大氣環(huán)流10～25 d振蕩對(duì)佛山市冬半年空氣質(zhì)量的影響*

黃靜，樊琦，簡(jiǎn)茂球，司徒淑娉，鄧思欣

1. 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/季風(fēng)與環(huán)境研究中心/廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海 519082

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519082

3. 佛山市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣東 佛山 528000

珠江三角洲（簡(jiǎn)稱珠三角）是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、城市化水平最高的三大城市群之一。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展造成所排放的大氣污染物急劇增加，由此也產(chǎn)生了諸多復(fù)雜的大氣污染過(guò)程和問(wèn)題［1-2］。觀測(cè)表明，近年來(lái)珠三角地區(qū)的臭氧污染日趨嚴(yán)重［3-6］，且臭氧已成為該地區(qū)首要污染物之一［7］。事實(shí)上，空氣質(zhì)量的好壞不僅與污染物的排放有關(guān)，還與（天氣）氣象條件密切相關(guān)［7-10］，如臭氧濃度超標(biāo)多出現(xiàn)在晴空少云、日照充足、氣溫較高、相對(duì)濕度和風(fēng)速較小的天氣。有研究表明，大氣污染物濃度具有多種顯著的周期變化，如華北上空PM2.5濃度呈4～7 d 的周期性變化［11-13］。此外，李梓銘等［13］分析北京城區(qū)PM2.5變化周期時(shí)發(fā)現(xiàn)其還存在1、14 和40～60 d 的明顯周期性。紀(jì)忠萍等［14］對(duì)2002 年11 月～2004 年9 月廣州市逐日空氣污染指數(shù)和污染物濃度的周期分析也揭示出準(zhǔn)單周、準(zhǔn)雙周和30～60 d 的周期性變化，且冬半年污染物濃度較夏半年高，進(jìn)一步證實(shí)了大氣環(huán)流多尺度過(guò)程對(duì)污染天氣周期性變化的影響。珠三角地區(qū)位于季風(fēng)氣候區(qū)，大氣環(huán)流和氣象要素變化具有多種顯著周期，其中準(zhǔn)雙周和30～60 d 是兩種顯著的季節(jié)內(nèi)振蕩周期［15-17］，且以前者為主。

目前對(duì)珠三角地區(qū)空氣污染物濃度變化的周期性分析比較缺乏，特別是對(duì)大氣環(huán)流及氣象要素周期變化與大氣污染物濃度周期變化的超前滯后關(guān)系，以及大氣環(huán)流低頻振蕩如何影響污染物濃度的過(guò)程尚不清楚。為此，本文以珠三角佛山市作為典型研究對(duì)象，基于2016年10月～2017年3月佛山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站的污染物濃度及空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI），試圖揭示該地區(qū)污染情況的周期變化規(guī)律及其與大氣環(huán)流演變之間的聯(lián)系，特別是在低頻振蕩周期上的聯(lián)系，探討相關(guān)的影響過(guò)程及機(jī)理。另外，選擇冬半年，是因?yàn)槎肽晡廴疚餄舛认鄬?duì)較高，污染較為嚴(yán)重。2016 年10 月～2017年3月佛山空氣質(zhì)量有2 d屬重度污染，AQI=200～300；4 d屬中度污染，AQI=151～200。

1 資料和方法

1）佛山市8 個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站日平均空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）值，PM2.5、臭氧（O3）的濃度（均指質(zhì)量濃度），并以8個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)平均值代表整體狀況。

2）歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）提供的ERA-Interim 逐日風(fēng)場(chǎng)及地表氣壓資料［18］，分辨率為1.5°×1.5°。所用資料時(shí)段均為2016 年10 月1 日至2017 年3 月31 日。本文進(jìn)行帶通濾波所用的方法為一階Butterworth 帶通濾波方法［19］。此外，取兩地點(diǎn)（22.5°N，112.5°E 和22.5°N，114°E）的地表氣壓平均值近似代表佛山市的氣壓。

2 空氣質(zhì)量和大氣環(huán)流的功率譜分析

對(duì)2016年10月～2017年3月佛山市逐日PM2.5濃度以及地表氣壓作功率譜分析，發(fā)現(xiàn)它們的顯著變化周期均為10～25 d（如圖1）。另外，對(duì)AQI和臭氧濃度的功率譜分析顯示，它們的顯著變化周期也是10～25 d（圖略）。結(jié)果表明大氣環(huán)流場(chǎng)與佛山市的空氣質(zhì)量等變量的周期變化具有高度的一致性。圖2給出了佛山市的AQI、PM2.5和O3濃度距平（相對(duì)于時(shí)段平均值的距平）曲線及對(duì)應(yīng)的10～25 d 濾波分量。由圖可知，各要素的原始距平曲線和濾波曲線是非常吻合的，這進(jìn)一步證實(shí)佛山市空氣質(zhì)量要素的時(shí)間變化在研究時(shí)段具有顯著的10～25 d振蕩特征。

