山谷風對太原市污染物質(zhì)量濃度的影響

李艷紅， 趙彩萍， 李夢軍， 荊肖軍， 李兆奇

(太原市氣象局，太原 030082)

引 言

近年來，隨著化石燃料消耗量的迅猛增加，城市空氣質(zhì)量惡化已成為關系人類生存的重大環(huán)境問題，引起了社會各界的廣泛關注。在區(qū)域污染物排放相對穩(wěn)定的前提下，天氣形勢及局地氣象條件的變化是影響空氣污染物擴散和混合程度的決定性因素[1-5]。在山地地區(qū)，白天由于坡地受太陽輻射加熱后升溫更快，溫度更高，致使空氣沿坡上升成為谷風，夜間由于下墊面輻射冷卻，鄰近的空氣迅速變冷，密度增大，因而沿坡流瀉，成為山風[6]。山谷風環(huán)流是影響山區(qū)大氣擴散的重要氣象因素，對當?shù)匚廴疚锏臄U散、輸送有直接影響[7-10]。山谷風影響區(qū)域存在著沿山地平原交接地帶的輻合氣流區(qū)[11]，很多污染過程都是向山前輸送并累積的過程[12]，山谷風轉換期的特殊氣象條件對污染物濃度也具有重要影響[13-15]。不同區(qū)域山谷風系統(tǒng)存在顯著差異，下墊面類型和日照條件等諸多因素決定了局地山谷風的強弱和時間變化[16]。

太原市地處山西省中部、太原盆地北端，城區(qū)三面環(huán)山，山區(qū)多為干冷清潔空氣控制區(qū)，平原多為暖濕污染氣團停滯區(qū)，平原與山區(qū)之間屬于干冷清潔空氣與暖濕污染氣團之間的過渡區(qū)，屬山前地形、冷暖空氣擾動區(qū)[17]。太原市是典型的三面環(huán)山的河谷地形，“山谷風”環(huán)流對太原地區(qū)的污染物在河谷地帶內(nèi)的動態(tài)“遷移、擴散”運動與“堆積”現(xiàn)象起重要作用[7]，對污染物濃度及其分布有重要影響。白天的地形南風使暖濕污染空氣在城區(qū)匯聚，夜間的地形北風把山區(qū)的干冷清潔空氣吹向城區(qū)，使之表現(xiàn)出明顯的日變化特征。山谷風對當?shù)匚廴疚锏膫鬏敂U散起重要作用，河谷地形與太原市可持續(xù)發(fā)展及其環(huán)境影響問題是當?shù)赜懻摮鞘邪l(fā)展的關鍵“熱點”，然而這方面的研究尚屬空白。近年來，伴隨太原城市化的迅速發(fā)展，空氣污染問題日益加重，深入探討當?shù)厣焦蕊L形成的機制及對污染物的傳輸擴散作用，不僅必要，而且十分迫切。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

太原市位于111°30′E至113°09′E、37°27′N至38°25′N之間，地處山西省中部，太原盆地北端。市境東、西、北三面群山合抱，整個地勢北高南低，城區(qū)坐落于海拔800 m的汾河河谷平原上。城區(qū)環(huán)境監(jiān)測站點及氣象站點分布如圖1。環(huán)境監(jiān)測站點有8個，由北至南分別為上蘭、南寨、尖草坪、桃園、塢城、金勝、小店、晉源，其中上蘭為清潔對比站。國家級氣象觀測站有3個，分別為尖草坪氣象站(53677)、小店氣象站(53679)、太原國家基本氣象站(53772)。其中尖草坪氣象站位于主城區(qū)的西北部，處于城市的上風方，地勢較高，和其他兩個站點高差33 m；小店氣象站位于主城區(qū)的南部，處于城市的下風方，地勢較低；太原國家基本氣象站位于主城區(qū)的東南部，距離城市較遠，距離太原東山較近。

圖1 太原市城區(qū)環(huán)境監(jiān)測站點與氣象站點及海拔高度分布環(huán)境監(jiān)測站點：A.上蘭，B.南寨，C.尖草坪，D.桃園，E.塢城，

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文利用2014年12月1日至2017年11月30日太原市城區(qū)8個環(huán)境空氣監(jiān)測站PM10、PM2.5和O3質(zhì)量濃度資料及3個國家氣象站風向、風速逐時及日平均資料,針對尖草坪(北部城區(qū))、桃園(市中心)、金勝(西部城區(qū))、小店(南部城區(qū))等代表性站點分析太原市近年來大氣污染特征及與風場(山谷風)的關系。

