珠三角干季海陸風特征及其對空氣質量影響的觀測

吳 蒙,羅 云,吳 兌,范紹佳(1.中山大學大氣科學學院,廣東 廣州 510275；2.佛山市氣象局,廣東 佛山 528000；3.佛山市龍卷風研究中心,廣東 佛山 528000；4.暨南大學大氣環境安全與污染控制研究所,廣東 廣州 510632)

珠三角干季海陸風特征及其對空氣質量影響的觀測

吳 蒙1,2,3,羅 云2,3,吳 兌1,4*,范紹佳1*(1.中山大學大氣科學學院,廣東 廣州 510275；2.佛山市氣象局,廣東 佛山 528000；3.佛山市龍卷風研究中心,廣東 佛山 528000；4.暨南大學大氣環境安全與污染控制研究所,廣東 廣州 510632)

通過2004年10月在珠江三角洲(以下簡稱“珠三角”)開展大氣邊界層觀測試驗得到的垂直風溫資料和逐時P M2.5濃度資料,利用局地環流指數(RF)等方法研究了珠三角海陸風特征及其對空氣質量的影響.結果表明：局地環流指數是表征局地大氣輸送能力的有效指標;冷暖氣團對峙導致珠三角污染日背景風場較弱,沿海海陸風活動活躍,空氣質量指數與 RF系數相關性頗高,珠三角沿海 100～400m處RF系數值主要分布在0.5～0.8之間;在海陸風影響下低層風場的有效輸送能力較弱,不利于污染物的輸送擴散.而隨著冷空氣全面控制珠三角,垂直風場RF系數值高達0.9以上,海陸風難以發展,風場輸送能力強,能夠持續的將污染物輸送出去.觀測發現沿海觀測點試驗期間海陸風發生頻率約為 47.8%,其中 72.7%的海陸風日出現了污染天氣,海陸風日地面風向呈現出明顯的隨時間順時針偏轉特征,海風約從16：00時開始出現,并在20：00達到最大影響高度約為600～800m.夜間海風將污染物輸送回內陸觀測點,導致內陸PM2.5濃度在19：00～21：00時出現濃度峰值,呈現出明顯的雙峰結構.

海陸風；局地回流指數；空氣質量；珠三角

海陸風是由于一日內海陸非絕熱加熱不均勻造成的局地次級環流,是一種典型地形誘發的中尺度現象,是沿海地區大氣邊界層研究的重要內容[1].海陸風環流與大氣環境的污染密切相關,對大氣中污染物的稀釋擴散行為有重要的意義,因此沿海地區海陸風環流及其對大氣擴散的影響一直是國內外污染氣象學家關注的重要領域

[2-3].國內外很多研究表明在沿海地區海陸風對空氣質量有著重要的影響,特別是夜間向岸的海風會直接影響污染物的輸送,進而導致內陸地區空氣質量的惡化[4-5].美國和歐洲的一些研究基于大量觀測試驗證實海陸風會導致陸地大氣邊界層結構發生改變,尤其是夜間海風深入內陸使得貼地逆溫強度減弱,不利于穩定邊界層的發展[6-9].Bridget等[10]觀測發現夜間海風深入內陸形成熱內邊界層,并且伴隨著較弱的風速,大氣擴散能力被減弱.Luria等[11]研究表明向岸的海風會將沿海地區排放的污染物輸送到內陸地區,其他地區的觀測研究也確認了這一現象[12-14].在我國關于海陸風的研究也開展的較多,在環渤海地區的研究表明海陸風活動頗為顯著造成了污染物交叉輸送[15-16].珠江三角洲地區(珠三角地區)關于海陸風的研究主要采用的是地面常規觀測資料和數值模式模擬方法[17-18],張立鳳等[19]統計表明海陸風是珠江口常見的天氣現象,尤其是冬季頻率較高,而且珠江口東岸海風強度要大于西岸,陳訓來等[20]利用數值發現在海風維持的情況下,海風與離岸型背景風方向相反,造成海風較小,致使整個珠江三角洲地區空氣質量較差[21-23].隨著城市的快速發展,熱島效應也對海陸風產生較大的影響,研究表明熱島效應會導致海風強度增大,陸風出現時間更晚[24-26].熱島環流與海陸風環流的交匯,會導致出現氣流輻合,風速減弱,不利于污染物的擴散[27].