圖1 2016年10月～2017年3月佛山市逐日PM2.5濃度（a）和地表氣壓（SP）（b）的功率譜Fig.1 Power spectra of daily PM2.5 concentration(a)and surface pressure(b)in Foshan from October 2016 to March 2017

圖2 2016年10月～2017年3月佛山市逐日空氣質(zhì)量要素距平曲線Fig.2 Time series of daily anomalies of air quality variables in Foshan from October 2016 to March 2017

為了進(jìn)一步了解氣壓和空氣質(zhì)量周期變化的位相匹配特征，我們計(jì)算了佛山市地表氣壓和PM2.5濃度的超前-滯后的相關(guān)系數(shù)（圖3）。結(jié)果表明，無(wú)論是基于原始資料還是10～25 d 濾波分量，地表氣壓的變化在超前PM2.5濃度4～5 d具有最顯著的正相關(guān)，而在氣壓落后PM2.5濃度2～3 d有顯著的負(fù)相關(guān)，但最顯著的負(fù)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值要小于最顯著的正相關(guān)系數(shù)。換言之，當(dāng)?shù)乇須鈮撼霈F(xiàn)峰值時(shí)，那么4～5 d 后PM2.5濃度也將達(dá)到最大值，反之亦然。對(duì)地表氣壓和AQI、臭氧濃度分別作超前-滯后相關(guān)分析，也得出類似的結(jié)果（圖略）。這些結(jié)果表明地表氣壓的逐日變化對(duì)空氣質(zhì)量及污染物濃度的變化是一個(gè)非常好的潛在預(yù)測(cè)因子，也說(shuō)明大氣環(huán)流的變化可能影響著空氣質(zhì)量的變化，具體影響過(guò)程將在下一節(jié)討論。

圖3 佛山市地表氣壓與PM2.5濃度的原值和10～25 d分量的超前-滯后相關(guān)曲線Fig.3 Lead correlation coefficients between SP and raw PM2.5concentration,10-25-day component of PM2.5,respectively

3 大氣環(huán)流10～25 d 振蕩對(duì)空氣質(zhì)量的影響過(guò)程

基于上一節(jié)的地表氣壓分別和PM2.5濃度、AQI及O3濃度之間的超前-滯后相關(guān)關(guān)系，我們根據(jù)佛山市PM2.5濃度的10～25 d 濾波曲線（圖2b），可以劃分出絕對(duì)值超過(guò)一倍標(biāo)準(zhǔn)差的7 次極大值（峰值）和6 次極小值（谷值）出現(xiàn)的時(shí)間如表1 所示。然后以峰值出現(xiàn)時(shí)間為參考時(shí)間0 d，分別找出其之前由負(fù)轉(zhuǎn)為正的負(fù)值出現(xiàn)日期（定義為位相1），以及峰值前后的e折時(shí)間（即峰值前后最接近峰值的1/e 倍（e 為自然數(shù)）的數(shù)值對(duì)應(yīng)的日期，分別代表峰值過(guò)程的發(fā)展位相和衰減位相），并分別定義為位相2 和位相4，而峰值日期本身則定義為位相3，因此位相1～4 分別表示峰值過(guò)程的轉(zhuǎn)換位相、發(fā)展位相、成熟位相和衰減位相。對(duì)谷值過(guò)程可類似去找出其位相1～4的對(duì)應(yīng)日期。平均而言，峰值演變過(guò)程的位相1～4 分別出現(xiàn)在峰值前4.3、2.6、0 d 及峰值后3.3 d；而谷值演變過(guò)程的位相1～4 則分別出現(xiàn)在谷值前的4.5、3、0 d 及谷值后2.5 d。依據(jù)上述劃分得到的4 個(gè)位相對(duì)應(yīng)時(shí)間，可分別合成峰值和谷值過(guò)程4 個(gè)位相對(duì)應(yīng)的10～25 d濾波大氣環(huán)流場(chǎng)，以探討大氣環(huán)流10～25 d振蕩的演變特征及其對(duì)佛山市空氣質(zhì)量的影響過(guò)程。

