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《沈阳市区灰霾污染的外来影响因素》

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沈阳市区灰霾污染的外来影响因素

吴宇童 1,程墨 2,李崇 1,柴晓玲 1,鲁杨 1,李典 1,李晓鸥 1

（1.沈阳市气象局；2.中国人民解放军 93307 部队,辽宁沈阳110100）

摘要：本文利用空气质量监测资料、地面气象资料分析得出,沈阳市区灰霾天气形势分别为高压均压场型、长白山小高压型、弱低压场型、地形槽型四类.通过计算沈阳站（41.83N,123.4E）气团的后向轨迹,沈阳地区灰霾污染外来影响主要有两个：一是西南的京津冀方向,主要天气形势为高压后部西南大风型；二是偏北的内蒙古和吉林方向,主要影响天气形势为高压前、内部和长白山小高压型.

关键词：灰霾；天气分型；外来影响；影响机制

中图分类号： P429 文献标识码：A DOI 编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.23.063

霾[1-3]是近年来主要污染空气的问题之一,随着我国城市化和工业化进程的推进,灰霾污染发生频率不断增加,成霾区域面积也开始增大,持续时间长的灰霾事件的根本原因是大气中的 PM2.5 或PM10 及其前体污染物（SO2、NO2、NH3 等）严重超过了当地的环境容量,当与持续出现的静稳天气相配合时,将有利于污染物的二次积累,从而不利于污染物扩散.同时灰霾污染出现了区域性污染的特征,各区域间空气污染相互影响日益严重[4-6].由于天气系统的多样性及其尺度影响的跨地理区域的特性,一个区域或一个城市群的污染及其污染物的排放,有可能造成跨区域的影响.为了进一步提高霾天气预报水平,在研究霾天气预报指标的同时,也要研究当地污染物积累,天气形势变化及污染物的长距离输送.

1 沈阳市区灰霾污染过程天气形势分型

本文将 AQI（AirQualityIndex）为 3 级（>150）以上且主要污染物为可吸入颗粒物的污染作为灰霾污染.

图1 为2015 年沈阳市区AQI 日均值分布图.从图中得知,2015 年沈阳市区污染以上的灰霾污染有24 个过程,共56 天.其中,五级重度污染为23 天,六级严重污染为6 天,其余27 天为四级中度污染.

利用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型（HYSPLIT-4）轨迹模式系统计算沈阳站（41.83°N,123.4°E）气团的后向轨迹,计算的时间起始点为每日08 时,向后延至24 小时,因为后向轨迹模拟结果的不确定度会随着推算距离和时间的增加而变大,所以选取时间为24 小时；轨迹的起始高度选取距地500 米高度,因为1500 米高度被广泛的用于对流层自由大气的区域输送研究中,但气溶胶主要分布于边界层以内,500 米高度对气溶胶有更大的影响,所以轨迹的高度选用500 米.计算发现在灰霾污染的56 天中有38 天气团来自不同方向的远距离输送,占灰霾天气的67.9％,具有重要研究意义.

利用现代化人机交互气象信息处理和天气预报制作系统（Micaps）资料研究灰霾污染日天气形势,灰霾污染过程的天气分型可分为5 类,即高压均压场型、长白山小高压型、弱低压场型、地形槽型、鞍型场型,下面主要对高压均压场型、长白山小高压型、弱低压场型和地形槽型这4 种天气类型的污染天数、天气形势和污染机制进行分析.图2 是高压均压场型、长白山小高压型、弱低压场型、地形槽型,4 类天气类型代表日的海平面气压场和850hPa 温度场叠加图.

图1 2015 年沈阳市区AQI 日均值分布图

图2 天气形势图（a 高压均压场型；b 长白山小高压型；c 弱低压场型；d 地形槽型）

表1 2015 年沈阳市区AQI 指数3 级以上污染的天气分型及污染源来向统计

图3 12 月14 日08 时起500 米高度24 小时气团后向轨迹

表2 2015 年沈阳3 级以上空气污染过程中高压后均压场型污染物来源方向统计和前期及同期北京地区空气质量状况

1.1 高压均压场型

该种天气形势下发生灰霾污染的天数为35 天,占2015 年AQI指数3 级以上污染天数的63％.以高压后均压场型和高压内部均压场型为例,分析污染形成机制.

