环境科学学报  2020, Vol. 40 Issue (7): 2346-2355
引用本文
于彩霞, 石春娥, 凌新锋, 等. 2020. 基于综合观测的中国中东部地区一次严重污染过程分析[J]. 环境科学学报, 40(7): 2346-2355.
Yu C X, Shi C E, Ling X F, et al. 2020. Analysis of a severe fog-haze process in central and eastern China based on comprehensive observations[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 40(7): 2346-2355.
基于综合观测的中国中东部地区一次严重污染过程分析    [PDF全文]
于彩霞1,2, 石春娥1,2, 凌新锋2, 朱月佳3, 范伟4    
1. 安徽省气象科学研究所, 大气科学与卫星遥感安徽省重点实验室, 合肥 230031;
2. 寿县国家气候观象台, 中国气象局淮河流域典型农田生态气象野外科学试验基地, 寿县 232200;
3. 安徽省气象台, 合肥 230031;
4. 安徽建筑大学环境与能源工程学院, 合肥 230031
收稿日期: 2020-01-07; 修回日期: 2020-03-23; 录用日期: 2020-03-23
基金项目: 国家重点研发计划（No.2016YFC0201903）；安徽省重点研究与开发项目（No.1804a0802215，1804a0802196）
作者简介: 于彩霞(1988-), 女, 工程师, E-mail:xiaoyu_abcd@126.com
摘要：利用寿县国家气候观象台GRIMM80颗粒物监测仪、Aurora3000浊度计等探测的气溶胶浓度、大气散射系数分析了2018年1月中国中东部地区发生的一次严重污染过程.利用Airda微波辐射计探测的近地层温湿廓线数据，结合地面常规气象观测资料及EC再分析资料，探讨了此次污染过程形成、短时消散及清除的气象原因.结果表明：与历史同期相比，500 hPa极涡较浅、经向环流减弱；850 hPa西南气流强盛，中低层水汽充足加剧污染.污染发生于冷空气间歇期.在此污染过程中，地面平均风速为1.5 m·s-1，日均日照时数为0.1 h，相对湿度为91.2%，高湿、小风、多云寡照不利于污染水平扩散.1月18-22日边界层持续存在多层逆温，第一逆温层基本多为贴地逆温，逆温高度低于200 m，近地层大气比湿超过5 g·kg-1，最大值高于7 g·kg-1.在此期间出现两次空气质量短时段好转，这主要源于对流层中低层转为西北风，900 hPa以下聚集相当位温（Qe）低于288 K的浅薄冷空气堆，导致贴地逆温层消失地面污染被稀释.但两次弱冷空气没有打破边界层内有利于污染聚集的逆温、高湿结构，地面气团温度露点差无明显变化.23日较强冷空气使高空干洁大气入侵近地层，850 hPa以下Qe < 284 K，表明地面污染气团被置换，污染过程结束.
关键词：雾-霾    气候异常    露点温度    冷空气    
Analysis of a severe fog-haze process in central and eastern China based on comprehensive observations
YU Caixia1,2, SHI Chun'e1,2, LING Xinfeng2, ZHU Yuejia3, FAN Wei4    
1. Key Laboratory of Atmospheric Science and Satellite Remote Sensing, Anhui Institute of Meteorology, Hefei 230031;
2. Typical Farmland Eco-meteorology Field Scientific Test Base of China Meteorological Administration in Huaihe River Basin, Shouxian National Climate Observatory, Shouxian 232200;
3. Anhui Meteorological Station, Hefei 230031;
4. School of Environment and Energy Engineering, Anhui University of Architecture, Hefei 230031
Received 7 January 2020; received in revised from 23 March 2020; accepted 23 March 2020
Abstract: A severe,prolonged and regional fog-haze episode occurred in the central and eastern China on January 13-23,2018. The aerosol concentration by GRIMM80 Particulate Monitor,atmospheric scattering coefficient by Aurora-3000 Turbidimeter of Shouxian National Climate Observatory were used to analyze the evolution of the event. Based on the near-surface temperature and humidity profiles by Airda Microwave Radiometer,combined with hourly data of ground level meteorological parameters and EC reanalysis data,the meteorological reasons for the formation,short-term dissipation and elimination of this pollution event were investigated. Results show that:Compared with the same period of history,the 500 hPa polar vortex was shallower and the meridional circulation was weaker; The southwest air flow was stronger at 850 hPa,and the water vapor in the middle and lower troposphere was sufficient to aggravate the pollution. The pollution event occurred during the intermission of cold air activity. During the pollution event,the ground level meteorology were characterized as high humidity,light wind and cloudy,with the average wind speed of 1.5 m·s-1,daily sunshine hours of 0.1 h and relative humidity of 91.2%,which were not conducive to the horizontal diffusion of pollution. From January 18 to 22,temperature inversion occurred frequently around the ground and the inversion height was less than 200 m. What's more,the specific humidity of the atmosphere near surface was more than 5 g·kg-1,with the maximum value over 7 g·kg-1. The two air quality short-term improvement process during the maintenance of pollution was due to the transition to the northwest wind in the lower to middle troposphere,and the accumulation of shallow cold air stacks with the equivalent potential temperature (Qe) lower than 288 K below 900 hPa,resulting in the disappearance of the ground inversion layer and the dilution of ground pollutants. However,the two cold-air did not break the inversion and high humidity structure within the boundary layer,which resulted in pollution rebound in a short time. On January 23,dry cold air at high altitude invaded with Qe < 284 K below 850 hPa,indicating ground-level polluted air mass was replaced and the pollution process was over.
Keywords: fog-haze    climatic anomaly    dew point temperature    cold air    
1 引言(Introduction)

