2020年西安一次持續重污染過程成因及輸送特征分析

張向榮，喬丹楊

(1. 閻良區氣象局，西安 710089；2. 咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000)

近年，隨著我國經濟發展與產業升級，大氣污染已成為日益嚴重的環境問題。有研究表明，厄爾尼諾可能會通過影響冬季氣候從而使我國氣溶膠濃度偏高，重度霾日增多[1]。吳兌等[2]對1951—2005年中國大陸霾的時空變化研究發現，我國霾分布主要集中在遼寧中部、四川盆地、華北平原和關中平原等地區，城市霾日排名西安處于全國第五位。關中平原特殊的“喇叭口”地形易造成關中地區大氣污染物的聚集。此外，關中處于暖溫帶半干旱半濕潤氣候區，特點為年平均降水量較少，冬季逆溫層深厚，也易導致嚴重的大氣污染[3]。黃鑫等[4]對冬季陜西的霾日數研究表明，關中地區霾日數平均每年大于18 d，并且在2013年后出現了明顯的增多。王紅軍等[5]對關中地區大氣污染物的特征研究表明，西安中度以上污染日數呈逐年上升趨勢。而江泉等[6]研究表明在氣候變化影響下，關中地區的大氣擴散潛勢在朝利于擴散的方向發展。吉慶等[7]研究表明，關中渭南地區冬季重污染天氣過程500 hPa環流形勢為弱脊前底部，而近地面偏北氣流的加強有利于空氣質量轉好。Wehner等[8]研究表明，大氣顆粒污染物質量濃度受風、濕度、降水和大氣穩定度等氣象因素影響。

西安地處關中平原，受關中喇叭口地形影響，污染物更易聚集，冬季霾日數多，研究該地持續性重污染天氣的成因及污染輸送特征，對本地重污染天氣的預報預警和服務有重要意義。2019年冬季為暖冬，西安地區日平均氣溫較往年偏高2.6 ℃，降水較往年偏少四成，2019年秋冬季西安地區污染日數達68 d。本研究選取2020年1月21—26日西安一次持續性重污染過程進行環流背景、風等氣象要素及輸送特征分析，探討西安地區重污染天氣形成機制，為持續性重污染天氣預報提供參考依據。

1 資料與研究方法

1.1 資料來源

資料為中國環境檢測總站的全國城市空氣質量實時發布平臺的環境數據，西安氣象自動站逐時實況資料，包括24 h變壓、2 m氣溫、相對濕度與風向風速等要素數據，西安站每日08時和20時探空數據，NCEP逐6小時2.5°×2.5°再分析資料以及GDAS 1°×1°數據等。

1.2 后向軌跡模型

使用HYSPLIT-4后向軌跡模型進行氣團軌跡分析。HYSPLIT-4模型是由美國國家海洋和大氣管理局的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯合研發的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴散和沉降模式，已經被廣泛地應用于多種污染物在各個地區的傳輸和擴散的研究中[9-13]。將GDAS資料作為模式初始場，以西安(34°N、109°E)為后向軌跡終點，起始高度100 m、500 m和1 500 m，軌跡時長72 h進行氣團軌跡分析。

2 重污染過程實況

受高空傳輸和本地污染影響，2020年1月21—26日西安地區出現一次持續性重污染過程，污染持續時間長，污染物質量濃度高。圖1為2020年1月20日00時—27日00時(北京時)西安市AQI、PM2.5和PM10質量濃度逐小時變化，可以看出重污染過程期間PM2.5和PM10質量濃度趨勢一致，表明重度污染期間細顆粒物PM2.5是PM10主要成分。22日05時—26日10時重度污染期間，污染物質量濃度均大于146 μg/m3，顯著偏高，PM2.5在24日01時達到最大值269 μg/m3，PM10在24日00時達到最大值270 μg/m3，分別超過了平均質量濃度150 μg/m3和162 μg/m3。在23日21時—24日04時、25日11時—14時與25日23時—26日05時期間AQI均超過300，達到嚴重污染標準。

