四川盆地一次持續(xù)性霧霾天氣演變特征及其成因

卿清濤，劉 佳，李小蘭，羅 玉，郭海燕，甘薇薇，孫 彧

(1.四川省氣候中心，四川 成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點研究室，四川 成都 610072；3.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，四川 成都 610072)

引 言

霧霾為霧和霾的統(tǒng)稱。霧或霾天氣出現(xiàn)時，邊界層中低層的逆溫使得各種細顆粒物聚集在近地層難以向外輸出，致使能見度低下、污染物質量濃度升高及空氣質量不佳，因此通常將霧、霾并入一起作為災害性天氣預警預報，統(tǒng)稱為“霧霾天氣”[1-2]。大量排放源排放出的氣溶膠是城市霧霾天氣形成的主因[3]，這些排放源有燃煤源、工業(yè)污染源、汽車尾氣和城市揚塵等[2]。

霧霾中的主要污染物成分各地不盡相同，硫酸鹽是美國霧霾天氣的主要污染物[4]，而北京灰霾天氣主要主要成分為硫酸銨、硝酸銨以及硝酸鈣等，上述成分對人體健康有害[5]，持續(xù)時間較長的霧霾天氣過程對敏感人群的健康影響更大，同時霧霾天氣伴隨的低能見度限制了交通運輸?shù)恼ｉ_展。研究典型霧霾天氣過程發(fā)生的氣象條件，可以提高霧霾天氣預測的準確性，并在污染天氣來臨之前采取減排措施，降低霧霾天氣過程的污染物濃度，減輕其不利影響。

我國霧霾污染呈現(xiàn)東高西低、北高南低的分布特征[6]。霧霾污染的區(qū)域性特征顯著，以京津冀、長三角地區(qū)為核心逐漸向周邊城市擴散蔓延，且集中連片爆發(fā)[7]。同時霧霾天氣的發(fā)生具有很強的季節(jié)性特征，秋冬季節(jié)正是我國霧霾污染天氣的多發(fā)期[8]。近30 a來中國東部和西南部霧霾天氣發(fā)生頻率呈上升趨勢[9]，進入21世紀，一方面由于中國經(jīng)濟飛速發(fā)展，石化燃料消耗量增加，伴隨各種污染物排放量上升，霧霾天氣日數(shù)增多，且持續(xù)時間增長、影響范圍更廣[10-12]。2013年1月華北地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)時間長、影響范圍廣的霧霾天氣過程，引起廣泛關注，研究表明地面弱的氣壓場、較小的風速、較大的相對濕度、邊界層逆溫和PM2.5質量濃度的上升是持續(xù)性霧霾天氣過程形成和發(fā)展的有利條件，硝酸鹽是此次華北地區(qū)霧霾過程氣溶膠的主要貢獻者[13-14]。

四川盆地區(qū)域人口密集，經(jīng)濟發(fā)達，污染物排放量大[15]，是全國霧霾天氣的頻發(fā)區(qū)域之一[16-17]，其中盆地中部和東部地區(qū)是霧霾高發(fā)區(qū)[18]。四川盆地地形特殊，主要由盆地周邊山地、盆中丘陵及盆內平原組成，與盆地四周接壤的高原、高山形成自然阻隔，致使盆地內外低層大氣難以交換，易出現(xiàn)靜穩(wěn)天氣，具備霧霾形成的氣象條件。另外，盆地秋冬季節(jié)大氣層結穩(wěn)定，高濕度、低風速以及逆溫等氣候條件共同作用致使大氣擴散和輸送能力較弱，易形成持續(xù)性霧霾天氣過程[19]。

2014年12月至2015年1月四川盆地區(qū)域出現(xiàn)持續(xù)40 d的嚴重霧霾天氣，對人們的生活以及社會經(jīng)濟造成重大影響。本文通過單站及區(qū)域霧霾過程的判識，結合污染物質量濃度變化，分析此次過程的氣象條件，以揭示持續(xù)性霧霾天氣過程的階段性特征及其影響因子，旨在為持續(xù)性霧霾天氣的預測預警提供技術支撐。

