赵天良 ,舒卓智 ,郑小波 ,李跃清 ,徐祥德 ,郭晓梅 ,胡 俊 ,吴 明,张 磊,曹 蔚,杨富燕,廖 瑶,程晓龙

（1. 南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室, 南京 210044；2. 贵州省山地环境气候研究所, 贵阳 550002；3. 中国气象局成都高原气象研究所, 成都 610072；4. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081）

1 引言

我国大气环境从主要以点源空气污染发展到城市污染，到21 世纪演变为区域性大气污染[1-2]。近年来高浓度气溶胶颗粒物污染主要集中在四个区域，分别是华北-京津冀地区、东部-长三角地区、华南-珠三角地区和西南-四川盆地地区[3]。大气气溶胶变化主要受控于区域人为源排放和气象条件[4-6]。在我国主要颗粒物污染区，季风气候及其气象条件变化是气溶胶空间分布型态和多尺度时间变化的主要驱动因素，包括大气环流背景、大气边界层结构和地-气交换[7-8]，影响了大气气溶胶传输扩散、化学转化及沉降清除变化[9-11]。中国地区近10 多年的气溶胶变化呈现特殊的“马太效应”，即高气溶胶的地区出现增加趋势，低气溶胶区域则呈现减少趋势[12]。大气气溶胶是研究全球和区域环境气候变化的一个关键因子。因此，科学认识大气气溶胶时空变化，以及大气污染变化中天气气候因素的影响，才能更好地理解我国环境气候变化，这需要深入研究大气气溶胶及其污染长期变化规律，揭示其与气象变化的相互作用过程与机制。

四川盆地及其周边地区存在着中国西南部区域大气气溶胶浓度分布的最大值[13]和最小值中心，前者位于四川省成都城市群和重庆市一带[14]，后者在川、滇与青藏高原交界的高海拔地区(图1)。同时，西南地区人口聚集区以燃煤为主的能源结构及其高污染排放源，使成都-重庆成为我国最高的SO2排放区和最大的酸雨带之一[15-16]。四川盆地内高温、高湿的环境大气为二次气溶胶的转化、颗粒吸湿增长提供了有利条件[17]。受东亚季风和青藏高原大地形强迫效应的影响，形成偏南气流和偏北气流的交汇区，使盆地及西侧边缘地区成为西南低涡的源地[18]。因此，四川盆地也作为全国云量最多、最高、云层最厚的地区，其天气气候变化具有显著的区域特征。由于高浓度大气气溶胶的辐射强迫效应，四川盆地气候变化呈现变冷趋势、区域降水出现不对称变化[19-23]、近些年霾日数呈现明显增加趋势[24]及区域极端气候事件增多等现象[25-27]。这些特征凸显了四川盆地大地形背景下气溶胶污染时空分布变化与天气气候影响相关机理的特殊性。

图1 基于MODIS 遥感数据的中国区域10年（2003～2012年）平均遥感气溶胶光学厚度分布[12]

作为“世界屋脊”的青藏高原不仅影响局地环流，还影响全球环流和季风演化，其大地形和抬高热源对我国、亚洲、北半球乃至全球的天气气候及环境变化都有着重要影响。西风带背景下大地形动力效应显著影响着中国区域天气气候特征，对于处于青藏高原大地形东侧下风方的中国中东部地区，大气气溶胶或霾污染时空分布变化与大地形动力、热力效应的关联性是一个值得研究的课题[28-29]。大地形背风坡弱风区，及其特殊环流圈的大范围下卷气流抑制大气扩散和对流，形成类似静稳天气的“避风港”效应，也是造成下游地区气溶胶高浓度分布的重要成因之一[30-31]。研究青藏高原东侧紧邻的四川盆地特殊大地形和高气溶胶中心及其变化的关联，有利于加深认识青藏高原对我国大气环境变化的影响作用。

目前已开展的大气气溶胶及其天气气候效应研究主要针对地形较为平坦的我国东部地区。虽然目前已经开展了一些复杂地形背景下大气气溶胶变化特征及气象影响效应的研究工作[30-33]，但鲜见对地形复杂的四川盆地及周边地区气溶胶污染变化与影响机理细致的研究工作。作为全国大气气溶胶污染和云量的高值区之一，青藏高原东缘的四川盆地大气气溶胶时空变化区域特征及其成因，是一个亟待深入研究的大气环境科学问题，并对控制大气污染有重要应用价值。

