四川盆地冷锋特征及其对逆温和大气污染的影响.pdf
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1、为进一步研究四川盆地冷锋特征及其影响,利用2 0 15-2 0 19年历史天气图、地面和高空气象观测以及大气环境监测数据,对四川盆地冷锋特征及其对逆温和大气污染的影响进行分析和讨论。结果表明,四川盆地冷锋过程年均9.6 例,春秋季最多、最强。偏北路径冷锋最多、平均强度最强,春秋季最多;西北路径冷锋个例数和平均强度次之,夏多冬少;偏东路径冷锋最少、最弱。冷锋过境时逆温频率降低,过境后回升。冷锋过境对PM2.5、PM i o、SO2、NO 2、CO 以清除为主,对颗粒物的影响高于气态污染物,而O,浓度随冷锋过境有增加趋势,强冷锋清除效果高于一般冷锋。过境时,西北路径冷锋的清除效果最好,PM2.5浓
2、度降低近一半,而偏东路径冷锋清除能力最弱。冷锋过境后,偏北路径冷锋的清除作用依然显著,污染物浓度持续降低。关键词:气象学;冷锋;移动路径;四川盆地;逆温;大气污染中图分类号:P441文献标志码:Adoi:10.16836/ki.jcuit.2023.03.0140引言随着现代化工业技术和经济的快速发展,大气污染问题得到了越来越广泛的关注。四川盆地人口稠密,工业发展迅速,加之特殊的地理位置和地形,使其上空极易产生逆温,影响污染物的扩散1-3 。随着近几年大气综合治理力度的加大,气溶胶的排放得到了一定程度的控制,在此背景下气象条件对污染过程发生发展的影响程度加大,污染的区域性传输和跨界传输的问题引
3、起了广泛关注4。天气发生污染时,气溶胶主要集中在大气边界层内,然而大气边界层会受到不同尺度天气系统和近地面气象要素的共同影响导致污染物的稀释扩散能力不同5-9。其中冷锋过程会导致污染物的上游输送和本地累积10-13 天气过程是影响大气逆温和扩散传输条件的重要外强迫因素,冷锋天气过程对大气扩散能力有较大影响14-15,从而改变污染物浓度。中国北方城市冷锋过境前污染加重,过境时大风和降水使污染物浓度下降,冷锋过程也会减轻或消除日间逆温16 。程念亮等17 在对中国东部春季一次强冷锋活动的模拟中发现,强冷锋前后污染物浓度为先升后降又上升,锋前出现一条高浓度污染带,冷锋过境后污染物浓度迅速降低。陈燕玲
4、等18 研究发现冷空气南下由于西北风增加和强冷空气、降水的双重作用,会对污染物有一定的清除。锋面过境最明显的特征是气象要素突变,气象要素的变化势必引起气象参数和大气扩散能力的变化,收稿日期:2 0 2 2-0 3-2 4基金项目:国家自然科学基金资助项目(417 7 5147、916 442 2 6)通信作者:冯鑫媛.E-mail:f e n g x y c u i t.e d u.c n从而引起污染物浓度的变化19。Lin等2 0 指出造成亚洲春季污染物输送的主要机制:污染物被向东南移动的冷锋锋面前部抬升,同时在冷锋后部的边界层内进行传输。因此,冷锋等移动的天气系统可能会对沿其移动路径的空气
5、质量产生重大影响。冷锋天气系统对颗粒物等污染物的清除作用明显2 1-2 。冷锋过境前,常常会出现灰霾,形成逆温层,气压下降,阻碍污染物的扩散,使能见度降低,或小部分冷平流先到达,形成区域性的平流雾,更不利于污染物的扩散,加重污染。冷锋到达前,空气中污染物的浓度会持续升高,尤其是悬浮颗粒物的浓度,冷空气到达后,随之而来的大风和降水使污染物浓度下降,空气得到改善。冷锋过境后,大气中的污染物浓度开始累积2 3 现阶段对于冷锋的研究多集中在中国北方和东部大气,对西南地区冷锋研究较少,尤其缺乏四川盆地这一复杂地形地区冷锋特征的认识。四川盆地因其背靠青藏高原的特殊地理位置以及独特的深盆地形,逆温和大气污染
