延吉市春季一次霾污染過程特征及成因分析

張 昊 付 強 張瑩瑩

（延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林延吉 133000）

1 引言

霾天氣定義為：大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0km的空氣普遍混濁現(xiàn)象[1]。霾天氣的形成原因有人為因素和自然因素兩個方面：工業(yè)活動及人類生活排放的PM2.5和PM10等一次氣溶膠粒子和氣態(tài)污染物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次粒子是霾污染的主要貢獻者[2-3]，有利的氣象條件則會使霾天氣加劇[4-5]。近年來國內(nèi)學(xué)者著重對霾形成的氣象條件開展了研究，徐紅等[6]認(rèn)為地面氣壓場弱、低空濕度大及強大的逆溫層利于霾天氣的形成?？的鹊萚7]對南京秋季一次霾污染分析后也得到了類似的結(jié)論。饒曉琴等[8]發(fā)現(xiàn)800hPa以下層垂直速度、渦度和散度的絕對值較小，是霾維持的動力因子。欒兆鵬等[9]認(rèn)為外來污染源傳輸作用配合本地靜穩(wěn)天氣形勢是造成泰安市冬季空氣污染的主要原因。張欣等[10]對上海市一次重霾天氣過程進行分析，發(fā)現(xiàn)范圍廣、區(qū)域集中的秸稈燃燒排放出的大量污染物會對區(qū)域污染產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

延吉市位于吉林省延邊州中部，地處長白山北麓山林盆地，城市周邊森林覆蓋率高、空氣質(zhì)量好，是吉林省優(yōu)秀旅游城市之一。近年來，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，延吉市城市化水平逐漸提高，機動車保有量逐年增加，霾污染日數(shù)也隨之增多。在此背景下，本文從污染特征、環(huán)流背景、氣象要素特征和污染物傳輸軌跡等方面對2019年3月18—20日延吉市發(fā)生的一次霾污染天氣過程加以分析，以期得到霾污染的成因和預(yù)報方法，為延吉市空氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料與方法

本研究使用的2019年3月資料如下：延吉市國控環(huán)境空氣自動監(jiān)測站18—20日PM10、PM2.5逐小時監(jiān)測數(shù)據(jù)；18—20日每日08時、20時全國地面觀測站定時觀測氣象資料、探空氣象站探空資料，延吉國家氣象站逐小時地面氣象觀測資料（包括氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、相對濕度、能見度等常規(guī)氣象要素資料）；ECMWF（歐洲中期天氣預(yù)報中心）的水平分辨率0.125°×0.125°，時間分辨率6h的ERA-interim再分析資料；后向軌跡模式分析采用NOAA（美國國家海洋大氣中心）和BOM（澳大利亞氣象局）共同研發(fā)的HYSPLIT模型（4.2版本），所用數(shù)據(jù)為NOAA提供的GDAS（全球資料同化系統(tǒng)）數(shù)據(jù)。

3 污染天氣過程分析

3.1 空氣污染監(jiān)測分析

2019年3月延吉市總體空氣質(zhì)量較好（圖1），但3月18—20日連續(xù)3d環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index，以下簡稱AQI）達到200以上，達到重度污染級別，細(xì)顆粒物PM2.5的日平均濃度為186.3μg/m3。20日AQI達284，首要污染物PM2.5的24h平均濃度達234μg/m3，這是近5年來延吉市初春季節(jié)首次出現(xiàn)如此嚴(yán)重的污染天氣。21日北方冷空氣過境，天氣形勢驟變，延吉市AQI開始下降，重污染天氣過程結(jié)束。

圖1 2019年3月延吉市AQI日變化

3.2 污染物濃度變化特征

圖2為延吉市空氣質(zhì)量監(jiān)測站點采集的3月18日00時—21日00時PM2.5和PM10濃度逐時變化情況。由圖2可見，PM2.5和PM10的濃度變化趨勢基本一致，通過相關(guān)性分析得出兩者呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.946。一方面說明這一時段的氣象條件對兩者的影響程度相似；另一方面說明兩者有一定的同源性。PM2.5和PM10都在18日11時達到濃度最高值（421μg/m3、450μg/m3），且顆粒物濃度在每日17:00—19:00達到谷值，10:00—13:00升至峰值。說明在污染持續(xù)時段傍晚空氣質(zhì)量最好，中午前后最差。

