四川盆地冷鋒特征及其對(duì)逆溫和大氣污染的影響

李 媛, 馮鑫媛, 馬冰霞, 王式功

(成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610225)

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大氣污染問題得到了越來越廣泛的關(guān)注。四川盆地人口稠密,工業(yè)發(fā)展迅速,加之特殊的地理位置和地形,使其上空極易產(chǎn)生逆溫,影響污染物的擴(kuò)散[1-3]。隨著近幾年大氣綜合治理力度的加大,氣溶膠的排放得到了一定程度的控制,在此背景下氣象條件對(duì)污染過程發(fā)生發(fā)展的影響程度加大,污染的區(qū)域性傳輸和跨界傳輸?shù)膯栴}引起了廣泛關(guān)注[4]。天氣發(fā)生污染時(shí),氣溶膠主要集中在大氣邊界層內(nèi),然而大氣邊界層會(huì)受到不同尺度天氣系統(tǒng)和近地面氣象要素的共同影響導(dǎo)致污染物的稀釋擴(kuò)散能力不同[5-9]。其中冷鋒過程會(huì)導(dǎo)致污染物的上游輸送和本地累積[10-13]。

天氣過程是影響大氣逆溫和擴(kuò)散傳輸條件的重要外強(qiáng)迫因素,冷鋒天氣過程對(duì)大氣擴(kuò)散能力有較大影響[14-15],從而改變污染物濃度。中國(guó)北方城市冷鋒過境前污染加重,過境時(shí)大風(fēng)和降水使污染物濃度下降,冷鋒過程也會(huì)減輕或消除日間逆溫[16]。程念亮等[17]在對(duì)中國(guó)東部春季一次強(qiáng)冷鋒活動(dòng)的模擬中發(fā)現(xiàn),強(qiáng)冷鋒前后污染物濃度為先升后降又上升,鋒前出現(xiàn)一條高濃度污染帶,冷鋒過境后污染物濃度迅速降低。陳燕玲等[18]研究發(fā)現(xiàn)冷空氣南下由于西北風(fēng)增加和強(qiáng)冷空氣、降水的雙重作用,會(huì)對(duì)污染物有一定的清除。鋒面過境最明顯的特征是氣象要素突變,氣象要素的變化勢(shì)必引起氣象參數(shù)和大氣擴(kuò)散能力的變化,從而引起污染物濃度的變化[19]。Lin 等[20]指出造成亞洲春季污染物輸送的主要機(jī)制:污染物被向東南移動(dòng)的冷鋒鋒面前部抬升,同時(shí)在冷鋒后部的邊界層內(nèi)進(jìn)行傳輸。因此,冷鋒等移動(dòng)的天氣系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)沿其移動(dòng)路徑的空氣質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

冷鋒天氣系統(tǒng)對(duì)顆粒物等污染物的清除作用明顯[21-22]。冷鋒過境前,常常會(huì)出現(xiàn)灰霾,形成逆溫層,氣壓下降,阻礙污染物的擴(kuò)散,使能見度降低,或小部分冷平流先到達(dá),形成區(qū)域性的平流霧,更不利于污染物的擴(kuò)散,加重污染。冷鋒到達(dá)前,空氣中污染物的濃度會(huì)持續(xù)升高,尤其是懸浮顆粒物的濃度,冷空氣到達(dá)后,隨之而來的大風(fēng)和降水使污染物濃度下降,空氣得到改善。冷鋒過境后,大氣中的污染物濃度開始累積[23]。

現(xiàn)階段對(duì)于冷鋒的研究多集中在中國(guó)北方和東部大氣,對(duì)西南地區(qū)冷鋒研究較少,尤其缺乏四川盆地這一復(fù)雜地形地區(qū)冷鋒特征的認(rèn)識(shí)。四川盆地因其背靠青藏高原的特殊地理位置以及獨(dú)特的深盆地形,逆溫和大氣污染過程頻發(fā)。通過對(duì)2015-2019年四川盆地冷鋒特征進(jìn)行研究,分析冷鋒天氣過程對(duì)四川盆地逆溫和污染的影響,以期為進(jìn)一步改善四川盆地大氣環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

