热点研究 | 中国各灰霾区不利气象条件与累积气溶胶污染的双向反馈机制
原文题目：The two-way feedback mechanism between unfavorable meteorological conditions and cumulative aerosol pollution in various haze regions of China
发表期刊：Atmos. Chem. Phys.
作者：Junting Zhong, Xiaoye Zhang, Yaqiang Wang, et al.
第一作者机构: Chinese Academy of Meteorological Sciences, China Meteorological Administration; College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, China
出版年：2019年
近年来我国持续3天以上的重污染事件（HPEs）频发，尤其是在冬季。由于受不利气象条件和累积气溶胶污染之间的双向反馈机制影响，华北平原（NCP）PM2.5在某些HPEs期间呈现爆发性增长。然而，目前对我国其它主要灰霾区是否存在这种双向反馈机制还缺乏全面了解。这些地区包括关中平原（GZP）、长三角（YRD）地区、两湖盆地（TLB）、珠三角（PRD）地区、四川盆地（SB）和东北平原（NeCP）。这些地区人口稠密，经济发达，有大量的工业、农业、机动车和生活污染源，其区域中心城市，如西安、南京、上海、武汉、广州、成都和沈阳，经常发生严重的气溶胶污染事件，对当地经济、社会和公众健康产生深远影响。因此，本研究聚焦上述区域中心城市的反馈机制，以反映主要灰霾区的总体情况。
01 - 数据与方法
1）研究期间：2016年12月1日至2017年1月10日。
2）数据来源：PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3逐时浓度来自国家空气质量实时发布平台（http://106.37.208.233:20035）；探空观测资料来自西安、沈阳、成都、武汉、南京、上海、清远等地气象站每日北京时间08:00和20:00的L波段探空雷达观测，包括风、温度、相对湿度等气象因子。因广州缺乏探空观测，本研究以邻近城市清远代替广州。地面气象资料来自国家气象信息中心的全国自动气象站逐时气象观测资料，包括温度、气压、相对湿度、风速、能见度等，以及全国气象辐射基本要素逐时辐照量数据集（V2.0）。污染-气象指数（PLAM）利用地面气象资料计算得出，该指数主要反映区域大气的稳定性和水汽的凝结力。ERA中期再分析数据来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF），水平分辨率0.125°× 0.125°。
3）反馈机制量化：由于ERA中期再分析数据没有考虑累积气溶胶污染与不利气象条件之间的双向反馈机制，因此，该数据与气象无线电探空观测数据之间的差异，可以从统计学上反映反馈机制的大小。本研究通过计算北京时间20:00 ERA中期再分析数据与探空数据之间各气压层的温度差，量化反馈机制的大小。
02 - 结果与分析
通过对比2016年12月1日和2017年1月10日主要灰霾区的平均PM2.5质量浓度（图3），发现华北平原的气溶胶污染最严重，其次依次是关中平原、四川盆地和东北平原、两湖盆地和长三角地区，珠江三角洲的气溶胶污染最轻。
Figure 3. National distribution of mean PM2.5 mass concentration from 1 December 2016 to 10 January 2017. Grey dots represent the locations of radiosonde stations.
1）关中平原双向反馈明显。2016年12月1日至2017年1月10日，西安发生两次HPEs，每次持续时间超过7天，峰值浓度超过400 μg m⁻³（图4a，深蓝线）。在HPEs期间，观测到不利天气条件和累积气溶胶污染（图4，红框和白框）之间显著的双向反馈机制。当近地PM2.5累积到一定程度时，地面辐射显著减少（图4e，红框），近地表温度（图4c，白框）降低，在小风或静风（图4b，红框）情况下，引起或增强逆温，从而进一步削弱湍流扩散，抑制水汽和污染物扩散；这些条件也会降低近地饱和蒸气压，增加相对湿度（图4d，红框），进一步增强气溶胶的吸湿增长，加快液相和非均相反应。这种双向反馈机制使得气象条件变差，PM2.5质量浓度升高。从TS到CS，北京和西安1000 hpa的负温差分别从-0.8°C增加到-4.3°C和-1.3°C增加到-2.7°C。
Figure 4. Temporal variations in PM2.5, surface radiation, and vertical distributions of meteorological factors from 1 December 2016 to 10 January 2017. (a) PM2.5 mass concentration, (b) winds (vectors) and wind velocity, (c) temperature, (d) RH, and (e) global radiant exposure. (Blue lines: HPEs; light blue lined: PEs; white or red boxes: CSs; and brown boxes: water vapor transport.)