圖2 2019年3月18—20日PM2.5、PM10濃度變化

4 大氣條件分析

4.1 大氣環(huán)流形勢分析

對2019年3月18—20日500hPa高空和地面天氣形勢進行分析。亞歐中高緯整體為“兩槽一脊”環(huán)流形勢，烏拉爾山附近高壓脊穩(wěn)定，脊前偏北氣流引導(dǎo)冷空氣南下至貝加爾湖地區(qū)。19日冷空氣開始影響我國新疆和內(nèi)蒙古西部地區(qū)，21日，隨著高空槽東移南落，冷空氣受槽后西北氣流引導(dǎo)南下，影響我國東北和華北北部地區(qū)。18日延邊地區(qū)處于高空槽后部下沉氣流中，環(huán)流形勢相對穩(wěn)定，高空冷空氣活動較弱。隨著高空槽東移，19—20日延邊地區(qū)處于高空槽前，受槽前西南暖濕氣流影響，相對濕度增大，有利于霾污染的形成。850hPa有暖平流，低層增溫明顯，利于逆溫形成。近地面層大部分時間受均壓場控制，氣壓梯度小，不利于污染物水平擴散。

2019年3月18—20日，吉林省中東部受偏西氣流控制，在延邊地區(qū)有風(fēng)速的輻合，低層為下沉氣流，不利于污染物垂直方向上的擴散。同時850hPa平均溫度為4℃左右，說明冷空氣活動弱，利于污染物在近地面層聚集。穩(wěn)定的大氣層結(jié)也是形成重污染天氣的必要條件，18日08時—20日08時低層925hPa一直為西南風(fēng)，暖濕條件較好，利于逆溫的出現(xiàn)，在此時段內(nèi)延吉市上空總云量少，利于夜間輻射降溫，加之低層和近地面風(fēng)速小，難以破壞逆溫。延吉地處盆地之中，夜晚山坡上降溫快，冷空氣沿斜坡流入盆地，使原來的較暖的空氣受擠抬升，也利于逆溫的出現(xiàn)。從2019年3月18日20時、19日20時和20日08時延吉市溫度垂直廓線可見，3d均存在明顯逆溫，最大逆溫層頂位于950hPa附近，逆溫的存在使得大氣污染物垂直擴散能力減弱，空氣質(zhì)量惡化，能見度下降，尤其在19日上下層溫差較小，大氣湍流交換能力和熱力對流減弱，不利于污染物擴散。在這種情況下，大氣中的污染物又導(dǎo)致光照加熱被削弱，逆溫繼續(xù)維持，進一步導(dǎo)致霾污染過程持續(xù)時間增加。延吉市三面環(huán)山，具有獨特的山林盆地地形特征，周圍的山脈阻礙了氣溶膠顆粒的水平擴散，使其在延吉盆地聚集。綜上所述，3月18—20日這樣靜穩(wěn)的天氣形勢對區(qū)域性霾污染過程出現(xiàn)有利。

4.2 能見度特征分析

光的散射是能見度降低的最主要因素，PM10通過光的散射和吸收效應(yīng)，降低物體與背景之間的對比度，從而降低能見度[11]。在污染天氣持續(xù)期間，能見度與PM10濃度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.558，通過了0.01顯著性水平檢驗。根據(jù)2019年3月18—20日逐小時能見度和ρ（PM2.5）的變化情況（圖3）可見：ρ（PM2.5）日均值均在150μg/m3以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB2095-2012中規(guī)定的環(huán)境空氣污染物基本項目二級濃度限值（75μg/m3）[12]。ρ（PM2.5）于18日02時始呈上升趨勢，除18日和20日少數(shù)時段外，ρ（PM2.5）均大于日均值。日最高峰值分別出現(xiàn)在18日11時 （421μg/m3）、19日05時（408μg/m3）、20日12時（400μg/m3）。從能見度小時變化情況也能看到，除18日和20日部分時段外，大多數(shù)時段能見度均低于10.0km，符合霾天氣的定義。

圖3 2019年3月18—20日延吉市能見度和ρ（PM2.5）變化

4.3 氣象要素特征

從2019年3月18—20日延吉市氣溫、氣壓、相對濕度和風(fēng)速的逐小時變化情況（圖4）可以看出：污染天氣內(nèi)氣溫變化較為穩(wěn)定，日最高氣溫一般在18℃左右，ρ（PM2.5）峰值基本出現(xiàn)在每日中午，這是因為早上開始太陽輻射增強，氣溫逐漸升高，大氣光化學(xué)反應(yīng)加快，一次顆粒物向二次顆粒物開始轉(zhuǎn)化[13]，利于細(xì)顆粒污染物的聚集；污染期間日相對濕度都在50%以下，但每日最大值都在60%以上，較高的相對濕度會使細(xì)顆粒物吸濕增長[11]，對大氣能見度產(chǎn)生嚴(yán)重影響，繼而增大霾污染發(fā)生的幾率和強度；氣壓在968～986hPa，梯度較?。慌c此對應(yīng)的地面水平風(fēng)速也較小，污染期間大多數(shù)時段風(fēng)速在3m/s以下，風(fēng)速過小會降低大氣污染物水平輸送效率，在這樣擴散條件下大氣污染物持續(xù)堆積，為霾天氣的形成提供了有利的背景環(huán)境。而水平方向上風(fēng)速增大會加快氣團運動，對本地的氣體交換和大氣污染物向外擴散極為有利。

