随着城市化进程的不断加快,城市的规模也日趋庞大,逐渐形成了范围广、 人口多、 工业集中的大型城市群.珠三角城市群作为我国城市化程度最高、 经济发展最快的城市群之一,其在经历快速的经济发展的同时,也面临着严重的大气污染.其中以高浓度颗粒物造成的区域性灰霾天气已经是珠三角地区空气污染的主要形式^{[1, 2, 3]}.灰霾天气是指相对湿度低于90%,且能见度低于10 km的低能见度事件^[4].研究发现,珠三角地区的灰霾天气主要由高浓度的细粒子造成,严重影响公众的身体健康、 生产生活以及交通运输等^{[5, 6, 7, 8]}.

随着区域性污染日益严重,近些年,有越来越多关于区域性大气污染的研究.其中康娜等^[9]利用聚类分析等研究发现在典型污染时段我国主要的污染区域和86个城市可以划分为7个区域,并分析了造成区域性污染的天气型原因； 高会旺等^[10]利用我国73个城市近5年的空气污染指数(API)数据研究得到73个城市可分为6个类群； 而段玉森等^[11]利用EOF分析发现我国47个主要城市的空气污染却可分为10个区域.在珠三角地区,徐伟嘉等^{[12, 13]}利用地统计学方法研究了珠三角地区PM_2.5的时空变异特性； 有研究者发现珠三角霾天气具有区域性特征，且其与区域内静小风有关^{[14, 15, 16, 17]}； 范绍佳等^[18]研究提出珠三角地区边界层概念模型指出在偏北干冷空气、 偏南暖湿气流以及珠三角上空的下沉气流共同作用下,在珠三角地区易形成区域性污染； 王淑兰等^[19]利用CALPUFF模拟系统模拟发现珠三角城市间空气污染具有相互贡献与输送； 此外还有大量有关台风等大型天气系统和海陆风等局地环流对珠三角区域污染的影响^{[20, 21, 22, 23, 24]}.但是以往的研究大部分集中于分析地面气象场对区域污染的形成作用,且污染地区主要集中于广州以及周边城市,研究较少涉及整个珠三角地区以及垂直风场在不同范围的区域性污染形成过程中的作用.而珠三角作为我国风廓线雷达分布最密集的地区之一,其为研究珠三角地区区域污染的垂直风场结构提供基础,且风廓线雷达在研究区域污染过程中已有大量应用^{[25, 26, 27, 28, 29]}.

因此,本研究利用珠三角地区的高时间、 高空间分辨率的PM_2.5浓度数据以及主要的风廓线雷达数据,分析探讨了珠三角区域污染的分布以及其所对应的垂直风场特征.

1 材料与方法

本研究利用2014年4月~2015年3月珠三角地区56个环境监测子站以及9个主要城市的逐时PM_2.5的污染数据,采用系统聚类分析方法以及相关分析方法,分析得到珠三角地区PM_2.5污染的区域分型,再结合珠三角区域内4台主要风廓线雷达的水平风速风向数据,分析出现不同类型区域污染时的垂直风场特征,包括局地环流指数(R指数)的垂直变化、 边界层通风量(Ⅵ)等.珠三角地区主要的环境监测子站和风廓线雷达如图 1所示,其中从化、 增城的风廓线可代表珠三角内陆地区的垂直风场结构,而珠海与深圳的风廓线可反映出珠江口东西岸沿海地区的垂直风场特征.

图 1

Fig. 1

图 1 珠三角地区环境监测站点与主要风廓线雷达示意 Fig. 1 Map showing the environmental monitoring stations and main wind profile radars in PRD region

风场的局地环流指数(recirculation factor)能有效地表征风场的静稳性与输送过程的稳定性.根据Levy等^[30]的研究,R指数的计算公式如式(1)~(3)所示.

边界层通风量(ventilation index,VI)是指边界层内累计的风速大小,其能表征风场对污染物的输送扩散能力^[25].其计算公式如式(4)所示.

根据珠三角9个城市的逐时PM_2.5浓度数据,采用系统聚类方法研究发现,珠三角地区PM_2.5的区域污染可分为3种类区,一为东莞、 广州、 佛山以及江门； 二为中山、 珠海、 深圳、 惠州； 三为肇庆单独为一类.再根据表 1所示的珠三角地区主要城市PM_2.5污染的皮尔逊相关系数也可以发现,东莞、 广州、 佛山以及江门之间PM_2.5污染的相关性较高,普遍高于0.8或者接近于0.8,同时中山、 珠海、 深圳以及惠州之间的相关性也较高,其中中山与珠海、 深圳的相关性高达0.88和0.85,而深圳与惠州的相关系数也较高,为0.84.与其他城市不同,肇庆与珠三角地区其他城市的相关性均不高,这也说明肇庆的PM_2.5污染具有其独特的污染特征.

