随着工业化和城市化进程的推进，能源消耗量的增加，大气污染也越来越严重.大气污染直接影响居民的生产生活、制约经济发展，进而影响相关人群健康，甚至导致死亡(Baulig et al.， 2003; Künzli et al.， 2000;刘爱明等，2012;侯青等，2011).兰州市地处蒙古高原、青藏高原和黄土高原的交汇地带，大部分地区被疏松的黄土覆盖.城区南北山岚绵延起伏，黄河穿城而过，兰州市主城区呈一哑铃状盆地.兰州市一次能源消费以原煤为主，其次是原油，两者之和接近90%，是典型的重工业城市(祝合勇等，2011).加之独特的地理条件不利于大气污染物的扩散，兰州市大气污染状况严重，引起各级政府的重视.兰州市大气污染具有本地污染源和局地气象特点以及周边大区域自然流动污染源和沙尘天气等共同作用的特征，由此大大增加了兰州市空气污染的复杂性及其预报的难度.王式功等(1999)研究发现春季河西地区大风沙尘暴天气是影响兰州市区出现颗粒物重污染的主要因素.王希波等(2007)利用GIS空间叠加分析技术得出兰州市大气质量状况存在明显的冬春高、夏秋低的季节特征.刘宇等(2002)发现兰州市的主导风向为偏东风，且污染物浓度与风速有明显负相关.大多数研究都是从兰州市的整体污染状况出发，没有对大气重污染作有针对性的研究.而流行病学的一个重要发现表明，严重的空气污染不仅对呼吸系统有影响，还可增加心血管疾病的发病率和死亡率.Aunnan和潘小川关于中国的调查研究提出大气中PM₁₀的质量浓度每增加1 μg · m^-3，心血管疾病和呼吸系统疾病的死亡率分别增加0.04%和0.06%，由这两种疾病引起的住院率分别增加0.12%和0.15%(李金娟等，2006；Auana and Pan， 2004).因此，对大气重污染的针对性研究具有现实意义.本文着重对兰州市大气重污染的总体特征、类别特征进行分析，并探讨其气象学成因.

本文采用的2002年1月1日—2011年12月31日逐日气象观测资料来源于兰州市和榆中县气象局，包括地面观测资料(每天8个时次)和高空探测资料(每天08:00)，主要项目是气压、风向风速、温度、露点、降水等等.2002年1月1日—2011年12月31日逐日平均污染监测数据来源于兰州市环保局，主要检测项目是SO₂、NO₂和PM₁₀浓度.

根据尚可政等(2001)的研究，在T-P图上，首先假定一个高度H，然后从H与实际层结曲线E的交点处，以干绝热递减率作一条直线达到地面，称这条假设的干绝热线为E_g，那么稳定能量E_w实际上就是E_g和E之间包围的面积，物理意义就是H高度以下的气体如果要达到H高度以上所需要的加热能量或者强迫能量.

由式(1)可以看出，在高度H一定的情况下，稳定能量主要和各特性层上的T_g和T之差有关，温差越大，稳定能量越大，大气稳定度越高，越不利于空气污染物的扩散.稳定能量法描述大气稳定度相对于逆温法的优点在于它充分考虑了各种温度层结的况，逆温法则忽视了包括中性层结等温层结在内的较弱的稳定层结；它相对于里查逊数法来说数值量变化稳定，便于计算相关系数，而理查逊数数值量变化跨越几个量级，容易做类别划分，不方便计算相关性.实际计算中上式中P的单位取hPa，T和T_g的单位取K，C_p=1004 J · K^-1 · kg^-1，g=9.8 m · s^-2，E_w的单位取J · cm^-2.