1 資料與方法

1.1 資 料

所用資料為：(1)國家氣象信息中心全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)提供的四川盆地103個國家氣象站(扣除峨眉山氣象站)地面觀測日值數(shù)據(jù)，包括氣溫、降水、相對濕度、風速、能見度、日照等；(2)大氣污染數(shù)據(jù)來自四川省環(huán)境監(jiān)測總站逐日資料，包括空氣質量指數(shù)(air quality index, AQI)及SO2、NO2、PM10、PM2.5等污染物質量濃度；(3)NCEP/NCAR日平均大氣再分析資料，包括500 hPa位勢高度、海平面氣壓場、850 hPa平均風、垂直速度、溫度以及相對濕度，時間范圍為2014年12月19日至2015年1月27日，水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直分辨率為17層；(4)邊界層高度、對流有效位能CAPE為ERA5再分析資料的小時平均數(shù)據(jù)，空間分辨率0.25°×0.25°，區(qū)域范圍為105°E—108°E、28°N—33°N。文中附圖涉及的地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2017)3320的標準地圖制作，底圖無修改。

1.2 方 法

1.2.1 單站霧霾日和區(qū)域霧霾過程確定

一直以來，霧日判識標準比較統(tǒng)一，但霾的判識缺乏統(tǒng)一標準， 2003年中國氣象局發(fā)布了霾的觀測標準[20]，但由于輕霧和霾的能見度判別閾值相同，兩者的判識受地面氣象觀測員主觀影響較大，所以霾和輕霧日的統(tǒng)計存在差異，難以反映出真實狀況[21-23]。2010年初中國氣象局發(fā)布了統(tǒng)計霾日的新標準《霾的觀測和預報等級》[24]，全國統(tǒng)一以相對濕度80%作為輔助標準，相對濕度為80%～95%時按照氣象觀測規(guī)范或大氣成分進一步判識。由于目前四川大部分觀測臺站缺乏大氣成分觀測資料，根據(jù)該標準記錄霾日時出現(xiàn)爭議。為了使霾日的統(tǒng)計結果更客觀，孫彧等[25]、劉佳等[17]對比了多種霾的判識方法，認為表1所列的判識條件能體現(xiàn)四川霧霾日的分布特征，符合氣候區(qū)劃特點，因此本文將基于此方法進行霧霾日的判識。

表1 霧霾日判別條件

區(qū)域霧霾過程定義參考肖鶯等[26]關于湖北省霧霾過程的判識方法，四川盆地連續(xù)5 d有20%(21個)以上站點出現(xiàn)霧或霾，則認為出現(xiàn)了區(qū)域霧霾過程；超過5 d的過程中，如果有1 d霧霾站點數(shù)大于10%且小于20%，且后面霧霾站點數(shù)又超過20%，則判定為同一次過程，否則判定為兩次過程。

1.2.2 污染指數(shù)

污染指數(shù)公式如下：

Pij=Cij/Sj

(1)

式中：Cij為第i個城市第j種污染物日平均質量濃度；Sj為第j種污染物質量濃度標準值。如果Pij>1則表示第i個城市第j種污染物超標。

2 霧霾過程概述

2014年12月19日至2015年1月27日四川盆地出現(xiàn)長達40 d的霧霾過程，除2015年1月6日和8日霧霾站點數(shù)少于20%外，其余時間霧霾站點數(shù)都超過20%。其中2015年1月3日91站出現(xiàn)霧霾，有21站霧霾連續(xù)出現(xiàn)日數(shù)在10 d以上，9站在15 d以上，廣安連續(xù)日數(shù)最多(20 d)。有20站霧霾累計出現(xiàn)日數(shù)在30 d及以上，5站在35 d以上，其中廣安霧霾累計出現(xiàn)日數(shù)最多，達37 d；整個過程只有雅安的石棉和滎經(jīng)兩縣未出現(xiàn)霧霾天氣。

