華北地區(qū)一次重污染天氣的氣象變化過程分析

許萬智，朱春濤，陳仲榆，陳 輝，廖 蜜

1．中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081

2．齊齊哈爾市氣象局，黑龍江 齊齊哈爾 161001

3．國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081

2013年，隨著全國大范圍重污染天氣事件的頻發(fā)，霧、霾天氣引起的大氣環(huán)境問題日益受到關(guān)注。中國華北地區(qū)工業(yè)密集，人口眾多，大氣環(huán)境問題尤為突出。據(jù)中國氣象局統(tǒng)計，2013年華北大部分地區(qū)的霾日在40 d以上［1］。對于華北區(qū)域霧、霾天氣污染特征與產(chǎn)生原因已開展了大量研究。研究者通過模型模擬和實際觀測主要從污染源的貢獻［2-4］、天氣對污染物的擴散能力［5-7］、污染輸送狀況［8］等主要方面進行了深入分析，探究了污染的形成和發(fā)展機理。多位學(xué)者從單次污染過程入手［9-14］，分析了華北部分城市的污染特征及成因，取得了針對性較強的研究結(jié)果。

對于重污染天氣的研究，綜合華北區(qū)域多城市的多氣象要素、多觀測手段的分析還比較有限［4，7］。本文選取2014年 2月 20—26日華北發(fā)生的一次重污染天氣過程，利用PM2.5濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)、常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)、天氣圖資料、探空數(shù)據(jù)、衛(wèi)星資料和HYSPLIT模型數(shù)據(jù)從污染形成的天氣背景、污染物的輸送狀況、區(qū)域污染特征、區(qū)域PM2.5濃度與能見度的聯(lián)系等方面進行多角度分析，討論了該次大氣污染的發(fā)生和維持的原因。

1 實驗觀測數(shù)據(jù)來源

本研究中，PM2.5濃度數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站網(wǎng)站實時滾動發(fā)布的北京、太原、天津、石家莊的逐時監(jiān)測數(shù)據(jù)。日均值為自然日的24 h平均結(jié)果，計算過程按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(HJ 633—2012)及其相應(yīng)技術(shù)規(guī)范進行［15］。風(fēng)云三號衛(wèi)星圖像資料由國家衛(wèi)星氣象中心提供。氣象要素(能見度、風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度等)、地面天氣圖、500 hPa高空天氣圖及探空資料等來源于國家衛(wèi)星氣象中心和國家氣象信息中心。后向軌跡通過NOAA在線系統(tǒng)，應(yīng)用HYSPLIT軌跡模型獲得。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染過程中PM2.5濃度變化特征

按照環(huán)境保護部2012年公布的《中華人民共和國環(huán)境保護標準》［15］，空氣污染指數(shù)(AQI)在151～200為中度污染，201～300為重度污染，超過300為嚴重污染。2月20—26日，石家莊平均AQI達到374為嚴重污染，北京、天津、太原的平均AQI分別為291、228、201，污染程度均為重度污染。

在這次重污染天氣中，華北區(qū)域顆粒物濃度迅速上升，能見度明顯下降。其中，北京、石家莊在污染最嚴重的時次觀測到能見度不足400 m。根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站統(tǒng)計，華北4個主要城市在此次污染過程中的首要污染物多數(shù)時次均為細顆粒物(PM2.5)。為此針對這一重污染天氣過程中的PM2.5濃度不同城市的逐時變化趨勢進行了統(tǒng)計，如圖1所示。圖1中不連續(xù)段由部分城市數(shù)據(jù)記錄缺失引起。2月19日13：00，PM2.5除在石家莊超過100 μg/m3以外，其他3個城市PM2.5濃度并不高。2月20日，北京、石家莊的PM2.5濃度迅速上升，已經(jīng)超過了200 μg/m3。到2月22日，4個城市的顆粒物濃度均維持在較高水平，對于北京，2月22日13：00 PM2.5濃度是2月19日13：00的13.9倍。對于太原，2月22日13：00 PM2.5濃度是2月19日13：00的11.6倍。2月26日13：00，石家莊的PM2.5濃度出現(xiàn)整個污染過程的峰值，高達643 μg/m3。總體來看，從2月20日02：00至2月26日17：00，華北4個城市的PM2.5濃度均較大。北京、石家莊PM2.5濃度日均值分別為286.1、371.2 μg/m3。天津、太原略低，分別達到了 175.4、155.6 μg/m3。2 月27 日后，PM2.5濃度迅速下降，當(dāng)日10：00，北京的PM2.5濃度降至8.76 μg/m3，天津、石家莊、太原也分別降至15.9、35.37、17.33 μg/m3。本次重污染天氣過程特點明顯，顆粒物初期累積迅速，并在高值上有較長的持續(xù)時間，污染強度大，當(dāng)天氣形勢發(fā)生變化后，污染物濃度迅速下降。本次過程具有影響區(qū)域大、持續(xù)時間較長、消散速度快的特點。