近年来, 随着经济高速发展, 大气污染问题日渐凸显, 由此带来的经济、社会和生态问题越来越严重.大气污染不仅造成人体伤害(Peters et al., 1996; Pope et al., 2006), 降低大气能见度(Neill et al., 1993), 影响城市交通、城市运作, 还会影响辐射传输(Dubovik et al., 2000), 并对农作物生长和气候变化(Hertig et al., 1984)都产生一定的影响(Mark et al., 2001).因此, 在污染物特征研究的基础上, 开展大气污染气象成因分析, 对于大气污染治理、改善大气环境具有重要的现实意义.

污染主要发生在边界层内部, 其污染严重程度与污染源排放强度有直接关系, 但在一定时期内污染物排放量相对稳定, 因此, 气象条件对污染物浓度短期变化的影响更为显著(Barrie, 1986; Jaffe et al., 1999).基于区域大气污染与气象条件统计分析研究, 对城市及区域污染过程的机理分析及预报研究也逐步开展(罗森波等, 2006；王宏等, 2009；张小曳, 2010；Zhang et al., 2012；Chen et al., 2013; Liu et al., 2017).研究表明, 风速、相对湿度、降水等是影响污染物稀释、扩散、聚集和清除的重要气象因子(刘晓慧等, 2013；陈镭等, 2017；Deng et al., 2018；于彩霞等, 2018).总体而言, “空气停滞”的气象状态尤为不利于颗粒物的沉降与扩散(邓雪娇等, 2011；Xu et al., 2011).均压场、冷锋前型及地面倒槽易导致重度霾过程(朱佳雷等, 2013; 过宇飞等, 2013).对于华东地区而言, 高压前部弱气压的维持是导致华东部分省份连续重度污染的重要原因(许建明等, 2016).

目前已有研究认为, 大气垂直运动对污染维持和消散十分重要.近地面弱上升运动和中高层弱下沉运动有利于污染的增强和维持(刘梅等, 2014；Shi et al., 2018；Kang et al., 2019).在珠三角地区, K指数、SI指数等参数可以评估大气垂直交换能力, 进而评价大气污染稀释扩散的作用(廖碧婷等, 2012).孙兴池等(2017)认为, 在中高纬度地区, 冷空气过程中的下沉运动能够打破大气垂直交换停滞的状态, 将高空清洁大气倾泻到地面, 从而改善地面空气质量.

