福州市污染日的外來霧霾污染影響

福州市氣象局　李　巖　林　凌　楊開甲

福州市污染日的外來霧霾污染影響

福州市氣象局李巖林凌楊開甲

利用氣象資料、空氣質量監測資料及后向軌跡方法，對2008年～2012年福州市污染日的天氣形勢及氣流來向軌跡進行分析，研究表明：福州污染日的霧霾污染外來影響主要有兩個來向，一是長江三角洲地區，二是福建中南沿海；長江三角洲地區污染物排放源區是福州的一個主要外來污染源；大陸東岸海岸線到臺灣海峽是福州外來霧霾污染物的輸送主要通道；污染日出現的主要天氣型中高壓脊型與變性冷高壓底部或后部最易輸送長江三角洲地區大氣污染物到福州。

外來影響 霧霾 天氣形勢 輸送通道 福州市污染日

隨著我國城市化和工業化進程的推進，我國的大氣污染特別是灰霾污染出現了區域性污染的特征［1］，各區域間空氣污染相互影響日益嚴重。區域間空氣污染與天氣過程有著密切關系。由于天氣系統的多樣性及其尺度影響的跨地理區域的特性，一個區域或一個城市群的污染及其污染物的排放，有可能造成跨區域的影響［1］。除天氣氣候因素以外，區域性灰霾污染的成因，既有污染物排放增加的原因（如機動車的增加），也與污染源的區域化分布和污染物的中長距離輸送，以及山脈和地形的限制性因素有關［2］。

福州與我國霧霾污染的三大重點地區（即京津冀地區、長江三角洲地區和珠江三角洲地區）、兩大重點地區毗鄰。本文利用天氣圖分析、大氣探測、氣象站觀測、氣流的后向軌跡等資料， 對福州污染過程的幾個主要天氣型下區域外來霧霾污染影響進行了解析。

1　資料與方法

城市空氣質量資料取自2008年～2012年福州環境監測站的大氣污染物觀測資料，主要分析對象為PM10、SO2和NO2等。城市空氣質量的每日監測結果空氣污染指數（Air Pollution Index， API）取自每日福州國控監測點數據的算術平均值。根據環境保護部2008年發布的《城市空氣質量日報和預報技術規定》API＞100為污染日，API＞300為重污染日。2008年～2012年福州市大氣污染日共41天，重污染日共2天。

氣象資料選取2008年～2012年福州大氣污染日地面氣象要素，08時、20時海平面氣壓場和850hPa、500hPa高度圖及氣象探空資料。為便于統計分析，本文選取天氣圖中20°～35° N、110°～125°E為關鍵區。

本研究用氣流后向軌跡資料分析氣流來源。資料來源于HYSPLIT-4軌跡模式系統（Draxle R R，et al.，1988）。它是由美國國家海洋大氣局（NO-AA）開發的供質點軌跡、擴散及沉降分析用的綜合模式系統。該模式是Eulerian-Lagrangian混合型的擴散模式，其平流和擴散計算采用Lagrangian法，通常用來跟蹤氣流所攜帶的粒子或氣體移動方向，可以實時預報風場形勢。HYSPLIT-4軌跡模式模擬采用NCEP GDAS全球1°×l°氣象資料作為背景初始場，該資料是應用全球中期預報譜模式（MRF）同化多種觀測資料和預報結果，水平分辨率為191km，垂直方向從1000～50hPa分為12個等壓面層，時間間隔為6h。本次研究計算后向軌跡的主要輸入參數是開始時間為各日早8時（北京時），向后延至72小時。起始點福州的經緯度為（26.07N，119.28E），距離地面高度設為三層分別為10m、100m和500m。

選用Micaps資料中逐日08時海平面天氣圖、500hPa及850hPa高度場圖，根據海平面天氣圖上高壓和低壓系統配置情況，國內學者對影響福州污染日主要天氣型的研究［3］，各地面天氣類型出現的頻率，再根據氣流的后向軌跡資料，分析出福州所受外來影響及氣流來向、福州污染過程外來大氣污染物輸送通道、輸送路徑演變規律及配置的天氣型分布特性。

