四川盆地冬季兩次典型大氣污染過程對比分析

楊景朝， 陶 勇， 杜云松， 肖遞祥， 張 超， 王成鑫， 謝鵬宇， 馬振峰

1.中國氣象局成都高原氣象研究所, 四川 成都 610072 2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室, 四川 成都 610072 3.貴州省氣象服務中心, 貴州 貴陽 550002 4.四川省生態環境監測總站, 四川 成都 610091 5.四川省氣象臺, 四川 成都 610072 6.中國地質大學環境學院大氣科學系, 湖北 武漢 430074 7.四川大學建筑與環境學院, 四川 成都 610065 8.內蒙古自治區包頭市白云鄂博礦區氣象局, 內蒙古 包頭 014080 9.四川省氣候中心, 四川 成都 610072

“十四五”時期，我國生態文明建設已進入壓力疊加、負重前行的關鍵期. 當前，在“一干多支、五區協同”和“四向拓展、全域開放”經濟發展理念的引領下，四川省正由經濟大省向體現高質量發展要求的經濟強省跨越. 隨著經濟社會快速發展，特別是工業化、城鎮化進程的加快，大氣污染問題日益突出[1]. 四川盆地是我國大氣污染防治重點區域之一，冬季霾天氣頻發，且持續時間長、影響范圍廣[2]. 該區域冬季污染天氣過程的形成、持續和消散特征值得關注.

我國霾天氣形成與氣溶膠污染、不利氣象條件密切相關，在持續性的靜穩天氣和高氣溶膠濃度的共同作用下，大氣污染物快速累積，促使霾天氣發生發展[3]. 國內外諸多學者利用地面氣象觀測數據研究[4-5]發現，靜小風和高濕等氣象背景場均有利于霾天氣過程的出現. 隨著霾天氣研究方法的不斷創新與發展，激光雷達觀測、數值模式模擬、衛星遙感監測等技術相繼應用于霾天氣研究領域. 數值模式模擬可以預測、預報霾天氣下大氣污染物的時空分布特征和區域輸送過程[6-7]. 大氣混合層高度作為表征大氣污染物在垂直方向上擴散能力的參數，現已廣泛應用于霾天氣研究，混合層高度上升，大氣環境容量增加，大氣垂直自凈能力增強，有利于污染物稀釋擴散，該參數通常可由常規氣象觀測數據或激光雷達數據計算求得[8-10]. 氣溶膠光學厚度(AOD)作為可以表征整層大氣氣溶膠消光作用的基本光學參數，近幾年已成為環境氣象領域的研究熱點[11-12]. 衛星遙感反演是獲取氣溶膠光學參數的重要技術手段之一，因其具有覆蓋范圍廣等特點，在霾天氣監測和評估方面已得到越來越多的應用[13-14]. 其中，中分辨率成像光譜儀(MODIS)全球氣溶膠產品是目前研究大范圍氣溶膠分布特征的主要衛星遙感資料[15-16]. MODIS AOD產品被普遍認為是地面PM2.5、PM10濃度的重要指標，對我國地面空氣質量具有較好的指示作用[17-18]. 四川盆地由于其特殊的地理和氣象條件，一直以來都是我國AOD高值中心，年均AOD在0.9左右[19]. 然而，很多學者在四川盆地等區域開展的MODIS氣溶膠產品分析研究主要是從年際、季節等時間尺度來分析區域氣溶膠分布特征[20-21]，對于污染天氣過程的分析較少.

氣溶膠空間分布、大尺度環流運動、氣象場結構特征等均可對冬季污染天氣過程演變造成影響，該研究從氣溶膠光學厚度、氣象動力條件、大氣穩定度條件等方面，對2017年12月—2018年1月四川盆地發生的兩次污染天氣過程進行了對比分析，探討兩次污染天氣過程AOD空間分布、氣象條件的異同，以期為四川盆地冬季污染天氣預警監測提供技術支撐.

