引言

随着中国经济的高速发展，环境问题变得越来越突出。其中，由于空气质量恶化造成的大气环境污染问题对人民群众的生产生活造成了极大的影响(丁一汇等，2009)。因此，空气污染问题受到了人们广泛的关注。灰霾天气的出现，则是空气污染的一种直观表现。高歌(2008)、胡亚旦等(2009)、吴兑等(2010)、孙彧等(2013)和刘晓慧等(2013)指出我国近50年霾日呈东多西少分布，且冬多夏少。近几年来，我国长江中下游、珠江流域等地区，霾日增加明显，持续性霾天气发生频率增加。有研究发现空气质量存在显著的季节、月及日变化，地域上则存在由南到北、从沿海到内陆逐渐变差的趋势，一些研究还探讨了空气污染与大气环流背景、局地气象条件的关系及其边界层特点(魏玉香等，2009；张艳等，2010；伍红雨等，2011；李小飞等，2012；李文杰等，2012；刘梅等，2014)。金祺等(2012)和庞杨等(2012)通过数值模式研究了污染物的分布和演变特征。

影响空气污染发生的原因有多种。一是本地污染物的排放或者局地污染物的输送达到一定量；二是需要有较合适的大气环流背景场，且气象条件对污染物的堆积有利(饶晓琴等，2008；朱彬等，2010；曹伟华等，2013；张人禾等，2014)。作为空气污染形成的条件之一，环流形势对于空气污染的产生有着重要作用。只有在合适的环流背景下，满足一定的气象条件，污染物的排放达到一定量，空气污染才会发生。因此，准确的环流分型对于研究空气污染具有重要的理论意义和应用价值(田宏伟等，2008；唐贵谦等，2010；李霞等，2012)。

环流分型主要有主观分型、客观分型及主客观结合分型。不同的分型方法各有利弊。本文利用基于Lamb大气环流分型法(Lamb，1950)的Jenkinson法(Jenkinson et al，1977)，它是将主观的Lamb法通过一定的客观划分方法将环流分型客观化，是一种主客观结合的方法，在一定程度上能够克服主观分型或客观分型的缺点。由于这种方法具有明确的天气学意义并且简便易操作，在天气和气候变化研究中得到了广泛应用(贾丽伟等，2006；朱艳峰等，2007；郝立生等，2009；Jones et al，1993；Pope et al，2014)。目前，Lamb-Jenkinson法已在软件中得以实现(Philipp et al，2014)。

武汉作为中部地区的经济、文化中心之一，其高度的城市化、快速发展的工业给城市大气环境带来了一系列问题，并且在最近几年愈演愈烈。空气污染的形成与大尺度环流特征、中小尺度局地气象条件及污染物排放密切相关，本文仅从大尺度环流特征出发，利用Lamb-Jenkinson法对武汉市近10年的地面环流形势进行分型，探讨武汉市近10年的主要环流型及其与污染物浓度的关系，为我国中部地区的空气污染成因研究及预测提供参考依据。

1 资料与方法 1.1 资料

大气环流分型选用资料为NCEP/NCAR再分析资料，包括2004—2013年逐日08时(北京时，下同)的海平面气压，水平分辨率为2.5°×2.5°。

污染物浓度资料来源于武汉市环保局，包括2004—2013年逐日平均的SO₂、NO₂、PM₁₀浓度。根据环境空气质量标准(HJ633-2012；环境保护部，2012)规定，当SO₂的24 h平均浓度＞150 μg·m^-3，NO₂的24 h平均浓度＞80 μg·m^-3，PM₁₀的24 h平均浓度＞150 μg·m^-3，即空气质量分指数IAQI＞100时，污染物浓度超标，发生污染事件，记为各污染物造成的污染事件。

1.2 方法

武汉(29°58′~31°22′N、113°41′~115°05′E)位于江汉平原东部。本文以(30°N、115°E)为中心，在20°~40°N、100°~130°E范围内，每隔10个经度和5个纬度取16个点，武汉恰好位于中心位置(图 1)，利用逐日08时海平面气压场资料进行环流分型。