氣象數(shù)據(jù)使用2015-2019年中央氣象臺(tái)歷史天氣圖、地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)(包括溫度、露點(diǎn)、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素)和成都市溫江站、達(dá)州市達(dá)川站2 個(gè)高空氣象觀測(cè)站探空觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來自國(guó)家生態(tài)環(huán)境保護(hù)部網(wǎng)站發(fā)布的同期空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)日?qǐng)?bào)和小時(shí)報(bào)以及6 種主要污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO)濃度逐小時(shí)監(jiān)測(cè)資料。

冷鋒的識(shí)別采用歷史天氣圖普查的方法。利用中央氣象臺(tái)1日4 次的天氣分析資料,普查出2015-2019年四川盆地出現(xiàn)的冷鋒天氣過程,篩選出24 小時(shí)降溫≥1 ℃的冷鋒過程。根據(jù)冷鋒的來向以及在四川盆地的移動(dòng)路徑,將冷鋒劃分為西北路徑冷鋒、偏北路徑冷鋒和偏東路徑冷鋒。再根據(jù)代表站的24 小時(shí)降溫幅度將冷鋒分為強(qiáng)冷鋒和一般冷鋒。在此基礎(chǔ)上,分析2015-2019年四川盆地出現(xiàn)的冷鋒的活動(dòng)特征,以及冷鋒對(duì)該地區(qū)逆溫和大氣污染的影響。

2 冷鋒特征分析

2.1 冷鋒路徑

冷鋒是指鋒面移動(dòng)過程中,冷氣團(tuán)起主導(dǎo)作用,推動(dòng)鋒面向暖氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)的天氣過程,且鋒面兩側(cè)有明顯的溫差,冷鋒后通常存在24 小時(shí)負(fù)變溫。2015-2019年四川盆地共計(jì)48 例冷鋒。其中2015-2019年分別出現(xiàn)14 例、11 例、10 例、6 例和7 例冷鋒。由于四川盆地被四周高大山地環(huán)抱和位于青藏高原背風(fēng)坡的地理位置,四川盆地冷鋒的移動(dòng)特征有其獨(dú)特之處。根據(jù)冷鋒的來向、進(jìn)入盆地的位置及其在盆地內(nèi)的移動(dòng)路徑,可將四川盆地冷鋒過程劃分為西北路徑(沿青藏高原東北緣進(jìn)入)、偏北路徑(翻越秦嶺、大巴山進(jìn)入)和偏東路徑(東灌進(jìn)入)(圖1)。西北路徑冷鋒從青藏高原東北緣進(jìn)入四川盆地向東南方向移動(dòng),偏北路徑冷鋒翻越秦嶺、大巴山進(jìn)入四川盆地向南移動(dòng),偏東路徑冷鋒從巫山東北處東灌進(jìn)入四川盆地并向西南方向移動(dòng),其中(圖2)偏北路徑冷鋒最多,占64.6%,西北路徑次之,占20.8%,偏東路徑最少,占14.6%。此外,由于冷空氣進(jìn)入四川盆地時(shí)大多要翻越盆地四周高大山脈,受其阻擋造成四川盆地冷鋒過程有時(shí)存在不連續(xù)性。

圖1 2015-2019年四川盆地冷鋒移動(dòng)路徑圖及示意圖

圖2 2015-2019年不同路徑冷鋒數(shù)量圖

冷鋒的強(qiáng)度可用24 小時(shí)變溫衡量[5],冷鋒強(qiáng)度的確定選取冷鋒過程中24 小時(shí)變溫最大的冷鋒日,為方便統(tǒng)計(jì),統(tǒng)一選取08 時(shí)的變溫進(jìn)行判斷。若該冷鋒過程持續(xù)時(shí)間較短,不包含08 時(shí),則選擇冷鋒過境后的08時(shí)作為代表。根據(jù)冷鋒移動(dòng)路徑和進(jìn)入盆地的位置,選擇四川盆地溫江站、達(dá)川站和沙坪壩站3 站的平均24小時(shí)的降溫幅度作為冷鋒強(qiáng)度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)冷鋒強(qiáng)度的頻率分布(圖3),將四川盆地冷鋒分為強(qiáng)冷鋒(|ΔT24|≥4)和一般冷鋒(1≤|ΔT24|＜4)兩個(gè)等級(jí)。

