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“13·12”西安重污染气象条件及影响因素

张雅斌 林琳 吴其重 王雯燕 樊超 赵荣 刘波 姚东升

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“13·12”西安重污染气象条件及影响因素

Meteorological Conditions and Impact Factors of a Heavy Air Pollution Process at Xi'an in December 2013

  • 摘要: 使用高分辨监测资料对2013年12月18—25日西安严重污染天气气象条件及影响因素进行分析。结果表明:严重污染期间,亚洲大陆中高纬度500 hPa呈一槽一脊经向环流型,陕西处于地面冷高压南部均压场控制下。空气质量转好时,高空锋区明显增强,地面冷锋快速东移、南压,边界层高度增大,近地层集聚污染物显著抬升。严重污染与非污染时段气象条件差异明显。除接地逆温外,近地层不同高度存在悬浮逆温,相对湿度呈湿-干-湿垂直分布,温湿条件有利于污染加强。严重污染属于以湿霾为主的重度霾天气,日平均能见度小于1.5 km,边界层高度小于0.7 km,郊区湿霾每日持续时间平均比市区长约5 h。严重污染期间,细颗粒物浓度远高于粗颗粒物,随时间增加趋势明显。颗粒物平均浓度在午后出现峰值,可能与边界层高度偏低、关中盆地地形因素密切相关,本地地面风场日变化对污染有加重效应。
  • 图 1  2013年12月15日20:00—26日20:00西安能见度和污染物浓度变化

    Fig.1  Variations of visibility and pollutant concentration at Xi'an from 0800 BT 15 Dec to 0800 BT 26 Dec in 2013

    图 2  2013年12月500 hPa平均高度 (实线,单位:dagpm)、温度 (虚线,单位:℃)、风场 (矢量) (a)18日20:00—25日20:00,(b)26日20:00—27日20:00

    Fig.2  500 hPa average geopotential height (solid line, unit:dagpm), temperature (dotted line, unit:℃) and wind (vecter) (a)2000 BT 18 Dec to 2000 BT 25 Dec in 2013, (b)2000 BT 26 Dec to 2000 BT 27 Dec in 2013

    图 3  2013年12月15日08:00—27日08:00西安上空水平风场 (风羽) 和相对湿度 (等值线, 单位:%)(a)、水汽通量 (矢量, 单位: g·cm-1·hPa-1·s-1) 和散度 (等值线, 单位: 10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)(b)、垂直速度 (等值线, 单位: Pa·s-1)(c) 时间-高度剖面

    Fig.3  Time and height section of wind (barb) and relative humidity (isoline, unit:%)(a), water vapor flux (vector, unit:g·cm-1·hPa-1·s-1) and flux divergence (isoline, unit:10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1)(b), vertical velocity (unit: Pa·s-1)(c) at Xi'an from 0800 BT 15 Dec to 0800 BT 27 Dec in 2013

    图 4  2013年12月15日08:00—27日08:00西安上空温度层结时间-高度剖面

    Fig.4  Height and time section of temperature stratification at Xi'an from 0800 BT 15 Dec to 0800 BT 27 Dec in 2013

    图 5  2013年12月15日08:00—27日08:00西安上空边界层高度变化

    Fig.5  Variations of boundary layer heights over Xi'an from 0800 BT 15 Dec to 0800 BT 27 Dec in 2013

    图 6  2013年12月17日20:00—25日20:00严重污染期间西安PM2.5(a)、PM10与PM2.5浓度差 (b) 日变化

    Fig.6  Diurnal variation of concentration of PM2.5(a) and PM10 minus PM2.5(b) at Xi'an during heavy air pollution period from 2000 BT 17 Dec to 0800 BT 25 Dec in 2013

    图 7  2013年12月17日20:00—25日20:00严重污染期间西安相对湿度 (a) 和能见度 (b) 日变化

    Fig.7  Diurnal variation of relative humidity (a) and visibility (b) at Xi'an during heavy air pollution period from 2000 BT 17 Dec to 0800 BT 25 Dec in 2013