6、过程频发。通过对2 0 15-2 0 19年四川盆地冷锋特征进行研究,分析冷锋天气过程对四川盆地逆温和污染的影响,以期为进一步改善四川盆地大气环境质量提供科学依据,1资料与方法气象数据使用2 0 15-2 0 19年中央气象台历史天气图、地面气象观测数据(包括温度、露点、风向、风速等气象要素)和成都市温江站、达州市达川站2 个高空气象观测站探空观测数据。数据来自国家生态环境341第3 期媛等:四川盆地冷锋特征及其对逆温和大气污染的影响保护部网站发布的同期空气质量指数(AQI)日报和小时报以及6 种主要污染物(PM2.5、PM 1o、SO 2、NO 2、O 3、CO)浓度逐小时监测资料。冷锋的识
7、别采用历史天气图普查的方法。利用中央气象台1日4次的天气分析资料,普查出2 0 152019年四川盆地出现的冷锋天气过程,筛选出2 4小时降温1的冷锋过程。根据冷锋的来向以及在四川盆地的移动路径,将冷锋划分为西北路径冷锋、偏北路径冷锋和偏东路径冷锋。再根据代表站的2 4小时降温幅度将冷锋分为强冷锋和一般冷锋。在此基础上,分析2 0 15-2 0 19年四川盆地出现的冷锋的活动特征,以及冷锋对该地区逆温和大气污染的影响。2冷锋特征分析2.1冷锋路径冷锋是指锋面移动过程中,冷气团起主导作用,推动锋面向暖气团一侧移动的天气过程,且锋面两侧有明显的温差,冷锋后通常存在2 4小时负变温。2 0 15-2
8、 0 19年四川盆地共计48 例冷锋。其中2 0 15-2 0 19年分别出现14例、11例、10 例、6 例和7 例冷锋。由于四川盆地被四周高大山地环抱和位于青藏高原背风坡的地理位置,四川盆地冷锋的移动特征有其独特之处。根据冷锋的来向、进入盆地的位置及其在盆地内的移动路径,可将四川盆地冷锋过程划分为西北路径(沿青藏高原东北缘进人)、偏北路径(翻越秦岭、大巴山进人)和偏东路径(东灌进人)(图1)。西北路径冷锋从青藏高原东北缘进人四川盆地向东南方向移动,偏北路径冷锋翻越秦岭、大巴山进人四川盆地向南移动,偏东路径冷锋从巫山东北处东灌进四川盆地并向西南方向移动,其中(图2)偏北路径冷锋最多,占6 4
9、.6%,西北路径次之,占20.8%,偏东路径最少,占14.6%。此外,由于冷空气进人四川盆地时大多要翻越盆地四周高大山脉,受其阻挡造成四川盆地冷锋过程有时存在不连续性。36N-36N-34N-秦岭34N-大巴山32N-32N-30N-30N-28N-28N云贵高原云贵高原26N-26N-100E104E108E112E100E104E108E112Emm100019002800 370046005500100019002800370046005500(a)冷锋移动路径图(b)冷锋移动路径示意图图12015-2019年四川盆地冷锋移动路径图及示意图3572019201830-2017201625
10、201520-15-10-5-0西北路径偏北路径偏东路径冷锋路径图22015-2019年不同路径冷锋数量图冷锋的强度可用2 4小时变温衡量5,冷锋强度的确定选取冷锋过程中2 4小时变温最大的冷锋日,为方便统计,统一选取0 8 时的变温进行判断。若该冷锋过程持续时间较短,不包含0 8 时,则选择冷锋过境后的0 8时作为代表。根据冷锋移动路径和进入盆地的位置,选择四川盆地温江站、达川站和沙坪坝站3 站的平均2 4小时的降温幅度作为冷锋强度的衡量标准。根据冷锋强度的频率分布(图3),将四川盆地冷锋分为强冷锋(IT 2 4I4)和一般冷锋(1IT 2 4I 4)两个等级。201612-8-4-0-6-
