基于AQI的深圳大氣污染特征及其典型環(huán)流形勢(shì)分析

王明潔，賀佳佳，王書(shū)欣，張蕾

深圳南方強(qiáng)天氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518040

大氣污染是自然環(huán)境條件和人類活動(dòng)等多種因素共同作用的綜合表現(xiàn)。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化快速發(fā)展以及機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的大幅增加，城市環(huán)境惡化，尤其在人口密集的城市，空氣質(zhì)量問(wèn)題尤為突出（李小飛等，2012；任婉俠等，2013）。城市大氣污染物濃度是由排放源、區(qū)域內(nèi)輸送和大氣擴(kuò)散能力共同決定的（Giorgi et al.，2007），城市的地形地貌、氣象條件等諸多因素直接影響著大氣環(huán)境，氣象條件對(duì)污染物的擴(kuò)散、稀釋、輸送、轉(zhuǎn)化有著至關(guān)重要的作用（張強(qiáng)，2001，2003；隋珂珂等，2009；鄧?yán)旱龋?012；趙敬國(guó)等，2013；蔡仁等，2014；Li et al.，2014；符傳博等，2016）。當(dāng)污染物排放呈準(zhǔn)定常狀態(tài)時(shí)，大氣環(huán)流形勢(shì)決定著氣象狀況和天氣現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展，與大氣污染有密切的聯(lián)系（Ziomas et al.，1995；McGregor et al.，1995；李霞等，2012；楊武等，2013；王郁等，2012）。珠江三角洲地區(qū)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快、經(jīng)濟(jì)總量大、綜合實(shí)力強(qiáng)的地區(qū)之一，隨著區(qū)域資源和能源的大量消耗，多種大氣污染物高強(qiáng)度集中排放，大氣污染呈現(xiàn)區(qū)域性、復(fù)合性、壓縮性特征（陳燕等，2005；劉一鳴等，2014）。在特定的天氣形勢(shì)下，珠江三角洲城市群區(qū)域易形成高濃度污染事件（鄧雪嬌等，2006）。廖志恒等（2015）利用粵港珠江三角洲區(qū)域空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了珠三角地區(qū)污染物的時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn) 2006—2012年珠三角地區(qū) SO2、NO2和PM10濃度呈下降趨勢(shì)，O3濃度呈上升趨勢(shì)。李穎敏等（2011）利用加強(qiáng)觀測(cè)資料，分析了秋季珠江三角洲污染氣象特征，得到秋季造成珠江三角洲空氣污染的典型天氣形勢(shì)及其與氣象要素的關(guān)系。Fan et al.（2008）通過(guò)邊界層探測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大陸高壓、臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流以及海陸風(fēng)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致珠三角地區(qū)污染物的高濃度積累。吳蒙等（2103）研究了臺(tái)風(fēng)過(guò)程珠江三角洲邊界層特征及其對(duì)珠江三角洲地區(qū)空氣質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心位于粵東及福建以東海域時(shí)，臺(tái)風(fēng)外圍的下沉氣流會(huì)對(duì)珠江三角洲地區(qū)空氣質(zhì)量產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。陳訓(xùn)來(lái)等（2008）分析了香港地區(qū)空氣污染指數(shù)特征以及典型天氣形勢(shì)對(duì)香港地區(qū)空氣污染的影響。

深圳地處珠江三角洲城市群，改革開(kāi)放以來(lái)，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，空氣質(zhì)量惡化，引起政府和社會(huì)各界的高度重視。深圳市人居環(huán)境委和氣象局建立了大氣成分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了PM2.5等大氣成分的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)共享，并于2013年率先在全國(guó)開(kāi)展了基于AQI的空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報(bào)工作。本研究利用深圳空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、ECMWF再分析資料以及溫度、濕度等自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析深圳市大氣污染時(shí)空分布和污染日典型大氣環(huán)流形勢(shì)特征，以期為深圳大氣污染的預(yù)警預(yù)報(bào)、防治及其影響評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料說(shuō)明

本文所涉及的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)資料由深圳市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供，包括2013—2015年深圳市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)、11個(gè)國(guó)控站的逐時(shí)、逐日平均資料，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。站點(diǎn)布設(shè)、監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)方法、數(shù)據(jù)有效性等方面均符合《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)技術(shù)規(guī)范 HJ 664—2013》、《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)規(guī)范（試行）》等有關(guān)要求，數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)環(huán)保部審核；2013—2015年深圳污染日08:00和20:00 ECMWF再分析資料，包括500 hPa、850 hPa高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)以及海平面氣壓等資料，空間分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間分辨率為6 h；深圳市觀瀾自動(dòng)氣象站溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速、小時(shí)雨量等逐時(shí)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)自深圳市氣象局，相關(guān)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已通過(guò)廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心審核。

圖1 深圳市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of air quality monitoring stations in Shenzhen