2）长三角地区存在双向反馈。2016年12月1日至2017年1月10日，南京发生了四次气溶胶污染事件，其中三次每次持续时间超过5天，峰值浓度大于150 μg m⁻³（图6a）。受华北平原跨区域污染传输的影响，在CS期间双向反馈机制被激活，在小风情况下观测到地面辐射减少、近地面逆温、低层相对湿度增强和PM2.5质量浓度增加。由于南京的气溶胶污染较轻，双向反馈机制比北京弱。此外，相对较强的低层风（与北京相比）可能削弱了这种机制，这对气溶胶的累积不利。与在南京观测到的结果一样，上海也观测到了双向反馈机制，即地面辐射减少、近地面逆温、边界层低层相对湿度增强以及在小风或静风情况下PM2.5质量浓度增加；但反馈的强度小于南京。
Figure 6. Temporal variations in PM2.5, surface radiation, and vertical distributions of meteorological factors from 1 December 2016 to10 January 2017. (a) PM2.5 mass concentration, (b) winds (vectors) and wind velocity, (c) temperature, (d) RH, and (e) global radiantexposure. (Blue lines: HPEs; light blue lines: PEs; white or red boxes: CSs; and blue dots: precipitation.)
3）两湖盆地的双向反馈。两湖盆地容易受到来自华北平原污染输送的影响，而华北平原是中国最严重的气溶胶污染地区。2016年12月1日至2017年1月10日，武汉发生四次气溶胶污染事件，其中三次每次持续时间超过5天，峰值质量浓度大于150 μg m⁻³（图10a）。在三次HPEs期间，观测到双向反馈机制（图10红框），包括地面辐射减少、近地面逆温、低层相对湿度增强以及在小风或静风情况下PM2.5质量浓度增加。与南京观测到的情况相似，武汉的气溶胶污染比北京轻，双向反馈机制也比北京弱。
4）珠三角地区的双向反馈。受上层南风加湿，下层清洁、寒冷东北风净化，该地区污染较轻。2016年12月1日至2017年1月10日，广州和清远的PM2.5质量浓度为50 μg m⁻³，远低于西安、南京、武汉、成都和沈阳。在此期间，仅发生一次HPE，持续8天以上，峰值质量浓度约为150 μg m⁻³。在小风或静风情况下，地面辐射减少、近地面逆温、低层相对湿度增强和PM2.5质量浓度增加，表明存在双向反馈机制。
Figure 10. Temporal variations in PM2.5, surface radiation, and vertical distributions of meteorological factors from 1 December 2016 to 10 January 2017. (a) PM2.5 mass concentration, (b) winds (vectors) and wind velocity, (c) temperature, (d) RH, and (e) direct radiantexposure (of the vertical surface to the direction of solar radiation) and global radiant exposure. (Blue lines: HPEs; light blue lines: PEs;white or red boxes: CSs; orange boxes: TSs; brown boxes: water vapor transport; and blue dots: precipitation.)
5）四川盆地的双向反馈。2016年12月1日至2017年1月10日，成都发生三次HPEs，每次持续时间超过10天，峰值质量浓度大于200 μg m⁻³。HPEs期间，成都上空厚厚的中-上层雾/云被周围山脉和高层逆温所阻挡，更多太阳辐射被反射，使得云层下的大气冷却，抑制了不利天气条件与近地面气溶胶之间的双向反馈机制，因此，双向反馈较弱，几乎没有近地面逆温。尽管缺乏加剧气溶胶污染的双向反馈机制，但在稳定分层作用下，PM2.5质量浓度的增加仍由小风或静风主导。除近地面弱风外，持续的气溶胶污染由暖西南平流引起的逆温所造成。当相对温暖的空气在西南风作用下向东越过青藏高原时，在盆地上方形成逆温，将对流层覆盖，使得气溶胶和水汽聚积，污染加剧。
Figure 15. Temporal variations in PM2.5, surface radiation and vertical distributions of meteorological factors from 1 December 2016 to10 January 2017. (a) PM2.5 mass concentration, (b) winds (vectors) and wind velocity, (c) temperature, (d) RH, and (e) global radiantexposure. (Blue lines: HPEs; light blue lines: PEs; white or red boxes: CSs; and blue dots: precipitation.)
