郝天依,陈树成,蔡子颖,单晓琳,孟丽红,韩素芹,东高红(.天津市环境气象中心,天津 0007；2.天津市气象探测中心,天津 0006；.天津市滨海新区气象局,天津 0057；.天津市气象科学研究所,天津 0007)

天津地区海风对大气污染物浓度的影响

郝天依1,陈树成2*,蔡子颖1,单晓琳3,孟丽红4,韩素芹4,东高红1(1.天津市环境气象中心,天津 300074；2.天津市气象探测中心,天津 300061；3.天津市滨海新区气象局,天津 300457；4.天津市气象科学研究所,天津 300074)

采用污染物浓度监测数据、气象数据和大气化学模式WRF-CHEM分析天津地区海风对大气污染物浓度的影响.结果表明:天津地区东部沿海的空气质量优于西部内陆及城市中心.在天津地区污染天气高发的秋冬季,海风对污染物浓度起到了稀释作用,所以海风有利于天津地区大气污染的缓解,并且对城郊污染物浓度的影响相对较大,弱气压场形势下有海风存在相对于无海风时PM2.5、PM10和O3的日均浓度减幅分别为14.4µg/m3,22.9µg/m3和8.9µg/m3. 2015年1月4日海风过程的实例分析表明海风锋可将沿海的部分大气污染物输送至所经过的内陆地区,所以处于海风锋前的地区污染物浓度存在短暂的小幅上升,移至海风锋后部后污染物浓度呈下降趋势,市区的 PM2.5小时浓度由342µg/m3上升为399µg/m3,而后再呈下降趋势,降至160µg/m3左右.海风有利于天津地区大气污染物的扩散,既将污染物向海风的下游方向输送,又增强了污染物的垂直扩散能力.此次过程影响范围较广,使得天津地区的大气污染得到了缓解,但并没有使大气污染物消散.

天津；海风；大气污染

天津地处华北平原北部,东临渤海,是我国北方最大的港口城市.海岸线基本呈东北-西南走向,地势呈梯次结构,西北高东南低.地处中纬度东亚季风区,该区气候受海洋影响较为显著,是海陆风的多发区,所以地理位置决定海陆风环流为影响天津的重要的局地环流.海陆风的发生、发展直接影响着沿海地区温度场、湿度场和风场的分布,并引起低层大气层结状况的改变,与沿海地区的空气污染有着密切的关系[1-4].

通常认为海陆风期间海风能将海洋上相对清洁的大气吹向沿海地区,可以改善沿海地区的空气质量[5-8].同时,陆风向海风转换阶段会导致陆地上的污染物滞留累积[9].陈训来等[10]的研究指出当背景风为离岸型时,海风与背景风方向相反,造成海风较小,致使整个珠三角洲地区灰霾天气都比较严重.林长城等[11]的研究表明在台湾海峡西岸的北部,连续的海陆风现象会造成 PM10浓度产生正增长,陆风和海风转换期间 PM10浓度易聚集升高.吴蒙等[12]研究表明在海陆风的影响下低层风场的有效输送能力较弱,不利于污染物输送扩散,并且在夜间海风可导致 PM2.5浓度出现另一峰值.Yoshikado等[13]研究东京湾地区的海风时指出当海风环流与热岛环流耦合时,海风不会到达更远的内陆地区,可导致辐合区污染物浓度的升高.BischoffGauß等[14]研究巴西圣保罗地区二级环流对空气污染的影响时指出,白天海风将低层的 SO2输送至内陆高原,夜间陆风又将 SO2输送至海岸地区,但由于内陆高原高于沿岸的混合层高度,所以大气污染物可由边界层输送至自由大气.