霧霾累計出現(xiàn)日數(shù)超過30 d的區(qū)域主要集中在盆地東北部的廣安市和達州市，盆地中、南部的內江市、自貢市和瀘州市，另外成都和遂寧等市的局部區(qū)域霧霾累計出現(xiàn)日數(shù)也在30 d以上(圖1)。

圖1 2014年12月19日至2015年1月27日四川盆地霧霾累計出現(xiàn)日數(shù)空間分布(單位：d)

3 霧霾過程AQI和污染物質量濃度變化

3.1 AQI變化及霧霾過程定義的合理性

本次過程霧霾累計出現(xiàn)日數(shù)最多的區(qū)域為廣安、達州、瀘州、自貢、內江等市，以及成都、遂寧等市的局部區(qū)域，其中廣安、達州、內江和遂寧2014年12月沒有污染資料或缺測嚴重，因此選取成都、自貢、宜賓、瀘州和南充5市AQI、SO2、NO2、PM10和PM2.5資料，研究AQI和污染質物量濃度的變化與霧霾天氣的關系。為驗證單站霧霾識別條件和區(qū)域霧霾判定方法，資料序列長度在本次霧霾過程的開始前和結束后各增加3 d，即2014年12月16日至2015年1月30日。

圖2為2014年12月16日至2015年1月27日5市不同等級AQI日數(shù)分布?？梢钥闯?， 5市AQI≥100的日數(shù)為36～38 d，AQI≥150的日數(shù)為22～33 d，其中宜賓、南充分別為22和23 d，自貢最多為33 d；AQI≥200的日數(shù)為7～21 d，南充最少(7 d)，自貢最多達21 d；AQI≥300的只有瀘州站(2 d)，AQI最大為304。

圖2 2014年12月16日至2015年1月30日5市不同等級AQI日數(shù)分布

圖3為2014年12月16日至2015年1月30日5市AQI逐日變化。可以看出，整個霧霾過程除2015年1月6日和8日外，AQI均大于100，1月28日AQI迅速下降至50以下，四川盆地接近40 d的霧霾過程結束。此次霧霾過程AQI絕大多數(shù)都在100(輕度污染)以上，部分超過150(中等程度污染)，少部分超過200(重度污染)，說明本文單站霧霾識別和區(qū)域霧霾過程判識條件是合理的。

圖3 2014年12月16日至2015年1月30日5市AQI逐日變化

3.2 霧霾天氣主要污染物質量濃度變化

圖4為本次霧霾過程中SO2、NO2、PM10和PM2.5的日均質量濃度變化。可以看出，SO2日均質量濃度均沒有超過二級標準，其中成都、自貢、瀘州、宜賓和南充市SO2日均質量濃度分別為8～62、14～73、20～78、19～48、11～43 μg·m-3；最大值78 μg·m-3出現(xiàn)在瀘州，約為標準值的52%，最小值出現(xiàn)在成都(8 μg·m-3)，約為標準值的5%。

圖4 2014年12月16日至2015年1月30日5市SO2(a)、NO2(b)、PM10(c)和PM2.5(d)日均質量濃度變化

除成都市外，其余4市NO2日均質量濃度均沒有超過二級標準。其中成都NO2日均質量濃度為46～96 μg·m-3，超標4 d；自貢、瀘州、宜賓及南充市NO2日均質量濃度分別為24～46、29～61、34～61及22～59 μg·m-3。本次過程成都市NO2日均質量濃度較高，與成都市汽車保有量有一定關系。

與SO2和NO2不同，PM10和PM2.5日均質量濃度超標日數(shù)明顯增多。成都市PM10和PM2.5日均質量濃度為83～222和51～206 μg·m-3，分別超標33和37 d；自貢市二者日均質量濃度為83～298和57～244 μg·m-3，分別超標34和37 d；瀘州、宜賓及南充市PM10和PM2.5分別超標26、25、28 d及和35、34、36 d。PM10和PM2.5日均質量濃度最大值均出現(xiàn)在瀘州市，分別為316 和253 μg·m-3，超標111%和237%；PM10和PM2.5日均質量濃度最小值分別出現(xiàn)在南充和宜賓市，為64和44 μg·m-3，約為標準值的42%和59%。

