地面风场对珠江三角洲霾分布的影响

甘泉，沈瑾，谭浩波，李明华，3，陈芳丽，刘建龙，林汇丰，步巧利

（1.惠州市气象局，广东惠州 516000；2.佛山市气象局，广东佛山 528000；3.深圳市气象局，广东深圳 518040）

珠江三角洲位于广东省中南部，是中国经济最发达的都市群之一。大气颗粒物是霾形成的主要因素之一，近些年来地方政府在大气颗粒物治理方面实施了系列污染减排措施，并取得了明显的成效，重点城市颗粒物质量浓度下降明显［1-3］。然而，区域性霾天气在该地区仍时有发生，低能见度事件给城市经济活动和居民生活带来显著不利影响，成为政府和公众亟待解决的重大环境问题［4-8］。

气象条件和污染源排放的变化是导致霾天气形成的重要原因。研究表明，颗粒物污染不仅来自本地积累，同时也受外来输送影响，其中风场（风速和风向）的转变可以直接影响颗粒物的水平扩散和区域输送能力，是污染天气条件下空气质量好转的重要指标［9］。当风速超过某个阈值时，大气水平扩散条件转好，不易出现区域性的空气污染，但风速较小时，空气质量变化比较复杂［10-11］。Wu等［12］分析了珠江三角洲风场对空气质量的影响，研究发现当近地层持续小风时（＜1.5 m／s）易导致地面污染物积聚，海陆风对空气质量变差起到重要作用，当风速变大（＞3 m／s）且风向稳定时空气质量转好；张人文等［13］研究发现当珠三角区域平均风速＞2.6 m／s时不会出现区域性空气污染，区域平均风速＞3.2 m／s时空气非常清洁，区域平均风速＜1.8 m／s时区域空气污染严重；刘建等［14］将珠三角地区PM2.5的区域污染分为3种类型，并利用风廓线雷达研究了垂直风场与不同类型污染天气的对应关系。上述关于风速阈值的研究加深了对霾天气尤其是区域性霾天气特征、形成机制及影响的理解，然而由于不同城市主导风向和污染源排放的不同，风速阈值并不一定适应每个城市，特别是当风速超过某个阈值时反而使得处于污染源下风向的城市污染物浓度升高。目前关于风速和风向对不同城市霾天气的影响仍缺乏规律性的总结和分析。因此，本研究以珠江三角洲为例，分析2001—2018年霾的时空分布特征，以及地面风场对区域和不同城市霾的分布影响，这将有利于进一步揭示霾的污染现状，并为政府持续改善空气质量、评估排放控制措施提供一定的理论依据。

1 数据来源和研究方法

本研究选取珠江三角洲9地市29个国家气象观测站2001—2018年的逐时能见度、相对湿度、风速风向以及日降水量数据。目前对霾日的确定标准主要有单次值法、日均值法和14时值法。本研究以日均值法统计珠三角地区霾日的长期演变趋势，定义日均能见度＜10 km，日均相对湿度＜90%，并排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘、烟幕等其他能导致低能见度事件的情况为1个霾日［15］，其中日均能见度和日均相对湿度取每天3个时次作为平均（08：00、14：00、20：00（北京时，下同））。由于降水对颗粒物的清除机制十分复杂，存在很多不确定性［16］，同时根据上述关于霾日的定义，因此本研究在统计霾日时将日降雨量＞0 mm的天数剔除。珠三角地区位于华南南部，根据华南气候特征［17］，没有气候学意义的冬季，为了更好的了解霾日的季节分布特征，定义湿季（汛期，4—9月），干季（非汛期，10月—次年3月）。

2 结果与分析

2.1 霾日的长期变化趋势

图1给出了2001—2018年珠三角地区霾日的年际、季节和月变化特征。可以看到，珠三角区域年平均霾日在2007年前呈现逐年波动增加趋势，从2001年的51 d上升到2007年的79 d，利用一元线性回归方程计算年增长速率为5.1 d／年，2008年起年平均霾日以3.4 d／年的速率下降，并在2018年达到最低值29 d。综合分析看出，2001—2018年珠三角年平均霾日呈现下降趋势，下降速率为2.1 d／年。从年霾日的极大值分布来看，2007年前年霾日数最多可达170 d以上，2012年下降到85 d，随着2013年“大气国十条”的出台，地方政府实施了系列污染减排措施，珠三角地区霾日极大值仅有约50 d。霾日呈明显的月变化特征（图1b），霾日的月极大值主要出现在10、11、12月和次年的1月，月极小值出现在6和7月。从季节分布来看，干季出现霾日的天数远大于湿季（图1c）。

图1 2001—2018年珠三角地区霾日的年际（a）、月（b）和季节（c）变化

2.2 风场对区域霾的分布影响

根据能见度的不同，霾的等级分为轻微（5～10 km）、轻度（3～5 km）、中度（2～3 km）和重度（＜2 km）。珠三角霾日以轻微为主，其次为轻度，中度及以上出现频率基本在5%以下（图略）。空气污染是一个区域性的环境问题，为了更好的了解霾在珠三角的区域分布特征，图2给出了不同地面风场下珠三角区域能见度风玫瑰图，由图2可以看到，区域低能见度现象（＜10 km，下同）主要出现在偏东风或偏西风、风速＜1 m／s的情况下，这表明珠三角的区域颗粒物污染以本地排放为主，风速增大能见度逐渐好转；从风频看偏东风和偏西风出现的频率分别为21%和9%。珠江三角洲濒临南海，来自海洋的暖湿气流有利于污染物的稀释和扩散，当盛行偏南风时风速越大能见度越高。

