2020, Vol. 40
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2. 四川省生态环境科学研究院, 成都 610042
2. Sichuan Academy of Eco-environmental Sciences, Chengdu 610042
近年来, 随着城市化进程的不断推进, 越来越多的城市面临空气污染压力.空气污染除与人类活动有关之外, 一定的气象条件和天气环流形势对其产生也有重要作用(李小飞等, 2012；蒋伊蓉等, 2015；高庆先等, 2017).
国内外学者对空气污染与环流形势的关系进行了大量研究, 例如, 常炉予等(2019)发现有利于促发臭氧污染的环流形势都与副高有关, 而不利于促发臭氧污染的环流形势都与低压系统有关；蒋婉婷等(2019)认为四川盆地850 hPa附近气压梯度小, 污染物不易扩散, 是导致重污染天气发生的重要因素；周益平等(2018)发现低层出现弱辐合区, 中低层的下沉气流导致大气垂直交换差, 是造成空气污染物累积的直接边界层动力条件.而在城市沿海地区, 海风在空气污染事件形成过程中的作用实际上是在早上将在前一天晚上被陆风带走且进入水面稳定层的污染气团输送回城市(Lalas et al., 1987；Ding et al., 2004；Baumgardner et al., 2006).Lo等(2006)进一步证明城市热岛效应减弱了陆风, 形成了循环汇聚带, 增强了污染物的汇聚和积累.Flocas等(2009)发现发生空气污染的最高发生概率与希腊北部反气旋的存在有关, 其表现为弱或非常弱的气压梯度.
在对重污染天气进行环流形势分析时, Lamb-Jenkinson客观环流分型法(Jones et al., 1993；Huth et al., 2008)在环流形势的研究中被大量采用(朱艳峰等, 2007；钟利华等, 2017；滕华超等, 2018), 但相关研究主要集中在我国东部、北部地区(俞科爱等, 2015；陈龙等, 2016；梁卓然等, 2017).成渝地区是中国西部经济最发达的地区, 随着区域性资源和能源的消耗, 大气污染事件时有发生, 但目前对于成渝地区空气污染与环流形势关系的研究主要为重污染过程个例的研究(李展等, 2015；杨康权等, 2016；李礼等, 2017), 缺少长时间序列、大范围及科学环流分型方法的综合研究.
因此, 本文通过Lamb-Jenkinson客观环流分型法, 对2014—2018年成渝地区的主导环流型及各个子区域的环流型进行计算分析, 并建立环流型与空气污染的关系, 以期得到有利于或不利于某一地区污染天气出现的高低层大气环流配置, 为成渝地区空气重污染形成过程分析提供天气环流形势参考.
2 数据与方法(Data and methods) 2.1 研究数据采用2014—2018年欧洲中心的ERA-interim再分析数据中的逐日4个时次(0：00、6：00、12：00、18：00)的850、500 hPa高度场和海平面气压场(水平分辨率0.75°×0.75°)资料和来自中国空气质量在线监测分析平台(https://www.aqistudy.cn/)的成渝地区(27.0°~33.0°N, 101.0°~110.0°E)18个城市逐日环境监测资料, 以及2014—2018年成渝地区各城市地面观测资料.
2.2 环流分型方法根据Lamb-Jenkinson客观环流分型法, 考虑到成渝地区所处范围, 将105°E、30.5°N设为环流分型区域中心, 在20.5°~40.5°N、97.5°~112.5°E范围内每隔5个经度、纬度取16个点, 对逐日平均850、500 hPa高度场和海平面气压场进行环流分型, 具体如图 1所示.另外, 在对成渝地区不同区域进行环流分型时, 根据历史污染事件中污染物扩散规律和地形分布特征, 将成渝地区分为成都平原经济区、重庆、川东北经济区和川南经济区4个区域, 在各区域范围内每隔2.5个经度、纬度取16个点进行分型计算, 结果如图 2所示.