由图 1可以看出，兰州市大气污染整体上呈现冬半年加重夏半年减轻的变化规律，而SO₂、NO₂和PM₁₀三种主要污染物的变化趋势又不尽相同.SO₂平均浓度为1月份最大，达到0.133 mg · m^-3，以后逐月递减，到10月份再次急剧上升，到12月达到0.128 mg · m^-3而最低月平均浓度只有0.038 mg · m^-3，SO₂浓度最高月份是最低月份的3倍.另外，SO₂浓度的标准偏差变化趋势和其平均浓度变化趋势接近，也是冬半年增大而夏半年减小，说明SO₂浓度不仅在冬半年增大而且更为离散.NO₂平均浓度为12月最大，达到0.073 mg · m^-3，以后逐月递减到9月开始增高.NO₂浓度的标准偏差变化趋势和其平均浓度变化趋势接近，说明NO₂平均浓度高的月份其数值分布越离散.PM₁₀平均浓度月际变化特征与SO₂、NO₂差别很大，PM₁₀平均浓度12月最大，达到0.258 mg · m^-3，1、2月略有下降，到3、4月又出现明显的上升，5月开始明显下降，7、8月达到一年最低，约为0.122 mg · m^-3左右，只有12月的一半.PM₁₀浓度的标准偏差在3月达到一年的最大，为0.153 mg · m^-3，其次是4月的0.142 mg · m^-3，明显大于其他月份.这说明兰州市3、4月PM₁₀浓度出现剧烈变化，可能原因是春季沙尘暴给兰州市输送大量沙尘颗粒.

图 1(Fig.1)

图 1 兰州市3种主要污染物月平均浓度 Fig.1 Monthly average concentrations of three primary pollutants in Lanzhou

总体上看，兰州市冬春季大气污染状况严重，夏秋季较为缓和.出现这种趋势的原因是夏季太阳辐射强烈，对流旺盛，污染物稀释扩散条件好；秋季是兰州的雨季，降水较其他季节频繁，污染物湿沉降明显；而兰州市冬季容易出现小风逆温天气，大气环境稳定，不利于污染物稀释扩散；春季受上游沙尘输送影响，容易出现以PM₁₀为首要污染物的严重污染.

根据以往兰州市大气污染特征研究，发现兰州市冬季容易产生稳定的温度层结影响污染物的扩散，春季容易受到沙尘输送的影响，这和李令军等(2012)对北京大气重污染分析的特征相似.因此本文参照李令军等的研究成果，将兰州市的重污染类型分为两类：静稳型重污染和沙尘型重污染.静稳积累型主要指遇大气扩散条件不利，局地甚至区域污染明显积累而成的重污染;沙尘型是由沙尘天气造成的重污染.主要判别依据是当发生重污染时的天气记录，如果有沙尘暴、浮尘或扬沙记录则为沙尘型，如果有雾霾记录或者有明显逆温则为静稳型.

兰州市污染状况最差的季节是冬季和春季，但冬季和春季的污染特征又有明显的差别.冬季由于小风逆温导致污染物积累3种主要污染物浓度都很高，而春季只有PM₁₀浓度很高，因此本文参照李令军等(2007)的研究成果，根据API指数将兰州市大气重污染(API>200)分为中度污染(200<API≤300)和重度污染(API>300)；根据天气类型将兰州市大气重污染分为静稳型和沙尘型.

2002年1月1日—2011年12月31日兰州市共出现224 d大气重污染，其中中度污染有101 d，重度重污染达到123 d；静稳型达到174 d，沙尘型只有50 d.因此兰州市的重污染主要类型是静稳型，其次是沙尘型.这说明兰州市的重污染形成的主要因素在本地而不是外来输送.从年际变化(图 2b)来看，2002年和2006年重污染天气出现次数最多，其中2002年达到61d，2006年达到39 d.这10年当中中度污染和重度污染发生天数整体趋于减少，但重度污染所占比例要高于中度污染.这表明兰州市极端污染事件发生的可能性比常规污染事件可能性大.从中度污染的静稳型和沙尘型年际分布和重度度污染的静稳型和沙尘型年际分布可以看出中度污染中91%是静稳型的，只有9%是沙尘型的.而重度污染中静稳型只占66.7%，沙尘型占33.3%.这说明沙尘天气对空气质量的影响非常强烈，要么不发生，一旦发生很容易产生重度污染.因为兰州市上游有腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠，是我国三大沙尘暴发生源之一，对兰州市的沙尘输送量非常大.