圖3 2015-2019年四川盆地冷鋒24 小時(shí)變溫的頻率分布圖

2.2 冷鋒強(qiáng)度

研究期間強(qiáng)冷鋒共計(jì)8 次,占16.7%,一般冷鋒共計(jì)40 次,占83.3%。強(qiáng)冷鋒平均24 小時(shí)變壓為5.7 hPa,冷鋒日08 時(shí)平均地面風(fēng)速為1.6 m/s；一般冷鋒平均24 小時(shí)變壓為3.7 hPa,平均地面風(fēng)速為1.5 m/s(表1)。強(qiáng)冷鋒的24 小時(shí)變壓明顯強(qiáng)于一般冷鋒,地面風(fēng)速也較大,表明這種分類方法是可行的。

表1 2015-2019年不同強(qiáng)度、不同季節(jié)、不同路徑冷鋒平均24 小時(shí)變溫、變壓及地面平均風(fēng)速

冷鋒強(qiáng)度存在季節(jié)差異也與其移動(dòng)路徑有關(guān)(表1)。2015-2019年四川盆地出現(xiàn)的冷鋒過程中,秋季冷鋒強(qiáng)度最大,平均24 小時(shí)變溫為-2.7 ℃,其地面平均24 小時(shí)變壓為4.2 hPa,地面平均風(fēng)速為1.5 m/s。其次是春季,平均24 小時(shí)變溫為-2.4 ℃,春季平均24 小時(shí)變壓相對(duì)較大為5.2 hPa,地面風(fēng)速1.6 m/s。夏季和冬季冷鋒強(qiáng)度最小,平均24 小時(shí)變溫均為-2 ℃,且夏季平均24 小時(shí)變壓僅為1.8 hPa。

不同路徑冷鋒平均24 小時(shí)變溫也存在差異,其中,偏北路徑冷鋒最強(qiáng),平均24 小時(shí)變溫為-2.5 ℃,平均24 小時(shí)變壓和08 時(shí)地面風(fēng)速也最大,分別為5.3 hPa、1.6 m/s。其次是西北路徑冷鋒,平均24 小時(shí)變溫為-2.2 ℃,平均24 小時(shí)變壓為1.7 hPa,地面08 時(shí)平均風(fēng)速為1.5 m/s。偏東路徑冷鋒的強(qiáng)度最弱,平均24 小時(shí)變溫為-2 ℃,平均24 小時(shí)變壓和地面平均風(fēng)速也最小,分別為1.5 hPa、1.2 m/s。

2.3 冷鋒活動(dòng)頻數(shù)

四川盆地不同強(qiáng)度的冷鋒存在明顯的月變化(圖4a)。4月、5月和9月冷鋒頻數(shù)高于其他月份,3月最少。強(qiáng)冷鋒過程僅出現(xiàn)在1月、4月、5月、8月、9月和10月,5月和9月最多。一般冷鋒的月變化不如強(qiáng)冷鋒的明顯,各月頻數(shù)相差不大。不同路徑冷鋒(圖4b)中,偏北路徑冷鋒是四川盆地出現(xiàn)頻率最高的冷鋒,除7月外其他月份均有出現(xiàn),其中4月、5月最多。西北路徑冷鋒5月和7月最多。偏東路徑冷鋒僅出現(xiàn)在1月、2月、6月、9月和10月,其中2月和9月最多。

圖4 2015-2019年四川盆地冷鋒頻數(shù)的月變化

四川盆地的冷鋒頻數(shù)存在明顯的季節(jié)變化,春、秋兩季冷鋒最多,夏季最少,不同強(qiáng)度冷鋒季節(jié)變化存在差異(圖5a)。強(qiáng)冷鋒的季節(jié)差異較大,春、秋兩季最多,占強(qiáng)冷鋒總數(shù)的75.0%,夏季和冬季較少,各占12.5%。一般冷鋒頻數(shù)的季節(jié)變化不如強(qiáng)冷鋒明顯。不同路徑冷鋒頻數(shù)的季節(jié)變化存在明顯的差異(圖5b)。其中,偏北路徑冷鋒春季和秋季最多,夏季最少；而西北路徑冷鋒夏季最多,冬季最少；偏東路徑冷鋒則是秋、冬季節(jié)最多,春季無偏東路徑冷鋒出現(xiàn)。

圖5 2015-2019年四川盆地冷鋒頻數(shù)的季節(jié)變化

2.4 冷鋒日數(shù)