天津市气象科学研究所 1983～1984年在渤海湾西岸地区进行了 5次海陆风观测试验,系统地揭示了海陆风的气候特征和三维空间结构[15-17].关于天津地区海陆风的主要特征[15-18]以及其对强对流天气的影响[22-30],前人已经进行了大量研究.众所周知,重污染过程易发生在静稳天气维持的冬季,而海陆风恰是在这种弱气压场的形势下易于识别出来,从风向与风速量级上都对系统风产生重要影响.尽管大气污染物的扩散与输送明显受到海陆风的影响,并且海陆风在污染扩散问题上的重要性已引起了人们的注意,但由于海陆风易于淹没在大尺度的系统环流之下,所以仅针对海陆风对大气污染物浓度的深入研究仍为数甚少,所以开展海风对大气污染的影响,对准确预报沿海地区污染物浓度的变化具有相当重要的意义.

本文选取2014年9月至2015年8月污染物浓度监测资料和常规、非常规气象资料,并结合WRF-CHEM模式分析天津地区主要大气污染物的空间分布特征及其与海风的关联,并通过典型个例具体分析了海风对天津地区大气污染物浓度的影响.

1 资料与方法

1.1 站点与资料

如图1所示,天津地区选取了27个环境监测站点,其中14个为国控站点,主要监测6种主要大气污染物(PM2.5,PM10,CO,NO2,O3,SO2)的质量浓度.为了比较大气颗粒物浓度的时间变化,选取同纬度且不受海风影响的保定作为参照站点.另外选取了5个国家级气象观测站和273个自动气象站,其中有一个国家级气象观测站位于渤海的 A平台,为了比较海陆温差,选取A平台的温、湿代表海洋上空的温、湿.

图1 气象站点(△)与大气污染物监测站点(●)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations (△) and air pollutant monitoring stations (●)

环境数据选取2014年9月～2015年8月的PM2.5、PM10质量浓度的小时均值和O3的8h质量浓度,保定AQI数据获取自国家环境监测总站的网上实时发布结果.气象数据选取对应时段的逐小时观测的温度、相对湿度、风向和风速等数据.同时选取了位于天津市西青区风廓线雷达(CFL-06)的资料以及位于天津市区南部的255m大气边界层气象铁塔的风梯度资料.风梯度资料来自中国气象局天津大气边界层观测站(39°04′N,117°12′E,海拔2.2m),属于商业、居民混合点位,其周围环境基本代表了大城市复杂下垫面.观测塔上共设置15层观测平台.

模式采用的是大气化学模式 WRF-CHEM,模式考虑大气污染的化学过程、平流过程、湍流扩散和干湿沉降过程.模式的化学过程采用CBMZ机制,气溶胶过程采用MOSAIC模型,其中积云对流方案采用GRELL-3D,微物理过程采用WSM5,长波辐射方案和短波辐射方案均采用RRTMG.另外,模式的水平分辨率为15km,水平网格 121×121,中心经纬度为 39N°、117E°,垂直方向分为41层.模式的人为排放源使用清华大学的MEIC排放源,分辨率0.25°×0.25°,在天津地区使用28个空气质量监测站实况数据和相关排放源统计信息进行时空的细化.初始场和背景场均使用NCEP的FNL全球1°×1°的气象数据.

1.2 海陆风的定义及识别标准

海陆风是由局部地区海陆间昼夜温差而产生的以日周期交替变化为重要特征的中尺度天气现象.本文的海陆风的识别标准采用高佳琦[31]的方法:

(1)首先选取弱环流天气形势:规定在 37～41°N,115～120°E区域范围内在地面天气图上只有≤1条等压线通过,即满足梯度风很微弱的均压场条件,在上述区域范围内在每日的地面天气图上 08:00,14:00,20:00出现两次以上的弱环流型,则该日规定为弱环流天气日.

(2)海陆温差:从日出到日落后这段时间内具有陆海温差大于0℃时刻的出现.

(3)海风风向与持续时间:以塘沽为准,规定海风风向为 45°～180°.日出时到日落后 2h内,至少有连续3h海风风向出现,并且海风风速＞1m/s.

(4)陆风风向与持续时间:日落后 2h到日出后1h内,有至少连续3h陆风风向的出现,并且陆风风速＞0.5m/s.

海风强度定义为风发展到最强盛时期海风的风速值,即在海风时间内近地面海风风速达到最大时的风速定义为海风强度.