本文综述了近年来一系列的相关研究，包括：（1）四川盆地大气环境变化中大地形影响作用，青藏高原东侧区域气溶胶空间分布“避风港”效应及大地形热力强迫对盆地空气质量变化的“气候调节”影响；（2）四川盆地大气边界层结构对气溶胶分布的影响，冬季重霾期间大气边界层垂直结构变化特征及其相关PM2.5物理化学特性；（3）大气气溶胶对四川盆地暴雨过程的重要作用及影响机理，认识四川盆地气溶胶高污染分布导致的降水分布型态的气候变化。这一系列研究旨在全面认识四川盆地气溶胶污染形成机理及大地形对大气环境变化的影响效应。

2 主要研究进展

2.1 四川盆地大气环境变化中大地形影响作用

利用四川盆地及其周边地区气象站点的观测数据，分析了近50年来四川盆地区域内大气能见度及霾日的时空变化特征及其相关驱动因素[34-35]，并在此基础上，利用1999～2013年的气象再分析数据和多源卫星遥感刻画了四川盆地及其周边地区大气结构和边界层变化特征，探索了四川盆地大地形和高气溶胶中心及其变化的关联，以及大气动力热力特性和特殊的大气边界层结构特征[36-37]。

2.1.1 大气气溶胶区域变化特征

四川盆地大气高浓度气溶胶浓度的霾污染是区域大气环境的主要问题。根据1961～2010年四川盆地122个气象台站观测资料，分析区域大气气溶胶变化特征。这50年气候分析表明，盆地各站年平均霾日天数约为62.5 d，最多的可达100 d 以上。霾日分布存在季节变化，其中冬季霾日数最多（28.4 d），春、秋季次之，夏季最少（5.9 d）。1961～2010年霾日年代变化主要呈增多的趋势，盆地有104个站点霾日数呈现增长的趋势，其中有71个站点通过了置信度99%的检验，增长最多的是四川省内江地区的威远，其气候倾向率约42 d/10a。盆地有18个站点霾日出现减少，其中只有7个站点通过了置信度99%的信度检验，减少最多的是位于四川北部广元地区的南江，其气候倾向率约为-16.7 d/10a[34-35]。

近20年（2001～2020年）多源卫星遥感大气气溶胶光学特性数据分析表明，2006年以来四川盆地大气气溶胶水平持续下降， 2012年以后下降趋势尤为显著， 反映出通过大气污染物减排控制改善区域大气环境的成效显著。近20年四川盆地大气气溶胶变化中超细颗粒物的贡献持续增加，人为污染物减排过程对四川盆地低层大气气溶胶的影响明显减弱，增大了对流层大气不稳定度，对区域天气气候变化具有潜在影响。四川盆地大气气溶胶变化中大气物理化学过程具有区域特性，大气环境治理具有特殊复杂性[36]。

2.1.2 盆地大气结构变化及其环境影响

利用了1960～2010年四川省和重庆市191个气象台站观测资料和气象再分析数据，分析盆地地形大背景下大气环流、风温垂直结构和季节特征，从动力及热力效应角度探讨了四川盆地及其周边环境大地形对大气环境影响效应[37]。研究结果表明，四川盆地和川西高原，能见度分布呈现盆地低而川西高原高的特征，能见距离与海拔和风速呈显著正相关。独特的大地形一方面造成盆地特殊的背风坡大气环流，四川盆地是风速的弱风区，受高原背风坡“避风港”效应影响显著，盆地区域平均风速纬向偏差约1 m·s-1，地处背风坡的弱风区，多静弱风。 盆地高空西风带下沉气流形成巨大空气“穹窿”，构成不利于污染物的水平扩散及对流输送的背风坡“避风港”效应，从而造成污染物的堆积，盆地上空受地形影响形成强下沉气流，尤其冬季更为显著（图2）；另一方面，青藏高原背风坡下沉气流增温作用使得盆地纬向偏差上热下冷，地形作用使得盆地上空显著趋于稳定的层结，低层大气层表现为风速弱切变，湍流混合作用弱；盆地近地面贴地逆温与高空气流下沉增温形成脱地逆温，使得盆地内大气层结稳定，不利于污染物的对流输送，污染物易产生堆积。地形作用下，各季节显著差异造成冬季典型背风坡“避风港”效应及温度大气层结，是盆地冬季重霾的关键因素之一。这些作用不利于盆地内大气气溶胶的扩散、输送，容易造成污染物的累积，进而形成霾天气。

图2 1999～2013年冬季四川盆地及其周边高原山地之间28°～31°N平均的纬带大气结构东-西向垂直剖面（填色代表水平风速，单位：m·s-1；等值线代表垂直速度 ，单位：Pa·s-1） [37]。