11、5-4-3-224小时变温/图32015-2019年四川盆地冷锋2 4小时变温的频率分布图大342程息第3 8 卷都报学信成学2.2冷锋强度研究期间强冷锋共计8 次,占16.7%,一般冷锋共计40 次,占8 3.3%。强冷锋平均2 4小时变压为5.7hPa,冷锋日0 8 时平均地面风速为1.6 m/s;一般冷锋平均2 4小时变压为3.7 hPa,平均地面风速为1.5m/s(表1)。强冷锋的2 4小时变压明显强于一般冷锋,地面风速也较大,表明这种分类方法是可行的。冷锋强度存在季节差异也与其移动路径有关(表1)。2 0 15-2 0 19年四川盆地出现的冷锋过程中,秋季冷锋强度最大,平均2 4小时
12、变温为-2.7,其地面平均2 4小时变压为4.2 hPa,地面平均风速为1.5m/s。其次是春季,平均2 4小时变温为-2.4,春季平均2 4小时变压相对较大为5.2 hPa,,地面风速1.6m/s。夏季和冬季冷锋强度最小,平均2 4小时变温均为-2,且夏季平均2 4小时变压仅为1.8 hPa。不同路径冷锋平均2 4小时变温也存在差异,其中,偏北路径冷锋最强,平均2 4小时变温为-2.5,平均2 4小时变压和0 8 时地面风速也最大,分别为5.3hPa、1.6 m/s。其次是西北路径冷锋,平均2 4小时变温为-2.2,平均2 4小时变压为1.7 hPa,地面08时平均风速为1.5m/s。偏东路
13、径冷锋的强度最弱,平均2 4小时变温为-2,平均2 4小时变压和地面平均风速也最小,分别为1.5hPa、1.2 m/s。表12 0 15-2 0 19年不同强度、不同季节、不同路径冷锋平均2 4小时变温、变压及地面平均风速参数强冷锋一般冷锋春季夏季秋季冬季西北路径偏北路径偏东路径平均2 4小时变温/-5.1-1.8-2.4-2-2.7-2-2.2-2.5-2平均2 4小时变压/hPa5.73.75.21.84.24.51.75.31.5地面平均风速/(m/s)1.61.51.61.51.51.31.51.61.22.3冷锋活动频数四川盆地不同强度的冷锋存在明显的月变化(图4a)。4月、5月和9
14、月冷锋频数高于其他月份,3 月最少。强冷锋过程仅出现在1月、4月、5月、8 月、9月和10月,5月和9月最多。一般冷锋的月变化不如强冷锋的明显,各月频数相差不大。不同路径冷锋(图4b)中,偏北路径冷锋是四川盆地出现频率最高的冷锋,除7月外其他月份均有出现,其中4月、5月最多。西北路径冷锋5月和7 月最多。偏东路径冷锋仅出现在1月、2 月、6 月、9月和10 月,其中2 月和9月最多。偏东路径66-偏北路径一般冷锋西北路径强冷锋5-5-442211001月2 月3 月4月5月6 月7 月8 月9月10 月11月12 月1月2 月3 月4月5月6 月7 月8 月9月10 月11月12 月(a)不同