1.1.1 高压后均压场型高压均压场形势下灰霾污染天气中高压后均压场型有16 天占46%,3 月27 日和29 日均属于高压后部型.此时沈阳地区地面形势南高北低,沈阳地区受低压控制,华东及东海海域大部地区维持高压.沈阳处于高压后部低压前部,形成气压梯度很大的西南大风,加之春季地表干燥,易形成扬沙或浮尘天气,造成灰霾污染.

1.1.2 高压内均压场型高压均压场形势下灰霾污染天气中高压内均压场型有7 天占20%,12 月7 日属于典型的高压内部型.沈阳地区受大范围高压控制,风速较小,并伴有空气的下沉运动,同时存在逆温层,抑制了湍流发展和污染物的扩散,造成污染物累积,形成高污染天气.

1.2 长白山小高压型

长白山小高压型天气型下发生灰霾天气污染日数为 5天,代表日期为 1 月 12 日.沈阳地区处于大范围高压控制,在长白山地区出现闭合的长白山小高压,高压底部提供冷湿气流,造成地面逆温,夜间晴空辐射作用下逆温强度加强,大气层结趋于稳定,污染得不到有效扩散.

1.3 弱低压场型

弱低压场型发生灰霾天气的日数为 7 天,2 月 15 日就属于低压内部弱低压场型.15 日华东地区低压入海北上,沈阳地区位于低压顶部倒槽附近,朝鲜高压的后部,伴随着湿润的偏南风,850hPa 为脊前冷气流,500hPa 处于槽前冷平流控制,此天气型一般伴随着大雾天气同时发生.

1.4 地形槽型

地形槽型发生灰霾天气的日数为 6 天,11 月 7~9 日为地形槽型的典型代表日期.地面受江淮气旋顶部控制,在华北地区形成地形槽,地面吹东北或东南风,850hPa 受暖脊控制, 500hPa 为槽前暖湿气流,不易于污染物的扩散.

2 受外来影响的灰霾天气类型

通过表 1,对 2015 年沈阳市区AQI 指数为 3 级以上污染的天气分型及 500 米高度上 24 小时后向污染来源方向进行统计.

从污染日的来流方向看,气流来向为西,西南方向的有 29天,占 52%；来向为西北和偏北方向的有 25 天,占 45%；其余只有2 天来自偏东方向.在 56 天后向气流轨迹中,除了有远距离输送还有局地饶璇型（见图 3）,将局地饶璇型剔除后,有38 天灰霾日污染物来源于远距离输送.

其中来自西、南和西南方向的天数为 12 天,占 31.6%,在这 12 天中有 8 天是高压均压场型,其中 7 天是高压后部西南大风型.这说明京津冀地区由西南向东北区域远距离传送与高压后部西南大风型有密切联系.来自北和西北方向的天数为 23 天,占41.1%,其中高压前、内部和长白山小高压型有 18天,是该方向的主要天气类型.表 2 显示 2015 年沈阳 3 级以上空气污染过程中高压后均压场型污染物来源方向统计和前期及同期北京地区空气质量状况.高压后均压场型沈阳地区出现灰霾污染时北京地区也出现了同等或更严重等级的污染.同 2015 年沈阳 3 级以上空气污染过程中高压内、前和长白小高压型沈阳地区为灰霾天气时,长春地区前期或同期也出现了同等或更严重等级的污染.

所以,沈阳地区灰霾污染外来影响主要有两个：一是西南的京津冀方向,主要天气形势为高压后部西南大风型；二是偏北的内蒙和吉林方向,主要影响天气形势为高压前、内部和长白山小高压型.

3 结论

通过对沈阳市区 AQI 指数 3 级以上空气污染日的分析可以看出：沈阳地区灰霾天气影响的天气形势共 4 类,分别为高压均压场型、长白山小高压型、弱低压场型、地形槽型.

沈阳地区灰霾污染外来影响因素主要有两个：一是西南的京津冀方向,主要天气形势为高压后部西南大风型；二是偏北的内蒙和吉林方向,主要影响天气形势为高压前、内部和长白山小高压型.

参考文献

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来源数值模拟研究[J].环境科学学报,2010,30(11)：2145-2153.

[5]王喜全,杨婷,王自发.灰霾污染的跨控制区影响———一次京津冀与东北地区灰霾污染个案分析[J].气候与环境研究, 2011,16(06)：690-696.

[6]苏福庆,杨明珍,钟继红,等.华北地区天气型对区域大气污染的影响[J].环境科学研究,2004,17(03)：16-20.