    图 8  2013年12月17日20:00—25日20:00严重污染期间西安、长安、临潼地面风场的日变化

    Fig.8  Diurnal variation of wind field at Xi'an, Changan and Lintong during heavy air pollution period from 2000 BT 17 Dec to 0800 BT 25 Dec in 2013

    图 9  2013年12月17日20:00—25日20:00严重污染期间 (实线) 和其他时段 (虚线) 西安边界层高度日变化

    Fig.9  Diurnal variations of boundary layer height at Xi'an during heavy air pollution period from 2000 BT 17 Dec to 0800 BT 25 Dec in 2013(solid line) and other period (dotted line)

    表 1  2013年12月16—26日西安环境空气质量和地面气象要素

    Table 1.  Ambient air quality and surface meteorological elements at Xi'an from 16 Dec to 26 Dec in 2013

    日期 AQI PM2.5浓度 (μg·m-3) 日平均能见度/km 日平均风速/(m·s-1) 日平均相对湿度/% 日平均气温/℃
    16日 107 93 4.2 0.8 66 3.4
    17日 178 180 2.9 0.8 75 1.3
    18日 410 404 1.1 0.9 83 0.8
    19日 499 420 0.8 0.8 83 -0.3
    20日 499 421 1.2 0.8 76 1.6
    21日 450 385 1.3 0.8 77 0.7
    22日 436 421 1.5 0.7 73 -0.8
    23日 500 502 1.1 0.6 84 -1.1
    24日 500 597 1.0 0.7 82 0.1
    25日 500 547 1.4 0.6 77 1.6
    26日 113 135 7.8 1.0 50 0.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-15
  • 修回日期:  2015-09-29
  • 刊出日期:  2016-01-31

“13·12”西安重污染气象条件及影响因素

  • 1. 陕西省西安市气象台, 西安 710016
  • 2. 中国气象局,北京 100081
  • 3. 北京师范大学, 北京 100875
  • 4. 陕西省西安市大气探测中心, 西安 710016
  • 5. 陕西省西安市长安区气象局, 西安 710010
  • 6. 陕西省防雷中心, 西安 710014

摘要: 使用高分辨监测资料对2013年12月18—25日西安严重污染天气气象条件及影响因素进行分析。结果表明:严重污染期间,亚洲大陆中高纬度500 hPa呈一槽一脊经向环流型,陕西处于地面冷高压南部均压场控制下。空气质量转好时,高空锋区明显增强,地面冷锋快速东移、南压,边界层高度增大,近地层集聚污染物显著抬升。严重污染与非污染时段气象条件差异明显。除接地逆温外,近地层不同高度存在悬浮逆温,相对湿度呈湿-干-湿垂直分布,温湿条件有利于污染加强。严重污染属于以湿霾为主的重度霾天气,日平均能见度小于1.5 km,边界层高度小于0.7 km,郊区湿霾每日持续时间平均比市区长约5 h。严重污染期间,细颗粒物浓度远高于粗颗粒物,随时间增加趋势明显。颗粒物平均浓度在午后出现峰值,可能与边界层高度偏低、关中盆地地形因素密切相关,本地地面风场日变化对污染有加重效应。

English Abstract

    • 随着社会经济发展、城市化加快和污染源增多,我国雾、霾和污染天气增多[1-3]。燃煤、工业、机动车和扬尘等排放源是污染天气直接诱发因素[4-6],不利于扩散的气象条件是其发展维持的重要因子[7-9]。层结稳定、静风和逆温等气象条件有利于污染物聚集、气溶胶增长和能见度下降[10-11]。华北污染天气分析表明[7-8],特殊地形、本地污染源和外来输送是大气污染重要因子,天气系统尺度和细颗粒物富集趋势决定污染区域性特征。南京污染天气分析表明[9, 12-13],有利的环流形势、边界层特征以及周边污染物输送是霾天气重要成因。吴其重等[14]基于空气质量多模式系统从气象场和排放源两方面分析了北京奥运会期间PM10大幅减小的主要原因。谢学军等[15]研究表明:兰州冬季大气污染物浓度具有夜晚低、白天高、峰值在中午的特点, 逆温是影响污染的主要因素。司鹏等[16]对天津霾天气自动与人工观测进行了对比评估。西安地处关中盆地中部,随着丝绸之路经济带建设,治污减霾与环境气象预报日益重要。1951—2005年西安霾日数位居全国第5位[1]。近10年卫星遥感表明:西安是关中主要大气污染区,污染趋势加剧。针对西安周边重污染天气,已有研究多侧重于污染物气候特征与影响因子相关性分析[17-19],资料时空分辨率不高。

