四川盆地冬季两次典型大气污染过程对比分析

杨景朝， 陶 勇， 杜云松， 肖递祥， 张 超， 王成鑫， 谢鹏宇， 马振峰

1.中国气象局成都高原气象研究所, 四川 成都 610072 2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 四川 成都 610072 3.贵州省气象服务中心, 贵州 贵阳 550002 4.四川省生态环境监测总站, 四川 成都 610091 5.四川省气象台, 四川 成都 610072 6.中国地质大学环境学院大气科学系, 湖北 武汉 430074 7.四川大学建筑与环境学院, 四川 成都 610065 8.内蒙古自治区包头市白云鄂博矿区气象局, 内蒙古 包头 014080 9.四川省气候中心, 四川 成都 610072

“十四五”时期，我国生态文明建设已进入压力叠加、负重前行的关键期. 当前，在“一干多支、五区协同”和“四向拓展、全域开放”经济发展理念的引领下，四川省正由经济大省向体现高质量发展要求的经济强省跨越. 随着经济社会快速发展，特别是工业化、城镇化进程的加快，大气污染问题日益突出[1]. 四川盆地是我国大气污染防治重点区域之一，冬季霾天气频发，且持续时间长、影响范围广[2]. 该区域冬季污染天气过程的形成、持续和消散特征值得关注.

我国霾天气形成与气溶胶污染、不利气象条件密切相关，在持续性的静稳天气和高气溶胶浓度的共同作用下，大气污染物快速累积，促使霾天气发生发展[3]. 国内外诸多学者利用地面气象观测数据研究[4-5]发现，静小风和高湿等气象背景场均有利于霾天气过程的出现. 随着霾天气研究方法的不断创新与发展，激光雷达观测、数值模式模拟、卫星遥感监测等技术相继应用于霾天气研究领域. 数值模式模拟可以预测、预报霾天气下大气污染物的时空分布特征和区域输送过程[6-7]. 大气混合层高度作为表征大气污染物在垂直方向上扩散能力的参数，现已广泛应用于霾天气研究，混合层高度上升，大气环境容量增加，大气垂直自净能力增强，有利于污染物稀释扩散，该参数通常可由常规气象观测数据或激光雷达数据计算求得[8-10]. 气溶胶光学厚度(AOD)作为可以表征整层大气气溶胶消光作用的基本光学参数，近几年已成为环境气象领域的研究热点[11-12]. 卫星遥感反演是获取气溶胶光学参数的重要技术手段之一，因其具有覆盖范围广等特点，在霾天气监测和评估方面已得到越来越多的应用[13-14]. 其中，中分辨率成像光谱仪(MODIS)全球气溶胶产品是目前研究大范围气溶胶分布特征的主要卫星遥感资料[15-16]. MODIS AOD产品被普遍认为是地面PM2.5、PM10浓度的重要指标，对我国地面空气质量具有较好的指示作用[17-18]. 四川盆地由于其特殊的地理和气象条件，一直以来都是我国AOD高值中心，年均AOD在0.9左右[19]. 然而，很多学者在四川盆地等区域开展的MODIS气溶胶产品分析研究主要是从年际、季节等时间尺度来分析区域气溶胶分布特征[20-21]，对于污染天气过程的分析较少.

气溶胶空间分布、大尺度环流运动、气象场结构特征等均可对冬季污染天气过程演变造成影响，该研究从气溶胶光学厚度、气象动力条件、大气稳定度条件等方面，对2017年12月—2018年1月四川盆地发生的两次污染天气过程进行了对比分析，探讨两次污染天气过程AOD空间分布、气象条件的异同，以期为四川盆地冬季污染天气预警监测提供技术支撑.

1 数据与方法

1.1 数据来源

选取中国环境监测总站发布的四川盆地17市(成都市、巴中市、达州市、德阳市、广安市、广元市、乐山市、泸州市、眉山市、绵阳市、南充市、内江市、遂宁市、雅安市、宜宾市、资阳市、自贡市)2017年12月1日—2018年1月31日逐小时常规大气污染物PM2.5和PM10浓度数据. 污染物日浓度由每日24个小时浓度值算术平均求得. 环境空气质量监测数据应用于污染天气过程概述与分析.

选取NASA官网最新发布的逐日MODIS全球气溶胶光学厚度MCD19A2产品. 该数据由多角度大气校正算法MAIAC反演，空间分辨率为1 km. MCD19A2全球气溶胶数据应用于污染天气过程气溶胶光学厚度时空分布特征分析.