图2 珠三角地区的能见度风玫瑰图

2.3 风场对不同城市霾的分布影响

城市空气污染影响一般分为本地影响和城市间输送影响，图3给出了不同地面风场下珠三角各市的能见度风玫瑰图。可以看到，由于各个城市地理位置、盛行风向的不同，不同城市能见度分布有明显差异。

图3 珠三角各市的能见度风玫瑰图

从图3可以看出，深圳西北风时容易出现低能见度现象，且风速越大能见度越低，这表明深圳的污染虽然受本地和外来源输送共同影响，但外来源影响更大。外来源输送主要来自于西北方向的东莞，从风频看，深圳每年出现西北风的频率是极小的。东莞和惠州的低能见度现象主要出现在偏东风、局地风速＜1 m／s的情况下，这表明这两个城市的污染均以本地排放为主，从风频看东莞和惠州出现偏东风的频率是较大的，尤其是东莞的盛行风向是偏东风。与深圳类似，中山也是在西北风时易出低能见度现象，但能见度低值区出现在风速较小时（＜2 m／s），表明中山的污染以本地排放为主，且每年出现西北风的频率是极小的。

佛山在风速＜1 m／s时，所有风向都易出现低能见度现象，当风速增大到2～3 m／s时，低能见度主要出现在西北和偏东方向，这表明佛山的低能见度现象受本地排放和外来源输送共同影响，其中外来源输送主要来自于佛山的西北和偏东方向（即肇庆和广州）。值得注意的是，广州的低能见度现象主要出现在偏东风、风速＜2 m／s时，当出现偏西风时低能见度不明显，这表明广州的污染以本地排放为主。同样的情况也适用于肇庆，污染主要以本地排放为主，出现污染时风向为东南风、偏西风和弱的西北风。与佛山类似，江门污染受本地排放和外来源输送共同影响，江门的外来输送主要来自于东北方向（佛山），且东北风是其盛行风向。珠海低能见度现象易出现在风速＜2 m／s时，污染以本地排放为主。

2.4 2018年1月20—23日区域性霾过程分析

2018年1月20—23日珠三角出现一次中度局部重度的霾污染过程（图4），区域日平均能见度最低达到4.6 km，过程污染最严重出现在21—22日，期间肇庆、江门、广州等城市日均能见度接近2 km，24日起能见度自南向北逐渐好转，污染过程结束。

图5给出了霾污染过程前后、污染期间的地面10 m风场逐日变化。这是一次典型的冷空气影响过后，地面高压脊变性过程中出现的污染天气。1月20日地面吹偏东到东北风，低能见度最明显的区域（2～4 km）为江门和佛山西部，结合图3江门风玫瑰图可知，江门污染受本地排放和外来源输送共同影响，江门的外来输送主要来自于东北方向（佛山）；21日珠三角北部有弱的地面辐合线，扩散条件明显转差，有利于本地污染物的积累，因此低能见度现象主要出现在地面辐合线附近区域（肇庆和广州），从肇庆风玫瑰图可知，肇庆污染主要以本地排放为主，当盛行弱的西北风时容易出现本地污染；22—23日地面吹东北风，低能见度区域向南转移，低能见度最明显的地区为江门，前期污染较明显的肇庆和广州能见度逐渐好转；24日地面转东南风，风速明显加大，珠三角大部能见度明显转好，污染过程趋于结束，此时低能见度现象主要集中在肇庆，这与肇庆的风玫瑰图结果一致，当出现东南风时，肇庆易出现污染。

3 结论

1）珠江三角洲区域年平均霾日在2001—2007年呈逐年波动增加趋势，年增长速率为5.1 d／年；2008年起年平均霾日以3.4 d／年的速率下降，并在2018年达到最低值29 d。

2）霾日呈明显的月变化特征，霾日的月极大值主要出现在10、11、12月和次年的1月，月极小值出现在6和7月；干季出现霾日的天数远大于湿季。

3）珠江三角洲城市间污染输送影响明显。佛山、江门的低能见度现象受本地排放和外来源输送共同影响，其中佛山的外来源输送主要来自于西北和偏东方向（肇庆和广州），江门的外来输送主要来自于东北方向（佛山）；惠州、东莞、中山、肇庆、珠海和广州主要受本地排放影响；深圳主要受外来源输送影响。

4）对2018年1月20—23日一次冷空气影响过后的霾污染过程分析表明，地面盛行东北风时低能见度最明显的区域为江门和佛山西部；地面吹东南风时珠三角大部能见度好转，低能见度现象主要集中在肇庆，这与珠三角各市的能见度风玫瑰图结果较为一致。

图4 2018年1月20—24日珠三角能见度日均值的分布（单位：km）

图5 2018年1月20—24日14：00地面10 m风场（单位：m／s）