馬敏勁，蘇雨萌，丁 凡，楊 屹，黃萬龍，談昌蓉

（1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

引 言

蘭州地處青藏高原東側(cè)，地形復(fù)雜，東西向狹長，全年盛行靜風(fēng)，逆溫存在時(shí)間長，致使城區(qū)大氣污染物擴(kuò)散能力弱，形成典型的河谷城市空氣污染。同時(shí)，蘭州屬于工業(yè)城市，工業(yè)燃煤、冬季取暖和不斷增加的車輛尾氣排放致使該市冬季空氣污染嚴(yán)重［1］。位于蘭州東北面的白銀，礦產(chǎn)資源豐富，大型企業(yè)較多，工業(yè)污染物排放集中，且城區(qū)四面環(huán)山，風(fēng)速小使得粉塵等污染物不易擴(kuò)散［2］。2003年，《甘肅省城鎮(zhèn)體系規(guī)劃（2003—2020年）》中首次提出建設(shè)“蘭白都市經(jīng)濟(jì)圈”的構(gòu)想后［3］，伴隨著“蘭白都市經(jīng)濟(jì)圈”的快速發(fā)展，該區(qū)域大氣環(huán)境問題日益凸顯。大氣污染物在不同城市和地區(qū)之間的相互輸送、反應(yīng)和轉(zhuǎn)化，使得大氣污染已由原來的點(diǎn)源污染發(fā)展到面源污染、單一型污染轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合型污染、城市污染逐漸擴(kuò)展到區(qū)域污染［4－5］。

蘭州、白銀兩地相距60 km，白銀常年盛行北風(fēng)和東北風(fēng)，蘭州位于白銀下風(fēng)向，易受來自白銀空氣污染物擴(kuò)散傳輸?shù)挠绊懀纬蓞^(qū)域性嚴(yán)重空氣污染。當(dāng)前，我國鄰近城市的協(xié)同空氣污染及其相互影響的研究多集中在京津冀地區(qū)［6－11］，而位于黃土高原的河谷城市蘭州及其衛(wèi)星城市白銀的空氣污染與平原地區(qū)有很大不同，盡管兩地間分布著復(fù)雜的山體，但空氣污染仍存在跨區(qū)域傳輸和交叉污染現(xiàn)象。研究表明，天氣形勢在一定程度上影響和制約著局地氣象條件［12－19］，蘭州、白銀兩地受同一環(huán)流系統(tǒng)控制且距離較近，但兩地污染程度卻存在異同。為此，本文利用蘭州和白銀地面常規(guī)氣象觀測資料、空氣質(zhì)量指數(shù)以及NCEP資料等，通過數(shù)值模擬，對(duì)比探討蘭州、白銀兩地空氣污染異同特征及其氣象影響要素，以期為蘭州和白銀空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)及區(qū)域空氣污染治理提供一定參考。

1 資料和方法

1.1 數(shù) 據(jù)

使用了中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺(tái)提供的2015—2017年蘭州、白銀空氣質(zhì)量指數(shù)逐日資料和美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）2015—2017年NCEP－DOEⅡ高空再分析逐日資料（空間分辨率2.5°×2.5°）、FNL逐 6 h再分析資料（空間分辨率1°×1°）以及甘肅蘭州（1日8次）、白銀（1日3次）MICAPS地面常規(guī)氣象觀測資料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用WRF3.9.1模式，利用 FNL再分析資料，模擬2015—2017年蘭州發(fā)生重度和嚴(yán)重空氣污染時(shí)蘭州和白銀兩地的氣象場，共計(jì)21個(gè)個(gè)例。其中，模式水平方向采用三重嵌套，中心位置為103.98°E、36.30°N，D01區(qū)域的格距 25 km，格點(diǎn)數(shù)91×91，D02區(qū)域的格距 5 km，格點(diǎn)數(shù) 121×121，D03區(qū)域的格距1 km，格點(diǎn)數(shù)201×201，且垂直方向均分為29層，嵌套區(qū)域及D03區(qū)域的地形高度見圖1。模式參數(shù)化方案采用Lin等微物理過程方案，RRTM長波輻射方案，Dudhia短波輻射方案，YSU邊界層方案，熱量擴(kuò)散陸面過程方案以及積云對(duì)流參數(shù)化方案，其中在D01、D02區(qū)域采用淺對(duì)流Kain－Fritsch（new Eta）方案，而 D03區(qū)域因分辨率較高未啟動(dòng)積云對(duì)流參數(shù)化方案［20］。

