烏魯木齊冬末一次伴隨焚風(fēng)的重污染天氣過程探測(cè)研究

王 楠 ，李 霞 *，李淑婷 ，于曉晶 ，馮志敏 ，郭宇宏

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；3.中國氣象局烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊830011；4.新疆環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，新疆 烏魯木齊830011）

改革開放40 多年來，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷加速，京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角、東北遼東地區(qū)、四川盆地、蘭州盆地、天山北麓的烏魯木齊等城市和城市群區(qū)域大氣污染日趨嚴(yán)重[1]。2012—2013 年，烏魯木齊市政府先后投入332億元進(jìn)行大氣污染治理。到2014 年底，累計(jì)減少燃煤消耗1200 萬t，減排污染物23.9 萬t[2]。通過對(duì)煤改氣等大氣污染治理綜合工程實(shí)施前后環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得到烏魯木齊的大氣污染物PM10、SO2、NO2濃度各自下降了 26.1%、80.2%、11.6%[3]。但良好形勢(shì)并沒有維持多久，2016 年12 月—2017 年2 月，空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)（https：//www.aqistudy.cn/）公布的數(shù)據(jù)顯示，整個(gè)冬季烏魯木齊只有5 d 空氣質(zhì)量達(dá)到了良，其余天都出現(xiàn)不同程度的污染。近年來，針對(duì)烏魯木齊大氣污染的氣象成因開展了大量的研究。李霞等[4-6]通過對(duì)地面加密觀測(cè)站數(shù)據(jù)、風(fēng)廓線雷達(dá)和微波輻射計(jì)等探測(cè)數(shù)據(jù)的分析并結(jié)合數(shù)值模擬診斷等分析手段，發(fā)現(xiàn)在峽口地形下，烏魯木齊一年四季都會(huì)出現(xiàn)焚風(fēng)，且冬季出現(xiàn)頻率最多。冬季準(zhǔn)噶爾盆地被冷氣團(tuán)盤踞，大氣層結(jié)非常穩(wěn)定。盡管穿越中天山峽谷的焚風(fēng)氣流下沉運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，但是遭遇到烏魯木齊上空的穩(wěn)定氣團(tuán)后，這股暖氣流不僅沒有突破逆溫層，且被冷氣團(tuán)分離為上下兩層。近地層焚風(fēng)氣流與盆地強(qiáng)大冷氣團(tuán)抗衡，在市區(qū)形成“微型鋒面”和輻合帶，造成污染物集聚；上層的焚風(fēng)氣流晝夜穿過城市上空，促使市區(qū)上空逆溫層更加深厚、逆溫增強(qiáng)、混合層高度下降，致使污染物向邊界層下層聚集，最終造成冬季烏魯木齊重污染過程的頻繁發(fā)生。還有一些學(xué)者[7-8]研究了烏魯木齊污染物濃度分布特征，發(fā)現(xiàn)烏魯木齊的污染冬季最強(qiáng)，春秋次之，夏季最輕，首要污染物以顆粒污染物且以細(xì)顆粒物為主，PM2.5空間分布特征為從北到南逐漸升高，總體表現(xiàn)為中部低，市區(qū)北部、東部較高的空間分布特征。此外，還有關(guān)于烏魯木齊顆粒物組成的研究[9-11]，但很少涉及大氣氣溶膠光學(xué)特性及其垂直分布特征，而氣溶膠垂直分布特征對(duì)局地氣候變化、城市邊界層以及生態(tài)環(huán)境等多方面研究具有重要意義[12-15]。因此，開展該地區(qū)氣溶膠的垂直分布特性研究十分必要。

