四川盆地一次當(dāng)?shù)嘏欧藕蜕硥m輸送雙重影響的區(qū)域空氣重污染過程研究

連俊標(biāo)，王式功，2*，羅 彬，杜云松，張 巍，蔣婉婷

（1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都610225；2.貴州省遵義院士工作中心，貴州 遵義563000；3.四川省環(huán)境政策研究與規(guī)劃院，四川 成都610041；4.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，四川 成都610091）

城市空氣質(zhì)量主要受污染源、氣象、地理條件以及人為活動4 個因素共同影響[1]：（1）污染源有自然排放源和人為排放源兩大類， 我國大氣顆粒物污染源主要來自揚塵、燃煤、工業(yè)、機(jī)動車、生物質(zhì)燃燒以及二次顆粒物[2]，污染源排放的增加會使大氣污染更嚴(yán)重；（2）山谷、盆地等特殊地形條件下，地形阻隔和氣流交換不暢會使污染物不易擴(kuò)散；（3）靜風(fēng)、逆溫等靜穩(wěn)天氣同樣不利于污染物擴(kuò)散[3-4]，而強(qiáng)日照、高溫等氣象條件則有利于臭氧等光化學(xué)污染物的生成[5-6]，高濕度也有利于顆粒物的生成[7]，同等氣象條件對不同空氣污染的影響也存在差異[8]；（4）人類活動改變了地表環(huán)境及污染源排放，如大城市熱島效應(yīng)直接影響邊界層氣象場條件和污染物濃度分布[9-10]，污染期間的應(yīng)急防控措施則可有效緩解大氣污染[11-12]?？諝馕廴臼录窃诙鄠€因素共同作用下發(fā)生的，短時大氣污染過程中氣象場的變化對污染過程的影響尤為關(guān)鍵，因此備受關(guān)注。

四川盆地處于青藏高原東側(cè)背風(fēng)區(qū)， 周圍環(huán)繞高海拔山脈，形成中間低、周邊高的盆地地形。 在這種復(fù)雜地形條件下，盆地內(nèi)部年平均風(fēng)速僅1.2 m/s，大部分地區(qū)灰霾日數(shù)近年來呈增加趨勢[18]；冬季700 hPa高度層“干暖蓋”現(xiàn)象[19]和低邊界層高度[20]則容易形成重污染事件。因此四川盆地是我國繼京津冀、長三角和珠三角地區(qū)之后的第4 個空氣重污染區(qū)域，其空氣質(zhì)量問題也是研究熱點。 探明各區(qū)域的空氣污染形成機(jī)制， 對我國大氣污染防治和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃具有重要意義[13-17]。

目前， 四川盆地空氣質(zhì)量研究主要集中在顆粒物污染[21-26]、光化學(xué)污染[27-31]和生物質(zhì)燃燒污染[32-34]這3 個方面，沙塵污染的研究[35]相對較少。盆地冬春季靜穩(wěn)型大氣污染期間遭遇北方沙塵輸送影響，導(dǎo)致顆粒物濃度劇增， 造成更長時間重污染的研究甚少。因此本文對2017 年12 月19 日—2018 年1 月3日四川盆地由當(dāng)?shù)嘏欧藕蜕硥m輸送雙重污染源影響導(dǎo)致的區(qū)域性空氣重污染過程進(jìn)行分析， 旨在探明不同污染時段之間的差異， 揭示出由靜穩(wěn)型污染向沙塵型污染轉(zhuǎn)換階段的內(nèi)在變化特征， 為此種類型的污染防控提供新的科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用中國環(huán)保部公布的2017 年12 月19日—2018 年1 月3 日四川盆地18 個城市（達(dá)州、成都、自貢、綿陽、宜賓、德陽、瀘州、內(nèi)江、雅安、重慶、眉山、廣安、資陽、樂山、南充、巴中、遂寧、廣元）共110 個空氣質(zhì)量監(jiān)測站的空氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)； 中國氣象局公布的18 個城市共126 個氣象站的地面氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)；成都信息工程大學(xué)資環(huán)樓（103.998°E，30.589°N）樓頂（距離地面約12 m）的Anderson 分級采樣器24 h（17:05—17:05）顆粒物連續(xù)采集結(jié)果；美國環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）/美國國家大氣研究中心（NCAR）提供的空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為6 h 的FNL 再分析資料； 中國生態(tài)遙感信息服務(wù)網(wǎng)提供的風(fēng)云三號C 星可見光紅外掃描輻射儀（VIRR） 沙塵監(jiān)測圖； 美國國家海洋大氣管理局NOAA 提供的后向軌跡資料。