图 2(Fig.2)

图 2 兰州市大气重污染年际分布 Fig.2 The interannual distributionof heavy air pollution episodes in Lanzhou

从大气重污染的月际分布(图 3a)来看，兰州市大气重污染发生天数最多的月份是12月，其次是1月、3月和4月.其中12月不仅重污染发生天数最多，而且中度污染发生天数也最多.3、4月是兰州市的沙尘暴频发期，所以这段时间由沙尘天气造成的重污染占比非常大，达到62.2%和60.0%.从静稳型和沙尘型的中度污染和重度污染月际分布(图 3b和3c)来看，12月的静稳型中度污染出现天数特别高，其次是1月和11月.沙尘型的中度污染发生天数很少，且集中在4、5月，可能原因是4、5月后期沙尘天气频率低强度小，相应的对空气质量的影响也就小.沙尘型的重度污染发生天数明显增多，且集中在3、4月，这期间沙尘天气较为频繁且强度大，对空气质量的影响也就大.静稳型天气形势造成的中度污染天数较多，API值集中在200～300，而沙尘型造成的污染绝大多数都是重度污染，API指数多大于300.

图 3(Fig.3)

图 3 兰州市大气污染月际分布 Fig.3 The monthly distribution of air pollution episodes in Lanzhou

中度污染天气下，SO₂和NO₂平均浓度明显比重度污染天气下要高，而PM₁₀浓度比重度污染天气下要低.结合前面的分析，中度污染的主要类型是静稳型，静稳型天气条件下，大气环境稳定，有利于污染物的累积，所以SO₂和NO₂平均浓度偏高.而重度污染天气下的沙尘型发生频率比中度污染天气下的高，而发生沙尘型重度污染时，往往风速大，扩散条件好，本地源产生的SO₂和NO₂被迅速扩散，平均浓度很低，只有外来源的PM₁₀平均浓度较高，所以重度污染天气下的SO₂和NO₂平均浓度反而比中度污染天气下的低.

图 4(Fig.4)

图 4 兰州市大气重污染下污染物浓度特征 Fig.4 Characteristics of pollutant concentrations during heavy air pollution episiodes in Lanzhou

另外，无论是中度污染还是重度污染，静稳型天气下的SO₂和NO₂浓度都要比沙尘型天气下的高，分别达到2.4、2.8、1.9和2.6倍(表 1).不同的是中度污染天气下静稳型PM₁₀平均浓度比沙尘型要高，而重度污染天气下静稳型PM₁₀平均浓度比沙尘型要低.这是因为中度污染天气下的沙尘过程弱频率低，造成的影响较小.中度污染下静稳型和沙尘型的PM₁₀平均浓度分别为0.38和0.31 mg · m^-3，而重度污染下静稳型和沙尘型的PM₁₀平均浓度分别为0.50和0.56 mg · m^-3，也就是说中度污染下的沙尘天气不仅在次数上权重小，在浓度上权重也小，所以总体上还是重度污染下的PM₁₀平均浓度更高.

从污染物的浓度上看(表 1)，中度污染下静稳型和沙尘型PM₁₀平均浓度非常接近，都是0.38 mg · m^-3，重度污染下沙尘型PM₁₀平均浓度为0.54 mg · m^-3比静稳型的0.5 mg · m^-3略高一点，可见沙尘型虽然发生频率低但是影响强度很大.而SO₂和NO₂平均浓度无论是中度还是重度污染下静稳型和沙尘型之间都有很大的差别，前者均是后者的两倍左右.由此可以看出，静稳型和沙尘型在对空气污染的机制上确实有很大差别：静稳型是在排放量大体不变的情况下由于大气稳定度较高，空气污染物难以扩散从而局地积累造成重污染，所以这个过程中3种污染物浓度同步升高；而沙尘型天气往往破坏近地层大气稳定性，一方面增强本地源污染物的稀释扩散，另一方面增加了外来的沙尘颗粒，所以沙尘型的SO₂和NO₂浓度比较低而PM₁₀浓度高.无论是沙尘型还是静稳型，SO₂和NO₂的浓度都在3级以内，而PM₁₀在5级以上，所以兰州市发生大气重污染时污染物的主要构成是PM₁₀，如果能有针对性地削减PM₁₀排放，将能大大改善兰州市空气质量.