2.1.3 盆地大地形对气溶胶影响程度和机理

独特的深盆地形是造成四川盆地区域大气气溶胶污染的重要因子，其通过对气象条件调制加剧雾霾污染[38]。由于青藏高原对中纬度西风的影响，盆地上空出现背风涡流，增强盆地西部污染物二次累积，高原与盆地这种复杂的地形分布对盆地内部，尤其是靠近青藏高原的盆地西部大气污染物的堆积具有显著作用（图3）。

图3 四川盆地地形导致的（左）2016年1月 （右）及其重霾污染期间区域近地面PM2.5 浓度 (ug·m-3)分布[39]。

盆地重霾期间有无地形的模拟试验表明：地形作用使得盆地内大部分地区10 m 风速减少约1.5 m·s-1，地面2 m 温度升高约10 ℃，边界层高度降低约100～150 m。地形作用使得盆地近地面PM2.5浓度偏高约150 ug·m-3，地形影响贡献率约70%。地形对污染物的堆积作用表现在污染过程中，尤其是重污染过程。高空背风坡西风带下沉气流被加强，气流下沉增温促使2500～3000 m 高空形成脱地逆温，同时在地形作用下使得贴地逆温被加强，是导致盆地出现重霾过程的一个关键因素[39]。

Shu 等[40]结合观测和数值模式发现四川盆地作为我国西南地区主要的气溶胶源区，局地气溶胶排放主导区域大气环境特征。在西风带背景下，地形强迫环流驱动大气气溶胶在盆地西侧上空形成特殊镂空结构（图4），并形成独特的边界层以上的自由大气传输通道，构建西南地区大气气溶胶源-汇关系。

2.1.4 青藏高原大地形强迫对四川盆地霾污染变化的气候调节

Xu 等[38]研究发现青藏高原大地形存在是影响西风带下游地区大气气溶胶浓度的重要因素，其主要表现为：（1）“背坡风”避风港效应的弱风和下沉环流形成我国霾污染发生的“易感区”；（2）气候变暖和热力异常导致冬季风减弱对四川盆地霾污染作用；（3）青藏高原对我国大气环境变化的影响及对我国空气质量调控、决策的指示作用。

青藏高原大地形存在导致四川盆地形成了大气气溶胶高值中心。当高原地形削减后，高原地形阻挡和绕流作用消失后，冬季风系统北退并且强度减弱，加上高原去除后中低层西风异常，四川盆地大气垂直环流异常配合“冷盖”垂直热力结构，利于大气污染物通过西风异常带入下游地区。GEM-AQ/EC 模式10年模拟试验分析表明，相对于青藏高原热源加热偏弱的冬季，高原强热源偏强冬季我国中东部大气气溶胶浓度上升30%～45%。青藏高原的热力状况在偏暖和偏冷异常可能导致中东部地区大气中出现“暖盖”和“冷盖”垂直热力结构异常，“暖盖”的垂直热力结构加剧了对流层下部的下沉运动，有利于重污染的聚集和霾事件的发生，“冷盖”的影响与之相反。青藏高原热力强迫异常对中国中东部大气气溶胶浓度变化具有重要影响[41-42]。

2.2 四川盆地大气边界层结构对气溶胶污染的影响

基于2017年1月1～20日成都市系留汽艇探测低层大气气象要素和大气颗粒物垂直探空的加密观测资料，结合地面气象站点实时监测数据，研究了大气边界层气溶胶垂直分布的日变化，综合分析了四川盆地一次重霾污染过程中大气气溶胶的垂直分布特征。

2.2.1 盆地霾污染大气边界层垂直结构特征

在冬季重霾过程的发生、维持及消散阶段，盆地西部典型城市成都大气边界层内气溶胶垂直结构有明显差异。区域大气边界层结构的变化削弱昼、夜差异，稳定边界层结构出现频率远大于对流边界层结构[43]。尽管四川盆地重霾污染持续期间大气边界层趋于稳定（图5），但大气边界层却出现较强大气垂直混合作用，这与重霾污染中大气边界层和气溶胶相互作用有关。