      本文使用西安市区、长安区 (市区正南方向) 和临潼区 (市区东北方向)15个环境监测站逐小时资料,结合西安泾河站每日2次的L波段探空雷达、长安区秦岭大气探测基地微波脉冲激光雷达、地面自动气象站逐小时气象要素观测、1°×1°的NCEP/NCAR再分析资料等,研究2013年12月18—25日西安持续时间8 d的严重污染 (简称“13·12”重污染) 天气特征、气象条件及其影响因素,探讨重污染天气形成机制,以期进一步提高重污染天气预报服务水平。

    • “13·12”重污染天气过程发生之前,关中地区处于秋冬连旱气候背景下,2013年11月22日—12月15日西安连续23 d无降水出现,12月上旬平均气温较常年偏高1.6℃。同期,2013年12月中下旬,我国中东部地区发生了范围广、持续时间长的重污染天气。西安周边地区从17日午后开始空气质量迅速恶化,出现中度污染,此后连续8 d出现严重污染天气,空气污染持续时间长、程度大。严重污染天气给居民健康和生活生产带来诸多不利影响,全市各医院呼吸科门诊患者明显增多。

      图 1为2013年12月15日20:00—26日20:00(北京时,下同) 西安市各区县平均能见度和颗粒物PM10, PM2.5浓度逐小时变化。17日20:00—25日20:00严重污染期间,能见度明显偏低,各时次均小于2 km;污染物浓度明显偏高,细颗粒物PM2.5是PM10主要成分,其浓度明显高于粗颗粒物成分,高浓度时段出现在23日20:00—25日20:00。其中,25日12:00 PM10浓度达到最大值898 μg·m-3,23日19:00 PM2.5达到最大值650 μg·m-3,分别超过平均浓度365 μg·m-3,277 μg·m-3。总体来看,细颗粒物浓度随时间积累增大趋势明显,尤其在空气质量指数 (AQI) 突增至500的23日;粗颗粒物成分随时间变化相对平稳、增大趋势不明显。轻度污染期间,细颗粒物和粗颗粒浓度相当,均小于150 μg·m-3。依据霾观测预报等级[20],“13·12”西安重污染属于重度霾天气。

      图  1  2013年12月15日20:00—26日20:00西安能见度和污染物浓度变化

      Figure 1.  Variations of visibility and pollutant concentration at Xi'an from 0800 BT 15 Dec to 0800 BT 26 Dec in 2013

      表 1为2013年12月16—26日西安市区13个环境监测站和7个地面自动气象站观测要素统计结果,其中,16日、26日为轻度污染,17日为中度污染,18—25日连续8 d严重污染。严重污染期间,首要污染物PM2.5浓度超过400 μg·m-3,日平均能见度小于1.5 km,19日平均仅0.8 km,日平均风速小于1 m·s-1,最大风速小于2.0 m·s-1;日平均相对湿度大于73%,最大相对湿度超过87%;日平均气温比前期偏低2℃以上。轻度污染期间,日平均能见度大于4.0 km;日平均风速低于1 m·s-1,最大风速超过2.0 m·s-1;日平均相对湿度小于70%,最大相对湿度小于88%。

      表 1  2013年12月16—26日西安环境空气质量和地面气象要素

      Table 1.  Ambient air quality and surface meteorological elements at Xi'an from 16 Dec to 26 Dec in 2013