表1 PM2.5濃度10～25 d分量的極值日期Table 1 Extremum date of 10-25-day component of PM2.5 concentration

圖4 和圖5 分別給出了以佛山市PM2.5濃度的10～25 d 振蕩峰值過(guò)程合成的地表氣壓、低層風(fēng)場(chǎng)和垂直運(yùn)動(dòng)的10～25 d 分量的時(shí)間演變。在位相1，即峰值前4～5 d，地表氣壓10～25 d 分量的高壓系統(tǒng)位于日本到中國(guó)南方一帶，其中心軸線呈東北-西南走向，與冬季影響我國(guó)東部的鋒面系統(tǒng)的空間走向有非常好的一致性，華南受高壓中心控制（圖4a），并在上述地表高壓中心帶及其北側(cè)上空伴隨有下沉運(yùn)動(dòng)和偏北風(fēng)（圖5a），表明華南上空的大氣層結(jié)較穩(wěn)定及晴空少云，這種大氣環(huán)流背景不利于空氣污染物的擴(kuò)散及稀釋，卻有利于接收太陽(yáng)光照及污染物的生成［7-9］，且華南上空的北風(fēng)分量還有利于將北側(cè)的污染物向南輸送，因此在排放源不變的背景下，可使得佛山市的大氣污染物如O3和PM2.5等濃度上升以及空氣質(zhì)量變差。在2 d 后的發(fā)展位相（位相2），東亞的地表高壓系統(tǒng)中心帶南移，華南沿海地區(qū)仍然受高壓系統(tǒng)覆蓋，并在我國(guó)北方又有準(zhǔn)雙周變化分量的低壓系統(tǒng)出現(xiàn)及南移（圖4b），我國(guó)南方上空維持有偏北風(fēng)及下沉運(yùn)動(dòng)（圖5b），這種大氣環(huán)流背景可使佛山市的大氣污染物濃度上升以及空氣質(zhì)量變差狀態(tài)得以維持。到峰值位相（位相3），東亞地表高壓系統(tǒng)向東南移動(dòng)入海，北方的低壓系統(tǒng)同時(shí)南移覆蓋我國(guó)東部地區(qū)，南邊界（零線）移到南海北部（圖4c），此時(shí)，華南上空為偏東風(fēng)控制，下沉運(yùn)動(dòng)明顯減弱（圖5c）。這種環(huán)流背景已轉(zhuǎn)向有利于空氣污染物的稀釋凈化以及空氣質(zhì)量的好轉(zhuǎn)，這也正好對(duì)應(yīng)著佛山市污染物濃度及AQI指數(shù)達(dá)到峰值的時(shí)間。在峰值后約3 d 的衰減位相（位相4），我國(guó)南方地區(qū)為低壓系統(tǒng)所覆蓋（圖4d），其上空伴隨有上升運(yùn)動(dòng)及偏南風(fēng)（圖5d），大氣環(huán)流條件繼續(xù)有利佛山市空氣質(zhì)量的好轉(zhuǎn)?？梢?，大氣環(huán)流的10～25 d 振蕩對(duì)佛山市冬半年的空氣質(zhì)量具有顯著的影響。

圖4 佛山市PM2.5濃度極大值過(guò)程合成的地表氣壓10～25 d分量（單位：10 Pa）Fig.4 Composited 10-25-day component of surface pressure(units:10 Pa)during Phase 1 to Phase 4 for the maximum cases of PM2.5 concentration,respectively

圖5 同圖4，但為10～25 d濾波的850 hPa風(fēng)場(chǎng)和700 hPa 的p坐標(biāo)垂直速度Fig.5 Same as Fig.4,but for the 10-25-day component of 850 hPa wind and 700 hPa p-velocity