2 结果与讨论

2.1 天津地区大气污染物水平分布的相关性

为了阐明大气污染水平范围的相关性,选取了代表天津西部、中部和东部的武清、市区和塘沽站,比较其日均PM2.5、PM10和O3浓度的关系.由图2可知,就整体而言,全区域PM2.5浓度的相关性最高,也就是相对于 PM10和 O3天津地区PM2.5浓度的水平分布较一致.市区的 PM10浓度与西部武清分布的一致性较高,而O3则是与东部塘沽的一致性较高.相较于塘沽,市区与武清的 3种污染物浓度相关性较高,尤其是 PM2.5的相关系数高达0.94,臭氧相关最低为0.81.市区的3种污染物浓度日均值均高于塘沽,尤以 O3和 PM10的相差程度较大.可见,天津地区东部沿海的空气质量优于西部内陆及城市中心.天津各区域天气背景形势差异不大,所以这一分布特征就与排放源分布和局地环流密切相关.天津地区的下垫面特征决定了海陆风为影响天津地区的重要的局地环流,所以海陆风对天津地区大气污染的影响就成为了一个重要的问题.

图2 (a)PM2.5、(b) PM10和(c)O3日均浓度比较(1:天津市区与武清比较,2:天津市区与塘沽比较)Fig.2 The daily concentration comparison of (a) PM2.5、(b) PM10and (c)O3(1: comparison between Tianjin and Wuqing, 2: comparison between Tianjin and Tanggu)

2.2 不同天气背景下大气污染物浓度对比

大多数的重污染发生在静稳形势下,即梯度风很微弱的均压或弱气压条件下.图 3给出的是弱环流日、海陆风日与其他形势下六种污染物日均浓度的对比情况.选取了天津地区4个代表站,其中市区代表城市,东丽代表城郊,塘沽代表沿岸,蓟州代表山区.由图可见,弱环流天气类型下污染物的浓度最高,并且污染物浓度的大值中心出现在城市,次大值出现在城郊,沿岸地区污染物的浓度最低,其中塘沽地区颗粒物和O3相较其他三站均较低.当弱环流天气形势下,有海风发生时,会使整个天津地区的O3浓度增加,这可能是海风对应的O3浓度明显高于陆风的原因[33].除了O3的浓度,其他五种污染物浓度均有所减轻,并且位于市区与塘沽之间的城郊地区的东丽减幅最大,PM2.5、PM10和 O3的减幅分别为 14.4µg/m3, 22.9µg/m3和8.9µg/m3,这可能与海风所传播距离的概率相关,环渤海地区海风深入内陆的距离一般为30km左右[16-18].总的来说,海陆风有利于大气污染的减轻,并且对城郊污染物浓度的影响相对较大.

图 4为各季节海风对大气颗粒物浓度的影响,在地面为弱气压场的控制下,分别对有、无海风的情况下各季节的大气颗粒物浓度的日均值进行比较.由图可知,在弱气压场形势下天津地区冬季PM2.5和PM10的日均浓度均比较高,分别为114µg/m3和 179µg/m3,秋 季 次 之 分 别 为105.7µg/m3和151µg/m3,夏季最小.从海风对颗粒物浓度的影响方面来看,秋、冬季海风有利于PM2.5扩散,其中对秋季PM2.5浓度的扩散作用尤为明显,在海风存在的情况下,秋季 PM2.5的日均浓度降低了36.1%.在春夏季海风对PM2.5浓度起到了助长的作用,PM2.5的日均浓度上升了12.6%,但总体而言扩散作用大于助长作用.除了夏季其他季节海风对天津地区 PM10均起扩散作用,其中也是秋季尤为明显,在海风存在的情况下,秋季PM10的日均浓度降低了29.8%.综上可见,在天津地区污染天气高发的秋冬季,海风对污染物起到了扩散作用,所以海风比较有利于天津地区大气污染的缓解.