      日期 AQI PM2.5浓度 (μg·m-3) 日平均能见度/km 日平均风速/(m·s-1) 日平均相对湿度/% 日平均气温/℃
      16日 107 93 4.2 0.8 66 3.4
      17日 178 180 2.9 0.8 75 1.3
      18日 410 404 1.1 0.9 83 0.8
      19日 499 420 0.8 0.8 83 -0.3
      20日 499 421 1.2 0.8 76 1.6
      21日 450 385 1.3 0.8 77 0.7
      22日 436 421 1.5 0.7 73 -0.8
      23日 500 502 1.1 0.6 84 -1.1
      24日 500 597 1.0 0.7 82 0.1
      25日 500 547 1.4 0.6 77 1.6
      26日 113 135 7.8 1.0 50 0.5
    • 2013年12月18日20:00—25日20:00严重污染天气 (图 2a) 和26日20:00—27日20:00空气质量明显转好之后 (图 2b) 对应500 hPa环流形势差异显著。与2002年12月9—21日西安持续重污染过程相似[19],严重污染期间,亚洲大陆中高纬度地区呈一槽一脊经向环流型,乌拉尔山至西西伯利亚平原为一长波槽区,中西伯利亚至贝加尔湖、蒙古国至我国西北地区为一暖性长波脊区。陕西处于长波脊前底部,盛行西北偏西气流,延安上空风速小于20 m·s-1。随后,环流形势发生明显调整,西西伯利亚大槽后部出现切断低压、向南不断加深发展,导致巴尔喀什湖至我国新疆新建一高压脊,而中西伯利亚至贝加尔湖以南高压脊明显减弱东移,至此,新建高脊前部河套及以北地区风速增大至20 m·s-1以上,陕西上空高空锋区加强、西北风加大,延安上空风速大于24 m·s-1。26日20:00以后,西安空气质量明显转好。

      图  2  2013年12月500 hPa平均高度 (实线,单位:dagpm)、温度 (虚线,单位:℃)、风场 (矢量) (a)18日20:00—25日20:00,(b)26日20:00—27日20:00

      Figure 2.  500 hPa average geopotential height (solid line, unit:dagpm), temperature (dotted line, unit:℃) and wind (vecter) (a)2000 BT 18 Dec to 2000 BT 25 Dec in 2013, (b)2000 BT 26 Dec to 2000 BT 27 Dec in 2013

      海平面气压场上,12月18日20:00—25日20:00严重污染期间,新疆北部到蒙古国为中心1042.5 hPa的冷高压,陕西处于冷高压南部均压场中,西安地面平均风力0.7 m·s-1。26日20:00—27日20:00空气质量明显转好之后,北方冷高压东移、南压,中心强度增至1047.5 hPa以上,陕西境内气压梯度明显增大,西安地面平均风力大于1.0 m·s-1。逐3 h地面资料表明,25日08:00冷锋经过陕北,冷锋后部偏北地区延安风力由4.0 m·s-1增至8.0 m·s-1,20:00左右冷锋经过关中中部,西安由静风增至3.0 m·s-1

      分析12月15日08:00—27日08:00西安上空气象要素时间演变特征。由图 3a可见,严重污染时段,700 hPa以下相对湿度维持60%以上,大部分时段风速小于2 m·s-1,低层湿度大、风速小,高层为偏西风,各层风向变化较大;严重污染开始与结束时段,低层相对湿度小于50%,整层为一致西北偏西风。15日、21日和25日08:00前后,700 hPa以上整层出现相对湿度大于80%的湿区。由图 3b可见,对应整层相对湿度大值时段,存在明显的西北偏西方向水汽输送,输送路径与夏季偏南方向明显不同。同时,水汽通量散度比夏季偏小1个量级,严重污染时段西安上空为小于1×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽弱辐散或辐合区,严重污染前后为大于2×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1的较明显的水汽辐散区。由图 3c可见,严重污染之前15—16日,整层为一致上升运动;严重污染期间,500 hPa以下为下沉气流, 23—24日700~850 hPa附近下沉运动增至过程最大,中心大于0.8 m·s-1,对应300 hPa附近出现明显辐合,500 hPa以下辐散,有利于下沉运动,近地面污染物进一步积累,同期PM2.5浓度迅速增至过程最大;严重污染天气好转时段,伴随地面冷锋经过,西安上空低层垂直上升运动增强,700 hPa以下,25日08:00为小于0.2 hPa·s-1的下沉运动,20:00转为中心大于-0.7 m·s-1的显著上升运动,对应低层辐合、高层辐散,上升运动加强、边界层高度和近地层污染物垂直扩散稀释增大,地面污染物浓度迅速下降。

