河北邢臺市連續(xù)重污染天氣維持與消散成因分析

齊佳慧，郝巨飛，王叢梅，楊允凌

（1.通遼市氣象局，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000）

2013年以來，京津冀地區(qū)持續(xù)大范圍的污染天氣，引起了社會各界的廣泛關(guān)注[1-3]。國外學(xué)者對于大氣污染的研究開始較早，發(fā)現(xiàn)空氣中的大氣污染物與氣溫、降水量、相對濕度等氣象因子有著密切的關(guān)系[4-5]。美國學(xué)者利用IMPROVE觀測網(wǎng)分析，定量得出了空氣中各種污染成分消光系數(shù)的貢獻(xiàn)，并考慮了吸濕增長，得到了著名的IMPROVE公式[6-8]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對大氣污染的年際變化與氣象因素對其的影響做了大量的研究[9-10]，取得了一系列成果。李瓊等[11]利用珠江三角洲地區(qū)的天氣資料與污染物監(jiān)測資料分析得出珠江三角洲地區(qū)的污染狀況與天氣形勢之間存在顯著關(guān)系。任陣海等[12]提出，大范圍均壓場的持續(xù)與演變是形成區(qū)域重污染的重要大氣條件。段宇輝等[13-15]研究表明，天氣系統(tǒng)的演變對大氣擴散條件的預(yù)報具有重要的意義，高空弱的垂直運動、中低層弱的輻散場或下沉氣流、近地層的逆溫，都會使污染物在邊界層堆積，而穩(wěn)定的大氣層結(jié)會使重污染天氣持續(xù)加重。大氣邊界層高度較低，相對濕度較大，以偏南氣流為主時，氣溶膠更容易吸濕增長，易導(dǎo)致重污染天氣產(chǎn)生[16-17]。韓霄等[18]利用數(shù)值模擬的方法對華北平原重霾進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在逆溫明顯、風(fēng)速較小、相對濕度高的條件下，既有利于污染物的堆積，也有利于污染物的吸濕增長。吳兌等[19-20]研究表明，污染物的積累區(qū)域與地形有著顯著關(guān)系，受太行山的阻擋與背風(fēng)坡的下沉氣流影響，石家莊、保定、邢臺、邯鄲形成了一條污染物不易擴散的高污染聚集帶。

河北省中南部是京津冀地區(qū)的污染重災(zāi)區(qū)，2016年全國74個重點城市空氣質(zhì)量狀況排名中，空氣質(zhì)量較差前10名河北省占6席，邢臺市位居第四。重污染過程與氣象條件關(guān)系顯著，特定的天氣系統(tǒng)和氣象條件是重污染天氣形成的關(guān)鍵[21]。在以往的研究中，多側(cè)重研究重污染天氣生成及維持的原因[3]、[22-23]和物理機制[24-27]，氣象條件對重污染天氣的消散研究較少[21]。因此，本文將針對此次連續(xù)性重污染天氣的特點，從天氣形勢、垂直與水平擴散、降水等因素著手，探討此次重污染天氣的維持及消散的原因，進(jìn)一步了解重污染天氣得以消散的物理機制，以便為公眾服務(wù)、預(yù)報預(yù)警等提供參考。

1 資料來源

本文所使用的空氣質(zhì)量監(jiān)測資料由河北省邢臺市環(huán)境監(jiān)測站提供，內(nèi)容包括空氣質(zhì)量指數(shù)AQI、污染物濃度、首要污染物。氣流軌跡資料來源于NCEP（美國國家環(huán)境預(yù)報中心）的GDAS（全球資料同化系統(tǒng)）氣象數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)每2 h記錄一次，分別為00：00，02：00，04：00 直到 22：00（UTC）。氣象資料采用逐時自動站觀測平均值，包括日最小能見度、平均風(fēng)速、相對濕度，雖然邢臺的國家基準(zhǔn)站距離市區(qū)有20 km的距離，但據(jù)對比資料顯示，氣象要素對應(yīng)性較好，具有代表性[28]。