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| 图 1 成渝地区城市分布及16个差分格点位置示意图 Fig. 1 The urban distribution of Chengdu-Chongqing area and the location of 16 grid points |
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| 图 2 不同区域16个差分格点位置 Fig. 2 The location of 16 grid points in different regions |
利用16个网格点数值, 根据中央差分的计算方案(朱艳峰等, 2007), 得到6个环流指数：中心点的地转风经向分量u、地转风纬向分量v、地转风
由地转风速、风向和地转涡度之间的关系, 将环流型分为平直气流型、旋转型、混合型三大类, 其中包括27小类, 具体如表 1所示.这种环流分型方法的天气学意义明确, 如某地区环流型为A型, 代表该地区为高压所控制；如果为C型则为低压所控制；S型表示该区域为偏南气流所控制；CS型表示该区域受低压前部的偏南地转风影响；依此类推.另外, 对于一些无明确物理意义的分型结果, 归类为U型.
| 表 1 Lamb-Jenkinson环流分型表 Table 1 The Lamb-Jenkinson circulation types |
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根据环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ633—2012), 单个城市的空气质量指数(Air Quality Index, AQI)可分为6个等级.本文为便于统计分析, 将空气质量指数在200以上的定义为重度污染, 其余等级不变, 即为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染.
在对2014—2018年成渝地区18个城市空气质量数据进行分析时, 考虑到本文研究的主要目的及区域污染传输影响, 将成渝地区每日空气质量分为5个等级：优良、局部污染、轻度污染、中度污染、重度污染, 具体如表 2所示.对于成渝地区4个子区域的空气污染等级定义, 除重庆外, 其它3个子区域的污染等级定义与成渝地区整个区域定义类似, 具体如表 3所示.
| 表 2 成渝地区空气质量级别定义 Table 2 Definition of air quality level in Chengdu-Chongqing area |
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| 表 3 成渝地区各子区域空气质量级别定义 Table 3 Definition of air quality levels in various sub-regions of Chengdu-Chongqing area |
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通过Lamb-Jenkinson环流分型法对成渝地区逐日环流形势进行分型计算, 统计分析各环流型的频率分布.从频率分布上来看, 绝大多数环流型频率低于5%, 因此, 取5%为分界线, 当环流型频率大于5%时, 认为该环流型为主要环流型.另外, 为研究不同层次环流型相互配合形成的综合环流型对空气质量的影响, 对成渝地区不同层次环流型形成的综合环流型进行统计分析, 发现大部分综合环流型频率低于2%, 因此取2%为分界线, 当综合环流型频率大于2%时, 认为该环流型为主要综合环流型.
根据图 3和图 4可知, 成渝地区海平面气压场的主要环流型为C(7.8%)、A(16.9%)、ANE(6.5%)、NE(17.4%)、SE(14.6%).如图 5所示, 850 hPa上的主要环流型为C(19.8%)、A(20.5%)、NE(8.7%)、SE(7.3%)、SW(7.0%).由图 6可知, 500 hPa上的主要环流型为A(9.7%)、AW(5.6%)、SW(5.5%)、W(58.7%)、NW(10.0%).成渝地区2014—2018年主要的综合环流型如表 4所示, 其中, 频率最高的综合环流型是海平面、850 hPa高度上均为高压控制, 500 hPa为高空平直西风气流.
