Vol. 39 No 1Febnr r y,2221
第39卷第1期2021年2月
干旱.气彖
Journal of Arid Meteorology
张新科，胡长金，可 跃，等•重庆市荣昌区冬季PM13污染的气象因素及区域传输特征[J].干旱气象,2201,39(1):100-111, [ZHANGXdko ,HU Chanyjid , HE Yue, et al. Meteorolooicai Influencing Facton and Regional Traasmissiou Characteristic of PM? 3 id the Winton id Rongchana District ,
ChuyqdgJ]. Journal of Aid Meteoroloyy, 2201, 39(1) ：100-ll1] , DOI ： 12.11755/j. inc. 1006 - 7639(2201) -21 -2100
重庆市荣昌区冬季PM 2.3污染的 气象因素及区域传输特征
张新科1，胡长金1，何跃2，刘芮伽9
(1重庆市荣昌区气象局，重庆 荣昌402062；.重庆市气象台，重庆421145；
3.重庆市荣昌区生态环境局，重庆荣昌462462)
摘 要：利用2012-2211年重庆市荣昌区冬季PMn 质量浓度监测数据，结合地面气象观测资料、L
波段探空雷达资料.ERA-Interim 再分析资料及全球资料同化系统(GDAS)数据，并与HYSPILT 模型
相结合，分析荣昌区冬季PMn 污染的气象影响因素及区域传输特征。结果表明：(1)2016—2018年
荣昌区冬季PMn 污染超标频率高达56. 3%，但空气质量有好转趋势。PMn 质量浓度日变化有2个 峰值，分别出现在12:00和23:00； (2)荣昌区冬季PM^污染主要受降水、逆温层、低层风速等气象条
件影响。当925 hPa 以下和702-602 hPa 存在明显逆温层结,502 hPa 呈西北气流或平直西风气流，
855 hPa 以下为偏东北弱风时不利于PM 2_3扩散，易发生重度污染天气。日降水量R>2.0 mm 时，降
水对PM 2_3具有明显的正清除，且清除能力随着降水等级的增大而增大,R<1.0 mm 时，降水对PM 2_3
表现为负清除，微量降水期间不利的扩散条件加之颗粒物吸湿增长作用反而导致PM 2_3质量浓度增
加，空气质量恶化(3)荣昌区冬季PM 2_3污染主要受距离荣昌区西北和东北方向约300 km 范围内的
成渝城市城市间污染物区域输送影响，外域颗粒污染物的传输是荣昌区冬季PM 2_o 污染的重 要原因。
关键词:PM 23 3污染；气象条件；区域传输；重庆荣昌
文章编号：1006 -7639(2021)01 -0102 -10 D0I ：10.11755/j. issn. 1006 -7639(2021) -01 -0102 中图分类号：X513
文献标志码：A
引言
近年来,PM 01已成为我国诸多城市的首要大气
光棍节短信污染物
L
，历年中国环境状况公报(http ：//www.
mee. yov. cn/hjzI/zghjzkgb/jnzghjzkgb/) 数据显示，
2210,2217和2211年全国338个地级及以上城市 发生的重度以上污染天气中，PM 2 3为首要污染物
的天数分别占82. 3%、74. 2%和62.2%。由于
PM 0.0不但严重影响人体健康⑶，同时对大气能见度
以及全球气候变化也有重要影响
［4"5］
，因此对PM
2,
污染事件的分析研究受到科学界的广泛关注®2。
某一地区大气污染物质量浓度变化主要受本地 污染源排放状况、气象条件以及污染物跨区域传输 共同影响［
9-I0
］o 在一定的时空范围内，本地的大气
污染源排放状况相对稳定，因此气象条件和污染物
跨区域传输便成为影响大气污染物质量浓度变化的
主要因素［I1］ o 大气污染物质量浓度与风速、降水、
温度及相对湿度等气象要素具有较强的相关性J 0
］，
在大气层结稳定、逆温结构、高空弱的垂直运动及低
的混合层高度等不利气象条件下易造成污染堆积, 形成重度污染天气⑴"1 ］ o
大气污染物的跨区域传
办理残疾证的条件输对大气污染物质量浓度具有较大贡献少"1 ］，但不 同地区大气污染的气象扩散条件及区域传输特征具
有较大差异，且污染状况具有明显的区域性特征。
重庆市荣昌区位于四川盆地中部偏东部区域,
是成渝城市中心城市之一。随着工业化与城镇化
的深入推进,PM 01污染在成渝城市存在显著的空 间聚集性与复合性特征，荣昌区西部的成渝城市
收稿日期:2222 -23 -23；改回日期:2222 -29 -25
基金项目：2222年重庆市气象部门业务技术攻关项目“荣昌区空气质量预报方法及污染潜在源区研究”(YWJSGG -222008)资助 作者简介：张新科(1089—)，男，甘肃岷县人，硕士，主要从事天气预报及大气污染研究.E - mail : **********************。
