四川盆地兩次區(qū)域污染過程對(duì)比分析

杜筱筱，馮 勇，成 翔，趙曉莉

1.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，四川成都 610072；2.中國氣象局成都高原氣象研究所，四川成都 610072；3.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610072

近年來，隨著我國大氣污染防治工作的不斷推進(jìn)，大氣環(huán)境呈現(xiàn)向好趨勢(shì)。但受不利氣象條件的影響，仍有持續(xù)性、區(qū)域性重污染天氣發(fā)生[1-3]。四川盆地是我國四大盆地之一，海拔300～700 m，四周被海拔1 000～4 000 m的山地所環(huán)抱。特殊的地形使四川盆地大部地區(qū)不易受冷空氣影響，秋冬季容易出現(xiàn)以細(xì)顆粒物PM2.5為主的區(qū)域污染天氣[4-5]。

空氣污染不僅是環(huán)境問題，更是關(guān)系到人體的健康問題，多年來一直是科研工作者的研究重點(diǎn)。劉培川等[6]的研究發(fā)現(xiàn)四川不同污染類型下PM2.5平均濃度差異大，區(qū)域污染、秸稈焚燒、燃放煙花爆竹3種污染類型對(duì)四川省PM2.5年均值貢獻(xiàn)比例依次降低；羅青等[7]通過分異指數(shù)和相關(guān)性分析對(duì)四川盆地近地面風(fēng)場(chǎng)及污染物輸送通道進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；鄧中慈等[8]利用四川盆地一次氣態(tài)前體物和氣象因子研究發(fā)現(xiàn)，2015—2017四川盆地PM2.5濃度逐年降低，影響PM2.5的主導(dǎo)影響因子包括SO2、NO2、CO、溫度、氣壓和相對(duì)濕度。

2020年12月下旬，全國大部地區(qū)發(fā)生了長(zhǎng)時(shí)間的污染天氣，四川盆地也在其列。本研究對(duì)比2019年同期(2019年12月27日—2020年1月4日)污染過程，從污染過程期間的天氣背景、氣象要素、污染天氣消散階段的形成與發(fā)展等方面，對(duì)四川盆地2020年12月20—28日區(qū)域污染天氣進(jìn)行了研究分析，初步探索污染天氣與大氣環(huán)流形勢(shì)之間的關(guān)系和規(guī)律，為四川盆地大氣污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

大氣環(huán)流形勢(shì)背景資料為中國氣象局的MICAPS數(shù)據(jù)。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)資料來源于成都市金泉兩河、十里店、三瓦窯、沙河鋪、君平街、大石西路6個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的小時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包括SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10污染物質(zhì)量濃度。地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)采用國家氣象信息中心研制的CLDAS2.0實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(空間分辨率0.05°×0.05°)。

1.2 研究方法

空氣質(zhì)量指數(shù)日值由小時(shí)污染物濃度數(shù)據(jù)算術(shù)平均求得日濃度，再根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)(HJ633-2012)計(jì)算得到。混合層高度基于CLDAS2.0實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品由羅氏法計(jì)算得到[9]。參考四川省生態(tài)環(huán)境廳對(duì)盆地區(qū)域大氣污染統(tǒng)計(jì)方案，當(dāng)盆地17個(gè)城市有9個(gè)及以上達(dá)到污染(AQI＞100)，且≥5個(gè)污染城市接壤連片時(shí)，則定義為區(qū)域大氣污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染特征分析

2020年12月下旬，全國大部地區(qū)出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的污染天氣。四川盆地從12月20日開始(圖1)，東北部的達(dá)州、南充最先發(fā)生污染天氣，21日盆地西北部也開始出現(xiàn)污染天氣，22日擴(kuò)展到盆地南部和西南部，23日盆地中部出現(xiàn)污染天氣，24日達(dá)州最先達(dá)到中度污染，25日轉(zhuǎn)為重度污染，26日達(dá)州、廣安、宜賓3個(gè)城市達(dá)到重度污染，28日重度污染發(fā)展到5個(gè)城市，為污染過程最嚴(yán)重時(shí)段。整個(gè)污染過程的演變區(qū)域特征為先是盆地東北部發(fā)生污染，再是盆地西北部和盆地南部，然后是整個(gè)盆地。

圖1 四川各市州2020年12月20—28日AQI等級(jí)填色圖

2020年12月20—28日污染過程的特點(diǎn)是以顆粒物PM2.5為首要污染物的區(qū)域霧霾污染天氣，污染最大量級(jí)為重度，是2020年四川唯一1次區(qū)域重污染天氣。