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| 图 3 成渝地区2014—2018年不同层次环流型的频率分布 Fig. 3 Frequency distribution of different levels of circulation patterns in Chengdu-Chongqing area from 2014 to 2018 |
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| 图 4 成渝地区海平面气压场主要环流型 (图中等值线为海平面气压场的等压线, 单位为hPa) Fig. 4 Main circulation types of sea level pressure field in Chengdu-Chongqing area (the isobar of the sea level pressure field is shown in the figure, and the unit is hPa) |
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| 图 5 成渝地区850 hPa高度场主要环流型 (图中等值线为850 hPa上的等高线, 单位为dagpm) Fig. 5 Main circulation types of 850 hPa height field in Chengdu-Chongqing area (the contour line of 850 hPa is shown in the figure, and the unit is dagpm) |
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| 图 6 成渝地区500 hPa高度场主要环流型 (图中等值线为500 hPa上的等高线, 单位为dagpm) Fig. 6 Main circulation types of 500 hPa height field in Chengdu-Chongqing area (the contour line of 500 hPa is shown in the figure, and the unit is dagpm) |
| 表 4 成渝地区2014—2018年主要综合环流型 Table 4 The main integrated circulation types of Chengdu-Chongqing area from 2014 to 2018 |
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为更好地研究不同环流型对区域污染的影响, 对不同子区域的环流型进行统计分析.图 7为成都平原地区不同层次环流型频率分布图, 可以看出, 成都平原地区海平面气压场的主要环流型为A(14.8%)、CNE(6.3%)、ASW(6.5%)、NE(35.7%)、S(8.9%)、SW(8.2%)；850 hPa上的主要环流型为C(10.6%)、A(27.2%)、ANE(6.1%)、ASW(6.4%)、NE(16.5%)、SW(10.5%)；500 hPa上的主要环流型为A(6.0%)、CW(9.4%)、SW(10.4%)、W(48.2%)、NW(12.7%).
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| 图 7 成都平原地区2014—2018年不同层次环流型的频率分布 Fig. 7 Frequency distribution of different levels of circulation patterns in Chengdu Plain from 2014 to 2018 |
2014—2018年成都平原地区高低层之间存在9种主要的环流型搭配, 结果如表 5所示.其中, 频率最高的综合环流型与成渝地区一致, 海平面、850 hPa高度上均为高压控制, 500 hPa为平直西风.
| 表 5 成都平原地区2014—2018年主要综合环流型 Table 5 Main integrated circulation types in Chengdu Plain area from 2014 to 2018 |
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由图 8可知, 重庆地区海平面气压场的主要环流型为C(34.1%)、A(18.5%)、ASE(7.4%)、SE(14.1%)；850 hPa上的主要环流型为C(19.2%)、A(18.1%)、NE(6.0%)、SE(12.5%)、SW(7.7%)；500 hPa上的主要环流型为SW(13.3%)、W(55.8%)、NW(13.3%).2014—2018年重庆地区高低层之间存在7种主要的环流型搭配(表 6), 可知重庆地区最高频率综合环流型为高层为平直西风气流, 低层为高压环流(A-A-W).
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| 图 8 重庆地区2014—2018年不同层次环流型的频率分布 Fig. 8 Frequency distribution of different levels of circulation patterns in Chongqing from 2014 to 2018 |
| 表 6 重庆地区2014—2018年主要综合环流型 Table 6 Main integrated circulation types in Chongqing from 2014 to 2018 |
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由图 9可知, 川东北地区海平面气压场的主要环流型为C(34.3%)、A(18.9%)、CE(6.7%)、CSE(6.1%)、E(5.9%)、SE(11.2%)；850 hPa上的主要环流型为C(15.0%)、A(23.0%)、ASW(6.0%)、NE(7.7%)、E(7.3%)、SE(7.0%)、SW(8.8%)；500 hPa上的主要环流型为A(5.1%)、SW(13%)、W(42.8%)、NW(22.6%).川东北地区的主要综合环流型有5种, 具体如表 7所示, 综合环流型频率最高的为A-A-W.
