何慧根 唐紅玉 李永華 吳 遙 劉 博

1 重慶市氣候中心,重慶 401147

2 中國人民解放軍78092部隊,成都 610036

提 要： 采用重慶市生態(tài)環(huán)境局2014—2018年主城區(qū)空氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)、沙坪壩氣象站觀測數(shù)據(jù)、美國NCEP再分析數(shù)據(jù)和美國懷俄明大學(xué)的探空數(shù)據(jù)，分析了重慶主城區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)、主要污染物濃度、不同程度污染日數(shù)和首要污染物的月、季、年變化特征。探討了不同污染程度日500 hPa高度場和850 hPa風(fēng)場特征，分析了重污染時段垂直速度和探空條件。結(jié)果表明，重慶主城區(qū)AQI月變化呈“W”型，PM2.5、PM10和CO呈“U”型，O3呈倒“U”型。除O3濃度在盛夏最高外，其余各污染物濃度在12月和1月都較高，空氣質(zhì)量也相對最差。O3濃度呈逐年上升趨勢，其他污染物濃度都呈下降趨勢，空氣質(zhì)量明顯改善。PM2.5為重慶首要污染物，冬季最為明顯，PM10污染在春季有所增加，NO2污染主要出現(xiàn)在初春和深秋，O3污染則主要出現(xiàn)在盛夏。大氣污染主要出現(xiàn)在冬季，當(dāng)歐亞中高緯地區(qū)環(huán)流形勢呈北低南高，以緯向環(huán)流為主，低層大氣受較強(qiáng)偏南風(fēng)影響時，重慶的氣象擴(kuò)散條件較差；當(dāng)歐亞中高緯地區(qū)環(huán)流形勢呈北高南低，經(jīng)向環(huán)流明顯時，冷空氣容易氣南下，促進(jìn)大氣對流發(fā)展，有利于重慶污染物的擴(kuò)散和清除。污染較重日重慶上空對流層整層存在異常的下沉運(yùn)動，水汽上升輻合較弱，低層相對濕度較小。近地面逆溫層和較薄的濕層長時間維持，使大氣層結(jié)較長時間處在較穩(wěn)定狀態(tài)，是重慶主城區(qū)大氣污染持續(xù)發(fā)展和維持的關(guān)鍵。

引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程加快，城市人口迅速增長，能源大量消耗，機(jī)動車數(shù)量也呈猛增的態(tài)勢，二氧化碳、氮氧化物、臭氧和細(xì)顆粒物濃度明顯升高，大氣污染問題日益嚴(yán)重，已成為政府和社會共同面臨的嚴(yán)峻問題。大氣污染不僅影響大氣能見度，對交通安全造成影響；還降低空氣質(zhì)量，影響人體健康和生態(tài)環(huán)境；而且還能直接或間接影響太陽輻射、云霧、降水等大氣的物理與化學(xué)過程，最終影響全球氣候變化(王明星和鄭循華，2005)。為控制大氣污染，改善環(huán)境質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者相繼開展了大氣污染的相關(guān)研究，主要包括大氣污染的時空分布(李名升等，2016；李小飛等，2012)、污染物來源及污染物類型(Pui et al，2014；崔萌等，2018；李令軍等，2012)、大氣環(huán)境容量和大氣自凈能力(張?zhí)煊畹龋?019；朱蓉等，2018)、大氣污染與氣象條件(吳序鵬等，2018)、大氣污染的預(yù)測理論與方法(洪鐘祥和胡非，1999)等方面的研究工作。已有研究表明，除大氣污染排放以外，不利的氣象條件是導(dǎo)致大氣重污染的重要原因(Giorgi and Meleux，2007；王莉莉等，2010)。天氣形勢和氣象要素與污染物的排放、傳輸、擴(kuò)散、干濕沉降、光化學(xué)反應(yīng)等方面密切相關(guān)(王莉莉等，2010)。因此，排放源和氣象條件共同決定著大氣污染物濃度的時空分布。當(dāng)大氣污染物排放達(dá)到一定程度，空氣質(zhì)量就會對氣象條件非常敏感。一旦出現(xiàn)不利于擴(kuò)散的氣象條件，就會很容易發(fā)生較重的大氣污染。準(zhǔn)確把握大氣污染的氣象條件是預(yù)報污染事件的持續(xù)時間和強(qiáng)度的前提。因此，污染氣象條件預(yù)報對大氣污染治理具有重要意義，是環(huán)境氣象預(yù)報的重要內(nèi)容。