激光雷達(dá)是探測(cè)氣溶膠垂直分布特征比較有效的工具。米散射激光雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)短，時(shí)空分辨率高，不僅可以測(cè)量氣溶膠的光學(xué)特性、光學(xué)厚度，還可以得到高時(shí)空分辨率的垂直分布特征，能很好地彌補(bǔ)常規(guī)探測(cè)儀器的不足。目前激光雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于我國中東部及沿海地區(qū)，在氣象服務(wù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮著重大作用。王耀庭等[16]利用激光雷達(dá)設(shè)備研究了北京地區(qū)不同季節(jié)氣溶膠的垂直分布特征，葛順等[17]將激光雷達(dá)與氣溶膠在線離子分析儀等探測(cè)設(shè)備結(jié)合研究了南京灰霾天氣特征，王苑等[18]利用激光雷達(dá)研究了上海浦東地區(qū)不同強(qiáng)度霾天氣下氣溶膠的消光特性。但是，激光雷達(dá)目前還很少應(yīng)用于烏魯木齊污染天氣過程的研究。本研究基于激光雷達(dá)的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合地面常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)等對(duì)2017 年烏魯木齊冬末春初的一次重污染過程進(jìn)行了綜合分析，揭示了此次重污染過程比較獨(dú)特的氣象成因，可以為烏魯木齊及其周圍地區(qū)的空氣污染預(yù)報(bào)、大氣污染防治等提供一些科學(xué)依據(jù)。

1 儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)及反演方法

1.1 觀測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)

2017 年 3 月 1 日—4 月 18 日，利用美國 Sigma Space 公司的微脈沖激光雷達(dá)在烏魯木齊樹木年輪實(shí)驗(yàn)室二樓樓頂進(jìn)行了為期45 d 的激光雷達(dá)探測(cè)試驗(yàn)（圖1）。微脈沖激光雷達(dá)主要用于探測(cè)對(duì)流層大氣中的云、霧、氣溶膠粒子時(shí)空分布特征。它由激光器、信號(hào)控制器、信號(hào)接收器（信號(hào)發(fā)射和接收共用）和數(shù)據(jù)處理器組成，其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。同時(shí)，年輪實(shí)驗(yàn)室東側(cè)20 m 外的烏魯木齊氣象站有CFL-03 型風(fēng)廓線雷達(dá)、GTS1-1 型探空及地面常規(guī)監(jiān)測(cè)設(shè)備，這些氣象設(shè)備可以提供高空溫、壓、濕、風(fēng)及地面濕度、能見度、風(fēng)等數(shù)據(jù)。另外，由于烏魯木齊市地形非常復(fù)雜，本文從市區(qū)北郊到市區(qū)以南40 km 分別選取了5 個(gè)地面加密觀測(cè)站數(shù)據(jù)來輔助分析地面氣象場(chǎng)。安寧渠在烏魯木齊市區(qū)以北的農(nóng)田，代表北郊狀況；高新區(qū)代表市區(qū)中心地帶；烏魯木齊站代表市區(qū)偏東南狀況；烏拉泊代表南郊狀況；水西溝則表示天山北坡山前狀況。PM2.5逐時(shí)濃度數(shù)據(jù)則來源于烏魯木齊環(huán)境監(jiān)測(cè)站發(fā)布的6 個(gè)站點(diǎn)逐時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這6 個(gè)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)站從北往南依次是農(nóng)科院、監(jiān)測(cè)站、鐵路局、三十一中、收費(fèi)所、培訓(xùn)基地（圖1）。本文中涉及的時(shí)間均采用北京時(shí)。

表1 MPL 激光雷達(dá)主要性能參數(shù)

1.2 氣溶膠光學(xué)參量反演方法

大氣氣溶膠的光學(xué)參量可以通過求解米散射激光雷達(dá)方程得到，目前求解米散射激光雷方程的方法主要有 Collis 斜率法、Klett 算法、Fernald 方法 3種，但都有其適用條件，在本論文中采用的是應(yīng)用最廣的大家普遍采用的Fernald 方法[19-20]，激光雷達(dá)是探測(cè)大氣邊界層高度的一種有效手段，本文中采用梯度法[21]對(duì)邊界層高度進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了適當(dāng)修正，計(jì)算得到重污染階段的邊界層高度值。