选取NCEP发布的FNL再分析数据，分辨率为1°×1°，选择08:00(BJT)的500 hPa位势高度和850 hPa 水平全风速用于分析天气形势对污染过程的影响.

选取国家气象信息中心发布的逐小时总云量、10 m 风速实况格点融合分析数据，水平分辨率为5 km×5 km，经纬度范围分别为0°N～60°N、70°E～140°E. 选取成都市温江气象站(30.75°N、103.87°E)、达州市达川气象站(31.2°N、107.5°E)、宜宾市气象站(28.77°N、104.6°E)08：00探空温度、相对湿度数据. 气象数据应用于气象条件对污染天气过程的影响分析.

1.2 混合层高度计算方法

依据《大气自净能力等级》(GB/T 34299—2017)[22]，基于国家气象信息中心发布的地面实况格点融合分析数据，计算污染天气持续与消散阶段的混合层高度，计算公式：

La=as×u10/f

(1)

(2)

式中：La表示大气稳定度为不稳定(A、B、C级)和中性(D级)时的热力混合层高度，m；Lb表示大气稳定度为稳定(E、F级)时的机械混合层高度，m；as和bs分别表示热力和机械混合层系数，取值由中国各地区序号和大气稳定度共同决定(见表1、2)；u10表示10 m 高度上平均风速，m/s，大于6 m/s时取为6 m/s；f表示地转参数，f=2Ωsinφ. 大气稳定度等级由太阳辐射等级和地面风速共同决定，太阳辐射等级由总云量、低云量和太阳高度角共同决定. 由于地面实况格点融合分析数据缺少低云量要素，该研究参考杨景朝等[23]研究结论，采用总云量计算太阳辐射等级.

表1 中国各地区序号[22]

表2 中国各地区as和bs值

1.3 温湿廓线绘制方法

截取地面至离地 2 500 m范围内的温度、相对湿度L波段探空秒级采样数据，以散点绘制每秒对应高度的温度、相对湿度数据. 每秒只对应一组高度、温度和相对湿度数据，如果某秒对应温度或相对湿度数据缺失或异常，则该秒数据不记录.

2 结果与讨论

2.1 大气污染过程概述

2017年12月—2018年1月，四川盆地共出现两次持续性污染天气过程，四川盆地17市首要污染物以PM2.5、PM10为主. 四川盆地包括三大经济区，分别为成都平原经济区(成都市、德阳市、绵阳市、乐山市、眉山市、资阳市、遂宁市、雅安市)、川南经济区(自贡市、泸州市、内江市、宜宾市)、川东北经济区(广元市、南充市、广安市、达州市、巴中市)，将同期四川盆地三大经济区各所属城市PM2.5、PM10日浓度进行算术平均，分别探讨各经济区总体污染实况. 根据PM2.5、PM10浓度，分别计算PM2.5、PM10空气质量分指数和PM2.5/PM10(浓度比，下同)，比较PM2.5、PM10空气质量分指数大小，确定AQI值，并通过PM2.5/PM10识别霾与沙尘影响的污染天气过程.

由图1(a)可见：成都平原经济区第一次污染天气过程为2017年12月19日—2018年1月3日，19日AQI为102，成都平原经济区空气质量为轻度污染；12月20—23日，污染持续加重，21日PM2.5和PM10浓度分别达107.5和154.3 μg/m3，超过HJ 633—2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》二级浓度限值(PM2.5和PM10浓度限值分别为75和150 μg/m3)[24]，22日AQI由140升至172，成都平原经济区空气质量为中度污染，此次过程PM2.5和PM10浓度以及AQI值的第一个峰值均出现在23日；12月24—28日，成都平原经济区维持中度污染，PM2.5和PM10浓度变化较为平缓；PM2.5和PM10浓度以及AQI值的第二个峰值均出现在29日，AQI值由167升至205，达重度污染，PM10浓度剧增95.8 μg/m3；30日，PM10浓度在300 μg/m3以上，PM2.5/PM10首次小于0.5，表明此次过程由细颗粒物污染转为可吸入颗粒物污染，污染一直持续到2018年1月1日；1月3日，PM2.5和PM10浓度以及AQI值分别降至50.3 μg/m3、88.9 μg/m3、69，此次污染天气过程结束. 第二次污染天气过程为1月11—24日，成都平原经济区1月11日为轻度污染，11—15日污染持续加重，15日AQI峰值达215，成都平原经济区空气质量为重度污染；16—23日，成都平原AQI值在90～143之间，为轻度污染或接近轻度污染；24日，AQI值降至75，此次污染天气过程结束. 第二次污染天气过程中PM2.5/PM10始终大于0.5，表明此次过程以细颗粒物污染为主.