PM2.5和PM10日均質量濃度超標嚴重，且與AQI變化趨勢幾乎一致，其中PM2.5超標天數(shù)更多，超標程度更嚴重，表明這兩種污染物為霧霾過程的主要成分，且PM2.5排在第一位。SO2和NO2日均質量濃度的變化趨勢與AQI雖有差距，但過程結束時其質量濃度銳減，說明霧霾天氣與污染物集聚有相關性。進一步驗證單站霧霾和區(qū)域霧霾過程的判識條件是合理的。

為進一步說明本次霧霾過程的主要污染物，統(tǒng)計各污染物的污染指數(shù)見表2。5個城市污染指數(shù)最小、最大及平均值和超標日數(shù)百分率均為PM2.5>PM10>NO2>SO2，且PM10和PM2.5污染指數(shù)平均值都大于1，即污染物日均質量濃度超出二級標準；PM10和PM2.5污染指數(shù)平均值極值分別出現(xiàn)在成都(1.38)和自貢(2.02)，最大值分別出現(xiàn)在成都(2.18)和瀘州(3.37)。SO2日均質量濃度5市均沒有超標，除成都外其他4市NO2也沒有超標，成都市NO2污染指數(shù)最大值為1.20，平均值為0.81，超標日數(shù)百分率為10%。進一步表明本次過程的主要污染物為PM2.5，其次為PM10。

表2 霧霾過程污染物污染指數(shù)統(tǒng)計

4 霧霾過程環(huán)流形勢和氣象條件分析

4.1 環(huán)流形勢

圖5為2014年12月16日至2015年1月27日500 hPa平均位勢高度場、平均海平面氣壓場以及850 hPa平均風場。

圖5 2014年12月16—27日(a、b、c)、2015年1月1—5日(d、e、f)、9—21日(g、h、i)和26—30日(j、k、l)500 hPa平均位勢高度場(a、d、g、j)(單位：gpm)、平均海平面氣壓場(b、e、h、k)(單位：hPa)及850 hPa平均風場(c、f、i、l)(單位：m·s-1)

2014年12月16—27日，500 hPa平均位勢高度場上，烏拉爾山高壓脊偏強，東亞大槽偏弱。中低緯南支槽平淺，西太平洋副熱帶高壓(簡稱 “副高”)偏弱偏南，西南偏西風主要位于長江下游偏南地區(qū)，四川大部區(qū)域降水較少，不利于污染物擴散。海平面氣壓場上，地面冷高壓位于西北到華中區(qū)域，四川位于冷高壓底部。850 hPa風場上，四川為偏北風，且風速較小。綜上所述，高空平直環(huán)流和地面均壓場形勢均有利于霧霾的發(fā)生發(fā)展。

2015年1月1—5日，500 hPa平均位勢高度場上，孟加拉灣南支槽偏強，副高偏強偏北，四川受副高影響降水較少，受南支槽東移影響，濕潤的西南偏西風會使大氣中污染物沉降。海平面氣壓場上，地面冷高壓位于西北到華南區(qū)域，四川位于冷高壓后部的均壓場中，天氣系統(tǒng)較弱，不利于霧霾的擴散。850 hPa平均風場上，四川大部分區(qū)域受偏南風影響，風速小于2 m·s-1，大氣層結穩(wěn)定，利于霧霾的形成。

2015年1月9—21日，500 hPa平均位勢高度場上，烏拉爾山高壓脊偏強，南支槽偏弱，副高偏弱偏東，西風帶主槽位于華北區(qū)域，勢力弱，四川位于西風帶主槽邊緣，環(huán)流平直。平均海平面氣壓場上，地面冷高壓位于青藏高原到華東區(qū)域，四川受冷高壓控制。850 hPa平均風速場上，四川位于偏北風區(qū)域，但風速較小，大部分區(qū)域小于2 m·s-1。高空平直環(huán)流和地面均壓場形勢均有利于霧霾的發(fā)生發(fā)展。

