中国西南部四川盆地地区，环流和地形对区域PM2.5污染积累与消散的影响

《Atmospheric Research》：Impact of circulation and topography on the accumulation and dissipation of regional PM 2.5 pollution in the Sichuan Basin, Southwestern China

PM2.5污染事件在四川盆地冬季的积累与消散机制研究中，2016-2019年6次污染事件通过气象与地形耦合分析，揭示了3类积累模式（浓度增幅59.88%-88.87%）和2类消散模式（占比25%和75%）。气象因素包括高空冷涡与副高影响的中层波动，地形因素涉及盆地封闭性和山体阻碍扩散。

　　

吴晓东|余妍|李莉|郑欣|刘月琳|严昌|史光明|杨福摩

四川大学碳中和未来技术学院，中国四川省成都市610065

摘要

冬季，区域性的PM_2.5污染经常影响四川盆地，对空气质量及公众健康构成严重威胁。本研究通过分析2016至2019年的六次PM_2.5污染事件，利用每小时PM_2.5观测数据和再分析数据，揭示了影响这些污染事件积累和消散的气象和地形因素。在污染积累阶段，区域污染呈现三种模式，PM_2.5浓度平均增加了59.88%、49.23%和88.87%。在污染消散阶段，分别出现了两种模式，分别占案例的25%和75%。根据天气分类，确定了污染易发类型（类型1、类型2）、双重效应类型（类型3、类型6）以及清洁类型（类型5）。在积累阶段，高空东北冷涡旋和副热带高压的变化影响了中层低气压和高压系统；而盆地深厚的地形和山脉阻碍了污染物的垂直和水平扩散，形成了三种不同的积累模式。在消散阶段，高原下沉和北方冷锋成为主要的清除机制，其中冷空气入侵对污染物去除最为有效。这些结果突显了局部气象条件在污染演变中的作用，为改进区域预报和制定针对性控制策略提供了依据。

引言

PM_2.5是一种直径小于2.5微米的细颗粒物，能够深入呼吸道并进入血液循环系统，通过氧化应激、炎症反应、DNA损伤和免疫毒性等机制引发呼吸系统、心血管系统和神经系统疾病（Sangkham等，2024；Yang和Bao，2025）。除了对健康的影响外，PM_2.5还通过散射和吸收太阳辐射改变大气辐射平衡，降低地表辐射，并干扰区域能量预算。此外，PM_2.5作为云凝结核（CCN）影响云滴形成、光学特性和降水过程，进一步改变辐射传输和局部气候。尽管近年来空气质量有所改善，但PM_2.5仍是中国主要的污染物之一，北京-天津-河北地区、汾渭平原和四川盆地的浓度持续超过世界卫生组织的空气质量标准，对公众健康构成严重风险（Geng等，2024；Jiang等，2022；Liu等，2024；Li等，2023）。因此，阐明驱动PM_2.5污染的机制对于进一步降低浓度和减轻其不良影响至关重要。

污染事件的演变受到污染物排放、气象条件和地形的共同影响（Kim和Stockwell，2008）。关键的气象因素包括风速、温度逆温和边界层高度，这些因素受大气环流模式控制（Chen等，2020；Kan等，2023；Li等，2020；Zong等，2021）。弱风、强烈的下沉气流和稳定的层结形成了低层滞留区，促进了污染物积累（Yu等，2020）。地形进一步调节了局部环流和边界层结构，影响污染物扩散（Liu等，2025；Zhao等，2023；Zhang等，2023）。值得注意的是，复杂的地形影响了逆温特征。例如，封闭的四川盆地经常出现多层逆温，具有很强的垂直稳定性，加剧了冬季污染物积累；而华北平原主要面临单层表面逆温，影响范围较广但分层程度较低（Yang和Bao，2025；Wan等，2024；Xu等，2021）。这种不利气象条件与地形的相互作用延长了污染事件（Liu等，2021a；Li等，2021；Sun等，2021）。

区域性PM_2.5污染事件（RPE）通常发生在寒冷季节，表现为城市群落的连续污染，而非孤立城市，常见于华北平原、长江三角洲和四川盆地（Yu等，2020；Li等，2024；Wang等，2023）。在华北平原，高空西风（500 hPa）与近地面气旋、南风和东风相互作用，导致风速减弱、湿度升高、空气下沉和地表温度逆温。这些条件共同促进了污染物积累和二次生成（Li等，2020；Li等，2019；Zhang等，2018）。在长江三角洲，上游北方城市的冷锋输送加剧了局部污染。中层（850 hPa）气旋异常与稳定的地表条件相互作用，延长了污染持续时间；而海陆风等局部环流进一步促进了区域内污染物的重新分布（Hou等，2019；Liu等，2021b；Shu等，2017）。