图3 不同天气背景、不同地域大气污染物浓度对比Fig.3 Comparison of air pollutant concentrations in different weather and different regions

图4 弱气压场下海陆风日与非海陆风日各季节(a)PM2.5和(b)PM10日均浓度对比Fig.4 The contrast of (a) PM2.5and (b) PM10daily average concentration between sea breeze days and no sea breeze days under weak pressure field

2.3 海风对大气颗粒物影响的实例分析

2.3.1 海风过程概况 以2015年1月4日海风过程为例,分析海风及其对大气颗粒物浓度的影响.此次过程地面气压场较弱,导致系统风较弱,以局地环流为主.图5为自动站风场的变化,其中红线表示海风锋,由图所示,11:00左右天津东南沿海地区风向开始转为海风方向,海风锋逐渐由东南向西北方向推移,直至18:00为海风鼎盛时期,已传至北京的东部地区.随后,海风强度开始减弱,伸展范围逐渐向东南退缩,23:00之后,地面风向逐渐转为陆风风向,此次海风过程结束.此次海风过程传播距离较远,影响范围较大,持续时间也比较长.

图5 天津地区(a)海风开始(2015年1月4日11时),(b)海风强盛(2015年1月4日18时)和(c)海风结束(2015年1月5日01时)时期自动站风场(红线代表海风锋)Fig.5 Automatic station wind field during the period of (a) beginning (b) strong (c) termination of sea breeze (the red line represents the sea breeze front)

图6 海风过程温度、相对湿度和风的时间变化(虚线框为海风时段,双断线为海风开始时刻,点线为海风结束时刻)Fig.6 Time variation of temperature, relative humidity and wind in sea breeze process (Box represents the sea breeze period, double line represents the beginning of the sea breeze, the dot represents the end of the sea breeze )

图7 2015年1月3～5日天津风场的垂直变化( a为西青风廓线雷达监测,b为市区气象铁塔监测,双断线为海风的影响时段)Fig.7 vertical variation of wind of Tianjin on 3～5 January, 2015 (a: wind profile radar monitoring in Xiqing, b: meteorological tower monitoring in urban, Double dot line represents the influence period of sea breeze)

2.3.2 海风过程温度、湿度和风的变化 图 6给出了此次海风过程中温、湿、风的时间变化,虚线框为海风时段,双断线为海风开始时刻,点断线为海风结束时刻.由图可知,早上09时后陆地气温开始高于海上气温,市区气温于 12时达到最大值后开始下降,而没有海风发生的前后两日气温均与14时左右达到峰值.另外,海风日的夜间时段气温较前一日明显升高,且城市热岛强度较前一日减弱.由海风时段相对湿度的变化也可知,当转为海风时陆地的相对湿度上升速率较快,由中午的20%迅速上升至80%左右,并且塘沽的相对湿度开始上升的时间早于市区.对比3日无海风发生且风向较稳定时,相对湿度变化较平缓并不存在骤升的现象.海陆气温差小于0℃后约2h塘沽风向转为海风方向,市区海风开始时间晚于塘沽约 2h.市区和塘沽的海风强度分别为2m/s和3m/s,市区和塘沽海风的持续时间分别为11h和15h.所以从沿海到内陆海风的影响时间依次缩短,海风强度依次减小.

图8 天津地区(39ºN,117ºE)温度(红线:℃),相对湿度(阴影)和风场的时间-高度剖面图(虚线为海风影响范围)Fig.8 Time and height section of temperature (red line:℃), relative humidity (shadow) and wind in Tianjin (39°N, 117°E)

图 7为海风日及其前后日天津市区风场的垂直变化,双断线为海风的影响范围.由图所示,可监测到风向明显的转变,海风起止时间与上述结果一致,为4日12:00左右至22:00左右,海风传输到市区所到达的高度为 800m左右.海风结束后可以看出明显的陆风时段,且风速明显加大,并且地面相对高空略早转为陆风方向,陆风高度也达到了1300m左右.