1.2 算法介紹

利用數(shù)學(xué)平均計算污染物濃度和氣象要素值；并根據(jù)空氣質(zhì)量分指數(shù)方法[36]計算AQI 值，確定首要污染物；根據(jù)沙塵天氣影響時段判定方法[37]統(tǒng)計本次過程期間受沙塵天氣影響的城市及時間； 同時分析不同高度層環(huán)流場配置和溫度層結(jié)對大氣污染過程的影響；利用反距離權(quán)重插值[38]估計污染物濃度和氣象要素時空分布。

2 污染過程概述

2.1 區(qū)域平均時間變化

根據(jù)環(huán)流形勢和污染物濃度的變化特征， 選取2017 年12 月19 日—2018 年1 月3 日（共16 d）為本次過程研究時段。將該時段盆地18 個城市污染物濃度值進(jìn)行算數(shù)平均代表盆地總體污染， 計算AQI值， 可確定本次污染過程中PM2.5和PM10為首要污染物； 并計算粗顆粒物濃度占比值（PM10-PM2.5）/PM10，即2.5~10 μm 粒徑范圍顆粒占PM10比例。

如圖1 所示，本次過程在19—28 日期間PM10、PM2.5、AQI 值均穩(wěn)定上升， 峰值出現(xiàn)在23 日，24 日略有下降。 19 日AQI 值為104，盆地進(jìn)入輕度污染狀態(tài)；隨著污染逐漸加重，22 日PM2.5和PM10分別達(dá)到76 μg/m3和120 μg/m3， 高于二級濃度限定值[36]；AQI 值為160，盆地進(jìn)入中度污染狀態(tài)。22—28 日盆地維持中度污染， 顆粒物濃度與AQI 值緩慢上升，但（PM10-PM2.5）/PM10值低于30%，即該期間主要為細(xì)顆粒物污染。 29 日出現(xiàn)第一次轉(zhuǎn)折，PM10濃度值比28 日增大60 μg/m3， 達(dá)到過程峰值246 μg/m3；AQI 值為208，盆地出現(xiàn)重度污染。 30 日PM10濃度值變化不大， 但PM2.5濃度值與AQI 值下降， 因此（PM10-PM2.5）/PM10值在28—29 日增大到峰值68%，即該期間以粗顆粒物污染為主。 31 日后PM10濃度下降，PM2.5濃度值回升，導(dǎo)致（PM10-PM2.5）/PM10值持續(xù)下降，粗顆粒物污染影響逐漸減弱。2018 年1 月3日出現(xiàn)第二次轉(zhuǎn)折，PM10大幅降至78 μg/m3（降幅79 μg/m3），PM2.5大幅降至50 μg/m3（降幅42 μg/m3），AQI 值降至72（等級良），本次過程徹底結(jié)束。

由本次過程污染物濃度的變化特征，可知2017年12 月19—28 日期間顆粒物濃度緩慢增大， 細(xì)顆粒物污染明顯， 具有靜穩(wěn)型污染特征。 29—31 日PM10濃度大幅度增大，但PM2.5濃度反而下降，粗顆粒物污染明顯， 不同粒徑顆粒物濃度的反常變化具有沙塵天氣[39-41]特征。 2018 年1 月3 日各污染要素同步下降，則可能與冷空氣入侵以及降水過程相關(guān)。