表 1(Table 1)

表 1 兰州市不同污染程度污染物浓度和相对湿度 Table 1 The pollutant concentrations，visibilities and relative humidities under different pollution levels in Lanzhou

表 1 兰州市不同污染程度污染物浓度和相对湿度 Table 1 The pollutant concentrations，visibilities and relative humidities under different pollution levels in Lanzhou 污染类型 浓度/(mg·m-3) 相对湿度 SO2 NO2 PM10 中度 静稳型 0.158 0.091 0.382 62.2% 沙尘型 0.062 0.046 0.388 50.9% 重度 静稳型 0.138 0.098 0.509 62.7% 沙尘型 0.067 0.036 0.545 44.3%

在中度污染下(表 1)，静稳型的相对湿度比沙尘型高出10个百分点以上，且沙尘型越严重，湿度越低.可能原因是PM₁₀成分复杂，来源广泛，其人为影响因素主要是燃料燃烧、汽车尾气、建筑施工等，其自然影响因素主要是大风干旱引起的沙尘等.沙尘型天气下，PM₁₀主要来源是外来输送，主要形式包括沙尘暴、扬沙和浮尘，颗粒物大多来自地壳，尺度大湿度低，对人体的危害相对较小；静稳型条件下，自然条件不足以引起沙尘，那么它主要源于人为影响.本地源颗粒物来源广泛，主要是工业生产产生的烟尘、道路交通尾气、二次扬尘等，对人体健康危害较大(Shao et al.， 2007；李金娟等，2006).对于人为影响造成的部分，我们就可能加以纠正或者控制，以期达到减轻污染的目的.

从理论上讲，影响空气污染物浓度的因素主要有污染物原始排放、污染物的物理变化与化学变化、平流输送和湍流扩散.本文主要探究重污染的气象学成因，因此只关注后两个因素，而后两个因素主要决定于边界层的风和稳定度，而边界层的风和稳定度又是相互影响的(尚可政等，2007; Kapitza and Eppel，2000).风是影响大气污染物水平方向稀释扩散的重要因素，风向决定污染物的扩散方向，风速决定污染物的稀释扩散速率.但是由于兰州市具有静稳型和沙尘型两种重污染类型，风速的大小在这两种污染类型中对PM₁₀的作用是截然相反的.而决定湍流扩散的参数有逆温、混合层厚度、理查逊数等等.有专家学者(姜大膀等，2001)分析过兰州市温度层结与空气污染的关系，指出兰州市区低空大气温度层结全年以弱稳定为主，一年四季皆有逆温层存在；在冬季．逆温层发生频率最高(95.8%)，贴地逆温层厚度最厚(平均740 m)、强度最强(平均0.53 ℃/100 m)，脱地逆温层底相对高度最低(平均935 m).同时，贴地大气层结温度递减率与空气污染物浓度呈显著反相关，但是相关系数不高.而理查逊数由于数量级变化大也不方便计算相关系数，所以本文采用稳定能量法.

兰州市常年风向为东北风，平均风速只有0.9 m · s^-1，除3、4月和10、11月外基本维持在1 m · s^-1左右，变化幅度很小(图 5).3、4月是兰州市沙尘暴频发阶段，月平均风速较大，10、11月平均风速较小，只有0.8 m · s^-1左右.从理论上分析，对于本地源的SO₂和NO₂，风速越大越有利于污染物的扩散，但对于PM₁₀存在两个相反的作用：对于静稳型本地源的PM₁₀，风速越大越有利于扩散；对于沙尘型外来源的PM₁₀，风速越大污染越严重(张艳燕等，2012； Dayan and Levy，2005).

图 5(Fig.5)

图 5 兰州市风速和相对湿度的月际变化特征 Fig.5 Monthly variations of wind speed and relative humidity in Lanzhou

从表 2可以看出风速在1、2、3、10、11和12月和SO₂、NO₂都有显著的负相关，且相关系数从11月开始逐月增大到1月达到最大又逐月减小.这说明风速越大越有利于本地源的SO₂和NO₂的扩散.而风速和PM₁₀在1、2、10、11和12月也有明显的负相关，变化趋势很稳定，但是相关系数相较SO₂和NO₂明显小很多，且3、4月相关系数陡然下降，甚至在4、5月由负相关变成正相关，这是因为3月到5月进入沙尘频发期，风速对PM₁₀浓度的作用由稀释扩散转变为增加外来源.说明对于静稳型本地源的PM₁₀，风速越大越有利于扩散；对于沙尘型外来源的PM₁₀，风速越大污染越严重.