20世纪80年代以来, 安徽霾日数不断增加(石春娥等, 2018), 其中, 安徽北部沿淮地区年霾日数增长最快, 冬春季节AOD值较高(王浩洋等, 2015).沿淮地区位于我国南北气候过渡带, 天气现象复杂, 研究表明, 沿淮地区大气质量与偏北风下的污染输送密切相关(Wang et al., 2015；于彩霞等, 2018；Kang et al., 2019; Deng et al., 2019).寿县国家气候观象台位于32.58°N、116.78°E, 2006年作为中国气象局的5个国家气候观象台试点站之一, 开展了综合气象观测系统的设计和示范建设, 通过一系列的科学试验, 先后布设了大气成分观测网、降水遥感探测网、降水遥感探测网等.

基于此, 本研究选取2018年1月中旬中国中东部地区一次伴随污染传输的严重雾-霾事件, 利用寿县国家观象台的综合观测资料及常规气象资料, 分析不同阶段的污染变化特征及边界层特征, 并分析此过程中两次污染减弱的成因.

2 数据与方法(Datas and methods) 2.1 气象数据

地面气象数据来源于寿县国家气候观象台地面常规观测资料, 时间分辨率为1 h.EC再分析资料来源于网站(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interimfull-daily/levtype=sfc/), 时间分辨率为6 h, 空间分辨率为0.125°×0.125°, 包括位势高度、风向风速、比湿、垂直运动等变量.

大气温湿垂直探测数据来源于寿县国家气候观象台微波辐射计反演资料.微波辐射计仪器型号为Airda-HTG3, 探测高度为数据垂直分辨率0~500 m范围内≤30 m, 500~1000 m范围内≤50 m, 1000~2000 m范围内≤100 m.

2.2 气溶胶数据

本文中所用气溶胶颗粒物浓度及粒子个数资料来源于寿县国家气候观象台监测数据.采集仪器为德国GRIMM公司180-CMA/MC颗粒物监测仪, 利用光散射原理探测大气中颗粒物个数及直径大小, 进而计算颗粒物质量浓度.颗粒物监测仪装有温度和湿度传感器, 空气湿度达到55%时启动自动除湿功能.数据时间分辨率为5 min.按照《环境空气质量技术规定》(HJ 633—2012), 空气质量为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染等级分别对应大气中PM2.5质量浓度范围为0~35、35~75、75~115、115~150、150~250、>250 μg · m-3, PM10质量浓度范围为0~50、50~150、150~250、250~350、350~420、>420 μg · m-3.

气溶胶散射系数及后向散射系数数据来自寿县观象台观测资料.数据采集仪器为澳大利亚ECOTECH公司的Aurora3000浊度计, 利用LED光源发射450、525、635 nm光波测量颗粒物在3个波段的散射系数和后向散射系数, 每日凌晨进行一次零点检测, 检测时间为15~20 min.数据时间分辨率为5 min.本站浊度计未开启除湿功能.

气溶胶质量浓度数据、散射系数数据均进行了质量控制, 包括界限值检查、内部一致性检查.气溶胶质量浓度、散射系数界限值分别设定为0~1500 μg · m-3、0~10000, 内部一致性检查分别为PM1 < PM2.5 < PM10, scat450>bscat450, scat525>bscat525, scat635>bscat635.未通过界限值检查和内部一致性检查的数据判定为错误并剔除.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 污染过程及污染物特征分析

2018年1月13—23日中国中东部地区出现了一次大范围持续污染事件, 污染伴随大范围浓雾、局地强浓雾过程.受不利气象条件影响, 13—15日华北北部部分城市出现轻中度污染(图 1a), 寿县位于入海高压后部, 16日污染在陕西、河北、山东、河南、江苏、安徽一带显著加剧, 并向湖南、江西一带扩展(图 1b), 17—22日污染在上述地区持续累积, 期间大部分地区达到重度及严重污染(图 1c), 23日开始污染自北向南消散(图 1d).图 1给出了1月13—23日中国中东部地区平均PM2.5浓度分布.整个污染过程导致河南、山东大部、安徽北部、陕西南部PM2.5平均浓度达到150~320 μg · m-3, 污染持续时间长、影响范围广, 对中东部大部分省份的生产生活造成严重影响.