圖1 2017 年12 月19 日—2018 年1 月3 日四川盆地污染物要素日平均值變化

2.2 沙塵影響判定與評估

使用沙塵影響時段判定方法[37]進(jìn)行診斷，可見部分城市出現(xiàn)沙塵天氣（表1）。 19—20 日內(nèi)江出現(xiàn)沙塵天氣， 與該期間盆地粗顆粒物占比值較高相對應(yīng)， 僅持續(xù)18 h，PM10峰值較低， 不作深入探討。29—31 日盆地北部廣元、德陽和綿陽3 個城市先后出現(xiàn)沙塵天氣，持續(xù)時間46~54 h，其中廣元市受影響最嚴(yán)重，PM10峰值高達(dá)886 μg/m3。

表1 本次污染過程中受沙塵天氣影響的城市

根據(jù)2017 年12 月28 日12 時我國FY-3C/VIRR 的衛(wèi)星云圖可知， 該期間在我國新疆和內(nèi)蒙古地區(qū)均有大面積沙塵天氣活動區(qū)域，結(jié)合2017 年12 月29 日09 時廣元市的21 時后向軌跡分析（200、500、1000 m）可知，廣元市出現(xiàn)的沙塵主要來自內(nèi)蒙古地區(qū)（圖2）。

由表2 可知PM10過程峰值出現(xiàn)時間集中在23日和29—30 日，與AQI 2 個峰值時間相對應(yīng)；除廣元、綿陽和德陽外，還有成都等9 個城市PM10峰值出現(xiàn)時間在沙塵活動期間，但未通過沙塵天氣判斷。為驗證這9 個城市是否受沙塵影響， 在這里以成都市為代表， 選取AQI 峰值對應(yīng)時段（2017 年12 月22—23 日、29—30 日），對成都信息工程大學(xué)資環(huán)樓頂顆粒物24 h（17:05—17:05）連續(xù)采集結(jié)果進(jìn)行離子色譜分析。 22—23 日、29—30 日成都信息工程大學(xué)站24 h 連續(xù)采樣PM2.5濃度值分別為241 μg/m3和124 μg/m3，期間三瓦窯國控監(jiān)測站的采樣值分別為218 μg/m3和121 μg/m3，即22—23 日、29—30 日PM2.5濃度值分別偏差10%和2%，采樣結(jié)果可信。

離子色譜分析（表3）可知22—23 日總離子濃度值（148.01 μg/m3） 是29—30 日總離子濃度值（78.34 μg/m3）的1.89 倍；22—23 日地殼總離子（Ca2+/Na+/Mg2+） 濃度值（12.88 μg/m3） 是29—30 日的（30.00 μg/m3）的0.43 倍；即29—30 日期間成都市顆粒物濃度比22—23 日低，但地殼離子濃度反而更大。 22—23 日細(xì)顆粒物（粒徑6~9 級）離子濃度值（125.49 μg/m3）是粗顆粒物（粒徑1~5 級）離子濃度值（22.52 μg/m3）的5.6 倍；29—30 日細(xì)顆粒物離子濃度值（30.52 μg/m3） 是粗顆粒物離子濃度值（47.82 μg/m3） 的0.63 倍； 即22—23 日以細(xì)顆粒物污染為主，29—30 日以粗顆粒物污染為主。 29—30 日成都市顆粒物總濃度下降， 但地殼總離子濃度和粗顆粒物濃度值反而大幅度升高， 這種變化與沙塵天氣活動有關(guān)。 說明以成都市為代表的其他9 個城市，雖然沒有出現(xiàn)沙塵天氣， 但仍然受到沙塵顆粒物的影響；出現(xiàn)沙塵天氣的3 個城市，受沙塵影響更明顯，地殼總離子濃度值和粗顆粒物濃度值明顯更高。