圖1 2014年2月19—27日北京、天津、石家莊、太原PM2.5濃度逐時變化

2.2 污染(霧霾)過程的遙感監(jiān)測

風(fēng)云三號系列衛(wèi)星是中國目前在軌的系列極軌衛(wèi)星。通過風(fēng)云三號A星、風(fēng)云三號B星(FY3A/FY3B)的組網(wǎng)觀測得到的可見光遙感圖像展示了污染物的區(qū)域分布與變化特征，詳見圖2。

圖2 風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星合成通道真實影像(由國家衛(wèi)星氣象中心提供)

如圖2(a)所示，2014年2月19日13：25河北南部、天津及渤海灣一帶有中度的霧和霾。同一時刻，北京大部分、山西東部及北部、河北北部能見度較高，可觀測到地面的影像。2月26日09：30，河北、北京、內(nèi)蒙古自治區(qū)南部上方覆蓋著云層，河北南部、北京南部、天津大部分主要受到霾的影響，衛(wèi)星已基本無法觀測到地面影像，見圖2(b)。2月27日10：50，華北區(qū)域中，除河北北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)局地有薄云外，華北北部大部分地區(qū)的霧霾完全消散，重污染天氣過程終止，見圖2(c)。

2.3 污染過程天氣形勢特征

天氣形勢對氣象要素的分布、變化具有重要作用，天氣形勢的變化極大地影響了大氣的擴散能力、大氣的穩(wěn)定程度［16-17］。在污染源變化相對穩(wěn)定的情況下，大氣的擴散能力決定了一個地區(qū)的污染物濃度擴散速度，而大氣的穩(wěn)定程度則決定了污染物在該地區(qū)的發(fā)展趨勢。針對此次重污染天氣過程發(fā)展變化的情況和特點，對不同時間的500 hPa高度場和地面天氣形勢做了相關(guān)分析，見圖3。

2014年2月19日20：00，華北大部分受高壓控制，天氣晴朗，同時從500 hPa高空環(huán)流形勢和風(fēng)場可以看到，華北大部受西北氣流影響。20—26日，華北大部一直位于高壓場后部的均壓帶控制，氣壓場呈現(xiàn)東高西低的狀況。等壓線稀疏，氣壓梯度不大，擴散能力較弱高空以緯向環(huán)流為主。從地面形勢來看，地面19日受高壓脊控制，高壓中心緩慢東移。20—26日，地面氣壓較弱，地面和低空風(fēng)速較小，大氣穩(wěn)定度較好。26日14：00，北京、河北大部分位于冷鋒前部，主要由于地形原因而產(chǎn)生的華北弱低壓的中心位于河北南部、山西東部交界，低層污染持續(xù)堆積。隨著26日17：00(地面形勢圖略)東北氣旋加深，鋒面移過華北大部分，氣壓梯度較大，擴散能力迅速增強。根據(jù)北京、天津、太原的地面觀測，有冷鋒帶來的大風(fēng)和降雨天氣，有利于污染物的擴散和沉降。后期，隨著冷空氣的繼續(xù)深入，也破壞了華北南部的石家莊的靜穩(wěn)天氣，對改變持續(xù)多日的高污染濃度有極大的改善作用。