圖1 2020-01-20—27西安空氣質量指數(AQI)與PM2.5、PM10質量濃度(單位為μg/m3)的時間變化

3 重污染天氣氣象條件

3.1 天氣形勢

500 hPa天氣圖上，21日08時中高緯地區以緯向環流為主(圖2a)，陜西中北部為偏西氣流控制，等溫線與等高線平行，西安上空無明顯的冷平流。850 hPa有暖平流，有利于逆溫形成。該環流形勢一直維持至24日，大氣層結穩定，大氣污染物不斷累積，24日00時顆粒污染物質量濃度出現了此次重污染過程的第一次峰值。24日20時500 hPa上有南支槽活動(圖2b)，西安上空處于槽前西南氣流中。25日20時，南支槽和北支槽合并加深(圖2c)，配合冷舌東移至西安上空，環流徑向度加大。25日22時西安地區出現0.1 mm的微量降水，有利于污染物中氣溶膠粒子吸濕增長，從而污染加重，因此在26日08時顆粒污染物質量濃度出現第二次峰值。

圖2 2020年1月500 hPa高度場(實線，單位為dagpm)與溫度場(虛線，單位為℃)疊加圖(a 21日08時，b 24日20時，c 25日20時，d 26日08時；★為西安所在位置)

地面圖上，21日08時起西安地區處于暖倒槽中(圖3a)，地面風速較弱，天氣形勢靜穩，有利于出現重污染天氣。23日08時(圖3b)，蒙古冷高壓分裂攜帶冷空氣南下，地面為偏東風，平均最大風速1.9 m/s，利于東部河南、山西一帶顆粒污染物向關中地區輸送。從PM2.5污染物質量濃度來看，河南、山西輕度污染出現時段比西安早2～3 h，表明污染過程前期主要是由弱偏東風的污染輸送導致，同時，關中的向東喇叭口地形阻礙了污染物的擴散，使污染物在關中平原持續堆積。23日20時(圖3c)，冷空氣進一步擴散南下，西安依舊處于高壓外圍弱偏東氣流中，該形勢穩定維持至25日，污染物持續累積。25日20時(圖3d)，冷空氣減弱，地面倒槽發展，東西向氣壓梯度增大，26日08時西安地面平均最大風速達4.0 m/s，出現了持續約18 h，風速≥3.0 m/s的偏東風，較大風速加強了邊界層內的湍流擴散，顆粒污染物質量濃度迅速下降。

圖3 2020年1月海平面氣壓場(單位為hPa；a 21日08時，b 23日08時，c 23日20時，d 25日20時)(★為西安所在位置)

3.2 層結穩定度

20日08時，西安地區大氣層結穩定，925 hPa以下存在明顯的逆溫(圖4a)，且逆溫接地。逆溫層穩定維持至23日08時，且高度始終處于850 hPa以下，大氣靜穩，相對濕度由69%增加到79%，有利于污染物吸濕增長，顆粒污染物質量濃度逐漸升高。22—26日污染期間，西安近地面(850 hPa以下)風速<4 m/s。23—25日嚴重污染期間，近地面風速<2 m/s，風速弱，風向以偏東風為主，弱偏東風使污染物更易在關中平原聚集。同時，中低層垂直風切變較弱，大氣垂直交換能力差，不利于污染物對流擴散。26日08時，逆溫層消失，近地面風速加強至9 m/s，對污染物起到明顯清除作用。

圖4 2020-01-20T08(a)、2020-01-22T08(b)西安探空曲線

3.3 近地面氣象要素

對污染期間24 h變壓、2 m氣溫、相對濕度和風與AQI進行相關分析。24 h變壓和AQI呈正相關性(圖5a)，在20日00時—24日00時污染物積累期間，24 h變壓與AQI呈一致上升趨勢，且以正變壓為主。24日00時開始24 h變壓逐漸減小，25日08時出現負變壓，26日00時24 h負變壓為-4.4 hPa，此時AQI開始顯著下降。以6 h時間步長計算得到24 h 變壓和污染物質量濃度的Pearson超前相關系數為0.636，表明24 h變壓呈與污染物質量濃度的顯著超前6 h正相關；因此24 h變壓的變化可以作為預報污染物質量濃度變化的指標之一。