為了評(píng)估WRF模式對(duì)蘭州、白銀兩地空氣質(zhì)量的模擬效果，選用平均絕對(duì)誤差（MAE）、均方根誤差（RMSE）、誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差（STDE）3個(gè)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。STDE反映模式誤差的離散程度，通常優(yōu)先考慮STDE值，即使MAE和RMSE值都較大，但STDE值較小，說明誤差接近于一個(gè)常數(shù)，模式存在一個(gè)系統(tǒng)性誤差，反之，MAE和RMSE值較小，但STDE值較大，說明誤差隨機(jī)分布，模式缺少物理基礎(chǔ)。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩城市空氣污染特征對(duì)比

空氣質(zhì)量指數(shù)（air quality index，AQI）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的指數(shù)，其數(shù)值越大，表明空氣污染狀況越嚴(yán)重。參考《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095—2012）中AQI的等級(jí)劃分：0～50空氣質(zhì)量為優(yōu)，51～100為良，101～150為輕度污染，151～200為中度污染，201～300為重度污染，大于300則為嚴(yán)重污染，將2015—2017年蘭州、白銀的空氣污染天氣過程分為輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染4類，得到蘭州污染日共計(jì)350 d，其中輕度污染日278 d，中度污染日51 d，重度污染日5 d，嚴(yán)重污染日16 d；白銀污染日共計(jì)209 d，其中輕度污染日156 d，中度污染日35 d，重度污染日8 d，嚴(yán)重污染日10 d（圖2）?？梢娞m州和白銀兩地的空氣污染天氣均以輕度污染為主，前者總污染日數(shù)明顯多于后者，這可能是蘭州地處河谷地帶，而白銀處于盆地之中，蘭州南北兩側(cè)山體高度明顯高于白銀，污染擴(kuò)散條件相對(duì)較差，大氣污染物不易越過山體擴(kuò)散出去［21］，使得蘭州較白銀更容易發(fā)生空氣污染。

圖1 模式嵌套區(qū)域設(shè)置（a）和D03區(qū)域地形高度（b，單位：m）Fig.1 Nested domains of WRF model（a）and topographic height of D03 area（b，Unit：m）

圖2 2015—2017年蘭州和白銀不同等級(jí)空氣污染日數(shù)對(duì)比（a）輕度污染，（b）中度污染，（c）重度污染，（d）嚴(yán)重污染Fig.2 Comparison of air pollution days with different grades in Lanzhou and Baiyin of Gansu from 2015 to 2017（a）light pollution，（b）moderate pollution，（c）severe pollution，（d）extreme pollution

重度和嚴(yán)重空氣污染會(huì)對(duì)社會(huì)活動(dòng)和人體健康產(chǎn)生重要影響［22］。蘭州發(fā)生重度和嚴(yán)重污染天氣時(shí)，地處其東北部的白銀未必對(duì)應(yīng)有重度和嚴(yán)重污染，因此將蘭州發(fā)生嚴(yán)重、重度污染時(shí)，白銀對(duì)應(yīng)發(fā)生嚴(yán)重污染（重度污染）、重度污染（中度污染）定義為兩地空氣污染程度相同，而將白銀對(duì)應(yīng)發(fā)生中度污染（輕度污染）、輕度污染則定義為兩地空氣污染程度存在顯著差異。為了對(duì)比蘭州、白銀兩地空氣污染異同及其氣象影響要素，從2015—2017年蘭州空氣污染日中挑出重度和嚴(yán)重污染日共計(jì)21 d，對(duì)應(yīng)的白銀空氣污染等級(jí)見表1，其中2016年11月10日蘭州發(fā)生嚴(yán)重污染天氣時(shí)白銀的空氣質(zhì)量指數(shù)缺測。從表1看出，2015—2017年蘭州發(fā)生重度污染時(shí)，白銀為中度和輕度污染，兩地空氣污染程度相同的日數(shù)為2 d，存在差異的日數(shù)為3 d；蘭州發(fā)生嚴(yán)重污染時(shí)，除去缺測的1 d，白銀為嚴(yán)重、重度和中度污染，兩地空氣污染程度相同的日數(shù)為13 d，存在差異的日數(shù)為2 d，可見蘭州、白銀兩地往往同時(shí)發(fā)生嚴(yán)重污染，且主要發(fā)生在冬春兩季。

