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  暴雨灾害   2016, Vol. 35 Issue (1): 76-83.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2016.01.011

短论

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2016.01.011

第一作者

范元月, 主要从事短期天气预报。E-mail: yc_fanyuanyue@163.com

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收稿日期:2015-10-16
定稿日期:2015-12-20
宜昌一次连续性严重污染过程成因分析
范元月 1,2, 闵锦忠 1, 罗剑琴 2    
1. 南京信息工程大学 大气科学学院, 南京 210044;
2. 湖北省宜昌市气象局, 宜昌 443000
摘要:2015年1月15—16日, 宜昌及周边地区经历了连续性严重污染天气过程。文中利用污染物浓度数据和严重污染时段内气象资料及后向轨迹模型, 分别分析了严重污染天气发生发展过程中的气象条件和污染物源地。分析表明, 细颗粒物浓度(PM2.5, 大气中直径小于等于2.5 μm的颗粒物)具有明显的日变化特征, 峰值一般出现在午夜, 次峰值出现在中午12时前后, 两个谷值分别出现在日出前和下午16—17时。通过与历史气候数据比较发现, 2015年1月14—15日污染物浓度快速上升的时段内, 宜昌站的气象条件表现为明显的相对湿度正距平(10%)以及较大的最大风速负距平(-1m·s-1); 宜昌城区位于地形辐合线影响区域, 有利于细颗粒物的聚集。宜昌站的探空数据表明, 在1月14—15日期间, 垂直方向上, 1 km以下的大气中存在明显的逆温层, 并且相对湿度保持较高的值(80%~90%)。风廓线雷达监测结果表明, 1月14—15日, 边界层顶较低, 边界层以内为小风或静风流场, 且以下沉气流为主。以上气象条件有利于气溶胶的吸湿增长和浓度的聚集。对1月1—20日后向轨迹分析表明, 在宜昌地区, 与4—5日相比, 在15—16日持续性严重污染过程中, 偏南轨迹造成的污染物在本地滞留性、往返性运动更明显, 而且在到达本地之前6 h, 均从城区以东进入, 配合向东开口的喇叭口地形, 更易造成持续性严重污染。
关键词连续性    严重污染    气象条件    边界层    后向轨迹    
Analysis on the cause of a persistent pollution episode of Yichang
FAN Yuanyue1,2, MIN Jinzhong1, LUO Jianqin2    
1. College of Atmospheric Science, Nanjing University of Information Science & Technology. Nanjing 21004;
2. Yichang Meteorological office of Hubei Province, Yichang 443000
Abstract: A persistent heavy haze episode occurred in Yichang during 15 to16 January 2015. Based on the pollutant on centration data and meteorological observation data, using the backward trajectory model, meteorological conditions and source of the pollution during the period were analyzed. The results showed that during the study period, the diurnal variation of PM2.5 (particle matter 2.5 μm or less in aerodynamic diameter) concentration was very significant, being the highest at midnight and noon, and the lowest before sunset around 16-17 PM. The analysis of historical climate data from 1981 to 2010 indicated a large positive anomaly (10%) of relative humidity and a negative anomaly (-1 m·s-1) of wind speed during the study period. The topographic convergence favored the accumulation of aerosols. The sounding data also showed the presence of temperature inversion layers over Yichang and high relative humidity maintained at 80%-90% below 1 km. Hourly averaged wind profile and Cn2 (refractive index structure constant) showed that the formation of the haze event was accompanied with a low atmospheric boundary layer height, and closely related with light wind or calm and downdraft. The above meteorological conditions were favorable for the hygroscopic growth and accumulation of aerosols. The trajectory analysis showed that compared to weather in YiChang from January 4th to 5th, the accumulation and the round trip of pollution at local residence was caused by the South trajectory during haze period from January 15th to 16th. And six hours before reaching the region, the pollution was entering from the east to the city, which is a trumpit-shaped region opening to the east, leading to more severe and persistent pollution.
Key words: persistent    severe contamination    meteorological condition    boundary layer    back-trajectory    
引言