      图  3  2013年12月15日08:00—27日08:00西安上空水平风场 (风羽) 和相对湿度 (等值线, 单位:%)(a)、水汽通量 (矢量, 单位: g·cm-1·hPa-1·s-1) 和散度 (等值线, 单位: 10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)(b)、垂直速度 (等值线, 单位: Pa·s-1)(c) 时间-高度剖面

      Figure 3.  Time and height section of wind (barb) and relative humidity (isoline, unit:%)(a), water vapor flux (vector, unit:g·cm-1·hPa-1·s-1) and flux divergence (isoline, unit:10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1)(b), vertical velocity (unit: Pa·s-1)(c) at Xi'an from 0800 BT 15 Dec to 0800 BT 27 Dec in 2013

    • 近地层逆温不利于污染物扩散,按照空间分布常分为贴地逆温和悬浮 (脱地) 逆温两种[21-22]图 4为西安泾河站L波段探空雷达观测的2013年12月15日08:00—27日08:00近地面逆温位置、强度的时间-高度剖面。由图 4可知,由于地面辐射冷却等因素,污染前后低层大气普遍存在逆温,但严重污染期间,逆温层位置和强度存在明显差异:19日08:00之前主要为0.5 km高度以下接地逆温,大部分时段逆温强度小于1℃·km-1;19日20:00—20日20:00和22日08:00—25日20:00对应AQI均大于490,除0.5 km高度以下出现接地逆温外,2~3.2 km或0.7~1.5 km出现悬浮逆温,其中,20日08:00,23日08:00,24日08:00悬浮逆温强度明显大于接地逆温,强度大于1.5℃·km-1,最大达3.0℃·km-1。严重污染期间大部分时段接地逆温强度大于悬浮逆温,二者平均强度分别为1.2℃·km-1,1.0℃·km-1,相比其他地区逆温强度偏大[22-23],也大于污染前后接地逆温强度 (16日08:00之前72 h和26日08:00之后72 h非污染时段平均为0.8℃·km-1)。接地逆温整体强于悬浮逆温,可能与地面对静稳大气辐射冷却作用明显有关。综上分析,“13·12”重污染期间,包括贴地、悬浮逆温的多层逆温使大气垂直方向湍流交换受到抑制,污染物不断聚集。

      图  4  2013年12月15日08:00—27日08:00西安上空温度层结时间-高度剖面

      Figure 4.  Height and time section of temperature stratification at Xi'an from 0800 BT 15 Dec to 0800 BT 27 Dec in 2013

      分析西安泾河站12月15日08:00—27日08:00低层相对湿度时间变化 (图略)。严重污染期间,3.5 km附近以下,相对湿度呈现湿-干-湿的垂直分布,0.5 km以下和2.0 km附近为一定厚度相对湿度大于70%的湿层,相对湿度随时间增大 (25日整层达到最大),0.5~1.5 km高度存在小于55%的干层。严重污染前后 (16日和26日),整层相对湿度明显偏小,湿-干-湿的垂直分布特征消失。气溶胶吸湿增长特性和相对湿度呈正相关,相对湿度越接近粒子临界饱和比,气溶胶可溶性粒子越容易吸收水汽而增大,吸湿增长越显著,有利于空气散射作用增强、能见度下降和雾霾天气出现[9, 13, 23]。同时,低层暖湿气流与特殊地形共同作用也是近地面相对湿度增大、污染物进一步聚集转化的因素。可以看出,“13·12”重污染期间,近地层湿层是地处关中盆地中部西安市周边气溶胶增长和污染物持续累积的重要湿度条件。