2.2 天氣形勢分型

空氣污染受大尺度天氣系統(tǒng)的影響［23］。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2015—2017年蘭州21個(gè)重度和嚴(yán)重污染日的天氣形勢可歸納為兩類：（1）槽脊型。500 hPa歐亞大陸為“一槽一脊”型，東亞大槽位于我國東北地區(qū)及其附近［圖3（a）］，蘭州、白銀兩地位于大槽后部，槽后下沉氣流抑制兩地對(duì)流發(fā)展，大氣垂直混合減弱，受槽后西北氣流影響，上游空氣污染物易伴隨氣流輸送至兩地上空，且在春季甘肅境內(nèi)沙塵天氣時(shí)更加顯著；700 hPa上，我國東北地區(qū)及其附近仍有一大槽存在［圖3（c）］，蘭州、白銀兩地處于中緯度弱脊附近；海平面氣壓場上，青海東北部至甘肅西南部一帶等壓線密集，兩省交界處有較大的平直西風(fēng)氣流向北風(fēng)轉(zhuǎn)換的弱切變線，蘭州、白銀兩地位于弱切變線附近［圖3（e）］，與700 hPa暖平流相互配合，容易形成上暖下冷的穩(wěn)定層結(jié)，使得污染物不易擴(kuò)散，造成局地空氣污染。（2）西風(fēng)型。500 hPa歐亞大陸高緯度地區(qū)存在弱的槽脊系統(tǒng)［圖3（b）］，而中緯度地區(qū)無明顯槽脊系統(tǒng)，主要受平直西風(fēng)氣流影響，蘭州和白銀均處于平直西風(fēng)氣流帶中，受其影響環(huán)流形勢較為穩(wěn)定，有利于空氣污染物累積；700 hPa上，蘭州、白銀兩地也處于中緯度平直西風(fēng)氣流帶中［圖3（d）］；受弱冷平流影響，貝加爾湖西北部存在較強(qiáng)的冷高壓，青藏高原附近也有一冷高壓，兩高之間的狹長區(qū)域存在切變線，蘭州、白銀兩地位于貝加爾湖西北部較強(qiáng)的冷高壓南部［圖3（f）］，受南下冷空氣影響地表溫度急劇下降，降溫程度比700 hPa弱冷平流導(dǎo)致的降溫更加顯著，容易形成近地面逆溫，有利于污染的發(fā)生。

表1 2015—2017年蘭州重度和嚴(yán)重污染日對(duì)應(yīng)白銀不同等級(jí)空氣污染日數(shù)Tab.1 The corresponding air pollution days with different levels in Baiyin under severe and extreme air pollution days in Lanzhou from 2015 to 2017 單位：d

圖3 2015—2017年典型天氣形勢下蘭州重度和嚴(yán)重污染日500 hPa（a、b）、700 hPa（c、d）位勢高度場（黑色線，單位：dagpm）、溫度場（陰影，單位：℃）及風(fēng)場（黑色箭頭，單位：m·s－1）（a、b、c、d）和海平面氣壓場（黑色線，單位：hPa）、溫度場（陰影，單位：℃）及風(fēng)場（黑色箭頭，單位：m·s－1）（e、f）分布（a、c、e）槽脊型，（b、d、f）西風(fēng)型Fig.3 The distribution of 500 hPa（a，b）and 700 hPa（c，d）geopotential height field（black lines，Unit：dagpm），temperature field（shadows，Unit：℃）and wind field（black arrows，Unit：m·s－1）（a，b，c，d）and sea－level pressure field（black lines，Unit：hPa），temperature field（shadows，Unit：℃）and wind field（black arrows，Unit：m·s－1）（e，f）under typical weather situations on severe and extreme air pollution days in Lanzhou from 2015 to 2017（a，c，e）trough and ridge pattern，（b，d，f）the westerly pattern

按天氣形勢的劃分統(tǒng)計(jì)，槽脊型環(huán)流形勢下蘭州發(fā)生重度和嚴(yán)重污染日共12 d，除2016年11月10日白銀空氣質(zhì)量指數(shù)缺測外，兩地空氣污染程度相同的日數(shù)共8 d，存在差異的共3 d；西風(fēng)型環(huán)流形勢下，蘭州出現(xiàn)重度和嚴(yán)重污染日共9 d，蘭州、白銀兩地空氣污染程度相同的日數(shù)共7 d，存在差異的共2 d。