表2 盆地各城市PM10 峰值出現(xiàn)時間

表3 不同離子色譜分析結(jié)果 μg/m3

2.3 AQI 時空分布

將四川盆地18 個城市110 個大氣污染監(jiān)測站點的AQI 日平均值進(jìn)行反距離權(quán)重插值，并根據(jù)等級劃分（圖3）?？芍?017 年12 月19 日起盆地出現(xiàn)大面積輕度以上污染區(qū)域，且面積逐漸擴(kuò)大，于21日覆蓋整個四川盆地；同時在盆地東部的達(dá)州，盆地西北部的成都、德陽和綿陽，盆地西南部的宜賓、自貢和瀘州地區(qū)形成3 個中度污染中心。22—28 日期間盆地污染程度明顯加重， 大面積中度污染區(qū)在盆地內(nèi)穩(wěn)定維持凹型分布；3 個污染中心進(jìn)一步出現(xiàn)重度污染。29 日受沙塵輸送影響，出現(xiàn)第一次轉(zhuǎn)折：盆地北部的廣元、綿陽和德陽地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重污染，西部多個城市則出現(xiàn)重度以上污染。30 日AQI 重度以上污染區(qū)域面積迅速縮小，31 日之后四川盆地繼續(xù)維持大面積輕度污染。2018 年1 月3 日出現(xiàn)第二次轉(zhuǎn)折，盆地污染過程徹底結(jié)束。

3 污染期間天氣概述

3.1 500 hPa 高空環(huán)流場

根據(jù)500 hPa 高空環(huán)流背景場可知，2017 年12月19—26 日四川盆地500 hPa 受較弱偏西風(fēng)氣流影響，有利于低層污染物積累[42]，其中23—24 日有弱北方槽在黃河流域東移過境，對盆地影響較弱；因此19—26 日盆地污染物濃度穩(wěn)定持續(xù)上升， 且在24 日略下降。 27—28 日“干性”南支槽過境，同樣有利于污染物濃度增大[43]。 29—30 日受北方槽底過境影響，四川盆地有明顯24 h 負(fù)變溫，打破不利于污染物擴(kuò)散的高空環(huán)流場， 但沙塵過程反而使污染加重。 之后槽區(qū)東移減弱，2018 年1 月2 日起轉(zhuǎn)受脊區(qū)控制，西南風(fēng)加大，直到過程結(jié)束。

3.2 700 hPa 天氣型

700 hPa 天氣系統(tǒng)是影響四川盆地冬季大氣污染的關(guān)鍵， 不同700 hPa 天氣型對盆地污染的影響有明顯差異。 根據(jù)寧貴財[44]劃分的9 種700 hPa 空氣重污染天氣型，對本次過程的700 hPa 環(huán)流場（圖4）進(jìn)行歸類。 可知，2017 年12 月19 日四川盆地受TYPE-2 西北部弱高壓型（NWH-） 控制，21 日轉(zhuǎn)為TYPE-9 低壓型（L），即由高壓前部型轉(zhuǎn)為低槽型，天氣型的變化不利于污染物擴(kuò)散， 期間盆地大氣污染情況逐漸加重。 22—28 日期間以低槽型天氣為主，且無降水過程，屬于重污染天氣型，污染物穩(wěn)定維持在較高濃度。 29 日受TYPE-5 西部強(qiáng)高壓型（WH+）控制，即盆地西北面存在強(qiáng)高壓區(qū)，高壓中心320 gpm， 為本次過程期間700 hPa 最強(qiáng)高壓中心；高壓東面與北方槽相互作用使偏北風(fēng)加強(qiáng)， 引導(dǎo)冷空氣進(jìn)入盆地，有利于污染物擴(kuò)散；但是29 日的沙塵過程使得盆地PM10濃度不降反升，污染情況更加嚴(yán)重，同時改變重污染分布區(qū)域。 31 日之后高壓減弱，低壓發(fā)展，形成TYPE-7 西部低渦型（WV）；由于無降水過程， 這種干低渦天氣型使得四川盆地繼續(xù)維持輕度以上污染。 2018 年1 月3 日TYPE-7 西部低渦型（WV）天氣型進(jìn)一步加強(qiáng)，高層冷空氣補(bǔ)充，并產(chǎn)生明顯降水， 濕低渦天氣型控制下污染物的清除效果明顯，污染過程結(jié)束。