近年来,雾和灰霾(悬浮在空气中的大气气溶胶导致可察觉的能见度下降的一种天气现象[1])出现的频率越来越高。高歌[2]和孙彧等[3]对中国雾、霾的研究分析表明,中国大部地区秋、冬季雾和霾的分布大于春、夏季,冬季霾日最多,东部地区霾集中在长江中下游、华北和华南,全国平均年霾日数呈现明显的增加趋势,人类活动造成的大气污染物增加及天气气候变化是这些地区霾日呈现增加趋势的可能原因。大量排放源排放出一次气溶胶和二次气溶胶的前体物,使大气气溶胶的浓度值增高[4],是城市雾霾天气形成的主因。

众多研究表明,典型的天气形势和气象要素是雾霾形成的主要影响因素。张小曳等[5]对比了2013年1月6—16日之前和期间的欧亚地区地面天气图,指出持续性雾霾天气的气象条件与前期最大的不同是中纬度地区经向型环流较弱,没有明显的冷空气,南方暖湿气流相对增强,中东部地区处于弱的均压区。张人禾等[6]分析了气象条件在2013年1月中国东部地区大范围持续性雾霾天气发生中的作用,结果表明,东亚冬季风偏弱、对流层中低层的异常南风造成的相对湿度增大、水平风垂直梯度的减小、对流层低层的异常逆温为雾霾天气的维持和发展提供了有利的气象条件。Ji等[7]分析了华北地区PM10的观测资料,通过分析气象条件,指出天气形势和长距离输送是灰霾和大气污染主要的形成原因,低风速、逆温层以及低对流层高度使得颗粒物浓度升高。李蔚卿等[8]分析了郑州市2012—2014春节期间燃放烟花爆竹对大气气溶胶几种污染物的影响,结果表明,气象因素对PM2.5和PM10浓度有直接影响,气温、风速与污染物浓度呈反向增减关系,湿度和气压与污染物浓度呈同向增减关系。

由于灰霾主要发生在边界层内,因而边界层内气象条件与灰霾的关系更为密切。郭利等[9]对北京市2007年观测站PM10质量浓度资料和相关气象资料进行了数据分析,结果表明,近地面风速、温度、湿度、气压和边界层高度等气象条件对于可吸入颗粒物的污染程度有着很重要的影响。李菲等[10]利用风廓线雷达分析了广州一次旱季灰霾天气,结果表明,形成灰霾具有三种气象条件:大气边界层高度较低,高压变性出海,偏东和偏南气流带来的高湿度环境导致的气溶胶吸湿增长效应显著。

除了气象条件,污染物的来源也呈现出多样化。许多研究都证实氮、空气颗粒物、酸性气体、重金属以及有机污染物会在同一国家或不同国家的大气中飘移长达数千公里,并在沉降之前相互反应,形成二次污染物。为了解决远程空气污染传输问题,近年来,国内外发展出了多种空气质量模型,分析大气污染时空分布规律、内在机理、成因来源,目前中国应用较多的是嵌套网格空气质量预报系统和WRF-CHEM模式,但是由于中国污染源排放清单的多样化和隐蔽性,使得模型模拟结果缺乏可比性[11]。而从空气污染气象条件预报角度来讲,包含气象条件的后向轨迹模型就可以定性分析出污染物的源地。樊文雁等[12]分析了北京地区雾霾天气下气溶胶垂直分布观测数据,指出雾霾天气细粒子主要来源于局地,表现为时空分布均匀的城市区域污染特征。过宇飞等[13]研究了无锡市霾天气特征,表明无锡市连续10天以上的霾及重度霾,中低空气团的后向轨迹都出现了下沉运动,且气团经过地区为污染浓度较高区域。石春娥等[14]分析了合肥市PM10浓度和后向轨迹之间的关系,发现不同方向后向轨迹对应的PM10平均浓度显著不同,气溶胶的远程输送主要发生在自由对流层,区域输送主要发生在边界层内,移动快的气团不一定对应低浓度的PM10。Han等[15]利用空气质量模式RAMS (Regional Atmospheric Modeling System)-CMAQ(Community Multiscale Air Quality)模拟了2010年12月的华北地区的一次空气污染过程,模拟结果表明,在华北地区,低能见度(小于10 km)主要是在北京、天津、河北和山东地区,敏感性试验表明低能见度主要是由局地污染聚集和长距离输送引起的高浓度的细颗粒物造成的。