1.3 山谷風確定原則

由于輻射差異，山谷地帶經(jīng)常存在局地環(huán)流，在計算局地環(huán)流時應設法消除背景風的影響[18]。為從實測風中分離出局地風并根據(jù)局地風情況判斷山谷風日，本文參考張人文等[19]的方案，先將每日的逐時實測風UC分解成u、v分量，則u、v分量的日平均為系統(tǒng)風US的u、v分量，局地風UL的u、v分量為逐時實測風UC的u、v分量減去系統(tǒng)風US的u、v分量，合成后得到的風矢量為去掉系統(tǒng)風之后的局地風UL。當山風、谷風在山谷風發(fā)生的理論時段內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)4個及以上時次，并且背景風不大(風力小于3級)、天氣晴朗、弱天氣系統(tǒng)控制，則該日為山谷風日。弱天氣系統(tǒng)控制(風力小于3級)之下沒有出現(xiàn)山谷風的為無山谷風日。風力大于3級的為其他類型。

2 結果分析

2.1 山谷風分布

對2014年12月至2017年11月小店站的逐時風資料和太原市4個代表性環(huán)境監(jiān)測站點的PM10、PM2.5和O3質(zhì)量濃度日均值資料進行統(tǒng)計。經(jīng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后合格數(shù)據(jù)為1089天，其中山谷風日520天，占全年天數(shù)的48%，無山谷風日240天，其他類型329天。山谷風日數(shù)在秋季最多(160天)，冬季的次之(153天)，春夏季的較少(100～107天)，這與春季風速較大、夏季云雨日數(shù)較多、秋冬季多靜穩(wěn)天氣有關。山谷風日實測風平均風速為1.5 m·s-1，無山谷風日的為1.6 m·s-1，其他類型的為2.6 m·s-1。

2.2 實測風風頻日變化

圖2為2014年12月至2017年11月尖草坪氣象站、小店氣象站、太原國家基本氣象站實測風風頻日變化。受山地-平原共同作用，太原市城區(qū)實測風有明顯的山谷風特征，表現(xiàn)為山風和谷風在一周日內(nèi)的周期更替[1]。白天以谷風(偏南風)為主，夜間以山風(偏北風)為主，山谷風轉換時間在日出日落前后。尖草坪氣象站谷風出現(xiàn)時間為09：00-19：00；小店氣象站谷風出現(xiàn)時間為06：00-20：00，持續(xù)時間最長；太原國家基本氣象站谷風出現(xiàn)時間為08：00-20：00。06：00-09：00及19：00-20：00，尖草坪氣象站的偏北風和小店氣象站、太原國家基本氣象站的偏南風輻合，污染物在城區(qū)匯聚。09：00-19：00，3個測站都為偏南風，污染物質(zhì)向北部山前輸送并累積，造成山前郊區(qū)及城區(qū)北部污染濃度升高。20：00-次日06：00，尖草坪氣象站和小店氣象站都為偏北風，污染物向城市南部郊區(qū)輸送，城區(qū)污染物濃度逐漸降低。由于三面環(huán)山，在風向轉換期，山前出現(xiàn)一條弧形的匯聚帶。在這種特殊的風場配置下，該地區(qū)的污染情況較為復雜。在日出后匯聚帶形成前，太原地區(qū)盛行偏北風，污染物擴散條件較好，匯聚帶形成后，污染物來自匯聚帶兩側(尖草坪氣象站為北風，小店氣象站、太原國家基本氣象站為南風)。在日落后匯聚帶形成前，太原地區(qū)盛行西南風，污染物來自西南方，在匯聚帶形成后，污染物來自匯聚帶兩側。

早晨山風向谷風的轉換時間，小店氣象站的最早，太原國家基本氣象站的次之，尖草坪氣象站的最晚；傍晚谷風向山風轉換的時間，尖草坪氣象站的最早，太原國家基本氣象站的次之，小店氣象站的最晚。這種風向轉換時間上的差異，是由于不同位置的站點所受到的局地熱力動力條件不同。由郊區(qū)向城區(qū)輻合的熱島環(huán)流和局地風風向轉換有一定關系。位于城北的站點(尖草坪氣象站)，受到的熱島環(huán)流方向與山風一致，兩者疊加的效果使其山風增強，早晨山風向谷風轉換的時間較晚，傍晚谷風向山風轉換的時間提前。位于城南的站點(小店氣象站)，受到的熱島環(huán)流方向與谷風的相同，兩者疊加的效果使其早晨山風向谷風轉換時間相對較早，傍晚谷風向山風轉換的時間相對較晚。太原國家基本氣象站位于城市遠郊，熱島環(huán)流對其影響較小[20-21]。

