一次重污染天氣過程的監(jiān)測分析

金淑博，陳 瑋，張慶雷，俞豁然

莘縣氣象局，山東莘縣 252400

氣象、生態(tài)環(huán)境2個部門均圍繞大氣環(huán)境監(jiān)測新建了諸如PM2.5、PM10微觀站、氣溶膠站、激光雷達(dá)、超級站等大氣環(huán)境綜合觀測設(shè)施，同時新資料的應(yīng)用在初期的中小尺度大氣環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用[1-3]。然而，隨著生態(tài)城市建設(shè)和“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的深入推進(jìn)，新資料與傳統(tǒng)觀測資料、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計等的融合與跨部門數(shù)據(jù)的整合成為新時代大氣環(huán)境建設(shè)的趨勢，將來自多方面的空基、天基、地基等多維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，這種新型大數(shù)據(jù)庫是大氣環(huán)境治理向科學(xué)、智慧不斷深化的關(guān)鍵所在，已有多地引入激光雷達(dá)等監(jiān)測手段，并開展本地研究[4-7]。以京津冀污染物傳輸通道城市之一的聊城市為例，通過建立氣溶膠激光雷達(dá)、地面空氣站等環(huán)境氣象大數(shù)據(jù)融合平臺為切入點，從而形成重污染天氣在形成機(jī)理、污染物擴(kuò)散、重污染天氣潛勢預(yù)報等科學(xué)合理的支撐體系，為地方政府在正確啟動重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)和采取應(yīng)急舉措后取得的效果評定方面起到后臺分析與支撐作用[8]。

1 資料與方法

天氣形勢場資料來自MICAPS，能見度、空氣質(zhì)量資料來自山東省災(zāi)害性天氣監(jiān)測平臺，激光雷達(dá)資料來自聊城周公河激光雷達(dá)站。采用高空天氣形勢場分析法、對比分析法。

2 結(jié)果與分析

2018年11月下旬，魯西北西部的聊城市持續(xù)受到一次近地面弱氣壓場控制的重污染天氣影響。期間，20—22日為弱冷空氣影響過程，20日08:00，500 hPa山東西部上空受偏西氣流影響，新疆東部的低壓槽引導(dǎo)冷空氣將自西向東影響我國中東部地區(qū)，高原槽位于四川中部，未來發(fā)展東移；低層受弱的高壓暖脊控制。20日上午，魯西北地區(qū)能見度狀況較差，部分地區(qū)有輕度霾，局地中度霾。20日20:00，高空低槽東移至河套地區(qū)上空，南部高原槽東移至河南、湖北中部，魯西北地區(qū)位于高空槽前，受偏西南氣流控制；低層切變壓至山東西部上空。受冷空氣影響，20日白天，偏北風(fēng)逐漸推進(jìn)影響華北地區(qū)，地面偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，20:00魯西北地區(qū)大部轉(zhuǎn)受偏北風(fēng)控制。受該股冷空氣影響，霾自北向南減弱、消散。

21日08:00，魯西北地區(qū)位于500 hPa高空低槽底前部，白天出現(xiàn)局地弱降水，中低層開始轉(zhuǎn)受西北氣流影響，地面完全轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，風(fēng)力不大。21日早上魯西北多地出現(xiàn)輕霧。隨著低槽東移，21日20:00高空三層全部轉(zhuǎn)為西北氣流。冷鋒過后，海平面氣壓梯度變小，等壓線稀疏，21日20:00魯西北近地面轉(zhuǎn)受偏南風(fēng)，能見度變差，21日21:00山東省內(nèi)開始出現(xiàn)大霧，至22日早上全省能見度低于50 m的有9站、低于200 m的有6站、低于500 m的有5站、低于1 000 m的有4站，此時空氣質(zhì)量尚好，以霧為主，山東省22日07:00全省能見度、空氣質(zhì)量分布見圖1。