2015年1月26—29日，500 hPa平均位勢高度場上，烏拉爾山高壓脊偏弱，東亞大槽偏強偏東，中低緯南支槽偏深偏東，副高偏弱偏北，四川位于南支槽前，西南風帶來濕潤水汽使四川大部區(qū)域降水較多，利于污染物擴散。平均海平面氣壓場上，地面冷高壓位于西北到華南區(qū)域，四川位于冷高壓后部；850 hPa平均風場上，四川大部位于偏南風區(qū)域，冷空氣勢力較弱，暖濕氣流強盛，后期偏南風增強，促進污染物濕沉降，利于霧霾消散。

4.2 氣象條件

4.2.1 地面氣象要素

表3列出霧霾過程地面氣象要素距平值?？梢钥闯?，此次霧霾過程四川盆地平均氣溫較基準值平均偏高1.24 ℃，降水偏少約34.77%，日照時數(shù)增加10.33 h，平均相對濕度偏低2.67%，風速與多年平均基本持平。霧霾累計日數(shù)不同，上述各要素值略有變化，但大小與累計日數(shù)多少無明顯相關。

表3 霧霾過程地面氣象要素距平

4.2.2 溫度

圖6為2015年1月1日至2月4日沿107°E的500 hPa溫度時間-緯度剖面?？梢钥闯觯?2015年1月1—5日暖空氣較強，5—12日有冷空氣南下，而13日以后暖氣團再次增強，19—21日有一股較強冷空氣再次南下，之后到29日該區(qū)域均處在暖氣團控制下，直到30日冷空氣再次入侵。對應整個霧霾過程而言，穩(wěn)定的高空溫度為霧霾天氣的持續(xù)提供了大的環(huán)流背景，而末期的冷空氣入侵加速了霧霾的消散。

圖6 2015年1月1日至2月4日沿107°E的500 hPa溫度時間-緯度剖面(單位：℃)

4.2.3 溫度平流

為進一步分析溫度變化對霧霾過程的影響，對2014年12月19日、2015年1月6日、9日、28日溫度平流沿107°E的緯度-高度剖面(圖略)進行分析發(fā)現(xiàn)，2014年12月19日，28°N—36°N區(qū)域地面到700 hPa為弱暖平流，中高層為弱冷平流，上下層整體為相對穩(wěn)定狀態(tài)；2015年1月6日，35°N以南區(qū)域，近地面存在冷平流，35°N以北高層出現(xiàn)暖平流，該冷暖平流結構利于近地面形成逆溫層結； 1月9日，近地面存在暖平流，中高層出現(xiàn)冷平流，該冷暖平流結構利于霧霾擴散；1月28日與1月6日較類似，近地面存在冷平流，中高層為暖平流，該逆溫層結構不利于霧霾擴散，對應1月28日AQI值最大。

4.2.4 垂直速度和相對濕度

圖7為2015年1月1日至2月6日區(qū)域平均垂直速度和相對濕度的時間-高度剖面?？梢钥闯?，1月1—4日850 hPa以上存在下沉運動，而5日上升運動顯著，利于霧霾消散。1月9—27日，除16日800 hPa以下垂直速度基本為負值外，其余時段800 hPa以上垂直速度是正值，存在下沉運動，速度大于10×10-2Pa·s-1。27日以后，受冷空氣影響，近地面有較明顯上升運動，上升速度大于-5×10-2Pa·s-1，并持續(xù)至2月1日，利于霧霾的垂直擴散。1月1—17日，近地面相對濕度較高，超過70%，其中8—9日超過80%。1月30—31日也出現(xiàn)類似情況，同時AQI值減小。

圖7 2015年1月1日至2月6日區(qū)域(25°N—35°N、100°E—108°E)平均垂直速度(等值線，單位：10-2 Pa·s-1)和相對濕度(陰影，單位：%)的時間-高度剖面

