風(fēng)廓線雷達(dá)在成都地區(qū)冬季典型連續(xù)顆粒物污染過程分析中的應(yīng)用*

鄭颯颯 王維佳 桂海林

(1.四川省人工影響天氣辦公室,四川 成都 610072；2.中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610072；4.國(guó)家氣象中心，北京 100081)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)及城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，污染物排放增多，大氣污染過程出現(xiàn)頻繁[1-3]，受到社會(huì)各界人士的廣泛關(guān)注。大氣污染過程不僅降低能見度，影響交通運(yùn)輸，而且對(duì)人體健康、氣候、生態(tài)環(huán)境等造成巨大威脅。目前，已有眾多學(xué)者從大尺度環(huán)流背景和邊界層等氣象條件、大氣顆粒物化學(xué)組分特征及來(lái)源解析等多個(gè)方面對(duì)大氣污染過程進(jìn)行了深入的觀測(cè)和研究[4-6]。劉建等[7]研究表明，當(dāng)珠三角出現(xiàn)弱偏北風(fēng)時(shí)，整個(gè)珠三角都為灰霾天氣，當(dāng)風(fēng)向由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)時(shí)，珠三角東南部地區(qū)空氣質(zhì)量改善，北部(內(nèi)陸)地區(qū)的空氣質(zhì)量惡化；馬井會(huì)等[8]發(fā)現(xiàn)外源性輸入、垂直風(fēng)場(chǎng)分布和大氣層結(jié)變化為浮塵天氣的發(fā)生及維持創(chuàng)造了有利條件。潘勁松等[9]指出，我國(guó)東部地區(qū)主要受弱偏北風(fēng)影響，大氣擴(kuò)散條件較差，有利于華東本地大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)積累和北方霾粒子向華東地區(qū)輸送?；▍驳萚10]研究表明低空偏南氣流對(duì)北京霧霾的維持和發(fā)展有明顯影響，當(dāng)偏南風(fēng)風(fēng)速大于8 m/s時(shí)對(duì)大氣擴(kuò)散能力有一定的改善作用。ZHANG等[11]利用風(fēng)廓線雷達(dá)、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)等提供的資料，對(duì)比了北京冬季污染和清潔時(shí)環(huán)流及不同高度上的風(fēng)矢量和垂直風(fēng)切變等特征，揭示了北京邊界層風(fēng)場(chǎng)特征對(duì)PM2.5的影響。

成都大氣污染為城市揚(yáng)塵、機(jī)動(dòng)車尾氣、煤煙塵和工業(yè)復(fù)合型污染，主要污染物為PM2.5，其來(lái)源既包含污染源直接排放,也包含二次污染。近年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，北方沙塵對(duì)成都大氣環(huán)境的影響客觀存在，攜有沙塵污染物的冷空氣南下，與本地污染物混合在一起，造成成都地區(qū)的重污染天氣。前人對(duì)沙塵污染的研究主要側(cè)重在北方城市，對(duì)成都沙塵污染的研究相對(duì)較少，受秦嶺、大巴山對(duì)北方沙塵的阻隔，沙塵進(jìn)入成都地區(qū)相對(duì)較少，主要以浮塵天氣出現(xiàn)。廖乾邑等[12]指出四川盆地浮塵天氣污染主要受來(lái)自西北方向(新疆、甘肅)沙塵天氣影響，北方干冷空氣攜帶沙塵進(jìn)入四川盆地并沿盆地內(nèi)輸送通道推進(jìn)，主要影響在相鄰城市間存在1～2 h滯后。

沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)及京津冀地區(qū)的研究表明，風(fēng)廓線雷達(dá)資料在分析大氣污染過程中發(fā)揮了重要作用，成都地區(qū)是霧霾高發(fā)地，利用風(fēng)廓線雷達(dá)研究成都地區(qū)大氣污染過程相對(duì)較少。為提高風(fēng)廓線雷達(dá)資料在成都地區(qū)大氣污染過程中的應(yīng)用，本研究選取成都地區(qū)2016、2019年冬季兩次污染過程進(jìn)行對(duì)比分析，利用PM2.5、可吸入顆粒物(PM10)質(zhì)量濃度、邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)和混合單粒子拉格朗日(HYSPLIT)模式后向軌跡數(shù)據(jù)等資料，從污染物傳輸軌跡等方面探討成都地區(qū)冬季不同類型的顆粒物污染過程的形成機(jī)制，為大氣污染預(yù)報(bào)預(yù)警、改進(jìn)大氣污染模式以及大氣污染防治提供參考。