珠三角地區是我國三大城市群之一,正處于城市化、工業化快速發展時期,是我國經濟發展快、經濟總量大、綜合實力強的地區之一.由于區域資源和能源消耗量過大,多種大氣污染物高強度集中排放,大氣環境問題突出.空氣質量惡化所引起的大氣環境問題對廣大人民群眾的生產、生活活動造成極大的危害,珠三角多數城市所面臨的大氣污染形勢非常嚴峻.現有研究多利用地面觀測資料探討了地面風場對污染物輸送的影響,受數據資料所限難以從垂直方向上分析與空氣質量有關的海陸風局地環流特征,特別是結合垂直風溫特征的研究,因此針對珠三角海陸風對空氣質量的影響方面還是有很多工作需要進一步去做的.本研究主要從兩個方面開展工作：從實際探空的角度分析珠三角海陸風的特征和海陸風對空氣質量的影響,海陸風影響下的污染機理,為后續研究提供參考.

1 資料與方法

1.1 資料

本研究主要采用的是2004年10月珠三角干季觀測試驗(PRIDE-PRD2004)得到的垂直探空數據(圖1),該實驗主要目的是研究珠三角南北向大氣邊界層風溫結構,其中新墾站(Xinken)是沿海觀測點,而番禺站(Panyu)是內陸觀測點.地面溫度資料采用的觀測試驗期間安裝在新墾觀測點的自動氣象站采集到的逐時溫度數據,以及廣州地面氣象站(站號：59287)觀測得到的逐時溫度數據.空氣質量數據除了相應的API數據之外,還采用了 PRIDE-PRD2004期間新墾和番禺同步觀測得到的逐時 PM2.5濃度資料,研究中將API＞100的一天作為一個污染日.

圖1 2004年10月邊界層觀測試驗觀測點分布Fig.1 Theobservation stations of the ABL campaign during Oct 2004

珠三角地區機場眾多,空域繁忙,航線覆蓋

面積廣,航空管制非常嚴格,為了保證基本的航空安全需求,邊界層野外觀測試驗采用雙經緯儀基線小球測風和低空探空.實際觀測發現,雙經緯儀基線小球測風和低空探空操作便捷,穩定可靠,抗干擾性好,所采集到的數據質量和精度能夠滿足研究需要,是一種適合珠三角大氣邊界層觀測的探測手段.邊界層觀測試驗所使用的探空儀為北京大學地球物理系工廠生產的溫度單要素探空儀,經緯儀和探空儀在出廠前都經過了嚴格的標定,在觀測時,探空氣球升速約為 100m/min,測風讀數間隔為 30s,溫度探空數據采集間隔為5s.

1.2 方法

局地回流指數RF系數(Recirculation factor)是 Allwine等[28]提出的用來反映風場的運動特征,特別是用來描述風場的通風能力、停滯氣流和潛在回流特征的無量綱指數,其認為局地回流是指污染物起初被風場輸送出去,但是在隨后時刻又被輸送回來的現象(圖 2(a)),因此在受海陸風影響區域有著較好的應用.如圖2(b)所示,在某一段時間內,風場可能累積運動距離為 l,但是其實際有效運動距離僅為h,因此可以得到R系數為h與l之比,用以表征風場的有效輸送能力,其計算公式如下：

式中：i為相應的數據時刻;is為起始時刻;ie為終止時刻; 為平均數據時間間隔;ui為水平風速的南北分量;vi為水平風速的東西分量.實際應用中,當RF接近1時,代表的是平直穩定的輸送;當RF接近0時,代表著幾乎沒有有效輸送(圖2(c)).