图 1 2018年1月14日(a)、16日(b)、21日(c)、23日(d)中国中东部地区PM2.5浓度分布 Fig. 1 Spatial distribution of the PM2.5 central and eastern China on January 14(a), January 16(b), January 21(c), January 23(d) 2018 respectively

结合地面PM2.5浓度变化(图 2a)和对流层中低层天气形势分析分析可知, 13—15日受东移南支槽影响, 寿县地区维持暖湿西南气流(图略), 本地污染逐渐积累加剧.16日弱冷空气南下, 江汉地区受高压控制, 污染传输导致寿县污染物浓度急剧升高, 17—22日偏西气流平直, 寿县地区大部分时间受长期弱高压系统控制, 本地污染长时间维持并伴随大范围浓雾, 23日后伴随强冷空气入侵寿县地区进入污染清除阶段.

图 2 2018年1月13—24日寿县PM2.5质量浓度(a)、粒子个数(b)、相对湿度(c)、后向散射比(d)、风向(e)及风速(f)逐时变化曲线 Fig. 2 Hourly PM2.5 concentration(a), particle number(b), relative humidity(c), backscattering ratio(d), hourly curve(e) and wind speed(f) from January 13 to 24, 2018 at Shouxian

15日20：00—16日20：00寿县PM2.5浓度由80 μg · m-3增加至128.7 μg · m-3, 气溶胶粒子个数从9.0×105个增寿县加至1.5×106个(图 2b).尽管该时段大气含水量高, 且相对湿度高从81%增加至99%(图 2c), 但由于PM2.5监测时已启动除湿功能(当相对湿度大于55%时), 因此, 污染加剧主要是气溶胶粒子个数增加导致.从地面风场来看(图 2e、图 2f), 15日20：00地面风向转为持续的西北风, 且风速略有增加, 因此, 16日污染加剧主要来源于区域污染传输.

由于浊度计测量时关闭了加热装置, 因此, 测量的大气散射系数反映了吸湿增长后的大气气溶胶光学特征.13日受偏南气流影响, 大气相对湿度高于70%, 气溶胶粒子吸湿增长且不断增多的气溶胶细粒子聚合成较大粒子, 因而减少了大气中细粒子所占的比例(田磊等, 2010), 大气气溶胶后向散射比由0.16下降到0.13(图 2d).14—15日污染累积期间大气后向散射比在0.13左右浮动.16日气溶胶后向散射比骤减至0.11, 这可能是北方污染物由于长距离传输细粒子占比较低导致的.在23日污染清除阶段, 气溶胶后向散射比由0.12上升至0.18, 表明大部分气溶胶被清除, 仅少量细粒子存在.

3.2 气候背景分析

图 3给出了2018年13—23日期间500、850、1000 hPa位势高度、风场及与2008—2017年历史同期位势高度、风场的距平场.污染维持期间, 500 hPa等压线平直(图 3a)、东亚大槽浅薄, 与近10年同期相比, 2018年位势高度距平(图 3b)纬向波动为高纬度负距平, 中低纬度正距平, 西太平洋副高加强西伸, 表明500 hPa极涡较浅, 经向环流减弱, 冷空气活动异常偏弱.850 hPa高度, 中国东部地区中高纬位于槽后脊前(图 3d), 受西北风控制, 而中低纬度地区受西太平洋副高西伸影响, 西南风盛行.由于850 hPa副高是向东亚地区输送水汽的主要通道, 增强的副热带高压将西太平洋水汽向我国华东、华南地区输送, 导致该时段中国中东部地区大气水汽含量高, 大气相对湿度显著增加.此次污染维持期间, 1000 hPa华北地区受弱高压控制, 华东位于高压前部, 近地层盛行弱下沉气流, 高压前部弱气压系统导致污染长时间在华北、华东一带徘徊停留, 因而出现连续重度污染(许建明等, 2016).