由图1(b)(c)可见，川南经济区和川东北经济区在2017年12月—2018年1月共出现两次持续性污染天气过程，污染实况与成都平原经济区相似，但川东北经济区两次过程污染消散期(分别为1月3日和1月24日)的PM2.5和PM10浓度以及AQI值均明显低于其他2个经济区，这可能与冷空气自北向南的影响强度有关.

2.2 大气污染过程AOD空间分布特征

MODIS气溶胶光学厚度产品可以表征四川盆地颗粒物污染特征[20]. 由图2(a)(b)(c)可见：第一次污染天气过程中以PM2.5为首要污染物期间(2017年12月19—28日)，四川盆地AOD主要分布于成都平原经济区西部和川东北经济区北部，AOD高值区主要位于成都市、眉山市、乐山市、广元市、巴中市和达州市，川南经济区AOD值为0；首要污染物由PM2.5转为PM10期间(2017年12月29日—2018年1月1日)，四川盆地AOD分布区域较前期向中东部靠拢，高值区集中于成都市、眉山市、遂宁市、资阳市和内江市；第一次污染天气过程结束阶段(2018年1月2—3日)，四川盆地AOD值为0. 由图2(d)(e)可见，第二次污染天气过程四川盆地AOD主要分布于成都平原经济区、川南经济区，呈自北向南逐渐减小的分布特征，AOD高值区集中于成都市、德阳市、绵阳市、遂宁市和南充市. 第二次污染天气过程结束阶段(2018年1月24日)，四川盆地AOD值为0. 相较于第一次污染天气过程，第二次污染天气过程四川盆地AOD高值区分布区域更广，川南经济区AOD值明显升高.

注： PM2.5、PM10浓度单位为μg/m3.图1 四川盆地两次污染天气过程PM2.5浓度、PM10浓度、PM2.5/PM10以及AQI值情况Fig.1 The levels of PM2.5, PM10, AQI, and the ratio of PM2.5/PM10 during two pollution weather processes in Sichuan Basin

图2 四川盆地两次污染天气过程AOD空间分布特征Fig.2 Spatial distribution of AOD during two pollution weather processes in Sichuan Basin

两次污染天气过程AOD空间分布特征不同，原因可能为MODIS AOD数据只在晴空区域获取，四川盆地AOD值为0的区域并不代表该区域AOD值一定为0，由于云雾覆盖或较厚重的霾影响，导致该区域无法获得AOD数据[25]. 2006—2017年四川盆地MODIS AOD季节性平均特征表明，冬季地面风速较小，相对湿度较大且混合层高度较低，不利于污染物扩散，因而冬季霾天气过程表现为AOD高值区分布区域更广的特征[20]. 四川盆地沙尘污染天气过程研究[26]表明，随着北方沙尘不断向四川盆地南部区域输送，四川盆地北部区域沙尘输送减弱，风速减小，较粗沙尘气溶胶粒子得到沉降，但仍有浮尘气溶胶粒子悬浮于空中，短时无法清除，盆地AOD值呈“南高北低”的空间分布特征. 近年来，关于四川盆地MODIS AOD月变化特征研究[20,27-28]表明，四川盆地AOD月均值呈11—12月逐月降低、1—3月逐月升高的特征. 与第一次污染天气过程相比，第二次污染天气过程整体处于1月，这可能是第二次污染天气过程四川盆地AOD高值区分布区域更广的原因.

2.3 大气污染过程气象条件分析

2.3.1高低空环流配置

注： 图中线条上数值表示500 hPa位势高度，单位为dagpm.图3 四川盆地两次污染天气过程500 hPa位势高度场和850 hPa风场Fig.3 The geopotential height fields on 500 hPa and wind fields on 850 hPa during two pollution weather processes in Sichuan Basin