利用所选区域内16个格点的海平面气压(08时)，采用中央差分的计算方案，得到以下6个环流指数：

$ \begin{array}{l} u = \frac{1}{2}\left[ {p\left( {12} \right) + p\left( {13} \right) - p\left( 4 \right) - p\left( 5 \right)} \right]\\ v = \frac{1}{4}\frac{1}{{{\rm{cos}}\alpha }}\left[ {p\left( 5 \right) + 2p\left( 9 \right) + p\left( {13} \right) - } \right.\\ \left. {\;\;\;\;\;\;p\left( 4 \right) - 2p\left( 8 \right) - p\left( {12} \right)} \right]\\ V = \sqrt {{u^2} + {v^2}} \\ {\xi _u} = - \frac{{\partial u}}{{\partial y}} = \frac{1}{2}\frac{{{\rm{sin}}\alpha }}{{{\rm{sin}}{\alpha _1}}}\left[ {p\left( {15} \right) + p\left( {16} \right) - } \right.\\ \left. {\;\;\;\;\;\;\;p\left( 8 \right) - p\left( 9 \right)} \right] - \frac{1}{2}\frac{{{\rm{sin}}\alpha }}{{{\rm{sin}}{\alpha _2}}}\left[ {p\left( 8 \right) + } \right.\\ \left. {{\rm{ }}\;\;\;\;\;\;p\left( 9 \right) - p\left( 1 \right) - p\left( 2 \right)} \right]\\ {\xi _v} = \frac{{\partial v}}{{\partial x}} = \frac{1}{4}\frac{1}{{2{\rm{co}}{{\rm{s}}^2}\alpha }}\left[ {p\left( 6 \right) + 2p\left( {10} \right) + p\left( {14} \right) - } \right.\\ \;\;\;\;\;\;\;p\left( 5 \right) - 2p\left( 9 \right) - p\left( {13} \right) + p\left( 3 \right) + 2p\left( 7 \right) + \\ \left. {\;\;\;\;\;\;\;p\left( {11} \right) - p\left( 4 \right) - 2p\left( 8 \right) - p\left( {12} \right)} \right]\\ \xi = {\xi _u} + {\xi _v} \end{array} $

式中，p(n)(n=1, 2, …, 16) 是第n个格点上的海平面气压值。α、α₁和α₂分别为30°、25°和35°(Jones et al，1993)。V是地转风，u、v分别为地转风的纬向分量和经向分量，ξ是地转涡度，ξ_u是u的经向梯度，ξ_v是v的纬向梯度，单位均为hPa·(10°)^-1。

表 1是根据地转风速、风向及涡度值将环流型划分为气流型、旋转型和混合型3大类，总共27种不同的环流类型。根据这种方法得到的分型结果具有明确的物理意义，如某一区域的环流型为A型，说明该区域被反气旋控制(即高压型)；如为C型则被气旋控制(即低压型)；N型则表示该区域被偏北的地转风气流控制；AN型则表示该区域被高压系统控制下的偏北地转风(即高压前部)影响；依此类推。由于U型是一类模糊分型(Jones et al，1993)，分型结果没有明确的物理意义，因此在实际操作中，将此类分型依据条件归类到其余类型中。

2 结果分析 2.1 武汉市主要环流型特点

为了更好地研究环流型与污染物浓度的关系，首先要了解影响武汉地区环流型的特点。本文中各环流型的出现频率是各环流型出现日数与总日数的比值，如近10年冬季各环流型出现频率为各环流型在冬季出现日数与近10年冬季的总日数之比。图 2是2004—2013年27种地面环流型出现的频率，偏东风型、高压系统影响型及低压系统型是主要型。出现频率低于5%的占绝大多数，大于5%的主要环流型有A(29.3%)、C(14.6%)、E(10.6%)、AE(8.8%)、NE(6.0%)和SE(5.8%)型，6种环流型出现总频率为75.1%。可以认为它们是近10年影响武汉地区的主要环流型。图 3是分析2004—2013年逐日08时海平面气压得到的出现频率从大到小的前6种环流型。全年影响武汉地区的主要环流型是反气旋型(高压型)、气旋型(低压型)、偏东风型等(表 2)。A与C型有明显的季节变化，A型冬季出现频率最高，而C型夏季出现频率最高。秋、冬季以A、AE、E型最为常见，春季A、C、E型出现频率最高，夏季则C、E、CSW型出现次数最多。SW型在春、夏季出现，秋、冬两季没有。冬半年武汉地区位于冷高压底部，主要风向为东风、东北风，夏季则受副热带高压或弱低压系统影响，以气旋型和东南风为主。Lamb-Jenkinson法所得的环流分型结果与实际情况较为一致。