四川盆地出現(xiàn)的冷鋒過程中,不同冷鋒過程影響四川盆地的持續(xù)時(shí)間(即冷鋒日數(shù))存在差異。2015-2019年的48 次冷鋒過程總計(jì)74 個(gè)冷鋒日。持續(xù)1日和持續(xù)2日的冷鋒過程頻數(shù)相差不大,一個(gè)冷鋒過程包含3 個(gè)冷鋒日的情況僅出現(xiàn)1 次,發(fā)生在2015年冬季,為偏北路徑冷鋒。

從圖6(a)可以看出,不同季節(jié)冷鋒過程中冷鋒日數(shù)存在一定差異。只有1 個(gè)冷鋒日的冷鋒過程在春季和夏季最多。2 個(gè)冷鋒日的冷鋒過程的季節(jié)變化較1個(gè)冷鋒日明顯,秋季明顯多于其他季節(jié),夏季最少。不同季節(jié)的冷鋒過程所包含的冷鋒日數(shù)也有一定的差別,秋季冷鋒過程以持續(xù)2 個(gè)冷鋒日的為主,而夏季則以1 個(gè)冷鋒日為主,春季和冬季1 個(gè)冷鋒日和2 個(gè)冷鋒日的情況各占約一半。不同強(qiáng)度冷鋒過程的冷鋒日數(shù)存在一定差異(圖6b),但差異較小。強(qiáng)冷鋒過程中,1 個(gè)冷鋒日的冷鋒過程略多；而一般冷鋒過程中,2個(gè)冷鋒日的冷鋒過程略多。不同路徑下冷鋒的冷鋒日數(shù)(圖6c)也存在一定差異。其中,西北路徑冷鋒影響時(shí)間較短,1 個(gè)冷鋒日的冷鋒過程較多,約占2/3。而偏北或偏東路徑的冷鋒過程影響時(shí)間較長(zhǎng),2 個(gè)冷鋒日的相對(duì)較多。

圖6 2015-2019年四川盆地不同冷鋒日數(shù)的冷鋒過程數(shù)

3 冷鋒過程對(duì)逆溫的影響

逆溫是指溫度隨高度的增加不變甚至升高的一種現(xiàn)象,反映了大氣層結(jié)的穩(wěn)定程度。冷鋒過程對(duì)大氣擴(kuò)散能力有很大影響,會(huì)對(duì)原有逆溫層造成一定的影響[24]。根據(jù)冷鋒在四川盆地的移動(dòng)路徑和探空站的地理位置選出兩個(gè)探空代表站,其中西北路徑以成都市溫江站為代表,偏北或偏東路徑以達(dá)州市達(dá)川站為代表。在48 次冷鋒過程中,成都市溫江站為代表站的冷鋒過程(西北路徑)共計(jì)10 次,達(dá)州市達(dá)川站為代表站的冷鋒過程(偏北和偏東路徑)共計(jì)38 次。在48 次冷鋒過程中有7 次探空數(shù)據(jù)缺失,均出現(xiàn)在2019年。因此文中分析冷鋒過程對(duì)逆溫和污染物濃度的影響時(shí)使用2015-2018年的冷鋒過程,總計(jì)41 個(gè)冷鋒過程。

3.1 冷鋒過境對(duì)逆溫出現(xiàn)頻數(shù)的影響

冷鋒過境對(duì)四川盆地的逆溫出現(xiàn)頻數(shù)有明顯的影響。逆溫頻數(shù)以該冷鋒過程08 時(shí)和20 時(shí)代表站的垂直探空資料為判斷依據(jù),若代表站在該時(shí)刻出現(xiàn)溫度隨高度的增加不變甚至升高則判定該站有逆溫發(fā)生,從2015-2018年的四川盆地發(fā)生的41 次冷鋒過程可以看出(表2),無論是08 時(shí)還是20 時(shí),冷鋒過境當(dāng)日均使四川盆地的逆溫頻數(shù)減少,在冷鋒過境后,逆溫的數(shù)量再次升高。這與李燕等[25]對(duì)大連春季強(qiáng)對(duì)流雨雪天氣過程的研究類似。從探空觀測(cè)結(jié)果可知,在冷鋒過境前,當(dāng)?shù)厣峡粘霈F(xiàn)逆溫17 ～18 次,而冷鋒位于四川盆地時(shí),當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)逆溫的頻數(shù)減少。冷鋒離開四川盆地后,逆溫頻數(shù)明顯回升,08 時(shí)冷鋒過境后逆溫頻數(shù)甚至高于過境前。