1 數據與方法

1.1 數據來源

選取中國環境監測總站發布的四川盆地17市(成都市、巴中市、達州市、德陽市、廣安市、廣元市、樂山市、瀘州市、眉山市、綿陽市、南充市、內江市、遂寧市、雅安市、宜賓市、資陽市、自貢市)2017年12月1日—2018年1月31日逐小時常規大氣污染物PM2.5和PM10濃度數據. 污染物日濃度由每日24個小時濃度值算術平均求得. 環境空氣質量監測數據應用于污染天氣過程概述與分析.

選取NASA官網最新發布的逐日MODIS全球氣溶膠光學厚度MCD19A2產品. 該數據由多角度大氣校正算法MAIAC反演，空間分辨率為1 km. MCD19A2全球氣溶膠數據應用于污染天氣過程氣溶膠光學厚度時空分布特征分析.

選取NCEP發布的FNL再分析數據，分辨率為1°×1°，選擇08:00(BJT)的500 hPa位勢高度和850 hPa 水平全風速用于分析天氣形勢對污染過程的影響.

選取國家氣象信息中心發布的逐小時總云量、10 m 風速實況格點融合分析數據，水平分辨率為5 km×5 km，經緯度范圍分別為0°N～60°N、70°E～140°E. 選取成都市溫江氣象站(30.75°N、103.87°E)、達州市達川氣象站(31.2°N、107.5°E)、宜賓市氣象站(28.77°N、104.6°E)08：00探空溫度、相對濕度數據. 氣象數據應用于氣象條件對污染天氣過程的影響分析.

1.2 混合層高度計算方法

依據《大氣自凈能力等級》(GB/T 34299—2017)[22]，基于國家氣象信息中心發布的地面實況格點融合分析數據，計算污染天氣持續與消散階段的混合層高度，計算公式：

La=as×u10/f

(1)

(2)

式中：La表示大氣穩定度為不穩定(A、B、C級)和中性(D級)時的熱力混合層高度，m；Lb表示大氣穩定度為穩定(E、F級)時的機械混合層高度，m；as和bs分別表示熱力和機械混合層系數，取值由中國各地區序號和大氣穩定度共同決定(見表1、2)；u10表示10 m 高度上平均風速，m/s，大于6 m/s時取為6 m/s；f表示地轉參數，f=2Ωsinφ. 大氣穩定度等級由太陽輻射等級和地面風速共同決定，太陽輻射等級由總云量、低云量和太陽高度角共同決定. 由于地面實況格點融合分析數據缺少低云量要素，該研究參考楊景朝等[23]研究結論，采用總云量計算太陽輻射等級.

表1 中國各地區序號[22]

表2 中國各地區as和bs值

1.3 溫濕廓線繪制方法

截取地面至離地 2 500 m范圍內的溫度、相對濕度L波段探空秒級采樣數據，以散點繪制每秒對應高度的溫度、相對濕度數據. 每秒只對應一組高度、溫度和相對濕度數據，如果某秒對應溫度或相對濕度數據缺失或異常，則該秒數據不記錄.

2 結果與討論

2.1 大氣污染過程概述

2017年12月—2018年1月，四川盆地共出現兩次持續性污染天氣過程，四川盆地17市首要污染物以PM2.5、PM10為主. 四川盆地包括三大經濟區，分別為成都平原經濟區(成都市、德陽市、綿陽市、樂山市、眉山市、資陽市、遂寧市、雅安市)、川南經濟區(自貢市、瀘州市、內江市、宜賓市)、川東北經濟區(廣元市、南充市、廣安市、達州市、巴中市)，將同期四川盆地三大經濟區各所屬城市PM2.5、PM10日濃度進行算術平均，分別探討各經濟區總體污染實況. 根據PM2.5、PM10濃度，分別計算PM2.5、PM10空氣質量分指數和PM2.5/PM10(濃度比，下同)，比較PM2.5、PM10空氣質量分指數大小，確定AQI值，并通過PM2.5/PM10識別霾與沙塵影響的污染天氣過程.

