一次重污染天氣過程的監測分析

金淑博，陳 瑋，張慶雷，俞豁然

莘縣氣象局，山東莘縣 252400

氣象、生態環境2個部門均圍繞大氣環境監測新建了諸如PM2.5、PM10微觀站、氣溶膠站、激光雷達、超級站等大氣環境綜合觀測設施，同時新資料的應用在初期的中小尺度大氣環境監測中發揮了重要作用[1-3]。然而，隨著生態城市建設和“藍天保衛戰”的深入推進，新資料與傳統觀測資料、風廓線雷達、微波輻射計等的融合與跨部門數據的整合成為新時代大氣環境建設的趨勢，將來自多方面的空基、天基、地基等多維空間數據進行融合，這種新型大數據庫是大氣環境治理向科學、智慧不斷深化的關鍵所在，已有多地引入激光雷達等監測手段，并開展本地研究[4-7]。以京津冀污染物傳輸通道城市之一的聊城市為例，通過建立氣溶膠激光雷達、地面空氣站等環境氣象大數據融合平臺為切入點，從而形成重污染天氣在形成機理、污染物擴散、重污染天氣潛勢預報等科學合理的支撐體系，為地方政府在正確啟動重污染天氣應急響應和采取應急舉措后取得的效果評定方面起到后臺分析與支撐作用[8]。

1 資料與方法

天氣形勢場資料來自MICAPS，能見度、空氣質量資料來自山東省災害性天氣監測平臺，激光雷達資料來自聊城周公河激光雷達站。采用高空天氣形勢場分析法、對比分析法。

2 結果與分析

2018年11月下旬，魯西北西部的聊城市持續受到一次近地面弱氣壓場控制的重污染天氣影響。期間，20—22日為弱冷空氣影響過程，20日08:00，500 hPa山東西部上空受偏西氣流影響，新疆東部的低壓槽引導冷空氣將自西向東影響我國中東部地區，高原槽位于四川中部，未來發展東移；低層受弱的高壓暖脊控制。20日上午，魯西北地區能見度狀況較差，部分地區有輕度霾，局地中度霾。20日20:00，高空低槽東移至河套地區上空，南部高原槽東移至河南、湖北中部，魯西北地區位于高空槽前，受偏西南氣流控制；低層切變壓至山東西部上空。受冷空氣影響，20日白天，偏北風逐漸推進影響華北地區，地面偏南風轉為偏北風，20:00魯西北地區大部轉受偏北風控制。受該股冷空氣影響，霾自北向南減弱、消散。

21日08:00，魯西北地區位于500 hPa高空低槽底前部，白天出現局地弱降水，中低層開始轉受西北氣流影響，地面完全轉為偏北風，風力不大。21日早上魯西北多地出現輕霧。隨著低槽東移，21日20:00高空三層全部轉為西北氣流。冷鋒過后，海平面氣壓梯度變小，等壓線稀疏，21日20:00魯西北近地面轉受偏南風，能見度變差，21日21:00山東省內開始出現大霧，至22日早上全省能見度低于50 m的有9站、低于200 m的有6站、低于500 m的有5站、低于1 000 m的有4站，此時空氣質量尚好，以霧為主，山東省22日07:00全省能見度、空氣質量分布見圖1。

圖1 山東省22日07:00全省能見度（a）、空氣質量（b）的空間分布

此次過程，21日08:00 500 hPa高空低槽壓至山東省西部上空，22日08:00東移南壓至魯東及其以南地區上空。地面冷鋒過境后，近地面轉為偏南風，21日夜間至22日上午魯西北地區多地出現大霧天氣。

根據21—22日聊城站能見度變化與聊城上空單站點激光雷達圖（圖2），聊城上空單站點激光雷達圖可與相應時段能見度變化相符合，也可以借此區分開霧與霾的出現時段，21日入夜后，聊城由霾轉霧。

圖2 21—22日聊城站能見度變化（a）與聊城（周公河站）激光雷達垂直觀測圖（b）

22—23日08:00，500 hPa有 一 東 移發展的小低槽，有小股弱冷空氣影響魯西北地區，700 hPa低槽位于河套地區東部，850 hPa在河北中部至山西上空風場形成閉合低值系統環流，魯西北處于低值系統環流前部。地面風場來看，23日08:00，在冀東南至魯西北范圍內出現明顯的風向輻合，但風力較弱，有輕霧，且維持時間長，向南推進慢，魯西北地區有輕度到中度的污染。直至23日20:00，魯西北轉為弱北風控制，500 hPa、700 hPa轉為低槽槽后，850 hPa魯西北地區剛好位于槽底，聊城部分地區出現零星降水。

此次弱冷空氣與近地面偏南風相持，使得23日夜間魯西北地區污染程度又加重。由圖3可見，23日下午聊城地區能見度尚可，而激光雷達圖顯示污染物已經開始有一定堆積，23日夜間至24日上午污染嚴重。