圖3 四川盆地AQI 等級空間分布

圖4 700 hPa 環(huán)流場天氣型

3.3 850 hPa 區(qū)域平均時間變化

污染物在近地面累積是造成大氣污染的主要原因， 因此低層氣象要素的變化對污染物濃度變化有指示作用。 本小節(jié)選取28°~32°N，103°~108°E 代表四川盆地區(qū)域， 對本次過程850 hPa 氣象要素計算算數(shù)平均值， 代表期間850 hPa 平均溫度和相對濕度時間變化。19—28 日盆地由冷高壓轉(zhuǎn)受暖低壓控制，850 hPa 溫度、相對濕度穩(wěn)定升高，有利于顆粒污染物生成；且該期間無降水，風(fēng)速低，不利于污染物清除，污染情況逐漸加重。 29—30 日冷高壓過程使風(fēng)速明顯加大，溫度、相對濕度大幅度降低，有利于污染物擴(kuò)散； 但沙塵過程導(dǎo)致污染進(jìn)一步加重。2018 年1 月3 日第二次冷空氣過程再次使風(fēng)速加大、溫度下降，且在盆地內(nèi)大部分地區(qū)出現(xiàn)降水，其中日最大降水量為16 mm（重慶酉陽），至此本次區(qū)域性污染徹底結(jié)束。

3.4 垂直層結(jié)剖面分析

為探究四川盆地700 hPa 天氣型對大氣污染變化的作用，使用FNL 再分析資料，以31°N 為中線，經(jīng)度為102°~110°E， 高度為1000~500 hPa 作垂直剖面（圖5）。 從溫度層結(jié)看，19 日盆地700 hPa 受TYPE-2 西北部弱高壓型（NWH-）控制時，600 hPa以上降溫，600 hPa 以下增溫， 最大增幅4 ℃位于700 hPa，溫度層結(jié)穩(wěn)定度較低，此時盆地污染相對較輕。21 日受TYPE-9 低壓型（L）控制時，僅盆地中西部800 hPa 以下低層24 h 溫差為負(fù)，800 hPa 以上高度均為正，最大增幅7 ℃；同時750~600 hPa 高度有明顯逆溫層，“暖蓋效應(yīng)”明顯；因此大氣層結(jié)十分穩(wěn)定，污染物擴(kuò)散不利。 21—28 日期間這種靜穩(wěn)型溫度層結(jié)多次出現(xiàn)，導(dǎo)致盆地維持中度以上污染，且緩慢加重。 29 日受TYPE-5 西部強(qiáng)高壓型（WH+）控制時，550 hPa 以下強(qiáng)降溫， 最大降溫中心位于700 hPa（降幅-14 ℃），強(qiáng)冷空氣的活動打破靜穩(wěn)型溫度層結(jié)， 對污染物的擴(kuò)散有利； 但沙塵輸送使PM10濃度升高，造成沙塵型重度污染。 2018 年1 月3 日受TYPE-7 西部低渦型（WV）控制，新一輪冷空氣使整層大氣降溫，層結(jié)不穩(wěn)定，同時在降水濕沉降共同作用下，污染物徹底清除。從風(fēng)場變化看，21 日與19 日相比，600~500 hPa 中高層由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)， 風(fēng)速明顯下降，850 hPa 以下轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，即高層擴(kuò)散不利，低層偏南風(fēng)輸送水汽。29 日與21 日相比， 中高層西南風(fēng)加強(qiáng)， 有利于污染物擴(kuò)散；800 hPa 以下東北風(fēng)加強(qiáng)， 使得沙塵進(jìn)入盆地后向西面輸送，與29 日AQI 分布相吻合。

綜合環(huán)流場配置以及垂直溫度層結(jié)可知，2017年12 月19—28 日四川盆地環(huán)流場配置和垂直溫度層結(jié)的轉(zhuǎn)變和維持，導(dǎo)致污染物擴(kuò)散條件逐漸變差，污染物濃度值逐漸升高， 屬于典型的靜穩(wěn)型大氣污染。29 日冷空氣過程打破了不利于污染物擴(kuò)散的環(huán)流場配置和穩(wěn)定的溫度層結(jié)， 但沙塵輸送造成盆地沙塵型重度污染。2018 年1 月3 日新一輪冷空氣過程則是本次過程徹底結(jié)束的原因。