1.2 方法

1.2.1 空氣質(zhì)量等級(jí)的劃分

空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無(wú)量綱指數(shù)，以 PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3作為分級(jí)污染物。目前中國(guó)以 AQI指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量狀況，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定(試行)》（JH633—2012），將空氣污染指數(shù)（AQI）級(jí)別分為 6級(jí)：優(yōu)（0～50）、良（51～100）、輕度污染（101～150）、中度污染（151～200）、重度污染（201～300）、嚴(yán)重污染（＞300）。

1.2.2 污染時(shí)空特征分析方法

以全市平均 AQI＞100的污染天氣作為研究對(duì)象，按照月、季、年統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段深圳市全市和11個(gè)國(guó)控站各等級(jí)污染日數(shù)所占百分率及出現(xiàn)頻次，以及污染日首要污染的出現(xiàn)概率，分析深圳大氣污染時(shí)空變化特征；選取深圳市污染最嚴(yán)重的觀瀾子站作為分析對(duì)象，分析污染天氣的發(fā)生與風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量、相對(duì)濕度等氣象條件的關(guān)系。

1.2.3 污染天氣分型方法

參照李霞等（2012）和王健等（2013）污染天氣環(huán)流分型方法，普查 2013—2015年深圳污染日08:00和20:00地面天氣圖和500 hPa高空天氣圖，在考慮歐亞范圍環(huán)流形勢(shì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注0°～40°N，90°～120°E 范圍內(nèi)的主要影響系統(tǒng)及深圳位于該系統(tǒng)的位置，確定污染日天氣形勢(shì)類型。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù) 2013—2015年深圳市日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)資料，確定污染日期和日數(shù)，利用Excel軟件統(tǒng)計(jì)月、季、年平均污染日數(shù)和污染日的各類首要污染物出現(xiàn)概率，分析深圳污染的時(shí)間變化特征；根據(jù)深圳市 11個(gè)國(guó)控站的日數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)和計(jì)算各站點(diǎn)的不同等級(jí)污染日數(shù)和出現(xiàn)頻率，利用Surfer軟件中克里格法（Kringing）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，制作了深圳市污染天氣概率空間分布圖，探討深圳大氣污染的空間分布特征。

根據(jù) 2014—2016年觀瀾子站逐時(shí)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及相應(yīng)自動(dòng)氣象站風(fēng)向、風(fēng)速、相對(duì)濕度、降雨量等氣象資料，利用Excel軟件統(tǒng)計(jì)了污染天氣發(fā)生時(shí)風(fēng)向、不同等級(jí)風(fēng)速、降雨量及相對(duì)濕度出現(xiàn)頻率，分析污染天氣發(fā)生與氣象條件的關(guān)系。

基于ECMWF再分析資料，利用Grads軟件繪制了污染日當(dāng)天08:00和20:00的地面、500 hPa和850 hPa天氣形勢(shì)圖，分析污染天氣發(fā)生的典型環(huán)流形勢(shì)。

2 深圳市大氣污染變化特征

2.1 大氣污染年際變化

圖2 2013—2015年深圳市各級(jí)AQI頻率分布Fig.2 Frequency distribution of AQI in Shenzhen from 2013 to 2015

利用深圳市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了 2013—2015年深圳市各級(jí)AQI出現(xiàn)概率。圖2所示為2013—2015年深圳市各級(jí) AQI概率分布，由圖 2可知，2013—2015年深圳市空氣質(zhì)量呈轉(zhuǎn)好趨勢(shì)，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良率由2013年的89%上升到2015年的96%以上，污染日占比由 11%下降至 4%以下，且污染以輕度污染為主，僅2013年出現(xiàn)了中度污染。2013年是3年中空氣質(zhì)量最差的一年，污染日數(shù)達(dá)35 d（11%），且有5 d達(dá)到中度污染等級(jí)；2014年和2015年污染日數(shù)分別下降至14 d和12 d，且全部為輕度污染，空氣質(zhì)量呈現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)，同期深圳能見(jiàn)度好轉(zhuǎn)，霾日數(shù)持續(xù)減少，至 2015年霾日數(shù)下降至35 d。這與近年來(lái)深圳市政府開(kāi)展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排等措施密切相關(guān)，深圳進(jìn)一步調(diào)整了二三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，淘汰和轉(zhuǎn)型低端產(chǎn)業(yè)，如鋼鐵、水泥、電解鋁、煤炭等重污染企業(yè)，至 2015年二三產(chǎn)業(yè)比重分別為41.2%、58.8%，戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)增加值逐年增長(zhǎng)，2013年增長(zhǎng)20.5%，2014年增長(zhǎng)13.5%，2015年增長(zhǎng)16.1%。

2.2 大氣污染月季變化

圖3 2013—2015年深圳污染日數(shù)月變化Fig.3 Monthly variation of air pollution days of Shenzhen from 2013 to 2015

