天津市津南區(qū)一次持續(xù)性污染天氣特征及氣象條件分析

吳 洋，張 祿，孫樹鵬，廖云琛

(天津市津南區(qū)氣象局 天津300350)

0 引 言

近年我國經(jīng)濟不斷快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程迅速加快，越來越多的污染物被排放到大氣中，導(dǎo)致空氣污染日益嚴重，其中長三角、珠三角和京津冀等東部地區(qū)污染更加嚴重。重污染天氣不僅使大氣水平能見度下降，還容易造成心腦血管和呼吸道等疾病[1-3]。大量學(xué)者對重污染天氣進行研究[4-5]，發(fā)現(xiàn)重污染天氣的發(fā)生不僅受污染物排放影響，還受到氣象要素和區(qū)域輸送的影響。

東高紅等[6]對 2013—2015年天津發(fā)生的中度霾天氣的氣象要素特征等方面進行分析發(fā)現(xiàn)，地面氣壓場較弱，風力較小是秋冬季重度霾天氣發(fā)生的重要條件之一；趙金霞等[7]研究發(fā)現(xiàn)逆溫層形成后接地是濱海新區(qū)持續(xù)性重度霧霾產(chǎn)生的關(guān)鍵條件之一；蔡子穎等[8-9]將 2014—2017年天津地區(qū)中度以上霾過程分為 5種大氣環(huán)流類型，總結(jié)了 2009—2016年天津地區(qū)易出現(xiàn)重污染天氣的 4種地面形勢；石春娥等[10]針對污染物區(qū)域輸送進行研究，發(fā)現(xiàn) 2013年 1月安徽各地霾天氣偏多的原因與近地層偏東來向的氣團有關(guān)；翟殿清等[11]研究發(fā)現(xiàn)，中遠距離的輸入將對天津采暖季 PM10質(zhì)量濃度的增加產(chǎn)生影響；王燕麗等[12]研究發(fā)現(xiàn)，天津與北京、廊坊、保定、滄州、唐山等城市之間存在城市間PM2.5污染交互影響。

天津市津南區(qū)位于天津市中南部，經(jīng)濟水平、人口數(shù)量、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，大氣污染也日益嚴重。但是針對津南區(qū)氣象要素和區(qū)域輸送對持續(xù)性污染的研究較少，因此本文對2018年3月9日～15日津南區(qū)一次持續(xù)性污染天氣過程進行分析，主要研究污染物和氣象要素、混合層高度之間的關(guān)系，以及天氣系統(tǒng)對污染過程影響和污染物區(qū)域輸送情況，為津南區(qū)污染天氣預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文研究使用資料為歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心(ECMWF)提供的2018年3月9日～15日海平面氣壓場及高空位勢高度場，格點分辨為 0.125°×0.1225°。地面氣象觀測資料為津南區(qū)國家一般氣象觀測站地面逐時的相對濕度、風速、海平面氣壓等觀測資料；PM2.5質(zhì)量濃度為環(huán)保局提供的津南區(qū)東沽路觀測站逐時觀測數(shù)據(jù)。

1.2 方法

本文利用羅氏法計算混合層高度[13]：

式中：h為混合層高度(m)；P為 Pasquill穩(wěn)定度級別；T為溫度(℃)；Td為露點溫度(℃)；Uz為高度Z處的平均風速( m × s?1)；f為地轉(zhuǎn)參數(shù)( s?1)；Z0為地表粗糙度(m)。

2 結(jié)果分析

2.1 污染特征分析

本文利用的 PM2.5質(zhì)量濃度評價標準采用環(huán)保部發(fā)布的 GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》中24h平均值的二級標準值，即PM2.524h平均質(zhì)量濃度限值為75 μ g/m3。

2018年3月9日～14日天津市津南區(qū)出現(xiàn)一次持續(xù)性污染天氣，從表 1可以看出，9日開始津南區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度開始逐漸增加，10日 PM2.5質(zhì)量濃度超過75 μ g/m3，11日津南區(qū)監(jiān)測站PM2.5質(zhì)量濃度降低，低于 75 μ g/m3，污染略有緩解；12～13日污染快速發(fā)展，其中 13日津南區(qū)監(jiān)測站 PM2.5質(zhì)量濃度達271 μ g/m3。14日津南區(qū) PM2.5質(zhì)量濃度開始下降，15日PM2.5質(zhì)量濃度低于75 μ g/m3，此次持續(xù)性污染天氣過程結(jié)束。

表1 津南區(qū)監(jiān)測站點PM2.5質(zhì)量濃度日均值和PM2.5/PM10Tab.1 Daily mean value of PM2.5 mass concentration and PM2.5/PM10 in Jinnan District