表 1(Table 1)

表 1 珠三角地区9个城市PM2.5污染的相关系数1) Table 1 Correlation coefficients of PM2.5 concentrations among 9 cities in PRD region 东莞 广州 佛山 中山 江门 珠海 深圳 惠州 肇庆 东莞 1.00 广州 0.86** 1.00 佛山 0.85** 0.85** 1.00 中山 0.77** 0.63** 0.73** 1.00 江门 0.78** 0.70** 0.86** 0.82** 1.00 珠海 0.74** 0.58** 0.69** 0.88** 0.79** 1.00 深圳 0.79** 0.64** 0.69** 0.85** 0.75** 0.90** 1.00 惠州 0.81** 0.73** 0.71** 0.74** 0.70** 0.74** 0.84** 1.00 肇庆 0.64** 0.67** 0.74** 0.52** 0.64** 0.49** 0.54** 0.54** 1.0 1)N=7 949,**表示在0.01水平上显著相关

表 1 珠三角地区9个城市PM2.5污染的相关系数1) Table 1 Correlation coefficients of PM2.5 concentrations among 9 cities in PRD region

为了进一步研究珠三角地区不同污染分布时的污染特征,本次研究中定义当东莞、 广州、 佛山以及江门的PM_2.5日平均浓度高于同日期珠三角地区PM_2.5的区域平均浓度时,该时日出现第一类污染型(Ⅰ型),该区域简称为Ⅰ区； 而当中山、 珠海、 深圳以及惠州的PM_2.5日平均浓度高于同日期珠三角地区PM_2.5的区域平均浓度时,该时日出现第二类污染型(Ⅱ型)，该区域简称为Ⅱ区； 最后,当肇庆地区的PM_2.5日平均浓度为整个珠三角同日期的最高值时,该时日出现第三类污染型(Ⅲ型),该区域简称为Ⅲ区.统计发现,于2014年4月至2015年3月里,出现Ⅰ类污染状况的天数为47 d,Ⅱ类污染状况的天数仅有7 d,而出现Ⅲ类污染状况的天数却高达128 d,这说明肇庆地区的PM_2.5污染在珠三角区域内处于较为严重的状态,同时沿海地区的空气质量全年较好.

如图 2(a)所示,就PM_2.5的年平均浓度而言,整个珠三角地区PM_2.5浓度几乎都低于50 μg ·m^-3； 珠江口东岸的PM_2.5低于珠江口西岸,其中深圳、 惠州地区的PM_2.5普遍低于35.0 μg ·m^-3； 且珠三角内陆地区的PM_2.5浓度要明显高于沿海地区.图 2(b)、2(c)以及2(d)分别为Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ型污染状况时整个珠三角地区的PM_2.5污染分布. 如图 2所示,当出现Ⅰ型污染状况时,整个珠三角珠海、 深圳以及惠州的PM_2.5浓度要明显低于其他城市,其他城市的PM_2.5浓度普遍较高； 而出现Ⅱ型污染状况时,整个珠三角地区的PM_2.5浓度较高,几乎均高于50.0 μg ·m^-3,其中沿海地区的浓度最高,这说明当出现Ⅱ型污染是珠三角空气质量最差的时期.对于Ⅲ型污染状况时,PM_2.5浓度较高的区域主要集中在肇庆、 广州以及佛山地区,这也说明当肇庆出现珠三角地区最严重污染时,广佛地区的污染也较重； 相反以深圳、 惠州为代表的珠江口东岸地区以及江门地区的PM_2.5浓度较低.

图 2

Fig. 2

图 2 珠三角地区PM2.5浓度分布 Fig. 2 Distributions of PM2.5 in PRD region

不同污染分布时的主要城市PM_2.5浓度的日变化如图 3所示.城市间的PM_2.5浓度水平不同,与图 2分析结果相似.对于年平均和Ⅰ型污染,全天9个城市的污染水平可以分为两部分,分别为珠三角内陆城市和东南沿海城市[图 3(a)]； 至于Ⅱ型污染,不同城市PM_2.5浓度于15:00前有较明显的差距,而后污染水平接近； Ⅲ型污染整个珠三角污染水平则可划分3个层次,分别为Ⅰ区、 Ⅱ区以及Ⅲ区.不同污染类型所对应的PM_2.5日变化总体相似,即PM_2.5夜间的浓度较高,而上午PM_2.5浓度有上升趋势,而午后浓度明显下降.