2.3 蘭州重度和嚴(yán)重空氣污染日氣象要素的數(shù)值模擬分析

2.3.1 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

從圖4看出，在蘭州重度和嚴(yán)重空氣污染天氣下WRF模式對(duì)地面氣象要素的模擬結(jié)果與觀測值有較好的一致性，模擬的最大值和最小值與觀測值同步變化，但模擬的近地面風(fēng)速大于觀測值，模擬氣溫小于觀測值。其中，在蘭州重度和嚴(yán)重空氣污染天氣下，蘭州地面模擬風(fēng)速平均為1.36 m·s－1，春季風(fēng)速較大，最大可達(dá)6 m·s－1，冬季風(fēng)速較小，多為靜風(fēng)，而白銀地面模擬風(fēng)速平均為2.33 m·s－1，春季風(fēng)速最大可達(dá)9 m·s－1，冬季多為靜風(fēng)；蘭州重度和嚴(yán)重空氣污染日，蘭州和白銀兩地近地面模擬氣溫日較差均在8℃左右，小于非空氣污染日的氣溫日較差，氣溫日較差小使得城市上空的大氣層結(jié)不易破壞，層結(jié)穩(wěn)定有利于空氣污染物的累積。

圖4 2015—2017年蘭州重度和嚴(yán)重污染日蘭州（a、b）和白銀（c、d）站模擬的近地面風(fēng)速（a、c）、氣溫（b、d）與觀測值對(duì)比Fig.4 Comparisons of simulated near－surface wind speed（a，c），temperature（b，d）with the observations at Lanzhou（a，b）and Baiyin（c，d）stations on severe and extreme air pollution days in Lanzhou from 2015 to 2017

從檢驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果（表2）來看，WRF模擬的蘭州站地面氣溫較觀測值明顯偏低，誤差主要出現(xiàn)在正午峰值和凌晨谷值［圖4（b）］，蘭州地面氣象觀測站位于主城區(qū)，處于河谷海拔最低處，受城市下墊面影響觀測氣溫較高，站點(diǎn)觀測氣溫與該站點(diǎn)所在格點(diǎn)模擬值的誤差主要影響站點(diǎn)及周圍的風(fēng)場，而對(duì)于整體環(huán)流影響不大，在河谷地形影響下蘭州局地環(huán)流（山谷風(fēng)）一般越靠近山區(qū)風(fēng)速越大，而山谷城區(qū)風(fēng)速相對(duì)較小［24－25］，總體上模擬結(jié)果與觀測值有較好的一致性。WRF模式對(duì)蘭州和白銀兩地地面氣溫和風(fēng)速的模擬效果可信，對(duì)風(fēng)速的模擬優(yōu)于氣溫，且對(duì)白銀的模擬結(jié)果略優(yōu)于蘭州。

表2 蘭州和白銀站模擬的地面氣溫和風(fēng)速與觀測值誤差Tab.2 The error between simulated surface temperature，wind speed and the observations at Lanzhou and Baiyin stations

2.3.2 典型個(gè)例分析

為了探討兩類環(huán)流形勢下污染日兩地污染程度異同的可能原因，選取4個(gè)典型個(gè)例開展分析，其中槽脊型：兩地（蘭州為嚴(yán)重污染時(shí)白銀為重度污染，下同）空氣污染程度相同的2016年2月20日，兩地（蘭州為重度污染時(shí)白銀為輕度污染，下同）空氣污染程度存在差異的2016年12月21日；西風(fēng)型：兩地空氣污染程度相同的2016年11月18日，兩地空氣污染程度存在差異的2017年1月4日。