本文所用的大氣混合層高度是根據(jù)穩(wěn)定度等級和混合層系數(shù)計算得出，計算采用國標(biāo)法，按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 3840—91附錄B和附錄E中給出的方法進(jìn)行計算，其具體算法可參考文獻(xiàn)[29-30]，大氣穩(wěn)定度等級采用修正的Pasquill穩(wěn)定度分類法[30]。本文利用HYSPLIT模式分析連續(xù)重污染天氣中污染物的源地和傳輸路徑，HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式用于追蹤氣流攜帶的粒子或移動方向，由美國國家海洋局和大氣管理局的空氣資源實驗室與澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)，是一種混合型單粒子歐拉—拉格朗日（Eulerian-Lagrangian）擴散模式[31]。本文的微波輻射計資料來源于布設(shè)在邢臺市國家基準(zhǔn)站（37°11′N，114°22′E，海拔高度：182.0 m）的地基多通道微波輻射計（MWRP），由中國兵器工業(yè)北方通用電子集團(tuán)有限公司所研制（型號：MWP 967 kV），溫度通道≤-35 dBc，天線旁瓣電平水汽通道≤-28 dBc，亮溫分辨率≤0.2 K，探測范圍為地表到頂空10.0 km，垂直方向上廓線劃分為58層，分辨率分別為50 m（0.5 km 以下）、100 m（0.5～2.0 km）、250 m（2.0～10.0 km），通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演頂空大氣溫度、水汽濃度和相對濕度等的大氣參數(shù)。

2 實況分析

2.1 空氣質(zhì)量概況

此次河北省中南部的連續(xù)重污染天氣過程，邢臺市持續(xù)嚴(yán)重污染，定義該日首要污染物質(zhì)量濃度從最低值逐日累積到峰值重新下降到谷值的狀態(tài)稱為一次環(huán)境污染過程。根據(jù)邢臺市的情況，在空氣污染指數(shù)連續(xù)3 d達(dá)到或超過五級（AQI>200）時即可稱為連續(xù)性重污染。此次連續(xù)重污染天氣AQI值3次達(dá)到峰值（圖1），分別出現(xiàn)在2016年12月19日、12月31日、2017年1月8日，所對應(yīng)的AQI分別為420、500、311，本文中將2016年12月16—23日稱為過程一，2016年12月27日—2017年1月4日稱為過程二，2017年1月5—10日稱為過程三。

圖1 2016年12月16日—2017年1月10日邢臺市AQI變化趨勢

2.2 氣象要素及PM的變化特征

在此次連續(xù)重污染天氣中，PM10、PM2.5的濃度日變化與氣象要素具有顯著的相關(guān)性（圖2）。過程一自12月16日起PM2.5和PM10濃度開始上升，空氣質(zhì)量開始轉(zhuǎn)差，在19日達(dá)到峰值，PM2.5和PM10濃度分別為 379.3 μg·m-3和 465.8 μg·m-3，平均風(fēng)速在2.5 m/s以下，日最小能見度由16日的1669 m下降至22日的44 m，23日污染物濃度下降到谷值，能見度轉(zhuǎn)好。過程二在31日PM2.5和PM10濃度達(dá)到峰值，分別為 409.5 μg·m-3和 606.8 μg·m-3，此時相對濕度均在70%以上，小風(fēng)日數(shù)增加，由過程一中的7 d增加到16 d，日最小能見度持續(xù)5 d在50 m以下。4日空氣污染得到短暫的緩解，5日污染物濃度再次上升。過程三在1月8日PM2.5和PM10濃度達(dá)到峰值，分別為 245.5 μg·m-3和 358.0 μg·m-3，期間相對濕度一直維持在90%以上，能見度不足300 m，直至10日污染物濃度下降，日最小能見度達(dá)到1761 m，相對濕度下降到65%。

此次邢臺市連續(xù)重污染天氣過程，污染物濃度變化具有明顯的階段性特征，相對濕度、地面風(fēng)、能見度等氣象要素對污染過程的維持與消散具有直接影響，而這些氣象要素則產(chǎn)生于特定的天氣形勢與天氣系統(tǒng)下。因此，本文將從地面形勢、大氣穩(wěn)定度、降水等方面進(jìn)一步深入分析此次連續(xù)重污染過程的維持與消散條件。

圖2 2016年12月16日—2017年1月10日污染物濃度及氣象要素日變化

3 污染物維持與消散的機制

3.1 地面形勢分析

過程一在2016年12月16—19日，污染物濃度持續(xù)上升，由圖3可知，在污染物濃度上升階段，邢臺市處于均壓場中，高壓中心位于河北省西北部，移動較為緩慢，由于受均壓場控制持續(xù)時間長，均壓范圍大，底層大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于空氣中污染物的擴散和稀釋，造成污染物積累；16—19日污染物濃度均維持在較高水平；21日00時，在貝加爾湖附近高壓開始建立，分裂為東西2個高壓中心，中心壓強1 047.5 hPa，邢臺市處于高壓前部，氣壓梯度明顯增強，由于強氣壓梯度范圍寬廣，持續(xù)時間長，極有利于污染物的擴散；在21—23日，伴隨高壓主體的東移南下，污染物濃度顯著下降。