图 3

Fig. 3

图 3 9个主要城市PM2.5浓度的日变化 Fig. 3 Diurnal variation of PM2.5 concentrations in 9 main cities

为了细化研究不同污染类型所对应的垂直风场特征,利用珠三角地区4台主要风廓线雷达的水平风向风速数据,分析研究了当出现不同区域污染所对应的24 h逐时风廓线特征.如图 4~6所示,为3种不同污染类型总体平均的风廓线图.

图 4

Fig. 4

图 4 珠三角地区Ⅰ型污染时风廓线 Fig. 4 Wind profiles during the pollution typeⅠ occurred in PRD region

图 5

Fig. 5

图 5 珠三角地区Ⅱ型污染时的风廓线 Fig. 5 Wind profiles during the pollution typeⅡ occurred in PRD region

图 6

Fig. 6

图 6 珠三角地区为Ⅲ型污染时的风廓线 Fig. 6 Wind profiles during the pollution type Ⅲ occurred in PRD region

不同的垂直风场结构对应不同的污染物输送过程.图 4为当珠三角处于Ⅰ型污染状况时,珠三角地区主要风廓线雷达的24 h逐时风廓线. 从中可知,从化低层以偏东风(东南风)为主,白天高层有明显的风向切变,由东南风顺时针转变为西南风,且切变位置也有明显的变化.中午时切变位置最高可达2 000 m以上,而至下午风向切变的位置主要位于1 750 m左右.从化边界层中层出现风速极大层,主要出现在750~1 750 m,且主要出现在凌晨至上午时段.而午后至凌晨,边界层整层的风速均要比上午时的风速小.与从化风廓线相似,增城的风廓线底层也是以偏东风位置,在垂直方向上表现出风向切变,且上午主要切变出现的位置高于下午,不同的是增城风廓线中层出现小风层,底层的偏东风以及高层的东南风的风速均较大.不同于内陆风廓线,沿海地区受海陆风作用明显,其(珠海、 深圳)风廓线特征也不同,表现出低层的风速大于高层,且低层的风速也要大于内陆地区底层的风速.相似的是其风向也表现出明显的垂直切变,也为东南风顺时针转变为西南风,且主要的切变位置也具有明显的日变化,上午较高,下午较低.

对比图 2(b)可以发现,以东莞、 广州、 佛山为代表的珠三角内陆地区在受边界层中低层的东南风作用下,其PM_2.5浓度要显著高于沿海地区.边界层内东南风能够有效地将沿海地区的污染物输送至珠三角内陆地区,导致该区域内的PM_2.5浓度较高.

当珠三角地区出现Ⅱ型污染时,珠三角地区的风廓线与Ⅰ型污染有明显不同.珠三角处于Ⅰ型时珠三角中低层的主导风向为东南风,而处于Ⅱ型污染时,珠三角中低层的主导风向为偏北风,其中从化、 珠海底层出现明显的北风.这种边界层内风向的转变可能是污染型变化的重要原因.除了风向的变化,Ⅱ型所对应的风廓线的风速也要明显大于Ⅰ型所对应的风速.

如图 5所示,所有风廓线均有显著的风向切变,均表现为底层到中层时的顺时针切变,后中层到高层的逆时针切变.先有偏北风顺时针转变为东北风,随后在逆时针切变为偏西风.从化和增城风廓线作为珠三角内地地区风廓线,其也有所不同,其中从化的风廓线划分为四层,分别为最底层的风速较小的偏北风,中低层风速较大的东北风,中高层风速较小的东北风或者西北风以及高层风速较大的偏西风.从化风廓线底层偏北风的高度也有明显的日变化,15:00时底层偏北风的高度达到最大值.而增城的风廓线可分为3层,首先是较大风速,主导风为东北风的边界层底层,高度约为0~1 000 m,中午和夜间的高度较高； 再次为风速较小的中层,高度约为1 000~1 750 m； 高层则受风速较大的偏西风控制.相同的是从化和增城的风廓线均表现出中午与夜间的风速要大于下午的风速.珠海的风廓线与从化的相似,也可分为4层,分别为较小偏北风控制的最底层,中低层、 中高层以及高层,其中中高层为东北风转偏西风的过渡层结,风速较小.作为代表沿海地区风场结构的深圳风廓线也有其特点,其低层盛行偏东风,以东北风为主,全天高度几乎不变,都维持在1 500 m左右,小风层也较明显,高度为1 500~2 000 m,而高层则受风速较大的偏西风控制.