总体上兰州市相对湿度的常年平均值为64%，相对来说比较干燥.相对湿度越低，空气越干燥，裸露地表越容易起尘，增加大气颗粒物，加重空气污染.从图 5可以看出沙尘多发的3、4月相对湿度是1年最低的两个月，沙尘天气给兰州市带来了干燥的气团.5月份以后，随着降水量的增加，相对湿度逐渐增加，10月以后进入冬季，降水减少，相对湿度又降低.表 2中，相对湿度与SO₂的相关性整体为负相关且相关系数在5—9月都比较大，说明湿度大有利于降低SO₂浓度.而相对湿度与NO₂的相关系数既有正又有负，相关性不明显，这说明相对湿度对NO₂影响并不明显.相对湿度与PM₁₀在3—9月都有明显的负相关性，这是因为湿度越小裸露地表起尘、城市二次扬尘的可能性就越大(雷洋等，2008).

表 2(Table 2)

表 2 兰州市3种污染物与4种气象因子的相关关系 Table 2 Relationships between pollutants and meteorological factors in Lanzhou

表 2 兰州市3种污染物与4种气象因子的相关关系 Table 2 Relationships between pollutants and meteorological factors in Lanzhou 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 注: *表示通过0.05显著性检验；**表示通过0.01显著性检验 风速 SO2 -0.427** -0.406** -0.240** -0.215** -0.057 -0.027 -0.035 -0.026 -0.089 -0.152* -0.246** -0.358** NO2 -0.447** -0.201** -0.227** -0.109 -0.016 -0.049 -0.021 -0.226** -0.170** -0.192** -0.251** -0.295** PM10 -0.385** -0.247** -0.053 0.028 0.203** -0.062 -0.099 -0.08 -0.111 -0.227** -0.139* -0.266** 相对湿度 SO2 -0.204** -0.116 0.005 -0.104 -0.238** -0.338** -0.257** -0.308** -0.373** -0.095 0.074 0.135* NO2 -0.160** 0.193** 0.087 -0.1 -0.217** -0.05 -0.056 0.08 0.037 0.003 0.034 0.224** PM10 -0.026 -0.069 -0.331** -0.301** -0.242** -0.266** -0.176** -0.306** -0.265** -0.085 0.166** 0.184** 24小时变温 SO2 0.329** 0.299** 0.344** 0.195** 0.197** 0.184** 0.131* 0.131* 0.111 0.151* 0.288** 0.356** NO2 0.370** 0.267** 0.230** 0.266** 0.195** 0.144* 0.111 0.085 0.131* 0.164** 0.245** 0.337** PM10 0.306** 0.094 0.049 -0.066 -0.136* -0.017 0.055 0.117 -0.009 0.144* 0.220** 0.381** 24小时变压 SO2 -0.177** -0.313** -0.297** -0.207** -0.230** -0.202** -0.088 -0.159* -0.12 -0.162** -0.245** -0.253** NO2 -0.325** -0.484** -0.307** -0.396** -0.242** -0.197** -0.091 -0.175** -0.252** -0.238** -0.340** -0.292** PM10 -0.291** -0.007 0.118* 0.246** 0.172** -0.02 0.041 -0.104 -0.147* -0.276** -0.289** -0.289**

ΔT₂₄(24 h变温)与SO₂和NO₂在1—6月和10—12月都有明显的正相关且在变化趋势都是从10月开始逐月增加，到12月或者1月达到最大后缓慢减小.但是这种变化规律对于PM₁₀来说并不明显，PM₁₀只在11、12和1月存在正相关.ΔT₂₄为正往往意味着天气形势趋于稳定，有利于污染物的积累，ΔT₂₄为负往往意味着天气形势存在变化，往往有冷空气过境，有利于污染物的稀释扩散.ΔP₂₄(24 h变压)与SO₂和NO₂全年都有明显的负相关，这是因为ΔP₂₄往往意味着天气形势变化气团过境，能够较强地对大气污染物进行稀释扩散.而ΔP₂₄与PM₁₀在9、10、11、12和1月为负相关，3—5月由于沙尘天气转为正相关(乔艳君等，2003).

由表 3可以看出，各层稳定能量在12月和1月达到最大，在4月、5月、6月和7月达到最低，12月和1月是兰州市逆温强度最大频率最高的月份，大气稳定度最高，各层稳定能量较大.3、4月是兰州市沙尘天气频发季节，沙尘过境常常伴有大风和各种气象要素的剧变，能够破坏大气稳定层结，降低大气稳定能量.6、7月逐渐进入夏季，太阳辐射很强，近地面对流湍流活动旺盛，大气稳定能量也很低.这在数值上和SO₂、NO₂的年变化趋势相同，而PM₁₀除3、4月以外也有很好的类似趋势，这是因为3、4月频发的沙尘天气既降低了大气稳定能量又增加了PM₁₀浓度(李霞等，2012；郭勇涛等，2011；陈锦等，2008；王式功等，2000).