圖2 局地回流指數計算示意Fig.2 The diagrammatic sketch of calculatingrecirculation factor

2 結果分析

2.1 觀測試驗期間天氣概況

圖3 2004年10月觀測試驗期間廣州站逐時溫度和風速Fig.3 The hourly temperature and wind speed during the observations of October 2004 in Guangzhou station

PRIDE-PRD2004試驗期間,珠三角共經歷多次弱冷空氣過程(圖 3(a)),尤其是在冷氣團影響前的回暖期時,冷暖氣團的交匯導致珠三角地面風速顯著減弱(圖 3(b)),較弱的地面風場會形成氣流停滯區,不利于污染物的輸送擴散,進而促使了空氣質量的惡化.而且在冷氣團影響期間,珠三角受大陸冷高壓控制,地面形勢穩定,冷暖氣團交匯使得背景風場較弱,有利于海陸風的發展.

觀測試驗期間新墾觀測點 API值相對較高(圖 3(a)),污染較為嚴重,期間共觀測到兩次較為嚴重的污染過程,分別為10～17日和29～31日,污染日共計 11d.利用新墾觀測試驗得到的風廓線資料,同時結合番禺和新墾的逐時溫度資料,統計

發現新墾觀測點在觀測試驗期間共觀測到11個海陸風日,約占總觀測日數的47.8%,其中有8個海陸風日出現在污染日,約占觀測到海陸風日數的72.7%,尤其是在10～17日較為嚴重的污染過程期間,海陸風非常活躍.

2.2 珠三角沿海局地回流指數特征

圖4為新墾觀測站點污染日與非污染日的RF廓線分布.從圖4可以看出,新墾污染日近地層平均 RF系數較小,不足0.8,隨著高度逐漸增加,在1000m左右RF已經接近1,污染日RF各高度極小值差別較大,400m處RF極小值甚至小于 0.2;新墾非污染日RF系數相對穩定,近地層大于 0.9,并且極小值也顯著大于污染日.珠三角處于冷空氣前暖期控制時,冷暖氣團的交匯造成背景風場大幅減弱,有利于海陸風局地環流的發展,RF系數特征進一步證明了新墾污染日海陸風局地環流發展活躍,對空氣質量有著不可忽視的影響.

圖4 新墾觀測站點(a)污染日與(b)非污染日RF廓線Fig.4 The RF profiles of (a) pollution days and (b) non-pollution days of Xinken

表1 新墾觀測試驗期間API與RF值的相關系數Table 1 The correlation indexbetween API and RFs ofXinken during the campaigns.

圖5 新墾逐日API與100m和900m處RF值Fig.5 The daily API and the RFs of 100m and 900m at Xinken

表1為新墾觀測點API與RF值相關系數特征.新墾觀測點RF值與API的相關性隨高度增加逐漸遞減,在低層相關性較好,尤其400m以下均通過了顯著性檢驗,而這個高度恰恰是海陸風發展最活躍的氣層,這說明海陸風對低層大氣擴散能力影響顯著.

通過以上分析,圖5給出的是新墾逐日API和100m與900m出RF值變化情況.100m處RF值(RF100)與 900m處 RF值(RF900)差異非常明顯,RF900隨時間變化較小,基本上維持在0.9左右.而RF100則變化劇烈,當RF100減小的時候,API逐漸增大,當RF100與RF900較為接近的時候,API逐漸減小.受海陸風活動強弱的影響,污染日新墾

RF100多數分布在 0.5～0.8之間,垂直風場的有效輸送能力明顯減弱.

綜上所述,在干季冷暖氣團對峙形成的較弱的背景風場有利于珠三角沿海海陸風局地環流的發展.污染日與非污染日的 RF系數特征,特別是400m高度以下的R系數差異顯著,表明海陸風局地環流對珠三角空氣質量有著重要的影響.非污染日局地環流影響較弱,垂直風場較為穩定,大氣輸送能力強,能夠持續有效地將污染物輸送出去,而污染日海陸風局地環流活躍,大氣擴散能力較差,有利于污染日的累積.