      大气边界层高度是影响污染物扩散的重要因素,高度较低时,垂直方向扩散能力差,易形成严重污染。通过罗氏法[24]估计边界层高度,逐小时总云量和低云量由逐3 h人工观测资料插值得到,地面粗糙度分别取0.5 m[25],1.0 m。结果表明,两种粗糙度条件下边界层高度估值差异不大,对应序列呈显著正相关,拟合系数大于0.9,边界层高度随粗糙度增大略有增加。图 5为12月15日08:00—27日08:00西安市区和长安区逐小时计算结果,考虑到西安市区建筑物和长安山地地形因素,粗糙度取1.0 m。由图 5可知,严重污染期间,西安边界层高度小于0.8 km,最低小于0.2 km,平均0.5 km左右;非污染时段,边界层高度明显上升,最低大于0.2 km,最高大于1.5 km。对比图 1图 5可知,边界层顶越低,近地面污染物越不容易扩散稀释,空气质量越差;随着边界层高度增加,扩散稀释能力增强,空气质量转好。

      图  5  2013年12月15日08:00—27日08:00西安上空边界层高度变化

      Figure 5.  Variations of boundary layer heights over Xi'an from 0800 BT 15 Dec to 0800 BT 27 Dec in 2013

    • 微波脉冲激光雷达监测的近地层气溶胶颗粒物高时空分辨率的垂直分布状况为大气污染物、边界层和能见度变化特征精细分析提供了有效手段[26]。分析2013年12月16—26日严重污染天气前后长安秦岭大气探测基地微波脉冲激光雷达观测的归一化相对后向散射的时间-高度剖面 (图略)。严重污染期间,污染物主要聚集在0.5 km高度以下的近地层,其浓度随高度降低迅速增大。25日20:00西安偏北地区空气质量开始好转,26日02:00全市明显转好,观测到污染物迅速向上扩散至2.5 km附近,0.5 km以下浓度较前期明显下降,边界层平均高度快速上升至1 km附近,近地层污染物垂直方向湍流稀释空间尺度明显增大。同时,激光雷达观测反演的边界层高度和罗氏法计算结果的变化趋势及大值时段一致:18—25日大部分时段二者在0.5 km附近波动,最低降至0.3 km以下,17日、20日、25日计算和实况观测边界层高度均出现局部峰值。

      图 6为2013年12月17日20:00—25日20:00临潼、长安和西安 (高新和小寨站)8 d平均的细颗粒物PM2.5和粗颗粒物成分逐小时变化。严重污染期间,PM2.5和PM10存在明显日变化特征,每日13:00和22:00前后为2个浓度峰值区,05:00—10:00为相对平缓的波谷,10:00—13:00为二者浓度快速上升时段,上升速率分别为27.9,34.5 μg·m-3·h-1。对比2002年12月9—21日西安持续重污染天气[19],PM10日平均浓度最大达543 μg·m-3,此次过程PM10浓度峰值大于800 μg·m-3,明显偏高;相比北京、南京重污染天气[7, 9],此次过程PM2.5平均和最大浓度也显著偏大。值得注意的是,“13·12”重污染期间,西安PM2.5浓度未出现因为午后湍流扩散增强和边界层高度增加等因素引起的下降趋势,而在13:00前后出现峰值。这一现象与兰州冬季污染天气类似[15],与东部城市明显不同[4, 27]。进一步分析污染物浓度逐日变化,20—21日、24—25日午后均出现PM2.5浓度峰值,18—19日、22—23日夜间出现峰值,午后未出现典型的浓度低值区,为上升趋势,其中,23日午后出现次大峰值。比较发现,西安和兰州地形相似,均处于南北山脉之间的东西狭长河谷盆地内,午后污染物浓度出现不降反增的趋势,一方面,与白天人类生产活动增加导致细粒子排放明显增多有关;另一方面,可能与盆地地形导致本地污染物难以疏散密切相关。同时,PM10与PM2.5浓度差在中午前后出现峰值,空间上由北向南减小,一定程度上说明西安污染物粗颗粒物成分与北部黄土高原影响密切相关。