本文计算了3种污染物的月平均浓度与各层稳定能量之间的关系(表 4)，发现SO₂和NO₂在各层上都与稳定能量显著相关，全部通过0.01的显著性检验，而且离地面高度越高，相关系数越大.这和尚可政等(2001)的研究结果有所不同，他们指出和污染物浓度相关性最好的是600~700 m高度层的稳定能量.出现这种差异的可能原因是尚可政等采用的是兰州市区的探空资料，而兰州市区自2001年之后取消常规探空观测，改用榆中观测站探空资料.榆中气象站距离兰州市区直线距离45 km，坐落在榆中盆地三角城当中，被三条山脉包围，地形和兰州城区比较接近，因此可以认为榆中县探空资料可以代替兰州市区探空资料，但是两者之间必然有差异.但是这种差异恰恰验证了本文的计算结果的科学性.因为尚可政等对于兰州市区污染物浓度与600～700 m高度层的稳定能量相关性最好的解释是兰州城区周围的山体高度在600～700 m左右，而本文采用的是榆中县的探空资料，越靠近地面受局地影响就越大，离地面高度越高受局地影响就越小，对更大范围的大气稳定程度的代表性越强，所以相关系数会随着高度的增加而增加.PM₁₀在450 m以下相关系数没有通过显著性检验，450～700 m没有通过0.01的显著性检验，700 m以上全部通过0.01的显著性检验.这是因为PM₁₀ 除了本地源还有沙尘源，发生沙尘天气时大气稳定度降低，SO₂和NO₂都会因稳定度的减低而加速扩散降低浓度，而沙尘天气带来的大量颗粒物会使PM₁₀浓度保持较高水平，所以PM₁₀浓度与稳定能量的相关系数比SO₂和NO₂明显小很多.

表 3(Table 3)

表 3 兰州市各层稳定能量月均值 Table 3 The monthly mean values of stable energy in different vertical layers

表 3 兰州市各层稳定能量月均值 Table 3 The monthly mean values of stable energy in different vertical layers J · cm-2 参数 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 Ew300 75.09 73.36 58.27 59.12 61.31 62.97 65.97 65.32 69.88 65.02 76.29 84.26 Ew350 87.88 83.54 66.84 68.42 72.13 73.31 76.33 75.64 80.65 74.7 87.89 99.3 Ew400 104.0 96.38 75.68 77.75 83.02 82.71 86.78 86.54 92.07 84.78 102 114.9 Ew450 122.7 113.2 84.54 88.45 95.2 94.58 97.62 97.98 103.5 96.2 118.4 133.6 Ew500 145.6 130.0 95.58 100.1 105.9 105.7 108.5 109 117.1 111.3 138.8 158.1 Ew550 175.2 147.5 107.4 111.1 116.5 118.3 120.8 120.5 131.0 126.7 159.4 184.5 Ew600 203.9 166.2 119.8 125.5 128.7 130.2 134.4 133.7 146.5 142.6 184.6 213.0 Ew650 236.8 191.3 137.8 137.8 139.9 143.3 148.0 145.7 162.4 158.5 210.2 247.4 Ew700 265.3 216.3 157.0 152.6 152.2 155.0 161.4 159.8 178.2 176.3 232.7 275.1 Ew750 294.4 247.4 176.6 166.7 166.1 165.5 176.4 176.2 193.5 194.4 252.8 307.8 Ew800 330.0 273.8 196.4 182.4 181 177.1 189.2 191.6 209.8 213.7 275. 341.9 Ew850 376.9 303.0 219.3 197.6 193.9 188.5 207.8 209.5 226.8 236.0 305.3 375.4 Ew900 415.3 331.5 241.6 214.3 207.8 204.2 223.4 229.5 242.8 254.6 337.6 414.1 Ew950 458.1 359.6 267.5 230.6 226.9 219.5 238.8 246.0 258.3 275.7 364.7 450.8 Ew1000 498.7 396.9 293.5 247.9 242.2 232.7 257.2 262.1 279.6 298.1 390.3 488.1

表 4(Table 4)

表 4 兰州市污染物浓度与各层稳定能量的相关性 Table 4 Relationships between pollutant concentrations and stable energy under different vertical layers in Lanzhou