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| 图 9 川东北地区2014—2018年不同层次环流型的频率分布 Fig. 9 Frequency distribution of different levels of circulation patterns in northeast area of Sichuan from 2014 to 2018 |
| 表 7 川东北地区2014—2018年主要综合环流型 Table 7 Main integrated circulation types in northeast area of Sichuan from 2014 to 2018 |
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由图 10可知, 川南地区海平面气压场的主要环流型为C(16.4%)、A(19.6%)、CNW(5.6%)、ASE(10.4%)、N(7.4%)、NE(10.7%)、SE(6.8%)；850 hPa上的主要环流型为C(29.1%)、A(20.0%)、ASE(7.1%)、NE(9.4%)、SE(8.8%)；500 hPa上的主要环流型为SW(15.4%)、W(55.9%)、NW(10.6%).川南地区主要的综合环流型有7种, 具体如表 8所示, 其中, 环流型频率最高的为A-A-W, 即低层为高压控制, 500 hPa高度上为西风气流.
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| 图 10 川南地区2014—2018年不同层次环流型的频率分布 Fig. 10 Frequency distribution of different levels of circulation patterns in south area of Sichuan from 2014 to 2018 |
| 表 8 川南地区2014—2018年主要综合环流型 Table 8 Main integrated circulation types in south area of Sichuan from 2014 to 2018 |
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总的来说, 在海平面气压场上, 成都平原地区最高频率环流型为东北气流型(NE), 重庆和川东北地区为气旋型(C), 川南地区为反气旋型(A)；850 hPa上, 成都平原和川东北地区的最高频率环流型均为反气旋型(A), 重庆和川南地区为气旋型(C)；500 hPa上, 最高频率环流型均为平直西风气流(W)；从综合环流型来看, 低层为高压、高层为平直西风气流(A-A-W)是4个子区域里经常出现的环流型.
3.3 空气质量等级与环流形势分析在不同区域的主要环流型基础上, 为使对某一环流型下更易产生某一空气质量级别的判断更为合理, 令区域中某一环流型下某一空气质量级别频率为N1, 该区域里2014—2018年该空气质量级别所占频率为N2, 定义N1与N2的差值为分析不同环流型对空气质量的影响判断因子, 即N1-N2.当N1-N2>0时, 表示该环流型下易出现某种空气质量级别, 当N1-N2 < 0时, 则不易出现该空气质量级别.表 9为2014—2018年不同区域各空气质量级别所占频率N2.
| 表 9 2014—2018年各区域不同空气质量级别的频率分布 Table 9 Frequency distribution of different air quality levels in different regions from 2014 to 2018 |
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图 11为成渝地区主要环流型下各空气质量级别的频率差值分布, 易发生中重度污染天气的主要环流型在地面上为气旋型(C)、东南气流型(SE)；850 hPa上为气旋型(C)、西南气流型(SW)；500 hPa上为西风气流型(W)；综合环流型为高空500 hPa上是平直西风, 地面和850 hPa上是低压或东南气流型(C-C-W、SE-SE-W、CSE-C-W).
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| 图 11 成渝地区主要环流型下空气质量级别的频率差值分布 Fig. 11 Frequency difference distribution of air quality levels under the main circulation types in Chengdu-Chongqing area |
成渝地区易发生优良天气的主要环流型在地面上为反气旋型(A)、高压前部东北气流型(ANE)和东北气流型(NE)；850 hPa上为反气旋型(A)、东北气流型(NE)；500 hPa上为高压北部偏西气流型(AW)、西南气流型(SW)；综合环流型为高空500 hPa上是平直西风, 地面和850 hPa上是高压或东北气流(A-A-W、NE-NE-W).
成都平原地区主要环流型下各空气质量级别的频率差值分布如图 12所示, 易发生中重度污染天气的主要环流型在地面上为偏南气流型(S)、西南气流型(SW)、高压后部西南气流型(ASW)；850hPa上为气旋型(C)、西南气流型(SW)、高压后部西南气流型(ASW)；500 hPa上为平直西风气流型(W)、低压南部偏西气流型(CW)、西北气流型(NW)；综合环流型为低层为西南气流, 高层为西风气流(SW-SW-W、ASW-ASW-W).