圖4 2019年3月18—20日氣溫（a）、氣壓（b）、相對濕度（c）、風(fēng)速（d）和ρ（PM2.5）逐小時變化

5 氣團軌跡分析

5.1 后向軌跡分析

目前HYSPLIT4模型主要用于研究大氣污染物及水汽條件的來源和輸送途徑[14]。本研究選取100m、500m、1 000m共3個最終高度對延吉市（42.90°N，129.51°E）污染期間每日ρ（PM2.5）最高的時段（18日10時、19日05時、20日12時）進行48h后向軌跡模擬分析（圖5）。從圖5a中可以看到，100m和500m高度氣團流向較為一致，3月17日10時開始自遼寧省盤錦市附近向西北行進到達黃海一帶，再沿西南方向經(jīng)吉林省通化、白山地區(qū)到達延吉市。1 000m高度氣團傳輸期間自3 000m高度開始下沉至2 000m以下高度，經(jīng)華北和渤海灣一帶沿西南方向到達遼寧省沈陽市，期間下沉至500m高度，18日02時高度開始迅速抬升，經(jīng)吉林省通化、白山地區(qū)到達延吉市。由圖5b可見，3種高度氣團的傳輸方向基本相同，都是自黃海和朝鮮半島西部東移北上至延吉市，3月18日06時前3種氣團高度變化幅度無明顯變化，污染物來源高度均在500m以下，說明19日污染物來源主要為低空污染物，且各高度氣團在經(jīng)過長白山地區(qū)時受地形影響均有不同程度的抬升。由圖5c可見，3種高度氣團源頭為江蘇沿海一帶，傳輸途徑與前兩日基本一致，1 000m和500m高度氣團分別自1 000m和500m開始下沉，19日08時逐漸抬升。與前兩日相比污染物來源高度明顯增高，說明20日污染物來源主要為高空污染物。綜合3日氣團的傳輸方向和高度變化來看，本次霾天氣污染物來源主要為華東沿海和遼寧地區(qū)，但污染物高度來源有所不同。各高度氣團整體受西南氣流控制，與850hPa平均風(fēng)場方向一致。

圖5 2019年3月18日10時（a）、19日05時（b）、20日12時（c）延吉市污染物后向軌跡模擬

5.2 聚類分析

為進一步研究和驗證延吉市霾污染天氣污染物主要來源和路徑，利用HYSPLIT模式對2019年3月延吉市1 000m高度氣團的水平移動速度和方向進行48h后向軌跡聚類分析，得到3條來源不同的平均輸送軌跡。聚類軌跡1的輸送距離最短，主要為吉林省本地輸送，污染源主要位于吉林省中西部地區(qū)，占比為44%；聚類軌跡2主要來源于華東沿海和遼寧省，占比為48%，是此次霾污染天氣的污染物主要來源；聚類軌跡3主要來源于黑龍江省，占比約為8%。

6 結(jié)語

（1）2019年3月延吉市總體空氣質(zhì)量較好，但3月18—20日連續(xù)3d AQI達到200以上，達到重度污染級別。顆粒物PM2.5和PM10都在18日11時達到濃度最高值，且顆粒物濃度在17:00—19:00達到谷值，10:00—13:00升至峰值。說明在污染持續(xù)時間傍晚空氣質(zhì)量較好，中午前后最差。

（2）延吉市2019年3月18—20日嚴(yán)重空氣污染期間，500hPa整體上呈“兩槽一脊”的環(huán)流形勢，低層受槽前西南暖濕氣流影響，地面處于均壓場控制下，低層950hPa存在明顯逆溫，且逆溫與污染天氣相互作用，導(dǎo)致霾污染過程持續(xù)時間增加。近地面平均風(fēng)速大都在3m/s以下，大氣污染物水平輸送效率低，導(dǎo)致大氣污染物持續(xù)堆積，日最高氣溫較高，加速了大氣光化學(xué)反應(yīng)，利于細(xì)顆粒污染物的聚集。在污染天氣持續(xù)期間，能見度與PM10濃度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（3）此次霾天氣污染物主要通過外來污染源傳輸，污染物來源主要為華東沿海和遼寧地區(qū)，各高度氣團整體受西南氣流控制，經(jīng)華東沿海、遼寧省，輸送至延吉市。污染物高度來源有所不同。19日污染物來源主要為低空污染物，由西南氣流帶動水平傳輸；20日污染物來源主要為低空污染物，通過氣流垂直運動下沉后隨西南氣流水平傳輸至延吉市。