2019年同期，2019年12月27日—2020年1月4日四川盆地也發(fā)生了1次類似的區(qū)域污染天氣過程。2次污染過程雖然持續(xù)時(shí)間都是9 d，達(dá)到區(qū)域污染的天數(shù)也相同，為7 d，但2020年12月污染程度略高，過程中達(dá)到重度的城市數(shù)量有5個(gè)，多于2019年的1個(gè)城市，污染清除的時(shí)間也不同，2020年為1 d的快速結(jié)束型，2019年用時(shí)2 d，區(qū)域污染過程才結(jié)束。污染區(qū)域的演變路徑特征都是東北→西北→川南→整個(gè)盆地，污染過程的城市特點(diǎn)均是達(dá)州市先污染，且先達(dá)到中度和重度(表1)。

表1 2次污染過程特征對(duì)比

2.2 500 hPa高空和地面天氣形勢(shì)分析

天氣形勢(shì)從根本上決定了氣象要素的分布和時(shí)空變化，從而決定了大氣的擴(kuò)散能力與大氣穩(wěn)定程度[10]。利用MICAPS數(shù)據(jù)，分析2020年(2020年12月20—28日，下同)和2019年(2019年12月27日—2020年1月4日，下 同)污染天氣過程的500 hPa高度場(chǎng)，2次過程天氣形勢(shì)穩(wěn)定少變，四川受緯向西風(fēng)氣流影響，徑向環(huán)流弱，中高緯冷空氣入侵少(圖2)。

圖2 2020年12月21日20:00和2020年1月2日08:00 500 hPa高度場(chǎng)

基于Cost733，傾斜T模態(tài)主成分分析方法，對(duì)四川海平面氣壓場(chǎng)進(jìn)行客觀分型，得出高壓前部型、低壓底部型、低壓型、均壓場(chǎng)型不利于大氣污染物擴(kuò)散的結(jié)論[11]。2020年污染過程如圖3所示，四川盆地主要受低壓型，均壓場(chǎng)型影響。低壓型，四川外圍被高壓包圍，形成環(huán)繞之勢(shì)，配合四川盆地的特殊地形，不利于污染物的稀釋擴(kuò)散；均壓場(chǎng)型，高壓中心到低壓中心的緩慢過渡帶氣壓梯度小，易形成污染天氣。2019年海平面氣壓場(chǎng)除均壓場(chǎng)型、低壓場(chǎng)型外，還有高壓前部型(圖4)。高壓前部型類型下，海平面氣壓場(chǎng)青藏高原和川西高原上為高壓控制，川西高原以東均為較大范圍的氣壓低值區(qū)，四川盆地位于高壓前部，相對(duì)濕度偏高，有利于污染物的二次轉(zhuǎn)化，加重污染。

圖3 2020年12月20—28日污染過程的低壓型和均壓場(chǎng)型

圖4 2019年12月27日—2020年1月4日的高壓前部型、均壓場(chǎng)型和低壓場(chǎng)型

2.3 氣象要素分析

大氣污染與氣象條件是密切相關(guān)的，氣象條件的改變決定著大氣污染物的輸送與擴(kuò)散，進(jìn)而影響空氣質(zhì)量。以成都市2020年污染過程為例，利用CLDAS地面要素和AQI數(shù)據(jù)繪制2020年12月18—29日折線圖(圖5)。20—22日，AQI變化幅度小，混合層高度、相對(duì)濕度和風(fēng)速(即地面風(fēng)速)3個(gè)氣象要素也無顯著變化。23—28日，混合層高度先是在23日微抬，24日以后混合層高度越低AQI越高，混合層高度和AQI呈相反的變化趨勢(shì)；相對(duì)濕度在26日有明顯升高，變化趨勢(shì)和AQI相近；風(fēng)速在24日明顯下降，并維持在0.5 m/s，水平風(fēng)向的擴(kuò)散減弱，進(jìn)一步加劇了大氣污染物的累積，使污染等級(jí)加重。由此可見，混合層高度、風(fēng)速、相對(duì)濕度3個(gè)氣象要素與空氣質(zhì)量的變化密切相關(guān)。

圖5 成都市2020年12月18—29日AQI和混合高度、相對(duì)濕度、地面風(fēng)速折線圖

統(tǒng)計(jì)2次污染過程中成都市混合層高度、相對(duì)濕度、地面風(fēng)速與AQI相關(guān)性(表2)可知，2次污染過程的相對(duì)濕度較為接近，無明顯的差異；2020年的AQI值為151，高于2019的114，表示成都在2020污染過程中污染更嚴(yán)重。2020年平均風(fēng)速0.56 m/s，明顯小于2019年的0.89 m/s，混合層高度也是2020年的916 m小于2019年的994 m。由此可知，成都市2020年污染過程的氣象條件更不利于大氣污染物的稀釋與擴(kuò)散。