表 4 兰州市污染物浓度与各层稳定能量的相关性 Table 4 Relationships between pollutant concentrations and stable energy under different vertical layers in Lanzhou Ew400 Ew450 Ew500 Ew550 Ew600 Ew650 Ew700 Ew750 Ew800 Ew850 Ew900 Ew950 Ew1000 注：表中SO2、NO2和PM10的单位为mg · m-3，稳定能量的单位为J · cm-2，Ew400~Ew1000代表距地面400～1000 m层次上的稳定能量，相关系数是污染物浓度与各层稳定能量各月平均值之间的相关系数 SO2 0.785** 0.817** 0.851** 0.877** 0.890** 0.913** 0.929** 0.939** 0.946** 0.954** 0.959** 0.965** 0.966** NO2 0.854** 0.869** 0.906** 0.922** 0.933** 0.942** 0.947** 0.943** 0.943** 0.940** 0.941** 0.941** 0.935** PM10 0.529 0.555 0.605* 0.628* 0.650* 0.684* 0.707* 0.722** 0.735** 0.736** 0.747** 0.757** 0.760**

本文把API大于200，持续时间达到3 d的称为1个污染过程.经统计发现，静稳型污染过程出现22次，其中最长1次污染过程为7 d，5 d以上的污染过程发生了7次.而沙尘型污染过程只发生5次，其中最长的1次只持续了4 d.由此可见，静稳型污染过程频率高，持续时间长，而沙尘型污染过程发生频率低，持续时间短.静稳型污染过程往往存在前期3种污染物同步持续累积，浓度升高，后期同步持续下降到中度重污染之下，这在较长污染过程中尤为明显.沙尘型污染过程多是污染物浓度爆发性增长，而后维持一段时间后迅速下降或者缓慢下降.以2006年3月17—20日连续4 d的沙尘型重污染过程为例，PM₁₀前3 d都保持在0.6 mg · m^-3，第4 d开始大幅下降，第5 d就退出重污染范围.这说明PM₁₀浓度下降非常快.有意思的是在PM₁₀浓度保持稳定期间，SO₂和NO₂同步上升，之后PM₁₀浓度大幅下降期间SO₂和NO₂浓度基本保持不变.可能原因是沙尘型重污染过程中后期，风速逐渐减小，扩散条件减弱，大气趋于稳定，本地源排放的SO₂和NO₂开始积累导致浓度升高，而沙尘源的PM₁₀粒径分布偏粗，易于沉降，所以浓度迅速下降.

2011年4月29—30日发生了沙尘型重污染，从表 5可以看出，4月28日API指数为120，为轻微污染.但是PM₁₀浓度在29日急剧上升到0.6 mg · m^-3，API指数为500，达到严重污染程度.30日PM₁₀浓度略有下降，但API指数仍然大于300，属于严重污染.这次大气重污染维持了2 d，首要污染物是PM₁₀.整个大气重污染期间，SO₂和NO₂浓度却呈降低趋势，且单项日平均浓度一直维持在优良水平以内.28日平均风速为0.75 m · s^-1，29日上升到2.13 m · s^-1，30日和1日都是1.75 m · s^-1，这和沙尘天气风速增大的特征是相吻合的.另外发生沙尘暴期间，相对湿度从28日的31.2%下降到29日的26.3%，30日继续下降到19.9%，1日恢复到32.7%.可见沙尘天气有很明显的降低大气相对湿度的能力，主要原因可能是：一是沙尘过境时气团相对干燥，二是干燥沙尘本身有吸水性，会吸附空气中水汽分子，造成相 对湿度的下降.这和前面的相对湿度的年变化分析 结果相吻合.经查阅气象观测资料可知，4月29日8时，兰州市能见度急剧下降到0.8 km，到30日14时，能见度基本恢复到20 km，重污染接近尾声，5月1日，能见度维持在20 km.沙尘天气的大气颗粒物很多，有强烈的消光作用，能迅速降低大气能见度.重污染发生前的28日风速很小，夜间甚至出现静风天气，但是29日上午8点开始风速急剧增加，达到3 m · s^-1，并且持续了6 h，说明沙尘开始过境.正是由于沙尘型重污染过程中风速较大，增加了对本地污染物的稀释扩散能力，所以整个过程中SO₂和NO₂的浓度持续降低，只有PM₁₀受到外来输送的影响而迅速增加(徐晓峰等，2005；刘波，2009).