由实况天气图可见：第一次污染天气过程第一阶段〔12月19—28日，见图3(a)〕，四川盆地500 hPa位势高度场为平直西风气流控制，高空形势稳定，无北方冷空气入侵及南支波动；850 hPa风场较弱，有利于本地气溶胶累积、AOD值升高. 第二阶段中的12月29日08:00〔见图3(b)〕，北方高空槽东移，槽后存在一支强劲的偏北气流，使冷空气向南移动，影响四川盆地；850 hPa风速增大，有利于本地气溶胶稀释，同时北方沙尘伴随冷空气自北向南影响四川盆地，冷空气过境区域对应AOD高值区. 第三阶段为1月2—3日〔见图3(c)〕，四川盆地位于南支槽前，偏东风引导北方冷空气回流进入四川盆地，与南方输入的暖湿气流交汇，形成降水天气过程中；本地气溶胶和沙尘气溶胶受降水湿清除作用，AOD值迅速降低，此次过程结束. 第二次污染天气过程中，四川盆地高空处于槽后，以下沉运动为主，850 hPa风场较弱，有利于本地气溶胶累积，四川盆地大部分地区AOD值持续升高〔见图3(d)〕；1月24日，高空槽过境，带来冷空气降水降温天气，空气质量明显好转，此次过程结束〔见图3(e)〕. 霾天气过程(2017年12月19—28日、2018年1月11—23日)中，高低空环流形势稳定有利于本地气溶胶累积，AOD值持续升高. 沙尘天气过程(2017年12月29日—2018年1月1日)中，风场对本地气溶胶进行稀释，同时输送沙尘气溶胶影响本地，冷空气过境区域对应AOD高值区. 两次污染天气过程消散阶段，高低空环流经向度加大，冷空气活跃，可稀释气溶胶粒子，AOD值迅速降低.

2.3.2混合层高度

混合层高度是表征大气污染物由热力对流和湍流扰动引起垂直运动所能到达的高度，是反映大气污染物垂直扩散能力的重要气象参数[29]. 该研究基于实况格点融合分析数据，采用国标法[22]计算四川盆地两次污染天气过程逐时混合层高度. 白天受太阳辐射影响，大气层结以中性和不稳定为主，混合层高度偏高，夜晚气温下降，大气层结趋于稳定，混合层高度降低. 混合层高度抬升，有利于大气垂直扩散条件转好； 反之，混合层高度下降则不利于大气污染物在垂直方向扩散[30-31]. 为消除混合层高度白天较大值和夜晚较小值的影响，选取四川盆地冬季白天时段(08:00—20:00)平均值分析两次污染天气过程混合层高度变化对大气污染物浓度的影响.

第一次污染天气过程共分为3个阶段：第一阶段为2017年12月19—28日，四川盆地大部分地区混合层高度低于300 m〔见图4(a)〕，四川盆地冬季平均混合层高度约为700 m[32]，表明第一阶段混合层高度偏低，不利于本地气溶胶垂直扩散. 第二阶段为2017年12月29日—2018年1月1日，成都市、眉山市、雅安市混合层高度抬升约100 m，但四川盆地混合层高度仍然处于300 m以下〔见图4(b)〕；同时，北方沙尘伴随冷空气输入四川盆地，沙尘气溶胶粒子数大幅增加，混合层高度偏低，抑制沙尘气溶胶和本地气溶胶垂直扩散. 第三阶段为2018年1月2—3日，成都平原经济区、川南经济区混合层高度抬升明显〔见图4(c)〕，四川盆地大气垂直扩散条件得到改善，东北方向冷空气进入盆地产生降水，沙尘气溶胶和本地气溶胶全部清除，第一次污染天气过程结束. 第二次污染天气过程共分为2个阶段，污染持续阶段(2018年1月11—23日)和污染消散阶段(1月24日). 污染持续阶段四川盆地大部分地区混合层高度均低于100 m〔见图4(d)〕，不利于本地气溶胶垂直扩散；污染消散阶段四川盆地混合层高度均有不同程度的抬升〔见图4(e)〕，大气垂直扩散条件转好.

图4 四川盆地两次污染天气过程混合层高度空间分布Fig.4 Spatial distribution of mixed layer height during two pollution weather processes in Sichuan Basin

两次污染天气过程中混合层高度的下降与升高对气溶胶粒子在垂直方向上的扩散传输均有重要影响. 第一次污染天气过程第一阶段和第二次污染天气过程均为霾天气过程，霾天气过程中四川盆地混合层高度偏低，不利于本地气溶胶垂直扩散，导致AOD值持续升高；第一次污染天气过程第二阶段为沙尘天气过程，冷空气携带沙尘气溶胶自北向南移动，对混合层高度有小幅抬升作用，空气质量得到轻微改善(见图1)，但混合层高度始终偏低，抑制了沙尘气溶胶和本地气溶胶的垂直扩散，冷空气过境区域对应AOD高值区[33]. 沙尘和霾复合污染天气过程期间，四川盆地混合层高度抬升不明显的原因可能是近地层逆温层未被打破，大气层结稳定，从而抑制了混合层高度抬升[34].