2　福州污染日的幾個主要天氣型下區域外來灰霾污染影響

2.1大陸高壓脊型

高空偏西風引導下的大陸高壓脊是造成福州地區污染日多發的天氣型，也是引導長江三角洲地區霧霾污染福州市最多的天氣型。其天氣背景的特點是500hPa高度場關鍵區為偏西風控制，無明顯的冷平流，850hPa高度場關鍵區等高線稀疏，沒有明顯的天氣系統。在海平面氣壓場關鍵區，陸地受大陸高壓脊控制，福建省位于高壓前部。統計分析福州污染日與周邊霧霾天氣地區，發現福州出現污染日前48小時內，70%長江三角洲地區出現霧霾污染天氣。這類天氣型氣流的后向軌跡圖分析：70%福州的氣流來自長江三角洲地區，沿著大陸東部海岸線，經臺灣海峽吹到閩江口，順著閩江抵達福州。2010年11月9日08時72小時后向軌跡圖（見圖1）顯示，到達福州的10m、100m、500m氣流均來自于其上游的長江三角洲地區，地面風場也是由東北方向吹向福州地區，同時，地面天氣圖上長江三角洲地區11月7日、8日發生大面積的霧霾天氣。10%福州的氣流來自長江三角洲地區，沿著大陸東部海岸線，經臺灣海峽吹到福建沿海中南部，再折向北抵達福州。以上說明長江三角洲地區霧霾天氣與福州的污染日有內在聯系與同步性。10%是氣流局地繞旋型（見圖2），這多發生在福建地區近地層風向亂，風向忽偏東南忽西北搖擺不定；風速小，地面和低空風速不超過2米/秒，有時地面出現靜風；有逆溫層存在，低層大氣層結穩定，是靜穩大氣，不利于污染的擴散和稀釋，大氣污染物易積聚，大氣污染多為自生。5%大陸高壓脊控制前期，氣流來自福建中南沿海霧霾污染的地區，另外5%500m氣流來自廣東東部東南方向進入江西后折向偏西進入福建。

圖1　2010年11月9日08時72小時后向軌跡圖

圖2　2012年4月3日08時72小時后向軌跡圖

2.2變性冷高壓前部

高空500hPa 華南為寬闊的西風帶，環流平直，氣流多為偏西氣流，地面冷高壓從偏西路徑南下逐漸減弱變性，在西南成為變性冷高壓，受高空氣流引導繼續南壓東移，從長江流域入海。變性冷高壓前部的霧霾天氣帶也隨著變性冷高壓南下東移而南下東移。從氣流的后向軌跡圖可見：60%氣流沿著大陸東部海岸線先西北后東北，引導長江三角洲地區大氣霧霾污染物或流向大海的大氣霧霾污染物南下污染福州，如圖3。其中20%氣團勢力較強，入海位置偏南，500m氣流軌跡開始于江西霧霾天氣地區向東吹到福州，經過山地凈化，帶來少量西部大氣霧霾污染物。40%的氣流沿海岸線先西北后東北，引導從長江三角洲地區流向大海的大氣霧霾污染物經臺灣海峽到福建中部，后由于南風增大，風向折向北流向福州，污染福州，如圖4所示。

圖3　2008年3月26日08時72小時后向軌跡圖

圖4　2011年6月1日08時72小時后向軌跡圖

2.3高壓底部或高壓后部

500hPa高度場華南為西南氣流控制， 高壓底部指海平面高壓中心在關鍵區以北的陸地上且等壓線稀疏，或沒有明顯的閉合高壓中心，福州處高壓底部偏東氣流影響。高壓后部是指高壓中心在35°N以南入海，福州處于其后部， 氣壓場呈現東高西低或東南高西北低的狀況，福州處高壓后部偏南氣流影響。當高壓主體位于福州北部、北高南低，氣流經過長江三角洲霧霾污染地區污染后，氣流沿大陸東岸海岸線南下，污染福州約占70%。氣流先經過長江三角洲霧霾污染地區污染后南下進入臺灣海峽，然后隨著高壓主體繼續東移，福建沿海風向轉為東南風，氣流折向偏北經福建中南部沿海到達福州，約占15%。福州位于高壓西南，福建沿海吹東南風，福州大氣污染多為自生，霧霾污染外來影響方向為福建中南部沿海，約占15%，見圖5。