表2 2015-2018年冷鋒過境前后逆溫頻數(shù)的變化

不同路徑冷鋒過境前后逆溫頻數(shù)的變化存在差異(圖7)。08 時(shí)西北路徑冷鋒過境前后,逆溫頻數(shù)持續(xù)增加,偏北路徑冷鋒過境逆溫頻數(shù)先減少再增加。20時(shí)西北路徑冷鋒的逆溫頻數(shù)先減少再增加,而偏北路徑冷鋒過境前后逆溫頻數(shù)持續(xù)降低。不論08 時(shí)還是20 時(shí),偏東路徑冷鋒過境對(duì)逆溫頻數(shù)的影響很小,但過境后逆溫頻數(shù)略有升高。

圖7 四川盆地不同路徑冷鋒過境前后逆溫頻數(shù)的變化

3.2 冷鋒過境前后的逆溫類型

研究表明,四川盆地的逆溫按其底高可分為三類:貼地逆溫(底高≤0 m的逆溫)、脫地逆溫(1000 m≥底高≥0 m的逆溫)、對(duì)流層低層逆溫(5000 m≥底高≥1000 m的逆溫)[26]。不同類型逆溫在冷鋒過境前后的出現(xiàn)頻率及其變化存在明顯差異(表3)。總體而言,脫地逆溫在冷鋒過境時(shí)和過境后,出現(xiàn)頻率持續(xù)降低,20 時(shí)冷鋒過境后脫地逆溫頻率降至0%；而對(duì)于貼地逆溫和對(duì)流層低層逆溫,冷鋒過境后逆溫頻率均有不同程度的升高。此外,冷鋒過程期間,08 時(shí)在3 種類型逆溫中脫地逆溫的出現(xiàn)頻率最高。這與通常情況下四川盆地對(duì)流層低層逆溫頻率最高、貼地逆溫頻率最低[27]的特征存在明顯差異。

表3 2015 ～2018年冷鋒過境前后不同類型逆溫的發(fā)生頻率 單位:%

表3 指出,08 時(shí),冷鋒過境前脫地逆溫頻率較高,約為31.7%,冷鋒日的脫地逆溫和對(duì)流層低層逆溫相差不大且發(fā)生頻率均高于貼地逆溫,冷鋒后對(duì)流層低層逆溫發(fā)生頻率明顯高于其他兩種類型逆溫,貼地逆溫和脫地逆溫發(fā)生頻率相差不大。08 時(shí)的貼地逆溫在冷鋒過境前后發(fā)生頻率先降低后升高,冷鋒過境后貼地逆溫發(fā)生頻率明顯升高由7.3%上升至14.6%；脫地逆溫發(fā)生頻率則為持續(xù)下降,冷鋒過境前約為31.7%,冷鋒過境時(shí)約為24.4%,冷鋒過境后約為17.1%；對(duì)流層低層逆溫發(fā)生頻率與脫地逆溫恰好相反,冷鋒過境使其發(fā)生頻率持續(xù)升高,至冷鋒過境后由過境前的19.5%升高到46.3%,發(fā)生頻率是冷鋒過境前的兩倍多。20 時(shí)冷鋒過境前后對(duì)流層低層逆溫發(fā)生頻率明顯高于貼地逆溫和脫地逆溫,冷鋒過境前后貼地逆溫發(fā)生頻率持續(xù)升高,脫地逆溫發(fā)生頻率持續(xù)下降,至冷鋒過境后已無脫地逆溫出現(xiàn),冷鋒過境前后對(duì)流層低層逆溫發(fā)生頻率則表現(xiàn)為先降低后升高,且冷鋒過境后的發(fā)生頻率低于冷鋒過境前。

四川盆地的多層逆溫是一種并不少見的現(xiàn)象。根據(jù)定義,多層逆溫是指同時(shí)出現(xiàn)貼地逆溫、脫地逆溫和對(duì)流層低層逆溫中的兩類或三類逆溫,而一般逆溫則指僅出現(xiàn)一種類型逆溫[26]。四川盆地冷鋒過境前后一般逆溫的出現(xiàn)頻率高于多層逆溫(圖8)。08 時(shí)一般逆溫出現(xiàn)頻率在冷鋒日未變化、冷鋒過境后升高,而多層逆溫出現(xiàn)頻率在冷鋒日降低、冷鋒過境后又升高。20 時(shí)冷鋒過境前后對(duì)多層逆溫和一般逆溫出現(xiàn)頻率的影響與08 時(shí)多層逆溫類似,出現(xiàn)頻率均為在冷鋒日降低、冷鋒過境后又升高。其中,在冷鋒日多層逆溫的出現(xiàn)頻率均會(huì)降低,表明冷鋒過境對(duì)此時(shí)多層逆溫的減弱和破壞作用顯著。

