珠江三角洲PM2.5局地污染時空特征及環流 背景分析

張麗 李磊 梁碧玲 王明潔 馮碧鋒 陳林峰

（1 深圳市氣象局，深圳 518040；2 深圳市國家氣候觀象臺，深圳 518040；3 深圳市強風暴科學研究院，深圳518040）

0 引言

珠江三角洲為國家大氣污染防治新標準第一階段監測實施的三大重點區域之一，也是相對京津冀、長三角地區大氣污染治理起步較早、空氣質量相對較優的區域。按照“大氣污染防治行動計劃”要求，京津冀、長三角和珠江三角洲區域2017年PM2.5濃度需較2013年分別下降25%、20%和15%以上。2017年作為“大氣污染防治行動計劃”考核之年，三大重點區域均超額完成了國家考核任務，空氣質量有了較為明顯的改善。

在大尺度環境場穩定的條件下，容易產生局地環流，如山谷風、海陸風環流，對局地污染產生重要的影響[1-4]。在大尺度天氣系統相對穩定的情況下，局地環流則對大氣污染物的匯聚起主導作用[5-8]。邱曉暖[9]研究指出我國華南沿海有明顯的海陸風環流，海陸風有可能造成污染物的累積，使空氣質量變差，應引起沿海地區有關部門的重視。范紹佳等[10]認為不同來源和屬性的氣流對邊界層混合層高度影響不同，下沉氣流使珠江三角洲地區出現靜小風，產生局地環流，混合層高度減小。趙敬國等[11]指出靜穩型重污染的氣象學成因主要是風速小，穩定能量大，大氣環境穩定度大，不利于湍流擴散。楊洋等[12]發現由熱力性質決定的局地環流占主導作用時，大氣層結穩定，容易導致嚴重污染。Flocas等[13]和Bigot等[14]研究也指出局地重污染天氣是多種尺度環流共同影響的綜合結果?；诖耍疚臄M利用珠江三角洲區高密度排列的氣象站和PM2.5監測站資料，探究珠江三角洲局地PM2.5局地污染事件的氣象成因，為局地污染預警預報提供支撐。

1 數據來源與方法

1.1 數據來源

污染物數據選用2013—2017年珠江三角洲地區56個空氣質量國控監測站點的逐小時PM2.5濃度數據（圖1）。氣象數據選用珠江三角洲1038個高密度自動氣象站的風速、風向數據以及珠江三角洲2部邊界層風廓線儀的風、溫探測數據。

圖1 珠江三角洲56個空氣質量國控監測站點分布（+）和2個風廓線雷達站點（） Fig. 1 56 environmental monitoring sites distribution and two wind profile radars in the Pearl River Delta

1.2 研究方法

PM2.5污染面積的計算方法：采用反距離加權法將56個站點的PM2.5數據，插值成1 km×1 km的網格，每個網格的面積為1 km2。珠江三角洲總面積為1.1×105km2，插值范圍為111.9°—115.4°E、21.8°—24.4°N，總格點數為343×253。將網格值大于115 μg/m3的數累計起來，得到PM2.5污染面積。

以逐時PM2.5濃度觀測數據為基礎，將珠江三角洲污染事件定義如下：在某一時刻，全區域監測到PM2.5濃度≥115 μg/m3的面積在1～2500 km2時，為一次局地污染事件；PM2.5≥115 μg/m3的面積大于2500 km2時為一次大范圍污染事件。某日珠三角范圍內出現1 km2以上PM2.5≥115 μg/m3的污染事件，為一個污染日。某日24 h只出現局地污染事件（污染面積1～2500 km2），未出現大范圍污染事件（污染面積≥2500 km2），為局地污染日。

2 結果與討論

2.1 珠江三角洲污染分布特征

廣東省地形地貌復雜，珠江三角洲平原周圍被山地、丘陵和臺地包圍，地勢較低，南臨南海，從北到南，地勢逐漸降低，同時地面屬性不同導致熱力條件差異大（圖2）。2013—2017年珠江三角洲地區平均PM2.5污染日空間分布不均（圖3），局地性明顯，佛山地區為污染中心，平均污染日60 d以上。四周城市平均污染日逐漸遞減：肇慶地區年平均污染日30～50 d；江門、中山北部，東莞、廣州西部地區平均污染日為30～40 d，江門、中山、東莞南部，深圳西部以及廣州中部地區平均污染日為20～30 d，深圳東部、東莞東北、廣州東部和惠州地區平均污染日在20 d以下。