四川盆地（SCB）是中国污染最严重的地区之一，其PM_2.5污染的气象驱动因素已被广泛研究（Xian等，2024；Zhan等，2019）。SCB的PM_2.5污染与低层大气的频繁停滞密切相关，表现为温度逆温增强和水平风减弱（Li等，2024；Zeng和Zheng，2019）。这些条件主要受大尺度天气系统控制，包括青藏高原和高层低压系统的下沉气流（Hu和Wang，2021；Lu等，2024；Tong等，2024）。总体评估表明，气象条件使盆地内的PM_2.5浓度每年变化20–40 μg/m³（Xian等，2024）。

除了气象因素外，SCB复杂的地形通过改变大气动力学和热力学结构，在空气污染的演变中起着同样重要的作用（Cheng等，2023；Serafin等，2018）。SCB被高山环绕，形成了封闭的地形陷阱和复杂的地表结构（如平行山谷-山脊系统），严重阻碍了大气物质的水平和垂直扩散（Liu等，2025；Feng等，2020）。在高压控制下，低风速、高湿度和温度逆温等滞留条件进一步促进了PM_2.5的积累（Lei等，2023）。地形-环流相互作用产生了冷空气积聚、低层急流、背风涡旋和山谷风，调节了污染物传输；而西风-季风相互作用形成了抑制污染物扩散的垂直汇聚层（Feng等，2020；Wang等，2025；Shu等，2021；Shu等，2022）。包括东风和槽在内的天气系统，加上地形阻挡，决定了污染物的传输路径（Sun等，2024；Zhang等，2019a）。此外，西部盆地的大尺度地形改变了降水模式、风场和大气垂直结构，影响了山地-山谷风等局部环流，并调节了污染物向东部青藏高原的传输（Zhang等，2023；Cheng等，2023；Ma等，2025；Zhang等，2024a）。因此，地形与气象的耦合是该地区频繁、持续和严重空气污染的关键因素。

SCB中气象和地形对PM_2.5污染影响的机制受到了广泛关注。然而，以往的研究主要集中在RPE的维持阶段，因为这些阶段覆盖面积更大，影响的人口更多（Liu等，2021a；Xiong等，2023；Zhang等，2024b）。与以往研究不同，本研究系统地探讨了污染的积累和消散阶段，考虑了空气污染物的连续积累和传输。我们利用多年观测数据识别了SCB的RPE，并揭示了这两个阶段的具体气象机制。这些发现为改进早期预警系统和制定防控策略提供了新的科学见解。

研究区域

研究区域包括盆地内的17个市级行政区（城市），如图1(b)所示。根据地形特征（图1(c)），这些城市被分为四组。第一组是西川平原（WSP），位于龙泉山以西，包括成都（CD）、德阳（DY）、绵阳（MY）、眉山（MS）、乐山（LS）和雅安（YA）。第二组是中部丘陵（CHS），位于WSP以东，包括遂宁（SN）等城市。

区域污染事件概述

表S1列出了识别出的13次RPE的开始和结束时间。其中，SF1和SF2发生在中国的春节期间。值得注意的是，2017年RPE的发生频率最高，共记录了7次事件（见图2），而2019年的频率最低。所有识别的RPE都发生在冬季。2017年的RPE5持续时间最长，而2016年的RPE4持续时间最短。未发现显著的相关性。

RPE期间的环流特征

使用PTT方法对850 hPa处的8种天气系统进行了分类。其中，类型7、类型8和类型4在RPE期间出现频率较低（表S2）。因此，后续分析重点关注其余五种类型：类型1、类型2、类型3、类型5和类型6。

850 hPa和500 hPa处的这些天气系统的环流特征分别如图4和图S1所示。类型1的特点是SCB东南部存在高压系统。

结论

本研究系统地识别了盆地内的六次典型区域性PM_2.5污染事件（RPE）。根据污染物浓度的时空特征，将RPE的积累阶段分为三种模式：AccuClassI、AccuClassII和AccuClassIII；污染消散阶段分为两种模式：DissClassI和DissClassII。通过将天气分类与气象原因相结合，本研究探讨了这些现象的协同机制。

作者贡献声明

吴晓东：撰写——初稿、可视化、方法论、调查。余妍：软件、调查。李莉：方法论、调查。郑欣：软件、调查。刘月琳：可视化、调查。严昌：软件、调查。史光明：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。杨福摩：撰写——审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家关键研发计划（项目编号：2023YFC3709301）、国家自然科学基金（项目编号：42175124）和中央高校基本科研业务费（项目编号：2023CDSN-18）的支持。