國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列大氣污染與氣象條件研究。DeGaetano and Doherty(2004)研究表明美國紐約高濃度PM2.5經(jīng)常出現(xiàn)在高溫、高濕，且風(fēng)速較小的西南風(fēng)氣象環(huán)境下。李令軍等(2012)將北京的重污染分為靜穩(wěn)積累型、沙塵型、復(fù)合型和特殊型，秋、冬季以靜穩(wěn)積累型為主。楊孝文等(2016)指出穩(wěn)定的大氣環(huán)流背景場、高濕度、低風(fēng)速的地面氣象條件和低而厚的逆溫層導(dǎo)致北京大氣層結(jié)穩(wěn)定，加上特殊的地形是大氣重污染發(fā)生的主要原因。陳龍等(2016)研究表明，武漢市中度以上污染日的地面環(huán)流形勢主要為反氣旋型、東南風(fēng)型、偏東風(fēng)型和高壓系統(tǒng)控制下的偏東風(fēng)型，受高壓系統(tǒng)或偏東風(fēng)影響時，高濃度污染較易出現(xiàn)。何建軍等(2013)研究指出蘭州的大氣污染物濃度與邊界層高度和位溫遞減率關(guān)系較好，且NO2與氣象影響因子的相關(guān)性好于PM10。齊冰等(2012)研究表明高壓控制下大氣層結(jié)穩(wěn)定，變壓很小，地面通常微風(fēng)或靜風(fēng)，污染物在低層空氣中容易積聚，杭州地區(qū)容易產(chǎn)生霾天氣。王媛林等(2017)研究表明，珠三角地區(qū)空氣污染的天氣形勢主要是高壓底部型和均壓場型，風(fēng)速小及穩(wěn)定的大氣層結(jié)均不利于污染物的擴(kuò)散，污染物沿偏北氣流輸送到本地并積累。Yin et al(2015)研究指出東亞冬季風(fēng)偏弱，環(huán)流形勢在水平方向和垂直方向上都不利于污染物的擴(kuò)散，有利于華北黃淮地區(qū)冬季霾的發(fā)生，安徽省的霾日偏多(張浩等，2019)，湖北省的PM2.5濃度也隨之增加(楊浩等，2018)。以往這些研究從不同角度對不同地方的大氣污染氣象條件進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步預(yù)報大氣污染事件的發(fā)生提供了思路。

重慶作為長江上游重要的工業(yè)城市，自20世紀(jì)80年代以來，一直是全國污染較重的城市之一，空氣質(zhì)量問題嚴(yán)重影響了城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和市民的身體健康(周國兵，2018)。為了防治重慶的大氣污染，本地學(xué)者開展了一系列針對本市的空氣質(zhì)量及大氣污染研究工作。滿洪喆等(2009)監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)重慶主城區(qū)大氣汞濃度高于全球水平。李九彬和王建力(2013)分析了重慶2001—2011年的首要污染物和空氣污染指數(shù)(air pollution index,API)的特征。任麗紅等(2014)、劉佳等(2015)研究發(fā)現(xiàn)，污染日重慶PM2.5和PM10中的金屬元素主要來源于土壤風(fēng)沙、施工和道路揚(yáng)塵、冶金化工、汽車尾氣、燃煤燃油等。葉緹等(2008)分析了2000—2005年重慶主城區(qū)大氣混合層厚度特征及其對空氣質(zhì)量的影響。楊茜等(2019)指出降水對重慶除O3外的各污染物都有不同程度的清除作用，使空氣質(zhì)量變好。江文華等(2013)對主城區(qū)一次重度霾天氣過程進(jìn)行了診斷分析。胡春梅等(2020)基于自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對重慶的污染天氣過程地面氣壓場進(jìn)行了分型。周國兵和王式功(2010)分析了重慶市主城區(qū)輕度污染以上的天氣特征，指出本地天氣類型主要以低壓或均壓為主，中高緯以緯向環(huán)流或西北氣流為主，天氣以陰天或陰晴相間為主，氣象要素變化呈規(guī)律性，地面24 h負(fù)變壓、正變溫，風(fēng)速小。以往對重慶的污染氣象條件研究大多基于1996年的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以個例或是某個類別的影響研究為主。