通過分析 PM2.5與 PM10質(zhì)量濃度的比值可以判斷污染過程中細顆粒所占比例。從表 1可以看出，此次污染過程 PM2.5/PM10范圍為 43%～92%，9～11日污染開始階段，PM2.5/PM10范圍在 67%～74%，12～14日污染嚴重時段占比83%～92%，15日污染過程開始消散占比明顯下降至44%左右。所以，此次津南區(qū)持續(xù)性污染過程中污染物以細顆粒污染物為主，因此本文主要對PM2.5質(zhì)量濃度變化進行分析。

2.2 持續(xù)污染天氣環(huán)流特征

由圖 1可知，在此次持續(xù)性污染過程開始階段(9日08時)，500hPa環(huán)流場上在歐亞中高緯度地區(qū)存在“兩槽一脊”的環(huán)流形勢，高壓脊位于貝加爾湖地區(qū)，我國華北地區(qū)受脊前偏西氣流控制；850hPa環(huán)流場上我國中南部受高壓控制，不斷北頂東移，逐漸影響華北地區(qū)；對應(yīng)地面圖上貝加爾湖和我國中南部均為高壓場控制。10日，高空槽不斷東移，冷空氣逐漸影響華北地區(qū)，受冷空氣影響津南區(qū)污染物被暫時清除，PM2.5質(zhì)量濃度略有下降。11日，500hPa環(huán)流逐漸轉(zhuǎn)平，850hPa位于我國中南部高壓中心繼續(xù)東移北頂，華北地區(qū)位于高壓中心后部，受西南風影響，有利于將河北中南部污染物向津南區(qū)輸送。12～13日，華北地區(qū) 500hPa環(huán)流轉(zhuǎn)平，華北地區(qū)受平直西風氣流控制，850hPa高壓中心繼續(xù)東移，華北地區(qū)仍受西南氣流控制；地面圖上，華北地區(qū)逐漸被東移南下的低壓中心控制，津南區(qū)受低壓前西南氣流控制，中高層平直西風氣流，低層及地面受西南氣流控制，有利于污染物向津南區(qū)輸送，配合低層穩(wěn)定的大氣層結(jié)，使得津南區(qū)污染物再次積累。15日開始，500hPa環(huán)流場上高空槽不斷東移，高空槽攜帶的冷空氣不斷影響華北地區(qū)；地面圖上，貝加爾湖高壓加強南壓，地面氣壓梯度加大，地面風速加大，逐漸有利于污染物擴散，津南區(qū)此次污染過程結(jié)束。

圖 1 2018年 3月 9日 08：00(a)、11日 20：00(b)及 13日 08：00(d)500hPa高度場(a、b、d，單位：dagpm)和 11日 20：00(c)850hPa高度場(c，單位：dagpm)和 13日(e)及 15日 08：00(f)海平面氣壓場(e、f，單位：hPa)Fig.1 Geopotential height fields on 500 hPa(a，b and d，Unit：dagpm) at 08：00 9(a)，20：00 11(b) and 08：00 13(d)，geopotential height field on 850 hPa(c，Unit：dagpm) at 20：00 11(c) and sea level pressure fields(e and f，Unit：hPa) at 08：00 13(e) and 15(f) on March，2018

2.3 后向軌跡變化

為進一步研究津南區(qū)污染物區(qū)域輸送情況，以天津市津南區(qū)東沽路觀測站(117.39°E，39.00°N)為參考點，計算2018年 3月 13日 20時的后向軌跡，追蹤抵達津南區(qū)的氣團過去 24h的軌跡。通過圖 2可以看出，低層污染物不斷從河北中南部向津南區(qū)輸送，并在輸送過程中不斷下沉，因此在津南區(qū)持續(xù)性污染天氣預(yù)報時需考慮河北中南部污染物的輸送。

2.4 氣象要素與PM2.5質(zhì)量濃度關(guān)系分析

海平面氣壓場能夠反映冷空氣活動路徑、強度，因此海平面氣壓對持續(xù)性污染天氣過程有著重要的影響。由圖3可知，在10日05時PM2.5質(zhì)量濃度達到第一個峰值前，海平面氣壓逐漸下降，9日00時～10日 00時 24h變壓為-5.2hPa；10～11日 PM2.5質(zhì)量濃度開始下降，津南區(qū)海平面氣壓逐漸增加，11日00時維持在1025hPa左右；在污染達到第2個峰值前，海平面氣壓迅速降低，11～12日 24h變壓為-10.3hPa；12～13日 17時 PM2.5質(zhì)量濃度迅速增加至339 μg/m3，津南區(qū)受低壓控制，海平面氣壓維持在1008hPa左右。14日08時～15日，PM2.5質(zhì)量濃度略有增加，但津南區(qū)海平面氣壓迅速上升，可能與冷空氣抵達津南區(qū)前污染物的聚集有關(guān)。隨著冷空氣逐漸影響津南區(qū)，15日 20時 PM2.5也迅速降低至15 μg/m3，海平面氣壓迅速增加至 1032.8hPa，24h變壓達 17.6hPa。通過分析發(fā)現(xiàn)，24h負變壓使津南區(qū) PM2.5質(zhì)量濃度增加，24h正變壓有利于污染物的清除，但是在冷空氣到達前，海平面氣壓的升高也會造成津南區(qū)污染物短暫的上升。