2.3.3温湿廓线

逆温层使大气层结趋于稳定，抑制混合层高度发展，阻碍垂直方向水汽、热量与气溶胶混合与交换. 四川盆地冬季污染期间，常出现925 hPa以下的贴地逆温，不利于大气污染物垂直扩散，使污染物在近地层不断累积，导致污染天气过程发生[35]. 利用成都市温江探空站(30.75°N、103.87°E)、达州市达川探空站(31.2°N、107.5°E)、宜宾市探空站(28.77°N、104.6°E)08:00温度、相对湿度数据，对两次污染天气过程成都平原经济区、川东北经济区和川南经济区近地层温度和相对湿度特征进行分析.

由图5(a)可见，第一次污染天气过程第一阶段，成都平原经济区、川南经济区和川东北经济区均有逆温层出现. 成都平原经济区最明显的一层逆温从地面开始，逆温层顶高度为319 m，逆温强度为1.5 ℃/(100 m)，189 m以下相对湿度较高，维持在90%以上；川东北经济区逆温层主要位于500～1 100 m，共4层，744～848 m间逆温层强度最强，达1.3 ℃/(100 m)；川南经济区在500 m附近有两层逆温层，逆温层强度均较弱，分别为0.5 ℃/(100 m)和0.7 ℃/(100 m). 川东北经济区和川南经济区300 m以下均有强相对湿度区. 逆温层的存在导致大量水汽和气溶胶聚集于近地层，地面污染加重. 第一次污染天气过程第二阶段，北方干冷空气入侵四川盆地，水平扩散条件转好，近地层相对湿度和PM2.5浓度均降低，但3个经济区500 m以下均有逆温层出现〔见图5(b)〕，北方沙尘气溶胶随冷空气一起抵达四川盆地，导致该阶段首要污染物由PM2.5转为PM10[33]. 由图5(c)可见，第二次污染天气过程3个经济区均从地面开始出现一层明显的逆温层，相对湿度维持在80%～90%，污染特征与第一次污染天气过程第一阶段相似. 霾天气过程中，近地层高湿环境有利于本地气溶胶吸湿增长，导致AOD值持续升高. 沙尘天气过程中，冷空气过境区域干冷空气使近地层相对湿度下降，本地气溶胶粒子数减少，但沙尘气溶胶粒子数增加，伴随近地层逆温稳定维持，冷空气过境区域对应AOD高值区.

图5 四川盆地两次污染天气过程08:00温度、相对湿度廓线Fig.5 Temperature and humidity profile at 08:00 am during two pollution weather processes in Sichuan Basin

四川盆地冬季污染天气过程中，气溶胶光学厚度与混合层高度、逆温层等均存在较强的相关性. 污染天气形成与持续阶段，大量气溶胶粒子会衰减到达地表的太阳辐射，显著降低地表感热通量，削弱湍流强度，从而抑制混合层高度抬升；同时，气溶胶冷却效应可降低近地面气温，使逆温强度上升，增强大气稳定度. 混合层高度的降低以及逆温强度的上升均促进气溶胶粒子和水汽在近地层累积并发生非均相反应，进而导致污染天气持续加重，存在一种正反馈机制[36-37].

3 结论

a) 根据四川盆地PM2.5和PM10浓度特征，2017年12月19日—2018年1月3日污染天气过程可分为2017年12月19—28日霾天气过程、2017年12月29日—2018年1月1日沙尘天气过程和2018年1月2—3日污染消散阶段；2018年1月11—24日污染天气过程可分为2018年1月11—23日持续性霾天气过程和1月24日污染消散阶段.

b) 四川盆地冬季两次污染天气过程中，成都市一直为AOD高值区. 2018年1月11—23日霾天气过程中，四川盆地AOD高值区分布区域较广. 2017年12月29日—2018年1月1日沙尘天气过程中，四川盆地AOD值呈“南高北低”的空间分布特征，冷空气过境区域对应AOD高值区.

c) 2018年1月11—23日，四川盆地高低空环流形势稳定，混合层高度偏低，近地层逆温和高湿环境均有利于霾天气的形成与持续. 2017年12月29日—2018年1月1日，冷空气携带沙尘气溶胶自北向南影响四川盆地，对混合层高度有小幅抬升作用，空气质量得到轻微改善；但混合层高度始终偏低，干冷空气使近地层相对湿度下降，本地气溶胶粒子数减少，但沙尘气溶胶粒子数增加，伴随近地层逆温稳定维持，有利于沙尘天气的形成与持续.