如上所述,对雾霾天气的研究历来已久,不同区域的雾霾天气的成因都不尽相同。而2014年冬季以来,江汉平原地区多次发布霾黄色预警信号,特别是2015年1月,宜昌地区重度污染以上的天数达到19 d,居全国首位,其中4—5日、15—16日宜昌城区AQI(空气质量指数,Air Quality Index)日均值大于300,达到严重污染;且从14日09时至17日13时AQI均在200以上,其中15日11时至16日14时,宜昌城区各站点平均AQI均在300以上,严重污染持续28 h,引起广泛关注。为了对宜昌雾霾天气进行预报以及探讨其形成原因,本文分析了2015年1月1—20日宜昌市细颗粒物和气象条件的变化特征,并对持续性严重污染过程的污染物和边界层气象条件的时空分布特征进行详细分析,模拟其后向轨迹,讨论其成因。

1 资料与方法 1.1 资料来源

污染物浓度的观测数据由宜昌市环境监测站提供,本文所用的资料为白龙岗站(30.6981°N、111.2992°E)的细颗粒物地表浓度,其观测时间为2015年1月1日01时—1月21日00时(北京时,下同)。

常规气象参数的观测数据来源于气象站数据,本文用到的是宜昌站(30.70°N、111.30°E)数据, 其中温度、湿度、降水、风速和风向为日均值,历史均值采用1981—2010年30 a平均值,温度和湿度的气象探空资料来自于http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html [2015-04-01],以及1月14—16日NCEP分析资料(FNL)。风廓线雷达位于秭归(30.8300°N、110.9639°E),文中应用了风廓线雷达探测的小时平均资料,包括水平风场、垂直速度和折射率结构常数Cn2

1.2 方法介绍 1.2.1 判定边界层高度的方法

徐桂荣[16]等基于温度廓线和Richardson数将大气边界层分为对流边界层高度和稳定边界层高度,研究了几次探空加密试验的宜昌站稳定边界层结构,表明平均边界层高度具有明显的日变化。同时也指出,由于探空资料中风廓线数据的不连续有时会导致Richardson数法失效,而温度廓线法又由于资料时间密度不够精细而无法研究突变时刻的大气边界层特性。万蓉等[17]对比了风廓线雷达资料与探空资料,表明风廓线资料与探空资料风速廓线形状比较相似。这是用风廓线雷达资料代替探空资料进行加密分析的基础。

张坚[18]等指出,由于边界层内湍流较强, 边界层外湍流较弱, 导致边界层顶附近出现湍流的极大值, 从而使风廓线雷达的折射率结构常数Cn2在边界层顶出现极大值,并比较了从湍流能量角度分析得到的边界层高度与温度廓线法确定的边界层高度,得出二者较为一致。文中应用小时平均的风廓线雷达资料确定边界层高度的方法为:折射率结构常数Cn2出现极大值的高度;在折射率结构常数极大值不明显时,结合风切变的大值区(风速极值法)综合判断。

1.2.2 后向轨迹分析模型

后向轨迹分析采用HYSPLIT-4模型,它是一种欧拉和拉格朗日型混合的计算模式,其平流和扩散的处理采用拉格朗日方法,而浓度计算则采用欧拉方法。可用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹。模式使用全球1°×1°、逐6 h数据插值到正形投影的地图上,模拟时间为世界时。

本文模拟白龙岗(30.6981°N、111.2992°E)的污染物的后向轨迹,垂直分两层,高度分别为500 m、200 m,采用sigma高度分层,模式顶高度10 000 m,后向轨迹时间长度为过去24 h。