圖2 2018年3月13日20時10、500和1000m氣團的后向軌跡Fig.2 Backward trajectories of 10，500 and 1000 m air masses at 20:00 on March 13，2018

圖3 津南區(qū)海平面氣壓與PM2.5質(zhì)量濃度變化Fig.3 Variation of PM2.5 mass concentration with sea level pressure in Jinnan District

PM2.5質(zhì)量濃度不僅受海平面氣壓場影響，還受到風向、風速的影響，當風速較小時，不僅不利于污染物的擴散，還會使局地污染物聚集，造成嚴重污染。由圖4可知，12日00時～13日17時PM2.5質(zhì)量濃度快速上升階段，津南區(qū)風速均較小，平均風速僅1.3m/s。13日夜間津南區(qū)風速略有增加，PM2.5質(zhì)量濃度迅速下降。14日風速繼續(xù)增加，平均風速達2.6m/s，但是津南區(qū) PM2.5質(zhì)量濃度略有增加。15日白天風速繼續(xù)增加，平均風速達 3.1m/s，PM2.5質(zhì)量濃度迅速降低，此次污染過程結(jié)束。

圖4 津南區(qū)風速與PM2.5質(zhì)量濃度變化Fig.4 Variation of PM2.5 mass concentration with wind speed in Jinnan District

通過圖5發(fā)現(xiàn)，在PM2.5質(zhì)量濃度達到第一個峰值前，津南區(qū)相對濕度迅速增加，9日23時相對濕度達80%，10日PM2.5質(zhì)量濃度達到第一個峰值。12日00時為PM2.5質(zhì)量濃度快速增加階段，津南區(qū)相對濕度較大，維持高濕狀態(tài)，12日 00時～13日 17時平均相對濕度為 63.6%。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，在此次津南區(qū)持續(xù)性污染過程中，高濕條件是 PM2.5質(zhì)量濃度迅速增加的一個重要因素。

圖5 津南區(qū)相對濕度與PM2.5質(zhì)量濃度變化Fig.5 Variation of PM2.5 mass concentration with relative humidity in Jinnan District

大氣混合層高度表示污染物在垂直方向被湍流稀釋的高度[14]，因此大氣混合層高度對污染物的堆積、擴散等有重要影響，大氣混合層高度已成為污染氣象學(xué)重要研究內(nèi)容之一。本文對津南區(qū)此次持續(xù)性污染過程大氣混合層高度進行研究，將津南區(qū)3月9日～15日每天 08時和 20時混合層高度與 PM2.5質(zhì)量濃度進行擬合。通過圖 6可以看出，混合層高度和 PM2.5質(zhì)量濃度大致呈指數(shù)型分布，津南區(qū)混合層高度和 PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)系數(shù)為-0.31，并且通過0.05的顯著性檢驗，說明混合層高度和 PM2.5質(zhì)量濃度呈負相關(guān)，即 PM2.5質(zhì)量濃度隨混合層高度的升高而下降。

圖6 2018年 3月 9日至 15日 PM2.5質(zhì)量濃度和混合層高度關(guān)系Fig.6 Relationship between PM2.5 mass concentration and mixing layer height from 9 to 15 March 2018

3 結(jié)論與討論

①天津市津南區(qū) 2018年3月9日～14日出現(xiàn)一次持續(xù)性霧霾天氣，13日津南區(qū)監(jiān)測站PM2.5濃度達271 μg/m3，污染物以細顆粒污染物為主。

②此次空氣污染過程中高層主要為平直西風氣流控制，850hPa受高壓中心后部西南氣流影響，地面位于地面高壓后部或低壓前部。中高層穩(wěn)定環(huán)流系統(tǒng)，不利于污染物向上擴散，中低層西南氣流有利于將河北中南部污染物向津南區(qū)輸送，造成嚴重污染過程。

③氣象要素對此次津南區(qū)重度污染天氣的形成具有一定的作用，其中海平面氣壓與 PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢相反，但是在冷空氣到達前，海平面氣壓的升高也會造成津南區(qū)污染物濃度短暫上升；風速和相對濕度對 PM2.5質(zhì)量濃度具有明顯影響，風速較小，PM2.5質(zhì)量濃度較高，相對濕度較大，PM2.5質(zhì)量濃度較高；混合層高度與 PM2.5質(zhì)量濃度呈負相關(guān)，是造成此次持續(xù)性污染的重要條件之一。