圖3 22—23日聊城站能見度變化（a）、聊城（周公河站）激光雷達垂直觀測圖（b.22日20:00～23日20:00；c.23日20:00～24日20:00）

24日早上，魯西北部分地區出現大霧，07:00山東省全省站點能見度都高于500 m，低于1 000 m的有6站，大部分站點以輕霧或霾為主，在17個地（市）中重度污染2個（聊城、菏澤）、中度污染10個、輕度污染3個，主要污染物PM2.5。山東省24日07:00全省能見度、空氣質量的空間分布見圖4。

圖4 山東省24日07:00全省能見度（a）、空氣質量（b）的空間分布

24日下午開始，地面由偏北風轉為偏南風，近地的風向輻合作用消失，污染有一定程度減輕。

結合高空形勢與激光雷達資料（圖5、圖6），24日夜間，500 hPa河北、湖南一線有低槽存在，魯西北地區位于該低槽槽前，后部為大范圍偏西氣流，中低層切邊相較高空低槽位置略偏南。整體濕度條件較差，邊界層存在逆溫，有利于出現霧霾天氣。隨著冷空氣推進，25日下午，魯西北部分地區空氣質量有所好轉。25日20:00，500 hPa低槽發展東移，魯西北地區底層西南氣流有所發展，夜間濕度增加，污染加劇，又轉入重度污染。

圖5 24日20:00形勢圖疊加25日早晨衛星云圖

圖6 24日20:00～25日20:00（a）、25日20:00～26日20:00（b）聊城（周公河站）激光雷達垂直觀測圖

26日08:00，低槽過境轉為槽后西北氣流控制，850 hPa西南氣流明顯，濕度增大，霧、霾共存。26日早晨魯西北、魯西南和魯中部分地區出現大霧，全省13個站能見度低于50 m；17地市中6個重度污染、3個中度污染、7個輕度污染，主要污染物PM2.5，魯西北地區重度污染，午后有所緩解。山東省26日07:00全省能見度、空氣質量分布見圖7。

圖7 山東省26日07:00全省能見度（a）、空氣質量（b）的空間分布

26日20:00～27日08:00，南部偏西氣流中多波動，27日08:00沿四川省東南部有一南支槽，魯西北地區恰處在北部低壓槽槽底偏西氣流與南支槽槽前西南氣流交匯處。

近地面，魯西北與冀東南范圍內地面風場有明顯風向輻合（南、北風），風力較弱，造成污染物的擴散條件較差，26日20:00，輻合線恰處在兩省交界處，26日夜間污染再度加重。

結合PM2.5濃度變化（圖8），隨著地面冷高壓逐漸東移，27日早晨起，魯西北從高壓前側偏北風轉為高壓底前東北風，魯西北地區背臨太行山脈，東北風在一定時間內造成污染物堆積，魯西北地區污染濃度27日呈先增后減狀態。與前期染濃度先開始加重不同，27日早晨開始的污染由東北風上風的沿海地區開始加重，PM10的濃度有明顯增加，甚至超過PM2.5成為主要污染物，此時PM10與PM2.5濃度都非常高，魯西北地區一度出現嚴重污染，并持續。直至27日下午，魯西北地區自東北向西南污染才逐漸減輕。

該次長時間的污染過程中，存在一個明顯特征，即當弱冷空氣南下造成近地表南北風向拉鋸時，往往無法有效改善空氣質量，反而使得局地的污染程度加重。另一明顯的特征就是：在受一定污染影響，且天氣系統影響相對較弱的情況下，有明顯日變化。空氣質量較好時段（22—23日）與污染較嚴重的時段（24—26日）都有所體現，午后有所減輕，入夜則又開始加重，加重過程大致為自西向東、由內陸至沿海的趨勢。27日白天受明顯東北風影響情況時，此種日變化便體現不出來了。22—23日、23—24日聊城周公河站點激光雷達圖，可很好地表征這一現象。通過這次持續的重污染天氣過程，氣溶膠激光雷達在污染物濃度時空分布變化曲線觀測參數與地面PM2.5實際觀測值的變化情況較為一致，較好地反映了此次重污染天氣過程由輕度轉變為重度直至后期持續發展的完整過程。

3 結束語

該次重污染過程發生近地面受弱氣壓場控制，大氣層結相對穩定，不利于污染物擴散，污染物累積速度快、污染物濃度峰值高。氣象觀測資料和激光雷達監測結合分析，當弱冷空氣南下造成近地表南北風向拉鋸時，往往無法有效改善空氣質量，反而使得局地的污染程度加重；在受一定污染影響，且天氣系統影響相對較弱的情況下，有明顯日變化，午后有所減輕，入夜加重，魯西北加重過程大致為自西向東、由內陸至沿海的趨勢，當擴散條件明顯改善時，此日變化不再明顯。

圖8 11月24—28日聊城（周公河站）離子色譜與PM2.5濃度值變化

重污染天氣形成的原因相對較為復雜，靜穩天氣背景條件是觸發重污染天氣形成的基本誘因，污染物排放在一定溫濕條件下形成的化合反應、區域間傳送等多重因素，導致該區域污染源排查和重污染天氣成因分析的難度相對較大。