京津冀連續(xù)霧霾及重污染天氣特征分析

劉艷杰，許 敏，李 娜，周玉都

（廊坊市氣象局，河北廊坊 065000）

京津冀連續(xù)霧霾及重污染天氣特征分析

劉艷杰，許 敏，李 娜，周玉都

（廊坊市氣象局，河北廊坊 065000）

2015年12月19日至26日京津冀多地出現(xiàn)持續(xù)性霧霾及重污染天氣，部分時段能見度不足50m、AQI值達到500。分析此次過程的成因發(fā)現(xiàn)，霧霾期間高空主要影響系統(tǒng)為短波槽和冷渦底部偏西氣流，地面為弱氣壓場。邊界層逆溫、暖平流及弱的地面風場是霧霾持續(xù)的關鍵原因，其中逆溫強度達4.6℃／100m，近地面多風速小于1.5m／s的西南風和偏東風。北京和衡水混合層高度均較低，混合層高度（MLH）普遍在1km以下，尤其是衡水站21～25日MLH普遍不足500m，非常不利于霧霾的消除和污染物的擴散。加之地形影響，容易使污染物堆積在河北平原，形成重污染。

京津冀；持續(xù)性霧霾；重污染；天氣特征；氣象條件

0 引言

近年來我國中東部地區(qū)霧、霾天氣頻發(fā)，由于其伴隨的低能見度、重污染等現(xiàn)象，越來越多的受到人們的關注，目前已經(jīng)有很多針對霧霾天氣的相關研究。丁一匯和吳兌等［1－2］通過研究我國霧霾長期變化特征發(fā)現(xiàn)，霧日自1990年以后明顯減少，而霾日總體呈上升趨勢。張小曳等［3］指出我國現(xiàn)今霧、霾問題的主因是嚴重的氣溶膠污染，但氣象條件對其形成、分布、維持與變化的作用顯著，在一定的氣象條件下，霧、霾天氣現(xiàn)象可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。廖曉農(nóng)等［4］、張小玲［5］等研究表明冬季霧－霾過程出現(xiàn)在高空西北氣流、低層多短波活動的背景下，其形成和維持的主要機制是邊界層內(nèi)始終有逆溫層、地面弱風場、底層濕度逐漸增大。穩(wěn)定、高濕的氣象條件對細粒子PM2.5質(zhì)量濃度的形成、積聚和維持比較有利，造成嚴重的區(qū)域性低能見度和霧霾天氣。此外，張人禾等［6－8］也對霧霾及重污染天氣的發(fā)生及其與各種氣象要素的關系進行了研究。吳兌等［9－11］研究指出太行山、燕山等特殊地形作用對華北平原區(qū)域性污染有重要作用?；▍驳龋?2－18］則從氣象要素的邊界層特征等角度研究了霧霾天氣的成因。

京津冀地區(qū)由于其特殊地形及快速發(fā)展等諸多原因，在靜穩(wěn)天氣形勢下容易出現(xiàn)霧霾天氣。本文主要利用高空和地面氣象觀測資料、中國環(huán)保部官方AQI數(shù)據(jù)、L波段探空數(shù)據(jù)等研究2015年冬季京津冀一次持續(xù)性霧、霾及重污染天氣特點，并從天氣形勢、邊界層氣象要素特征等方面探尋此次過程的成因。

1 資料來源及處理

本文所用數(shù)據(jù)主要來自高空和地面氣象觀測資料、中國環(huán)保部官方AQI數(shù)據(jù)、L波段探空數(shù)據(jù)等。其中根據(jù)《霾的觀測和預報等級》（QX／T113—2010）及《觀測司關于調(diào)整霾觀測相對濕度區(qū)間規(guī)定的通知》（氣測函〔2013〕68號），相對濕度小于80%，判識為霾，相對濕度80%～95%時，按照地面氣象觀測規(guī)范規(guī)定的描述或大氣成分指標進一步判識。由于地面觀測中部分地區(qū)對霧、霾天氣現(xiàn)象仍存在一些混淆，為了數(shù)據(jù)的可靠性，對地面觀測天氣現(xiàn)象中霧、霾，結(jié)合地面相對濕度進行修正，將相對濕度80%以下的霧修訂為霾，95%以上的霾修訂為霧，80%～95%的觀測記錄維持原記錄。

2 霧霾天氣特點

2.1 能見度情況

分析2015年12月19～27日8時京津冀地區(qū)能見度演變（圖1），發(fā)現(xiàn)19～20日霧霾處于積累階段，京津冀中南部大部分地區(qū)能見度在1000～10000m。21日8時開始能見度減小，較強霧、霾由京津冀中、東部地區(qū)開始發(fā)展，22日霧區(qū)向南擴張，23日霧區(qū)發(fā)展至北京、天津、冀中南大部分地區(qū)，其中北京南部、天津、唐山以南的大部分地區(qū)出現(xiàn)能見度小于500m的濃霧，滄州南部、石家莊東部、衡水、邢臺、邯鄲等地出現(xiàn)能見度小于50m強濃霧。25～26日隨著冷空氣南下，霧、霾呈減弱趨勢，低能見度范圍減小，27日霧霾徹底消散，京津冀能見度達10000m以上。

