揚州市一次持續霾天氣的診斷分析

吳瓊　程遠　張麗婷　夏露　汪嬋娟

摘 要：利用環保監測站數據和能見度自動觀測數據，對2017年12月揚州市一次持續霾天氣進行了研究。結果表明，此次持續霾天氣是在重污染、高AQI值背景下產生的，本地污染物有一定的作用。利用NECP再分析數據分析天氣尺度背景發現，高低空均為不利于污染物擴散和稀釋的天氣類型，長時間維持風速較小或者靜風的狀態，導致污染物的持續積累和霾的形成與發展。利用ECMWF的ERA-Daily再分析資料診斷邊界層氣象要素，發現大氣擴散能力較差，風速偏小，逆溫層的存在均有利于污染物在低層的積累，近地面風向和風力的變化是霾結束的重要原因。通過HYSPLIT模式模擬不同高度層氣團后向軌跡后發現，污染物隨冷空氣經西北路徑自北向南輸送，外界污染源主要是中低層的污染物輸送與沉降帶來的。

關鍵詞：持續霾;邊界層要素;逆溫;污染輸送;HYSPLIT模式

中圖分類號 P427.2文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）08-0151-05

Abstract： Based on data from environmental monitoring stations and automatic visibility observations， a continuous haze weather in Yangzhou from December 29，2017 to January 1，2018 was studied in this paper. It was found that the continuous haze weather was generated under the background of heavy pollution and high AQI value. There was a certain relation to the large-scale road infrastructure and the emissions of chemicals， tail gas， etc. in Yangzhou. The NCEP reanalysis data was used to analyze the weather scale background of the continuous haze process， it was found that either the middle and high altitude or the ground field was the weather type which was not conducive to the diffusion and dilution of pollutants. The small wind speed or a static wind for a long time led to the continuous accumulation of pollutants and the formation and sustainable development of haze weather. This paper also used the ERA-Daily reanalysis data from ECMWF to diagnose the meteorological elements of the boundary layer， and it was found that the atmospheric diffusion capacity was poor， the wind speed was small， and the existence of the inversion layer were beneficial to the accumulation of pollutants in the lower layer and the formation and continuity of the haze， while the change of the wind direction in the near ground and the increase of the wind speed were important reasons for the end of this continuous haze. The HYSPLIT model was used to simulate the back trajectory of the air masses in this continuous haze process in different height layers and found that the pollutants were transported fron north to south through the northwest path， which had the same path as the cold air. The external pollution sources that affect the continuous haze in Yangzhou were mainly caused by the transport and settlement of pollutants in the lower and middle levels.

Key words： Continuous hazes; Boundary layer elements; Inverse temperature; Pollution transmission; HYSPLIT mode

在氣象觀測中，將能見度小于10km，排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現象造成的視程障礙，在相對濕度低于80%時，判別為霾。根據氣象行業標準中能見度（V，單位km）的不同，將霾分為：輕微霾（5.0≤V<10.0）、輕度霾（3.0≤V<5.0）、中度霾（2.0≤V<3.0）、重度霾（V<2.0）。中國氣象局在2013年1月將PM2.5的濃度作為發布霾預警信號的重要指標之一，環保部門也將包含PM2.5濃度變化的空氣質量指數（AQI）作為大氣污染的指標。

霾的形成與氣象條件和大氣中高濃度的細粒子有關[1-4]，較低的風速，較高的相對濕度以及穩定的邊界層條件等均有利于大氣中氣溶膠的生成、增長和累積，導致能見度下降和重污染的持續以及霾的維持。

眾多學者在對中國地區霾的時空分布特征進行研究分析后發現，霾日數呈現上升趨勢。吳兌等[5]對1951—2005年中國地區霾的時間和空間分布特征進行了分析，發現1980s后霾出現的天數明顯增多;CHE等[6]對中國31個省會城市1981—2005年的灰霾變化趨勢分析后發現，中國東部和東南部城市的灰霾天數明顯增多。曹劍秋等[7]對江蘇省2007—2013年的霧、霾日數氣候特征和霾天氣發生時的主要氣象要素場特征進行了研究，結果表明，霾日數分布由南向北逐漸遞減，并逐年增長，其中夏季霾日數最少。

許多專家學者對霾的成因進行了多角度的分析[8-10]，污染源是造成空氣污染的根本原因，大氣對污染物的擴散能力是空氣污染的直接誘因?？諝馕廴疚锏木奂由嫌欣臍庀髼l件，共同形成了霧霾天氣，在相對濕度大且靜風，大氣對流較少時，大氣相對較為穩定，污染物很難進行擴散，從而導致了污染物濃度的升高，更容易產生霧霾[11]。楊雪艷等[12]從環流形勢、邊界層風速、逆溫強度、濕度垂直分布特征、混合層高度、通風系數等方面分析了長春市一次持續霾天氣的氣象條件，發現在高空不斷有弱槽擾動、冷空氣總體較弱的天氣背景下，大氣邊界層逆溫強、風速偏小，大氣水平擴散能力和垂直交換能力弱，共同引發了該次持續霾。