圖5　2011年4月15日08時72小時后向軌跡圖

2.4地面倒槽型

該天氣背景是500hPa高度場華南為西南氣流控制，850hPa高度場福州處在弱高壓的西側，地面華西有一從南向北伸的低壓倒槽，福建省受倒槽南側的西南偏南氣流控制。從氣流的后向軌跡圖可見：在地面倒槽型形成初期，隨著地面高壓從長江流域入海，地面華西低壓從南向北延伸形成地面倒槽。地面高壓東移入海，冷空氣經長江三角洲霧霾污染的地區沿大陸東岸海岸線南下，帶來長江三角洲霧霾污染，污染福州大氣約占37%；大約有37%地面倒槽形成發展過程中，福州低層風向由東北方向轉為倒槽南側的西南偏南氣流控制，氣流的后向軌跡是先從長江三角洲霧霾污染地區污染南下進入臺灣海峽，到達福建中南沿海折向北上影響福州；還有大約26%地面倒槽在形成后，受倒槽南側的西南偏南氣流影響，低層10m、100m氣流來自福建中南沿海霧霾污染的地區，如圖6。其中12% 500m高的氣流先經珠江三角洲霧霾污染的地區東南方向進入江西（此時一般江西下雨）后再轉向偏西進入福建到達福州，經過雨水與山脈凈化，也會帶來了少量珠江三角洲霧霾污染物，但出現的概率小。

圖6　2008年5月9日08時72小時后向軌跡圖

2.5鋒前暖區型、弱冷鋒過鏡、低渦等

幾種污染日出現機會較少的天氣型，如鋒前暖區型、弱冷鋒過境、低渦等，10m、100m氣流多在福州上空局地繞旋，福州大氣污染大部分屬自生。外來污染物影響，視地面主導風向而變，長江三角洲霧霾地區及福建中南部沿海霧霾污染影響機會均等。這幾類天氣型500m大部分氣流來自福建中南沿海。

3　討論

東亞地區存在大范圍區域性同步污染現象，這種區域性污染是由于各類交替出現的弱風場、均壓場及天氣型對污染物持續累積造成的［4］。大范圍污染物的輸送和輻合匯聚等是造成地區污染指數突增的原因之一。在福州發生污染日的前日、當日，長江三角洲地區及福建中南部沿海常常發生霧霾污染過程，這表明福州市與長江三角洲和福建中南部沿海的霧霾污染存在一定聯系。表1為2008年～2012年福州污染日空氣污染過程污染物來源方向統計。表1顯示：福州市43天污染日中，低空氣流方向來自東北方（沿大陸東岸海岸線南下）的天數最多，為35天，占總污染天數的82%。其中，包括來自東北方的天數為26天，先來自東北方后從福建中南部沿海轉向北上的天數為9天；氣流方向來自福建中南部沿海北上的天數為4天，占總污染天數的9.4%。500m從廣東珠江三角洲地區繞到江西進入福建到福州的2天，此時江西多下雨，氣流經雨水洗涮與山脈自凈。

在大氣風溫濕特定條件下，通常污染物以城市煙羽的形式被傳播到下風方， 煙羽范圍可以向下游輸送數百公里遠。通過以上統計分析，福州霧霾污染的主要外來影響有兩個方向，一是來自長江三角洲地區，二是來自福建中南沿海地區。由于全省地勢以北北東—南南西為軸線，由西北向東南漸次下降，形成二起二伏的態勢，山脈海拔高度1000米上下，福建森林覆蓋率高，青山連綿，云霧縹緲，古木參天；藤蔓纏繞，溪水潺潺，擁有豐富的植物物種，對大氣污染吸收與自凈能力極強。低層弱冷空氣攜帶污染物跨越福建山脈，從西邊東移過來，重污染福州大氣的機會比較少。福州位于西風帶，而污染日大多發生于冬季、秋季，西北風盛行。東亞季風盛行對長江三角洲地區污染物的中尺度傳輸有非常重要的影響，是污染物向華南傳輸的主要機制［6］。長江三角洲地區是我市的一個主要外來污染源，而珠江三角洲地區位于西南，污染物從低層直接傳輸污染福州的機會較少。