圖1 2015年12月19日～27日8時京津冀能見度分布Fig．1 Distribution of visibility in Beijing?Tianjin?Hebei at 8：00 area from Dec．19 to Dec．27，2015

2.2 霧、霾分布

統(tǒng)計12月19日至26日（每日8時次，共64時次）京津冀19個觀測站霧、霾情況（圖2）發(fā)現(xiàn)，京津冀大部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度的霧和霾天氣，19個觀測站平均出現(xiàn)霧和霾天氣44時次。霧多出現(xiàn)在石家莊、保定、北京、天津至唐山一線，其中保定站最多共50時次，站總時次的78%。霾多出現(xiàn)在河北西南部山區(qū)、北京及承德等地，其中邢臺站最多共34時次，占總時次的53%。石家莊霧和霾合計時次最多為63次，占統(tǒng)計總時次的98.5%，其次為保定和遵化均為62次，占統(tǒng)計總時次的96.9%，北京為59次，占統(tǒng)計總時次的92%。

圖2 2015年12月19日至26日京津冀各站出現(xiàn)霧、霾的時次分布情況Fig．2 Stayistics of fog and haze in Beijing?Tianjin?Hebei area from Dec．19 to Dec．26，2015

2.3 霧霾期間大氣污染物變化

分析北京、天津、石家莊及衡水12月19～26日逐時AQI（圖3），發(fā)現(xiàn)前期19～20日4市的AQI均呈波動上升趨勢，21日12時前后AQI均上升至200以上。21～26日上午河北中南部平原和天津市AQI持續(xù)較高，一直維持在200～500，上述地區(qū)能見度也持續(xù)較低水平。而北京市AQI于23日下午至24午后有一次明顯的下降，此時段北京站能見度也上升至1000～10000m，天氣現(xiàn)象以霾為主。以上說明19～20日是霧霾積累階段，也是AQI的上升時段，21～26日上午是霧霾加強和維持階段，河北中南部平原及天津市AQI也持續(xù)保持在200以上，這期間23～24日部分時段，河北北部及北京市受冷空氣擾動影響，AQI有短暫的下降，霧霾天氣維持，但程度減弱。

圖3 2015年12月19日～26日20時京津冀AQI演變Fig．3 AQI variation in Beijing?Tianjin?Hebei area from Dec．19 to Dec．26，2015

3 天氣形勢及溫度平流

3.1 天氣形勢分析

分析2015年12月19～26日500hPa影響系統(tǒng)的動態(tài)（圖4 a），本次過程受靜穩(wěn)天氣形勢控制，主要影響系統(tǒng)為前期的短波槽和中后期的冷渦系統(tǒng)。19日短波槽位于河套西側(cè)，20日夜間快速移過京津冀地區(qū)。21～22日開始貝加爾湖附近出現(xiàn)南北兩支槽，后合并加強形成冷渦系統(tǒng)，京津冀位于低渦底部平直西風環(huán)流中，且維持時間長達4日。23～24日，弱波動移過河北中南部平原，低空850hPa存在弱切變，有利于冀南部平原霧霾的加劇。24日20時高空500 hPa冷渦中心移動到130°E、52°N附近，京津冀轉(zhuǎn)為西北氣流，直至25～26日低層850hPa、925hPa也轉(zhuǎn)為西北氣流，霧霾開始出現(xiàn)減弱趨勢。

19～24日地面不斷有冷高壓自西北路徑南下（圖4b），但影響區(qū)域偏北，京津冀地區(qū)基本位于弱氣壓場中，有利于霧霾天氣出現(xiàn)和維持，25～26日強冷高壓自偏北路徑迅速南下，京津冀位于冷高壓前部，偏北風較大，有利于霧霾消散。前期19～21日冷高壓在移動過程中均不斷減弱，且位置偏北，經(jīng)內(nèi)蒙東移，京津冀一直位于弱氣壓場中。22～23日冷高壓形成于貝加爾湖西側(cè)，24日冷高壓分裂為兩個中心，其中偏北的一個影響河北北部及北京地區(qū)，地面有偏北風，霧霾有所緩解，中南部依然以偏南風為主，霧霾仍持續(xù)。25日生成于貝加爾湖東北側(cè)的冷高壓南移時加強，且移速較快，26日白天京津冀地面轉(zhuǎn)為冷高壓底部的西北氣流，隨著氣壓梯度力增大，自北向南風力加大，霧霾徹底消散。