圖3 污染過程中不同時間的500 hPa高度場和地面天氣形勢

2.4 污染過程中部分氣象要素特征

風(fēng)是邊界層內(nèi)影響污染物稀釋擴散的重要因子。風(fēng)速是造成快速水平輸送或平流的主要原因，而風(fēng)向則決定大氣污染物濃度場的分布［18］。在該次污染天氣過程中，統(tǒng)計了風(fēng)在各方向的發(fā)生頻率以及不同方向的風(fēng)力大小，利用風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖(圖4)展示了4個城市在2月20日02：00至26日23：00的風(fēng)速風(fēng)向的分布和整體趨勢。由于2月26日17：00后，冷鋒已經(jīng)進入華北平原，北京在地理位置上緯度最高，最早受到大風(fēng)天氣影響，出現(xiàn)在北京風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖中的風(fēng)力較強的北風(fēng)即出現(xiàn)在這一時段。另外，地理位置的差異也體現(xiàn)在圖1中4個城市在高PM2.5濃度結(jié)束的時間差別。

除了2月26日后期出現(xiàn)的變化，整體上可以看到，北京地區(qū)的西南方向風(fēng)最大，從西南方向帶來的污染物對北京出現(xiàn)的高PM2.5濃度具有重要意義。對于石家莊來說，靜風(fēng)占到所有方向風(fēng)的比例的10.7%，而除了南向、東南向、西南偏西方向的風(fēng)速約 2 m/s，其他方向的風(fēng)速均小于1.2 m/s，靜穩(wěn)的天氣是城市產(chǎn)生的污染物積聚最終發(fā)展為重污染的重要原因。從天津觀測到的風(fēng)在各方向發(fā)生的頻率以及風(fēng)力大小來看，天津受西北、西南向的風(fēng)影響較大，由此可以推測［19］，在此次污染過程，天津受到北京、石家莊地面輸送的影響。太原由于與北京相隔太行山，受到以上3個城市的輸出較弱，整體風(fēng)力較小，不利于污染物的擴散。

另外，在污染過程中，4個城市還呈現(xiàn)了略高于清潔時段的相對濕度，但整體上小于85%。根據(jù)吳兌等［20-22］對霧、霾標準的理論研究，綜合多省氣象局在實際觀測中的實踐經(jīng)驗，在霾、霧區(qū)分的概念模型中：相對濕度在80%以下為霾，80%～95%為霧霾混合物，95%以上為霧。因此，從相對濕度來看，此次重污染天氣是以霾為主，個別時次出現(xiàn)霧霾混合情況。與之前的研究［12-13］有所不同，相對濕度在污染過程中沒有顯示出與PM2.5濃度較為明顯的相關(guān)的變化，這可能與PM2.5顆粒物中吸濕性氣溶膠含量有關(guān)，相關(guān)的化學(xué)成分采集與分析將在未來開展。

圖4 2014年2月20日02：00—26日23：00 4個城市風(fēng)向頻率(%)、風(fēng)速(m/s)玫瑰圖

2.5 逆溫的影響分析

逆溫是指大氣中某一高度范圍內(nèi)的氣溫隨高度增加而升高或不變的現(xiàn)象［23］，在有逆溫的情況下，大氣層結(jié)比較穩(wěn)定，當(dāng)逆溫生成后，氣流難以在垂直方向上運動，湍流運動受到抑制，大氣擴散能力隨之減弱，使得污染不能及時得到擴散、稀釋，容易在近地面形成大氣污染。所以逆溫經(jīng)常作為重要的污染氣象條件來考慮［13］。