2016年2月20 日20：00（北京時(shí)，下同）［圖5（a）］，蘭州近地面有風(fēng)場輻合，不利于河谷中近地面污染物向周圍擴(kuò)散，近地面風(fēng)速為1.2 m·s－1；白銀近地面無明顯的風(fēng)場輻合輻散，近地面風(fēng)速為1.67 m·s－1，高于蘭州地區(qū)；2016年12月21日20：00［圖5（b）］，蘭州近地面有風(fēng)場輻合，近地面風(fēng)速為0.4 m·s－1，而白銀近地面為風(fēng)場輻散，有利于近地面污染物向周圍擴(kuò)散，近地面風(fēng)速為1.33 m·s－1。可見，污染日槽脊型環(huán)流背景下蘭州近地面存在風(fēng)場輻合，空氣污染程度相同時(shí)白銀無明顯的風(fēng)場輻合輻散，而污染程度存在差異時(shí)白銀近地面存在風(fēng)場輻散。2016年11月 18日 20：00［圖5（c）］，蘭州、白銀兩地近地面均無明顯的風(fēng)場輻合輻散，蘭州近地面風(fēng)速為 1.4 m·s－1，白銀為 2.0 m·s－1；2017年 1月4日20：00［圖5（d）］，蘭州近地面有弱的風(fēng)場輻合，有利于污染物的累積，近地面風(fēng)速為0.8 m·s－1，而白銀近地面無明顯的風(fēng)場輻合輻散，近地面風(fēng)速為1.33 m·s－1?？梢?，污染日西風(fēng)型環(huán)流形勢下白銀近地面無明顯的風(fēng)場輻合輻散，空氣污染程度相同時(shí)蘭州無明顯風(fēng)場輻合輻散，而污染程度存在差異時(shí)蘭州近地面存在風(fēng)場輻合。

圖5 WRF模式模擬的2016年2月20日（a）、2016年12月21日（b）、2016年11月18日（c）和2017年1月4日（d）20：00蘭州、白銀及附近10 m風(fēng)場（箭頭，單位：m·s－1）及散度場（陰影，單位：s－1）Fig.5 The 10 m wind field（arrows，Unit：m·s－1）and divergence field（shadows，Unit：s－1）simulated by WRF model at Lanzhou and Baiyin stations and surrounding at 20：00 BST on 20 February 2016（a），21 December 2016（b），18 November 2016（c）and 4 January 2017（d）

綜上所述，蘭州發(fā)生重度及以上空氣污染時(shí)，兩類天氣形勢下白銀近地面風(fēng)速均大于蘭州，污染物擴(kuò)散條件更好，且白銀及附近以北風(fēng)和東北風(fēng)為主，將污染物輸送至下游蘭州近地面，并與蘭州本地污染物疊加，造成蘭州空氣污染加重。

白銀地處較為開闊的盆地，而蘭州則處于東西狹長的河谷地帶，且蘭州南部山體明顯高于白銀盆地周圍山體，南北氣流經(jīng)過山體時(shí)易形成山谷風(fēng)環(huán)流，故而蘭州的山谷風(fēng)環(huán)流比白銀更加顯著。圖6是過蘭州站（103.82°E，36.05°N）和白銀站（104.17°E，36.54°N）的風(fēng)場和溫度場經(jīng)向垂直剖面。可以看出，2016年2月20日20：00［圖6（a）和圖6（b）］，蘭州、白銀兩地高空均盛行北風(fēng)且風(fēng)速較大，低空盛行南風(fēng)且風(fēng)速較小，高低空風(fēng)相互作用在周圍山體高度附近形成弱風(fēng)層，蘭州夜間山頂輻射冷卻，氣流沿著山坡下滑形成下坡風(fēng)，并在河谷中形成地面弱輻合流場，不利于空氣污染物的擴(kuò)散，而白銀盆地周圍山頂上空存在下沉氣流，氣流沿著盆地南北兩側(cè)山坡下滑，到達(dá)盆地地表時(shí)風(fēng)速減弱，不利于空氣污染物的擴(kuò)散。2016年 12月 21日 20：00［圖6（c）和圖6（d）］，蘭州、白銀兩地高空北風(fēng)風(fēng)速較2016年2月20日均有所減小，整層大氣水平擴(kuò)散能力均較弱，白銀近地面風(fēng)速大于其上空，不利于穩(wěn)定層結(jié)的形成和維持，而城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致蘭州夜間垂直運(yùn)動(dòng)較2016年2月20日更加顯著，有利于空氣污染物向高空擴(kuò)散，故而蘭州、白銀兩地污染程度比2016年2月20日輕。2016年11月18日20：00［圖6（e）和圖6（f）］，蘭州、白銀兩地整層大氣垂直運(yùn)動(dòng)顯著，蘭州南北側(cè)山體上空均存在較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)，山谷風(fēng)環(huán)流加強(qiáng)，使得空氣污染物往返積累，造成嚴(yán)重污染，而白銀盆地北側(cè)下坡風(fēng)非常明顯，近地面存在逆溫層，暖空氣自高空向盆地下沉，使得大氣更加穩(wěn)定，不利于空氣污染物擴(kuò)散。2017年1月4日20：00［圖6（g）和圖6（h）］，蘭州高空盛行北風(fēng)且風(fēng)速較大，氣流遇到南岸山體阻擋后沿著山坡下滑，在河谷形成地面輻合，不利于污染物擴(kuò)散，而白銀在盆地周圍山體高度附近風(fēng)速較大，較蘭州的水平擴(kuò)散能力強(qiáng)，有利于城市上空污染物濃度降低，其污染程度輕于蘭州。另外，蘭州夜間山坡附近的冷空氣因輻射冷卻向山谷下沉，暖空氣被擠上浮于冷空氣之上，形成谷地逆溫，不利于污染物擴(kuò)散，因此蘭州污染程度往往比白銀更為嚴(yán)重?？梢姡奂剐蜁r(shí)，蘭州河谷南岸山體夜間下坡風(fēng)較弱，對(duì)應(yīng)的山谷風(fēng)環(huán)流較弱，而白銀盆地氣流爬坡和下沉都不明顯；西風(fēng)型時(shí)，蘭州河谷兩岸山體夜間下坡風(fēng)強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的山谷風(fēng)環(huán)流較強(qiáng)，而白銀盆地氣流爬坡和下沉明顯。