圖1 山東省22日07:00全省能見度（a）、空氣質(zhì)量（b）的空間分布

此次過程，21日08:00 500 hPa高空低槽壓至山東省西部上空，22日08:00東移南壓至魯東及其以南地區(qū)上空。地面冷鋒過境后，近地面轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，21日夜間至22日上午魯西北地區(qū)多地出現(xiàn)大霧天氣。

根據(jù)21—22日聊城站能見度變化與聊城上空單站點激光雷達(dá)圖（圖2），聊城上空單站點激光雷達(dá)圖可與相應(yīng)時段能見度變化相符合，也可以借此區(qū)分開霧與霾的出現(xiàn)時段，21日入夜后，聊城由霾轉(zhuǎn)霧。

圖2 21—22日聊城站能見度變化（a）與聊城（周公河站）激光雷達(dá)垂直觀測圖（b）

22—23日08:00，500 hPa有 一 東 移發(fā)展的小低槽，有小股弱冷空氣影響魯西北地區(qū)，700 hPa低槽位于河套地區(qū)東部，850 hPa在河北中部至山西上空風(fēng)場形成閉合低值系統(tǒng)環(huán)流，魯西北處于低值系統(tǒng)環(huán)流前部。地面風(fēng)場來看，23日08:00，在冀東南至魯西北范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的風(fēng)向輻合，但風(fēng)力較弱，有輕霧，且維持時間長，向南推進(jìn)慢，魯西北地區(qū)有輕度到中度的污染。直至23日20:00，魯西北轉(zhuǎn)為弱北風(fēng)控制，500 hPa、700 hPa轉(zhuǎn)為低槽槽后，850 hPa魯西北地區(qū)剛好位于槽底，聊城部分地區(qū)出現(xiàn)零星降水。

此次弱冷空氣與近地面偏南風(fēng)相持，使得23日夜間魯西北地區(qū)污染程度又加重。由圖3可見，23日下午聊城地區(qū)能見度尚可，而激光雷達(dá)圖顯示污染物已經(jīng)開始有一定堆積，23日夜間至24日上午污染嚴(yán)重。

圖3 22—23日聊城站能見度變化（a）、聊城（周公河站）激光雷達(dá)垂直觀測圖（b.22日20:00～23日20:00；c.23日20:00～24日20:00）

24日早上，魯西北部分地區(qū)出現(xiàn)大霧，07:00山東省全省站點能見度都高于500 m，低于1 000 m的有6站，大部分站點以輕霧或霾為主，在17個地（市）中重度污染2個（聊城、菏澤）、中度污染10個、輕度污染3個，主要污染物PM2.5。山東省24日07:00全省能見度、空氣質(zhì)量的空間分布見圖4。

圖4 山東省24日07:00全省能見度（a）、空氣質(zhì)量（b）的空間分布

24日下午開始，地面由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，近地的風(fēng)向輻合作用消失，污染有一定程度減輕。

結(jié)合高空形勢與激光雷達(dá)資料（圖5、圖6），24日夜間，500 hPa河北、湖南一線有低槽存在，魯西北地區(qū)位于該低槽槽前，后部為大范圍偏西氣流，中低層切邊相較高空低槽位置略偏南。整體濕度條件較差，邊界層存在逆溫，有利于出現(xiàn)霧霾天氣。隨著冷空氣推進(jìn)，25日下午，魯西北部分地區(qū)空氣質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)。25日20:00，500 hPa低槽發(fā)展東移，魯西北地區(qū)底層西南氣流有所發(fā)展，夜間濕度增加，污染加劇，又轉(zhuǎn)入重度污染。

圖5 24日20:00形勢圖疊加25日早晨衛(wèi)星云圖

圖6 24日20:00～25日20:00（a）、25日20:00～26日20:00（b）聊城（周公河站）激光雷達(dá)垂直觀測圖

26日08:00，低槽過境轉(zhuǎn)為槽后西北氣流控制，850 hPa西南氣流明顯，濕度增大，霧、霾共存。26日早晨魯西北、魯西南和魯中部分地區(qū)出現(xiàn)大霧，全省13個站能見度低于50 m；17地市中6個重度污染、3個中度污染、7個輕度污染，主要污染物PM2.5，魯西北地區(qū)重度污染，午后有所緩解。山東省26日07:00全省能見度、空氣質(zhì)量分布見圖7。