圖8 冷鋒過境前后一般逆溫和多層逆溫出現(xiàn)頻率的變化

4 冷鋒過程對(duì)AQI 和大氣污染物濃度的影響

為了得到冷鋒過境對(duì)當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量和大氣污染物濃度的影響,選取冷鋒前一日、當(dāng)日和后一日進(jìn)行污染物濃度進(jìn)行對(duì)比。AQI 和污染物濃度變化可分為3 種類型:直接降低型、先升高再降低型和升高型。多數(shù)情況下,冷鋒過境會(huì)使AQI 和污染物濃度降低,表現(xiàn)為直接降低或先升高后降低,但仍有少數(shù)情況下污染物濃度會(huì)呈現(xiàn)升高的情況。

4.1 冷鋒過境前后AQI 及6 種污染物濃度的變化

冷鋒過境對(duì)AQI 和不同污染物的影響存在差異。總體而言,對(duì)顆粒物(PM2.5和PM10)的影響高于氣態(tài)污染物,以清除作用為主,而對(duì)O3濃度的影響與其他污染物相反(圖9),冷鋒過境可能會(huì)造成O3濃度增加。冷鋒前AQI 平均值為77.2,冷鋒過境當(dāng)日AQI 下降23.7%,至冷鋒過境后有所回升,但均值仍低于冷鋒過境前,相較冷鋒過境前降低10.1%；冷鋒過境前PM2.5濃度為52.9 μg/m3,冷鋒到達(dá)四川盆地PM2.5濃度明顯降低,下降35.9%,至冷鋒過境后PM2.5濃度上升至43.3 μg/m3,低于冷鋒過境前PM2.5濃度,濃度降低18.1%；PM10濃度冷鋒過境前為79.2 μg/m3,冷鋒過境時(shí)濃度下降28.3%,降為56.8 μg/m3,冷鋒過境后濃度上升至70.7 μg/m3,較冷鋒過境前濃度下降10.7%；冷鋒過境SO2濃度也表現(xiàn)為先降低后升高,至冷鋒日SO2濃度下降11.2%,冷鋒過境后SO2濃度相較冷鋒過境前有些許降低,濃度下降1.7%；NO2濃度冷鋒過境前為38.8 μg/m3,至冷鋒日濃度變?yōu)?1.3 μg/m3,濃度下降19.3%,冷鋒后濃度變?yōu)?5.5 μg/m3,較冷鋒過境前濃度下降8.5%；CO 濃度冷鋒過境前為0.98 mg/m3,至冷鋒日濃度為0.79 mg/m3,濃度下降19.4%,冷鋒過境后CO 濃度為0.82 mg/m3,較冷鋒過境前下降16.3%；O3濃度變化相較其他污染物明顯不同,冷鋒過境前O3濃度為47.7 μg/m3,至冷鋒日O3濃度變?yōu)?3.5 μg/m3,O3濃度上升12.1%,冷鋒過境后O3濃度變?yōu)?0.6 μg/m3,相比冷鋒過境前濃度上升6.1%。從污染物的濃度變化可以看出冷鋒過境對(duì)顆粒物的清除效果更為明顯,O3濃度變化與其他污染物濃度變化相差較大,冷鋒過境O3濃度不降反增。