15、强度冷锋月变化(b)不同路径冷锋月变化图42 0 15-2 0 19年四川盆地冷锋频数的月变化16-16-一般冷锋偏东路径强冷锋偏北路径14-14西北路径1212-101086442-2-00春季夏季秋季冬季春季夏季秋季冬季(a)不同强度冷锋季节变化(b)不同路径冷锋季节变化图52015-2019年四川盆地冷锋频数的季节变化343李媛,等:四川盆地冷锋特征及其对逆温和大气污染的影响第3 期四川盆地的冷锋频数存在明显的季节变化,春、秋两季冷锋最多,夏季最少,不同强度冷锋季节变化存在差异(图5a)。强冷锋的季节差异较大,春、秋两季最多,占强冷锋总数的7 5.0%,夏季和冬季较少,各占12.5%。一
16、般冷锋频数的季节变化不如强冷锋明显。不同路径冷锋频数的季节变化存在明显的差异(图5b)。其中,偏北路径冷锋春季和秋季最多,夏季最少;而西北路径冷锋夏季最多,冬季最少;偏东路径冷锋则是秋、冬季节最多,春季无偏东路径冷锋出现。2.4冷锋日数四川盆地出现的冷锋过程中,不同冷锋过程影响四川盆地的持续时间(即冷锋日数)存在差异。2 0 15-2019年的48 次冷锋过程总计7 4个冷锋日。持续1日和持续2 日的冷锋过程频数相差不大,一个冷锋过程包含3 个冷锋日的情况仅出现1次,发生在2 0 15年冬季,为偏北路径冷锋。从图6(a)可以看出,不同季节冷锋过程中冷锋日数存在一定差异。只有1个冷锋日的冷锋过程
17、在春季和夏季最多。2 个冷锋日的冷锋过程的季节变化较1个冷锋日明显,秋季明显多于其他季节,夏季最少。不同季节的冷锋过程所包含的冷锋日数也有一定的差别,秋季冷锋过程以持续2 个冷锋日的为主,而夏季则以1个冷锋日为主,春季和冬季1个冷锋日和2 个冷锋日的情况各占约一半。不同强度冷锋过程的冷锋日数存在一定差异(图6 b),但差异较小。强冷锋过程中,1个冷锋日的冷锋过程略多;而一般冷锋过程中,2个冷锋日的冷锋过程略多。不同路径下冷锋的冷锋日数(图6 c)也存在一定差异。其中,西北路径冷锋影响时间较短,1个冷锋日的冷锋过程较多,约占2/3。而偏北或偏东路径的冷锋过程影响时间较长,2 个冷锋日的相对较多。
18、25710个冷钱昌个冷钱日182个冷1620-8-1415-68610-25-42000春季夏季秋季冬季强冷锋一般冷锋西北路径偏北路径偏东路径(a)不同季节(b)不同强度(c)不同路径图62015-2019年四川盆地不同冷锋日数的冷锋过程数3冷锋过程对逆温的影响逆温是指温度随高度的增加不变甚至升高的一种现象,反映了大气层结的稳定程度。冷锋过程对大气扩散能力有很大影响,会对原有逆温层造成一定的影响2 4。根据冷锋在四川盆地的移动路径和探空站的地理位置选出两个探空代表站,其中西北路径以成都市温江站为代表,偏北或偏东路径以达州市达川站为代表。在48 次冷锋过程中,成都市温江站为代表站的冷锋过程(西北
19、路径)共计10 次,达州市达川站为代表站的冷锋过程(偏北和偏东路径)共计3 8 次。在48 次冷锋过程中有7 次探空数据缺失,均出现在2 0 19年。因此文中分析冷锋过程对逆温和污染物浓度的影响时使用2015-2018年的冷锋过程,总计41个冷锋过程。3.1冷锋过境对逆温出现频数的影响冷锋过境对四川盆地的逆温出现频数有明显的影响。逆温频数以该冷锋过程0 8 时和2 0 时代表站的垂直探空资料为判断依据,若代表站在该时刻出现温度随高度的增加不变甚至升高则判定该站有逆温发生,从2 0 15-2 0 18 年的四川盆地发生的41次冷锋过程可以看出(表2),无论是0 8 时还是2 0 时,冷锋过境当日