圖3所示為2013—2015年深圳污染日數(shù)月變化曲線。由圖3可知，深圳市污染天氣有明顯的季節(jié)變化特征：12月污染日數(shù)最多（18 d，約占全年27%），其次是1月和10月，分別為17 d和15 d；5—6月空氣質(zhì)量最好，未出現(xiàn)污染天氣；2—9月污染日數(shù)均在2～3 d。深圳污染天氣的這種季節(jié)變化特征與深圳所處的地理位置和天氣氣候特點(diǎn)有關(guān)。深圳屬于副熱帶季風(fēng)氣候，4—9月是深圳的雨季，特別是5—6月，西南季風(fēng)活躍，降雨頻繁，來(lái)自海上的西南季風(fēng)有利于空氣中污染物的擴(kuò)散，降雨的濕沉降作用利于空氣中污染物的沉降；7—8月雖然是降雨最多的月份，但同時(shí)也是臺(tái)風(fēng)影響最多的月份，受臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流影響，常使空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)差，甚至造成污染。秋冬季降雨明顯減少，冷空氣活動(dòng)頻繁，盛行偏北風(fēng)，偏北氣流將北方顆粒污染物輸送至南方，且冬季靜風(fēng)頻率加大，是一年中深圳風(fēng)力最弱的季節(jié)，逆溫天氣頻率較高，大氣擴(kuò)散條件差，造成空氣污染物長(zhǎng)時(shí)間堆積，導(dǎo)致污染物濃度增高，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)差，達(dá)到污染等級(jí)，絕大多數(shù)中度污染天氣出現(xiàn)在12月，與李穎敏等（2011）的研究一致。

2.3 大氣污染持續(xù)時(shí)間分析

為了解深圳污染天氣持續(xù)狀況，定義一次污染過(guò)程持續(xù)日數(shù)為從第一天達(dá)到污染標(biāo)準(zhǔn)到空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好日之間的天數(shù)，將不同持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)次數(shù)與污染過(guò)程總次數(shù)之比定義為出現(xiàn)頻率，按照上述方法，計(jì)算 2013—2015年深圳污染過(guò)程不同持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)頻率（圖略）。深圳污染過(guò)程一般持續(xù)1～2 d，約86%的污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間在2 d以內(nèi)，其中55%的污染過(guò)程在 24 h內(nèi)完成空氣質(zhì)量由差轉(zhuǎn)好的過(guò)程；持續(xù)時(shí)間≥3d的頻率約為14%，3年來(lái)污染過(guò)程最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為15 d（出現(xiàn)在2013年12月22日—2014年1月6日)。為了解不同季節(jié)污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間的差異，按月統(tǒng)計(jì)了深圳污染過(guò)程不同持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)頻次（圖4）。由圖4可知，深圳污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間也有明顯的季節(jié)變化，長(zhǎng)時(shí)間的污染過(guò)程（≥3 d）出現(xiàn)在秋冬季（10月—翌年1月），其中持續(xù)時(shí)間超過(guò)5 d的污染過(guò)程出現(xiàn)在1月和12月，2013—2015年3年間12月共出現(xiàn)過(guò)2次持續(xù)時(shí)間≥5 d的污染過(guò)程，夏季和秋季出現(xiàn)的污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間均在 1～2 d。由上述分析可知，冬季易出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的污染過(guò)程，因此冬季是大氣污染預(yù)警預(yù)報(bào)的重點(diǎn)關(guān)注期。

圖4 深圳污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間頻次月分布Fig.4 Frequency distribution for persistent days in air pollution process of Shenzhen

2.4 污染日污染特征

為了解污染的形成原因，統(tǒng)計(jì)了2013—2015年深圳市污染日首要污染物出現(xiàn)概率（圖5）。由圖5可知，造成深圳市污染天氣的主要污染因子是細(xì)顆粒物（PM2.5）、臭氧（O3）和二氧化氮（NO2），其中約 75%的污染天氣是由 PM2.5濃度增加引起的，其次是O3（19%）和NO2（4.8%）。由主要污染因子年際變化趨勢(shì)看，PM2.5和 NO2引起的污染天氣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但O3造成的污染呈上升趨勢(shì)。2014年和2015年均未出現(xiàn)由NO2造成的污染天氣，PM2.5造成污染的概率由 82%下降至33%，O3造成的污染的概率由 2013年 9.8%上升到2015年的66.7%。以上分析結(jié)果表明，雖然深圳空氣質(zhì)量總體向好，但光化學(xué)污染越來(lái)越嚴(yán)重，已成為深圳大氣污染的主要形式之一，應(yīng)引起充分的重視。造成污染天氣的首要污染物有明顯的季節(jié)特征（圖略），冬季（12—2月）首要污染物全部是PM2.5，夏季（7—9月）全部是O3，春季和秋季出現(xiàn)污染天氣的概率低于10%，但由于處于天氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)換季節(jié)，三類污染物均會(huì)出現(xiàn)。由于引起污染天氣的首要污染物有明顯的季節(jié)特征，在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)中，不同季節(jié)應(yīng)關(guān)注不同污染物的變化，冬季重點(diǎn)關(guān)注PM2.5濃度的變化，夏季需特別關(guān)注O3濃度的變化。