圖9 冷鋒過境前后AQI 和污染物濃度平均值

4.2 冷鋒移動(dòng)路徑對(duì)污染物濃度的影響

冷鋒日AQI 及6 種污染物濃度相對(duì)前一日的變化率如表4 所示。不同路徑冷鋒的影響存在差異,整體來看,除O3外,西北路徑冷鋒對(duì)四川盆地污染物的清除作用優(yōu)于其他兩種。其中西北路徑冷鋒日AQI、PM2.5、PM10和SO2濃度下降率明顯高于其他兩種路徑,尤其是顆粒物的濃度下降率明顯高于其他污染物,其中PM2.5濃度下降率高達(dá)49.4%。偏東路徑冷鋒日SO2濃度下降率為負(fù)值,即冷鋒過境使其濃度不降反而小幅上升。對(duì)于NO2濃度和CO 而言,西北路徑和偏北路徑冷鋒引起的濃度下降率相差不大,但都大于偏東路徑的濃度下降率。對(duì)于O3濃度,不同路徑冷鋒的影響差異較大,西北路徑冷鋒的濃度下降率為正值,即冷鋒過境O3濃度降低,而偏北路徑為較大的負(fù)值,即偏北路徑冷鋒過境造成臭氧濃度反而明顯上升,原因有待進(jìn)一步研究。

表4 2015-2018年不同路徑冷鋒日AQI 及6 種污染物濃度下降率 單位:%

冷鋒后AQI 及6 種污染物濃度相對(duì)冷鋒日的變化率如表5。整體而言,偏北路徑冷鋒對(duì)污染物的清除作用可持續(xù)到冷鋒過境后,使污染物濃度持續(xù)降低；西北路徑和偏東路徑冷鋒過境后,污染物濃度繼續(xù)小幅下降或有所回升。其中,冷鋒過境后偏北路徑中AQI、PM2.5、PM10和SO2濃度變化率明顯高于其他路徑,這可能與偏北路徑冷鋒過程的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、冷鋒強(qiáng)度也較強(qiáng)有關(guān)。不同路徑冷鋒過境后AQI 變化率存在一定的差異,偏北路徑在冷鋒過境后AQI 指數(shù)仍有明顯的下降,而在西北路徑和偏東路徑中AQI 指數(shù)較冷鋒過境前有些許升高；冷鋒過境后西北路徑和偏北路徑PM2.5濃度較冷鋒過境前仍有較大的降低,PM2.5濃度變化率分別為11.3%和27.4%,冷鋒過境后偏東路徑冷鋒過程使當(dāng)?shù)豍M2.5濃度升高；冷鋒過境后不同路徑PM10濃度變化率有些許不同,但均為正值,冷鋒過境當(dāng)?shù)豍M10濃度持續(xù)下降,偏北路徑作用更為明顯,不同路徑對(duì)PM10濃度的影響中偏北路徑的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)；從不同路徑冷鋒對(duì)SO2濃度影響來看,偏北路徑冷鋒過境后SO2濃度持續(xù)下降,西北路徑中SO2濃度變化率為-1.2%,相較冷鋒過境前濃度有些許升高,偏東路徑中SO2濃度至冷鋒過境后有明顯的升高,冷鋒過境后 SO2濃度由10.3 μg/m3上升至13.2 μg/m3；冷鋒過境后不同路徑的NO2濃度和CO濃度變化類似,偏北和偏東路徑的冷鋒過程至冷鋒過境后NO2濃度和CO 濃度有較為明顯的持續(xù)降低,西北路徑中NO2濃度較冷鋒過境前有些許上升,CO 濃度持續(xù)下降但不明顯,濃度變化率僅為2.6%；不同路徑冷鋒過程對(duì)O3濃度的影響與其他污染物有較大的差別,偏北路徑和偏東路徑冷鋒過程至冷鋒過境后O3濃度均有較為明顯的升高,偏北路徑O3平均濃度由42.0 μg/m3上升至46.5 μg/m3,偏東路徑O3平均濃度冷鋒過境前為37.2 μg/m3, 至冷鋒日變?yōu)?3.9 μg/m3,至冷鋒后平均濃度變?yōu)?1.8 μg/m3,而西北路徑則為O3平均濃度持續(xù)下降的趨勢(shì)。

表5 2015-2018年不同路徑冷鋒至冷鋒后AQI 及6 種污染物濃度變化率 單位:%

4.3 冷鋒強(qiáng)度對(duì)污染物濃度的影響

冷鋒強(qiáng)度對(duì)AQI 及6 種污染物濃度的影響也存在差異(表6)。總體而言,無論是冷鋒日還是冷鋒過境后,強(qiáng)冷鋒過程對(duì)AQI 及6 種污染物濃度的影響均高于一般冷鋒,表現(xiàn)出明顯更強(qiáng)的清除作用。此外,無論強(qiáng)冷鋒過程還是一般冷鋒過程,冷鋒過境都會(huì)使O3濃度上升,一般冷鋒過程O3濃度上升明顯,但冷鋒過境后的強(qiáng)冷鋒過程中O3濃度下降明顯,濃度下降率為9.8%。