圖2 廣東省地形高度分布（圖中標出了珠三角城市群的行政區劃） Fig. 2 Terrain height distribution in Guangdong Province

圖3 2013—2017年珠江三角洲總平均PM2.5污染日 Fig. 3 Average days of PM2.5 pollution in the Pearl River Delta from 2013 to 2017

2.2 局地PM2.5污染時間分布特征

統計表明，2014—2017年珠江三角洲PM2.5局地污染日呈上升趨勢（圖4）。2014年局地污染日為77 d，占所有污染日的45%，2017年局地污染日增加至133 d，占所有污染日的比例也增加至79%。可見在總污染日減少的基礎上，局地污染不降反升，是珠江三角洲新的污染特征。

圖4 2013—2017年珠江三角洲局地PM2.5污染事件年（a）、月（b）和日（c）變化 Fig. 4 Annual (a), monthly (b) and daily (c) variation of local PM2.5 pollution incident frequency in Shenzhen

2013—2017年珠江三角洲局地PM2.5污染平均每年有106 d，冬半年發生頻率高于夏半年，1—3月、10—12月平均頻次17 d /月，夏半年4—9月平均污染10 d/月。這與珠江三角洲的季風氣候有關，冬半年受東北季風及冷空氣的影響，靜穩天氣多發，大氣邊界層高度底，容易發生局地污染。夏季西南季風帶來了海上潔凈的空氣，對流旺盛，降雨量大，污染物的清除效率高。珠江三角洲局地PM2.5污染事件在夜間至次日凌晨（即19時—次日03時）發生的頻次高（圖4c），每年平均45時次以上。主要是由于在夜間易形成晴空輻射逆溫層，大氣穩定，污染多發，逆溫一般在日出后隨大氣對流加強而消失，污染頻次也隨之減小。

2.3 局地PM2.5污染的環流特征分析

2013—2017年統計局地污染出現的大尺度環流分類可分為3大類，分別為大陸冷高壓底部（包括均壓場、高壓脊、冷鋒前），主要出現在秋冬季節，約占54%；海上變性高壓脊，主要出現在春季，約占27%；副熱帶高壓或熱帶氣旋外圍下沉氣流（夏季、秋季）19%。

2.3.1 大陸冷高壓底部型

冬季當珠江三角洲地區處于冷高壓底部時，弱冷空氣影響不斷滲透影響到珠江三角洲，容易形成靜穩的污染天氣。2017年1月4—6日珠江三角洲500 hPa受副熱帶高壓北緣的西南風影響，850 hPa受暖性高壓脊控制，地面處于冷高壓底部，受東北風弱冷空氣影響，整層大氣上暖下冷，層結穩定（圖5a）。地面風場微弱，風速在2.0 m/s以下。在山體、平地、城市等不同熱力條件影響下，北、東、西3個方向三股氣流在廣佛一帶匯合，形成地面弱輻合（圖5b），污染物也在這里匯合，佛山、肇慶、廣州一帶出現重度—嚴重局地污染，1月5日三水站最高PM2.5濃度達274 μg/m3。

圖5 2017年1月4日08時海平面氣壓場（a）和20時地面風場與污染物濃度（b） Fig. 5 Sea level pressure field at 08:00 BT (a), surface wind field and pollutant concentration at 20:00 BT(b) 4 January 2017

廣州從化風廓線監測邊界層內風速弱（圖6a），底層以偏北風為主，上層以偏南風為主，形成弱的局地環流，污染在邊界層內回旋，不宜擴散。同時在200 m以下從06時開始出現持續的偏北風下沉氣流，導致PM2.5濃度從07時開始持續增加，23時升至129 μg/m3，形成局地污染事件（圖6b）。

圖6 2017年1月4日廣州從化風廓線水平風速（箭頭）、垂直速度（填色）（a）及廣州市監測站PM2.5濃度日變化（b） Fig. 6 Horizontal wind and vertical velocity of wind profile radars (a) at Conghua and daily variation of PM2.5 concentration(b) at Guangzhou On 4 January 2017

2.3.2 海上變性高壓脊型

春季、秋季冷空氣強度較冬季減弱，一般以東移為主，當冷空氣主體移至海上，珠江三角洲地區受海上變性高壓脊影響，地面氣壓梯度小，甚至出現均壓場等靜穩天氣，容易形成PM2.5污染天氣。2017年5月7日受地面變性高壓脊控制（圖7a），冷空氣主體東移至海上，東路弱冷空氣回流影響珠江三角洲，在珠江三角洲佛山、肇慶一帶有偏東風、偏北風氣流的輻合。地面輻合線與PM2.5污染中心一致（圖7b），輻合線阻擋了污染物進一步向南擴散，有利于形成污染中心。