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| 图 12 成都平原地区主要环流型下空气质量级别的频率差值分布 Fig. 12 Frequency difference distribution of air quality levels under the main circulation types in Chengdu plain area |
成都平原地区易发生优良天气的主要环流型在地面上为反气旋型(A)、东北气流型(NE)；850 hPa上为反气旋型(A)、高压前部东北气流型(ANE)和东北气流型(NE)；500 hPa上为西南气流型(SW)；综合环流型为高层为平直西风气流, 低层为高压或东北气流(NE-ANE-W、A-A-W、NE-A-W、NE-NE-W).
从图 13可以分析出重庆地区各层次环流型对空气质量的影响.易发生中重度污染天气的主要环流型在地面上为反气旋型(A)、高压后部东南气流型(ASE)；850 hPa上为西南气流型(SW)、东北气流型(NE)；500 hPa上为平直西风气流型(W)；综合环流型有低层为高压, 高层为西风气流(A-A-W).
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| 图 13 重庆地区主要环流型下空气质量级别的频率差值分布 Fig. 13 Frequency difference distribution of air quality levels under the main circulation types in Chongqing area |
重庆地区易发生优良天气的主要环流型在地面为东南气流型(SE), 500 hPa上为西南气流型(SW), 综合环流型为低层为低压或高压后部东南气流, 高层为平直西风或西南气流(C-C-W、C-C-SW、ASE-SE-W).
川东北地区主要环流型对空气质量的影响如图 14所示, 可知易发生中重度污染天气的主要环流型在地面上为反气旋型(A)、偏东气流型(E)；850 hPa上为反气旋型(A)、东南气流型(SE)、高压后部西南气流型(ASW)；500 hPa上为西风气流型(W)、西北气流型(NW)；综合环流型为低层为高压, 高层为西风或西北风气流(A-A-W、A-A-NW).
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| 图 14 川东北地区主要环流型下空气质量级别的频率差值分布 Fig. 14 Frequency difference distribution of air quality levels under the main circulation types in northeast area of Sichuan |
易发生优良天气的主要环流型在地面为气旋型(C)、低压北部偏东气流型(CE)、低压前部东南气流型(CSE)、东南气流型(SE)；850 hPa上为气旋型(C)、东北气流型(NE)；500 hPa上为反气旋型(A)、西南气流型(SW)；综合环流型为低层为低压, 高层为西风或西南风气流(C-C-W、C-C-SW).
根据图 15可分析出川南地区主要环流型对空气质量的影响.川南地区易发生中重度污染天气的主要环流型在地面上为气旋型(C)、反气旋型(A)、东南气流型(SE)、高压后部东南气流型(ASE)；850 hPa上为东南气流型(SE)、高压后部东南气流型(ASE)；500 hPa上为西风气流型(W)、西北气流型(NW)；综合环流型为高层为西风气流, 低层为低压环流、东南气流、高压后部东南气流(C-C-W、SE-SE-W、ASE-ASE-W、ASE-SE-W).
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| 图 15 川南地区主要环流型下空气质量级别的频率差值分布 Fig. 15 Frequency difference distribution of air quality levels under the main circulation types in south area of Sichuan |
川南地区易发生优良天气的主要环流型在地面上为偏北气流型(N)、东北气流型(NE), 低压后部西北气流型(CNW)；850 hPa上为反气旋型(A)、东北气流型(NE)；500 hPa上为西南气流型(SW)；综合环流型为低层为东北气流, 高层为西风气流(NE-NE-W).
3.4 典型个例分析根据环流型统计结果可知, 成渝地区发生中重度污染时, 海平面气压场环流型主要分为低压型和东南气流型, 据此挑选个例进行分析.