2 重污染天氣過程環(huán)流背景特征

圖1 烏魯木齊市及其周邊大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和主要?dú)庀笳痉植?/p>

2017 年 3 月 1 日—4 月 18 日激光雷達(dá)探測(cè)期間，烏魯木齊一共發(fā)生了2 次重污染事件。在整個(gè)污染事件中至少1 日的空氣質(zhì)量指數(shù)AQI（Air Quality Index）>200。第 2 次重污染事件發(fā)生在 2017 年 3 月5—12 日，其中 3 月 8 日、9 日的 AQI 日均值分別為265.5、265.9，激光雷達(dá)較為完整地記錄了這次污染事件。因此，本文著重分析此次污染過程。從5 日開始，500 hPa 歐亞范圍內(nèi)里海—新疆上空受一個(gè)寬廣的高壓脊控制，巴爾喀什湖南側(cè)是一個(gè)中亞低渦。隨后高壓脊逐步東移，7—9 日在新疆北部—貝加爾湖地區(qū)維持（圖2）。中亞低渦則在8—9 日削弱成槽，東移出北疆之后，咸海地區(qū)再次被一個(gè)新的低渦控制，新疆仍然處于脊區(qū)。從海平面氣壓場(chǎng)來看，50°N 附近 70°～100°E 內(nèi)盤踞著一個(gè)帶狀高壓帶，蒙古高壓中心多數(shù)時(shí)間都在貝加爾湖以南的廣大地區(qū)維持，新疆則處在蒙古高壓中心外圍的西部。盡管偶爾有冷空氣進(jìn)入北疆（圖2），但是冷空氣勢(shì)力都較弱，由此導(dǎo)致本次污染過程歷經(jīng)3 d 才消亡。

3 重污染過程氣溶膠分布特征

3.1 地面污染狀況

圖 2 2017 年 3 月 7—9 日新疆上空 500 hPa 環(huán)流形勢(shì)（a，c，e）及海平面氣壓場(chǎng)（b，d，f）

圖3 顯示了3 月5—12 日烏魯木齊市區(qū)PM2.5濃度、能見度、相對(duì)濕度逐時(shí)平均值。由于培訓(xùn)基地站點(diǎn)距離市區(qū)較遠(yuǎn)，這里的PM2.5濃度逐時(shí)平均值取農(nóng)科院、監(jiān)測(cè)站、收費(fèi)所、鐵路局、三十一中5 站的平均值。5—12 日的PM2.5日平均濃度分別是75.4、87.9、176、215.5、215.9、176.3、115.6、116.2 μg/m3，其中7—10 日日平均 PM2.5濃度均>150 μg/m3，即日平均AQI>200，達(dá)到重污染等級(jí)。此次污染過程可分為發(fā)展期、重污染期、消亡期3 個(gè)階段，其中發(fā)展期在5日 2：00—7 日 2：00，PM2.5平均濃度為 87.2 μg/m3，PM2.5濃度由 5 日 2：00 的 53.2 μg/m3開始上升且在7 日的 2：00 達(dá)到 122.2 μg/m3；7 日 3：00—10 日18：00 為重污染階段，重污染階段PM2.5平均濃度為 202.8 μg/m3，最高值出現(xiàn)在 8 日 17：00，達(dá)到281 μg/m3，重污染階段一直持續(xù)到 10 日 18：00。此后此次污染過程進(jìn)入消亡階段，消亡階段PM2.5平均濃度為 113.7 μg/m3，最小值為 91 μg/m3。