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部門的相關(guān)規(guī)定，環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測在2013年以前采用的是《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—1996)(國家環(huán)境保護(hù)局，1996)，采用API來表征空氣質(zhì)量。API由PM10、SO2和NO2的污染物指數(shù)取最大值來確定。2013年之后采用《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)(國家環(huán)境保護(hù)局，2012)，采用空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index,AQI)來表征空氣質(zhì)量(周國兵，2018)。AQI由PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等6項污染指數(shù)取最大值來確定。新的空氣質(zhì)量指數(shù)由5級調(diào)整為6級，分級限制標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，AQI監(jiān)測的污染物指標(biāo)更多，對空氣質(zhì)量的評價更加客觀。自2005年重慶開始實施“藍(lán)天行動”以來，主城區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量逐漸改善。2013年根據(jù)環(huán)境保護(hù)部門統(tǒng)一部署，重慶主城區(qū)作為全國首批74個城市之一開始實施新的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。因此，目前仍然缺乏采用新標(biāo)準(zhǔn)以來重慶大氣污染的整體了解。深入研究重慶采用新標(biāo)準(zhǔn)后的大氣污染物的變化特征，揭示不同污染程度的大氣環(huán)流特征，進(jìn)而有效預(yù)報污染事件的發(fā)生仍然是重慶氣象工作的緊迫任務(wù)之一。本文旨在總結(jié)近5年重慶主城區(qū)大氣污染物濃度、空氣質(zhì)量指數(shù)、污染日數(shù)和首要污染物的月、季、年變化特征，討論典型的不同污染程度大氣環(huán)流形勢及重污染時段氣象探空條件的演變特征，為提前預(yù)報大氣污染提供參考，從而為大氣污染防治提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及方法

本文采用重慶市生態(tài)環(huán)境局提供的2014—2018年主城區(qū)16個空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括顆粒物PM2.5(粒徑≤2.5 μm)、PM10(粒徑≤10 μm)、SO2、NO2、CO、O3等6項?？諝赓|(zhì)量分指數(shù)和AQI的計算方法和空氣質(zhì)量評價方法均依據(jù)相關(guān)國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)(環(huán)境保護(hù)部，2016)。重慶主城區(qū)的各污染物濃度及AQI采用16個站平均值。

AQI為無量綱指數(shù)，CO濃度單位為mg·m-3，其他污染物濃度單位為μg·m-3。首要污染物是指AQI>50時，空氣質(zhì)量指數(shù)最大的空氣污染物。若空氣質(zhì)量分指數(shù)最大的污染物為兩種或兩種以上時，則并列為首要污染物。AQI對應(yīng)的污染類別根據(jù)表1規(guī)定進(jìn)行劃分。

表1 AQI對應(yīng)的類別

文章還使用了沙坪壩氣象觀測站地面觀測數(shù)據(jù)和美國懷俄明大學(xué)的探空數(shù)據(jù)，美國NCEP的500 hPa高度場、850 hPa風(fēng)場、垂直速度場等再分析數(shù)據(jù)。

2 空氣質(zhì)量及大氣污染物濃度分析

2014—2018年重慶主城區(qū)月平均AQI與PM2.5和PM10的月平均濃度之間的相關(guān)系數(shù)都達(dá)0.89，與SO2、CO和NO2的相關(guān)系數(shù)分別為0.65、0.65和0.32，都通過了0.05的顯著性水平檢驗，呈顯著正相關(guān)。與O3之間的相關(guān)系數(shù)為-0.33，通過了0.05的顯著性水平檢驗，呈顯著負(fù)相關(guān)。由此可知，各污染物的濃度直接影響著重慶的空氣質(zhì)量變化。

2.1 AQI及污染物濃度的年變化

從表2可知，2014—2018年重慶主城區(qū)PM2.5的年平均濃度在38.3～65.1 μg·m-3，PM10的年平均濃度在62.3～98.1 μg·m-3，兩指數(shù)5年平均濃度分別為51.1 μg·m-3和78.4 μg·m-3。PM2.5和PM10濃度呈逐年下降趨勢，分別從2014年的65.1 μg·m-3和98.1 μg·m-3下降到了2018年的38.3 μg·m-3和62.3 μg·m-3。2014—2018年AQI的年平均在50～100，空氣質(zhì)量屬于良的級別，5年平均為82.2。AQI也呈明顯的下降趨勢，從2014年的96.1逐漸降低到了2018年的74.1，由此可知，重慶的“藍(lán)天行動”取得了成效，主城區(qū)的空氣質(zhì)量呈逐年改善趨勢。

表2 2014—2018年重慶主城區(qū)大氣污染物濃度及AQI

2014—2018年SO2的年平均在9.0～24.2 μg·m-3，CO的年平均在0.9～1.2 mg·m-3。這兩個指數(shù)的5年平均分別為14.8 μg·m-3和1.0 mg·m-3，SO2和CO也呈明顯的下降趨勢，分別從2014年的24.2 μg·m-3和1.2 mg·m-3逐漸降低到了2018年的9.0 μg·m-3和0.9 mg·m-3。

2014—2018年NO2的年平均在38.5～45.6 μg·m-3，O3的年平均在61.8～75.5 μg·m-3。這兩個指數(shù)的5年平均分別為43.4 μg·m-3和68.5 μg·m-3。NO2呈先上升后下降的趨勢，O3則為逐年上升的趨勢。