近地面有逆溫層時(shí)，大氣層結(jié)穩(wěn)定，對(duì)空氣污染物的稀釋擴(kuò)散能力減弱，往往造成近地面空氣污染嚴(yán)重。2016年2月20日08：00［圖7（a）］，蘭州近地面逆溫層厚度約500 m，不利于垂直方向的湍流擴(kuò)散，容易造成污染物累積，而白銀近地面逆溫層厚度約700 m，逆溫梯度小于蘭州；20：00［圖7（e）］，蘭州上空無逆溫層存在，而白銀離地500 m處存在厚度約500 m的弱逆溫層，且該逆溫層已超出盆地周圍山體高度，對(duì)污染物的累積作用不大。2016年12月21日 08：00［圖7（b）］和 20：00［圖7（f）］，蘭州、白銀兩地上空均無逆溫層和中性穩(wěn)定層結(jié)存在，大氣的層結(jié)穩(wěn)定度低，有利于空氣污染物的擴(kuò)散，其污染程度比2016年2月20日偏輕。2016年11月18日08：00［圖7（c）］，蘭州、白銀兩地均存在500 m厚的近地面逆溫層，且白銀逆溫梯度小于蘭州；20：00［圖7（g）］，蘭州近地面逆溫層消失，整層大氣溫度遞減，而白銀仍存在約200 m厚的中性穩(wěn)定層結(jié)。2017年1月4日08：00［圖7（d）］，蘭州、白銀兩地也存在厚度約500 m的近地面逆溫層，且白銀逆溫梯度小于蘭州；20：00［圖7（h）］，兩地上空均無逆溫層和中性穩(wěn)定層結(jié)，與2016年11月18日相比，白銀上空層結(jié)穩(wěn)定度低，垂直方向湍流擴(kuò)散較強(qiáng)，其污染程度較輕。

圖6 WRF模式模擬的2016年 2月20日（a、b）、12月21日（c、d）、11月18日（e、f）和2017年1月4日（g、h）20：00沿蘭州站（a、c、e、g）和白銀站（b、d、f、h）的風(fēng)場（箭頭，單位：m·s－1）及溫度場（彩色陰影，單位：℃）經(jīng)向垂直剖面（黑色陰影為地形高度）Fig.6 The meridional vertical sections of wind field（arrows，Unit：m·s－1）and temperature field（colored shadows，Unit：℃）simulated by WRF model along Lanzhou（a，c，e，g）and Baiyin（b，d，f，h）stations at 20：00 BST on 20 February 2016（a，b），21 December 2016（c，d），18 November 2016（e，f）and 4 January 2017（g，h）（the black shadow for terrain height）