從圖3 中的能見度變化曲線可以看出，此次重污染期間能見度一直維持較低值，在整個(gè)過程中有98%的時(shí)段保持在3000 m 以下，56%的時(shí)段保持在1500 m 以下。與重污染階段相比，該過程的發(fā)展及消亡階段PM2.5濃度較低，但是能見度卻沒有明顯高于重污染階段，且能見度最低值和PM2.5濃度最高值出現(xiàn)的時(shí)間也不完全吻合。例如在3 月9 日14：00，地面相對(duì)濕度下降至42%、PM2.5濃度為75 μg/m3，能見度卻達(dá)到5842 m，這主要是由于空氣的相對(duì)濕度降低，使得大氣的能見度變高。15：00 地面相對(duì)濕度為 54%，PM2.5濃度從 14：00 的 75 μg/m3上升至310 μg/m3，能見度從 5842 m 下降到 2791 m，說明這段時(shí)間內(nèi)主要是空氣中PM2.5含量升高，消光作用增強(qiáng)，造成大氣能見度降低。而3 月10 日以后，PM2.5濃度逐漸下降到100 μg/m3附近，能見度卻一直保持在1000 m 以下，這主要是由于3 月10—12 日的相對(duì)濕度一直很大，水汽對(duì)太陽光存在較強(qiáng)的消光作用。這表明能見度的變化受近地面相對(duì)濕度和污染物PM2.5濃度共同作用的影響。

3.2 氣溶膠垂直光學(xué)特性

圖4 為3 月7—9 日激光雷達(dá)距離平方修正回波信號(hào)（Rang Corrected Signal，簡(jiǎn)稱 RCS）、退偏比及消光系數(shù)垂直分布日變化，其中3 月8 日3：00—10：00 由于霧凇天氣導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測(cè)。從圖4 可以看出此次污染過程的最嚴(yán)重階段氣溶膠的垂直光學(xué)特性存在4 個(gè)顯著特征。首先，RCS（圖4a）和消光系數(shù)（圖4c）都反映出冬末這次重污染過程中氣溶膠主要集中在1000 m 以下，更確切地說是600 m 以下；其次，3 d 中邊界層內(nèi)消光最顯著時(shí)段，或者說污染最嚴(yán)重時(shí)段表現(xiàn)出明顯的日變化特征，如0：00—13：00，600 m 以下的消光系數(shù)普遍較低（<0.2 km-1）；14：00—21：00，消光系數(shù)迅速增大，達(dá)到 1.4 km-1以上，是夜晚—上午時(shí)段的7 倍，可見午后消光系數(shù)比夜間明顯偏高，這與東部地區(qū)消光系數(shù)日變化分布不同[22-24]。接著，從圖4a 中邊界層高度（白線所示）可見，7—9 日的邊界層高度日變化規(guī)律不明顯，但是3 d內(nèi)白天的邊界層高度經(jīng)常低于夜晚，這與多數(shù)地區(qū)白天邊界層高度普遍高于夜間[25-27]迥異。7—9 日平均邊界層高度為433 m，整體邊界層高度都較低，較低的邊界層高度為污染物在近地面積累提供了條件。再者，地面污染最嚴(yán)重時(shí)段如8 日午后PM2.5濃度最高（圖3），而邊界層消光系數(shù)最大時(shí)段出現(xiàn)在7日午后，這兩者不匹配。原因有兩方面：一方面市區(qū)地形復(fù)雜，邊界層氣象場(chǎng)如風(fēng)場(chǎng)等分布規(guī)律復(fù)雜[4]，全市逐時(shí)平均污染物濃度與一個(gè)站點(diǎn)的污染濃度/消光系數(shù)存在差別；另外一方面，地面污染物濃度只反映了近地層狀況，而激光雷達(dá)反映了整個(gè)邊界層氣溶膠的分布特征。圖4b 給出了3 月7—9 日退偏比值隨高度的分布情況，可以看出在邊界層內(nèi)氣溶膠的退偏比隨著高度的增加具有明顯的分層現(xiàn)象，且在污染較為嚴(yán)重的階段，其退偏比都很小（＜5%），如 7 日 0：00—23：00、8 日 13：00— 9 日 1：00、9 日14：00—21：00 時(shí)間段，這種分布特征和邊界層內(nèi)的溫濕結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖 3 2017 年3 月5—12 日烏魯木齊市PM 2.5 濃度、能見度、相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化

