四川盆地兩次區域污染過程對比分析

杜筱筱，馮 勇，成 翔，趙曉莉

1.四川省氣象災害防御技術中心，四川成都 610072；2.中國氣象局成都高原氣象研究所，四川成都 610072；3.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川成都 610072

近年來，隨著我國大氣污染防治工作的不斷推進，大氣環境呈現向好趨勢。但受不利氣象條件的影響，仍有持續性、區域性重污染天氣發生[1-3]。四川盆地是我國四大盆地之一，海拔300～700 m，四周被海拔1 000～4 000 m的山地所環抱。特殊的地形使四川盆地大部地區不易受冷空氣影響，秋冬季容易出現以細顆粒物PM2.5為主的區域污染天氣[4-5]。

空氣污染不僅是環境問題，更是關系到人體的健康問題，多年來一直是科研工作者的研究重點。劉培川等[6]的研究發現四川不同污染類型下PM2.5平均濃度差異大，區域污染、秸稈焚燒、燃放煙花爆竹3種污染類型對四川省PM2.5年均值貢獻比例依次降低；羅青等[7]通過分異指數和相關性分析對四川盆地近地面風場及污染物輸送通道進行了統計分析；鄧中慈等[8]利用四川盆地一次氣態前體物和氣象因子研究發現，2015—2017四川盆地PM2.5濃度逐年降低，影響PM2.5的主導影響因子包括SO2、NO2、CO、溫度、氣壓和相對濕度。

2020年12月下旬，全國大部地區發生了長時間的污染天氣，四川盆地也在其列。本研究對比2019年同期(2019年12月27日—2020年1月4日)污染過程，從污染過程期間的天氣背景、氣象要素、污染天氣消散階段的形成與發展等方面，對四川盆地2020年12月20—28日區域污染天氣進行了研究分析，初步探索污染天氣與大氣環流形勢之間的關系和規律，為四川盆地大氣污染防治工作提供科學依據和技術參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源

大氣環流形勢背景資料為中國氣象局的MICAPS數據。大氣環境監測資料來源于成都市金泉兩河、十里店、三瓦窯、沙河鋪、君平街、大石西路6個環境空氣質量監測站點的小時數據，數據類型包括SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10污染物質量濃度。地面氣象要素數據采用國家氣象信息中心研制的CLDAS2.0實時數據產品(空間分辨率0.05°×0.05°)。

1.2 研究方法

空氣質量指數日值由小時污染物濃度數據算術平均求得日濃度，再根據環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)(HJ633-2012)計算得到。混合層高度基于CLDAS2.0實時數據產品由羅氏法計算得到[9]。參考四川省生態環境廳對盆地區域大氣污染統計方案，當盆地17個城市有9個及以上達到污染(AQI＞100)，且≥5個污染城市接壤連片時，則定義為區域大氣污染。

2 結果與分析

2.1 污染特征分析

2020年12月下旬，全國大部地區出現了長時間的污染天氣。四川盆地從12月20日開始(圖1)，東北部的達州、南充最先發生污染天氣，21日盆地西北部也開始出現污染天氣，22日擴展到盆地南部和西南部，23日盆地中部出現污染天氣，24日達州最先達到中度污染，25日轉為重度污染，26日達州、廣安、宜賓3個城市達到重度污染，28日重度污染發展到5個城市，為污染過程最嚴重時段。整個污染過程的演變區域特征為先是盆地東北部發生污染，再是盆地西北部和盆地南部，然后是整個盆地。

圖1 四川各市州2020年12月20—28日AQI等級填色圖

2020年12月20—28日污染過程的特點是以顆粒物PM2.5為首要污染物的區域霧霾污染天氣，污染最大量級為重度，是2020年四川唯一1次區域重污染天氣。

2019年同期，2019年12月27日—2020年1月4日四川盆地也發生了1次類似的區域污染天氣過程。2次污染過程雖然持續時間都是9 d，達到區域污染的天數也相同，為7 d，但2020年12月污染程度略高，過程中達到重度的城市數量有5個，多于2019年的1個城市，污染清除的時間也不同，2020年為1 d的快速結束型，2019年用時2 d，區域污染過程才結束。污染區域的演變路徑特征都是東北→西北→川南→整個盆地，污染過程的城市特點均是達州市先污染，且先達到中度和重度(表1)。

表1 2次污染過程特征對比

2.2 500 hPa高空和地面天氣形勢分析

天氣形勢從根本上決定了氣象要素的分布和時空變化，從而決定了大氣的擴散能力與大氣穩定程度[10]。利用MICAPS數據，分析2020年(2020年12月20—28日，下同)和2019年(2019年12月27日—2020年1月4日，下 同)污染天氣過程的500 hPa高度場，2次過程天氣形勢穩定少變，四川受緯向西風氣流影響，徑向環流弱，中高緯冷空氣入侵少(圖2)。

圖2 2020年12月21日20:00和2020年1月2日08:00 500 hPa高度場

基于Cost733，傾斜T模態主成分分析方法，對四川海平面氣壓場進行客觀分型，得出高壓前部型、低壓底部型、低壓型、均壓場型不利于大氣污染物擴散的結論[11]。2020年污染過程如圖3所示，四川盆地主要受低壓型，均壓場型影響。低壓型，四川外圍被高壓包圍，形成環繞之勢，配合四川盆地的特殊地形，不利于污染物的稀釋擴散；均壓場型，高壓中心到低壓中心的緩慢過渡帶氣壓梯度小，易形成污染天氣。2019年海平面氣壓場除均壓場型、低壓場型外，還有高壓前部型(圖4)。高壓前部型類型下，海平面氣壓場青藏高原和川西高原上為高壓控制，川西高原以東均為較大范圍的氣壓低值區，四川盆地位于高壓前部，相對濕度偏高，有利于污染物的二次轉化，加重污染。

