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Meteorological Conditions and Impact Factors of a Heavy Air Pollution Process at Xi'an in December 2013
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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。Abstract: As one of the most famous historical and cultural cities, Xi'an is located at the central part of the Guanzhong Basin, its northern and southern areas are the Loess Plateau and the Qinling Mountains, respectively. Increasing trend of air pollution weather disturbs Xi'an in recent years. Based on high resolution observations from air quality monitor, laser radar and automatic weather stations, meteorological conditions and impact factors of heavy air pollution process from 18 Dec to 25 Dec in 2013 are analyzed. Results show that during heavy air pollution process, the circulation at 500 hPa is meridional circulation pattern including a trough and a ridge in high latitude area. Shaanxi Province is located at the front of warm ridge with weak wind, and south to the Mongolia cold high on ground. When air quality improves, the front and wind at 500 hPa increase, and ground cold front move southeast quickly. Laser radar monitoring indicates the aerosol conglomerations below 0.5 km are uplift and the boundary layer height increases significantly. Heavy air pollution process leads to severe haze and its daily average visibility is less than 1.5 km. The boundary layer height is less than 0.7 km and its peak appears at about 1500 BT. Temperature and humidity conditions are conducive to strengthen pollution, significantly different from common periods. An inversion of temperature exists at 2~3.2 km or 0.7~1.5 km height and relative vertical humidity distribution is wet-dry-wet below 3.5 km. Severe haze is mainly wet haze and its daily average duration in suburban is 5 hours longer than urban. Concentration of fine particle PM2.5 is much higher than that of coarse particulate defined by PM10 minus PM2.5 during heavy air pollution process. The former has obvious increasing trend and the latter doesn't change obviously with time. Concentrations of PM10 and PM2.5 reach peaks at 1300 BT and 2200 BT, and maintain low values from 0500 BT to 1000 BT every day. Pollutant concentration rises fast from 1000 BT to 1300 BT. Unlike typical process with a downward trend after noontime, there is an average concentration peak of pollutants in Xi'an during the heavy air pollution process. This phenomenon is probably caused by factors including very low boundary layer height, the Guanzhong Basin terrain and diurnal variation of local ground wind.
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Key words:
- air quality;
- meteorological conditions;
- impact factors
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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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