圖4 2017 年3 月7—9 日烏魯木齊激光雷達(dá)反演的氣溶膠光學(xué)特性演變（a 為距離平方修正回波信號(hào)；b 為退偏比；c 為消光系數(shù)）

4 氣象要素的影響

4.1 風(fēng)場(chǎng)

4.1.1 地面風(fēng)場(chǎng)

為進(jìn)一步揭示復(fù)雜地形下烏魯木齊重污染過程的氣象成因，圖5 給出了3 月5—12 日烏魯木齊農(nóng)科院、鐵路局、監(jiān)測(cè)站、三十一、收費(fèi)所和培訓(xùn)基地6個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站的PM2.5濃度隨時(shí)間變化以及安寧渠、高新區(qū)、烏魯木齊站、烏拉泊水西溝5 個(gè)地面加密氣象站的風(fēng)場(chǎng)狀況。由圖5a 可見，此次污染過程中5個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站（培訓(xùn)基地除外）的PM2.5濃度變化與圖3 大體一致，即從3 月5 日開始PM2.5濃度逐漸升高，在8 日濃度達(dá)到最高，并持續(xù)到10 日凌晨，此后PM2.5濃度開始下降，進(jìn)入消亡階段。但是不同之處也很顯著，每個(gè)站點(diǎn)PM2.5逐時(shí)濃度表現(xiàn)出較明顯的日變化規(guī)律。7 d 內(nèi)市區(qū)北部的安寧渠氣象站白天率先出現(xiàn) PM2.5濃度峰值，約在 12：00—14：00；市區(qū)鐵路局和監(jiān)測(cè)站滯后 1 h 出現(xiàn)，約在 13：00—15：00；三十一中峰值則多在15：00—16：00；南部市區(qū)收費(fèi)所PM2.5濃度峰值或者同步或落后于三十一中1 h；山前的培訓(xùn)基地則在18：00—22：00 出現(xiàn)全天PM2.5的最大值，明顯與市區(qū)站點(diǎn)步調(diào)不一致。

圖5 2017 年3 月5—12 日烏魯木齊市區(qū)及周邊6站PM2.5 逐時(shí)濃度及5 站風(fēng)場(chǎng)變化

風(fēng)向決定污染物傳輸?shù)姆较颍L(fēng)速的大小決定一個(gè)地區(qū)對(duì)污染物水平稀釋擴(kuò)散能力的大小[28]。由圖5b 可知，在此次重污染過程中，烏魯木齊從北往南各站風(fēng)速大小不同，整個(gè)過程中平均風(fēng)速大小排序依次是烏拉泊（2.3 m/s）>水西溝（1.7 m/s）>烏魯木齊站（1.4 m/s）>安寧渠（0.8 m/s）>高新區(qū)（0.7 m/s）。5 個(gè)氣象站的小風(fēng)頻率（風(fēng)速<2 m/s）分別是烏拉泊（48%）<水西溝（67%）<烏魯木齊站（81%）<安寧渠（99%）<高新區(qū)（100%）。烏拉泊氣象站地處中天山峽谷北端，山口風(fēng)導(dǎo)致此地風(fēng)速相對(duì)其它站點(diǎn)偏大，最大風(fēng)速可達(dá)6.0 m/s；水西溝海拔1600 m 左右，地勢(shì)高，受高空風(fēng)影響很大，因此風(fēng)速也較大；高新區(qū)在市中心，周邊高樓林立，受城市建筑物的阻擋，在整個(gè)污染過程中風(fēng)速不超 1 m/s；安寧渠是5 個(gè)站點(diǎn)中海拔最低處的站（565 m），盆地底部由于逆溫導(dǎo)致下層空氣與盆地上層氣團(tuán)隔離，由此風(fēng)速也很小。較小的風(fēng)速不利于污染物的擴(kuò)散，是重污染產(chǎn)生的主要因素之一。其次，烏魯木齊背靠大山，四季都盛行山谷風(fēng)。從高新區(qū)—水西溝（圖5c）夜間以山風(fēng)（偏南風(fēng)）為主，白天以谷風(fēng)（偏北風(fēng)）為主，高新區(qū)、烏魯木齊站的谷風(fēng)明顯強(qiáng)于山風(fēng)。烏拉泊氣象站代表的峽谷北端歷來是預(yù)報(bào)員們監(jiān)測(cè)天山北坡焚風(fēng)（東南風(fēng)）發(fā)生與否的標(biāo)志性站點(diǎn)。圖5d 顯示，在地面蒙古高壓的控制之下，此次重污染過程中烏拉泊氣象站以偏北風(fēng)為主，偶爾出現(xiàn)偏南風(fēng)則代表焚風(fēng)。結(jié)合 5 個(gè)站的溫度序列，4 日夜間、6 日夜間、7 日夜間都發(fā)生了焚風(fēng)。

