一次重污染天气过程的监测分析

金淑博，陈 玮，张庆雷，俞豁然

莘县气象局，山东莘县 252400

气象、生态环境2个部门均围绕大气环境监测新建了诸如PM2.5、PM10微观站、气溶胶站、激光雷达、超级站等大气环境综合观测设施，同时新资料的应用在初期的中小尺度大气环境监测中发挥了重要作用[1-3]。然而，随着生态城市建设和“蓝天保卫战”的深入推进，新资料与传统观测资料、风廓线雷达、微波辐射计等的融合与跨部门数据的整合成为新时代大气环境建设的趋势，将来自多方面的空基、天基、地基等多维空间数据进行融合，这种新型大数据库是大气环境治理向科学、智慧不断深化的关键所在，已有多地引入激光雷达等监测手段，并开展本地研究[4-7]。以京津冀污染物传输通道城市之一的聊城市为例，通过建立气溶胶激光雷达、地面空气站等环境气象大数据融合平台为切入点，从而形成重污染天气在形成机理、污染物扩散、重污染天气潜势预报等科学合理的支撑体系，为地方政府在正确启动重污染天气应急响应和采取应急举措后取得的效果评定方面起到后台分析与支撑作用[8]。

1 资料与方法

天气形势场资料来自MICAPS，能见度、空气质量资料来自山东省灾害性天气监测平台，激光雷达资料来自聊城周公河激光雷达站。采用高空天气形势场分析法、对比分析法。

2 结果与分析

2018年11月下旬，鲁西北西部的聊城市持续受到一次近地面弱气压场控制的重污染天气影响。期间，20—22日为弱冷空气影响过程，20日08:00，500 hPa山东西部上空受偏西气流影响，新疆东部的低压槽引导冷空气将自西向东影响我国中东部地区，高原槽位于四川中部，未来发展东移；低层受弱的高压暖脊控制。20日上午，鲁西北地区能见度状况较差，部分地区有轻度霾，局地中度霾。20日20:00，高空低槽东移至河套地区上空，南部高原槽东移至河南、湖北中部，鲁西北地区位于高空槽前，受偏西南气流控制；低层切变压至山东西部上空。受冷空气影响，20日白天，偏北风逐渐推进影响华北地区，地面偏南风转为偏北风，20:00鲁西北地区大部转受偏北风控制。受该股冷空气影响，霾自北向南减弱、消散。

21日08:00，鲁西北地区位于500 hPa高空低槽底前部，白天出现局地弱降水，中低层开始转受西北气流影响，地面完全转为偏北风，风力不大。21日早上鲁西北多地出现轻雾。随着低槽东移，21日20:00高空三层全部转为西北气流。冷锋过后，海平面气压梯度变小，等压线稀疏，21日20:00鲁西北近地面转受偏南风，能见度变差，21日21:00山东省内开始出现大雾，至22日早上全省能见度低于50 m的有9站、低于200 m的有6站、低于500 m的有5站、低于1 000 m的有4站，此时空气质量尚好，以雾为主，山东省22日07:00全省能见度、空气质量分布见图1。

图1 山东省22日07:00全省能见度（a）、空气质量（b）的空间分布

此次过程，21日08:00 500 hPa高空低槽压至山东省西部上空，22日08:00东移南压至鲁东及其以南地区上空。地面冷锋过境后，近地面转为偏南风，21日夜间至22日上午鲁西北地区多地出现大雾天气。

根据21—22日聊城站能见度变化与聊城上空单站点激光雷达图（图2），聊城上空单站点激光雷达图可与相应时段能见度变化相符合，也可以借此区分开雾与霾的出现时段，21日入夜后，聊城由霾转雾。

图2 21—22日聊城站能见度变化（a）与聊城（周公河站）激光雷达垂直观测图（b）

22—23日08:00，500 hPa有 一 东 移发展的小低槽，有小股弱冷空气影响鲁西北地区，700 hPa低槽位于河套地区东部，850 hPa在河北中部至山西上空风场形成闭合低值系统环流，鲁西北处于低值系统环流前部。地面风场来看，23日08:00，在冀东南至鲁西北范围内出现明显的风向辐合，但风力较弱，有轻雾，且维持时间长，向南推进慢，鲁西北地区有轻度到中度的污染。直至23日20:00，鲁西北转为弱北风控制，500 hPa、700 hPa转为低槽槽后，850 hPa鲁西北地区刚好位于槽底，聊城部分地区出现零星降水。

此次弱冷空气与近地面偏南风相持，使得23日夜间鲁西北地区污染程度又加重。由图3可见，23日下午聊城地区能见度尚可，而激光雷达图显示污染物已经开始有一定堆积，23日夜间至24日上午污染严重。