圖5 深圳污染日首要污染物統(tǒng)計(jì)Fig.5 Probability distribution for primary air pollutant in air pollution day of Shenzhen

2.5 大氣污染區(qū)域分布特征

污染天氣的發(fā)生與氣象條件、地形以及周邊城市污染源排放等因素密切相關(guān)，從而造成了污染天氣空間分布的差異性。選取 2013—2015年深圳市 11個(gè)國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)子站的日數(shù)據(jù)，將各站點(diǎn)污染日數(shù)與總樣本數(shù)的比定義為出現(xiàn)頻率，統(tǒng)計(jì)了各站點(diǎn)不同等級(jí)污染天氣出現(xiàn)頻率，并利用Surfer軟件中的克里格法（Kringing）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，繪制了深圳市污染天氣概率空間分布圖（圖6）。由圖6(a)可知，深圳市輕度污染天氣空間差異性較大，東部地區(qū)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于西部，東部沿海地區(qū)空氣質(zhì)量最好。西部地區(qū)污染天氣概率為10%～15%，東部3%～10%，東部沿海地區(qū)＜5%。由圖6(b)可知，中度污染天氣總體空間差異性較小，除東部沿海地區(qū)中度污染的概率低于0.5%外，其他各區(qū)均在1%～3%之間。深圳市污染天氣空間分布的差異性，與其地理環(huán)境和周邊城市污染源排放密切相關(guān)。東部沿海地區(qū)與大亞灣和大鵬灣相鄰，來(lái)自海上的清潔空氣利于空氣的凈化，寶安區(qū)和龍崗區(qū)是深圳的工業(yè)集中區(qū)，且與東莞、惠州接壤，在有利于污染天氣的大氣環(huán)流背景條件下，珠三角地區(qū)的污染物向南輸送，從而導(dǎo)致本地污染物和外地輸送在深圳疊加，造成污染天氣出現(xiàn)或加劇。

圖6 2013—2015年深圳污染天氣出現(xiàn)概率空間分布Fig.6 Spatial distribution of probability of air pollution in Shenzhen during 2013—2015

3 污染天氣與氣象條件的關(guān)系分析

城市的污染物排放、地形地貌改變、氣象條件等諸多因素直接影響著大氣環(huán)境。在污染源排放相對(duì)穩(wěn)定的條件下，溫度、風(fēng)向風(fēng)速、濕度、大氣穩(wěn)定度等氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量狀況起主導(dǎo)作用（周兆媛等，2014；郭勇濤等，2011）。選取深圳市污染最嚴(yán)重的觀瀾子站作為分析對(duì)象，利用2014—2016年觀瀾子站逐時(shí)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及自動(dòng)氣象站風(fēng)向、風(fēng)速、相對(duì)濕度、降雨量等氣象資料，統(tǒng)計(jì)了污染天氣發(fā)生時(shí)風(fēng)向、不同等級(jí)風(fēng)速和降雨量以及相對(duì)濕度出現(xiàn)頻率（表1）。

風(fēng)速的大小決定了局地污染物水平輸送擴(kuò)散率的高低。由表1可知，污染天氣往往出現(xiàn)在風(fēng)力微弱的狀態(tài)下，觀瀾子站污染發(fā)生時(shí)約80%風(fēng)速低于3 m·s-1，其中1～2 m·s-1最多；隨著風(fēng)速加大，污染出現(xiàn)概率明顯下降，污染出現(xiàn)在4 m·s-1以上風(fēng)速的概率僅有4.8%。污染與風(fēng)向有密切的關(guān)系，風(fēng)向決定大氣污染物平流輸送的路徑，高污染濃度值常出現(xiàn)在大氣污染源的下風(fēng)方。深圳污染天氣發(fā)生時(shí)風(fēng)向在N到ENE至NNW方位（達(dá)到60%），即弱北風(fēng)時(shí)深圳易出現(xiàn)污染天氣。北風(fēng)一方面有利于將珠三角地區(qū)的污染物向深圳輸送，另一方面，污染天氣發(fā)生時(shí)通常風(fēng)力微弱，海陸風(fēng)效應(yīng)明顯，白天由海上吹向陸地的海風(fēng)與弱北風(fēng)在深圳形成風(fēng)向輻合區(qū)，污染物在風(fēng)向輻合區(qū)域內(nèi)堆積，導(dǎo)致污染天氣出現(xiàn)或進(jìn)一步加劇，這與吳兌等（2016）的研究結(jié)論一致。