2.3 珠三角海陸風特征

通過對新墾風廓線和RF值特征的分析,可知海陸風對珠三角空氣質量的影響不容忽視,因此研究珠三角海陸風發展特征具有重要的意義.圖6為新墾觀測點海陸風日 100m處各時刻風矢量變化情況.從圖6可以看出,06：00風矢量主要為東北偏北偏北風,10：00逐漸轉為東北偏東風,而且受陸風影響風速顯著減小.18：00起受海風影響,風向由東南偏北風逐漸轉為東南偏南風,風速也呈現出增大的特征.風向總體隨時間由 06：00～23：00順時針旋轉了約 160°,與海陸風影響時風向隨時間順時針旋轉的理論規律是相符的[29].

圖6 新墾海陸風日100m高度處風矢量變化Fig.6 The variation of wind vectors on 100m of sea-land breezes days at Xinken.

海陸溫差是形成海陸風的最基本的熱力條件,圖7為海陸風日廣州與新墾溫度日變化情況,由于新墾位于珠江口沿海,受海洋影響較大,可在一定程度上反映海洋溫度變化,廣州則位于內陸,可一定程度上反映陸地溫度變化.從中可以看出,07：00后隨著太陽輻射增強,廣州與新墾溫度均在逐漸增加,而且兩個觀測站溫度差別不大;午后15：00起,廣州溫度已明顯高于新墾,并且溫差持續增大至2.5℃,隨著午后海陸溫差的增大,滿足了出現海風的熱力條件;00：00～06：00溫差則逐漸減小,其中部分原因是新墾受海風影響較大,降溫較慢.此外,圖7中廣州與新墾的溫差能夠持續存在于整個夜間,這與廣州站臨近城區熱島效應較強有關.

圖7 海陸風日廣州與新墾逐時溫度Fig.7 The hourly temperature of sea-land breezes days at Guangzhou and Xinken station.

圖 8為新墾海陸風日平均風廓線情況和不同高度風向頻率分布情況.從圖8可以清晰的看到,從 16：00～17：00起在海風的影響下,風向逐漸開始偏轉為東南偏南風,而且海風的影響高度也隨時間逐漸增大,在 22：00～23：00時左右達到最大高度約為 600m.新墾陸風的影響相對較弱,但是也可以發現10：00～14：00的風速要略小于白天其他時刻.在近地層 300m下存在兩個高頻率風向分布區,分別是東北風和東南偏南風.東南偏南風是海風出現時的主導風向,而東北風則是非海風時刻的主導風向.

綜合以上分析可知,污染日珠三角沿海海陸風出現頻率相對較高,海陸風對珠三角空氣質量有著重要的影響.在海陸風日,新墾地面風場呈現出顯著的隨時間順時針偏轉的特征,海陸風溫差較大滿足出現海陸風的熱力條件.新墾海風發展較為顯著,約在 16：00～17：00逐漸出現,風向也逐漸開始偏轉為東南偏南風,而且海風的影響高度

也隨時間逐漸增大,在 22：00～23：00左右達到最大高度約為600m.

圖8 新墾海陸風日(a)垂直風場和(b)風向頻率分布Fig.8 The wind profiles (a) and frequency of wind directions (b) of sea-land breezes days at Xinken station

2.4 珠三角海陸風對空氣質量的影響

為了更加清晰的分析新墾海陸風特征,選取2004年10月13～16日的作為海陸風的典型個例進行研究,該觀測時間段內珠三角出現嚴重的污染天氣過程.圖9(a)為2004年10月13～16日新墾的逐時溫度變化情況,可以看到13～16日新墾溫度的最大值一般出現在 14：00.由于海風吹來的較冷的冷空氣使得午后降溫更加迅速,從而導致峰值前的溫度增高趨勢與峰值后的溫度降低趨勢明顯不同,出現類雙峰結構,這與理論上海陸風影響下日溫度變化趨勢時相符的[30].

圖9 新墾2004年10月13～16日逐時溫度Fig.9 The variation of hourly temperature on Xinken during 13～16 October 2004

圖10 新墾2004年10月13～17日垂直風場Fig.10 The vertical wind field on Xinken during 13～17 October 2004

圖10為2004年10月13～17日新墾垂直風場變化情況,從圖10可以清晰地看出逐日的海陸

風演化特征.14：00左右海風逐漸出現,風向主要為東南風以及東南偏南風,最大影響高度約為600～800m.隨著海風影響的減弱,陸風開展逐漸發展,陸風影響時間每天有所差異,約在 02：00～12：00之間,主導風向為東北偏東風,最大影響高度約為500～600m.