近幾年，烏魯木齊將城南的污染企業(yè)搬遷或關(guān)停，使得重工業(yè)區(qū)主要位于北部城區(qū)。結(jié)合城市的山谷風(fēng)規(guī)律，由于白天以谷風(fēng)為主，且冬末谷風(fēng)出現(xiàn)在12：00 左右[29]，安寧渠在城北，與重工業(yè)區(qū)距離最近，白天PM2.5首先出現(xiàn)峰值；隨著谷風(fēng)的發(fā)展，偏北風(fēng)逐步向城市南部傳輸，污染物也隨之南遷，因此才出現(xiàn)了PM2.5峰值在城市由北往南依次出現(xiàn)的規(guī)律。水西溝以農(nóng)牧業(yè)為主，人為污染排放源極少，因此只有城區(qū)而來的谷風(fēng)（偏北風(fēng)）在傍晚時(shí)分到達(dá)水西溝時(shí)，隨之而來的污染物才導(dǎo)致水西溝PM2.5出現(xiàn)峰值。夜晚，山風(fēng)接替了谷風(fēng)，隨后水西溝、烏拉泊風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，水西溝培訓(xùn)基地站點(diǎn)附近殘留的污染物開始向城市輸送，PM2.5濃度下降，其他5 站的PM2.5濃度保持在一定高值并穩(wěn)步上升。

4.1.2 高空風(fēng)場(chǎng)

本文中使用的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)來源于CFL-03 型風(fēng)廓線雷達(dá)，校驗(yàn)結(jié)果表明反演數(shù)據(jù)與常規(guī)探空有著較好的一致性[30]。從高空風(fēng)場(chǎng)分布可以了解污染物在水平和垂直方向上的傳輸條件。圖6 是3 月5—12 日2500 m 以下烏魯木齊的垂直風(fēng)場(chǎng)演變圖。可見 4 日 21：00—8 日 14：00，高空風(fēng)場(chǎng)具有很明顯的分層現(xiàn)象，分界線在720 m 附近。720 m 以上高空主導(dǎo)風(fēng)晝夜都為東南風(fēng)（圖6b），且最大風(fēng)速值出現(xiàn)在1620 m 附近，這就是冬季經(jīng)常出現(xiàn)在烏魯木齊上空的低空型焚風(fēng)[5]。與此同時(shí)，720 m 以下烏魯木齊風(fēng)向不定，風(fēng)速較小（< 2 m/s），200 m 以下風(fēng)速幾乎為零。這個(gè)階段大氣層結(jié)非常穩(wěn)定，低空風(fēng)場(chǎng)條件不利于污染物的擴(kuò)散。8 日17：00 是此次污染過程中市區(qū)PM2.5濃度出現(xiàn)最高值的時(shí)刻，也是低空型焚風(fēng)氣流逐步被冷空氣抬升到2000 m 以上開始的時(shí)刻。8日14：00—12 日20：00，垂直風(fēng)場(chǎng)不再維持分層現(xiàn)象。從地面至2500 m，以偏北風(fēng)為主，600 m 以上風(fēng)速最大可達(dá)5 m/s，而在600 m 以下的西風(fēng)或西北風(fēng)風(fēng)速大多<2 m/s。此外，7—9 日 14：00 前后 480 m以下幾乎為正北風(fēng)，這就是市區(qū)的谷風(fēng)氣流。5—12日，烏魯木齊上空900 m 以下垂直速度為0（圖6a），說明無對(duì)流運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步說明烏魯木齊氣象站附近每天下午邊界層內(nèi)污染物濃度的升高是由于市區(qū)北部工業(yè)區(qū)排放的污染物水平輸送而來的。從垂直風(fēng)速分布來看（圖 6b），7 日 17：00—8 日 10：00，1000~1500 m 有弱的上升運(yùn)動(dòng)，激光雷達(dá)探測(cè)的7 日17：00—8 日 10：00，在 600～1200 m 的污染氣團(tuán)（圖4c），很可能是空氣上升運(yùn)動(dòng)將近地面的污染物向上輸送導(dǎo)致的，需要進(jìn)一步分析。