由圖1(a)可見：成都平原經濟區第一次污染天氣過程為2017年12月19日—2018年1月3日，19日AQI為102，成都平原經濟區空氣質量為輕度污染；12月20—23日，污染持續加重，21日PM2.5和PM10濃度分別達107.5和154.3 μg/m3，超過HJ 633—2012《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》二級濃度限值(PM2.5和PM10濃度限值分別為75和150 μg/m3)[24]，22日AQI由140升至172，成都平原經濟區空氣質量為中度污染，此次過程PM2.5和PM10濃度以及AQI值的第一個峰值均出現在23日；12月24—28日，成都平原經濟區維持中度污染，PM2.5和PM10濃度變化較為平緩；PM2.5和PM10濃度以及AQI值的第二個峰值均出現在29日，AQI值由167升至205，達重度污染，PM10濃度劇增95.8 μg/m3；30日，PM10濃度在300 μg/m3以上，PM2.5/PM10首次小于0.5，表明此次過程由細顆粒物污染轉為可吸入顆粒物污染，污染一直持續到2018年1月1日；1月3日，PM2.5和PM10濃度以及AQI值分別降至50.3 μg/m3、88.9 μg/m3、69，此次污染天氣過程結束. 第二次污染天氣過程為1月11—24日，成都平原經濟區1月11日為輕度污染，11—15日污染持續加重，15日AQI峰值達215，成都平原經濟區空氣質量為重度污染；16—23日，成都平原AQI值在90～143之間，為輕度污染或接近輕度污染；24日，AQI值降至75，此次污染天氣過程結束. 第二次污染天氣過程中PM2.5/PM10始終大于0.5，表明此次過程以細顆粒物污染為主.

由圖1(b)(c)可見，川南經濟區和川東北經濟區在2017年12月—2018年1月共出現兩次持續性污染天氣過程，污染實況與成都平原經濟區相似，但川東北經濟區兩次過程污染消散期(分別為1月3日和1月24日)的PM2.5和PM10濃度以及AQI值均明顯低于其他2個經濟區，這可能與冷空氣自北向南的影響強度有關.

2.2 大氣污染過程AOD空間分布特征

MODIS氣溶膠光學厚度產品可以表征四川盆地顆粒物污染特征[20]. 由圖2(a)(b)(c)可見：第一次污染天氣過程中以PM2.5為首要污染物期間(2017年12月19—28日)，四川盆地AOD主要分布于成都平原經濟區西部和川東北經濟區北部，AOD高值區主要位于成都市、眉山市、樂山市、廣元市、巴中市和達州市，川南經濟區AOD值為0；首要污染物由PM2.5轉為PM10期間(2017年12月29日—2018年1月1日)，四川盆地AOD分布區域較前期向中東部靠攏，高值區集中于成都市、眉山市、遂寧市、資陽市和內江市；第一次污染天氣過程結束階段(2018年1月2—3日)，四川盆地AOD值為0. 由圖2(d)(e)可見，第二次污染天氣過程四川盆地AOD主要分布于成都平原經濟區、川南經濟區，呈自北向南逐漸減小的分布特征，AOD高值區集中于成都市、德陽市、綿陽市、遂寧市和南充市. 第二次污染天氣過程結束階段(2018年1月24日)，四川盆地AOD值為0. 相較于第一次污染天氣過程，第二次污染天氣過程四川盆地AOD高值區分布區域更廣，川南經濟區AOD值明顯升高.