3.4.1 低压型2018年5月13—16日成渝地区发生中重度污染天气, 据图 16可知, 5月13—14日, 成渝地区中部为闭合低压, 500 hPa高度场上有一低槽东移过境, 移速较快, 槽后虽存在冷平流但不足以破坏低层稳定的低压环流, 地面的空气质量指数继续下降；15—16日, 500 hPa高度场上低槽东移, 成渝地区处于弱脊中, 高空为下沉气流, 不利于污染物扩散, 地面低压中心气压值下降至996 hPa, 温度场暖中心与低压中心几乎重合, 根据图 17可知, 地面温度不断上升, 同时在均压场控制下成渝地区绝大部分城市的地面风速处于2 m · s-1以下, 未发生降水, 这些气象条件不利于污染物的扩散, 成都、眉山一带出现中度污染, 在16日川南地区处于中度污染中, 成都出现重度污染.
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| 图 16 2018年5月14、16日成渝地区空气质量分布(a、b)和海平面气压场(c、d)、500 hPa高度场(e、f)的环流形势 (图中红色虚线为等温线，单位为℃) Fig. 16 The distribution of air quality (a, b) and the circulation situation of sea level pressure field (c, d) and 500 hPa height field (e, f) in Chengdu-Chongqing area on May 14 and 16, 2018 (the red dotted line in the figure is isotherm, and the unit is ℃) |
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| 图 17 2018年5月13—16日成渝地区地面温度、风速变化 Fig. 17 The changes of ground temperature and wind speed in Chengdu-Chongqing area from May 13 to 16, 2018 |
2017年1月19日, 成渝地区出现中度污染天气(图 18), 海平面气压场和850 hPa高度场上为高低压之间的东南气流, 高空500 hPa为平直西风气流, 地面风速小于2 m · s-1, 除广元、遂宁、重庆外其余城市均处于污染天气中, 自贡、泸州发生中度污染.20日, 高空500 hPa上转为西北气流, 不利于污染物的垂直扩散, 内江空气污染加重出现中度污染, 重庆、遂宁也出现轻度污染天气.
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| 图 18 2017年1月19—20日成渝地区空气质量(a、b)和海平面气压场(c、d)、500 hPa高度场(e、f)的环流形势及风速(g)变化 Fig. 18 Air quality and circulation situation(sea level pressure field, 500 hPa height field) and wind speed change in Chengdu-Chongqing area from January 19 to 20, 2017 |
1) 成渝地区易发生中重度污染天气的主要综合环流型为：500 hPa上是平直西风, 地面和850 hPa上是低压或东南气流型(C-C-W、SE-SE-W、CSE-C-W)；易发生优良天气的主要综合环流型为：500 hPa上是平直西风, 地面和850 hPa上是高压或东北气流(A-A-W、NE-NE-W).
2) 成都平原地区易发生中重度污染天气的主要综合环流型为：低层为西南气流, 高层为西风气流(SW-SW-W、ASW-ASW-W)；易发生优良天气的主要综合环流型为：高层为平直西风气流, 低层为高压或东北气流(NE-ANE-W、A-A-W、NE-A-W、NE-NE-W).
3) 重庆地区易发生中重度污染天气的主要综合环流型为：低层为高压, 高层为西风气流(A-A-W)；易发生优良天气的主要综合环流型为：低层为低压或高压后部东南气流, 高层为平直西风或西南气流(C-C-W、C-C-SW、ASE-SE-W).
4) 川东北地区易发生中重度污染天气的主要综合环流型为：低层为高压, 高层为西风或西北风气流(A-A-W、A-A-NW)；易发生优良天气的主要综合环流型为：低层为低压, 高层为西风或西南风气流(C-C-W、C-C-SW).
5) 川南地区易发生中重度污染天气的主要综合环流型为：高层为西风气流, 低层为低压环流、东南气流、高压后部东南气流(C-C-W、SE-SE-W、ASE-ASE-W、ASE-SE-W)；易发生优良天气的主要综合环流型为：低层为东北气流, 高层为西风气流(NE-NE-W).
6) 通过对污染个例分析发现, 当地面为低压或东南气流, 同时风速较小时, 不利于污染物的水平扩散；若高空为弱脊控制, 在下沉气流的作用下, 不利于污染的垂直扩散, 地面污染进一步加重.
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