圖4 2015年12月19～27日500hPa影響系統(tǒng)演變Fig．4 Dynamic graph of 500 hPa affecting system from Dec．19 to Dec．27，2015

3.2 溫度平流演變

從北京和河北南部衡水上空溫度平流的演變可以看到（圖5），霧霾天氣持續(xù)期間對流層中下層均有冷暖平流的交替，北京附近（116°E，39°N）21日、24日、26日有不同程度的冷平流，其他時段由于地面多受弱氣壓場的控制，均沒有影響到地面或到達地面的冷平流非常弱。21日和24日前后冷空氣勢力較弱，且持續(xù)時間短，影響近地面的冷平流強度在（－10～－20）×10－5℃·m－1，因此24日凌晨至上午北京附近霧霾天氣有短暫的減弱，AQI下降明顯。26日冷平流較強，中心強度大于－30×10－5℃·m－1，霧霾過程結(jié)束。河北南部衡水（116°E，38°N）附近22～25日河北南部近地面為暖平流或小于－10×10－5℃·m－1的冷平流。24日1000～850hPa層內(nèi)由弱冷平流變?yōu)榕搅?，且暖平流隨高度增大，這是導致該期間邊界層形成逆溫的重要原因。因此河北南部平原霧霾持續(xù)時間較北京附近長。

4 邊界層特征

4.1 邊界層溫度與濕度特征

研究表明逆溫層越強、高度越低，則氣溶膠濃度越大，對能見度的影響也越明顯［20－21］。圖6是L波段探空系統(tǒng)探測的北京站3.5km以下溫度的時空剖面圖。19～26日1 km高度以下均存在逆溫層。其中19～22日逆溫層普遍在500m以下，逆溫強度較小為（0.5～1.4）℃／100m，23日開始逆溫層略有增高，且逆溫強度增強，25日19時和26日07時逆溫強度分別達到4.6℃／100m和3.4℃／100m。25和26日早晨北京東南部出現(xiàn)了能見度小于200m的濃霧，這兩日北京AQI值也達到400以上，霧霾狀況和大氣污染均加重。這是由于霧霾與邊界層的正反饋作用，即霧霾的形成使到達邊界層底層的輻射減少，進而導致邊界層大氣更加穩(wěn)定，穩(wěn)定的大氣層又使得霧、霾天氣維持。

圖5 溫度平流時間－高度圖（單位：℃·m－1）Fig．5 Time?pressure chart of temperature advection from Dec．19 to Dec．26，2015

圖6 12月19～26日L波段探空系統(tǒng)探測的北京溫度廓線圖Fig．6 Temperature profile from Dec．19 to Dec．26，2015 observed by L?band sounding system in Beijing

圖7 是L波段探空系統(tǒng)探測的北京站3.5km以下相對濕度的時空剖面圖。19～26日500m高度以下相對濕度較大。過程前期19日至21日0－500m相對濕度為65%～93%，過程中后期22日至26日0～500m相對濕度為80%～100%，尤其23日、25日、26日7時近地面相對濕度達到100%，這三日北京東南部均出現(xiàn)能見度小于200m的強濃霧，局地能見度小于50m。而23日19時及24日7時地面相對濕度分別降至80%、60%，這與23日后半夜至24日上午的弱冷高壓南下時的冷空氣擾動有關，24日早晨能見度增加至1000m以上，北京也由23日夜間的濃霧轉(zhuǎn)為霾。

圖7 L波段探空系統(tǒng)探測的北京相對濕度廓線圖Fig．7 Relative humidity profile from Dec．19 to Dec．26，2015 observed by L?band sounding system in Beijing

4.2 邊界層風的分布

圖8 a是L波段探空系統(tǒng)探測的北京站1.6km以下風場的時空剖面圖。前中期19日至23日早晨0～1.6km多以西南風或偏東風為主，風速較小，雖然20日夜間至21日早晨有偏北風自高空逐漸延伸至地面，到達地面的風速較小為0.5～1.7m／s，偏北風的擾動使北京及附近地區(qū)霧霾天氣程度有所減弱，污染物濃度減小。過程后期23日夜間、26日夜間有兩股冷空氣擾動，24日偏北風從高空延伸至500m高度，強度偏弱，持續(xù)時間也較短，因此25日和26日早晨北京東南部再次出現(xiàn)濃霧天氣。直至26日白天較強偏北風延伸至300 m高度處，地面轉(zhuǎn)為弱的東北風，本次過程徹底結(jié)束。

圖8 L波段探空系統(tǒng)探測的北京風場時間序列圖Fig 8 Time series of the wind observed by L?band sounding system