圖7 山東省26日07:00全省能見度（a）、空氣質(zhì)量（b）的空間分布

26日20:00～27日08:00，南部偏西氣流中多波動，27日08:00沿四川省東南部有一南支槽，魯西北地區(qū)恰處在北部低壓槽槽底偏西氣流與南支槽槽前西南氣流交匯處。

近地面，魯西北與冀東南范圍內(nèi)地面風(fēng)場有明顯風(fēng)向輻合（南、北風(fēng)），風(fēng)力較弱，造成污染物的擴(kuò)散條件較差，26日20:00，輻合線恰處在兩省交界處，26日夜間污染再度加重。

結(jié)合PM2.5濃度變化（圖8），隨著地面冷高壓逐漸東移，27日早晨起，魯西北從高壓前側(cè)偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為高壓底前東北風(fēng)，魯西北地區(qū)背臨太行山脈，東北風(fēng)在一定時間內(nèi)造成污染物堆積，魯西北地區(qū)污染濃度27日呈先增后減狀態(tài)。與前期染濃度先開始加重不同，27日早晨開始的污染由東北風(fēng)上風(fēng)的沿海地區(qū)開始加重，PM10的濃度有明顯增加，甚至超過PM2.5成為主要污染物，此時PM10與PM2.5濃度都非常高，魯西北地區(qū)一度出現(xiàn)嚴(yán)重污染，并持續(xù)。直至27日下午，魯西北地區(qū)自東北向西南污染才逐漸減輕。

該次長時間的污染過程中，存在一個明顯特征，即當(dāng)弱冷空氣南下造成近地表南北風(fēng)向拉鋸時，往往無法有效改善空氣質(zhì)量，反而使得局地的污染程度加重。另一明顯的特征就是：在受一定污染影響，且天氣系統(tǒng)影響相對較弱的情況下，有明顯日變化。空氣質(zhì)量較好時段（22—23日）與污染較嚴(yán)重的時段（24—26日）都有所體現(xiàn)，午后有所減輕，入夜則又開始加重，加重過程大致為自西向東、由內(nèi)陸至沿海的趨勢。27日白天受明顯東北風(fēng)影響情況時，此種日變化便體現(xiàn)不出來了。22—23日、23—24日聊城周公河站點激光雷達(dá)圖，可很好地表征這一現(xiàn)象。通過這次持續(xù)的重污染天氣過程，氣溶膠激光雷達(dá)在污染物濃度時空分布變化曲線觀測參數(shù)與地面PM2.5實際觀測值的變化情況較為一致，較好地反映了此次重污染天氣過程由輕度轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟戎敝梁笃诔掷m(xù)發(fā)展的完整過程。

3 結(jié)束語

該次重污染過程發(fā)生近地面受弱氣壓場控制，大氣層結(jié)相對穩(wěn)定，不利于污染物擴(kuò)散，污染物累積速度快、污染物濃度峰值高。氣象觀測資料和激光雷達(dá)監(jiān)測結(jié)合分析，當(dāng)弱冷空氣南下造成近地表南北風(fēng)向拉鋸時，往往無法有效改善空氣質(zhì)量，反而使得局地的污染程度加重；在受一定污染影響，且天氣系統(tǒng)影響相對較弱的情況下，有明顯日變化，午后有所減輕，入夜加重，魯西北加重過程大致為自西向東、由內(nèi)陸至沿海的趨勢，當(dāng)擴(kuò)散條件明顯改善時，此日變化不再明顯。

圖8 11月24—28日聊城（周公河站）離子色譜與PM2.5濃度值變化

重污染天氣形成的原因相對較為復(fù)雜，靜穩(wěn)天氣背景條件是觸發(fā)重污染天氣形成的基本誘因，污染物排放在一定溫濕條件下形成的化合反應(yīng)、區(qū)域間傳送等多重因素，導(dǎo)致該區(qū)域污染源排查和重污染天氣成因分析的難度相對較大。