以佛山市PM2.5濃度的10～25 d振蕩谷值過(guò)程合成的地表氣壓、850 hPa風(fēng)場(chǎng)和700 hPa垂直運(yùn)動(dòng)的10～25 d分量的時(shí)間演變?nèi)鐖D6和圖7所示。在谷值前4～5 d 的位相1，地表氣壓場(chǎng)的低壓系統(tǒng)覆蓋南亞和東亞大部分地區(qū)，中心位于華南地區(qū)（圖6a），我國(guó)東部上空為偏南風(fēng)及上升運(yùn)動(dòng)控制（圖7a），此時(shí)華南地區(qū)上空的偏南風(fēng)及上升運(yùn)動(dòng)容易導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)陰雨天氣，有利于空氣中污染物的稀釋凈化和空氣質(zhì)量的好轉(zhuǎn)。到位相2，東亞的低壓南移至華南和南海北部，長(zhǎng)江以北地區(qū)為地表高壓系統(tǒng)控制（圖6b），華南（包括佛山市）上空繼續(xù)維持上升運(yùn)動(dòng)及偏南風(fēng)（圖7b），大氣環(huán)流條件繼續(xù)有利佛山市空氣質(zhì)量的好轉(zhuǎn)。到谷值位相（位相3），我國(guó)東部已完全受南移的高壓系統(tǒng)控制（圖6c），長(zhǎng)江以北地區(qū)出現(xiàn)偏北風(fēng)和下沉運(yùn)動(dòng)，而華南上空的偏南風(fēng)及上升運(yùn)動(dòng)減弱甚至在佛山市及附近地區(qū)上空出現(xiàn)弱下沉運(yùn)動(dòng)（圖7c），此時(shí)的環(huán)流形勢(shì)將不再有利于佛山市地區(qū)空氣污染物繼續(xù)凈化，這也正好對(duì)應(yīng)著污染物濃度及AQI指數(shù)達(dá)到谷值的時(shí)間。在谷值后約3 d 的位相4，我國(guó)南方為地表高壓系統(tǒng)控制（圖6d），華南沿海地區(qū)上空為下沉運(yùn)動(dòng)及偏西風(fēng)（圖7d），大氣環(huán)流條件開始有利于佛山市大氣污染物濃度的升高和空氣質(zhì)量的變差。

圖6 同圖4，但為極小值過(guò)程合成結(jié)果Fig.6 Same as Fig.4,but for the minimum cases

圖7 同圖5，但為極小值過(guò)程合成結(jié)果Fig.7 Same as Fig.5,but for the minimum cases

根據(jù)上述圖4～7 的結(jié)果，只要在高壓/低壓控制下，佛山市的空氣質(zhì)量便持續(xù)變差/好，且污染物峰值出現(xiàn)在高壓轉(zhuǎn)為低壓時(shí)，谷值則出現(xiàn)在低壓轉(zhuǎn)為高壓控制時(shí)。這表明佛山市的大氣污染物可能更多是來(lái)源于局地，也因此而導(dǎo)致污染物濃度的增加/降低主要取決于局地的大氣擴(kuò)散條件，而外來(lái)污染物輸入的影響可能是次要的。

4 結(jié) 論

本文基于2016年10月～2017年3月冬半年佛山地區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)、PM2.5及臭氧濃度數(shù)據(jù)，以及ERA-Interim 再分析大氣環(huán)流資料，分析了它們的顯著變化周期以及大氣環(huán)流對(duì)空氣質(zhì)量的影響過(guò)程，得到以下一些結(jié)論：

1）大氣環(huán)流、空氣質(zhì)量指數(shù)及污染物濃度具有10～25 d 的顯著周期變化。地表氣壓的逐日變化超前空氣質(zhì)量指數(shù)及污染物濃度變化4～5 d，前者可作為空氣質(zhì)量一個(gè)有效的潛在預(yù)測(cè)因子。

2）冬半年，當(dāng)東亞區(qū)域大氣環(huán)流的10～25 d分量，包括地表的高壓系統(tǒng)、低層的偏北風(fēng)以及伴隨的下沉運(yùn)動(dòng)自北向南及東南移動(dòng)至華南地區(qū)，使得華南地區(qū)的大氣層結(jié)較穩(wěn)定，容易出現(xiàn)晴空少云天氣，有利于空氣污染物的光化學(xué)反應(yīng)以及不利于污染物的擴(kuò)散，而導(dǎo)致污染物濃度升高以及空氣質(zhì)量變差。當(dāng)上述系統(tǒng)移出華南陸地，及其北側(cè)南移低壓系統(tǒng)及上升運(yùn)動(dòng)的到來(lái)，佛山市的空氣質(zhì)量開始好轉(zhuǎn)。

3）在冬半年，當(dāng)10～25 d 分量的地表低壓系統(tǒng)、低層的偏南風(fēng)以及伴隨的上升運(yùn)動(dòng)自北向南及東南移動(dòng)至華南地區(qū)，使得華南的大氣層結(jié)較不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)陰雨天氣，有利于空氣中污染物的凈化和稀釋，而導(dǎo)致空氣污染物濃度降低以及空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)。隨著低壓系統(tǒng)的減弱南移以及自北邊向南移動(dòng)的高壓系統(tǒng)的到來(lái)，華南的空氣質(zhì)量又開始變差。