注： PM2.5、PM10濃度單位為μg/m3.圖1 四川盆地兩次污染天氣過程PM2.5濃度、PM10濃度、PM2.5/PM10以及AQI值情況Fig.1 The levels of PM2.5, PM10, AQI, and the ratio of PM2.5/PM10 during two pollution weather processes in Sichuan Basin

圖2 四川盆地兩次污染天氣過程AOD空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of AOD during two pollution weather processes in Sichuan Basin

兩次污染天氣過程AOD空間分布特征不同，原因可能為MODIS AOD數據只在晴空區域獲取，四川盆地AOD值為0的區域并不代表該區域AOD值一定為0，由于云霧覆蓋或較厚重的霾影響，導致該區域無法獲得AOD數據[25]. 2006—2017年四川盆地MODIS AOD季節性平均特征表明，冬季地面風速較小，相對濕度較大且混合層高度較低，不利于污染物擴散，因而冬季霾天氣過程表現為AOD高值區分布區域更廣的特征[20]. 四川盆地沙塵污染天氣過程研究[26]表明，隨著北方沙塵不斷向四川盆地南部區域輸送，四川盆地北部區域沙塵輸送減弱，風速減小，較粗沙塵氣溶膠粒子得到沉降，但仍有浮塵氣溶膠粒子懸浮于空中，短時無法清除，盆地AOD值呈“南高北低”的空間分布特征. 近年來，關于四川盆地MODIS AOD月變化特征研究[20,27-28]表明，四川盆地AOD月均值呈11—12月逐月降低、1—3月逐月升高的特征. 與第一次污染天氣過程相比，第二次污染天氣過程整體處于1月，這可能是第二次污染天氣過程四川盆地AOD高值區分布區域更廣的原因.

2.3 大氣污染過程氣象條件分析

2.3.1高低空環流配置

注： 圖中線條上數值表示500 hPa位勢高度，單位為dagpm.圖3 四川盆地兩次污染天氣過程500 hPa位勢高度場和850 hPa風場Fig.3 The geopotential height fields on 500 hPa and wind fields on 850 hPa during two pollution weather processes in Sichuan Basin

由實況天氣圖可見：第一次污染天氣過程第一階段〔12月19—28日，見圖3(a)〕，四川盆地500 hPa位勢高度場為平直西風氣流控制，高空形勢穩定，無北方冷空氣入侵及南支波動；850 hPa風場較弱，有利于本地氣溶膠累積、AOD值升高. 第二階段中的12月29日08:00〔見圖3(b)〕，北方高空槽東移，槽后存在一支強勁的偏北氣流，使冷空氣向南移動，影響四川盆地；850 hPa風速增大，有利于本地氣溶膠稀釋，同時北方沙塵伴隨冷空氣自北向南影響四川盆地，冷空氣過境區域對應AOD高值區. 第三階段為1月2—3日〔見圖3(c)〕，四川盆地位于南支槽前，偏東風引導北方冷空氣回流進入四川盆地，與南方輸入的暖濕氣流交匯，形成降水天氣過程中；本地氣溶膠和沙塵氣溶膠受降水濕清除作用，AOD值迅速降低，此次過程結束. 第二次污染天氣過程中，四川盆地高空處于槽后，以下沉運動為主，850 hPa風場較弱，有利于本地氣溶膠累積，四川盆地大部分地區AOD值持續升高〔見圖3(d)〕；1月24日，高空槽過境，帶來冷空氣降水降溫天氣，空氣質量明顯好轉，此次過程結束〔見圖3(e)〕. 霾天氣過程(2017年12月19—28日、2018年1月11—23日)中，高低空環流形勢穩定有利于本地氣溶膠累積，AOD值持續升高. 沙塵天氣過程(2017年12月29日—2018年1月1日)中，風場對本地氣溶膠進行稀釋，同時輸送沙塵氣溶膠影響本地，冷空氣過境區域對應AOD高值區. 兩次污染天氣過程消散階段，高低空環流經向度加大，冷空氣活躍，可稀釋氣溶膠粒子，AOD值迅速降低.