图3 22—23日聊城站能见度变化（a）、聊城（周公河站）激光雷达垂直观测图（b.22日20:00～23日20:00；c.23日20:00～24日20:00）

24日早上，鲁西北部分地区出现大雾，07:00山东省全省站点能见度都高于500 m，低于1 000 m的有6站，大部分站点以轻雾或霾为主，在17个地（市）中重度污染2个（聊城、菏泽）、中度污染10个、轻度污染3个，主要污染物PM2.5。山东省24日07:00全省能见度、空气质量的空间分布见图4。

图4 山东省24日07:00全省能见度（a）、空气质量（b）的空间分布

24日下午开始，地面由偏北风转为偏南风，近地的风向辐合作用消失，污染有一定程度减轻。

结合高空形势与激光雷达资料（图5、图6），24日夜间，500 hPa河北、湖南一线有低槽存在，鲁西北地区位于该低槽槽前，后部为大范围偏西气流，中低层切边相较高空低槽位置略偏南。整体湿度条件较差，边界层存在逆温，有利于出现雾霾天气。随着冷空气推进，25日下午，鲁西北部分地区空气质量有所好转。25日20:00，500 hPa低槽发展东移，鲁西北地区底层西南气流有所发展，夜间湿度增加，污染加剧，又转入重度污染。

图5 24日20:00形势图叠加25日早晨卫星云图

图6 24日20:00～25日20:00（a）、25日20:00～26日20:00（b）聊城（周公河站）激光雷达垂直观测图

26日08:00，低槽过境转为槽后西北气流控制，850 hPa西南气流明显，湿度增大，雾、霾共存。26日早晨鲁西北、鲁西南和鲁中部分地区出现大雾，全省13个站能见度低于50 m；17地市中6个重度污染、3个中度污染、7个轻度污染，主要污染物PM2.5，鲁西北地区重度污染，午后有所缓解。山东省26日07:00全省能见度、空气质量分布见图7。

图7 山东省26日07:00全省能见度（a）、空气质量（b）的空间分布

26日20:00～27日08:00，南部偏西气流中多波动，27日08:00沿四川省东南部有一南支槽，鲁西北地区恰处在北部低压槽槽底偏西气流与南支槽槽前西南气流交汇处。

近地面，鲁西北与冀东南范围内地面风场有明显风向辐合（南、北风），风力较弱，造成污染物的扩散条件较差，26日20:00，辐合线恰处在两省交界处，26日夜间污染再度加重。

结合PM2.5浓度变化（图8），随着地面冷高压逐渐东移，27日早晨起，鲁西北从高压前侧偏北风转为高压底前东北风，鲁西北地区背临太行山脉，东北风在一定时间内造成污染物堆积，鲁西北地区污染浓度27日呈先增后减状态。与前期染浓度先开始加重不同，27日早晨开始的污染由东北风上风的沿海地区开始加重，PM10的浓度有明显增加，甚至超过PM2.5成为主要污染物，此时PM10与PM2.5浓度都非常高，鲁西北地区一度出现严重污染，并持续。直至27日下午，鲁西北地区自东北向西南污染才逐渐减轻。

该次长时间的污染过程中，存在一个明显特征，即当弱冷空气南下造成近地表南北风向拉锯时，往往无法有效改善空气质量，反而使得局地的污染程度加重。另一明显的特征就是：在受一定污染影响，且天气系统影响相对较弱的情况下，有明显日变化。空气质量较好时段（22—23日）与污染较严重的时段（24—26日）都有所体现，午后有所减轻，入夜则又开始加重，加重过程大致为自西向东、由内陆至沿海的趋势。27日白天受明显东北风影响情况时，此种日变化便体现不出来了。22—23日、23—24日聊城周公河站点激光雷达图，可很好地表征这一现象。通过这次持续的重污染天气过程，气溶胶激光雷达在污染物浓度时空分布变化曲线观测参数与地面PM2.5实际观测值的变化情况较为一致，较好地反映了此次重污染天气过程由轻度转变为重度直至后期持续发展的完整过程。

3 结束语

该次重污染过程发生近地面受弱气压场控制，大气层结相对稳定，不利于污染物扩散，污染物累积速度快、污染物浓度峰值高。气象观测资料和激光雷达监测结合分析，当弱冷空气南下造成近地表南北风向拉锯时，往往无法有效改善空气质量，反而使得局地的污染程度加重；在受一定污染影响，且天气系统影响相对较弱的情况下，有明显日变化，午后有所减轻，入夜加重，鲁西北加重过程大致为自西向东、由内陆至沿海的趋势，当扩散条件明显改善时，此日变化不再明显。

图8 11月24—28日聊城（周公河站）离子色谱与PM2.5浓度值变化

重污染天气形成的原因相对较为复杂，静稳天气背景条件是触发重污染天气形成的基本诱因，污染物排放在一定温湿条件下形成的化合反应、区域间传送等多重因素，导致该区域污染源排查和重污染天气成因分析的难度相对较大。