珠江三角洲地区(以下简称珠三角地区)是我国经济发展最快、城市群最为密集的地区之一.改革开放以来，随着经济的迅速发展，珠三角地区的空气质量逐步变差，灰霾天气现象增多，1997年灰霾天数高达208 d，达到历史的最高值.自此之后，珠三角地区各级政府采取了比较严格的污染控制措施，空气质量逐步改善，2004年灰霾天数为131 d，为2000年以后的峰值.对珠三角地区空气质量变化特征，许多学者分别从不同角度进行过比较深入的研究.吴兑等(2005a；2005b；2006a；2006b；2007；2008；2009；2011；2012)和Tie等(2004)的研究表明，珠三角地区的灰霾天气主要出现在干季，细颗粒对人类的污染为珠三角地区灰霾天气的主要成因，夏秋季的光化学污染也是重要的来源.灰霾天气除严重影响能见度外，对人类健康也有重要的影响.研究人员分别采用观测实验、资料分析、数值模拟等手段研究了珠三角地区天气系统、大气输送、边界层气象条件、城市间空气污染相互影响等对区域空气质量的影响，建立了珠三角地区大气边界层概念模型，定性或半定量地给出了出现灰霾现象的典型天气型、大气输送条件、边界层气象特征、城市间相互输送的贡献率(范绍佳等，2005；Ding et al., 2004；李明华等，2008；王淑兰等，2005；陈训来等，2007；2008；邓涛等，2012；谢敏等，2012).

广州于2010年成功举办了第16届亚运会，亚运会之后空气质量又有所反弹，2011年10月18日—25日珠江三角洲地区又出现一次比较严重的区域性空气污染过程.本文收集了这次区域性空气污染过程的空气质量资料和同期的气象条件资料，研究这次区域性空气污染过程的主要特征和气象成因.

空气质量资料来源于粤港珠江三角洲区域空气监控网络公布的区域空气质量指数(RAQI)，颗粒物浓度资料为广州番禺气象局大气成分站的逐时PM₁₀资料.其中，RAQI是综合了SO₂、NO₂、PM₁₀、O₃ 4种主要污染物的污染总量水平，用来衡量珠三角区域空气质量的综合指数.RAQI共分为5个等级，其值在2~3之间代表该级别地区内有个别污染物浓度接近或超过国家环境空气质量二级标准，在3~4之间代表该级别地区内普遍有污染物浓度超过国家环境空气质量二级标准.

地面气象资料主要来源于广州番禺气象局，包括逐时的风速风向、能见度、湿度、温度资料.天气图、高空探空资料则来自于中国气象局和香港科技大学有关网站(http://envf.ust.hk).此次污染过程的发生时间为2011年10月18—25日，资料收集的时间范围为2011年 10月10—30日.

图 1给出了此次污染过程珠三角地区东湖(江门)、万顷沙(南沙)、麓湖(广州)、南城(东莞)、荃湾(香港)5个代表站点10月10—30日的RAQI时间序列变化图.从图 1可见，在18—25日的污染过程中，5个站点的RAQI明显大于其他时段.荃湾站RAQI一直维持在较低水平，万顷沙站RAQI维持在较高水平.位于珠江口西部的东湖和万顷沙站，在此次污染过程中RAQI总体要比其他三站大.珠江口西部东湖的RAQI在23日后明显下降，而珠江口北部麓湖和东部南城两站的RAQI在23日明显增大，万顷沙、荃湾站的RAQI变化不大.这反映出此次污染过程中，重污染区域开始时集中在珠三角西部，而后向中部转移的特点.

图 1(Fig. 1)

图 1 2011年10月珠三角地区代表站点RAQI变化曲线 Fig. 1 Variation of RAQI at typical sites over PRD in October 2011

图 2给出了2011年10月17—25日期间珠三角RAQI的空间分布.从图 2可以看出，17日珠三角西南部地区已经开始出现三级轻污染；19日几乎整个珠三角地区都出现三级污染，中部南沙、佛山局部地区已出现四级污染；20日四级污染地区扩展到西北部的肇庆和佛山大部分地区；22日四级污染地区向西南和中部扩大，江门、佛山、肇庆、中山大部分地区及广州和东莞部分地区均为四级污染，重污染范围为此次污染过程最大.整个珠三角地区由西到东呈现出污染形势由重到轻的分布特征.24日后四级污染地区开始减小，污染中心向珠江口移动；25日四级污染区域移到了东莞、南沙和中山西北部的珠江口地区；26日受强冷空气影响，三、四级污染已全部清除，珠江口北部地区RAQI达到一级，南部为二级，空气质量良好，污染过程结束.