圖2 2014年12月至2017年11月尖草坪氣象站(a)、小店氣象站(b)、太原國家基本氣象站(c)實測風風頻日變化

2.3 風速日變化

圖3為小店氣象站實測風(a)、山谷風(b)、無山谷風(c)及其他類型(d)風速的日變化。可以看出，山谷風與實測風風速分布及晝夜變化非常相近。兩者均為春季風速較大，其余幾個季節(jié)相差不大。風速的日變化具有明顯相似的特征：傍晚，隨著太陽落山，風速持續(xù)減弱，至凌晨達全天最低；凌晨，隨著太陽升起，風速逐漸增大，至午后達全天最高；不論是實測風還是山谷風，夜間的風速均小于白天的。低層大氣中風速的日變化主要決定于湍流交換的日變化。日出以后，上下層空氣的湍流交換加強，動量下傳使近地層空氣風速增大；大約16時以后，隨著輻射的減弱，湍流交換減弱，風速減小；夜間，地面輻射降溫進一步抑制了湍流交換，風速繼續(xù)緩慢下降。一日內(nèi)午后風速最大，擴散條件最好。無山谷風日經(jīng)常伴隨陰天和多云天氣，白天大氣對太陽輻射的削弱強，上下層空氣的湍流交換較弱，夜晚大氣的逆輻射強，上下層空氣的湍流交換相對較強，因而其風速日變化幅度較小。其他類型天氣往往伴隨較強系統(tǒng)過境，風速較大，空氣質(zhì)量較好。其中，實測風(a)、山谷風(b)、無山谷風(c)都是春季風速最大，只有其他類型(d)為冬季風速最大，這是因為冬季常有較強冷空氣活動，風速偏大。

圖3 2014年12月至2017年11月小店氣象站實測風(a)、山谷風(b)、無山谷風(c)、其他類型(d)不同季節(jié)風速日變化

2.4 山谷風對污染影響的總體特征

利用2014年12月至2017年11月山谷風和污染物濃度資料，分別統(tǒng)計了山谷風日、無山谷風日及其他類型天氣對污染物濃度的影響，比較結果見圖4。由圖4可見，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度在山谷風日最高，無山谷風日的次之，其他類型的最低。O3質(zhì)量濃度在山谷風日的最低，無山谷風日及其他類型的較高，這是由于這兩類天氣類型在春夏兩季出現(xiàn)頻率(60%～69%)顯著偏高，同時其他類型天氣形勢下風速偏大，而O3濃度有隨著風速增大升高的趨勢[22-24]。在不同地域不同環(huán)流背景下PM10、PM2.5、O3質(zhì)量濃度均為金勝的最高，桃園的最低，尖草坪和小店的相差不多。

圖4 山谷風(a)、無山谷風(b)、其他類型(c)的天氣類型不同地域的污染物濃度比較

山谷風存在的情況下，白天的谷風使污染物向北部輸送，由于受到北部山脈的阻擋，污染物在山前堆積，造成山前或者北部城區(qū)污染物濃度增加；夜間山坡氣溫下降迅速，冷空氣下沉，集聚于谷底或盆地底部，另一方面山谷風日夜間地面輻射較強，降溫劇烈，導致山谷風日夜間近地面經(jīng)常形成強而持久的逆溫，抑制了污染物的垂直擴散；受山風的影響，午夜至凌晨城區(qū)污染物濃度有所下降，但是由于山風較弱，不能對空氣質(zhì)量的提升產(chǎn)生顯著作用。其他天氣由于風速較大，水平擴散條件較好，污染物濃度最低。無山谷風類型的污染物濃度居中。

2.5 個例分析

2016年12月30日至2017年1月3日太原市出現(xiàn)了一次嚴重污染過程。其中，2016年12月30日為重度污染，2016年12月31日至2017年1月3日為嚴重污染，首要污染物為PM2.5。圖5為尖草坪氣象站、小店氣象站、太原國家基本氣象站在此次污染過程期間的局地風變化。

圖5 2016年12月28日21時至2017年1月6日20時尖草坪氣象站(a)、小店氣象站(b)、太原國家基本氣象站(c)局地風矢量

由圖5可見，2016年12月28日至2017年1月3日太原市出現(xiàn)了持續(xù)的山谷風環(huán)流，導致PM2.5濃度持續(xù)多天增長，2017年1月3日傍晚山谷風開始減弱，同時3個測站一致出現(xiàn)較強偏北風，污染過程隨之趨于結束。山谷風環(huán)流持續(xù)期間，500 hPa高空為平直西風氣流，地面持續(xù)受弱高壓場控制，高壓邊緣的偏東氣流形成了區(qū)域性的流場匯聚；近地層西南暖濕氣流輸送造成的平流逆溫、高壓內(nèi)部的下沉逆溫及輻射逆溫的疊加，使太原形成了強而持久的逆溫，抑制了污染物的垂直擴散，同時水平風速較小，對污染物水平擴散不利；氣團潮濕穩(wěn)定，持續(xù)的靜穩(wěn)天氣造成了本地污染物的堆積，導致污染物濃度持續(xù)位于高位，達到嚴重污染級別[25,26]。