圖11為2004年10月13～16日新墾RF廓線變化情況.從圖11可以看出,新墾600m以下低層RF值逐漸減小,高層則相對較大.低層海陸風活躍,晝夜風向變化顯著,使得RF值相對較小,16日極小值甚至不足 0.2,這與垂直風向的變化特征是一致的,極低的RF值意味著海陸風顯著的削弱的大氣的有效輸送能力,不利于污染物的輸送擴散.

圖12為2004年10月16日的新墾垂直風廓線和氣球軌跡.在500m和1000m左右出現的風切變將16日的風廓線區分為3層,每層的風場結構的日變化特征均不同.500m以下的低層受海陸風影響顯著,陸風出現在02：00左右,主要為東北偏北風,風速較小;17：00左右,海風逐漸開始出現,主要為東南偏南風,風速也開始逐漸增大,并且出現一個風切變隨時間逐漸增高.圖12(b)中的17：00～23：00的氣球軌跡也同時隨著風向的改變而出現彎曲,其他觀測時刻的氣球軌跡則相對平直.

圖11 新墾2004年10月13～17日RF廓線Fig.11 The RF profilesof Xinken during 13～17 October 2004

圖12 新墾2004年10月16日風廓線(a)和氣球軌跡(b)Fig.12 The wind profiles (a) and balloon trajectories (b) at Xinken during 16 October 2004

圖13 2004年10月16日番禺與新墾各觀測時刻溫度廓線Fig.13 The temperature profiles of observation times in Panyu and Xinken on 16 October 2004

圖13為2004年10月16日番禺與新墾各觀測時刻的溫度廓線情況.在02：00,新墾的溫度整體比番禺要小 2℃左右;06：00新墾溫度升高,新墾與番禺之間的溫差,陸風影響逐漸出現; 18：00時,在海風的影響下,新墾 300m左右出現了低空逆溫,番禺未受海風影響仍為貼地逆溫;隨著海風影響逐漸深入內陸,20：00時新墾的低空逆溫增高到500m,番禺低空逆溫出現在200m左右;23：00新墾和番禺的低空逆溫高度達到最大,但是強度顯著減小,隨著海風影響的減弱貼地逆溫重新出現.

圖14給出的是新墾和番禺2004年10月16日逐時PM2.5濃度,16日是一次非常典型的海陸風日.在陸風和背景風場的共同作用下,番禺和新墾第一個峰值的大小和出現時間都比較接近,但是第二個峰值特征則差別明顯.新墾的 PM2.5濃度在20：00出現短暫的峰值后,PM2.5的濃度就開始逐漸降低,而番禺 PM2.5濃度第二個峰值濃度出現 22：00,而且濃度遠大于新墾.這是由于隨著海風影響的逐漸增強,海風將污染物從沿海輸送回內陸,新墾會出現短時的濃度增加,爾后清潔的海風會使得新墾的污染物濃度降低,而海風將污染物輸回并停滯在番禺,導致番禺的濃度持續升高.莊延娟等在珠三角也發現了類似的現象[23].

通過以上分析,新墾觀測的海風約從16：00開始出現,其主導風向為東南風.隨著海風的進一步發展,在20：00達到最大影響高度,約為600～ 800m.陸風的出現時間約在 02：00,其主導風向為西北風,在08：00陸風達到最大影響高度,約為500～600m.

圖14 新墾和番禺2004年10月16日逐時PM2.5濃度Fig.14 The variation of hourly PM2.5concentration in Panyu station and Xinken station during 16 October 2004

與此同時,還與我國其他沿海地區海陸風特征進行了對比(表 2).由于采用的資料不同,所以關于海陸風的起始時間等也存在一定的差異.大部分研究認為海風結束時間約在20：00～21：00時,陸風結束時間約為 07：00～09：00時,關于海陸風的發展高度的研究則相對較少,但是依然可以發現海風主要在1000m以下,海風發展高度要大于陸風,這些與本研究是頗為一致的.