如图 6所示,Ⅲ型污染时的风廓线与Ⅰ型污染时的风廓线相似,底层均表现为东南风,而高层则转变为西南风； 从化风廓线于中层出现风速极大层,而增城、 珠海以及深圳的风廓线则在低层和高层的风速较大.但是值得注意的是,相比于Ⅰ型污染状况所对应的风廓线风速,Ⅲ型污染状况所对应的风速普遍更高.

再对比图 2(b)与图 2(d),可以发现在较小风速东南风作用下,整个珠三角内陆地区的PM_2.5浓度均较高,即其也伴随着高浓度的PM_2.5在肇庆地区出现,而在较大风速东南风作用下,风场对珠三角沿海地区污染物的清除过程明显,Ⅲ型污染对应的东南沿海地区的PM_2.5浓度明显低于 Ⅰ 型污染所对应的浓度,同时Ⅲ型污染对应珠三角内陆地区的PM_2.5浓度也明显更低.这说明虽然东南风能够将污染物输送至肇庆等珠三角内陆城市,但是当风速较大时,其清除作用也较大，这与张人文等^[15]研究指出的区域内风速的大小与区域污染是否形成有密切关系的结论一致.

值得注意的是，3种污染状况对应的风廓线均出现午后的风速明显低于其他时刻，而对比图 3发现午后PM_2.5浓度的快速下降可能与较弱的区域输送和午后强湍流有关.

风场的局地循环指数(R指数)能够有效地表征风场的静稳程度以及风场输送过程的稳定性,结合风速也可以较好地反映出风场的输送能力.为了更精确地研究不同污染状况时的垂直风场特征,本研究利用风廓线雷达数据,给出珠三角地区R指数随高度的变化情况,如图 7所示.

图 7

Fig. 7

图 7 珠三角地区三类不同污染状况时R指数的垂直变化 Fig. 7 Vertical variations of Recirculation Factors of these three pollution types in PRD region

如图 7所示,发现Ⅱ型污染状况所对应的R指数的垂直变化情况与其他两种污染类型相比具有明显的不同.在1 250 m高度下,Ⅱ型污染时4个地区的R指数均低于0.5,其中在1 000 m高度下,R指数的大小接近于0； 1 250 m高度以上,随着高度的增加,R指数也有一个快速增长的过程,其约在2 000 m高度处达到最大值,其中珠海地区的R指数在2 000 m的值接近于1.0； 后再随着高度的增加快速减小.总体表现出1 250 m高度以下以及2 500 m高度以上R指数相对较小,而1 250~2 500 m过渡阶段R指数相对较大.Ⅰ型污染状况与Ⅲ型污染状况所对应的R指数垂直分布具有很大的相似性,其都在垂直方向表现出一定的稳定性,随高度的变化不是很明显,均在0.5左右波动.值得注意的是,相对其他地区的R指数,珠海地区在Ⅰ型污染状况时的R指数在高度2 000 m以上数值较大.

较小的R指数表明风向较稳定,即风场的输送过程变化较小； 相反较大的R指数表明风向变化较大,风场的输送过程也有较大变化.有研究指出区域污染R指数与能见度和区域污染事件的形成有显著相关^{[25, 28, 31]}. 结合图 7 可知,当珠三角地区出现Ⅱ型污染状况时,整个珠三角中低层和高层的风向较为稳定,而中高层的风向变化较大； 当珠三角地区出现Ⅰ、 Ⅲ型污染状况时,珠三角地区的风向具有一定的变化,整个边界层具有相似的变化.

边界层通风量的大小能较好表征边界层内风场对污染物的输送作用的强弱.表 2为不同污染状况所对应的珠三角地区各地小时平均的边界层通风量.从中可知,总体而言Ⅱ型污染状况所对应的边界层通风量大于Ⅲ型污染状况,均大于7 000 m² ·s^-1； Ⅰ型污染状况对应的通风量最小,几乎都低于5 000 m² ·s^-1.而就地区而言,珠海地区的边界层通风量最大,最大可达9 104.7 m² ·s^-1 (Ⅱ型),从化地区的通风量最小,最低值为3 254.5 m² ·s^-1 (Ⅰ型).