2017年1月3日范圍寬廣的均壓場持續(xù)是污染物積累的主要原因，西北冷高壓在東移南下的過程中強度不斷減弱，對污染物的清除效果不明顯；5日河北省南部形成一明顯的輻合切變，隨著均壓場建立并持續(xù)，污染物濃度開始升高，至8日AQI再次達(dá)到峰值，9日伴隨冷高壓的南下，污染物得以擴散和稀釋。

3.2 垂直擴散的影響

污染物的濃度除了受污染源的影響外，還取決于大氣的垂直擴散能力，大氣穩(wěn)定度變化對污染物的垂直擴散有一定的影響[32-33]，大氣混合層高度也是反映大氣垂直擴散能力的重要參數(shù)[34]。大氣混合層高度降低時，AQI升高，易出現(xiàn)重污染天氣。將大氣混合層高度與AQI做相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為-0.480 2，達(dá)到0.01的顯著水平，呈明顯負(fù)相關(guān)；AQI<200時，大氣混合層平均高度為1305 m，AQI>200時，大氣混合層平均高度為763 m，最低降到437 m（圖 4）。

圖3 2016年12月18日14時（a）、12月21日23時（b）海平面氣壓場

圖4 2016年12月16日—2017年1月10日邢臺市AQI、混合層高度變化趨勢

邢臺市地處太行山東部背風(fēng)坡，大氣擴散條件明顯弱于開闊的平原地區(qū)，受地形影響，多有逆溫出現(xiàn)，經(jīng)對比此次連續(xù)重污染過程在維持與消散階段的探空圖都有著明顯特點。選取2016年12月20日20時與21日08時的探空圖（圖5）進(jìn)行分析，20日與21日的AQI日均值分別為396和270，20日20時在3000 m下存在兩層逆溫層，低層逆溫較強，干暖蓋層較厚，覆蓋在近地面，地面風(fēng)速較弱，不利于污染物的擴散；20日08時，近地層逆溫層消亡，相對濕度增加，干暖蓋消失，空氣污染情況得到。

圖5 2016年12月20日 20時（a）、21日08時（b）探空圖

圖6 2016年12月16—21日AQI、溫度變化趨勢

對應(yīng)微波輻射計的觀測（圖6），自2016年12月16日16時開始，在高度1000 m以下，逆溫層開始建立，AQI持續(xù)上升，直到17日16時，逆溫層消失，AQI到達(dá)峰值后開始下降；在之后的3 d內(nèi)，AQI隨著逆溫層的建立上升，在19日21時達(dá)到峰值570，當(dāng)逆溫層消失時，AQI則開始下降，至21日00時，一股較強冷空氣影響我市，逆溫層徹底消失，AQI值也下降到最低值，為105。

3.3 水平輸送的影響

王喜全[35]、劉宇[36]等研究表明：風(fēng)對大氣污染物的擴散和三維輸送起重要作用，其中風(fēng)向決定了污染物的輸送方向，風(fēng)速則影響污染物的擴散程度。邊界層以下污染物容易聚集，因此本文重點分析地面風(fēng)速風(fēng)向?qū)ξ廴疚飻U散的影響。

過程一（圖7），12月20日12時，地面由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，AQI開始上升達(dá)到400以上；21日00時，西北風(fēng)開始加大，AQI不斷下降，西北風(fēng)持續(xù)10 h，其中00—04時風(fēng)速較大，最大時次可達(dá)4.8 m/s，AQI下降到100左右；21日11時風(fēng)向開始轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，污染物濃度再次回升，直到22日07時，西北風(fēng)加大，AQI有了明顯的降低。過程二與過程三中，AQI的變化與風(fēng)速風(fēng)向的關(guān)系雖然不如過程一的明顯，但當(dāng)風(fēng)向變化較亂時，AQI為上升趨勢，在污染物濃度降低的時次，風(fēng)向大多為偏北風(fēng)且風(fēng)速較大。由此可知，當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)以偏北風(fēng)為主時，AQI隨著偏北風(fēng)的持續(xù)而有所下降；由于邢臺市地處太行山東部的特殊地形，地面以偏東風(fēng)為主時，AQI的數(shù)值往往會增大；偏南風(fēng)可以帶來較好的水汽條件，AQI開始變化的時次與風(fēng)向由北轉(zhuǎn)南的時刻相對應(yīng)，局地也會形成短時的輻合區(qū)；當(dāng)風(fēng)向穩(wěn)定時，AQI隨著風(fēng)速的加大而減小。