圖7 2016年2月20日（a、e）、12月21日（b、f）、11月18日（c、g）和2017年1月4日（d、h）08：00（a、b、c、d）和 20：00（e、f、g、h）蘭州和白銀站 WRF模式模擬的溫度垂直廓線Fig.7 Vertical profile of temperature simulated by WRF model at Lanzhou and Baiyin stations at 08：00 BST（a，b，c，d）and 20：00 BST（e，f，g，h）on 20 February 2016（a，e），21 December 2016（b，f），18 November 2016（c，g）and 4 January 2017（d，h）

綜上所述，槽脊型，空氣污染程度相同時(shí)，白天蘭州逆溫梯度大于白銀，夜間白銀上空逆溫層超出盆地周圍山體高度，對(duì)污染物的累積作用不大；空氣污染程度存在差異時(shí)，白天和夜間蘭州、白銀兩地整層大氣均無逆溫層存在，有利于污染物擴(kuò)散，其污染程度較輕。西風(fēng)型，空氣污染程度相同時(shí)，蘭州、白銀兩地白天均存在近地面逆溫層，而夜間蘭州逆溫層消失，白銀逆溫層厚度減小轉(zhuǎn)變?yōu)橹行苑€(wěn)定層結(jié)；污染程度存在差異時(shí)，白天蘭州逆溫梯度大于白銀，兩地逆溫層厚度相近，而夜間兩地整層大氣均無逆溫層存在。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，西風(fēng)型兩地白天均存在逆溫，其逆溫梯度大于槽脊型。

從圖8看出，2016年2月20日，蘭州、白銀兩地午后近地面均存在下沉氣流，且白銀較蘭州下沉運(yùn)動(dòng)更為顯著，不利于污染物的垂直擴(kuò)散；2016年12月21日，由于城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致蘭州城區(qū)上空午后上升運(yùn)動(dòng)顯著，夜間近地面存在弱的下沉氣流，而白銀上午近地面上升氣流顯著，有利于垂直方向的湍流擴(kuò)散，午后近地面存在弱的下沉氣流，夜間高低空均無明顯的垂直運(yùn)動(dòng)，比蘭州更有利于污染物的擴(kuò)散；2016年11月18日，蘭州午后近地面存在較強(qiáng)的上升氣流，城市熱島效應(yīng)顯著，夜間山風(fēng)導(dǎo)致近地面存在上升氣流，而白銀午后以下沉氣流為主，夜間低空多為下沉氣流、高空多為上升氣流，下沉氣流抑制了污染物的垂直擴(kuò)散，使其滯留在盆地內(nèi)；2017年1月4日，白天蘭州近地面以下沉氣流為主，白銀近地面以上升氣流為主，白銀更有利于污染物的垂直擴(kuò)散。

上述分析可見，槽脊型，空氣污染程度相同時(shí)蘭州、白銀兩地近地面均以下沉氣流為主，而污染程度存在差異時(shí)蘭州夜間近地面有下沉氣流，白銀夜間無明顯垂直運(yùn)動(dòng)。西風(fēng)型，空氣污染程度相同時(shí)夜間山風(fēng)導(dǎo)致蘭州城區(qū)上空上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，山谷風(fēng)使得污染物往返累積，而夜間白銀低空下沉氣流抑制了污染物的垂直擴(kuò)散；污染程度存在差異時(shí)，蘭州白天以下沉氣流為主，夜間無明顯垂直運(yùn)動(dòng)，而白銀全天近地面均以上升氣流為主，有利于污染物擴(kuò)散。

圖8 2016年2月20日（a、b）、12月21日（c、d）、11月18日（e、f）和2017年1月4日（g、h）08：00—24：00蘭州站（a、c、e、g）和白銀站（b、d、f、h）模擬的風(fēng)場 w分量（單位：m·s－1）Fig.8 The w component of wind field simulated by WRF model at Lanzhou（a，c，e，g）and Baiyin（b，d，f，h）stations from 08：00 BST to 24：00 BST on 20 February 2016（a，b），21 December 2016（c，d），18 November 2016（e，f）and 4 January 2017（g，h）（Unit：m·s－1）