      图  6  2013年12月17日20:00—25日20:00严重污染期间西安PM2.5(a)、PM10与PM2.5浓度差 (b) 日变化

      Figure 6.  Diurnal variation of concentration of PM2.5(a) and PM10 minus PM2.5(b) at Xi'an during heavy air pollution period from 2000 BT 17 Dec to 0800 BT 25 Dec in 2013

      图 7为2013年12月17日20:00—25日20:00临潼、长安和西安市区8 d平均的地面相对湿度和能见度逐小时变化。严重污染期间,相对湿度在每日08:00左右均出现极大值,16:00左右出现极小值,市区和郊区相对湿度变化趋势相同;郊区 (临潼、长安) 之间湿度差异不大,整体上高出市区5%左右,郊区每日13:00—18:00相对湿度小于80%,市区每日10:00—20:00相对湿度小于80%,空气相对郊区干燥,干岛效应明显。能见度与相对湿度基本上呈反相位变化,每日08:00左右能见度出现波谷,16:00和22:00左右出现波峰,逐时能见度基本小于2 km,市区能见度整体最小。与相对湿度相比,郊区之间能见度差异相对明显,尤其在15:00左右。

      图  7  2013年12月17日20:00—25日20:00严重污染期间西安相对湿度 (a) 和能见度 (b) 日变化

      Figure 7.  Diurnal variation of relative humidity (a) and visibility (b) at Xi'an during heavy air pollution period from 2000 BT 17 Dec to 0800 BT 25 Dec in 2013

      一段时间 (一般为1 h) 平均能见度小于10.0 km,平均相对湿度小于95%且排除该时段出现降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟雾、吹雪、雪暴等,定义为霾天气,以相对湿度80%为界,霾天气分为干霾和湿霾[20]。综合分析市区和郊区地面要素变化可见,“13·12”重污染过程以湿霾天气为主。市区气象条件有利于干霾出现,干霾持续时间近似为郊区的2倍:市区空气相对干燥,每日10:00开始湿度降至80%以下,湿霾转为干霾,平均至20:00结束,持续约10 h;郊区空气相对湿润,每日13:00开始湿霾转为干霾,平均至18:00结束,持续约5 h。

      图 8为2013年12月17日20:00—25日20:00临潼、长安和西安市区8 d平均地面风场逐时变化。严重污染期间,不同区域地面风场均存在明显日变化特征;长安和临潼变化相似,每日10:00—17:00出现明显的偏北风 (长安为西北风、临潼为东北风),并在12:00前后出现全天最大风速,其余时段以偏东偏南风为主;市区风场日变化和县区明显不同之处主要表现在每日09:00—20:00大部分时段偏北分量明显,其他时段以偏西偏南风为主。结合地形、地貌可见,西安地处秦岭北麓,白天显著偏北风和夜间偏南风与山谷风效应密切相关。西安以北区域工业和煤矿污染源多于毗邻秦岭北麓的南部区域,同时,以北区域半干旱地区在古地形之上广泛覆盖了很厚的风成黄土,经长期水蚀作用形成了黄土沟壑等地貌。与西安地形和污染物日变化特征相似的兰州市相关研究表明,山谷中大气污染物浓度变化主要取决于大气逆温和水平风速[28]。结合“13·12”过程颗粒物浓度日变化可见,午后偏北风显著时段和污染颗粒物增加时段一致,原因之一在于午后北部地区污染源排放的细颗粒物、黄土浮尘携带的粗颗粒物在偏北风作用下向西安输送加强;傍晚至夜间,来自南部秦岭附近相对干净的空气输送作用较弱,对大气污染物稀释净化效果不明显,导致本地污染物不断积累聚集,重度霾天气发展维持。