2 严重污染过程特征与气象条件分析

宜昌城区白龙岗站逐小时空气质量指数(图 1)显示,2015年1月上中旬,城区多个时次的AQI在300以上,4—5日、15—16日均达严重污染标准,其中部分时次空气质量指数直逼最大值500;另外,考虑到重度以上污染在1月中旬持续时间更长,且14—16日期间AQI存在明显波动,污染物的累积、消散变化更明显,气象因子在污染物浓度变化中的作用更能凸显出来,因此将14—16日作为一个重雾霾过程的个例,进行详细的讨论,在此期间,连续性严重污染指15—16日,污染物浓度快速上升时段指14—15日;分析相关条件的变化时,资料时段扩展到14—17日。

图 1 2015年1月上中旬宜昌白龙岗站逐小时空气质量指数 Fig. 1 Hourly air quality index at Bailonggang station in early to mid January 2015
2.1 污染物的变化特征

对2015年1月上、中旬PM2.5浓度进行日期平均,得出PM2.5的平均日变化特征。从图 2可以看出,PM2.5浓度在一天中表现为双峰型分布,最大值出现在午夜前,从傍晚17时前后浓度开始升高,到23时达到峰值;凌晨开始下降,至8时前后达到谷值以后上升,在中午12时前后是一天中的另外一个峰值,但较午夜的峰值明显较低。

图 2 白龙岗站细颗粒物浓度上中旬日变化特征 Fig. 2 Diurnal variation of PM2.5at Bailonggang station in early to mid January. 2015

从14—17日逐小时细颗粒物浓度演变可以看出,除15日仅有一个高峰期外,其他各日污染物日变化规律与平均日变化规律一致,均是午夜为最大值,凌晨开始下降,08时前后达到谷值以后上升,中午是次高峰,14时后开始下降。在14—16日雾霾天气过程中,污染物浓度有两个突变时刻:在14日09—14时急剧上升、16日14—16时急剧下降,污染物变化速率明显超过均值和其他各日,此外15日全天污染物浓度均维持在较高水平,仅在夜间有一个峰值。

2.2 重雾霾过程气象条件分析 2.2.1 气候背景分析

图 3是2015年1月上、中旬宜昌站观测的温度、湿度、风速和最大风速的日平均值相对历史气候平均值(1981—2010年)的距平。由图中可以看出,温度与历史平均值相比,明显偏高2~5 ℃,表明冷空气活动偏弱, 在1—2日、7—8日、17日降温时段,与空气质量良好日期对应,表明气团更替对改善空气质量有明显作用。由于连日无雨,上、中旬相对湿度较常年同期明显偏低,8日、14—15日与上中旬其他各日相比,宜昌站相对湿度剧增,比历史平均值偏高10%左右。根据Köhler理论,由纯盐粒吸收水分而增大的过程,是由当时的相对湿度大小决定的,因而环境相对湿度对于气溶胶粒子是否吸湿增长成为霾滴或雾滴是非常重要的[19]。这可以部分解释8日、14—15日污染物浓度增长的原因。风速与历史平均值相比,除1日、14日较历年同期略偏大0.2 m·s-1外,其余各日均偏小,尤其在8日、15日,相对湿度正距平的时间点处,日平均风速偏小0.6~1.0 m·s-1,而最大风速则偏低1.0~2.0 m·s-1, 因此风场不利于污染物的水平扩散。

图 3 2015年1月上中旬宜昌站观测的温度、相对湿度、风速和最大风速的日平均值与相应的历史气候平均值的距平 Fig. 3 Time series of the anomaly of observed daily averaged temperature, relative humidity, wind speed, and maximum wind speed compared to historical climate means at Yichang station in early to mid January 2015
2.2.2 天气条件分析

分析1月14—16日环流形势,发现500 hPa(图略)中纬度是平直的纬向环流,无明显冷空气扩散南下和槽前上升运动;850 hPa(图 4a)为弱的高压环流,并且宜昌也位于相对湿度大值区;地面图(图略)为高压环流控制本地,气压梯度很小,在这种环流形势控制下,会出现污染物的汇聚,而其周边流场对本区域污染物有输送作用[20];更为明显的是,在加密自动站风场(图 4b)上可以看到城区附近有一条西北—东南向辐合线,城区以东为1~2 m·s-1偏东风,城区及以西为静风或弱的偏西风;结合地形高度可以看出,辐合线的形成与向东开口的喇叭口地形关系密切。这种水平辐合风场与地形的分布,使得14日上午污染物在宜昌城区汇聚,细颗粒物浓度迅速升高。