為了解本次過程的逆溫狀況，計算了地面到850 hPa各層之間的溫差，見表1。

表1 21日20：00至26日20：00北京、天津、石家莊地面、1 000 hPa、925 hPa、850 hPa各層之間的溫差 ℃

由表1可以發(fā)現(xiàn)，在北京的探空觀測中，24日08：00、20：00和25日08：00，1 000 hPa的溫度大于或等于地面的溫度，出現(xiàn)逆溫。在25日20：00、26日 08：00、20：00，850 hPa比 925 hPa的溫度高，最高達3.5℃，表明該層中的逆溫明顯，這與在北京25—26日出現(xiàn)的高污染濃度峰值一致。在天津的探空觀測結(jié)果中，從22日08：00至24日08：00，925 hPa的溫度高于1 000 hPa的溫度，該層在這一時間段出現(xiàn)逆溫，而24日08：00至26日20：00的連續(xù)6個時次的探測顯示，850 hPa上的溫度持續(xù)高于925 hPa上的溫度，表明在該層也出現(xiàn)了較長時間的逆溫。天津在邊界層出現(xiàn)了不同層次的逆溫，影響了大氣的擴散能力，污染物持續(xù)累積。石家莊測站中的逆溫并不明顯，主要集中在25、26日的850、925 hPa?？傮w來講，上述逆溫層分布狀況反映出污染物濃度與近地面逆溫關(guān)系緊密，尤其出現(xiàn)多層逆溫時，對大氣擴散非常不利，空氣污染加重。另外，不同城市的污染濃度受逆溫層影響略有區(qū)別。太原探空資料缺測，所以未能呈現(xiàn)在該表中。

2.6 后向軌跡分析

大氣結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定特性決定了一個地區(qū)或城市的大氣污染不僅與本地排放有關(guān)，還與周邊地區(qū)存在著相互影響和輸送［24］。為討論污染物的來源，分別選取北京、石家莊、天津、太原為后向軌跡的終點，研究此次污染天氣過程中污染物的來源。后向軌跡模式采用NOAA(美國國家海洋大氣研究中心空氣資源實驗室)開發(fā)的HYSPLIT模型。HYSPLIT模型具有處理多種氣象輸入場，多種物理過程和不同類型排放源的較完整的輸送、擴散、沉降的綜合模式系統(tǒng)［25-26］，模擬時間經(jīng)度最高可精確到小時，目前在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于分析污染物來源及確定傳輸路徑等［27-28］。

圖5 2014年2月26日14：00 4個城市氣團后向軌跡

圖5展示了2月26日14：00分別抵達北京、石家莊、天津、太原的氣團后向軌跡，軌跡高度分別取 500、1 000、1 500 m。500、1 000 m 的軌跡基本能夠反映邊界層的平均流場特征，1 500 m可以描述邊界層以上混合層的輸送情況。整體上看，4個城市均受到西南方向氣團的影響。其中在水平方向上，影響北京的氣團自西南向東北氣團推進，沿線經(jīng)河北石家莊、保定一直延伸到北京西南方向的房山區(qū)、大興區(qū)。這一區(qū)域人口密集程度高，工業(yè)企業(yè)集中，各類污染物排放較大。從垂直方向來看，發(fā)生重污染期間，氣團主要為近地方向的運動，人類活動與地面交通等產(chǎn)生的污染物影響了軌跡終點的污染狀況。天津主要受到河北南部邢臺、邯鄲部分城市氣團輸入的影響，兩城市的污染物輸入可能是影響天津市PM2.5高含量的重要原因。石家莊主要受到山西南部城市臨汾、長治等地影響，而來自陜西中部的氣團在26日抵達太原。由于關(guān)中特殊的地形而在當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)的污染積聚［29］，可能隨著氣團運動影響周邊城市。

3 結(jié)論

1)華北4個城市在重污染天氣過程中PM2.5濃度平均濃度高，持續(xù)時間長，消散時PM2.5濃度下降迅速。華北所處的高壓后部均壓場對污染天氣的持續(xù)密切相關(guān)，地面的弱低壓有助于靜穩(wěn)天氣的維持，而冷鋒過境后，擴散條件立即改善。

2)受到靜風(fēng)、小風(fēng)影響，城市的污染不易擴散。北京、石家莊、天津的城市之間可能通過地面風(fēng)相互產(chǎn)生影響。而在中高層，氣團的后向軌跡來自華北南部、西南部的外源性污染物的輸送，也對污染天氣的形成發(fā)展有重要貢獻。多層逆溫導(dǎo)致污染出現(xiàn)后大氣擴散能力減弱，在一定程度上有利于污染天氣的維持。

致謝：感謝上海市氣象局提供的部分大氣顆粒物濃度(PM2.5)數(shù)據(jù);感謝國家衛(wèi)星氣象中心張興贏研究員、王維和、張艷、李曉靜等提供的風(fēng)云衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像!

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