图 3 2018年1月13—23日500 hPa (a)、850 hPa (c)、1000 hPa (e)平均位势高度(等高线)、风场(箭头)及500 hPa (b)、850 hPa (d)、1000 hPa (f)位势高度距平(相对于2008—2017年同期平均) Fig. 3 The average geopotential height(contour) and wind(arrows) at 500 hPa(a), 850 hPa(c), 1000 hPa(e) from January 13 to 23, 2018 and the differences in the average geopotential height and wind during the same period between 2018 and 2008—2017 at 500 hPa(b), 850 hPa(d), 1000 hPa(f)

通过对比近10年(2008—2017年)逐年1月的月平均气象要素(温度、相对湿度、日照和风速)发现(图 4), 2018年1月日平均温度达到-0.1 ℃, 为近10年同期最低, 日平均风速为2.7 m · s-1, 为近10年同期最高, 表明2018年1月冷空气活动频繁, 但污染期间(13—23日)日平均温度较高(3.4 ℃), 平均风速小(1.5 m · s-1), 表明污染过程发生于冷空气活动间歇期, 近地层大气水平扩散能力较弱.2018年1月多云寡照, 日均日照时数仅为0.1 h, 污染期间仅为0.03 h, 显著低于历年同期水平.持续的阴天寡照使大气垂直方向大气交换能力减弱, 不利于污染的垂直扩散.从相对湿度来看, 从2011年起, 1月日均相对湿度持续升高, 2018年1月日均相对湿度为80%, 而污染期间日均相对湿度达到91.2%, 水汽含量增加导致颗粒物吸湿增长, 加剧污染.

图 4 2008—2018年逐年1月及污染期间(2018年1月13—23日)地面气象要素(温度、相对湿度、日照、风速)变化 Fig. 4 January average of temperature, relative humidity, sunshine duration, wind speed from 2008 to 2018 and average value of each factor during pollution period(January 13 to 24, 2018) at Shouxian
3.3 污染维持的边界层特征

基于微波辐射计对1月17—22日温度和大气比湿监测数据, 反演污染期间近地层温湿剖面(图 5).逆温层厚度为逆温层顶的高度减去逆温层底的高度, 逆温层的强度为逆温层顶的气温与逆温层底的气温的差值, 差值越大, 表明逆温层强度越大.由于观测数据缺失, 未能探测到13—16日近地层温度层结, 但可以看出17—22日期间寿县上空都存在着明显的多层逆温, 且第一逆温层底大部分为0, 说明污染期间贴地逆温长时间存在.17日20 h逆温厚度接近2 km, 第一逆温不足50 m, 逆温强度为1.2 ℃/100 m.18—22日8：00第一逆温层高度分别约50、25、75、220、50 m, 逆温强度分别为1.2 ℃/100 m、1 ℃/100 m、0.4 ℃/100 m、0.6 ℃/100 m、0.4 ℃/100 m, 18—22日2：00第一逆温层高度分别约50、50、200、600、500 m, 逆温强度分别为1 ℃/100 m、1.2 ℃/100 m、1.5 ℃/100 m、1.8 ℃/100 m、0.4 ℃/100 m.逆温层厚度和强度在凌晨加剧、上午减弱, 即逆温层在夜里形成上午消散.另外, 污染期间近地面大气比湿保持在5 g · kg-1以上, 18日夜间达到7 g · kg-1.逆温、高湿的边界层结构导致垂直方向大气扩散能力较弱, 是雾-霾天气持续发展的重要原因.

图 5 2018年1月17—22日寿县边界层温度(a)及大气比湿(b)剖面(时段1为污染短时消散阶段, 时段2为污染彻底清除阶段) Fig. 5 Vertical profile of temperature (a) and specific humidity (b) from January 17 to 23, 2018 at Shouxian (time interval 1 is pollution brief dissipation stage, and time interval 2 is pollution removal stage)
3.4 污染短时消散与清除的气象成因

值得注意的是, 在此次污染过程中17日、20日地面污染出现了两次短时急剧下降现象(图 2a).17日0：00—5：00, PM2.5浓度5 h内下降102.8 μg · m-3, 气溶胶总粒子个数由2.0×106个下降至3.1×105个.19日22：00—20日5：00, PM2.5浓度下降90.0 μg · m-3, 气溶胶总粒子个数由1.1×106个下降至8.9×104个.表明污染维持期间空气质量出现两次短时好转.