4 沙塵過程分析

針對沙塵輸送造成的轉(zhuǎn)折性變化，本節(jié)對沙塵過程中由靜穩(wěn)型污染向沙塵型污染轉(zhuǎn)換的不同階段進(jìn)行探討。 沙塵期間盆地SO2、NO2、CO、O3濃度峰值分別為98 μg/m3（雅安），123 μg/m3（達(dá)州），5.56 mg/m3（達(dá)州），155 μg/m3（自貢），各氣態(tài)污染物濃度均低于國家一級濃度限值[45]，但CO 濃度遠(yuǎn)高于其他氣態(tài)污染物， 其濃度變化更具有代表性。 因此選取PM10、PM2.5和CO 進(jìn)行研究， 而SO2、NO2、O3濃度值遠(yuǎn)低于顆粒物和CO 濃度值，在這里不作討論。

4.1 沙塵期間代表城市污染要素時間變化

由北到南選取廣元、成都、重慶3 個城市作為代表，分析沙塵期間盆地不同緯度污染物要素變化（圖6）。 若將粗顆粒物占比值（PM10-PM2.5）/PM10＞50%首次出現(xiàn)的時間視為受到沙塵影響， 其先后順序分別為廣元（29 日05 時）、成都（29 日17 時）和重慶（30日03 時）。

當(dāng)沙塵29 日05 時抵達(dá)廣元市時，其PM10濃度為197 μg/m3，之后濃度迅速升高，3 h 后（29 日08時）達(dá)到峰值886 μg/m3，約為原來的4.5 倍。 沙塵期間，廣元市出現(xiàn)約24 h 的PM10濃度高值峰區(qū)，該期間CO 濃度明顯下降，并達(dá)到最低值0.5 mg/m3，表明該時段（29 日06 時—30 日07 時）內(nèi)沙塵對盆地的直接影響。沙塵直接影響之后，隨著沙塵輸送停止和風(fēng)速減小， 較粗沙塵顆粒物得到沉降， 因此廣元市PM10濃度迅速下降；而浮塵顆粒物則懸浮在空中短時間無法清除，因此粗顆粒物占比值繼續(xù)維持50%以上，該階段視為沙塵間接影響。

圖5 以30°N 為中心，經(jīng)度為102°~110°E，高度為1000~500 hPa 的垂直剖面

圖6 沙塵期間代表城市污染物要素隨時間變化

與廣元市相比，成都市位置偏南，因此29 日17時（255 μg/m3）起才受到沙塵影響，6 h 過后PM10到達(dá)峰值（361 μg/m3），為原來的1.4 倍，而高值峰區(qū)結(jié)束時間則廣元市相似；證明成都市受沙塵直接影響，但影響時間更晚，且影響程度不如廣元市。與廣元市PM10濃度單峰型變化不同，成都市在沙塵間接影響期間還出現(xiàn)第二次峰值302 μg/m3， 為原來的1.2倍；第三次峰值337 μg/m3，為原來的1.3 倍。 與此同時粗顆粒物占比值波動上升， 最大值為77%（30 日16—18 時）；與2013 年6 月—2014 年5 月期間成都市PM2.5/PM10最小值0.28[46]相比，本次過程粗顆粒物占比更高。這表明沙塵間接影響期間，浮塵顆粒輸送對成都市PM10濃度變化有明顯影響。