弱環(huán)境風條件下，山谷風環(huán)流對污染物濃度及其分布有重要影響，這其中不僅有風速的作用，還有風向的作用。白天風速和對流增強，擴散條件較好；夜間風速和對流減弱，擴散條件較差；山谷風轉換期間形成的匯聚帶導致污染物在特定區(qū)域匯合，造成污染加重；午夜以后山風加強，城區(qū)污染物濃度開始緩慢下降。另外城區(qū)受人類生產(chǎn)生活活動影響較多，污染物濃度變化復雜。

桃園環(huán)境監(jiān)測站位于城市中央，以桃園環(huán)境監(jiān)測站的環(huán)境資料討論山谷風和城區(qū)污染物濃度的關系具有代表意義。圖6為桃園站2016年12月28日21時至2017年1月6日21時PM2.5和O3濃度及局地風速小時變化。太原的局地環(huán)流主要受山谷風影響，局地風速可認為近似等于山谷風風速。由圖6可見，在山谷風和人類活動的共同影響下，PM2.5濃度日分布大約呈現(xiàn)一個雙峰型結構：日出以后人類活動增多，污染物排放量加大，加之山谷風轉換期的風向輻合及北部山脈的阻擋作用，PM2.5濃度增加；午后風速上升至全天最高值，擴散條件較好，PM2.5濃度有所下降；傍晚風速減小，逆溫增強，風向輻合，PM2.5濃度快速增加，至午夜達到最高值；此后人類活動減少，污染物排放量下降，增強的山風使污染物向南部郊區(qū)輸送，并且?guī)砹饲鍧嵖諝猓琍M2.5濃度逐漸降低，大約至凌晨達到一個最低值。山谷風的日變化導致PM2.5濃度表現(xiàn)出明顯的日變化特征。在山谷風持續(xù)期間，由于所處的特殊復雜地形及隨之產(chǎn)生的山谷風環(huán)流，PM2.5在城區(qū)往復輸送和累積，PM2.5濃度呈現(xiàn)振蕩增強趨勢。

O3濃度和風速成正比，表現(xiàn)出明顯的日變化特征。山谷風期間一般午后風速較大，午夜風速較小，O3濃度也是午后的最大，午夜的最低，這不僅與風速有關，也和午后輻射加強有關。

PM2.5和O3濃度的變化趨勢相反。O3濃度高值集中出現(xiàn)在PM2.5濃度較低時段，隨著PM2.5濃度的增高，O3濃度迅速降低。在系統(tǒng)風增強的情況下，O3濃度隨著風速的增加迅速增加，而PM2.5濃度隨著風速的增大快速減小。O3與PM2.5濃度之間的相關系數(shù)為 -0.40683，兩者有良好的相關性，通過了α=0.001的檢驗。

圖6 2016年12月28日21時至2017年1月6日21時桃園站污染物濃度及局地風速小時變化

3 結論與討論

(1)受山地-平原共同作用，太原實測風表現(xiàn)出明顯的山谷風特征，白天以谷風(偏南風)為主，夜間以山風(偏北風)為主，山谷風轉換時間在日出日落前后，不同位置的站點山谷風風向轉換時間不同。

(2)2014年12月至2017年11月太原共出現(xiàn)山谷風日520天，占總天數(shù)的48%，春夏季的較少，秋冬季的較多。

(3)山谷風與實測風風速分布及晝夜變化相近，夜間風速小于白天的，凌晨的最小，午后的最大，四季中春季的風速最大。無山谷風日經(jīng)常伴隨陰天和多云天氣，風速日變化幅度較小。其他類型天氣往往伴隨系統(tǒng)過境，風速較大，局地環(huán)流對其影響較小。

(4)PM10和PM2.5濃度山谷風日的最高，無山谷風日的次之，其他類型的最低。

(5)個例分析表明，在山谷風持續(xù)期間，太原地面平均風速較小，污染物濃度呈現(xiàn)明顯的日變化。PM2.5濃度日分布呈現(xiàn)雙峰型：日出以后增加，午后開始下降，傍晚快速上升至午夜達最高值，此后逐漸降低至凌晨達最低值。隨著山谷風環(huán)流的持續(xù)，PM2.5濃度振蕩增加。當3個測站一致出現(xiàn)較強偏北風時，污染過程趨于結束。相比PM2.5，O3濃度的日變化特征更加明顯，與風速日變化成正比。