4.2.5 邊界層高度及CAPE

圖8為2014年12月16日至2015年1月30日四川盆地邊界層高度、對流層有效位能及AQI變化?？梢钥闯?，2014年12月16—27日，邊界層高度逐日下降，并在2015年1月1日達最低值(181.2 m)；CAPE值較小，對流活動潛勢變弱，大氣層結轉向穩(wěn)定狀態(tài)，污染物質量濃度逐漸在近地面積累，對應的AQI逐日增大，1月3日達最大，盆地污染加重； 1月5日邊界層高度最高(540.0 m)，對應CAPE值也達到了7.0 J·kg-1，此時AQI迅速減小，6日AQI為最小(70.6)；9—21日邊界層高度持續(xù)降低并保持低值(小于300 m)，并在24日為最低值(190 m)，對應同期CAPE值在1月15日波動增加后又迅速減小，表明對流潛勢減弱，AQI相應呈現(xiàn)波動增加，污染逐日加重；1月26—30日邊界層高度迅速增高，其中26日CAPE迅速增大并達到最大值(11.9 J·Kg-1)。雖然CAPE對污染物的擴散具有一定的貢獻作用，但冬季CAPE明顯偏小，對污染物質量濃度的影響不如邊界層高度顯著，本次霧霾的大范圍累積與四川盆地區(qū)域平均邊界層高度的演變具有明顯的關聯(lián)，較低的邊界層高度加之盆地周圍不利于污染物擴散的高山地形，使本次霧霾過程持續(xù)。

圖8 2014年12月16日至2015年1月30日四川盆地(105°E—108°E、28°N—33°N)平均邊界層高度、CAPE及AQI變化

5 結 論

(1)此次霧霾天氣過程表現(xiàn)出強度強、持續(xù)時間長、發(fā)生范圍廣的顯著特點。其中2015年1月3日91站出現(xiàn)霧霾，占盆地總站數(shù)的90%；有21站霧霾連續(xù)出現(xiàn)日數(shù)在10 d以上，9站在15 d以上。過程霧霾累計日數(shù)超過30 d的區(qū)域主要集中在盆地東北部的廣安和達州市，以及盆地中、南部的內江市南部、自貢南部和瀘州北部，另外成都和遂寧等市的局部區(qū)域累計霧霾日數(shù)也在30 d以上。

(2)本次過程AQI變化與本文定義的霧霾過程高度一致，驗證了單站霧霾識別和區(qū)域霧霾過程判識條件是合理的，過程期間，污染物監(jiān)測點AQI超過100，最大為304，出現(xiàn)在瀘州；過程的主要污染物為PM2.5，其次是PM10。

(3)霧霾天氣過程的強弱與天氣形勢、邊界層垂直結構密切相關。與歷史同期相比，這次超長霧霾過程盆地區(qū)平均氣溫偏高1.24 ℃，降水偏少34.77%，日照偏多10.33 h，相對濕度偏低2.67%，風速基本持平略偏大。霧霾區(qū)域的擴展與盆地地區(qū)邊界層高度的演變有明顯的關聯(lián)，較低的邊界層高度加之盆地周圍不利于污染物擴散的高山地形，使本次霧霾過程持續(xù)維持。

(4)此次霧霾過程發(fā)生(消散)階段，500 hPa中高緯度以緯向(經(jīng)向)環(huán)流為主，烏拉爾山高壓偏強(弱)，東亞大槽偏弱(強)偏南(東)，副高偏東(偏北)，四川位于西風帶主槽邊緣(西風帶槽前偏強區(qū))，降水偏少(多)；同時四川位于偏北(南)風區(qū)域，且風速較小(較大)，中高緯冷空氣的入侵減弱(增強)；霧霾持續(xù)階段，孟加拉灣南支槽偏強，鋒區(qū)主要位于25°N以南，副高偏強偏北，四川位于冷高壓脊后部，天氣系統(tǒng)較弱，大氣層結穩(wěn)定，降水較少，利于霧霾形成；但在后期受南支槽東移影響，濕潤的西南偏西風會使大氣中污染物沉降。