2.3.2混合層高度

混合層高度是表征大氣污染物由熱力對流和湍流擾動引起垂直運動所能到達的高度，是反映大氣污染物垂直擴散能力的重要氣象參數[29]. 該研究基于實況格點融合分析數據，采用國標法[22]計算四川盆地兩次污染天氣過程逐時混合層高度. 白天受太陽輻射影響，大氣層結以中性和不穩定為主，混合層高度偏高，夜晚氣溫下降，大氣層結趨于穩定，混合層高度降低. 混合層高度抬升，有利于大氣垂直擴散條件轉好； 反之，混合層高度下降則不利于大氣污染物在垂直方向擴散[30-31]. 為消除混合層高度白天較大值和夜晚較小值的影響，選取四川盆地冬季白天時段(08:00—20:00)平均值分析兩次污染天氣過程混合層高度變化對大氣污染物濃度的影響.

第一次污染天氣過程共分為3個階段：第一階段為2017年12月19—28日，四川盆地大部分地區混合層高度低于300 m〔見圖4(a)〕，四川盆地冬季平均混合層高度約為700 m[32]，表明第一階段混合層高度偏低，不利于本地氣溶膠垂直擴散. 第二階段為2017年12月29日—2018年1月1日，成都市、眉山市、雅安市混合層高度抬升約100 m，但四川盆地混合層高度仍然處于300 m以下〔見圖4(b)〕；同時，北方沙塵伴隨冷空氣輸入四川盆地，沙塵氣溶膠粒子數大幅增加，混合層高度偏低，抑制沙塵氣溶膠和本地氣溶膠垂直擴散. 第三階段為2018年1月2—3日，成都平原經濟區、川南經濟區混合層高度抬升明顯〔見圖4(c)〕，四川盆地大氣垂直擴散條件得到改善，東北方向冷空氣進入盆地產生降水，沙塵氣溶膠和本地氣溶膠全部清除，第一次污染天氣過程結束. 第二次污染天氣過程共分為2個階段，污染持續階段(2018年1月11—23日)和污染消散階段(1月24日). 污染持續階段四川盆地大部分地區混合層高度均低于100 m〔見圖4(d)〕，不利于本地氣溶膠垂直擴散；污染消散階段四川盆地混合層高度均有不同程度的抬升〔見圖4(e)〕，大氣垂直擴散條件轉好.

圖4 四川盆地兩次污染天氣過程混合層高度空間分布Fig.4 Spatial distribution of mixed layer height during two pollution weather processes in Sichuan Basin

兩次污染天氣過程中混合層高度的下降與升高對氣溶膠粒子在垂直方向上的擴散傳輸均有重要影響. 第一次污染天氣過程第一階段和第二次污染天氣過程均為霾天氣過程，霾天氣過程中四川盆地混合層高度偏低，不利于本地氣溶膠垂直擴散，導致AOD值持續升高；第一次污染天氣過程第二階段為沙塵天氣過程，冷空氣攜帶沙塵氣溶膠自北向南移動，對混合層高度有小幅抬升作用，空氣質量得到輕微改善(見圖1)，但混合層高度始終偏低，抑制了沙塵氣溶膠和本地氣溶膠的垂直擴散，冷空氣過境區域對應AOD高值區[33]. 沙塵和霾復合污染天氣過程期間，四川盆地混合層高度抬升不明顯的原因可能是近地層逆溫層未被打破，大氣層結穩定，從而抑制了混合層高度抬升[34].

2.3.3溫濕廓線

逆溫層使大氣層結趨于穩定，抑制混合層高度發展，阻礙垂直方向水汽、熱量與氣溶膠混合與交換. 四川盆地冬季污染期間，常出現925 hPa以下的貼地逆溫，不利于大氣污染物垂直擴散，使污染物在近地層不斷累積，導致污染天氣過程發生[35]. 利用成都市溫江探空站(30.75°N、103.87°E)、達州市達川探空站(31.2°N、107.5°E)、宜賓市探空站(28.77°N、104.6°E)08:00溫度、相對濕度數據，對兩次污染天氣過程成都平原經濟區、川東北經濟區和川南經濟區近地層溫度和相對濕度特征進行分析.