第1期张新科等：重庆市荣昌区冬季PM 2.5污染的气象因素及区域传输特征
103
南部区域为PM 2.5质量浓度高值区〔切，在不利气象
条件下易造成大气污染物在该区域的的滞留和累 积。同时，冬季重庆地区高空流场主要由西风环流
控制，利于西部高污染排放区域污染物向荣昌区输 送［22_20］ o 重庆市生态环境局（http ：//sthjj. cq. gov. cn/）发布的空气质量排名显示,2316—2310年荣昌
区连续3 a 空气质量排名均为全市倒数第一，尤其 冬季大气污染状况最为严重，冬季首要污染物为
PM 2.5的频率高达97%，给当地人民身心健康和城市
经济发展带来严重影响。本文基于2316—2310年
冬季荣昌区PM 2.5质量浓度实况监测资料，结合地面 气象常规观测数据、L 波段探空雷达资料、ERA In
terim 再分析资料及全球资料同化系统（GDAS ）数 据，利用HYSPILT 模式、潜在源贡献因子（potential
source contribution fu/ctiov ，PSCF ）和质量浓度权重
轨迹（concentration weighted trajectory , CWT ）分析等
方法，研究重庆市荣昌区冬季首要大气污染物PM 2.5 的气象因素及区域传输特征，以期为该地区大气污
染预报预警及区域联防联控提供一定参考。
1研究区概况、资料及方法
1.5研究区概况
重庆市荣昌区（135。17' E —135。44' E 、29。15' N —
29°0N ）位于重庆西部与四川省接壤，全境南北长
44.5 km，东西宽39.1艮叫全区以浅丘为主，平均海 拔305 -445 m，最高海拔711.5 m，地势北高南低，
起伏平缓。荣昌区环境监测站（135.591、29.41呱）
位于荣昌区中心位置，地势平坦（图3 ，布设格局符 合《环境空气质量监测点位布设技术规范（试 行）》［2相关要求，可以反映荣昌区城市空气质量
整体状况和变化趋势。
30° N
28° N
32° N
|荣昌区环境监测站104°E 106°E 108°E 110°E
图1荣昌区环境监测站位置
(阴影为海拔高度，单位：m )
Fig. 5 The location of amUienh oVservation
station io RonccCanc DistVct
(the sOalen foc altitude , Unit ： m)
33003000270024002100180015001200900600300
15资料
PM ?*质量浓度资料包括荣昌区环境监测站提
供的荣昌区2016—2015年冬季（当年12月至次年 1—2月）逐小时和逐日PM 2.5质量浓度，对应时段 的其他城市（成都市、乐山市、资阳市、遂宁市和重
庆主城）PM 2.5质量浓度资料通过全国城市空气质
量实时发布平台（http ：//106. 37. 228. 233:20035/）
获取。
气象资料包括荣昌区气象局提供的地面风向 风速、相对湿度及降水等实况观测数据；重庆市沙
坪坝站L 波段雷达探空资料每日08：00（北京时，下
同）、20：00气温、气压、湿度、风向风速探空数据；
ECMWF 提供的的ERA - Interim 再分析资料（空间
分辨率5. 5。x 0. 5。，时间分辨率6 h ）；全球资料同 化系统（GDAS ）数据（空间分辨率11x1。；时间分辨
率 3 h ）o
1.3方法
HYSPLin 4.5模式在目前国内外污染物来源及 确定传输路径研究中得到了广泛应用［3］。文中将
荣昌区环境监测站作为起始点，模拟起始高度设置
为距离地面595 m 高度，模拟计算监测点2516—
年冬季每日逐3 h 的41 h 后向轨迹，共计轨迹
2166条。使用TrajStat 软件［24］对气团后向轨迹做
聚类分析，研究荣昌区冬季气团输送路径。
研究污染潜在源时需要引入潜在源贡献因子
（PSCF ）和质量浓度权重轨迹（CWT ）分析法，其中 PSCF 是计算和描述可能潜在源区的空间地理位置
的概率密度函数，可以识别对研究区域污染物影响
大的区域［2/-23］,cwt 分析可以估算每个网格上污 染物质量浓度。文中将后向轨迹所覆盖的空间区域
（。呱一44呱、90。E —1224）网格化为25。x 。. 25。
的网格，设定PM ?*质量浓度〉75（xg ・m 「3（国家二 级标准）的气团轨迹为污染轨迹，计算每个网格内 的PSCF 和CWT
27
核舟记原文。研究表明，当通过单个网格的
总轨迹数呦较少时会导致计算出较大的PSCF 和 CWT，从而产生误差，因此在计算时需要引入权重
系数 〃（（,）［23］，得到 WPSCF （（,）和 WCWT （,）,
表达式如下：
WPSCF(i,)二 PSCF( i,)(i,) (1)