綜合以上分析，2014—2018年重慶主城區(qū)的PM2.5、PM10、AQI、SO2、CO呈逐年下降的趨勢，NO2呈先上升后下降的趨勢，O3則為逐年上升的趨勢。總體而言，空氣質(zhì)量為良，部分污染物濃度有所下降，空氣質(zhì)量改善明顯。

2.2 AQI指數(shù)及污染物濃度的月和季變化

從圖1可知，重慶主城區(qū)AQI的月平均值為82.2，空氣質(zhì)量處在良的范圍。AQI的月變化呈“W”型，即1月最高，達(dá)127.3，為輕度污染的等級。2月開始AQI逐漸降低，7—8月有所增加，9月達(dá)最低后再次逐漸增加，12月再次達(dá)到峰值100.5。PM2.5和PM10的月變化呈“U”型分布特征。PM2.5在4—10月相對較低，其余月份相對較高。PM10則為6—9月相對較低，其余月份相對較高。PM2.5的月平均濃度為51.1 μg·m-3，1月最高，達(dá)95.3 μg·m-3，7月最低，僅為33.1 μg·m-3。PM10各月的濃度均較PM2.5大，月平均濃度為78.4 μg·m-3。PM10的月平均濃度1月最高，達(dá)131.4 μg·m-3，6月最低，為57.8 μg·m-3。

圖1 2014—2018年重慶主城區(qū)各月不同污染物濃度及AQI

SO2的月平均濃度為14.8 μg·m-3。1月濃度最高，達(dá)24.6 μg·m-3，6—9月的濃度均小于12 μg·m-3，其中6月最小，僅為9.5 μg·m-3。NO2各月濃度均較SO2大，NO2月平均濃度為43.4 μg·m-3。和SO2相似，NO2在1月最高，達(dá)51 μg·m-3，6—9月的月平均濃度均小于40 μg·m-3。其中7月最小，僅為34.6 μg·m-3。CO的月平均濃度為1.0 mg·m-3，月平均濃度變化和PM2.5和PM10相似，呈“U”型分布特征，1月最高，達(dá)1.4 mg·m-3，5—8月的濃度均小于1 mg·m-3，其中7月和8月最低，僅為0.8 mg·m-3。O3的月平均濃度為68.3 μg·m-3，月平均濃度變化呈倒“U”型的分布特征，4—8月濃度較高，其余月份相對較低。其中7月和8月最高，分別達(dá)122.2 μg·m-3和124 μg·m-3，12月和1月最小，分別僅為20.4 μg·m-3和24.4 μg·m-3。這與盛夏重慶日照時數(shù)多，12月和1月日照時數(shù)少有關(guān)。

綜上所述，重慶主城區(qū)AQI指數(shù)的月變化呈“W”型，12月和1月空氣質(zhì)量相對較差，9月最好。PM2.5、PM10和CO的月平均濃度變化呈“U”型分布特征，O3的月平均濃度呈倒“U”型的分布特征。除O3外濃度在盛夏最高外，各污染物濃度在12月和1月都較高，空氣質(zhì)量也相對最差。

從表3可知，就季節(jié)而言，AQI冬季最高，夏季次之，秋季最小，由此表明，重慶主城區(qū)空氣質(zhì)量秋季最好，春季次之，冬季最差。PM2.5和PM10的季節(jié)變化略有差異，兩種污染物均為冬季最高夏季最小，PM10春季高于秋季，PM2.5則秋季略高于春季。SO2和NO2的季節(jié)變化相似，均為冬季最高，春季次之，夏季最小。CO為冬季最高，春季和秋季持平，夏季最小。O3則為夏季最高，春季次之，冬季最小。

表3 2014—2018年重慶主城區(qū)各季節(jié)污染物濃度及AQI

2.3 污染日數(shù)的年變化

從表4可知，2014—2018年重慶主城區(qū)每年都有不同程度的污染日數(shù)，輕度污染日數(shù)最多，中度污染日數(shù)次之，重度污染日數(shù)最少。2014—2018年輕度污染日數(shù)為41～64 d，5年平均為55.4 d。中度污染日數(shù)在7～37 d，5年平均為18.6 d。重度污染日數(shù)在1～18 d，5年平均為7 d。

表4 2014—2018年重慶主城區(qū)不同污染程度的日數(shù)(單位：d)

2014—2018年空氣質(zhì)量為良的日數(shù)為194～238 d，5年平均為215.8 d。優(yōu)的日數(shù)在52～88 d，5年平均為68.4 d。由此可知，重慶主城區(qū)空氣質(zhì)量以良為主，優(yōu)次之。

從逐年的變化趨勢可知，優(yōu)的日數(shù)在增加，重度污染日數(shù)在減少。輕度污染、中度污染日數(shù)呈波動減少的趨勢，良的日數(shù)呈波動增加趨勢。