本研究針對2017年12月29日至2018年1月1日發生在揚州市的一次持續霾天氣過程，從環流背景、邊界層氣象條件、污染物的輸送等方面進行了診斷分析，探討此次持續霾天氣發生的原因。

1 資料與方法

利用揚州境內環保監測站數據對污染物的變化趨勢進行分析，用能見度自動觀測數據分析揚州能見度走勢。利用NECP分辨率為1°×1°的再分析數據對高空環流和地面形勢進行分析。利用ERA Interim Daily分辨率為0.5°×0.5°的數據對邊界層氣象要素（風向、風速、濕度、溫度）的演變進行分析，并探討邊界層氣象要素與霾的形成和維持之間的聯系。利用HYSPLIT-4拉格朗日混合單粒子軌跡模型追溯持續霾日期間污染物的來源與走向。

2 霾天氣過程介紹

2017年12月29日至2018年1月1日，受不利氣象條件的影響，江蘇大部分地區自西北向東南出現了連續的霾天氣，其中，31日早晨江蘇中部地區出現了區域性強濃霧天氣。根據揚州能見度儀逐小時數據來看（圖1），29—31日，揚州的能見度基本處于2000m以下，出現了連續的霾天氣，并在夜間濕度較大時出現了霧霾混合的天氣。其中，夜間能見度降至1000m以下，部分時段低于500m，1日后期污染物擴散氣象條件有所轉好，能見度逐步回升，持續霾天氣結束。

從AQI的數據來看（表1），揚州市2017年12月29日至2018年1月1日，污染程度不斷加重，30日起，AQI值大于150，達到中度及以上的污染級別，在12月31日和1月1日前期較為嚴重，AQI值大于200，空氣質量等級為5級，均達到了重度污染的標準。而這幾日的首要污染物均是PM2.5，污染物濃度也是逐日遞增。

根據環境監測站PM2.5和PM10的數據（圖2），分析其逐小時變化可以發現，PM2.5和PM10的走勢基本一致，PM10比PM2.5的濃度數值更大一些。在30日午后開始，PM2.5濃度均超過150μg/m3，30日夜間達到峰值，PM2.5濃度超過300μg/m3，31日夜間也在200μg/m3以上，1日午后PM2.5濃度開始下降，揚州市的空氣質量和能見度開始逐漸轉好。

出現連續霧霾期間，PM2.5和PM10濃度的峰值時段基本都出現在夜間至中午，其一方面與揚州大規模的道路基建有一定關系，另一方面，夜間邊界層逆溫的存在抑制了污染物輸送，且相對濕度在夜間較白天更高，風速小，增加了顆粒物的濃度。對比氣態污染物（SO2、NO2、CO和O3等）的逐小時變化圖（圖略）顯示出在每日8—17時出現峰段，考慮與人類活動（尾氣、工業排放等）有關。因此，本次揚州地區的持續霾，本地的污染物也起到了一定的作用。

3 診斷分析

3.1 高空環流與地面天氣形勢 天氣形勢決定了氣象要素的分布和變化，繼而決定了大氣的擴散能力與大氣的穩定程度以及污染物與霾的空間分布和區域性[13]。從500hPa環流來看（圖3a～d），2017年12月29日至2018年1月1日，揚州29日處于高壓脊前，當暖高壓脊東移時，揚州處于暖空氣的影響下，當中高層低渦槽東移，前期帶來了弱降水，后期揚州受槽后弱冷空氣的影響，整個過程中低層層結較穩定，湍流弱，槽后冷空氣的偏弱，對污染物肅清效果差。從低空850hPa高度場和地面氣壓場上看（圖3e～f），29—30日西路冷空氣擴散南下，但冷空氣強度弱，等壓線不密集，風力較小，31日處于弱高壓控制中，1日位于高壓后部，過程中天氣相對靜穩，不利擴散，天氣形勢有利于污染物的積累和霾的形成與維持。

由此可見，此次持續霾天氣過程中，在中高空有低渦槽過境，槽后冷空氣偏弱，地面為不利于污染物擴散和稀釋的天氣類型[14]，長時間維持風速較小或者靜風的狀態，是典型的靜穩天氣，導致污染物的持續積累和霾天氣的形成與持續發展。

3.2 邊界層氣象要素演變特征 大氣對污染物的稀釋、擴散能力與邊界層氣象要素的分布密切相關，如垂直速度和散度的垂直分布在一定程度上反映了垂直方向上污染物的擴散條件好壞，逆溫層的存在阻礙了污染物向上的擴散和清除，較弱的低層風則不利于污染物的水平擴散和清除。

圖4a是沿著（32.5°N，119.5°E）所作的垂直速度的時間-高度剖面圖。從圖4可以看出，在29日弱降水發生期間，揚州低空為上升運動，而到了霾加重的30日以后，揚州上空為弱的下沉運動，一方面垂直速度小，交換弱，抑制了污染物的垂直擴散，另一方面也加強了近地面的逆溫層，有利于污染物在低層的聚集。從散度的垂直分布來看（圖4b），在前期西風槽弱降水期間，低層輻合高層輻散，有上升運動，而在霧霾維持加強階段，揚州上空中低層散度主要為正，以幅散下沉氣流為主，并且散度值偏小，交換弱。這種分布特點有利于揚州地區霾的長時間維持發展。