表1　2008年～2012年福州污染日空氣污染過程污染物來源方向統計

受大陸東岸獨特的地形與臺灣海峽影響，以及氣壓場的控制，福州的外來大氣污染物輸送過程存在一個明顯通道：大陸東岸海岸線到臺灣海峽。長江三角洲地區大氣霧霾污染物沿大陸東岸海岸線南下到臺灣海峽侵入福州，而福建中南沿海地區大氣霧霾污染物沿臺灣海峽侵入福州。

統計污染大氣的主要天氣型與外來霧霾污染影響關系顯示：高壓脊型、變性冷高壓底部或后部、地面倒槽、變性冷高壓東移、低渦、鋒面等天氣型，都能遠距離輸送長江三角洲地區大氣污染物到福州，導致福州污染過程加劇。大部分天氣型都能隨天氣形勢的變化，由北向南輸送污染物轉變為由南向北輸送污染物。其中70%高壓脊型、71%變性冷高壓底部或后部、37%地面倒槽、60%變性冷高壓東移等天氣型控制下，霧霾污染的主要外來影響來自長江三角洲地區；37%地面倒槽、大約34%低渦及鋒面、14%變性冷高壓底部或后部， 10%高壓脊型等天氣型控制下，霧霾的外來影響先來自長江三角洲地區，后轉來自福建中南部沿海；14%變性冷高壓底部或后部、12%地面倒槽等天氣型控制下，霧霾的主要外來影響來自福建中南部。

4　結論

（1）受地理與天氣型控制，福州大氣污染與周邊污染物排放源有關，福州大氣污染過程加重的重要因素之一是周邊污染物的輸入。福州污染日的大氣污染物外來影響主要有兩個來向，一是長江三角洲地區，二是福建中南沿海。長江三角洲地區霧霾污染是福州的一個主要外來污染源。

（2）值得指出的是，霧霾污染主要發生在大氣邊界層中，一個區域對另一區域造成影響，必須有一條輸送通道。本文的分析表明，大陸東岸海岸線到臺灣海峽是福州外來大氣污染物的主要輸送通道。

（3）福州地區受獨特的地形和大陸東岸中低緯度氣候的影響，輸送長江三角洲地區霧霾污染物影響福州空氣質量的主要天氣型有高壓脊型、變性冷高壓底部或后部、變性冷高壓東移、地面倒槽等。其中大陸高壓脊型影響天數最多。輸送福建中南沿海霧霾污染物影響福州空氣質量的主要天氣型有地面倒槽、低渦、鋒面等。隨天氣形勢的變化，污染物外來影響來向也會變化。

（4）區域大氣污染與天氣過程有著密切關系，存在大范圍區域性同步污染現象， 污染帶常表現為隨天氣系統移動和演變同步移動和演變，提前捕捉污染帶變化、推移方向，對福州預測、預防大氣污染有重大意義。

［1］ 王喜全，楊婷，王自發.灰霾污染的跨控制區影響——一次京津冀與東北地區灰霾污染個案分析［J］.氣候與環境研究， 2011，16（6）： 690-696.

［2］ 張強. 地形和逆溫層對蘭州市污染物輸送的影響［J］. 中國環境科學， 2001，21（3）： 230-234

［3］ 李巖，鄭東旗，龔振斌， 等.福州大氣污染日與氣象條件關系［J］.亞熱帶農業研究， 2014， 10（3）： 194-198.

［4］ 蘇福慶， 楊明珍， 鐘繼紅， 等. 華北地區天氣型對區域大氣污染的影響［J］.環境科學研究， 2004， 17（3）： 16-20.

［5］ Oke TR .The energetic basis of the urban heat island. Quart JRoy Meteor Soc ， 1982（108）： 1-24.

［6］ 黃成 ， 陳長虹， 李莉， 等. 長江三角洲地區人為源大氣污染物排放特征研究［J］. 環境科學學報， 2011， 31（9）： 1858-1871.