表 5(Table 5)

表 5 2011年4月29—30日兰州市沙尘型重污染过程污染物浓度及气象要素 Table 5 Concentrations of pollutants and meteorological factors under the s and -dust air pollution episodes in Lanzhou from April 29 to 30，2011

表 5 2011年4月29—30日兰州市沙尘型重污染过程污染物浓度及气象要素 Table 5 Concentrations of pollutants and meteorological factors under the s and -dust air pollution episodes in Lanzhou from April 29 to 30，2011 日期 浓度/(mg·m-3) API 风速/(m·s-1) 相对湿度 SO2 NO2 PM10 4月28日 0.053 0.052 0.154 120 0.75 31.2% 4月29日 0.03 0.046 0.600 500 2.13 26.3% 4月30日 0.026 0.024 0.466 358 1.75 19.9% 5月1日 0.021 0.024 0.128 89 1.75 32.7%

2010年12月17日发生了静稳型重污染，为了便于反映静稳型重污染的特征，我们将16日至23日作为一个连续过程来分析.从表 6我们可以发现真正的重污染只有17日1 d，但是随后的几天API指数还是比较高，达到中度污染或者中度重污染.相较于沙尘型重污染，静稳型重污染的突出特征是3种污染物的变化趋势相同，同步升高或者降低，而且变化幅度很小，污染过程持续时间长.在该次重污 染过程中，近地面风速始终保持在1 m · s^-1左右，是典型的小风天.能见度在10 km左右，比沙尘型重污染略高一点，且变化很小.相对湿度始终维持在40%～50%，相较沙尘型要高，变化幅度小.

表 6(Table 6)

表 6 2012年12月16—23日兰州市静稳型重污染过程污染物浓度及气象要素表 Table 6 Concentration of pollutants and meteorological factors under the meteorological stagnant-accumulated air pollution in Lanzhou from December 16，to 23，2012

表 6 2012年12月16—23日兰州市静稳型重污染过程污染物浓度及气象要素表 Table 6 Concentration of pollutants and meteorological factors under the meteorological stagnant-accumulated air pollution in Lanzhou from December 16，to 23，2012 日期 浓度/(mg·m-3) API 风速/(m·s-1) 能见度/km 相对湿度 SO2 NO2 PM10 12月16日 0.038 0.033 0.112 81 1 12.4 53% 12月17日 0.229 0.082 0.428 310 1 9.4 46% 12月18日 0.186 0.098 0.408 283 1 9.8 41% 12月19日 0.233 0.107 0.382 245 0.75 11.2 39% 12月20日 0.207 0.106 0.384 249 1 7.5 47% 12月21日 0.187 0.100 0.372 232 1 7 51% 12月22日 0.205 0.105 0.366 223 0.75 10.3 47% 12月23日 0.134 0.070 0.220 135 0.87 13.3 53%

1)兰州市污染状况最差的季节是冬季和春季，但冬季和春季的污染特征又有明显的差别.冬季由于小风逆温导致污染物积累3种主要污染物浓度都很高，而春季只有PM₁₀浓度很高，因此根据其污染特征将兰州市大气重污染分为静稳型和沙尘型.静稳积累型主要指遇大气扩散条件不利，局地甚至区域污染明显积累而成的重污染;沙尘型是由沙尘天气造成的重污染.

2)兰州市在2002—2011年期间共出现中度及其以上污染日数224 d(其中，中度污染101d，重度污染123 d)，其中静稳型重污染174 d，沙尘型重污染50 d.静稳型主要发生在冬季，沙尘型主要发生在春季.静稳型重污染的API集中在200~300，沙尘型API集中在300以上.

3)兰州市静稳型重污染往往持续时间长，3种污染物浓度持续增长；沙尘型重污染往往持续时间短，SO₂和NO₂浓度迅速降低而PM₁₀浓度迅速增高.静稳型重污染平均相对湿度比沙尘型重污染低10~20个百分点.

4)静稳型重污染的气象学成因主要是风速小，稳定能量大，大气环境稳定度大，不利于湍流扩散，本地源污染物持续积累造成；沙尘型重污染气象学成因主要是春季气候干燥，相对湿度低，造成大风沙尘天气，给兰州市输送大量沙尘颗粒形成大气重污染.