相對(duì)濕度（RH）會(huì)影響氣溶膠的大小、形狀和消光。鄧?yán)旱龋?012）研究認(rèn)為，在一定的濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度越大越有利于形成顆粒物，在高濕度情況下更容易發(fā)生嚴(yán)重污染。深圳的污染天氣多出現(xiàn)在 40%～80%濕度范圍內(nèi)，隨著相對(duì)濕度增大，污染加重；相對(duì)濕度在 60%～80%時(shí)，中度污染出現(xiàn)頻率達(dá)到56.6%，與鄧?yán)旱龋?012）的研究一致。污染天氣多發(fā)生在無(wú)雨的天氣下，概率在95%以上，僅有不到4%的污染天氣發(fā)生時(shí)有降雨出現(xiàn)，且以弱降雨為主，90%以上降雨1 h雨量在1 mm以下。對(duì)比分析輕度污染和中度污染數(shù)據(jù)可知，污染越嚴(yán)重，出現(xiàn)弱降雨的概率越高。這是因?yàn)殡m然強(qiáng)降雨會(huì)造成空氣中污染物發(fā)生濕沉降，使空氣質(zhì)量得到改善，但微弱降雨不但不能促使空氣中污染物的沉降，反而使得污染物吸濕膨脹，加劇空氣質(zhì)量惡化。

4 深圳污染過(guò)程典型環(huán)流形勢(shì)分析

污染天氣特別是中重度污染天氣與氣象條件密切相關(guān)，是在一定的大尺度環(huán)流形勢(shì)下發(fā)生的（鄧雪嬌等，2006）。2013—2015年深圳共出現(xiàn)68個(gè)污染日。分析污染日地面天氣系統(tǒng)的演變，并綜合分析850 hPa和500 hPa高低空環(huán)流特征，發(fā)現(xiàn)深圳污染天氣過(guò)程可分為兩類：大陸高壓型、熱帶氣旋型（表2）。大陸高壓型最多，接近90%，主要出現(xiàn)在秋冬季節(jié)；熱帶氣旋型主要發(fā)生在夏季（7—9月）。按照深圳處于地面天氣系統(tǒng)的位置及高空影響系統(tǒng)的不同，大陸高壓型可分為高壓脊型和高壓后部型，熱帶氣旋型分為副熱帶高壓型和槽后偏北氣流疊加型。

表2 深圳污染日天氣分型統(tǒng)計(jì)Table2 The weather pattern in air pollution day of Shenzhen

4.1 大陸高壓型

4.1.1 高壓脊型

根據(jù)污染日500 hPa環(huán)流形勢(shì)特點(diǎn)可將高壓脊型分為緯向環(huán)流型和經(jīng)向環(huán)流型。（1）經(jīng)向環(huán)流型：這種環(huán)流形勢(shì)下（圖7a），500 hPa經(jīng)向度大，中高緯度為兩槽一脊形勢(shì)，東亞大槽南可伸至25°N，槽后冷空氣南下侵入到華南地區(qū)。地面北方有大范圍冷空氣南下，中國(guó)東部地區(qū)處于高壓區(qū)的控制之下，強(qiáng)冷高壓中心南可壓至 30°N附近，之后東移入海。華南地區(qū)處于地面高壓脊影響區(qū)域內(nèi)，深圳地面表現(xiàn)為偏北風(fēng)場(chǎng)，將北方的污染物不斷向南輸送，造成空氣中污染物濃度增大，空氣質(zhì)量明顯下降。這種天氣形勢(shì)常出現(xiàn)在冬季，與強(qiáng)冷空氣活動(dòng)配合，常伴隨大范圍的降溫過(guò)程。隨著冷空氣的逐漸減弱，地面等壓線逐漸變稀疏，北風(fēng)減弱，且夜間易出現(xiàn)輻射逆溫，不利于污染物的垂直擴(kuò)散，使得污染物進(jìn)一步堆積，污染程度加劇，出現(xiàn)輕度甚至中度污染。這種大范圍強(qiáng)冷空氣影響過(guò)程，往往天氣系統(tǒng)穩(wěn)定，影響時(shí)間長(zhǎng)，易造成持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響程度強(qiáng)的污染天氣。如2013年12月由于冷空氣活動(dòng)頻繁，受冷空氣持續(xù)補(bǔ)充影響，地面維持高壓脊控制，深圳出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的污染過(guò)程，僅12月記錄到18個(gè)污染日，其中中度污染日達(dá)到4 d。（2）緯向環(huán)流型：在這種形勢(shì)下（見(jiàn)圖7b），500 hPa經(jīng)向度較小，中低緯度地區(qū)為平直環(huán)流多波動(dòng)，常有弱槽東移或弱脊控制，多為偏北或偏西風(fēng)場(chǎng)氣流。對(duì)應(yīng)地面冷空氣一般強(qiáng)度較弱，深圳處于地面高壓脊的控制之下，等壓線稀疏，持續(xù)弱北風(fēng)，大氣層結(jié)穩(wěn)定，氣象條件不利于污染物水平和垂直擴(kuò)散，使得深圳出現(xiàn)污染天氣。4.1.2 高壓后部型

表1 污染發(fā)生時(shí)風(fēng)速、降雨量、相對(duì)濕度頻率統(tǒng)計(jì)Table1 Frequency of the occurrence of air pollution corresponds to the different wind velocity ,precipitation and relative humidity