張人文等[31]認(rèn)為，區(qū)域平均風(fēng)速＜1.8 m/s 時(shí)，區(qū)域空氣污染嚴(yán)重；風(fēng)速介于1.8～2.6 m/s 時(shí)，上游污染物排放量較大的地區(qū)污染輸送可能會(huì)導(dǎo)致下游污染物排放量及較小的地區(qū)出現(xiàn)空氣污染。由本文上述分析可知，在此次污染過程中烏魯木齊邊界層內(nèi)無論地面還是600 m 以下的低空，多數(shù)時(shí)間風(fēng)速<2 m/s，邊界層內(nèi)的小風(fēng)為局域大氣污染的形成提供了條件。

圖6 高空風(fēng)場(chǎng)分布

4.2 邊界層溫濕結(jié)構(gòu)特征

圖7 顯示了烏魯木齊2017 年3 月5—12 日由常規(guī)探空數(shù)據(jù)計(jì)算得到的每日 8：00、20：00 位溫[32]、相對(duì)濕度廓線。等位溫廓線很好地對(duì)應(yīng)著混合層的高度[28]。圖7 中每日的位溫廓線說明冬末這次重污染過程中市區(qū)的低空一直存在混合層，多數(shù)時(shí)間20：00 的混合層高度高于8：00 的高度。在發(fā)展期5—7 日，混合層高度逐步下降。5 日烏魯木齊混合層高度為 600～900 m，6 日則降到 500 m 左右；在重污染階段7—10 日，混合層高度在8：00 前后較低，為200～300 m，20：00 前后為當(dāng)?shù)厝章浜?1 h 左右，因此混合層高度比早上8：00 高，但多數(shù)時(shí)間也僅僅維持在 300 m 上下；10 日 19：00 以后，隨著冷空氣入侵烏魯木齊地區(qū)，擾動(dòng)造成混合層高度逐步抬升，可見 10—12 日晚間 20：00 時(shí)可以達(dá)到 500 m 左右，早上8：00 則在300 m 上下。由此可見，此次重污染過程中混合層高度的變化與每日PM2.5濃度的起伏也存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明烏魯木齊垂直方向上的擴(kuò)散能力主導(dǎo)了整個(gè)市區(qū)污染物濃度的變化。結(jié)合高空風(fēng)場(chǎng)（圖6b）可見，5—8 日焚風(fēng)維持的階段正是烏魯木齊混合層厚度逐步下降的階段，再次說明低空型焚風(fēng)對(duì)于烏魯木齊大氣穩(wěn)定度和垂直擴(kuò)散能力存在很大影響。