为较全面掌握海陆风时期气象要素场的配置,利用WRF-CHEM模式模拟分析了海陆风时段的温度,相对湿度和风场,取 39°N,117°E的时间-高度剖面(图8).结果表明,4日早晨出现了逆温,1500m与地面之间的逆温强度达到了8℃,随着地面温度的升高,白天逆温消失,夜间随着海面的暖湿气流到达陆地,抵消了部分辐射冷却作用导致的降温强度,从而降低了 1500m与地面之间的逆温强度.同时暖湿平流也导致地面的相对湿度逐步增大,并且此次模拟的海风高度与实测基本一致达到了700米左右.在海风到达时海风强度最大,随后海风强度减弱并且影响高度也降低.地面风向于 23点左右率先转为陆风风向,此时海风的影响高度仅300米左右,2小时后高空风向也全部转为陆风风向,此次海风过程结束.

图9 2015年1月3～5日天津(a)PM2.5和(b)PM10浓度变化(黑框为海风时段)Fig.9 Concentration variation of (a)PM2.5and (b)PM10of Tianjin on 3～5 January, 2015 (Black box represents the sea breeze period)

2.3.3 海风对颗粒物浓度的影响 图 9给出了2015年1月3～5日天津地区颗粒物浓度的变化.结合图7可知,3日以系统风西南风为主,为污染物的输送累积时期,颗粒物浓度在4日的凌晨至上午这一段时间达到顶峰并维持,PM2.5峰值浓度达 410µg/m3,PM10峰值浓度为 507µg/m3.在 4日的海风时段,PM2.5浓度迅速下降至 160µg/m3左右,且3个站点下降时间的先后顺序为塘沽,东丽和市区,与海风到达的顺序一致.并且在塘沽PM2.5浓度开始下降的时段市区 PM2.5浓度先有小幅上升后,由 342µg/m3上升为 399µg/m3,而后再呈下降趋势,降至 160µg/m3左右.另外,图中参照站保定的AQI变化可知保定并未受到此次海风的影响,在天津的海风时段保定的AQI没有出现下降,可见,天津大气颗粒物浓度的下降并不是由系统风造成的.5日凌晨海风结束后,颗粒物浓度不再继续下降,而是维持在海风结束时的污染物浓度,5日夜间来自东北偏北的冷空气结束了此次污染过程.

图10 (a)海风前期(2015年1月4日06时),(b)海风时期(2015年1月4日12时), (c)海风时期(2015年1月4日15时)和(d)陆风时期(2015年1月5日03时)自动风场和PM2.5浓度的空间分布(双红线代表海风锋)Fig.10 Spatial distribution of wind field and PM2.5concentration of (a) sea breeze early period, (b) sea breeze period and (c) land breeze period (Double red line represents the sea breeze front)

图10为海风前期、海风时期和陆风时期自动站风场和PM2.5浓度的空间分布.由图可知,在海风开始之前,PM2.5浓度的大值中心位于市郊靠近沿海地区.当海风开始几小时后,沿海地区的PM2.5浓度有所下降,PM2.5浓度的大值中心随海风锋推移至市区.所以在塘沽污染物浓度开始下降时段,海风锋可将沿海的部分污染物经辐合作用移至所经过的内陆地区,处于海风锋前的地区污染物浓度存在短暂的小幅上升,移至海风锋后部后污染物浓度呈下降趋势.此次实例表明海风减轻了该次过程的污染程度,有利于污染物的扩散,但由于海风强度 和发生时间的限制,并没有结束此次污染过程.

图11 1月4日(a)12:00,(b)17:00,(c)19:00, (d)20:00,1月5日(e)00:00和(f)03:00PM2.5浓度和风场的39°N垂直剖面Fig.11 The 39°N vertical profile of PM2.5concentration and wind field at (a) 12:00,(b)17:00,(c)19:00Jan. 4, (d)20:00, (e)00:00Jan.5and (f)03:00Jan.5

结合 WRF-CHEM的模拟结果,分析 PM2.5浓度的垂直变化情况.图11为海陆风时段PM2.5浓度和风场的39°N垂直剖面图.由图11a可知,在海风影响之前,PM2.5浓度的大值中心位于沿海地区靠近塘沽,并且污染物(PM2.5浓度＞175µg/m3)主要集中在 600m以下.在海风的鼎盛时期(图11b～d),在海风的影响下污染物浓度的大值中心逐渐向西移,海风经过的地面上的污染