2.2 环流型与污染日的关系

本文使用表征空气污染状况的空气质量指数AQI定义空气污染日。当AQI＞100时，当天发生空气污染，记为1个污染日(包括轻度、中度及以上污染)；当AQI＞150时，当天发生中度及以上空气污染，记为1个中度及以上污染日。由于武汉市在2013年才开始应用AQI指数进行空气污染等级发布，所以在进行污染日识别前，使用2004—2013年共有的污染物(PM₁₀、SO₂、NO₂)浓度资料进行订正，得到新的AQI指数再进行污染日识别。图 4指出，在2009年以前，污染日数是逐渐减少的，2012年开始增加，2013年显著增加。污染日的增加主要来自于中度及以上污染日的增加，2013年尤为明显，其主要原因与武汉市近几年的城市建设和经济发展有密切关系。污染日各季节也存在明显变化，秋、冬季最多，春季次之，夏季最少。污染日的增加与秋、冬季节污染日数增多有关。冬半年的污染日数明显高于夏半年。

由于影响各季节的主要环流型不同，且各环流型控制下出现的污染日频率分布不同(图 5a)，因此，在分析各季节出现污染的主要环流型时，以各环流型出现频率与它们各自出现污染的年平均污染日数的乘积结果大小作为衡量各季节出现污染的主要环流型的标准较为合理。若以每年冬季出现一次的频率(1.2%)与武汉地区10年的年平均污染日数(35.4 d)的乘积(42.48) 作为判断主要污染类型的下限(春、夏、秋季分别为24.74、4.14、34.76)，则秋、冬季污染的主要环流型为A、AE和E型，春季以A、SE型为主，C型在春、夏季表现为弱低压型，大气较为稳定，局地气象条件不利于污染物扩散。近10年，武汉地区空气污染日出现所对应的主要环流型有A、AE、E、SE、C及NE型(图 6)。而中度及以上污染日的环流型主要为A、SE、E及AE型(图略)，受高压系统或偏东风影响时，高浓度污染较易出现，当受高压系统控制时，大气多处于静稳状态，合适的局地气象条件比如静风等，较为有利于污染物堆积；当受偏东风影响时，污染物从东部输入，在局地气象条件合适的情况下，受武汉地区周边地形影响，三面环山，污染物不易扩散，进而造成污染。

为了更好地研究环流型与污染日之间的关系，定义比值P₁/P₂分析不同环流型对空气污染的影响(图 6)，P₁和P₂分别为某环流型下污染日数所占比例和所有环流型下污染日数所占比例。如果P₁/P₂＞1，表示某环流型出现时，较易出现污染；而当P₁/P₂＜1时，不易出现污染。当武汉地区环流型为A、SE、E、AE、C及NE型时，较易造成污染物的迅速堆积进而达到污染，C型表现为弱低压。在环流型为A、SE、E及AE型时，中度及以上空气污染较易出现。因此，影响武汉地区空气污染形成的主要环流型有A、AE、E、SE、NE及C型，各季节及各月份都有差异。

2.3 环流型与污染物浓度的关系

环流型对各种污染物浓度的影响程度也有差异。定义各污染物造成的污染事件：当SO₂的24 h平均浓度＞150 μg·m^-3，NO₂的24 h平均浓度＞80 μg·m^-3，PM₁₀的24 h平均浓度＞150 μg·m^-3，即空气质量分指数IAQI＞100时，记为各污染物发生污染事件(环境保护部，2012)。