由圖5(a)可見，第一次污染天氣過程第一階段，成都平原經濟區、川南經濟區和川東北經濟區均有逆溫層出現. 成都平原經濟區最明顯的一層逆溫從地面開始，逆溫層頂高度為319 m，逆溫強度為1.5 ℃/(100 m)，189 m以下相對濕度較高，維持在90%以上；川東北經濟區逆溫層主要位于500～1 100 m，共4層，744～848 m間逆溫層強度最強，達1.3 ℃/(100 m)；川南經濟區在500 m附近有兩層逆溫層，逆溫層強度均較弱，分別為0.5 ℃/(100 m)和0.7 ℃/(100 m). 川東北經濟區和川南經濟區300 m以下均有強相對濕度區. 逆溫層的存在導致大量水汽和氣溶膠聚集于近地層，地面污染加重. 第一次污染天氣過程第二階段，北方干冷空氣入侵四川盆地，水平擴散條件轉好，近地層相對濕度和PM2.5濃度均降低，但3個經濟區500 m以下均有逆溫層出現〔見圖5(b)〕，北方沙塵氣溶膠隨冷空氣一起抵達四川盆地，導致該階段首要污染物由PM2.5轉為PM10[33]. 由圖5(c)可見，第二次污染天氣過程3個經濟區均從地面開始出現一層明顯的逆溫層，相對濕度維持在80%～90%，污染特征與第一次污染天氣過程第一階段相似. 霾天氣過程中，近地層高濕環境有利于本地氣溶膠吸濕增長，導致AOD值持續升高. 沙塵天氣過程中，冷空氣過境區域干冷空氣使近地層相對濕度下降，本地氣溶膠粒子數減少，但沙塵氣溶膠粒子數增加，伴隨近地層逆溫穩定維持，冷空氣過境區域對應AOD高值區.

圖5 四川盆地兩次污染天氣過程08:00溫度、相對濕度廓線Fig.5 Temperature and humidity profile at 08:00 am during two pollution weather processes in Sichuan Basin

四川盆地冬季污染天氣過程中，氣溶膠光學厚度與混合層高度、逆溫層等均存在較強的相關性. 污染天氣形成與持續階段，大量氣溶膠粒子會衰減到達地表的太陽輻射，顯著降低地表感熱通量，削弱湍流強度，從而抑制混合層高度抬升；同時，氣溶膠冷卻效應可降低近地面氣溫，使逆溫強度上升，增強大氣穩定度. 混合層高度的降低以及逆溫強度的上升均促進氣溶膠粒子和水汽在近地層累積并發生非均相反應，進而導致污染天氣持續加重，存在一種正反饋機制[36-37].

3 結論

a) 根據四川盆地PM2.5和PM10濃度特征，2017年12月19日—2018年1月3日污染天氣過程可分為2017年12月19—28日霾天氣過程、2017年12月29日—2018年1月1日沙塵天氣過程和2018年1月2—3日污染消散階段；2018年1月11—24日污染天氣過程可分為2018年1月11—23日持續性霾天氣過程和1月24日污染消散階段.

b) 四川盆地冬季兩次污染天氣過程中，成都市一直為AOD高值區. 2018年1月11—23日霾天氣過程中，四川盆地AOD高值區分布區域較廣. 2017年12月29日—2018年1月1日沙塵天氣過程中，四川盆地AOD值呈“南高北低”的空間分布特征，冷空氣過境區域對應AOD高值區.

c) 2018年1月11—23日，四川盆地高低空環流形勢穩定，混合層高度偏低，近地層逆溫和高濕環境均有利于霾天氣的形成與持續. 2017年12月29日—2018年1月1日，冷空氣攜帶沙塵氣溶膠自北向南影響四川盆地，對混合層高度有小幅抬升作用，空氣質量得到輕微改善；但混合層高度始終偏低，干冷空氣使近地層相對濕度下降，本地氣溶膠粒子數減少，但沙塵氣溶膠粒子數增加，伴隨近地層逆溫穩定維持，有利于沙塵天氣的形成與持續.