图 4 2015年1月14日08时850 hPa风场(单位:m·s-1)及相对湿度(阴影区,单位:%)叠加(a)、地形高度(阴影, 单位:m)及加密自动站风场(单位:m·s-1)叠加(b) Fig. 4 Spatial distribution of (a) 850 hPa relative humidity (shaded area, unit: m·s-1) and wind field (shaded area, unit: %), and (b) terrain (shaded area, unit: m) and automatic station wind field(unit: m·s-1) at 08: 00 BT 14 January 2015

图 5中可以看到,1月14日08时大气层底部开始出现浅薄的逆温层,温度差约有1.4 ℃,20时逆温层更明显,温度相差约有2.4 ℃,逆温层稳定存在持续到17日08时。由以上描述可以看出,持续的逆温层使得大气处于稳定的状态,不利于污染物的扩散。对于相对湿度的垂直分布,同样,在1月14日08时和20时、15日08时和20时、16日08时, 1 km以下的大气层都呈现较高的湿度(70%~90%),尤其在14日08时,1 km以下相对湿度均为88%~89%,对应14日08—14时污染物的快速增长,这说明在垂直方向上较深厚的大气都在连续几天保持着较高的湿度,这有利于气溶胶的吸湿增长;另外14日20时、16日20时相对湿度低于60%,这说明了这是一次典型的雾霾混合过程。并且从温度廓线时间序列图中可以看出,在夜间辐射冷却导致逆温层形成,使得污染物在近地面层大量集聚,而且在此时间段内,恰逢水平扩散条件不好(地面呈辐合场),使得太阳辐射更难达到地面,进一步减弱白天的热对流作用[21]。因此,分析认为垂直扩散条件不好是这次严重污染过程形成的重要原因之一。除此以外,李兰等[22]分析了三峡坝区边界层内逆温层的风场和温度场,表明边界层逆温出现的频率高,它的形成与边界层内地面摩擦的日变化、地形斜压性与温度层结因子有关。进而说明,宜昌地区气候特征不利于污染物的垂直扩散,这是一种局地气候现象。

图 5 2015年1月13—17日08时和20时宜昌站观测的温度(a)和相对湿度(b)的垂直分布 Fig. 5 Vertical distributions of (a) temperature and (b) relative humidity at 08:00 BT and 20:00 BT during 13-17 January 2015 at Yichang station
2.2.3 边界层演变对严重污染过程形成的影响

图 6是14日08时—17日20时风廓线雷达监测的小时平均的水平风、垂直速度以及Cn2指数,图中等值线显示了Cn2 ≥-160的范围,从Cn2指数结合风的垂直切变来看,14—17日,大部分时段边界层顶高度均低于800 m,仅有16日00—20时、17日07—14时,边界层顶高度位于1 500 m左右。

图 6 015年1月14日08时—17日20时小时平均风廓线(风矢量表示水平风,单位:m·s-1;阴影表示垂直速度,单位:cm·s-1)及Cn2 (等值线为Cn2 ≥-160范围) Fig. 6 Hourly averaged wind profile (vector is horizontal wind, unit: m·s-1; shaded area is vertical velocity, unit: cm·s-1) and Cn2 (contour line) from 08:00 BT 14 January 2015 to 23:00 BT 17 January 2015

从水平风监测可见,14—17日期间,边界层高度以下大部分时段水平风均低于2.0 m· s-1,仅有3个时次增大,分别为:14日14—21时略增大至4 m· s-1,16日14—20时增大至6 m· s-1、17日07—12时增大至8 m· s-1。说明在这三个时段内边界层内水平方向的扩散条件较好。

