū)域都為2 m/s以下小風(fēng)區(qū)；污染物消散時流場比較平直，風(fēng)速逐漸增大至3～5 m/s，有利于污染物向區(qū)域以外輸送。污染發(fā)生前，區(qū)域的相對濕度不超過75%；污染發(fā)生、發(fā)展時期，相對濕度增大至85%～95%之間；污染消散時相對濕度又迅速降低至65%以下，結(jié)合能見度情況來看多數(shù)表現(xiàn)為霾的污染。污染區(qū)域垂直氣流基本多數(shù)為較弱的上升或下沉氣流，垂直方向沒有明顯的污染物輸送。污染過程中遼寧中部地區(qū)1 000 hPa與925 hPa之間的溫差為小于35 °C的正值，表明遼寧中部地區(qū)穩(wěn)定層結(jié)的等溫層和不穩(wěn)定層結(jié)同時存在。污染發(fā)生、發(fā)展、維持期間均未出現(xiàn)明顯的逆溫現(xiàn)象（圖略）。與前兩種類型相比，蒙古氣旋型污染在區(qū)域水平氣流輻合上與蒙古高壓型相近，但垂直的氣流輸送、大氣層結(jié)穩(wěn)定度和逆溫的程度均弱于變性高壓型，更不及蒙古高壓型。

34弱低壓型

無論污染形成還是消散，弱低壓型污染的流場在遼寧中部地區(qū)始終呈輻合形勢，大部分地區(qū)風(fēng)速在2 m/s以下，污染物消散時區(qū)域氣流都流向遼西地區(qū)，在當(dāng)?shù)匦纬奢椇现行摹Ｏ鄬穸扰c近地面的垂直速度，可以看出污染發(fā)生前后區(qū)域相對濕度較高，大部分地區(qū)在90%或95%以上。霧區(qū)垂直氣流很不顯著，有弱上升氣流，沒有向下的垂直氣流。污染過程中遼寧中部地區(qū)1 000 hPa與925 hPa之間的溫差為1～3 ℃的正值，表明遼寧中部地區(qū)穩(wěn)定層結(jié)的等溫層和不穩(wěn)定層結(jié)同時存在。污染發(fā)生、發(fā)展、維持期間基本未出現(xiàn)明顯的逆溫現(xiàn)象（圖略）。與前三種類型相比，弱低壓型污染在區(qū)域水平氣流輻合上與蒙古高壓型、蒙古氣旋型相近，但垂直的氣流輸送、大氣層結(jié)穩(wěn)定度和逆溫的程度與變性高壓型和蒙古氣旋型接近，不及蒙古高壓型。

35江淮氣旋型

圖3a—3c分別為江淮氣旋型引發(fā)的遼寧中部城市群持續(xù)性污染發(fā)生、發(fā)展、消散時距地面10 m的流場與風(fēng)速?？梢姡廴景l(fā)生、發(fā)展時遼寧中部城市群流場以輻合及氣旋性環(huán)流為主，氣旋中心在遼寧南部地區(qū)有所體現(xiàn)，城市群區(qū)域風(fēng)速在2 m/s以下，不利于污染物的擴散與輸送；而污染物消散時流場比較平直，風(fēng)速逐漸增大至4～5 m/s，有利于污染物向區(qū)域以外輸送。圖3d—3f分別為污染發(fā)生前后2 m高度上的相對濕度與近地面的垂直速度，可以看出污染發(fā)生前后區(qū)域相對濕度較高，大部分地區(qū)在95%以上，下沉氣流十分顯著，速度可達02～04 Pa/s。

對于大氣穩(wěn)定度，圖3g—3i分別為污染發(fā)生發(fā)展階段08時1 000 hPa與925 hPa之間的溫度差?？梢钥吹剑廴具^程溫差分布為1～3 ℃的負值，表明遼寧中部城市群的大氣層結(jié)十分穩(wěn)定。區(qū)域平均的逆溫曲線（圖3j）顯示，污染發(fā)生、發(fā)展、維持甚至消散期間，近地層逆溫現(xiàn)象十分顯著，層高可達925 hPa，強度也比較大，可達07 ℃/hm，大于蒙古高壓型的近地逆溫強度。與前四種類型相比，江淮氣旋型污染在區(qū)域水平氣流輻合上與蒙古高壓型、垂直的氣流輸送、大氣層結(jié)穩(wěn)定度和逆溫趨勢都與蒙古高壓型比較相近，只是逆溫強度更大。

4結(jié)論

為了從多尺度角度揭示區(qū)域持續(xù)性大氣污染形成與演變的氣象學(xué)成因，從2010—2012年出現(xiàn)在遼寧中部地區(qū)的全部持續(xù)性大氣污染過程入手，依據(jù)大尺度天氣背景將其劃分為不同的類型，并揭示了不同類型污染的邊界層物理機制。

1）通過海平面氣壓場分布，將引發(fā)遼寧中部地區(qū)持續(xù)性大氣污染過程的天氣系統(tǒng)劃分為5種類型：蒙古高壓型、變性高壓型、蒙古氣旋型、弱低壓型、江淮氣旋型。

2）蒙古氣旋引發(fā)的區(qū)域持續(xù)性污染過程次數(shù)最多，達到327%；江淮氣旋引發(fā)的區(qū)域持續(xù)性污染過程次數(shù)最少，僅為61%。蒙古高壓型的11次過程全部出現(xiàn)在冬季，弱低壓型的4次過程全部出現(xiàn)在夏季，變性高壓型的15次過程出現(xiàn)在冬、秋、春三季，江淮氣旋型的3次過程分別出現(xiàn)在夏、秋、冬三季，而蒙古氣旋型的16次過程在四季都出現(xiàn)過。由此可見，秋、冬季是蒙古高壓型、變性高壓型和蒙古氣旋型過程的多發(fā)季節(jié)，而夏季是弱低壓型、蒙古氣旋的多發(fā)季節(jié)。

3）邊界層物理機制研究表明：江淮氣旋型與蒙古高壓型污染的區(qū)域水平氣流輻合、垂直的氣流輸送、大氣層結(jié)穩(wěn)定度都比較相近，只是前者的逆溫強度更大。相比以上兩種類型，其他三種類型的水平輻合程度相當(dāng)，但下沉氣流、大氣層結(jié)穩(wěn)定度和逆溫現(xiàn)象要明顯偏弱甚至未出現(xiàn)。

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