WCWT(i ,)二 CWT(iWi (2)
权重系数W (i,)取值如下：
卩.0
溺的拼音3% 5j
。.4
S.2
1. 5% < %ij W 3%
% < % W 1. 4% % W %
104
干 旱 气 象
39卷
式中：a 为平均网格的轨迹节点数。2结果分析
2.1荣昌区冬季PM 2.5污染状况
荣昌区冬季PM 2.3日质量浓度平均值由2016年
的 99. 3 |xy • m^3下降到 2011 年的 74. 4 ^y • m"3,
日均质量浓度最大值由2016年的237. 2隧-m
-
下降到2011年的115.3隧-m -［图2(a )］，同时
重度污染(PM/质量浓度'HO 隧-m-3)天数由
2016年的10 d 降低到2011年的2 d，这与肖悦
等
［22］
中国面积最大的省份研究发现的2005—2015年全国空气质量呈逐
年转好趋势一致。
PM 0.3 24 h 平均质量浓度限值为75隧• m-3，超
过115 ,xy • m-3为重度污染J9t ］。2010—2011年荣 昌区冬季PMn 国家空气质量二级标准达标频率仅为
43.3%，超标频率高达55. 3%，重度污染天气发生 频率9.3%o PMn 质量浓度日均值W200隧• m
-
的累积频率达99.3% ［图2(b ) ］ ,PM 0.3日均质量浓
(a )
300 I -----------■----------------------■----------------------■---------
*平均值
可250翌200慈150 髡
* 100
t 50
'* 2016 2017 2018
度超过200隧• m
-
的日数仅有2 d，分别出现在
2010年1月23日和27日，对应日均质量浓度为 237.2、226.9隧• m 「3
，未出现PM^质量浓度日均
值〉250 |xy • m"3的严重污染天气。
图3为2016—2018年荣昌区冬季PM"质量 浓度日变化。可以看出‘PMn 质量浓度日变化呈
明显的双峰型分布特征。第1个峰值出现在 12：00，此时由于人类活动不断增加，中午下班高 峰来临，人流车流量剧增，加上城区道路堵塞，其
间大气污染物质量浓度迅速升高。随后PMn 质 量浓度逐渐下降，至16:00出现第1个谷值，这 与午后湍流活动加强，污染扩散能力加强有关，
而后随着夜晚气温降低及大气的活动能力减弱，
污染物不易扩散逐渐堆积，大约在23：00 PMn 质量浓度达到第2个峰值，高达122.6憾• m -3；
23：00以后，随着人活动减少，城市趋于平静，
PMn 质量浓度开始下降，在次日08 : 00左右形 成第2个谷值。
图2 2010—2018年荣昌区冬季PM0.3日均质量浓度箱线图(a )与累积频率分布(b )
Fin. 3 The box plot (a ) ak camulative fnquecy distPdutiou (b ) of daily )21x 2 PM^ mass
图3 2010—2018年荣昌区冬季PM0.3质量浓度日变化
Fin* 3 Diurnal veriatioos of PM? 3 mass couce2tratiou in wi/ea in Roocchanc Distect from 2016 te
2011
第1期张新科等：重庆市荣昌区冬季PM2.5污染的气象因素及区域传输特征105
2.5气象条件
大气污染是在污染物不断排放，并在不利于污染物扩散的气象条件下堆积形成，主要受风、降水及温度层结等气象条件影响。表1列出2210—2210年冬季日均PM2.5质量浓度与日地面气象要素的皮尔逊相关系数。可以看出，PM2.5质量浓度与水平风速、降水量及平均气温均呈较强负相关，相关系数分别为-5.54,-5.36和-5.59，与相对湿度呈较强正相关，相关系数为5.34，说明低层风速水平扩散、晴天温度升高湍流运动增强以及降水湿沉降是PM2.5扩散和清除的主要方式，而高的相对湿度有利于污染物吸附增长，不利于PM2.5扩散和清除。
表12016—2018年冬季日均PM2,5质量浓度
购买笔记本注意事项与日地面气象要素的皮尔逊相关系数
Tab.1Pearson correlation coefficients between daily
averaged PM25maso concentration ard dbly sorfaco
meteoroloricra elemento io wintae durinc2216-2210
水平风速降水量平均气温相对湿度
一5.34**-5.36糾一5.39** 5.34粋
注：**表示通过5.51显著性检验，下同。2.2.1风
风向和风速对大气污染物的扩散具有重要作用，风向决定污染物的输送方向，风速决定污染物的输送能力，风速越大越有利于污染物的稀释和扩散。