圖7 還反映出冬末烏魯木齊上空相對(duì)濕度一直較高，在混合層內(nèi)相對(duì)濕度基本保持在80%以上。混合層內(nèi)較高的相對(duì)濕度有利于氣溶膠不斷吸濕增長(zhǎng)成大的顆粒，有利于近地面氣溶膠的氣粒轉(zhuǎn)化，污染物濃度不斷增加。此外氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)使得氣溶膠顆粒呈現(xiàn)球形，其退偏比變小。提取退偏比≤5%的高度最大值，將獲取的此高度值與氣象常規(guī)探空獲得的逆濕層頂高度進(jìn)行對(duì)比，得到圖8 所示關(guān)系。由圖8 可知二者存在正相關(guān)關(guān)系，表明逆濕結(jié)構(gòu)對(duì)此污染過程有一定貢獻(xiàn)，是造成此次污染過程中近地面退偏比較小的原因。

圖7 烏魯木齊2017 年3 月5—12 日的大氣位溫、相對(duì)濕度廓線

圖8 逆濕層頂高度和退偏比≤5%的頂高變化關(guān)系

5 結(jié)論與討論

基于米散射激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)、常規(guī)探空數(shù)據(jù)等分析了烏魯木齊地區(qū)發(fā)生的一次重污染過程中PM2.5濃度、能見度、濕度及風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系，研究了污染物的垂直分布特征及光學(xué)特性，并初步分析了形成此特性的原因。得到如下結(jié)論：

（1）從環(huán)流背景上來看，在此次污染過程中烏魯木齊上空主要受高壓脊控制，盡管有冷空氣擾動(dòng)，但冷空氣勢(shì)力都較弱，導(dǎo)致本次污染過程歷經(jīng)8 d 才消亡。

（2）在此次污染過程中，PM2.5濃度最高可達(dá)364 μg/m3，相對(duì)濕度基本保持在75%以上；PM2.5濃度高和相對(duì)濕度大造成了此次污染過程期間能見度較低。

（3）根據(jù)激光雷達(dá)探測(cè)的污染物垂直分布特征，得到此次污染過程中污染物主要集中在600 m 以下。午后邊界層內(nèi)的消光系數(shù)明顯高于夜間，此外，大氣邊界層高度也沒有明顯的日變化特征，7—9 日白天的邊界層高度經(jīng)常低于夜晚，這與多數(shù)地區(qū)的消光系數(shù)、邊界層高度的分布規(guī)律不同。

（4）從風(fēng)廓線雷達(dá)結(jié)果得到烏魯木齊站附近500 m 高度以下水平風(fēng)速普遍低于2 m/s；從北到南地面5 個(gè)加密氣象站的小風(fēng)頻率依次為99%、100%、81%、48%和67%。在市中心高新區(qū)附近受城市建筑物的阻擋，整個(gè)污染過程中平均風(fēng)速僅為0.66 m/s；靠近峽口的烏拉泊風(fēng)速最大，平均風(fēng)速達(dá)到2.3 m/s，此次污染過程中邊界層內(nèi)的小風(fēng)分布為局域污染的形成提供了條件。

（5）混合層高度降低是形成此次重污染的重要原因。低的混合層高度使得污染物逐漸向地面累積，近地面污染物濃度逐漸升高。根據(jù)濕度廓線可知，此次污染過程中，近地面存在高濕層，有利于氣溶膠顆粒物的吸濕增長(zhǎng)，加劇了此次重污染的形成。同時(shí)粒子的吸濕效應(yīng)使得粒子呈現(xiàn)球形增長(zhǎng)，這也是激光雷達(dá)探測(cè)的退偏比在近地面比高空偏小的原因。

激光雷達(dá)設(shè)備是了解污染物垂直分布特征和傳輸特性的有效工具，可彌補(bǔ)常規(guī)探測(cè)儀器的不足，本文引入激光雷達(dá)并結(jié)合常規(guī)氣象探測(cè)設(shè)備，有助于準(zhǔn)確了解烏魯木齊發(fā)生重污染過程的成因和提高烏魯木齊重污染天氣預(yù)警及空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。后期可結(jié)合氣溶膠質(zhì)譜儀等進(jìn)一步研究烏魯木齊氣溶膠的理化特性，了解該地區(qū)的污染成因。