从垂直风监测可见,较明显的上升气流出现时段为14日午后,出现厚度约为500 m的上升气流区,且上升气流速度均大于0.2 m· s-1,表明上升运动强烈、较厚,其它时段以下沉气流为主;较明显的下沉气流出现的时段为15日下午、16日13—20时,出现厚度200 m的下沉气流,17日14—17时出现厚度500 m的下沉气流。

从风廓线雷达监测结果(图 6表 1)和细颗粒物浓度变化可见,在颗粒物浓度上升的时段内,14日上午、15日白天边界层顶低,且边界层内水平方向、垂直方向上均不利于污染物扩散;16日傍晚到午夜,边界层内污染物垂直累积速度远大于水平扩散速度,使污染物在近地面堆积;17日傍晚到夜间,垂直方向上为整层下沉气流,边界层内水平风小,污染物在垂直方向上堆积、水平方向无法扩散,这对应了17日夜间污染物浓度的快速上升。

表 1 14—17日细颗粒物气象扩散条件分析 Table 1 Effect of meteorological diffusion conditions on the concentration of PM2.5 during 14-17 January 2015

从天气条件分析可知,在15—16日严重污染天气形成过程中,由于地形辐合线、逆温层的出现形成了雾霾天气,而低的边界层高度、边界层整层下沉气流、气溶胶粒子的吸湿增长作用加速了雾霾天气的形成,当边界层高度升高、水平及垂直扩散条件明显好转时,污染物浓度迅速下降。

天气条件的分析解释了雾霾天气的形成及发展的气象条件,但是,连续性严重污染过程的形成除了天气条件外,污染物的来源以及输送也是研究雾霾天气形成机制的重要方面。为研究宜昌地区此次过程中污染物随气象条件的变化规律,解释污染物输送的形成机制,下面利用NOAA HYSPLIT模型对此次重污染过程的污染物来源进行分析。

3 污染物轨迹分析

根据污染物浓度分析可知,细颗粒物浓度最高值多在午夜,因此本文计算后向轨迹的开始时间为每天的北京时间00时(图中显示为世界时前一天的16GMT);根据风廓线雷达图分析结果,边界层高度较低,考虑到边界层内的扩散和混合,后向轨迹分析高度取500 m、200 m,对应于该地区的边界层中上部、中下部。

应用NOAA HYSPLIT模型模拟14—17日00时白龙岗站24 h后向扩散轨迹(图 7)。粒子在到达白龙岗站之前6 h内,200 m高度污染物均从偏东方向扩散到达,说明在14—17日期间,城区以东的污染源对夜间峰值的形成起到了明显的增幅作用。在粒子达到本站前6~24 h,14—15日(图 7b7c)粒子均来自偏南方向,13日(图 7a)从东北方向进入、16日(图 7d)从偏北方向进入,相对而言,偏北、东北路径较偏南路径更平直。另外,值得注意的是,在到达本站前,由于地方区域环流的作用,污染物均有区域性小尺度滞留性运动,尤其在14日00—12时(图 7b)、15日12时—16日00时(图 7c),水平方向上还存在小尺度的往返运动。在前期已经出现雾霾天气的基础上,这种滞留性、往返性运动会加剧雾霾天气的程度,这两个时段均对应了白龙岗站细颗粒物浓度的升高。

图 7 2015年1月14日00时(a)、15日00时(b)、16日00时(c)、17日00时(d)白龙岗24 h200 m(蓝线)和500 m(红线)后向轨迹分析 Fig. 7 Backward trajectory of 200 m(blue line) and 500 m(red line) analysis at 00:00 BT (a) 14, (b) 15, (c) 16, and (d) 17 January. 2015 at Bailonggang station

在垂直方向上,13日00时—15日00时污染物均在500 m以下高度扩散;15日00时—17日00时污染物有明显的垂直振动,在15日00—14时出现下沉运动,这是反气旋控制的结果,14—20时,由于低层扰动增加,200—500 m出现污染物上升运动,15日21时— 16日00时出现下沉运动,这与风廓线雷达分析结果大致相同;16日00—14时,污染物突破边界层抬升至自由大气,08时前后抬升至2 500 m高度,至20时以后,为微弱的下沉运动。