6）东北平原的双向反馈。2016年12月1日至2017年1月10日，沈阳发生6次气溶胶污染事件（图15a，蓝框），其中4次各持续3天以上，峰值PM2.5质量浓度超过200 μg m⁻³（图15a）。在这些HPEs过程中，观测到小风或静风（图15b，红框）情况下地面辐射减少、近地面逆温、低层相对湿度增强、PM2.5质量浓度增加（图15a-d，红框和白框）；这些情况表明沈阳出现了双向反馈机制。由于相对较轻的气溶胶污染和多风的条件，近地面冷却偏差的程度低于北京和西安，从TS到CS，1000 hpa的负温差从-0.26°C增加到-0.93°C。
7）双向反馈强度比较。双向反馈机制发生在关中平原、长江中下游、珠三角和东北平原，而在四川盆地很弱。为了量化这些雾霾区的双向反馈强度，获取了北京、西安、沈阳、武汉、南京和清远（代替广州）6个区域中心城市的探空观测值与ERA中期再分析数据之间的垂直气温差。通过比较这些城市的气温差，发现低层的温度廓线被双向反馈机制显著改变（图17）。在华北平原、关中平原和东北平原，探空观测和ERA中期数据之间的低层温度偏差在100 μg m⁻³阈值以下接近零，但在阈值以上立即变为负值（图17a-c）。在两湖盆地、长三角和珠三角，观测到在71 μg m⁻³阈值以下和以上的温差也有类似的降低（图17d-f）。总体而言，华北平原、关中平原和东北平原的双向反馈机制大于两湖盆地、长三角和珠三角。对于每个代表性城市，随着PM2.5质量浓度增加，近地面温差更加显著。在北京，当PM2.5在200-300 μg m⁻³时负温差超过2°C，而在100-200 μg m⁻³时约为1°C。在西安，温差从100-200 μg m⁻³范围的约-1.5°C下降到200-300 μg m⁻³范围的-2.5°C。在沈阳，随着PM2.5从100-200 μg m⁻³增加到200-300 μg m⁻³，负温差增加约0.6°C。在污染最严重的情况下，受双向反馈的影响，北京、西安和沈阳的近地面温差分别大于-4°C、约-4°C和约-1°C。
Figure 17. Vertical temperature difference between sounding observations and ERA-Interim reanalysis data under different concentration bins of PM2.5 mass (µg m-3) in (a) Beijing, (b) Xi’an, (c) Shenyang, (d) Wuhan, (e) Nanjing, and (f) Qingyuan.
在北京、西安、沈阳、武汉、南京和清远PM2.5爆发性增长过程中，小时PLAM与PM2.5质量浓度之间的平方相关系数分别为0.71、0.7、0.72、0.68、0.64和0.63，均超过0.05显著性水平，说明气象对PM2.5质量浓度的正反馈解释了累积阶段PM2.5爆发性增长的60%-70%。
Figure 19. A concept scheme of pollution removal (a), transport (b), and accumulation (c), specifically the two-way feedback mechanism between unfavorable meteorological conditions and cumulative aerosol pollution (c).
03 - 主要结论
在四川盆地，由于受中上层云的抑制，双向反馈机制较弱。在污染程度较高的华北平原、关中平原和东北平原，反馈机制比长三角、两湖盆地和珠三角地区更为明显。在这些地区，不利气象条件对PM2.5的反馈解释了累积阶段PM2.5增长的60%-70%。在每个区域，随着气溶胶污染增加和离地面距离更近，低层的冷却温差变得更大。当PM2.5质量浓度大于400 μg m⁻³时，北京的近地温差超过-4°C，西安的近地温差达到约-4°C。除双向反馈导致PM2.5增加外，这些地区还存在区域污染物传输问题，包括关中平原的区域间传输、华北平原到长三角和两湖盆地的跨区域传输以及东北平原的西南传输。由于双向反馈机制的出现，有效的污染控制可以进一步减轻气溶胶污染，而持续加剧的气溶胶污染可能导致PM2.5的额外增加（图19）。考虑到区域间和跨区域的污染传输，控制主要灰霾区域之间的排放，减少污染物的传输或避免达到触发双向反馈机制的阈值，对于大幅度减少持续重度气溶胶污染事件至关重要。
【E文载道 整理；CCAPP秘书处 发布】
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