图 2(Fig. 2)

图 2 2011年10月17—26日污染过程中珠三角地区空气污染的空间分布 Fig. 2 Distribution of RAQI over PRD during the pollution process in 17—26 October 2011

研究表明，在污染源一定的情况下，珠三角地区发生大范围重污染，天气形势起到了重要的作用；冷空气来临前会形成回暖区，通常容易产生严重污染(陈朝晖等，2007；Matthew Rigby et al., 2008).

图 3给出了此污染过程中10月18、20、23、25日14:00的东亚地区地面天气图.从图 3可以看出，10月18日，我国东南部大面积受高压控制，珠三角地区位于高压的底部，气压梯度较小，风向偏东北，风速较小.20日，陆地高压继续沿西南而下，珠三角地区在变性高压脊的控制下，处于空气的下沉区，等压线较平缓，多静小风，输送扩散条件较差.23日，我国西南部出现低压，并往东北方向延伸.高压北移，珠三角地区受两低压槽的共同影响.24日低压剧烈发展，在珠江口北部与高压相接，冷暖气团交汇，地面出现一条强冷锋，并向东南方向移动.25日冷锋已经越过珠江口地区，锋后为强劲的偏北气流，大风清洁过程会明显改善空气质量.

图 3(Fig. 3)

图 3 2011年10月18、20、23、25日东亚地区地面天气图 Fig. 3 Weather chart of 18，20，23 and 25 October 2011 in East Asia

图 4为10月10—30日期间南沙万顷沙站RAQI及番禺气象局地面风速、风向的变化曲线.从图 4可以看出，珠三角空气质量变化与珠三角地区风向、风速有密切关系.南沙位于番禺气象站的南面，南沙以北番禺地区为偏北风控制时，风的输送作用会明显影响南沙的空气质量.10—14日番禺为弱东北风，对南沙空气质量影响不大；14—17日番禺为较强的北风控制，南沙空气质量开始变差；18—25日番禺大体维持弱的偏北风，但部分时段会出现东南风，冷暖空气的交汇导致南沙RAQI持续升高，直到25日受较强的冷空气过境影响，南沙的RAQI下降并很快达到清洁水平.这与范绍佳等(2005)在珠江三角洲大气边界层概念模型中指出当冷空气从北面入侵，遇到暖湿空气，易形成逆温、小风的边界层条件，从而容易形成空气污染事件的原理相符合.大范围下沉气流和持续出现的静小风是造成此次污染过程的主要原因，近地面弱东北风向弱东南风的转化，形成此次污染过程先西部后中部的空间分布特征.

图 4(Fig. 4)

图 4 10月10—30日南沙RAQI和番禺逐时风速、风向变化图 Fig. 4 RAQI of Nansha and hourly wind speed and wind direction of Panyu during 10—30 October

风速对污染物输送的影响明显，且需要有一段时间过程的累积或扩散，才会对空气污染物浓度有影响(程丛兰等，2003).风速大意味着大气的水平输送也强，大气有着较强的输送扩散能力，有利于污染物的扩散和稀释，使污染物无法在局地累积造成污染.而风速小意味着大气水平运动很弱，大气水平输送和扩散能力也很弱，污染物容易在局地累积，使污染物浓度升高.当风速持续维持低值时，污染物持续累积且无法扩散稀释，易爆发严重污染.图 5给出了10月10—30日番禺地区逐时PM₁₀浓度与能见度、风速、温度、相对湿度变化的曲线.

从图 5可看出，番禺地区18—25日PM₁₀浓度明显高于其他时段，PM₁₀浓度变化和不同气象要素变化的规律很不相同：颗粒物浓度会直接影响能见度，随着PM₁₀浓度的增加，能见度水平下降，24日能见度达到最低，对应着PM₁₀浓度的峰值；18—24日污染过程中风速一直较小.在中部污染最严重的23、24日，小时平均风速全天小于2 m · s^-1，直到25日风速增大至5 m · s^-1，此时可明显看到PM₁₀浓度大幅降低，空气质量好转.温度、相对湿度对PM₁₀浓度变化的影响不明显，且温度变化和PM₁₀浓度变化不同步，存在一定滞后性.

图 5(Fig. 5)

图 5 10月10—30日番禺地区PM10与气象要素时均值变化曲线 Fig. 5 Hourly variation of PM10 and meteorological factors during 10—30 October at Panyu

为进一步分析PM₁₀浓度与气象要素的相关关系，表 1给出了此次污染过程期间逐时PM₁₀浓度和逐时气象要素的相关系数(样本均为211个).从表 1可见，能见度和PM₁₀浓度呈显著的负相关关系，相关系数高达-0.617；PM₁₀浓度和风速的负相关关系也很显著，达到-0.321，均通过显著性检验.而PM₁₀浓度和温度的相关性没有通过显著性检验.