大氣邊界層高度決定了空氣污染物垂直混合的范圍，直接關(guān)系到區(qū)域內(nèi)污染物擴(kuò)散范圍和濃度分布［26］。槽脊型，2016年 2月 20日 08：00—24：00［圖9（a）］，蘭州邊界層高度均值小于白銀，尤其午后偏低更為明顯。在相同的環(huán)流背景下，2016年12月21日08：00—24：00［圖9（b）］，蘭州邊界層高度均值也小于白銀，擴(kuò)散條件較白銀差，且兩地邊界層高度均值之差大于污染程度相同的2016年2月20日。西風(fēng)型，2016年11月18日08：00—24：00［圖9（c）］，蘭州、白銀邊界層高度的均值接近，白銀略高出15 m，但由于蘭州城市熱島效應(yīng)加強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致垂直方向混合增強(qiáng)，使其夜間邊界層高度較白銀高；2017年1月4日08：00—24：00［圖9（d）］，蘭州邊界層高度的均值與白銀相差16 m，略高于2016年11月18日。

以上分析可見，槽脊型，蘭州、白銀兩地污染程度存在差異時(shí)的08：00—24：00邊界層高度均值之差較污染程度相同時(shí)增大約100 m，蘭州垂直擴(kuò)散條件比白銀差；西風(fēng)型，污染程度相同和存在差異時(shí)08：00—24：00兩地邊界層高度均值之差相近，且兩地邊界層高度均值均小于槽脊型。上述兩類天氣形勢下蘭州出現(xiàn)重度及以上空氣污染時(shí)，其他個(gè)例也表現(xiàn)出蘭州邊界層高度08：00—24：00的均值小于或接近于白銀，高度越低污染物的擴(kuò)散能力越弱，因此蘭州上空的污染程度通常比白銀更加嚴(yán)重。

圖9 蘭州和白銀2016年2月20日（a）、12月21日（b）、11月18日（c）和2017年1月4日（d）08：00—24：00模擬的邊界層高度Fig.9 The height of boundary layer simulated by WRF model in Lanzhou and Baiyin from 08：00 BST to 24：00 BST on 20 February 2016（a），21 December 2016（b），18 November 2016（c）and 4 January 2017（d）

3 結(jié) 論

（1）蘭州出現(xiàn)重度及以上空氣污染的天氣形勢主要為槽脊型和西風(fēng)型。槽脊型天氣形勢下，受槽后西北氣流影響，蘭州、白銀兩地位于弱切變線附近，與700 hPa暖平流配合，易形成上暖下冷的穩(wěn)定層結(jié)，使得污染物不易擴(kuò)散；西風(fēng)型天氣形勢下，受西風(fēng)影響，蘭州、白銀兩地位于冷高壓南部，在南下的冷空氣影響下地表溫度急劇下降，降溫幅度比700 hPa弱冷平流引起的降溫更加顯著，容易形成近地面逆溫層。

（2）通過21個(gè)個(gè)例的數(shù)值模擬分析表明，蘭州近地面風(fēng)速通常小于白銀，空氣污染物擴(kuò)散條件相對(duì)較差，且蘭州南側(cè)山體高度明顯高于白銀盆地周圍山體，故而蘭州山谷風(fēng)作用比白銀更加顯著，夜間更易形成河谷逆溫，且逆溫梯度大于白銀，不利于污染物擴(kuò)散。另外，污染日蘭州邊界層高度小于或接近白銀，高度越低污染物擴(kuò)散能力越弱，這是蘭州污染程度高于白銀的一個(gè)重要原因。

（3）槽脊型，山谷風(fēng)環(huán)流較弱，兩地空氣污染程度相同時(shí)，蘭州近地面風(fēng)場輻合，午后近地面存在弱的下沉運(yùn)動(dòng)，而白銀無明顯的風(fēng)場輻合輻散，午后近地面下沉運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)；兩地污染程度存在差異時(shí)，蘭州近地面風(fēng)場輻合，夜間近地面存在弱的下沉運(yùn)動(dòng)，而白銀近地面風(fēng)場輻散，夜間無明顯垂直運(yùn)動(dòng)。

（4）西風(fēng)型，山谷風(fēng)環(huán)流較強(qiáng)，蘭州和白銀污染程度相同時(shí)，兩地均無明顯的風(fēng)場輻合輻散，但夜間蘭州近地面有下沉運(yùn)動(dòng)，而白銀夜間無明顯垂直運(yùn)動(dòng)；兩地空氣污染程度存在差異時(shí)，蘭州近地面風(fēng)場輻合，白天以下沉氣流為主，夜間無明顯垂直運(yùn)動(dòng)，而白銀無明顯風(fēng)場輻合輻散，白天和夜間近地面均以上升氣流為主。