沙塵直接影響期間， 重慶市顆粒物濃度持續(xù)下降， 于29 日22 時PM10濃度值達(dá)到谷值60 μg/m3，之后才逐漸回升；30 日03 時起粗顆粒物占比值首次超過50%（PM10濃度值128 μg/m3），10 h 后（30 日13 時）達(dá)到峰值191 μg/m3，是原來的1.5 倍，31 日7時之后粗顆粒物占比值重新低于50%。 綜合考慮，說明重慶市位于盆地南部，不受沙塵輸送直接影響，反而在冷空氣作用下， 污染物濃度和粗顆粒物占比值均同步下降， 即冷空氣對污染物有明顯的清除效應(yīng)；29 日22 時之后PM10濃度和粗顆粒物占比值增大，主要是浮塵顆粒輸送到重慶市造成的，屬于沙塵間接影響。 比較成都市與重慶市在沙塵間接影響期間PM10濃度峰區(qū)出現(xiàn)的時間和增幅，可知：各個地方受浮塵顆粒物輸送影響時間段并不相同， 但變化幅度差距不大，而盆地南部受影響時間更短。

4.2 沙塵過程風(fēng)場與污染物濃度24 h 比值變化

由于沙塵顆粒通過偏北風(fēng)傳輸， 本節(jié)選取全風(fēng)速和風(fēng)速南北分量，PM10和CO 濃度24 h 比值空間分布進(jìn)行比較， 探究沙塵過程不同階段在沙塵輸送和風(fēng)場的共同作用下，PM10和CO 濃度的變化。 可知，2017 年12 月29 日00 時即沙塵過程到達(dá)前，盆地以1 級風(fēng)為主，2 級風(fēng)區(qū)主要位于盆地南部的重慶、遂寧和廣安區(qū)域，污染物濃度24 h 比值>1 區(qū)域位于東西兩側(cè)，比值<1 區(qū)域主要位于盆地南部。 表明沒有沙塵過程影響時，污染物變化相對一致，濃度24 h 比值低值區(qū)和大風(fēng)區(qū)相關(guān)性較高，污染物擴(kuò)散受全風(fēng)速的影響。

2017 年12 月29 日08 時沙塵過程直接影響開始時（圖7），盆地北部廣元、綿陽和巴中地區(qū)全風(fēng)速達(dá)到2 級；盆地大部分區(qū)域PM10濃度增大，且增大幅度由北向南遞減，其中PM10濃度大幅度增大區(qū)域與偏北風(fēng)分量區(qū)域相吻合；盆地南部宜賓、瀘州和重慶地區(qū)，PM10濃度降低，證明未受到沙塵輸送影響。值得注意的是，巴中地區(qū)同為2 級大值風(fēng)區(qū)，且位置較北，但由于巴中東部區(qū)域存在偏南風(fēng)分量大值區(qū)，PM10濃度增大幅度相對同緯度其他地區(qū)并不明顯。CO 濃度變化與00 時相比變化不大， 但盆地北部2級風(fēng)區(qū)降幅更明顯。因此在沙塵前期，沙塵輸送到盆地后，隨著風(fēng)速增大，顆粒物由北向南擴(kuò)散；而PM10濃度增大幅度的關(guān)鍵是南北風(fēng)分量；CO 濃度減少大值區(qū)則與全風(fēng)速大值區(qū)密切相關(guān)； 沙塵輸送未到達(dá)的南部地區(qū)，污染物濃度均降低。

圖7 2017 年12 月29 日08 時四川盆地地面場要素分布

2017 年12 月29 日21 時為沙塵過程直接影響中期， 四川盆地2 級大值風(fēng)區(qū)和偏北風(fēng)分量區(qū)基本影響整個盆地，CO 濃度值全面降低，偏北風(fēng)分量大值區(qū)CO 清除效率更明顯。 PM10濃度24 h 比值大幅度增大區(qū)域集中在廣元、 德陽和綿陽3 個出現(xiàn)沙塵天氣現(xiàn)象的地區(qū)，其周邊城市則小幅度增大，其余地區(qū)PM10濃度24 h 比值低于1。該階段在沙塵輸送和更大的全風(fēng)速和偏北風(fēng)分量共同影響下， 受沙塵影響嚴(yán)重的北部地區(qū)，PM10濃度繼續(xù)增大； 受沙塵影響不明顯的南部地區(qū)，PM10濃度則減小， 且重慶南部減少幅度更大。