通過前面分析可知，12月29日至1月1日，揚州地區大多是被下沉氣流所控制，由于氣流下沉的增溫作用，極易出現逆溫層結。對12月29日至1月1日逐6h做溫度的垂直廓線可以看到（圖5），在700hPa以下均表現出明顯的逆溫層結，并且逆溫層的存在是持續的、多時次的。在逆溫存在時，大氣的層結相對穩定，從而抑制了大氣中的垂直運動和湍流交換，也阻礙了空氣中水汽、煙塵和其他污染物的垂直輸送[15]。因此，中低空長期穩定存在的逆溫層有利于揚州地區持續霾的發生發展。

風場是邊界層內影響污染物擴散的重要動力因素之一。從揚州市上空風的垂直剖面圖（圖6）來看，30—31日，中低層有弱冷空滲透，偏北風推動污染物南下，但是霧霾持續期間近地面的冷空氣較弱，偏北風風力較小，不利于污染物的疏散和清除。在30日夜間925hPa有短時間的偏北風增強，但是一方面持續時間短，另一方面較大風速仍然在較高層結，因此并不能有效地對污染物進行清除。而在1月1日后期，近地面東南風場逐漸增強，風向的轉變使得揚州地區的污染物不再是偏北風帶來的污染物積聚的效果，而是較為潔凈的大氣對污染物進行了一定的清除，且風力的增大，使得清除的效果更好。

因此，在本次揚州持續霾期間邊界層內大氣擴散能力較差，風速偏小、逆溫層的存在，均有利于污染物在低層的積累和霾的形成。而近地面風向的轉變和風力的加大是本次持續霾結束的重要原因。

3.3 污染物輸送 本研究采用美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）開發的拉格朗日混合單粒子軌道模型（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model，簡稱HYSPLIT-4）追溯連續霧霾日期間氣團的來源和走向。HYSPLIT是具有處理多種氣象輸入場、多種物理過程、不同類型排放源的較完整的輸送、擴散和沉降的綜合模式系統，通常用來跟蹤氣流攜帶粒子或者氣體移動的方向。

霾的發生除與本地污染源有關外，還可能與外來污染源有關;而外來污染源與氣象條件、天氣系統等密切相關，在一定的天氣形勢下，外來污染物隨氣流不斷地輸送至本地，本文中連續霧霾就出現在冷空氣南下的天氣背景中。冷空氣南下，推動北方的污染物也南下積聚，形成連續的霧霾過程。

本研究以揚州為參考點，選取100m、1000m和3000m高度層計算后向軌跡，分析追蹤到達華東長江下游地區的氣團過去72h的移動路徑，從而初步分析影響揚州的持續霧霾天氣的可能外來污染源路徑。在近地面100m高度上：28—31日，污染物經由北方路徑移動，經蘇魯交界及冀魯豫交界向南傳至揚州市，垂直方向上伸展較低;29—1日，通過內蒙、河套自西北傳至揚州市，垂直方向伸展至2km以上，并在傳播過程中不斷降低，有明顯的下沉。在1000m高度上：27—29日，路線較復雜從蘇浙交界經蘇皖交界北上，再折回揚州市;垂直高度在1000m以下;28—31日，自貝湖經蒙古、河套至揚州市，垂直方向上可伸展至5km以上，并在傳播過程中不斷降低，有明顯的下沉;29—1日，自新疆經河套至揚州市，可達3km。在3000m高度上：污染物經由西北路徑移動，和1000m高度的情況基本類似，但是中高空氣團有上升運動，對本次持續霾天氣的影響弱。

因此，不論是近地面還是中、高空，污染物經西北路徑自北向南輸送。與冷空氣路徑一致，但造成本次揚州地區持續霾天氣的主要是中低層的污染物輸送與沉降。

4 結論

（1）本次持續霾天氣是在重污染、高AQI值背景下產生的，PM2.5和PM10的走勢基本一致，峰值時段出現在夜間到中午，PM10比PM2.5更大一些。揚州本地基建和化工、尾氣等的排放，對本次持續霾天氣的發生起到了一定的作用。

（2）中高空有低渦槽過境，槽后冷空氣偏弱，地面為不利于污染物擴散和稀釋的天氣類型，長時間維持風速較小或者靜風的狀態，是典型的靜穩天氣，導致污染物的持續積累和霾天氣的形成與持續發展。

（3）從本次持續霾期間邊界層氣象要素條件來看，大氣擴散能力較差，風速偏小、逆溫層的存在均有利于污染物在低層的積累和霾的形成。而近地面風向的轉變和風力的加大是本次持續霾結束的重要原因。

（4）通過HYSPLIT模式模擬本次持續霾過程的不同高度層（100m，1000m，3000m）氣團后向軌跡后發現，不論是近地面還是低空，污染物經西北路徑自北向南輸送，與冷空氣路徑一致。對揚州地區持續霾天氣產生影響的外界污染源，主要是中低層的污染物輸送與沉降帶來的。

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（責編：張宏民）