圖7 500 hPa高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)Fig.7 500 hPa geopotential height and wind field

冷高壓中心從華東地區(qū)減弱東移入海，華南地區(qū)處于高壓后部的弱風(fēng)區(qū)內(nèi)（圖 8）。地面存在風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，由弱北風(fēng)漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)控制。隨著冷空氣的進(jìn)一步東移減弱低層850～925 hPa常轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，將海上的清潔空氣向陸地輸送，從而使得空氣質(zhì)量得到改善，這種形勢(shì)下出現(xiàn)的污染天氣一般持續(xù)時(shí)間短，污染程度低，全部是輕度污染。

圖8 2013年10月27日08∶00地面氣壓場(chǎng)Fig.8 Sea level pressure field at 08:00 BT 20 Oct 2013

4.2 熱帶氣旋型

臺(tái)風(fēng)本身是個(gè)閉合性的強(qiáng)低氣壓系統(tǒng)，根據(jù)陳聯(lián)壽等提出的臺(tái)風(fēng)概念模型，臺(tái)風(fēng)的三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為臺(tái)風(fēng)中心為強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，在臺(tái)風(fēng)頂部流出，為補(bǔ)償臺(tái)風(fēng)內(nèi)部的上升氣流，在臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)移動(dòng)方向的側(cè)緣和前進(jìn)方向形成強(qiáng)下沉氣流。其下沉氣流影響區(qū)域內(nèi)大氣層結(jié)穩(wěn)定，空氣污染物的輸送、擴(kuò)散受到抑制，從而在臺(tái)風(fēng)側(cè)緣形成大范圍污染物的增量區(qū)。臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流影響是夏季造成珠江三角洲地區(qū)污染天氣的典型環(huán)流形勢(shì)。在這種形勢(shì)下，臺(tái)灣以東洋面有熱帶氣旋活動(dòng)，熱帶氣旋在福建沿海地區(qū)登陸或呈拋物線型先西北方向移動(dòng)，在臺(tái)灣東北部洋面轉(zhuǎn)向東北方向移動(dòng)，華南大部分地區(qū)在臺(tái)風(fēng)外圍下沉偏北氣流的控制下，污染物濃度特別是 O3濃度不斷上升，使得空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)差，出現(xiàn)污染天氣，污染程度全部是輕度污染。根據(jù)熱帶氣旋造成的污染過(guò)程500 hPa影響系統(tǒng)，可以將熱帶氣旋造成的污染天氣系統(tǒng)分為2類：副熱帶型和槽后西北氣流疊加型。

4.2.1 副熱帶高壓型

500 hPa副熱帶高壓成帶狀分布，位置偏北，主體控制長(zhǎng)江流域，副高脊脊線位于30～40°N之間。熱帶氣旋在菲律賓以東太平洋洋面生成，沿著副熱帶高壓南側(cè)偏東氣流穩(wěn)定向西北方向移動(dòng)，在福建沿海地區(qū)登陸后繼續(xù)向西北方向移動(dòng)（圖9a）。一般當(dāng)熱帶氣旋位于臺(tái)灣東部洋面時(shí)，其外圍偏北下沉氣流已開(kāi)始影響華南沿海地區(qū)，深圳O3等污染物濃度開(kāi)始增加，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)差。隨著熱帶氣旋繼續(xù)西北行，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，氣溫升高，O3濃度進(jìn)一步增大，污染天氣出現(xiàn)。如2013年7月12—13日在受副熱帶高壓和1307號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇力”下沉氣流的共同影響，深圳出現(xiàn)了持續(xù)2 d的輕度污染天氣。

4.2.2 槽后北氣流疊加型

500 hPa中高緯度呈兩槽一脊形勢(shì)，低緯度有西風(fēng)槽東移，副熱帶高壓減弱東退。隨高空槽東移過(guò)境，副熱帶高壓東退至海上，華南大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為西風(fēng)槽后的西北氣流控制，低層（850～925 hPa）也逐漸轉(zhuǎn)為偏北氣流控制（見(jiàn)圖9b）。地面隨著熱帶氣旋靠近，華南沿海處在熱帶氣旋西側(cè)偏北氣流控制之下，熱帶氣旋外圍偏北氣流與西風(fēng)槽后的西北氣流同位相疊加，這種天氣形勢(shì)配置下，不利于污染物的擴(kuò)散，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，O3濃度增加，空氣質(zhì)量明顯轉(zhuǎn)差，污染天氣出現(xiàn)。如2015年8月24—25日在西風(fēng)槽和1515號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鵝”外圍下沉氣流的共同影響下，深圳出現(xiàn)了持續(xù)2 d的輕度污染天氣，隨著熱帶氣旋的遠(yuǎn)離空氣質(zhì)量逐漸轉(zhuǎn)好。

圖9 500 hPa高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)Fig.9 500 hPa geopotential height and wind field