1 資料與方法

大氣PM2.5、PM10質(zhì)量濃度資料來(lái)源于成都市區(qū)內(nèi)7個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)國(guó)控站點(diǎn)，分別為大石西路、君平街、金泉兩河、梁家巷、三瓦窯、沙河鋪、十里店，時(shí)間分辨率為1 h。

(1)

式中：VI為通風(fēng)量，m2/s；hi、hi-1分別為第i個(gè)、第i-1個(gè)高度層對(duì)應(yīng)的高度，m；i為高度層序號(hào)；Vi為第i個(gè)高度層的平均風(fēng)速，m/s。成都邊界層平均高度不超過2 000 m，因此本研究計(jì)算2 000 m以下通風(fēng)量大小的總和，新都邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)2 000 m以下一共有32層，所以i的最大值為32。此外，本研究使用國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的HYSPLIT模式進(jìn)行氣團(tuán)后向軌跡的模擬分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)顆粒物污染過程實(shí)況

2016年12月，成都地區(qū)發(fā)生了連續(xù)25 d的顆粒物污染過程。由圖1(a)可見，此次污染過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，污染物濃度高，其中PM10時(shí)均值超過300 μg/m3的時(shí)段有24個(gè)。12月1—3日顆粒物濃度出現(xiàn)第1個(gè)上升過程，PM2.5、PM10濃度快速上升，12月5日、12日顆粒物濃度出現(xiàn)低值，12月1—12日，PM2.5/PM10維持在0.5～0.6，主要是北方沙塵輸送到成都導(dǎo)致PM10濃度偏高，12月12日后PM2.5/PM10維持在0.7～0.8，污染物以PM2.5為主。12月20日11:00，顆粒物濃度出現(xiàn)本次污染過程最高值，PM2.5、PM10分別達(dá)到261、354 μg/m3，12月21日污染物濃度開始降低，12月24日，擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，2016年重污染過程結(jié)束。

圖1 成都地區(qū)連續(xù)污染過程PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度小時(shí)變化Fig.1 Variation of the average massive concentration of PM2.5 and PM10 during the continuous pollution processes in Chengdu

2019年12月成都地區(qū)發(fā)生了連續(xù)11 d的顆粒物污染過程。由圖1(b)可見，此次污染過程PM2.5/PM10總體維持在0.7～0.9，主要污染物為PM2.5，12月7—10日為顆粒物濃度上升階段，12月11日12:00，PM2.5達(dá)到最高值176 μg/m3，PM10為230 μg/m3，12月11日23:00，PM2.5、PM10降低到95、145 μg/m3，隨后維持在穩(wěn)定水平，12月17日擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，重污染過程結(jié)束。

2.2 基于邊界層風(fēng)廓線的邊界層結(jié)構(gòu)分析

風(fēng)是影響污染物擴(kuò)散和傳輸?shù)闹匾獨(dú)庀笠?，?duì)成都地區(qū)顆粒物連續(xù)污染過程中下邊界層內(nèi)精細(xì)化風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)和演變特征以及垂直動(dòng)力條件等進(jìn)行分析，從而解析顆粒物污染過程的形成機(jī)制。