圖8 b是北京站、衡水站地面風向風速演變圖，北京和衡水地面多偏南風或弱的偏北風，北京風速普遍在1.5m／s以下，衡水站較北京站風速小，24日之前普遍在1m／s以下，24日之后風速增加至2～4m／s。由于地面風速更小，水平擴散能力更差，河北南部平原霧霾較北京嚴重。

統(tǒng)計整個過程期間北京、衡水小時地面風向發(fā)現(xiàn)，北京站風向以ENE和SSW居多，分別占總時次的21%和15%（圖9），由于京津冀地區(qū)被北部燕山山脈和西部太行山脈包圍，呈“大簸箕”地形分布，偏東風和偏南風均不利于霧霾的水平擴散，這也是京津冀霧霾得以持續(xù)的一個重要原因。衡水站風向以NNE和S居多，分別占比12%和9%，且風速小于1m／s的時次明顯較北京站多。由于地面風速小，風向多偏東風和西南風，北京及河北平原霧霾和污染都較嚴重。

圖9 2015年12月19～26日地面風玫瑰圖Fig．9 Surface wind rose diagram from Dec．19 to Dec．26，2015

4.3 混合層高度

混合層高度（MLH）表征了大氣污染物在垂直方向被熱力湍流、對流與動力湍流輸送所能達到的高度［22］，是影響大氣擴散的主要因子之一。其對大氣質(zhì)量評估和污染物的存儲量及分布起著重要作用?；旌蠈痈叨鹊?，大氣污染物被積壓在近地面層，不利于擴散；反之有利于污染物擴散。圖10是19日至26日北京和衡水饒陽混合層高度演變圖，由此可見，本次過程兩站混合層高度均較低，26日14時之前MLH普遍在1km以下，尤其是衡水站21～25日MLH普遍不足500m，非常不利于污染物的擴散。26日下午開始MLH增加至1.2km，此時也是霧霾及污染消散的階段。

圖10 2015年12月19～26日北京、衡水饒陽混合層高度演變Fig．10 The evolution of MLH in Beijing and Raoyang of Hengshui during from Dec．19 to Dec．26，2015

5 小結(jié)

本文利用廊坊氣象觀測資料和空氣質(zhì)量監(jiān)測資料，分析了2015年12月19～26日出現(xiàn)在京津冀地區(qū)的持續(xù)性霧、霾及重污染天氣特點及成因，得出如下結(jié)論：

（1）本次過程具有持續(xù)時間長、影響范圍大、能見度低、污染嚴重等特點，主要影響的區(qū)域為北京、天津及河北中南部平原。

（2）過程期間京津冀地區(qū)受靜穩(wěn)天氣形勢控制，高空影響系統(tǒng)為短波槽和西風槽底部的寬闊平直西風環(huán)流，地面則多為弱氣壓場。

（3）通過對氣象要素的分析發(fā)現(xiàn)，近地面暖平流、低層逆溫層、較高的濕度條件和較低的混合層高度等氣象條件非常不利于污染物的擴散，因此這些天氣條件是產(chǎn)生霧、霾天氣和重污染的直接原因。

（4）1km以下多西南風或偏東風，風速普遍小于1.5m／s，加之京津冀“大簸箕”地形作用，不利于污染物的擴散。

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Analysis on Durative Fog?Haze and Heavy Pollution Weather Characteristics in Beijing?Tianjin?Hebei Area

Liu Yanjie，Xu Min，Li Na，Zhou Yudu
（Langfang Meteorological Bureau of Hebei Province，Langfang065000，China）

In 2015，the period from December 19thto December 26thwitnessed a durative Fog?Haze and heavy pollution in Beijing，Tianjin，and Hebei area，with the visibility condition of less than 50m at some time and AQI reaching up to 500．As the analysis of the causes reveals，during the Fog?Haze period，the main effect of the high?altitude system is the short?wave trough and the straight westerly circulation at the bottom of cold vortex，with weak ground pressure．Inversion of boundary layer，warm advection，and weak surface wind are the three key factors which contributed to this durative Fog?Haze．When the Fog?Haze continues，the inversion temperature reaches 4.6℃／100m，and the surface winds are mainly southwest wind and easterly wind with a speed of less than 1.5m／s．In both Beijing and Hengshui，the mixed layer height（MLH）is low with a general height below 1km and even a lower height of less than 500m in Hengshui station from December 21stto December 25th，which is very unfavorable to the elimination of Fog?Haze and the diffusion of contaminants．The above?mentioned factors，combined with the terrain，help the pollutants to accumulate in Hebei Plain，bringing about heavy pollution．

Beijing?Tianjin?Hebei；durative Fog?Haze；heavy pollution；weather characteristics；meteorological condition

X513

：A

：1673－8047（2017）01－0047－09

2016－10－23

河北省廊坊市氣象局項目（201606）．

劉艷杰（1986—），女，本科，助理工程師，主要從事短期天氣預報與研究。