5 討論

本研究表明，2013—2015年深圳空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好，污染天氣減少，這張寶春等（2011）、廖志恒等（2015）和肖悅等（2017）珠三角區(qū)域空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好的研究結(jié)論一致，說(shuō)明大氣污染的治理，需要區(qū)域聯(lián)防聯(lián)動(dòng)，珠三角區(qū)域政府部門(mén)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、重點(diǎn)污染源的整治、能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、清潔能源的使用等一系列大氣污染治理措施，是區(qū)域空氣質(zhì)量的優(yōu)化的主要原因。值得注意的是，雖然深圳空氣質(zhì)量呈轉(zhuǎn)好趨勢(shì)，但污染形式出現(xiàn)明顯變化，O3污染的持續(xù)加重，光化學(xué)污染已成為越來(lái)越重要的污染形式，需引起政府部門(mén)足夠的關(guān)注。

深圳空氣質(zhì)量、主要污染物以及天氣形勢(shì)均呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律，因此在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)中，不同季節(jié)應(yīng)關(guān)注不同污染物濃度的變化和天氣形勢(shì)的演變。當(dāng)冬季出現(xiàn)大陸高壓型這種利于大氣污染出現(xiàn)的天氣形勢(shì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注PM2.5濃度的變化，當(dāng)夏季西太平洋和南海有熱帶氣旋活動(dòng)，應(yīng)特別關(guān)注 O3濃度的變化。在實(shí)際空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，還應(yīng)結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)模式提供天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，開(kāi)展并做好大氣污染的預(yù)警預(yù)估工作，從而為防災(zāi)部門(mén)科學(xué)應(yīng)對(duì)大氣污染提供技術(shù)支撐。由于深圳市開(kāi)展 PM2.5等空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間較短，對(duì)于基于AQI的深圳空氣質(zhì)量的變化趨勢(shì)研究還需要長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)資料的積累。本文對(duì)于深圳市污染物的來(lái)源以及污染天氣發(fā)生發(fā)展的機(jī)理未作深入的研究，有待今后課題組繼續(xù)進(jìn)行。

6 結(jié)論

（1）2013—2015年深圳市空氣質(zhì)量呈轉(zhuǎn)好趨勢(shì)，污染日數(shù)逐年減少，污染以輕度污染為主（92.4%）。污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間一般為1～2 d，時(shí)間持續(xù)≥5 d的污染過(guò)程均出現(xiàn)在冬季（12月和1月）。

（2）深圳市污染天氣的主要污染因子是 PM2.5（75%）、其次是O3（19%）和NO2（4.8%）。PM2.5和NO2引發(fā)的污染天氣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而O3引發(fā)的污染天氣呈上升趨勢(shì)，這表明光化學(xué)污染成為深圳越來(lái)越重要的污染形式。

（3）深圳污染天氣和引發(fā)污染的主要污染物均具有明顯季節(jié)特征：污染秋冬季多，春夏季少，集中出現(xiàn)在12月和1月；冬季（12—2月）主要污染物全部是 PM2.5，夏季（7—9 月）是 O3，春秋季 PM2.5、O3和NO2三類污染物均會(huì)出現(xiàn)。

（4）深圳污染天氣空間差異性較大，總體呈現(xiàn)西多東少的分布，東部地區(qū)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于西部地區(qū)，東部沿海地區(qū)是深圳空氣質(zhì)量最好的區(qū)域。

（5）深圳污染天氣易出現(xiàn)在無(wú)雨或微弱降雨、弱北風(fēng)和濕度相對(duì)較大的氣象條件下。造成深圳污染天氣的典型天氣形勢(shì)可分為大陸高壓型和熱帶氣旋型兩類，其中大陸高壓型又分為高壓脊型和高壓后部型，熱帶氣旋型分為副熱帶高壓型和槽后偏北氣流疊加型。

參考文獻(xiàn)：

FAN S J. WANG B M, TESCHE M, et al. 2008. Meteorological conditions and structures of atmospheric boundary layer in October 2004 over Pearl River Delta area [J]. Atmospheric Environment, 42(25):6174-6186.

GIORGI F, MELEUX F. 2007. Modelling the regional effects of climate change on air quality [J]. Comptes Rendus Géoscience, 339(11-12):721-733.

McGREGOR G R, BAMZELIS D. 1995. Synoptic Typing and its application to the investigation of weather air pollution relationships,Birmingham, United Kingdom [J]. Theoretical & Applied Climatology,51(4): 223-236.

LI Y, LAU A, WON A, et al. 2014. Decomposition of the wind and nonwind effects on observed year-to-year air quality variation [J].Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 119(10): 6207-6220.

ZIOMAS I C, MELAS D, ZEREFOS C S, et al. 1995. Forecasting peak pollutant levels from meteorological variables [J]. Atmospheric Environment, 29(24): 3703-3711.

蔡仁, 李霞, 趙克明, 等. 2014. 烏魯木齊大氣污染特征及氣象條件的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 37(6N): 40-48.