2.2.1 污染過程的三維風(fēng)場(chǎng)特征

為考察風(fēng)場(chǎng)對(duì)成都地區(qū)連續(xù)污染過程中顆粒物濃度的影響，對(duì)顆粒物變化典型時(shí)段的水平及垂直風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析。2016年12月成都地區(qū)連續(xù)污染過程的水平風(fēng)場(chǎng)、垂直風(fēng)場(chǎng)分布分別見圖2、圖3、圖4。根據(jù)環(huán)流形勢(shì)分析結(jié)果，12月1日成都地區(qū)500 hPa受弱脊前西北氣流控制。由圖2(a)可見，0～2 000 m高度風(fēng)場(chǎng)以東北風(fēng)控制為主，8：00以后近地層風(fēng)速較小，有的高度接近靜風(fēng)，水平擴(kuò)散條件差，從圖3可以看出，12月1—2日垂直方向上有較強(qiáng)的下沉氣流，對(duì)應(yīng)PM2.5、PM10出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，下沉氣流將高層的污染物(包含沙塵粒子)向近地面?zhèn)鬏敚菇孛嫖廴疚餄舛瓤焖僭龃?，形成本地積累和外地輸送相結(jié)合的污染過程。這種靜穩(wěn)狀態(tài)持續(xù)到12月5日，成都地區(qū)低層受弱脊的影響，在槽脊波動(dòng)影響下，高層為東北風(fēng)，低層為西南風(fēng)，風(fēng)向隨高度逆時(shí)針變化(見圖2(b))，垂直方向?yàn)槿跸鲁翚饬?見圖3)，擴(kuò)散條件有所改善，污染物濃度降低；12月5日18:00后轉(zhuǎn)為低層為東北風(fēng)，高層為西南風(fēng)，風(fēng)向隨高度順時(shí)針變化，表明有暖平流出現(xiàn)，形成較強(qiáng)的平流逆溫，大氣層結(jié)穩(wěn)定，污染物濃度上升；12月11日，成都地區(qū)高空出現(xiàn)冷平流，1 500 m以上總體為東北風(fēng)控制(見圖2(c))，1 500 m以下為西南風(fēng)控制，風(fēng)向隨高度逆時(shí)針變化，冷平流破環(huán)了穩(wěn)定大氣層結(jié)，由圖3可見，此時(shí)垂直方向上為下沉氣流，污染物向下擴(kuò)散；12月12日17:00,成都地區(qū)PM2.5、PM10分別降至37、56 μg/m3；由圖2(d)可見，12月15日成都地區(qū)近地層主要為東北風(fēng)，1 000 m高度以上轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，水平風(fēng)向隨高度為順時(shí)針變化，有平流逆溫，由圖4可見，此時(shí)垂直方向?yàn)橄鲁翚饬?，下沉氣流將高層污染物下沉到地面，PM2.5、PM10濃度迅速上升。根據(jù)環(huán)流形勢(shì)分析，成都地區(qū)12月21日500 hPa為高脊區(qū)，高空受西北氣流控制。由圖2(e)可見，12月22日成都地區(qū)0～3 000 m高度基本為東北風(fēng)，擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，PM2.5、PM10濃度出現(xiàn)小幅度降低；12月24—25日成都地區(qū)500 hPa為偏西氣流，伴有弱波動(dòng)，700 hPa以西南氣流為主，850 hPa為氣旋性環(huán)流。由圖2(f)可以看出，成都地區(qū)近地面為較強(qiáng)西南風(fēng)，最大風(fēng)速可達(dá)10～11 m/s,大氣中低層相對(duì)濕度較高，垂直方向上擾動(dòng)增強(qiáng)，有較強(qiáng)的下沉氣流(見圖4)，在槽脊波動(dòng)的作用下，大氣擴(kuò)散能力增強(qiáng)，12月24日20:00，成都普降小雨，蒲江站觀測(cè)到最大小時(shí)降水量為0.8 mm，長(zhǎng)達(dá)25 d的污染過程結(jié)束。

注：箭頭指向?yàn)轱L(fēng)向，長(zhǎng)度代表風(fēng)速。圖4同。圖2 2016年連續(xù)污染過程典型時(shí)段的水平風(fēng)場(chǎng)分布Fig.2 Horizontal wind profiles during the pollution processes in 2016

注:圖中正值為下沉方向,負(fù)值為上升方向。圖4、圖6同。圖3 2016年12月1-12日連續(xù)污染過程垂直風(fēng)場(chǎng)分布Fig.3 Vertical wind profiles during the pollution processes in December 1 to December 12，2016

圖4 2016年12月14-26日連續(xù)污染過程垂直風(fēng)場(chǎng)分布Fig.4 Vertical wind profiles during the pollution processes in December 14 to December 26，2016

2019年12月7日成都地區(qū)開始出現(xiàn)連續(xù)污染天氣，期間水平風(fēng)場(chǎng)、垂直風(fēng)場(chǎng)分布分別見圖5、圖6。由圖5(a)可見，2019年12月7日2 000 m以上為東北風(fēng)，2 000 m以下風(fēng)速較小，有些高度接近靜風(fēng)，有利于污染物積聚；由圖5(b)可見，12月8日3:00前后成都地區(qū)2 000 m以上為西南風(fēng)，2 000 m以下為靜風(fēng)或弱東北風(fēng)，有暖平流出現(xiàn)，形成平流逆溫，大氣層結(jié)穩(wěn)定，靜穩(wěn)條件好，污染物濃度上升；12月11日成都地區(qū)為青海冷高壓前部，由圖5(c)可見，19：00起0～1 000 m水平風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，最大風(fēng)速可以達(dá)到9～10 m/s，此時(shí)污染物濃度出現(xiàn)小范圍的消散，12月11日23:00，PM2.5、PM10減少到95、145 μg/m3；12月12日5:00開始，2 000 m以下風(fēng)速小或?yàn)殪o風(fēng)，擴(kuò)散條件變差，污染狀況加重，PM2.5、PM10濃度再次上升；12月16日，成都地區(qū)在500 hPa為偏西波動(dòng)氣流影響，700 hPa受較強(qiáng)西南氣流影響，0～3 000 m最大風(fēng)速在14～15 m/s,大氣擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，12月16日23:00成都出現(xiàn)零星小雨，彭州站觀測(cè)到最大小時(shí)降水為0.4 mm,維持11 d的顆粒物連續(xù)污染過程結(jié)束。