基于EC再分析资料, 获取中低层大气比湿及风速风向(图 6).17、20日凌晨可以看到有两次冷空气过程, 500 hPa以下转为西北风, 但地面仍保持为小风速区, 风速1.2 m · s-1, 表明两次过程都是弱冷空气入侵边界层.结合地面微波辐射计探测的温度、湿度的垂直剖面, 20日弱冷空气过程中边界层逆温、高湿结构没被打破(图 5时段1), 因此表现为污染的短时消散, 在短时间内污染又加剧发展.23日又一次较强冷空气过境, 48 h内地面降温10.0 ℃, 地面转为强劲的东北风, 地面小时最大风速达到7.1 m · s-1.从温湿剖面来看(图 5时段2), 近地层温度湿度都迅速降低, 逆温、高湿的边界层条件被打破, 高空有干洁大气侵入, 置换近地层污染大气, 空气质量好转.

图 6 2018年1月12—24日寿县(116.78°E, 32.58°N)风速(风向杆)、大气比湿(彩色填充)垂直剖面 Fig. 6 Vertical profile of specific humidity (shade) and wind (arrows) from January 12 to 24, 2018 at Shouxian

图 7给出了17日2：00、20日2：00、23日8：00 3次冷空气影响时寿县相当位温、垂直速度和相对湿度的纬向垂直剖面图.17日8：00(图 7a)、20日2：00(图 7b)两次弱冷空气过程900 hPa以下聚集Qe < 288 K浅薄的冷空气堆, 但近地面垂直速度为0, 表明仅有浅薄冷空气侵入边界层.同时, 冷空气带来的降温导致大气水汽饱和, 造成17日、20日早上的大雾天气.23日8：00(图 7c)850 hPa以下为Qe < 284 K的干冷空气控制, 地面有下沉气流, 表明高空的干冷空气冷空气主体已到达32°N附近, 置换了地面脏空气, 空气质量好转.

图 7 寿县相当位温(黑线, 单位K)、垂直速度(紫线, 单位10-3 hPa · s-1, 实线表示下沉, 虚线表示上升)和相对湿度(彩色区)的径向(116.75°E)垂直剖面(a.17日2:00；b.20日2：00；c.23日8：00) Fig. 7 Cross sections along 116.75°E at Shouxian of equivalent potential temperature(unit:K) and vertical velocity(unit:10-3 hPa · s-1, solid line denotes subsidence and dotted line denotes ascent) and relative humidity(shaded area) (a.at 2:00 on January 17, 2018; b.at 2:00 on January 20, 2018; c.at 8:00 on January 23, 2018)
4 结论(Conclusions)

1) 2018年1月13—23日中国中东部地区出现了一次大范围持续的雾-霾污染事件.13—15日污染在华北北部出现, 16—22日污染持续累积且污染范围向华北南部、华中扩展, 整个污染过程导致陕西南部、河南和山东大部、安徽北部PM2.5平均浓度达到150~320 μg · m-3.此次污染发生于冷空气活动间歇期.与近10年同时期相比, 500 hPa极涡较浅, 冷空气活动异常偏弱, 西太平洋副高西伸加强, 中国中东部地区西南气流强盛, 带来大量水汽.污染期间地面平均温度为3.4 ℃, 平均风速为1.5 m · s-1, 日照时数为0.1 h, 相对湿度达到91.2%, 多云寡照、高湿小风的气象条件有利于污染的累积发展.

2) 污染初期, 颗粒物吸湿合并增长, 细粒子所占比例降低, 大气气溶胶后向散射比显著减小.在污染清除阶段, 仅剩余少量细粒子, 大气气溶胶后向散射比显著增加.

3) 边界层持续存在多层逆温, 第一逆温层基本多为贴地逆温, 逆温高度低于200 m.逆温厚度及逆温强度夜间加剧.近地层大气比湿在5 g · kg-1以上, 最大值高于7 g · kg-1.持续的逆温、高湿边界层为雾-霾的发展提供了有力条件.

4) 17、19日凌晨出现两次空气质量短时好转现象.期间950 hPa以下有Qe < 288 K浅薄的冷空气堆, 表明地面有冷空气渗透, 地面污染被稀释.但两次弱冷空气没有打破边界层内有利于污染聚集的逆温、高湿结构, 因此, 污染在短时间内又加剧发展.23日850 hPa受Qe < 284 K的干冷空气控制, 表明污染的清除是由于高层干洁大气到达地面, 地面脏空气被置换.

参考文献
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