表1(Table 1)

表1 PM10与风速、能见度、相对湿度和温度的相关系数 Table 1 Correlation indexes between PM10 and wind speed，visibility，relative humidity and temperature

表1 PM10与风速、能见度、相对湿度和温度的相关系数 Table 1 Correlation indexes between PM10 and wind speed，visibility，relative humidity and temperature   风速 能见度 相对湿度 温度 注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关. PM10 -0.321** -0.617** 0.195** 0.101

考虑到污染物浓度变化受风速、温度变化影响，存在一定的滞后性，即风速和温度先发生变化，其后污染物浓度才发生变化.因此，本文给出了PM₁₀浓度与风速、温度滞后1~12 h的滞后相关系数(样本数为211).表 2结果表明，滞后4~8 h 时PM₁₀浓度与温度、风速的相关系数明显较大，滞后6 h时PM₁₀浓度与温度、风速的相关系数最大.说明珠三角地区的风速或温度改变6 h后，对污染浓度的影响最大，这应是开展珠三角地区空气污染的污染预报预警可能成功的物理基础.

表2(Table 2)

表2 PM10与风速温度、滞后相关系数 Table 2 Time lag correlation indexes between PM10，wind speed and temperature

表2 PM10与风速温度、滞后相关系数 Table 2 Time lag correlation indexes between PM10，wind speed and temperature 滞后时次/h r(PM10-温度) r(PM10-风速) 注: 相关系数全部通过0.05水平的显著性检验. 1 0.120 -0.325 2 0.163 -0.321 3 0.196 -0.318 4 0.232 -0.331 5 0.256 -0.344 6 0.267 -0.356 7 0.257 -0.356 8 0.233 -0.349 9 0.204 -0.326 10 0.170 -0.325 11 0.133 -0.331 12 0.096 -0.347

边界层结构直接决定了大气输送与扩散能力，边界层结构与区域性污染过程也有很大关系.图 6给出了2011年10月15、18、20、23、25和27日世界时00：00(即地方时8:00)的清远站探空曲线图(不同高度的温度、露点和风向、风速).

图 6(Fig. 6)

图 6 10月15—27日污染过程中清远探空曲线(红色实线是探空温度线，蓝色实线为露点探空曲线，向左倾斜的黄色实线为“干绝热”线(右边绿色标注)，向左倾斜的绿色实线为“湿绝热”线，向右倾斜的黄色实线为等温线，向右倾斜的绿色虚线为混合比线(中间绿色标注) Fig. 6 Vertical sounding plots of Qingyuan during 15—27 October in the pollution process

从图 6可以看出，在污染过程中存在明显的下沉气流和多层逆温现象，边界层高度较低，近地层风速普遍较小.15日，污染还未爆发，下沉气流和贴地逆温不明显，边界层高度较高.18日，污染过程开始，有明显的下沉气流，600 m处和贴地层均有明显的逆温层，边界层高度大约为700~800 m，近地层的风速较小.20日，下沉气流旺盛，存在贴地逆温，边界层顶也存在逆温，地面风速小于2 m · s^-1.23日，下沉气流有所减弱，低层空气饱和度较高，为中性层结，并可以明显地看出上下层为两个不同性质的气团，有贴地逆温层，近地层风速仍然很小，边界层高度依然维持在700~800 m.25日，中层空气接近饱和，可能存在云或者降水，近地层风速增大，冷空气已经到达珠三角地区.27日，边界层高度较高，低层逆温已不明显，污染过程已经结束.

结合天气图及清远、香港两个探空站的探空曲线(由于篇幅限制，香港探空图略)可以确定，此次区域性污染过程主要是因为存在大范围下沉气流，近地层出现静小风，再加上边界层高度较低且出现贴地逆温，不利于污染物的输送和扩散.

1)2011年10月18—25日珠江三角洲地区空气污染过程中，重污染区域先集中在西部，之后向中部转移，东部空气质量相对较好.此污染过程与天气形势变化有较好的关联性.

2)污染过程前期主要受冷高压的控制，后期为强冷空气(冷锋)过境影响.冷高压的下沉气流、强冷空气(冷锋)过境前的回暖区及近地层静小风是形成此污染过程的3个重要因素.

3)PM₁₀浓度与气象要素有着明显的关系.PM₁₀浓度与能见度和风速的相关系数最大，呈负相关关系，与温度的相关性不显著.PM₁₀浓度与风速和温度的相关关系存在滞后性.

4)此次区域污染过程主要为气象原因所导致.冷高压导致的大范围下沉气流和贴地逆温、边界层高度较低、不利于污染物的垂直输送和扩散；近地层持续的静小风，不利于污染物的水平输送和垂直扩散.