綜合以上分析，重慶主城區(qū)空氣質(zhì)量以良為主，5年平均為215.8 d。優(yōu)和輕度污染次之，年平均分別為68.4 d和55.4 d。中度污染和重度污染最少，年平均分別為18.6 d和7 d。優(yōu)和良的日數(shù)呈增加趨勢，輕度污染、中度污染和重度污染日數(shù)呈減少趨勢。

2.4 污染日數(shù)的月、季變化

從圖2可知，重慶主城區(qū)各個月空氣質(zhì)量為良的日數(shù)均較其他等級日數(shù)多。良的月平均日數(shù)為18 d，其中6月、9—11月的天數(shù)在18 d以上，3—5月達(dá)22.2 d以上。良的日數(shù)月際變化較大，最少的1月僅為10.4 d。3—6月和9—10月空氣質(zhì)量為優(yōu)的日數(shù)高于輕度污染日數(shù)，其余月份則相反。等級為優(yōu)的月平均日數(shù)為5.7 d, 輕度污染的月平均日數(shù)為4.6 d。除1月中度污染平均日數(shù)為6.8 d，重度污染平均日數(shù)為5 d外，其余月份中度污染日數(shù)均在4 d以內(nèi)，重度污染日數(shù)均在1 d以內(nèi)，且重度污染的日數(shù)明顯少于其他等級日數(shù)。此外，2014—2018年期間，除1、2、10月和12月外，其余月份都沒有出現(xiàn)重度污染，3—5月均未出現(xiàn)中度污染。

圖2 2014—2018年重慶主城區(qū)各月不同污染程度日數(shù)

綜上所述，2014—2018年重慶主城區(qū)空氣質(zhì)量以良為主，優(yōu)和輕度污染次之，中度污染和重度污染日數(shù)較少，月平均優(yōu)和良的總?cè)諗?shù)達(dá)23.7 d。

從表5可知，就季節(jié)而言，冬季空氣質(zhì)量相對最差，優(yōu)和良日數(shù)較少，相較其他季節(jié)污染日數(shù)最多。冬季輕度污染日數(shù)5年平均達(dá)21.4 d，中度污染為13.8 d，重度污染為6.6 d，優(yōu)的日數(shù)僅為9.8 d。春季和秋季空氣質(zhì)量相對較好，優(yōu)和良的日數(shù)之和分別達(dá)83.2 d和80 d，由此可知，春季空氣質(zhì)量優(yōu)和良的日數(shù)多于秋季。近5年春季均未出現(xiàn)中度污染和重度污染。夏季輕度污染日數(shù)較春季和秋季有所增加，良的日數(shù)較春季和秋季有所減少。

表5 2014—2018年重慶主城區(qū)各季節(jié)不同污染程度日數(shù)(單位：d)

2.5 首要污染物分析

從表6可知，重慶主城區(qū)首要污染物為PM2.5。PM2.5的5年平均為147.8 d，PM10的5年平均為28.6 d。隨著重慶“藍(lán)天行動”的開展，PM2.5和PM10作為首要污染物的日數(shù)呈逐漸減少趨勢。SO2和CO均沒有作為首要污染物出現(xiàn)。NO2和O3呈逐年增加的趨勢。兩種以上污染物同時出現(xiàn)的日數(shù)5年平均為9.8 d，近年來也呈逐漸減少的趨勢。

表6 2014—2018年重慶主城區(qū)首要污染物出現(xiàn)日數(shù)(單位：d)

從表7可知，從11月到次年2月PM2.5作為主城區(qū)首要污染物的日數(shù)較多，5年平均都在19 d以上，最多的12月達(dá)26.2 d。3月以后PM2.5作為首要污染物的日數(shù)逐漸減少，PM10的日數(shù)逐漸增多。3—6月PM10的日數(shù)均超過了3 d，其中5月最多，達(dá)7.2 d。和PM2.5的日數(shù)相比，其他污染物作為首要污染物的日數(shù)明顯較少。NO2作為首要污染物的日數(shù)在3—4月和10—11月相對較多，為6～9 d，其余月份均相對較少。O3作為首要污染的日數(shù)則主要集中在5—8月，其中7—8月達(dá)17 d以上。

表7 2014—2018年重慶主城區(qū)各月首要污染物出現(xiàn)日數(shù)(單位：d)

綜上所述，PM2.5為重慶主城區(qū)的首要污染物，全年有8個月的日數(shù)較其他污染物的多，尤其是冬季最為明顯。PM10作為首要污染物的日數(shù)在春季有所增加，NO2作為首要污染物主要出現(xiàn)在初春和深秋。O3作為首要污染物，則主要出現(xiàn)在盛夏。