圖5 2019年連續(xù)污染過程典型時(shí)段水平風(fēng)場(chǎng)分布Fig.5 Horizontal wind profiles during the pollution processes in 2019

圖6 2019年連續(xù)污染過程垂直風(fēng)場(chǎng)分布Fig.6 Vertical wind profiles during the pollution processes in 2019

對(duì)2016、2019年連續(xù)污染過程中的三維風(fēng)場(chǎng)分析得出，當(dāng)風(fēng)速較小或者風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，成都地區(qū)容易出現(xiàn)靜穩(wěn)天氣，污染物濃度上升；王躍等[13]分析了北京2013年2月污染天氣過程，認(rèn)為邊界層低層順時(shí)針風(fēng)向的風(fēng)切變，與大氣顆粒物的爆發(fā)性增長(zhǎng)密切相關(guān)，可見風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，污染物濃度上升。當(dāng)出現(xiàn)較強(qiáng)的東北風(fēng)、西南風(fēng)，或者風(fēng)向隨高度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)破壞成都地區(qū)上空穩(wěn)定的大氣層結(jié)，擴(kuò)散條件變好，污染物濃度下降；較強(qiáng)的東北風(fēng)也可能將北方的沙塵污染物輸送到成都，與垂直方向的下沉氣流相配合，加重成都地區(qū)污染。李菲等[14]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析了廣州地區(qū)一次典型灰霾過程，認(rèn)為下沉氣流造成了廣州地區(qū)污染物的堆積，表明下沉氣流對(duì)污染物濃度上升具有指示意義。

圖7 連續(xù)污染過程的分布Fig.7 Profiles of during the continuous pollution processes

2.2.3 污染過程的通風(fēng)量

計(jì)算2016、2019年連續(xù)污染過程的通風(fēng)量，結(jié)果見圖8。通風(fēng)量和PM2.5、PM10質(zhì)量濃度相關(guān)系數(shù)計(jì)算見表1。通風(fēng)量與顆粒物濃度存在負(fù)相關(guān)，且通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。由圖8(a)可見，2016年12月1—4日，通風(fēng)量較小，PM2.5和PM10濃度上升，2016年12月5日在偏北氣流影響下，通風(fēng)量高達(dá)17 244 m2/s，PM2.5、PM10降到52、83 μg/m3，2016年12月6—11日，通風(fēng)量減小，污染物堆積，2016年12月12日、13日通風(fēng)量增大，對(duì)應(yīng)PM2.5、PM10濃度再次降低；2016年12月14—22日，通風(fēng)量維持在較低水平，PM2.5、PM10再次上升，2016年12月24—25日，在西南風(fēng)作用下，通風(fēng)量開始增大，2016年12月25日1:00后，通風(fēng)量超過7 000 m2/s,起到擴(kuò)散污染物的作用，2016年的連續(xù)污染過程結(jié)束。

圖8 污染過程成都PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度小時(shí)變化和通風(fēng)量Fig.8 Variation of the average massive concentration of PM2.5 and PM10 of Chengdu and the ventilation rate during the continuous pollution processes

表1 通風(fēng)量和PM2.5、PM10濃度的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient between ventilation index and PM2.5,PM10

由圖8(b)可見，2019年12月7—10日通風(fēng)量總體較低，PM2.5、PM10濃度升高，2019年12月11日通風(fēng)量達(dá)到短期峰值(10 384 m2/s)，對(duì)應(yīng)PM2.5和PM10濃度降低，2019年12月12日4:00后至12月15日，通風(fēng)量基本維持在5 000 m2/s左右的較低水平，PM2.5和PM10濃度再次升高，2019年12月16日，通風(fēng)量迅速增加，23：00通風(fēng)量達(dá)到最高值18 182 m2/s，PM2.5和PM10分別降至28、40 μg/m3，2019年重污染過程結(jié)束。