雖然從化風廓線監測200 m以下有弱的上升運動，但是200～1800 m大范圍的下沉氣流抑制了污染的擴散，形成局地污染時間（圖8a），佛山三水云東海站在00—07時PM2.5濃度超標，出現輕度至重度污染，08時之后隨著降雨的出現，污染物濃度也迅速下降（圖8b）。

圖7 2017年5月7日08時海平面氣壓場（a）和14時地面風場、PM2.5濃度（b） Fig. 7 Sea level pressure field at 08:00 BT (a), surface wind field and pollutant concentration at 14:00 BT (b), on 7 May 2017

2.3.3 副熱帶高壓型

秋季當副熱帶高壓控制廣東，珠江三角洲處于大陸副熱帶高壓東北側的西北下沉氣流影響時，容易出現PM2.5污染天氣。2017年9月17日受大陸副高邊緣的西北風影響（圖9a），中山、珠海、深圳等地出現輕度至重度污染。珠海唐家站在11—14時出現中度—重度污染， PM2.5最高濃度達182 μg/m3。從地面風場來看，主導風為西北風，由于地形的熱力不均造成了地面風向的變化，12時前后粵東沿海產生了東北風與西北風在珠江口的輻合，阻止了污染物水平擴散，有利于局地污染事件的形成（圖9b）。

圖8 2017年5月7日從化風廓線水平風速（箭頭）、垂直速度（填色）（a）和佛山三水云東海PM2.5濃度日變化（b） Fig. 8 Horizontal wind and vertical velocity of wind profile at Conghua (a) and daily variation of PM2.5 concentration at Foshan Shanshui-Yundonghai Station (b) on 7 May 2017

圖9 2017年9月17日08時500 hpa位勢高度、風場（a）和12時地面風場、PM2.5濃度和地形高度（b） Fig 9 Sea level pressure field at 08:00 BT (a), surface wind field and pollutant concentration at 12:00 BT (b), on 17 September 2017

從邊界層垂直風速來看（圖10a），邊界層多個時刻都有下沉氣流，中午前后下沉氣流達到地面，與最大污染出現的時間（12時）一致（圖10b）。由此可見，偏北風下沉氣流抑制了污染的垂直擴散，同時地面輻合線阻止了污染物的水平擴散，形成了局地污染事件。

由上述分析可知，PM2.5局地污染受局地環流影響大，山體、平原、海洋和城市的熱力條件不同，地面風場發生變化，形成地面弱輻合線，阻止了污染的水平擴散，同時弱的偏北風從廣東省北部山地傾瀉下來，在珠江三角洲形成邊界層內的下沉氣流，抑制了污染的垂直輸送，導致近地面的污染出現。

3 結論

本文對珠江三角洲2015—2017年局地PM2.5污染事件的時空分布特征及典型事件的局地環流特征進行了集中分析，結果表明：

1）珠江三角洲局地PM2.5污染空間分布不均，以佛山和肇慶地位為污染中心，向四周遞減。佛山年均污染在60 d以上；肇慶年均污染在40～50 d；江門、中山北部，東莞、廣州西部年均污染在30～40 d，江門、中山、東莞南部，深圳西部，廣州中部年均污染為20～30 d，深圳東部、東莞東北、廣州東部，惠州年均污染在20 d以下。

2）珠江三角洲PM2.5局地污染多發，冬半年發生頻率高于夏半年，夜間至次日凌晨（19時—次日03時）發生的頻次高。

3）珠江三角洲局地污染發生的天氣形勢可分為：大陸冷高壓底部型、海上變性高壓脊性和副熱帶高壓性和熱帶氣旋外圍下沉氣流影響型。

4）PM2.5局地污染事件受局地氣流影響大，在大尺度靜穩天氣影響下，地面風場受山體、平原、海洋、城市等熱力條件不同的影響，形成地面弱輻合線，阻止了污染的水平擴散，同時弱的偏北風從廣東省北部山地傾瀉下來，形成邊界層內的下沉氣流，抑制了污染的垂直輸送，導致近地面的污染出現。

圖10 2017年9月17日珠海風廓線水平風速（箭頭）、垂直速度（填色）（a）和珠海唐家PM2.5濃度（b） Fig. 10 Horizontal wind and vertical velocity of wind profile at Zhuhai (a) and daily variation of PM2.5 concentration at Zhuhai Tangjia Station (b) on 17 September 2017