      图  8  2013年12月17日20:00—25日20:00严重污染期间西安、长安、临潼地面风场的日变化

      Figure 8.  Diurnal variation of wind field at Xi'an, Changan and Lintong during heavy air pollution period from 2000 BT 17 Dec to 0800 BT 25 Dec in 2013

      图 9为2013年12月17日20:00—25日20:00严重污染和10日20:00—15日20:00,25日20:00—28日20:00空气质量轻度污染或良时段西安市区和郊区边界层高度多日平均变化。边界层高度具有明显的日变化特征,每日最大值均出现在12:00—16:00,20:00—08:00为平缓的低值区,最大与最小值相差2倍以上。轻度污染或良时段,边界层高度明显偏大,最高大于1.2 km,最低约0.5 km,平均约0.8 km,日变化大于0.6 km。严重污染期间,边界层高度明显下降,最高小于0.7 km,最低小于0.2 km,平均约0.4 km,日变化小于0.3 km,平均高度仅为轻度污染时段50%左右;空间分布上,市区和郊区边界层高度差异不大,西安东北方向临潼区相对略小,与偏北偏东地区污染相对严重一致。西安市区2007—2009年冬季边界层高度逐日平均最高、最低分别为0.8 km,0.25 km[25],此次污染过程最大高度比冬季平均态偏低约0.2 km。同时,边界层高度与污染物浓度最大峰值时段一致,与典型过程二者之间反位相变化趋势明显不同。

      图  9  2013年12月17日20:00—25日20:00严重污染期间 (实线) 和其他时段 (虚线) 西安边界层高度日变化

      Figure 9.  Diurnal variations of boundary layer height at Xi'an during heavy air pollution period from 2000 BT 17 Dec to 0800 BT 25 Dec in 2013(solid line) and other period (dotted line)

      进一步对比严重污染期间PM2.5和边界层高度日变化可见,西安边界层高度在午后达到最大,有利于低层污染物垂直扩散,但高度小于0.7 km,低于北部黄土高原和南部秦岭地形高度,导致西安周边盆地内部近地层污染物很难通过垂直湍流交换等过程输送至大气边界层之上,并随高层气流进一步扩散、稀释,很大程度上导致污染物浓度在午后未出现伴随边界层高度增大而下降的典型变化趋势。

    • 利用空气质量监测、L波段探空仪、激光雷达、自动气象站和NCEP/NCAR再分析资料,对比分析了2013年12月18—25日西安严重污染天气过程前后气象条件及影响因素,得到如下结论:

      1) 严重污染期间,500 hPa亚洲大陆中高纬地区呈一槽一脊经向环流型,陕西处于暖脊前部,700 hPa以下西安相对湿度持续偏大,地面上处于冷高压南部均压场中。空气质量转好时,中高纬度环流形势明显变化,陕西上空锋区加强,伴随地面冷锋快速东移、南压,西安低层垂直上升运动加强,边界层高度明显增大,激光雷达探测到0.5 km以下污染物显著抬升、扩散。

      2) 严重污染期间,西安日平均能见度小于1.5 km,边界层高度小于0.7 km,气象条件与非污染时段差异明显。除0.5 km以下出现接地逆温外,2~3.2 km或0.7~1.5 km出现悬浮逆温,3.5 km以下相对湿度呈湿-干-湿的垂直分布,温湿条件有利于污染物聚集增长。重污染属于以湿霾为主的重度霾天气,郊区每日湿霾持续时间比市区长约5 h,市区干霾持续时间约为郊区2倍。

      3) 污染物主要集聚在0.5 km以下,细颗粒物浓度远高于粗颗粒物成分,前者随时间增大明显,而后者变化不大。每日13:00和22:00前后颗粒物浓度出现峰值,05:00—10:00浓度较低。与东部地区不同,与兰州重污染相似,午后时段颗粒物浓度并未出现随边界层高度增大而减小的趋势,可能与边界层明显偏低、关中盆地地形因素有很大关系。本地地面风场日变化对污染天气有加重效应。

参考文献 (28)

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