2017 年12 月30 日18 時， 即沙塵過程間接影響期間， 風(fēng)場重新恢復(fù)1 級風(fēng)和偏南風(fēng)為主。 此時PM10濃度24 h 比值分布與上一階段相比正好相反，原本在沙塵輸送影響下，PM10濃度大幅度升高的北部區(qū)域，隨著沙塵輸送的結(jié)束及沙塵顆粒沉降，如今PM10濃度降幅最明顯；原本在大風(fēng)清除作用下，PM10濃度減少幅度越大的南部區(qū)域， 由于風(fēng)速減小和浮塵顆粒輸送， 如今PM10濃度增大越明顯。 CO 濃度24 h 比值同樣證明， 在大風(fēng)作用下盆地北部CO 清除效果最明顯，隨著風(fēng)速下降，該地區(qū)的CO 濃度則開始回升；其余地區(qū)則繼續(xù)下降。即沙塵間接影響期間，污染物濃度變化與前期濃度值有密切關(guān)系：隨著沙塵輸送的結(jié)束和風(fēng)速降低，沙塵顆粒物得到沉降，盆地北部PM10濃度下降； 浮塵顆粒物輸送則使盆地南部PM10濃度上升；受風(fēng)速減弱影響，盆地北部CO濃度開始回升，其余地區(qū)仍繼續(xù)下降。

6 結(jié)論與討論

以氣象條件和污染源作為切入點， 對2017 年12 月19—28 日四川盆地靜穩(wěn)型污染和29 日之后沙塵型污染2 個不同階段氣象場和污染物的變化趨勢進(jìn)行分析。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)靜穩(wěn)型污染期間盆地500 hPa受減弱的偏西風(fēng)影響，700 hPa 受重污染型天氣型控制，中高層擴(kuò)散條件不利，低層溫度、濕度穩(wěn)定上升有利于污染物生成； 伴隨著本地大氣污染源持續(xù)排放，顆粒物濃度同步緩慢上升，形成以細(xì)顆粒物為主的靜穩(wěn)型中度以上污染。29 日外來沙塵輸送伴隨冷空氣活動進(jìn)入盆地， 造成PM10濃度大幅度升高，形成以粗顆粒物為主的沙塵型污染。 其中盆地北部廣元市、 綿陽市和德陽市29—31 日出現(xiàn)沙塵天氣，成都市29—30 日地殼總離子濃度和粗顆粒物總濃度均明顯增大。

對沙塵過程中代表城市的污染物濃度變化進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)， 沙塵直接影響期間污染物濃度變化幅度最大， 其中廣元市PM10濃度增大到原來的4.5 倍，CO 濃度則明顯下降；沙塵間接影響期間，成都市和重慶市PM10濃度增大很可能是由浮塵顆粒物輸送造成。 而風(fēng)場與污染物濃度24 h 比值變化特征可知：沙塵過程前（靜穩(wěn)型污染），污染物濃度與風(fēng)速大小關(guān)系較密切； 沙塵直接影響期間（沙塵型污染），PM10濃度變化受沙塵輸送與氣象場共同影響，其中盆地北部沙塵輸送作用更明顯， 則PM10濃度增大；盆地南部大風(fēng)清除作用更明顯， 則PM10濃度減小。沙塵間接影響期間，隨著沙塵輸送結(jié)束和風(fēng)速減弱，沙塵顆粒得到沉降，浮塵顆粒則在盆地內(nèi)繼續(xù)輸送，盆地北部PM10濃度減小， 南部PM10濃度則開始增大。

本文研究內(nèi)容彌補(bǔ)了四川盆地在靜穩(wěn)型和沙塵型污染共同作用下污染過程變化特征的研究空缺，初步揭示靜穩(wěn)型污染向沙塵型污染轉(zhuǎn)換過程的不同階段中， 盆地不同地區(qū)污染物濃度變化特征和主要影響因子， 能為空氣污染防控規(guī)劃提供新的科學(xué)依據(jù)，具有重要科學(xué)價值。 但本文研究內(nèi)容仍有不足，如沙塵的具體輸送路徑等細(xì)節(jié)，仍需進(jìn)一步補(bǔ)充。