綜上所述，顆粒物濃度受通風(fēng)量的顯著影響，通風(fēng)量越大，PM2.5、PM10濃度越小，通風(fēng)量越小，PM2.5、PM10濃度越大。當(dāng)通風(fēng)量躍增，0～3 000 m水平風(fēng)速大于10 m/s，同時(shí)配合降水清除作用，將導(dǎo)致重污染過程結(jié)束。

2.3 HYSPLIT模式后向軌跡分析

2016年和2019年的連續(xù)污染過程主要污染物不同，以成都市區(qū)(30.67°N,104.07°E)為參考點(diǎn)，利用HYSPLIT模式對(duì)氣團(tuán)的后向軌跡進(jìn)行模擬分析，研究大氣污染物的傳輸途徑。2016年12月1日和2019年12月7日為大氣污染過程的開始日期，2016年12月12日為主要污染物發(fā)生改變，2019年12月12日為污染過程中污染物濃度出現(xiàn)低值后的上升過程，以2016年12月1日8:00、12月12日20:00和2019年12月7日、12日8:00的氣團(tuán)后向延伸72 h，軌跡模擬高度為100、500、1 500 m。

2016年12月1日8:00三層氣團(tuán)來(lái)源于西北方向高空，經(jīng)過新疆、青海到達(dá)四川，在成都東北方向回流后到達(dá)成都低層，結(jié)合圖3可以看出，2016年12月1—2日，垂直方向有強(qiáng)烈的下沉氣流，有利于將高層沙塵輸送到低層，12月1—12日污染過程受沙塵氣溶膠影響。12月12日20：00，100、500 m氣團(tuán)來(lái)源于四川東部的局地氣團(tuán)，1 500 m氣團(tuán)來(lái)源于四川西部的局地氣團(tuán)，12月12日后主要污染物為PM2.5。2019年12月7日、12日8:00,1 500 m氣團(tuán)來(lái)自新疆，經(jīng)過青海到達(dá)四川成都，100、500 m氣團(tuán)分別來(lái)自偏東南和偏東局地氣團(tuán)，移動(dòng)距離較短，由重慶輸入到成都。綜上分析，2016年P(guān)M10濃度比2019年高，這跟污染物傳輸方向有關(guān)，2016年100、500、1 500 m氣團(tuán)來(lái)自西北方向，配合垂直方向上的下沉氣流，有利于將北方沙塵輸送到成都，2019年100、500 m的氣團(tuán)分別來(lái)自偏東南和偏東局地氣團(tuán)，與2016年污染物傳輸路徑不同，從而導(dǎo)致主要污染物不同。

3 結(jié) 論

基于PM2.5和PM10質(zhì)量濃度、邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)和HYSPLIT模式等資料，對(duì)成都地區(qū)2016年和2019年兩次連續(xù)顆粒物污染過程的擴(kuò)散條件及污染物傳輸路徑進(jìn)行對(duì)比分析，主要得到以下結(jié)論：

(1) 2016年污染過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，污染物濃度高，12月1—12日，污染過程受北方沙塵氣溶膠的影響，主要污染物為PM10，12月12日后主要污染物為PM2.5；2019年連續(xù)污染過程主要污染物為PM2.5。

(3) 通風(fēng)量是影響污染物濃度的重要因子，通風(fēng)量與PM2.5、PM10呈顯著負(fù)相關(guān)，通風(fēng)量越大，PM2.5和PM10濃度越小，通風(fēng)量越小，PM2.5和PM10濃度越大。當(dāng)通風(fēng)量躍增，0～3 000 m水平風(fēng)速大于10 m/s，同時(shí)配合降水清除作用時(shí)，將導(dǎo)致重污染過程結(jié)束。

(4) 2016年12月1日100、500、1 500 m高度上污染物來(lái)自成都西北方向高層，垂直方向有強(qiáng)烈的下沉氣流，有利于北方輸送來(lái)的沙塵氣溶膠從高層傳輸?shù)降蛯樱?2月12日，100、500、1 500 m高度上污染物來(lái)自四川局地氣團(tuán)；2019年1 500 m高度上污染物來(lái)自成都西北方向，100、500 m高度污染物來(lái)自成都西南和偏西方向，從重慶輸送到成都。2016年、2019年污染物傳輸方向不同，導(dǎo)致主要污染物不同。

綜上所述，高低空環(huán)流配置是污染過程爆發(fā)和消散的重要原因，利用風(fēng)廓線雷達(dá)采集的高分辨率數(shù)據(jù)有利于研究連續(xù)顆粒物污染過程的形成機(jī)制。而利用HYSPLIT模式分析大氣污染物傳輸軌跡，有益于認(rèn)識(shí)污染物的傳輸路徑。