作为对比,对上旬另外一次严重污染过程进行后向轨迹分析,如图 8所示,结果表明,污染物在3—5日(图 8a-c)均从西南方向进入,均在1 500 m以下高度扩散,这与14—15日基本一致。1月5日(图 8d)污染物来自偏北方向,在水平方向上轨迹较其他各日更长,且垂直方向跨度大,24 h内最高达到3 km高度。

图 8 2015年1月3日00时(a)、4日00时(b)、5日00时(c)、6日00时(d)白龙岗24 h 200 m(蓝线)和500 m(红线)后向轨迹分析 Fig. 8 Backward trajectory of 200 m(blue line) and 500 m(red line) analysis at 00:00 BT (a)3, (b) 4, (c) 5, and (d) 6 January 2015 at Bailonggang station

根据3—5日及14—16日细颗粒物浓度的变化及污染物轨迹图可知,两次过程相似之处在于:(1)偏南路径水平轨迹结构复杂,基本都有围绕本地打圈、拐弯,在水平方向上轨迹较短,在垂直方向上跨度不大,24 h基本上都在1 500 m以下,这说明,在偏南路径下,影响本地的气团在过去24 h一直在边界层缓慢运动,有利于污染物的累积。(2)来自偏北的轨迹水平方向较长,且比较平直,结构简单,在垂直方向上跨度大,存在明显的先上升后下沉的过程。这说明造成本地大气污染的来自偏北的气团在到达本地之前首先是从源地上升到自由对流层,在自由对流层内向下游输送,因而速度较快,到达本地上空后在垂直混合和下沉运动的作用下进入边界层内。

另外,这两次过程中也存在明显的不同,15—16日粒子在到达白龙岗站之前6 h内,200 m高度污染物均从偏东方向扩散到达,与宜昌地区向东开口的喇叭口地形(图 4b)结合,更有利于污染物的累积、持续上升,城区以东污染源的叠加,使得15—16日雾霾更严重、污染物浓度峰值更大。

对两次过程的后向轨迹分析表明,偏北轨迹输送条件下形成的高浓度大气污染是由于长距离输送的结果,而在偏南和偏东轨迹输送条件下形成的高浓度大气污染是由区域地方性污染物质点徘徊累积的结果。其中以偏南轨迹形成的重雾霾天气持续时间更长,而偏北轨迹造成的污染物累积速度更快。15—16日期间形成的污染更严重,这与向东开口的喇叭口地形和城区以东的污染源关系密切。

4 结论

通过对上中旬宜昌城区污染物变化分析表明,平均颗粒物浓度的分布具有明显的日变化特征。连续性严重污染过程的形成与天气条件密不可分,由于地形辐合线、局地气候逆温层的出现形成了连续性严重污染过程;而低的边界层高度、边界层整层下沉气流、气溶胶粒子的吸湿增长作用加速了雾霾天气的形成,当边界层高度升高、水平及垂直扩散条件明显好转时,污染物浓度迅速下降。通过污染物后向轨迹分析发现,与3—5日相比,15—16日同样出现了偏南轨迹的区域地方性污染物累积和偏北轨迹的长距离输送,但是15—16日污染物偏南轨迹的滞留性、往返性运动更加明显,区域地方性污染物质点徘徊累积是连续性严重污染过程形成的主要原因,向东开口的喇叭口地形配合城区以东污染源近距离输送,对15—16日期间峰值的形成起到了明显的增幅作用。

5 讨论

文中仅分析了两次连续性严重污染天气,分析了发生连续性严重污染形成的天气条件及污染物的来源,解释了连续性严重污染天气的形成原因。但由于样本数较少,并未得出预报指标。后期将增加时间序列,并与周边地区对比分析,得到更有意义的预报服务指标。

后向轨迹分析表明,两次严重污染过程污染源不同,15—16日期间污染物峰值的形成是由于城区以东污染源向西输送造成的,这与调查结果非常一致。但是外源性污染和本地污染各自所占比重仅用后向轨迹分析并不能明确,这关系到空气质量的预报着眼点以及控制污染所需要采取的措施,这还需要更多的数据支持,也是后期需要研究的重点。

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