表2 2次污染過程成都市AQI與氣象要素相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

進(jìn)一步利用CLDAS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)四川省2019年12月27日—2020年1月4日和2020年12月20—28日的平均風(fēng)速和混合層高度，混合層高度由羅氏法計(jì)算得到。由圖6可知，2020年盆地大部分地區(qū)平均風(fēng)速為0.4～1.2 m/s，2019年平均風(fēng)速多為0.8～1.6 m/s，風(fēng)速大小分布不規(guī)律，但盆地區(qū)域2020年污染過程的平均風(fēng)速明顯小于2019年。由2次污染過程的平均混合層高度填色圖(圖7)可見，2020年盆地大部地區(qū)平均混合層高度為300～900 m，低值區(qū)主要位于盆地中部、西南部和南部；2019年平均混合層高度為600～1 200 m，低值區(qū)主要位于盆地東部、西北部和南部，和平均風(fēng)速一致，盆地區(qū)域2020年污染過程的平均混合層高度明顯低于2019年。由以上分析可知，風(fēng)速小不利于污染物在水平方向上擴(kuò)散，混合層高度低使污染物在垂直方向擴(kuò)散受限，在較高的相對(duì)濕度條件下，持續(xù)的小風(fēng)速和低混合層高度導(dǎo)致污染物累積，污染區(qū)域擴(kuò)大，污染等級(jí)加重，這是2020年污染過程比2019年嚴(yán)重的主要原因。

圖6 四川盆地2020年和2019年2次污染過程平均風(fēng)速填色圖

圖7 四川盆地2020年和2019年2次污染過程平均混合層高度填色圖

2.4 消散階段的天氣學(xué)原因分析

2.4.1 2020年12月20—28日污染過程2020年12月26日，500 hPa高度場(chǎng)上烏山阻高開始形成，高壓脊前偏北氣流加強(qiáng)，引導(dǎo)冷空氣在貝湖附近的橫槽內(nèi)聚集，冷中心溫度可達(dá)-48 ℃。隨后高空槽攜冷空氣東移南下，28日開始影響我國。而冷空氣對(duì)四川盆地的影響時(shí)段主要從28日夜間開始，28日盆地北部局地風(fēng)速升高，29日盆地風(fēng)速明顯增大，極大風(fēng)速可達(dá)16 m/s(圖8)，2020年污染過程的清除方式為大范圍的大風(fēng)天氣。

圖8 四川省2020年12月28日和29日平均風(fēng)速

2.4.2 2019年12月27日—2020年1月4日污染過程2019年污染過程的清除方式與2020年的污染過程不同。2020年1月5日，500 hPa先是南支槽帶來大量暖濕氣流，形成弱降水，6日高空槽過境降水增大，但降水強(qiáng)度和范圍都較小，僅在盆地東部和南部小到中雨，盆地南部和中部小雨(圖9)。2019年污染過程清除以降水為主，風(fēng)速起到輔助作用，結(jié)束時(shí)間長(zhǎng)于2020年。

圖9 四川省2020年1月5日和6日累計(jì)日降水

3 結(jié)論

(1)盆地2次區(qū)域污染過程的污染演變路徑特征都是盆地東北→盆地西北部→盆地南部→整個(gè)盆地。2次污染過程持續(xù)時(shí)間都是9 d，達(dá)到區(qū)域污染的天數(shù)也相同，為7 d，但2020年12月污染程度更嚴(yán)重，過程中達(dá)到重度的城市數(shù)量有5個(gè)，多于2019年的1個(gè)。

(2)長(zhǎng)時(shí)間靜穩(wěn)天氣，在較高的相對(duì)濕度條件下，持續(xù)的小風(fēng)速和低混合層高度導(dǎo)致污染物累積，污染區(qū)域擴(kuò)大，污染等級(jí)加重。這是2020年污染過程比2019年更嚴(yán)重的主要原因。

(3)2020年污染過程的清除方式是大范圍的大風(fēng)天氣，1 d內(nèi)盆地空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為優(yōu)良。2019年污染過程的清除方式與2020年的污染過程不同，以降水為主，以風(fēng)速為輔，結(jié)束時(shí)間長(zhǎng)于2020年。