從圖5b可以看出，前期(20—22日)2 m氣溫有明顯的日變化，在地面暖倒槽控制下，日最高氣溫達8 ℃左右。23日08時開始，氣溫呈下降態勢，而最低氣溫明顯高于前期，日變化幅度較小，平均氣溫為3.7 ℃。24日08時—26日20時重度污染期間，氣溫與AQI呈現一定相關性，隨著氣溫的日變化，AQI也呈現出日變化的特征，計算得到2 m氣溫和污染物質量濃度的Pearson同步相關系數為-0.153，表明氣溫變化和污染物質量濃度變化呈一定的同期反相關。

圖5 2020-01-20—27西安空氣質量指數(AQI)與24 h變壓(a)和2 m氣溫(b)的時間變化

21—26日重污染過程期間，西安地區平均相對濕度為84%，其中84%的時段相對濕度達到70%以上，57%的時段相對濕度達到80%以上，僅8%的時段相對濕度低于60%，說明重污染期間有超過一半的時間為高濕狀態。已有的研究表明，高濕條件下污染物粒子吸濕增長，同時產生非均相反應，生成更多氣溶膠，使污染加重[14]。

西安單站風玫瑰圖(圖6a)顯示，21—26日期間高頻風向為西北風，其次為偏東風和南風，其他風向頻率較少，且整個過程中2 min平均風速小于2 m/s，不利于污染物擴散。同時弱風速有利于污染物在充足的時間進行二次轉化，從而污染物加強并持續。從地面風速與AQI疊加分布圖(圖6b)可以看出，地面風速介于0.5～1.0 m/s之間時，除北西北風外，其他風向的AQI普遍較高，達200以上，最大達到250以上。當地面風速為1.5 m/s左右時，西北風、東北風、偏南風風向下的AQI也達250以上。雖然偏東風頻率次于西北風，但在東東北風向下AQI達到了最大(300以上)，表明偏東風對污染物的積累起到了重要作用。整體而言，地面風速較小，不利于污染物向區域以外平流輸送，污染物易在大氣低層聚集。

圖6 2020-01-21—26西安重污染過程地面風玫瑰圖(a)以及地面風速(實線)與AQI分布(填色)圖(b)(圈線為風向頻率)

4 大氣重污染傳輸特征

使用HYSPLIT模式進行西安72 h氣團100 m、500 m和1 500 m高度的后向軌跡分析(圖7)。24日08時，100 m上氣團從偏北方向向本地輸送，并在南移過程中打轉、拐彎，其軌跡長度短，氣團移速慢；500 m上氣團軌跡傳輸距離較長，主要來自偏北方向；1 500 m上氣團先由西路到達河南一帶，再通過向西傳輸至西安地區。25日08時，近地層100 m上氣團來自偏北方向，500 m和1 500 m上氣團來自偏東方向。26日08時，三層氣流均來自偏東方向。綜合來看，72 h氣團主要方向為自東向西，此次污染過程的輸入污染主要來自于河北、山西與河南一帶。

圖7 2020-01-24—26的100 m(紅線)、500 m(藍線)和1 500 m(綠線)高度72 h后向軌跡(★為西安所在位置)

5 結論

(1)500 hPa中高緯地區以緯向環流為主，850 hPa有暖平流，地面弱氣壓場是大氣污染前期的典型天氣形勢。中高層大氣處于靜穩狀態，暖平流利于形成暖空氣蓋和逆溫層，使得底層大氣層結更加穩定，地面風場較弱，不利于污染物向區域以外平流輸送，污染物更易在近地面層聚集，造成污染物質量濃度迅速攀升。

(2)在整個污染期間，24 h變壓和污染物質量濃度存在6 h的顯著超前正相關，24 h變壓的變化可以作為預報污染物質量濃度變化的指標之一。2 m氣溫和污染物質量濃度呈現一定的同期反相關，低氣溫不利于污染物的擴散。高濕條件下，污染物粒子的吸濕增長作用使污染程度加重。前期弱的偏東風對污染物增長起到了上游輸送作用，污染后期較長時間內偏東風的增強加強了邊界層內湍流交換，利于污染物的擴散。

(3)此次重污染過程的輸入污染主要來自河北、山西與河南一帶，自東向西向關中平原地區輸送污染物顆粒。