物浓度逐步降低 .同时由污染物浓度的垂直分布也可见,在海陆风时期污染物的垂直扩散能力增强,甚至强于正午 12:00,这可能是海陆风局地环流中位于陆地的上升气流所造成的.整个海风过程使天津地区地面的 PM2.5浓度降低了150µg/m3左右.当海风结束,地面风转为陆风方向(图 11f),污染物浓度大值中心的浓度有所增大,并且市区的污染物浓度略有回升.综上,海风有利于天津地区大气污染物的扩散,既将污染物向海风的下游方向输送,又增强了污染物的垂直扩散能力.

3 结论

3.1 天津地区东部沿海的空气质量优于西部内陆及城市中心.相对于PM10和O3天津地区PM2.5浓度的水平分布较一致.市区的 PM10浓度与西部地区分布的一致性较高,而O3则是与东部地区的一致性较高.

3.2 海风可增加天津市区臭氧的浓度,但是有利于大气颗粒物浓度的降低,并且对城郊污染物浓度的影响相对较大.在天津地区污染天气高发的秋冬季,海风对大气污染物起到了扩散作用,有利于大气污染的缓解.

3.3 对2015年1月4日的天津地区一次冬季污染过程分析表明海风可减轻所经过地区的大气污染,海风锋可将沿海的部分污染物输送至所经过的内陆地区,所以处于海风锋前的地区污染物浓度存在短暂的小幅上升,移至海风锋后部后污染物浓度呈下降趋势.海风有利于天津地区大气污染物的扩散,既将污染物向海风的下游方向输送,又增强了大气污染物的垂直扩散能力.此次海风过程影响范围较广,使得天津地区的大气污染得到了缓解,但并没有使大气污染物消散,这可能是由于海风强度和发生时间的限制.

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Influence of sea breeze on atmospheric pollutant concentration over Tianjin.

HAO Tian-yi1, CHEN Shu-cheng2*, CAI Zi-ying1, SHAN Xiao-lin3, MENG Li-hong4, HAN Su-qin4, DONG Gao-hong1(1.Tianjin Environmental Meteorological Centre, Tianjin 300074, China；2.Tianjin Meteorological Observation Centre, Tianjin 300061, China；3.Tianjin Binhai New Area Meteorological Bureau, Tianjin 300457, China；4.Tianjin Institute of Meteorological Science, Tianjin 300074, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3247～3257

The influence of sea breeze on the concentration of air pollutants in Tianjin was analyzed by using the monitoring data of pollutants concentration, meteorological data and WRF-CHEM model. Research results show that the air quality in the eastern coastal areas of Tianjin was better than that in the west inland and urban center. In the autumn and winter of high pollution weather in Tianjin, sea breeze played a role in reducing the concentration of pollutants. Therefore, the sea breeze was beneficial to reduce the air pollution, and the impact on the concentration of pollutants in the suburbs was relatively obvious. The daily average concentration of pollutants was lower in the presence of sea breeze than that without sea breeze in weak pressure field. The daily average concentration reduction of PM2.5, PM10and O3were 14.4µg/m3, 22.9µg/m3and 8.9µg/m3respectively. The sea breeze episode in January 4, 2015 shows that the pollutants in the coastal area could be moved to the inland areas by sea breeze front. The pollutants concentration increased slightly in the front of the sea breeze front. When the sea breeze front moved, the pollutants concentration showed a downward trend. As a result of the wider impact of this sea breeze process, air pollution in Tianjin has been eased.

Tianjin；sea breeze；air pollution

X51

A

1000-6923(2017)09-3247-11

2017-01-23

天津市气象局科研项目(201736bsjj02);环保公益性行业科研专项(201409001);国家科技部科技支撑计划项目(2014BAC23B00);天津市气象局课题(201718ybxm12);天津市重大科技专项(14ZCDGSF00027)

* 责任作者, 工程师, csc_zhuce@126.com

郝天依(1985-),女,吉林省吉林市人,工程师,博士,主要从事环境气象学研究.发表论文4余篇.