3 中低層大氣環(huán)流對大氣污染的影響

周國兵(2018)研究表明，大氣污染不僅取決于能源結(jié)構(gòu)、交通和工業(yè)排放污染物的多少，而且與大氣環(huán)流背景及當(dāng)?shù)氐木值貧庀髼l件有著密切的聯(lián)系。大氣環(huán)流具有周期性和相似性，在相似的環(huán)流背景下，往往會出現(xiàn)相似的天氣現(xiàn)象。因此，分析典型的不同污染程度條件下的大氣環(huán)流形勢，可歸納出不同空氣質(zhì)量類別的主要天氣類型，為提前預(yù)報大氣污染事件提供依據(jù)。

3.1 500 hPa高度場分析

通過以上分析可知，大氣污染主要發(fā)生在冬季。從表1可知，空氣質(zhì)量為良的AQI值在51～100，輕度污染的AQI為101～150。由于輕度污染和良的日數(shù)較多，因此，分別選取2014—2018年冬季逐日AQI為良的中位數(shù)75、輕污染的中位數(shù)125的前后5位，即分別選取AQI為70～80、120～130的日子為典型良和輕度染污日。排除節(jié)日影響，共統(tǒng)計得出重度污染28 d，優(yōu)40 d，典型輕度污染24 d，典型良28 d。重度污染、輕度污染、優(yōu)和良日的500 hPa高度場合成分析結(jié)果如圖3所示。

從圖3a可知，重慶主城區(qū)出現(xiàn)重污染日，對流層中層歐亞中高緯環(huán)流形勢總體呈北低南高、西低東高的分布特征，烏拉爾山至貝加爾湖地區(qū)高度場均偏低，青藏高原及我國大部分地區(qū)包括四川盆地高度場偏高，東北、華北、華淮等地高度場異常偏高，東亞大槽偏弱、偏東，中緯度地區(qū)環(huán)流呈緯向分布，不利于北方冷空氣南下影響我國。

從圖3b可知，重慶主城區(qū)為輕度污染日，歐亞中高緯環(huán)流呈兩槽一脊型，烏拉爾山至巴爾喀什湖地區(qū)高度場均偏低，東亞大槽西伸明顯，但位置偏北。中緯度地區(qū)環(huán)流仍然呈緯向型分布，從青藏高原到我國大部地區(qū)高度場仍然以偏高為主。這樣的環(huán)流形勢仍然不利于冷空氣南下影響到四川盆地。

從圖3c可知，重慶主城區(qū)空氣質(zhì)量為優(yōu)時，歐亞中高緯環(huán)流形勢總體呈北高南低的分布特征，烏拉爾山地區(qū)受高壓脊控制，東亞大槽加強(qiáng)西伸，從青藏高原到我國大部地區(qū)高度場偏低。中緯度地區(qū)經(jīng)向環(huán)流明顯，有利于冷空氣南下影響我國。

從圖3d可知，重慶主城區(qū)空氣質(zhì)量為良時，歐亞中高緯環(huán)流形勢總體呈西高東低，烏拉爾山—巴爾喀什湖—青藏高原一帶高度場偏高較為異常，東亞大槽加強(qiáng)南伸，重慶地區(qū)位于脊前，此時重慶地區(qū)往往處于冷空氣過境時段，空氣質(zhì)量也相對較好。

圖3 2014—2018年重慶主城區(qū)重污染日(a)、輕污染日(b)、空氣質(zhì)量優(yōu)日(c)、空氣質(zhì)量良日(d)500 hPa高度場合成圖(陰影為距平場，等值線為平均場，單位：gpm)

綜合以上分析，當(dāng)歐亞中高緯地區(qū)環(huán)流形勢呈北低南高分布，中緯度地區(qū)以緯向環(huán)流為主時，不利于冷空氣南下，重慶地區(qū)的大氣環(huán)流不利于污染物的擴(kuò)散。當(dāng)歐亞中高緯地區(qū)環(huán)流形勢呈北高南低，中緯度地區(qū)經(jīng)向環(huán)流明顯時，冷空氣容易南下，有利于重慶地區(qū)污染物的稀釋和擴(kuò)散。環(huán)流形勢呈西高東低、重慶地區(qū)處于脊前時，空氣質(zhì)量也相對較好。

3.2 850 hPa風(fēng)場分析

胡春梅等(2020)通過后向軌跡分析表明，重慶的污染源主要為本地污染，西北地區(qū)的輸入型氣溶膠顆粒對四川盆地的影響相對較小，較重污染通常由本地污染源和我國東部及南部的污染源共同影響。重慶由于特殊的山地城市特點，秋冬季節(jié)主要以本地累積污染為主，輸送型污染相對較少。