环流型对污染物浓度的影响在各个季节和逐个月份有所不同，由于冬季发生污染事件的频率较高，这里以冬季为例探讨环流型对各污染物浓度的影响。用比值R₁/R₂分析不同环流型对不同污染物的影响，R₁和R₂分别为某环流型下各污染物造成的污染事件所占比例和所有环流型下各污染物造成的污染事件所占比例。如果R₁/R₂＞1表示某环流型出现时，该污染物较易造成污染事件；而当R₁/R₂＜1时，不易造成污染。表 3是2004—2013年冬季902 d中出现日数超过10 d的环流型、各污染物造成污染事件的频率和R₁/R₂分布。只有A、AE、ANE、ASE、AS、E、NE、SE、S及C型出现超过10 d，而发生频率超过5%的只有A、AE和E型。冬季出现NO₂和PM₁₀污染较多，影响NO₂和PM₁₀浓度超标的环流型较为一致，主要有A、AE、E、SE、ANE及NE型。而SO₂污染较少，仅有A型下的污染事件超过10 d且R₁/R₂＞1，虽然AE、E、ANE、SW、W型的比值R₁/R₂＞1，但发生污染事件次数均在5 d以下。各污染物造成的污染事件基本能与主要环流型有很好的对应关系，但是环流型对各污染物的影响程度不同。其他季节及各月份也有类似结论。污染事件发生频率并不能与R₁/R₂值一一对应，可能是该环流型出现几率较小，一旦出现，则更容易造成污染事件的发生，也可能与样本大小有关，需要进一步研究。

2.4 个例分析

以2013年11月为例，PM₁₀、NO₂、SO₂的变化规律较为一致，造成污染事件主要污染物为PM₁₀、NO₂(图 7)。在1—8日，污染物所对应的IAQI呈明显上升趋势，此时控制武汉地区的环流型以较易造成污染物堆积的E、A型为主，即受偏东风或高压系统控制。在8日之后环流形势发生变化，相继出现S、CSE型，污染物扩散迅速，IAQI显著下降。10日之后又重新受AE、A型控制，污染物浓度上升。但是在20—22日，在不利于污染物堆积的环流型控制下，NO₂、SO₂的浓度呈下降趋势，而PM₁₀浓度持续上升并达到峰值。2013年11月出现A型频率为46.7%，PM₁₀、NO₂、SO₂造成污染事件的频率分别为50.0%、46.7%和0.0%，两者出现的频率对应较好，但是出现A型的日期并不能完全对应污染事件出现的日期。整个IAQI变化过程与环流型变化有很好的对应关系，但是较易造成污染物堆积的环流型与不利于污染物堆积的环流型不能完全对应IAQI的变化。因此，污染物浓度的变化不仅仅与环流形势有关，气象条件与排放量的变化也是重要因素。

3 结论与讨论

本文利用Lamb-Jenkinson环流分型法分析了2004—2013年武汉市的地面环流形势及其与污染物浓度之间的关系，得到以下结论：

(1) 影响武汉地区的主要地面环流型有6种，依次为反气旋型(A)、气旋型(C)、偏东风型(E)、高压系统控制的偏东风型(AE)、偏东北风型(NE)及东南风型(SE)。各环流型的出现频率具有明显的季节变化，秋、冬季以A、AE、E型最常出现，春季A、C、E型出现频率最高，夏季则C、E、CSW型出现次数最多。SW型在春、夏季出现，秋冬两季则没有。

(2) 污染日出现的主要地面环流型有A、AE、E、SE、C及NE型，秋、冬季在A、AE型控制下较易发生空气污染；春季在A、SE型下，较易发生空气污染；C型污染日主要出现春夏季，表现为弱低压型。而中度及以上污染日的环流型主要为A、SE、E及AE型，受高压系统或偏东风影响时，污染较易出现。

(3) 环流型对各种污染物浓度的影响程度也有差异。以冬季为例，出现NO₂和PM₁₀污染较多，影响NO₂和PM₁₀浓度超标的环流型较为一致，主要有A、AE、E、SE、ANE及NE型，而SO₂污染日数较少，仅有A型下的污染事件超过10 d。各季节及各月份的各污染物造成的污染事件与主要环流型有较好的对应关系，但是环流型对各污染物的影响程度不同。在特定环流型控制下，污染事件的发生频率并不能与发生污染事件的难易程度一一对应，可能与该环流型出现几率较小有关，也可能与样本大小有关，需要进一步深入研究。

本文分析了污染日出现的地面环流型特点和各环流型下污染物浓度的变化特征。更进一步探讨环流型的转变特点，有利于更好地揭示环流型对污染物浓度的影响。而污染物浓度的变化和污染事件的产生不仅与大尺度环流形势有关，中小尺度局地气象条件与污染物排放量的变化也是重要影响因素。因此，在今后的研究中将进一步利用中尺度数值模式探讨三者之间的关系。