在霾污染发生、维持及消散阶段，大气边界层气溶胶垂直结构具有明显差异：霾污染发生阶段，大气边界层气溶胶粗细粒子主要集中在300 m 高度以下，近地面层大气气溶胶粒子累积触发霾污染事件；霾维持阶段，大气颗粒物粒子浓度在垂直方向趋于一致，大气边界层稳定结构中存在强的大气垂直混合作用；在霾消散阶段，较高处的气溶胶粒子浓度最先下降，且下降幅度最大，表明对流层自由大气作用对霾污染发消散具有一定的影响。大气边界层风速的增大加剧了大气传输扩散，其作用对较细颗粒更为显著。温度与大气颗粒浓度在近地层呈负相关，在100 m 以上的高度呈正相关。大气边界层中低层偏冷且高层偏暖的稳定大气热力层结减弱了大气污染物的垂直扩散。高相对湿度有利于促进气溶胶粒子的吸湿增长和液相化学反应，加剧霾污染发展[43-44]。

2.2.2 大气边界层低空急流结构对PM2.5的影响

盆地西部大气边界层低空急流作为大气边界层内特殊的现象，2017年大气边界层低空急流发生频率夏季最高，秋冬季最低，夜间出现频率高于白天，主要出现在100～500 m 高度，急流风速主要分布在 5～8 m·s-1，风向以偏东风和偏西风为主。如图6 所示，大气边界层低空急流对四川盆地大气细颗粒物PM2.5呈现两种不同影响方式[45]： （1） 西风控制下的大气边界层低空急流过程表现为清除作用，西风带来的清洁高原气流使得本地PM2.5浓度迅速减少，急流轴以下高度粒径超过0.5 μm 的颗粒物数浓度减少50%以上；（2）东风控制下的大气边界层低空急流则表现为传输积累作用，东风将重PM2.5污染区域——盆地的大气细污染物携带至原本清洁的西部地区，进一步加重本地大气污染。风速达到5 m·s-1以上的条件下，细颗粒物数浓度表现出明显变化，5 m·s-1以下的东、西风对细颗粒物数浓度影响不大。

图6 四川盆地2017年1月4～6日重霾污染过程（左）近地面PM2.5 浓度和（右）风速垂直变化[45]

2.2.3 四川盆地近地面大气颗粒物化学特性

四川盆地城市人为大气污染物排放对重污染形成的具有重要作用，呈现城市-郊区间大气碳质颗粒物的差异。沿盆地-青藏高原东缘一带，大气碳质颗粒物污染中细碳质颗粒物具有主导作用（图7），且表现有机碳（OC）与黑碳（EC）随海拔高度增加的显著浓度下降。其中，碳质颗粒物中以一次有机碳（POC）贡献为主，但四川盆地内特殊的温湿大气条件增强了二次有机碳的生成[46]。

图7 2017年1月温江、新津、名山和理塘大气气溶胶中OC 和EC 逐日变化[46]。

对于碳质颗粒物在≤2.5 μm 粒径段，四川盆地市区碳质颗粒物的主要来源为燃煤排放和机动车尾气排放；盆地郊区、盆地与高原过渡区以及高原东缘区主要来源为燃煤排放，体现了四川盆地城市-郊区间交通运输差异对大气碳质颗粒物的不同来源作用。在＞2.5 μm 粒径段中，盆地市区和盆地与高原过渡区碳质颗粒物的主要来自于燃煤排放、生物质燃烧、粉尘和家庭天然气排放影响；盆地郊区可能受到非燃烧源的影响较盆地市区和盆地与高原过渡区大，存在燃煤排放、生物质燃烧排放和烹饪排放源。盆地市区、盆地郊区和盆地与高原过渡区在粗、细颗粒物中均呈现出POC 占碳质颗粒物比例最大，二次有机碳（SOC）占比次之，EC 占比最小；高原地区的细颗粒物同样地POC 占碳质颗粒物比重最大，而SOC 占比最小。在观测期间四川盆地-青藏高原东缘地区碳质颗粒物以POC 贡献为主，四川盆地内地区的SOC 贡献要比高原地区多，这体现了盆地内特殊的温湿大气条件对二次有机碳形成的重要性[46]。

2.3 大气气溶胶影响四川盆地降水变化

通过气候诊断方法和数值模拟试验，分析四川盆地及周边区域降水、雾-霾的气候变化规律，比较川西高原和四川盆地气溶胶空间和降水变化的差异，以探索四川盆地气溶胶高污染分布导致的降水分布型的气候变化特征[47-48]。利用2001～2017年TRMM 卫星数据对四川盆地近年来降水时空分布特征进行分析，利用 2001～2015年MODIS 中AOD 资料分析四川盆地大气气溶胶特征，探索降水变化与高浓度气溶胶之间的关联。为了研究四川盆地特殊地形背景下降水变化及其气溶胶影响机制，利用在线大气化学模式WRF-Chem 模拟了2012年7月20～21日发生在四川盆地西北部的一次典型西南涡暴雨过程，并分别设置填充四川盆地地形和去除人为气溶胶排放的敏感性试验，揭示四川盆地大地形和大气气溶胶在暴雨过程中的重要作用及影响机理。