同樣對重度污染、輕度污染、優(yōu)和良日的850 hPa風(fēng)場進(jìn)行合成分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4a可知，重慶主城區(qū)重污染日大氣對流層低層南海到東海一帶存在反氣旋風(fēng)場，我國南方大部地區(qū)受偏南風(fēng)控制，廣西北部、貴州東部、湖南、湖北和重慶南部等地區(qū)風(fēng)速較常年同期偏大。在較強(qiáng)的偏南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)的背景下，沒有冷空氣的影響，我國大部地區(qū)天氣較好。從沙坪壩氣象站的觀測數(shù)據(jù)可知，重污染日重慶無日照、無降水。從表8可知，重污染日地面升溫最為明顯，氣壓最低，10 m平均風(fēng)速為1.1 m·s-1，和輕污染日的平均風(fēng)速一致，小于空氣質(zhì)量為優(yōu)和良日的平均風(fēng)速，相對濕度平均為80.4%，高于空氣質(zhì)量為良和輕度污染日的平均值，低于空氣質(zhì)量為優(yōu)的平均值。由此可知，當(dāng)850 hPa以較強(qiáng)的南風(fēng)為主導(dǎo)時，地面氣壓較小，重慶地區(qū)大氣層容易產(chǎn)生下沉氣流，天氣較好，地面升溫明顯，偏南風(fēng)水汽含量較高，增加了本地空氣濕度。長時間低風(fēng)速、無降水、高濕度的氣象條件有利于污染物的積聚，不利于污染物的擴(kuò)散和清除。

從圖4b、4d和表8可知，重慶主城區(qū)輕度污染和空氣質(zhì)量為良日，850 hPa從南海到東海一帶同樣存在反氣旋風(fēng)場，且從南海經(jīng)廣西—貴州一線的風(fēng)速較小，重慶地區(qū)仍然以偏南風(fēng)為主，風(fēng)速較小。輕度污染和空氣質(zhì)量為良日地面也有一定的升溫，地面風(fēng)速也較弱，但相對濕度較低，污染物的積聚性沒有重污染日的強(qiáng)。

從圖4c可知，重慶主城區(qū)空氣質(zhì)量為優(yōu)日，華北—華淮—四川盆地一線存在反氣旋風(fēng)場，四川盆地的偏北風(fēng)風(fēng)速較常年同期偏強(qiáng)，從南海經(jīng)廣西—貴州一線的偏南風(fēng)也較常年同期偏強(qiáng)。這樣的風(fēng)場配置有利于冷暖空氣在重慶上空交匯，促進(jìn)低層大氣的對流發(fā)展，從表8可知，空氣質(zhì)量為優(yōu)日，日平均降水量為2.9 mm，風(fēng)速也有所加大，氣象條件有利于污染物的擴(kuò)散和清除。

表8 2014—2018年重慶主城區(qū)不同污染程度日地面氣象條件

圖4 同圖3，但為850 hPa風(fēng)場合成圖(陰影為距平場，單位：m·s-1)

綜合以上分析，冬季重慶地區(qū)長時間處在風(fēng)速小、無降水的情況下，大氣污染物的稀釋和擴(kuò)散條件較差，對流層低層受較強(qiáng)的偏南風(fēng)影響時，高溫、高濕的氣象條件對污染物濃度有加重作用，大氣污染物的稀釋和擴(kuò)散條件較差；當(dāng)四川盆地受較強(qiáng)的偏北風(fēng)影響時，冷暖空氣容易在重慶地區(qū)交匯產(chǎn)生降水，地面風(fēng)速加大，大氣污染物的稀釋和擴(kuò)散條件較好。

4 垂直結(jié)構(gòu)對污染天氣的影響

4.1 垂直運(yùn)動分析

大氣污染物的傳輸和擴(kuò)散與大氣邊界層有直接關(guān)系(周國兵，2018)。霧-霾天氣的發(fā)生與邊界層內(nèi)大氣的垂直運(yùn)動分布有一定的關(guān)聯(lián)，下沉運(yùn)動被認(rèn)為是一種不利于污染物垂直擴(kuò)散的氣象條件(廖曉農(nóng)等，2014)。

從圖5a的700 hPa垂直速度場合成圖可知，重污染期間四川盆地包括重慶地區(qū)總體處在垂直速度正值區(qū)，即重慶地區(qū)處在下沉氣流控制區(qū)域，且西部地區(qū)的正距平區(qū)明顯高于東部地區(qū)。從距平可知，重污染日重慶大部地區(qū)下沉運(yùn)動較常年同期偏強(qiáng)。

2015年1月3—4日是近幾年來重慶主城區(qū)污染最重的一次，現(xiàn)將此次污染過程作為典型個例，對垂直速度場進(jìn)行分析，從圖5b可知，重污染期間重慶大部分時間處在正距平控制下，對流層整層存在異常的下沉運(yùn)動，下沉運(yùn)動的大值區(qū)位于對流層中下層。大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，不利于對流的發(fā)展，水汽上升輻合較弱，低層相對濕度較小，不利于低層云的形成和發(fā)展，從而不利于降水的產(chǎn)生。