20、均使四川盆地的逆温频数减少,在冷锋过境后,逆温的数量再次升高。这与李燕等2 5 对大连春季强对流雨雪天气过程的研究类似。从探空观测结果可知,在冷锋过境前,当地上空出现逆温17 18 次,而冷锋位于四川盆地时,当地出现逆温的频数减少。冷锋离开四川盆地后,逆温频数明显回升,0 8 时冷锋过境后逆温频数甚至高于过境前。表22015-2018年冷锋过境前后逆温频数的变化08时20时参数冷锋前冷锋日冷锋后冷锋前冷锋日冷锋后逆温频数181625171115大344程息报都成第3 8 卷信学学不同路径冷锋过境前后逆温频数的变化存在差异(图7)。0 8 时西北路径冷锋过境前后,逆温频数持续增加,偏北路径冷锋过
21、境逆温频数先减少再增加。2 0时西北路径冷锋的逆温频数先减少再增加,而偏北路径冷锋过境前后逆温频数持续降低。不论0 8 时还是20时,偏东路径冷锋过境对逆温频数的影响很小,但过境后逆温频数略有升高。西北路径14-偏北路径偏东路径12-10-86420+冷锋前冷锋日冷锋后(a)08 时12-西北路径10偏北路径偏东路径8-642-0+冷锋前冷锋日冷锋后(b)20 时图7四川盆地不同路径冷锋过境前后逆温频数的变化3.2冷锋过境前后的逆温类型研究表明,四川盆地的逆温按其底高可分为三类:贴地逆温(底高0 m的逆温)、脱地逆温(10 0 0 m底高0 m的逆温)、对流层低层逆温(50 0 0 m底高10
22、00m的逆温)2 6 。不同类型逆温在冷锋过境前后的出现频率及其变化存在明显差异(表3)。总体而言,脱地逆温在冷锋过境时和过境后,出现频率持续降低,2 0 时冷锋过境后脱地逆温频率降至0%;而对于贴地逆温和对流层低层逆温,冷锋过境后逆温频率均有不同程度的升高。此外,冷锋过程期间,0 8 时在3 种类型逆温中脱地逆温的出现频率最高。这与通常情况下四川盆地对流层低层逆温频率最高、贴地逆温频率最低2 7 的特征存在明显差异。表3 指出,0 8 时,冷锋过境前脱地逆温频率较高,约为3 1.7%,冷锋日的脱地逆温和对流层低层逆温相差不大且发生频率均高于贴地逆温,冷锋后对流层低层逆温发生频率明显高于其他两
23、种类型逆温,贴地逆温和脱地逆温发生频率相差不大。0 8 时的贴地逆温在冷锋过境前后发生频率先降低后升高,冷锋过境后贴地逆温发生频率明显升高由7.3%上升至14.6%;脱地逆温发生频率则为持续下降,冷锋过境前约为31.7%,冷锋过境时约为2 4.4%,冷锋过境后约为17.1%;对流层低层逆温发生频率与脱地逆温恰好相反,冷锋过境使其发生频率持续升高,至冷锋过境后由过境前的19.5%升高到46.3%,发生频率是冷锋过境前的两倍多。2 0 时冷锋过境前后对流层低层逆温发生频率明显高于贴地逆温和脱地逆温,冷锋过境前后贴地逆温发生频率持续升高,脱地逆温发生频率持续下降,至冷锋过境后已无脱地逆温出现,冷锋过
24、境前后对流层低层逆温发生频率则表现为先降低后升高,且冷锋过境后的发生频率低于冷锋过境前。表320152018年冷锋过境前后不同类型逆温的发生频率单位:%08时20时逆温类型冷锋前冷锋日冷锋后冷锋前冷锋日冷锋后贴地逆温7.34.914.62.44.97.3脱地逆温31.724.417.17.32.40对流层低层逆温19.522.046.343.924.439.0四川盆地的多层逆温是一种并不少见的现象。根据定义,多层逆温是指同时出现贴地逆温、脱地逆温和对流层低层逆温中的两类或三类逆温,而一般逆温则指仅出现一种类型逆温【2 6 。四川盆地冷锋过境前后一般逆温的出现频率高于多层逆温(图8)。0 8 时
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