2.3.1 盆地降水变化与大气气溶胶之间的关联

利用1973～2010年四川盆地及周边46个气象台站（包括四川省14个及重庆市32个站）逐日降水、能见度、相对湿度资料，及2001～2010年MODIS 的卫星遥感的AOD 资料，分析了四川盆地及周边弱降水（0～1 mm）变化趋势，及气溶胶与弱降水可能的关系。结果表明：（1）盆地年平均弱降水日/量均为减少趋势，而且雨日的减少比降水量的减少明显得多，平均每10年减少4%，其中重庆中南部、盆地西部弱降水日、弱降水量减少较为明显；（2）盆地中大部分地区的能见度变化与弱降水日数变化呈显著正相关，与弱降水量呈较明显正相关。这种相关性在气溶胶高值区比气溶胶低值区更为明显；(3)弱降水变化因子呈逐年减少趋势，说明气溶胶浓度越大，其对弱降水的抑制作用越显著，即盆地及周边大气气溶胶的增加对弱降水带来的主要是降水抑制的气候效应。

四川盆地及其周边地区大气气溶胶光学厚度AOD高值区与降水显著变化区域分布一致，呈显著正相关。四川盆地小雨及中雨频率减少，而大雨、暴雨、大暴雨以及特大暴雨频次均有所增加。大气气溶胶浓度的增加表现为抑制盆地内云滴凝结过程，减弱潜热释放及云内垂直速度、加强迎风坡的垂直运动及云滴向雨滴、雪晶及霰粒子转化促进强降水的发生[47]。

2.3.2 人为气溶胶对四川盆地暴雨的影响作用

大气气溶胶减弱暴雨降水过程前期盆地内降水，增强降水过程后期盆地西北侧山坡降水。降水过程前期，降水发生在四川盆地区域内，高浓度气溶胶抑制云滴凝结过程，从而释放较少的潜热，减弱云内垂直速度。雨滴、雪晶及霰粒子的相关转化过程受到抑制，降水粒子生成得少，降水强度较弱。降水过程后期，系统随偏南风北移，降水区域逐渐转变为盆地西北侧山坡。无人为气溶胶排放的敏感性试验由于前期降水中大量降水粒子的下沉拖曳作用，在迎风坡并没有出现很强的垂直速度；而拥有高浓度气溶胶的控制试验则在迎风坡的地形作用下发生强烈垂直运动，云滴凝结过程增强，且向雨滴、雪晶及霰粒子转化，各水凝物粒子大量生成，增强了降水强度。对两区域降水过程中气溶胶的宏、微观作用做区分，研究两个过程中宏、微观作用所占比重。通过计算发现，在降水前期，气溶胶的宏、微观作用均对云系呈抑制作用，二者所占比重相差不大；降水后期，气溶胶宏、微观作用均增强云系发展，其中宏观作用占比重较高，约为80%[48]。

3 结论与展望

本文系统梳理了近年来四川盆地及周边地区气溶胶污染变化与影响机理方面的一系列研究成果，得到如下主要结论：

（1）基于目前观测和模拟研究，系统认识了四川盆地气溶胶污染时空分布和垂直结构的区域特征，揭示形成了盆地大地形背景下独特天气气候和大气边界层物理过程作用对盆地气溶胶高值区形成的影响机理，评估了四川盆地高气溶胶污染对盆地及周边地区大气环境的相互影响。

（2）厘清了青藏高原大地形动力和热力强迫效应对盆地大气环境的调节作用，理解了四川盆地及周边特殊地形在高气溶胶污染中心形成及变化中的作用及其机理，扩展了青藏高原大地形作用对区域大气环境变化的影响效应。

（3）探索了四川盆地及周边地区降水气候变化中大气气溶胶效应的影响信号，明晰了气溶胶气候效应对区域降水的影响。

四川盆地地形背景下的独特大气边界层过程，特殊大气污染物人为和自然源排放以及复杂环境大气物理-化学过程限制了对区域大气环境变化机理的认识，未来工作应该针对四川盆地复杂地形下大气边界层结构，大气污染物人为与自然源和大气物理-化学过程开展深入研究，以全面认识区域大气环境变化机理， 有效提升四川盆地大气污染治理能力。