圖3 2020年12月20—28日污染過程的低壓型和均壓場型

圖4 2019年12月27日—2020年1月4日的高壓前部型、均壓場型和低壓場型

2.3 氣象要素分析

大氣污染與氣象條件是密切相關的，氣象條件的改變決定著大氣污染物的輸送與擴散，進而影響空氣質量。以成都市2020年污染過程為例，利用CLDAS地面要素和AQI數據繪制2020年12月18—29日折線圖(圖5)。20—22日，AQI變化幅度小，混合層高度、相對濕度和風速(即地面風速)3個氣象要素也無顯著變化。23—28日，混合層高度先是在23日微抬，24日以后混合層高度越低AQI越高，混合層高度和AQI呈相反的變化趨勢；相對濕度在26日有明顯升高，變化趨勢和AQI相近；風速在24日明顯下降，并維持在0.5 m/s，水平風向的擴散減弱，進一步加劇了大氣污染物的累積，使污染等級加重。由此可見，混合層高度、風速、相對濕度3個氣象要素與空氣質量的變化密切相關。

圖5 成都市2020年12月18—29日AQI和混合高度、相對濕度、地面風速折線圖

統計2次污染過程中成都市混合層高度、相對濕度、地面風速與AQI相關性(表2)可知，2次污染過程的相對濕度較為接近，無明顯的差異；2020年的AQI值為151，高于2019的114，表示成都在2020污染過程中污染更嚴重。2020年平均風速0.56 m/s，明顯小于2019年的0.89 m/s，混合層高度也是2020年的916 m小于2019年的994 m。由此可知，成都市2020年污染過程的氣象條件更不利于大氣污染物的稀釋與擴散。

表2 2次污染過程成都市AQI與氣象要素相關性統計

進一步利用CLDAS數據統計四川省2019年12月27日—2020年1月4日和2020年12月20—28日的平均風速和混合層高度，混合層高度由羅氏法計算得到。由圖6可知，2020年盆地大部分地區平均風速為0.4～1.2 m/s，2019年平均風速多為0.8～1.6 m/s，風速大小分布不規律，但盆地區域2020年污染過程的平均風速明顯小于2019年。由2次污染過程的平均混合層高度填色圖(圖7)可見，2020年盆地大部地區平均混合層高度為300～900 m，低值區主要位于盆地中部、西南部和南部；2019年平均混合層高度為600～1 200 m，低值區主要位于盆地東部、西北部和南部，和平均風速一致，盆地區域2020年污染過程的平均混合層高度明顯低于2019年。由以上分析可知，風速小不利于污染物在水平方向上擴散，混合層高度低使污染物在垂直方向擴散受限，在較高的相對濕度條件下，持續的小風速和低混合層高度導致污染物累積，污染區域擴大，污染等級加重，這是2020年污染過程比2019年嚴重的主要原因。

圖6 四川盆地2020年和2019年2次污染過程平均風速填色圖

圖7 四川盆地2020年和2019年2次污染過程平均混合層高度填色圖

2.4 消散階段的天氣學原因分析

2.4.1 2020年12月20—28日污染過程2020年12月26日，500 hPa高度場上烏山阻高開始形成，高壓脊前偏北氣流加強，引導冷空氣在貝湖附近的橫槽內聚集，冷中心溫度可達-48 ℃。隨后高空槽攜冷空氣東移南下，28日開始影響我國。而冷空氣對四川盆地的影響時段主要從28日夜間開始，28日盆地北部局地風速升高，29日盆地風速明顯增大，極大風速可達16 m/s(圖8)，2020年污染過程的清除方式為大范圍的大風天氣。

圖8 四川省2020年12月28日和29日平均風速

2.4.2 2019年12月27日—2020年1月4日污染過程2019年污染過程的清除方式與2020年的污染過程不同。2020年1月5日，500 hPa先是南支槽帶來大量暖濕氣流，形成弱降水，6日高空槽過境降水增大，但降水強度和范圍都較小，僅在盆地東部和南部小到中雨，盆地南部和中部小雨(圖9)。2019年污染過程清除以降水為主，風速起到輔助作用，結束時間長于2020年。

圖9 四川省2020年1月5日和6日累計日降水

3 結論

(1)盆地2次區域污染過程的污染演變路徑特征都是盆地東北→盆地西北部→盆地南部→整個盆地。2次污染過程持續時間都是9 d，達到區域污染的天數也相同，為7 d，但2020年12月污染程度更嚴重，過程中達到重度的城市數量有5個，多于2019年的1個。

(2)長時間靜穩天氣，在較高的相對濕度條件下，持續的小風速和低混合層高度導致污染物累積，污染區域擴大，污染等級加重。這是2020年污染過程比2019年更嚴重的主要原因。

(3)2020年污染過程的清除方式是大范圍的大風天氣，1 d內盆地空氣質量轉為優良。2019年污染過程的清除方式與2020年的污染過程不同，以降水為主，以風速為輔，結束時間長于2020年。