表 2(Table 2)

表 2 珠三角不同污染状况下各点的小时平均通风量 Table 2 Hourly average Ventilation Index of the three pollution types in PRD region m2 ·s-1 项目 从化 增城 珠海 深圳 Ⅰ型 3 254.5 4 377.2 5 129.8 4 790.1 Ⅱ型 8 897.2 8 602.6 9 104.7 7 191.8 Ⅲ型 4 404.9 6 060.2 6 671.2 5 992.3

表 2 珠三角不同污染状况下各点的小时平均通风量 Table 2 Hourly average Ventilation Index of the three pollution types in PRD region

由表 2可说明,当珠三角地区出现Ⅱ型污染状况时,珠三角边界层内风场对污染物具有最强的输送作用； 而Ⅰ型污染状况对应的珠三角地区边界层内风场的输送作用相对有限.

以往的研究^[25]仅考虑污染日与非污染日时通风量的大小，未考虑不同风向对区域污染形成的影响.本次研究结合珠三角地区的风向、 风向变化情况以及通风量大小,对比图 2中各污染类型中的PM_2.5浓度分布,可以发现当珠三角受较大的偏北风作用,且风向变化不大时,整个珠三角易形成较高浓度的PM_2.5分布； 而受东南风作用时,东南沿海地区的PM_2.5浓度相比于珠三角内陆地区要明显更低； 同时当东南风风速较大时,珠三角边界层通风量较大,整个珠三角地区的污染物浓度要小于东南风较小时,此时在肇庆地区易形成整个珠三角地区的PM_2.5浓度的峰值.

利用风廓线雷达近地层(150 m以下)的风向风速数据和对应的PM_2.5浓度数据研究得到3个区域的PM_2.5浓度风向风速分布状况.如图 8所示,当珠三角地区受偏北风作用,尤其是东北风和西北风,Ⅰ、 Ⅱ区的PM_2.5浓度较高； 相反当受东南风作用时,Ⅰ、 Ⅱ区的PM_2.5浓度相对较低.对于Ⅲ区的污染风向风速分布状况,其与Ⅰ、 Ⅱ区明显不同,主要区别在于当珠三角地区盛行东南风,尤其当沿海地区的东南风速较大时,Ⅲ区的PM_2.5浓度明显偏高； 而且在受偏北风作用时,该区域的污染也较严重.

图 8

Fig. 8

a.Ⅰ; b.Ⅱ; c.Ⅲ; 1.从化； 2.增城； 3.珠海； 4.深圳 半径方向为风速大小，范围为0~10 m ·s-1； 实线为风向频率分布； 色标为PM2.5在该风速风向下的浓度图 8 Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ污染区PM2.5浓度于从化、 增城、 珠海和深圳风廓线雷达对应的风向风速分布 Fig. 8 Wind Dependency maps of PM2.5 concentrations in Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ areas from Conghua, Zengcheng, Zhuhai and Shenzhen wind profile radar

(1)珠三角地区PM_2.5的区域污染可分为3种类区,一为东莞、 广州、 佛山以及江门； 二为中山、 珠海、 深圳、 惠州； 三为肇庆单独为一类.2014年4月~2015年3月中,Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ型污染状况出现的天数分别为47、 7和128 d.

(2)整个珠三角地区年均PM_2.5浓度几乎都低于50 μg ·m^-3,东岸地区的PM_2.5浓度低于西岸,内陆地区的PM_2.5浓度要明显高于沿海地区.Ⅰ型污染时,珠海、 深圳和惠州的PM_2.5浓度要明显低于其他城市； Ⅱ型污染时,整个珠三角地区的PM_2.5浓度均要高于50.0 μg ·m^-3； Ⅲ型污染时,PM_2.5浓度较高的区域主要集中在肇庆、 广州以及佛山地区,相反以深圳、 惠州为代表的珠江口东岸地区和江门地区的PM_2.5浓度较低.

(3)Ⅰ型与Ⅲ型污染状况所对应的风廓线相似,低层受东南风控制,高层为西南风,Ⅲ型的风速要大于Ⅰ型风速.Ⅱ型污染状况的风速明显大于其他两种类型,其低层几乎均受偏北风影响,而高层则受偏西风的影响.Ⅱ型污染状况所对应的边界层中低层的风向变化很小,而其他两类则有一定的变化.同时Ⅱ型的通风量要明显大于其他两种类型,其中Ⅰ型的通风量最小.

(4)珠三角受偏北风作用时，整个珠三角的PM_2.5浓度较高； 当盛行东南风时，Ⅰ、 Ⅱ区的PM_2.5浓度相对较低，而Ⅲ区的污染相对较重.