陳聯(lián)壽, 徐樣德, 羅哲賢, 等. 2002. 熱帶氣旋動(dòng)力學(xué)引論[M]. 北京: 氣象出版社: 231-232.

陳訓(xùn)來(lái), 范紹佳, 李江南, 等. 2008. 香港地區(qū)空氣污染的典型天氣背景形勢(shì)[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 24(2): 195-199.

陳燕, 蔣維楣, 郭文利, 等. 2005. 珠江三角洲地區(qū)城市群發(fā)展對(duì)局地大氣污染物擴(kuò)散的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 25(5): 700-710.

鄧?yán)? 錢(qián)駿, 廖瑞雪, 等. 2012. 2009年8—9月成都市顆粒物污染及其與氣象條件的關(guān)系[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 32(8): 1433-1438.

鄧雪嬌, 黃健, 吳兌, 等. 2006. 深圳地區(qū)典型大氣污染過(guò)程分析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 26(z l):7-11.

符傳博, 丹利, 唐家翔, 等. 2016. 1960—2013年華南地區(qū)霾污染的時(shí)空變化及其與關(guān)鍵氣候因子的關(guān)系[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 36(5):1313-1322.

郭勇濤, 佘峰，王式功, 等. 2011. 蘭州市空氣質(zhì)量狀況及與常規(guī)氣象條件的關(guān)系[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 26(11):100-105.

環(huán)境保護(hù)部. 2012. H633—2012, 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)[S]. 中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn).

李霞, 楊靜, 麻軍, 等. 2012. 烏魯木齊重污染日的天氣分型和邊界層結(jié)構(gòu)特征研究[J]. 高原氣象, 31(5): 1414-1423.

李小飛, 張明軍, 王圣杰, 等. 2012. 中國(guó)空氣污染指數(shù)變化特征及影響因素分析[J]. 環(huán)境科學(xué), 33(6): 1936-1943.

李穎敏, 范紹佳, 張人文. 2011. 2008年秋季珠江三角洲污染氣象分析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 31(10): 1585-1591.

廖志恒, 孫家仁, 范紹佳, 等. 2015. 2006—2012年珠三角地區(qū)空氣污染變化特征及影響因素[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 35(2): 329-336.

劉一鳴, 洪瑩瑩, 張舒婷, 等. 2014. 珠江三角洲秋季典型氣溶膠污染的過(guò)程分析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 34(12): 3017-3025.

任婉俠, 薛冰, 張琳, 等. 2013. 中國(guó)特大型城市空氣污染指數(shù)的時(shí)空變化[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 32(10): 2788-2796.

深圳市統(tǒng)計(jì)局. 2016. 深圳統(tǒng)計(jì)年鑒—2016[M]. 深圳: 中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社:26-44.

隋珂珂, 王自發(fā), 楊軍, 等. 2007. 北京 PM10持續(xù)污染及與常規(guī)氣象要素的關(guān)系[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 20(6): 77-82.

王健, 李景林, 張?jiān)氯A. 2013. 烏魯木齊市冬季嚴(yán)重污染日的環(huán)流分型特征[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào), 29(1): 28-32.

王郁, 侯青. 2012. 2000—2010的北京空氣持續(xù)污染特征研究[J]. 高原氣象, 31(6): 1675-1681.

吳蒙, 羅云, 吳兌, 等. 2016. 珠三角干季海陸風(fēng)特征及其對(duì)空氣質(zhì)量影響的觀測(cè)[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 36(11): 3263-3272.

吳蒙, 范紹佳, 吳兌, 等. 2013. 臺(tái)風(fēng)過(guò)程珠江三角洲邊界層特征及其對(duì)空氣質(zhì)量的影響[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 33(9): 1569-1576.

肖悅, 田永中, 許文軒, 等. 2017. 近 10年中國(guó)空氣質(zhì)量時(shí)空分布牲特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 29(2): 243-252.

楊武, 羅秋紅, 李曉娜, 等. 2012. 2006—2008年秋季廣州市重大氣污染過(guò)程特征研究[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 28(1): 123-133.

張寶春, 陳彥軍, 李偉鏗, 等. 2011. 基于GIS的珠三角區(qū)域空氣質(zhì)量時(shí)空特征研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 20(4): 600-605.

張強(qiáng). 2001. 蘭州市山谷地形和大氣逆溫層對(duì)污染物水平輸送的影響[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué), 21(3): 230-234.

張強(qiáng). 2003. 蘭州市的大氣污染物濃度與局地氣候環(huán)境因子的關(guān)系[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào), 39(1): 99-106.

趙敬國(guó), 王式功, 王嘉媛, 等. 2013. 蘭州市空氣污染與氣象條件關(guān)系分析[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 49(4): 491-503.

周兆媛, 張時(shí)煌, 高慶先, 等. 2014. 京津冀地區(qū)氣象要素對(duì)空氣質(zhì)量的影響及未來(lái)變化趨勢(shì)分析[J]. 資源科學(xué), 36(1):0191-0199.