表6 2015-2018年不同強(qiáng)度冷鋒AQI 及6 種污染物濃度變化率 單位:%

5 結(jié)論

利用歷史天氣圖普查四川盆地2015-2019年出現(xiàn)的冷鋒過程,在此基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)分析四川盆地冷鋒特征及其對(duì)逆溫和大氣污染的影響。

(1)2015-2019年四川盆地冷鋒共計(jì)48 例,年均9.6例。冷鋒在春、秋兩季最多,夏季最少。考慮到四川盆地被眾多高大山脈圍繞,根據(jù)冷鋒來向、進(jìn)入盆地的位置及移動(dòng)路徑,四川盆地冷鋒可分為西北路徑(沿青藏高原東北緣進(jìn)入)、偏北路徑(翻越秦嶺、大巴山進(jìn)入)和偏東路徑(東灌進(jìn)入)冷鋒。不同路徑冷鋒的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、季節(jié)變化特征存在明顯差異。其中偏北路徑冷鋒最多,偏東路徑冷鋒最少。冷鋒強(qiáng)度存在明顯的季節(jié)變化,冷鋒在秋季最強(qiáng),其次是春季,夏季和冬季最弱。不同路徑冷鋒的強(qiáng)度存在差異,偏北路徑冷鋒最強(qiáng),平均24 小時(shí)變溫為-2.5 ℃,平均24小時(shí)變壓為5.3 hPa,平均地面風(fēng)速為1.6 m/s；其次是西北路徑冷鋒,平均24 小時(shí)變溫為-2.2 ℃,平均24小時(shí)變壓為1.7 hPa,地面08 時(shí)平均風(fēng)速為1.5 m/s；偏東路徑冷鋒的強(qiáng)度最小,平均24 小時(shí)變溫為-2 ℃,平均24 小時(shí)變壓為1.5 hPa,地面08 時(shí)平均風(fēng)速為1.2 m/s。

(2)冷鋒過境對(duì)四川盆地的逆溫出現(xiàn)頻率有明顯的影響,過境時(shí)四川盆地的逆溫頻數(shù)減少,而在冷鋒過境后,逆溫的頻數(shù)回升。冷鋒對(duì)不同類型逆溫的影響存在差異,脫地逆溫在冷鋒過境時(shí)和過境后,出現(xiàn)頻率持續(xù)降低；而對(duì)于貼地逆溫和對(duì)流層低層逆溫,冷鋒過境后逆溫頻率均有不同程度的升高。冷鋒過境前后對(duì)多層逆溫和一般逆溫出現(xiàn)頻率的影響類似,通常會(huì)造成其出現(xiàn)頻率在冷鋒日降低、冷鋒過境后又升高。其中,冷鋒日20 時(shí)多層逆溫的出現(xiàn)頻率降低最為明顯,冷鋒過境對(duì)此時(shí)多層逆溫的破壞作用顯著。

(3)冷鋒過境對(duì)AQI 和不同污染物濃度有明顯的影響,對(duì)PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 以清除作用為主,冷鋒過境時(shí)濃度降低,過境后濃度回升,其中對(duì)顆粒物(PM2.5和PM10)的影響高于氣態(tài)污染物；而對(duì)O3濃度的影響與其他污染物相反。不同路徑冷鋒的影響也存在差異。冷鋒過境時(shí),西北路徑冷鋒對(duì)四川盆地大氣污染物的清除效果最好,對(duì)顆粒物的清除作用最好,其中PM2.5濃度降低近一半；而偏東路徑冷鋒過境時(shí)大氣污染物濃度下降程度最低。冷鋒過境后,偏北路徑冷鋒對(duì)污染物的清除作用可持續(xù)到冷鋒過境后,使污染物濃度持續(xù)降低,這可能與偏北路徑冷鋒過程的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、冷鋒強(qiáng)度也較強(qiáng)有關(guān)；而西北路徑和偏東路徑冷鋒過境后,污染物濃度繼續(xù)小幅下降或有所回升。此外,強(qiáng)冷鋒對(duì)大氣污染物的清除效果明顯高于一般冷鋒。