圖5 2014—2018年重慶主城區(qū)重污染日700 hPa垂直速度場(a)和2015年1月3—4日垂直速度時間-高度剖面(b)(等值線，陰影，單位：Pa·s-1)

4.2 探空條件分析

對污染最重的2015年1月3日08時至4日20時的探空圖進(jìn)行分析。從圖6的溫度曲線可知，從3日08時起，近地面到500 hPa存在深厚的逆溫層，20時起逆溫層厚度有所變薄，厚度從近地面到700 hPa，且一直維持到4日20時。值得關(guān)注的是，3日20時至4日20時，700～500 hPa的溫度梯度非常小。從露點溫度線可知，從3日08時地面到700 hPa存在較厚的濕層，20時地面濕度減小，近地面至700 hPa仍然存在濕層。4日08時和20時濕層明顯變薄，只在地面到850 hPa存在濕層。

圖6 2015年1月3日08時(a)、20時(b)和4日08時(c)、20時(d)的探空圖(黑色實線：溫度探空;藍(lán)色實線：露點溫度探空;紅色虛線：狀態(tài)曲線；plcl：抬升凝結(jié)高度，Tlcl：plcl處的溫度)

由此可知，在重慶主城區(qū)污染物濃度逐漸增加的過程中，從地面到對流層中下層存在深厚的逆溫層，近地面存在較厚的濕層，隨著時間的推移，逆溫層有所變薄，但對流層中下層溫度梯度仍然較小，近地面的濕層也逐漸變薄。此時大氣層結(jié)仍然比較穩(wěn)定，污染物持續(xù)堆積。冬季在污染物濃度較大的情況下，近地面逆溫層和濕層從發(fā)展到長時間維持，使大氣層結(jié)較長時間處在較穩(wěn)定的狀態(tài)是重慶主城區(qū)大氣污染得以持續(xù)發(fā)展和維持的關(guān)鍵。

5 結(jié) 論

綜合以上分析，得到以下結(jié)論：

(1)2014—2018年重慶主城區(qū)AQI的月變化呈“W”型，PM2.5、PM10和CO的月平均濃度變化呈“U”型，O3呈倒“U”型。除O3濃度在7月、8月最高外，各污染物濃度在12月和1月都較高，空氣質(zhì)量也相對最差。PM2.5、PM10、AQI、SO2、CO呈逐年下降的趨勢，NO2呈先上升后下降趨勢，O3則為逐年上升趨勢，空氣質(zhì)量呈逐年改善趨勢。

(2)2014—2018年重慶主城區(qū)空氣質(zhì)量以良為主，優(yōu)和輕度污染次之，中度污染和重度污染最少，優(yōu)和良的日數(shù)呈增加趨勢，輕度污染、中度污染和重度污染日數(shù)呈減少趨勢。PM2.5為重慶主城區(qū)的首要污染物，冬季最為明顯；PM10作為首要污染物的日數(shù)在春季有所增加，NO2作為首要污染物主要出現(xiàn)在初春和深秋；O3作為首要污染主要出現(xiàn)在盛夏。

(3)當(dāng)歐亞中高緯地區(qū)環(huán)流形勢呈北低南高分布，中緯度地區(qū)以緯向環(huán)流為主時，不利于冷空氣南下，大氣環(huán)流不利于重慶地區(qū)污染物的擴(kuò)散。當(dāng)歐亞中高緯地區(qū)環(huán)流形勢呈北高南低，中緯度地區(qū)經(jīng)向環(huán)流明顯時，大氣環(huán)流有利于冷空氣南下，從而有利于重慶地區(qū)污染物的稀釋和擴(kuò)散。冬季重慶地區(qū)長時間處在風(fēng)速小、無降水的情況下，對流層低層受較強(qiáng)的偏南風(fēng)影響時，高溫、高濕的氣象條件對污染物濃度有加重作用，大氣污染物的稀釋和擴(kuò)散條件較差；當(dāng)四川盆地受較強(qiáng)的偏北風(fēng)影響時，冷暖空氣容易在重慶地區(qū)交匯產(chǎn)生降水，地面風(fēng)速加大，大氣污染物的稀釋和擴(kuò)散條件較好。

(4)重污染日重慶上空對流層整層存在異常的下沉運(yùn)動，水汽上升輻合較弱，低層相對濕度較小。近地面逆溫層和濕層從發(fā)展到長時間維持，使大氣層結(jié)較長時間處在較穩(wěn)定狀態(tài)是重慶主城區(qū)大氣污染得以持續(xù)發(fā)展和維持的關(guān)鍵。