荣昌区冬季平均风速仅1.5m•o\风速小于1.3m-o-的小风发生频率高达75.2%，主导风向偏东北风（NNE）占比16.5%。为了对比分析地面风向、风速对PM2.5污染扩散的影响，绘制2516—2518年冬季荣昌区PM2.5重度污染日和清洁日的10m高度2min平均风玫瑰图（图4）。可以看出，风向与PM25质量浓度相关性不强，在清洁日或污染日，主导风向均以偏东北风（NNE）为主，占比分别为16.5%和15.5%。但风速与PM25质量浓度呈较强负相关，相关系数为-5.34（戶＜5.51），其中清洁日平均
风速1.4m•o-，小风发生频率68.4%，风速超过2.0m•s"频率为11.5%；严重污染日平均风速仅H m•o-，小风发生频率为82.3%，风速超过2.0m・s-的频率为4.9%。综上所述,PM2.5重度污染日平均风速较清洁日小，小风发生频率高，说明地面低风速不利于污染物的水平扩散，易造成大气污染物在近地面停滞与累积，形成污染天气。
图42216—2210年冬季荣昌区PM2.5重度污染日(a)和清洁日(b)的10m高度2min平均风玫瑰图Fie-4The roso map of2-min averaeeO wind ai10m height on heaviOy pollutef days(a) avd clear days(b)in winteo in RonccOabc Districi from2210to22D
大气污染物主要集中在距地面几百米高度以内的近地层内，近地层风场流动对大气污染物的水平和垂直扩散具有重要影响。图5为2516—2518年荣昌区冬季PM2.5重度污染日与清洁日925hPa平均风场合成。可以看出，在PM2.5重度污染日整个四川盆地925hPa风速极小，为5.5〜3.0m•s"，荣昌区风场呈弱辐散状态，可能与高空下沉运动导致近地层风场辐散有关。同时，主导风向为弱的偏东南风，这种低层弱风速状态下，污染物不易扩散，容易导致污染物不断堆积形成重度污染天气。清洁日，四川盆地925hPa风速较重度污染日明显增大，为5.3〜5.6m•s-，尤其是荣昌区及四川盆地偏东地区风速明显增大，最大风速达5.6m•s"，主导风向为偏东北风，这主要与冷空气活动加强有关，伴随冷空气南下，低层偏北风增大使大气污染扩散条件明显改善，污染物质量浓度迅速下降
。
106干旱气象39卷
(a)5m•s-1(b)-5m•s-1
102°E104°E106°E108°E110°E112°E102°E104°E106°E108°E110°E112°E
图52010—2211年冬季荣昌区PM/重度污染日(a)与清洁日(b)925hPa平均风场合成
(黑三角形为荣昌区位置)
Fin3The compositioo of mean wind fielU oo925hPa oo heevily pollutee days(a)
and clean days(b)in wintei in Roucchavc Distict from2210te2011
(The bl a ct trianale inyicatas the locatioo of Roucchanc District)
2.2.2降水
降水是大气污染物沉降的最主要方式之一，同时降水日太阳辐射的减少也会降低气体污染物向二次颗
粒物转化的速率，减少PMn的生成。图6为2016—2018年冬季荣昌区日平均PM0.5质量浓度与日降水量变化。可以看出，当有降水发生时,PM0.5质量浓度一般会出现不同程度的下降趋势，降水量与PM"质量浓度呈显著负相关，相关系数为-0.35（戶<0.01）。随着降水量逐渐增大^M^质量浓度逐渐降低，其中连续性降水过程对PM/削减作用最为明显，例如2010年2月21—25日，2018年1月3—8日、1月24—27日以及12月24—31日的连续性降水，空气质量从中度甚至重度污染迅速转为优或良。但是，当降水量级较小时，出现了PMn质量浓度不减反增的现象。
为进一步分析降水对大气污染物的清除能力，引入降水对大气污染物清除效率，降水对大气污染清除效率是指降水日的大气污染物质量浓度较前一日变化幅度占前一日质量浓度的百分比[30-33]:AC二-100%x（CT-CT_0y/T^,CT 为降水日的大气污染物质量浓度日均值；CT」为降水日的前一日大气污染物质量浓度的日均值;
A C为清除效率,AC〉0，表示大气污染物质量浓度较前一日下降，空气质量有所改善;AC<0，表示大气污染物质量浓度较前一日增加，空气质量恶化。
图62210—2011年冬季荣昌区日平均PMn质量浓度与日降水量变化Fio*6The veriatioo of daily).1x2PM^mm couce2traVou ana daily precipitatioo in wintea in Roucchanc Distect from2210te2011
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