表2 我國沿海地區海陸風特征Table 2 Features of sea–land breezes in the coastal region of China

3 結論

3.1 局地環流指數是表征局地大氣輸送能力的有效指標,珠三角沿海與內陸局地環流指數差異明顯.珠江口沿岸新墾觀測點500m以下RF值與API相關性較為顯著,RF值小的時候,海陸風活

動活躍,風場的有效輸送能力較弱,污染日新墾近地層局地RF值主要分布在0.5～0.8之間.非污染日風場較為穩定,RF值較大,海陸風影響較弱,大氣輸送能力較強,有利于污染物的擴散.

3.2 在海陸風日,海陸溫差較大,新墾地面風場呈現出明顯的隨時間順時針偏轉特征.海風約從16：00時開始出現,主導風向為東南風,在20：00達到最大影響高度約為 600～800m.在海風的影響下,夜間氣球軌跡也會出現彎折,溫度廓線會出現低空逆溫.陸風約從02：00開始出現,其主導風向為西北風,在 08：00陸風達到最大影響高度約為500～600m.

3.3 新墾觀測點觀測試驗期間 47.8%的觀測日觀測到海陸風,其中 72.7%的海陸風日出現在污染日,污染日珠江口出現海陸風的頻率較高,海陸風對珠三角空氣質量有著重要的影響.受海陸風影響,夜間海風將污染物輸送回內陸,番禺逐時PM2.5濃度呈現出明顯的雙峰結構,19：00～21：00出現第二個濃度峰值.

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Observation on the characteristics of sea-land breezes and its influence to air quality over Pearl River Delta region during dry season.

WU Meng1,2,3, LUO Yun2,3, WU Dui1,4*, FAN Shao-jia1*(1.School of Atmospheric Science, SunYat-sen University, Guangzhou 510275；2.FoshanMeteorological Bureau, Foshan 528000；3.Tornadoes Research Center of Foshan, Foshan 528000；4.Institute of Atmospheric Environmental Safety and Pollution Control, Jinan University, Guangzhou 510080, China). China Environmental Science, 2016,36(11)：3263～3272

Based on the sounding data obtained from the boundary layer observation experiment over Pearl River Delta (PRD) region during October 2004 and the corresponding hourly PM2.5data, the characteristics of sea-land breezes and its influenceson quality over PRD region were discussed by Recirculation Factor (RF) and other methods. Recirculation factor was a useful tool to represent the atmospheric horizontal transmission capacity.With the influence of the cold air and warm air confront with each other during pollution days, the sea-land breezes occurred frequently as a result of the weak system wind, and air quality index had significant relation with the RF, the RF of 100～400m was about 0.5～0.8. The horizontal transmission capacity of vertical wind field was weak under the influence of sea-land breezes, not conducive to the spread of pollutants. As PRD controlled by cold air overall, the RF of vertical windreach up to 0.9, and sea-land breezes circulation was hard to developing,so the horizontal transmissions capacity was powerful and the pollutants could be spread effectually. Among the observations, the frequency of sea-land breezes was about 47.8% at the coastal station, and the 72.7% of sea-land breezes day was pollution day, the wind directionhad visible change in clockwise over time. The sea breeze occurred in 16：00, and reached the maximum in 20：00 with the influence height was about 600～800m. In the night, sea breeze may transport the pollutants back to inland, and gave rise to a peak value of PM2.5concentration appeared at 19：00 to 21：00 in inland station.

sea-land breezes；recirculation factor；air quality；Pearl River Delta region

X51

A

1000-6923(2016)11-3263-10

吳 蒙(1988-),男,河南光山人,博士,主要從事邊界層氣象學與污染氣象學研究.發表論文10余篇.

2016-03-28

國家重點研發計劃大氣專項課題(2016YFC0203305);國家自然科學基金資助項目(41630422,41475004);佛山市氣象局科學技術研究項目(201503,201602).

* 責任作者, 范紹佳, 教授, eesfsj@mail.sysu.edu.cn; 吳兌, 教授, wudui@grmc.gov.cn