圖7 2016年12月19—22日邢臺市AQI、風(fēng)速變化趨勢

3.4 降水的影響

不同等級的降水量對污染物的清除作用也有所不同[37]，為分析降水量對PM2.5的影響，在此次連續(xù)重污染天氣中，選取3次不同的降水過程作為研究對象，分別統(tǒng)計PM2.5在降水前后的濃度變化，定量分析降水量對污染物的清除作用。本文規(guī)定：降水前一日PM2.5的日均濃度（PM2.5初始濃度）減去降水后一日PM2.5日均濃度表示降水對PM2.5的清除作用。選取2016年12月21日、2016年12月24—25日、2017年1月4—7日的降水過程進(jìn)行研究。

統(tǒng)計降雨過程PM2.5濃度的變化（表1），基于對3次過程的分析，降水量分別為 6.9、3.1、1.2、0.2 mm，所對應(yīng)的PM2.5的清除率分別為67.9%、43.4%、4.3%、-17.6%，由此可知降水量越大，對空氣中污染物PM2.5的清除率越強，當(dāng)降水量＜1 mm，反而有利于PM2.5的增加。

表1 2016年12月16日—2017年1月10日邢臺市降水過程中PM2.5濃度變化

選取清除率最大的降水過程進(jìn)行具體討論（圖8），邢臺市2016年12月20—22日的降水過程自21日00時起，持續(xù)7 h，過程降水量為6.9 mm，降水開始前 1 h PM2.5的濃度為 442.3 μg·m-3，此前一天PM2.5的濃度都在300 μg·m-3以上，降水開始2 h后 PM2.5的濃度下降到 78.3 μg·m-3，直到降水結(jié)束，PM2.5的濃度都維持在這一水平，降水結(jié)束后，PM2.5的濃度又有一緩慢的上升，但均小于降水前濃度。此次降水對污染物PM2.5的清除效果非常明顯，平均清除率為 67.9%，最大清除量為 478.2 μg·m-3。

圖8 邢臺市2016年12月20—22日降水前后PM2.5濃度變化

另外2次降水過程均為分段降水，過程二總降水量為3.1 mm，隨著降水開始，PM2.5的濃度由降水前的 219 μg·m-3下降到 189 μg·m-3，降水結(jié)束后 2 h PM2.5的濃度持續(xù)下降，最低達(dá)到 97.5 μg·m-3；前一階段降水結(jié)束后，由于前期降水帶來的較好的濕度條件，后一階段降水開始后，PM2.5的濃度先大幅度上升然后下降，在降水結(jié)束后2 h，PM2.5的濃度達(dá)到60.3 μg·m-3，此次降水過程帶來的PM2.5的清除效果較為明顯，PM2.5的平均清除率為43.4%，最大清除量為199.5 μg/m3。過程三由于2個階段降水過程間隔時間較長、降水量較小，對PM2.5的清除作用不太明顯，前一階段平均清除率為4.3%，最大清除量為173.8 μg·m-3；后一階段在降水過程中 PM2.5的濃度依然在上升，降水結(jié)束后的一段時間PM2.5的濃度也維持在較高的水平上，對PM2.5幾乎沒有清除作用，反而使其濃度有所升高，平均清除率為-17.6 μg/m-3。

3.5 污染源的分析

研究表明，城市大氣污染不僅與本地污染源的直接排放有關(guān)，還受區(qū)域輸送的影響[38-39]。區(qū)域大氣污染的成因和來源與氣流的軌跡密切相關(guān)，后向軌跡模型分析成為研究這一問題的重要手段[40]。應(yīng)用Hypilit4模式對邢臺市不同時段（2016年12月17—20日、2016年12月29日—2017年1月9日）逐36 h后向軌跡聚類分型、2016年12月22日14時、2017年1月12日15時的單時刻后向軌跡進(jìn)行分析，高度設(shè)置為500 m。結(jié)果顯示在2016年12月17—20日（圖9a），8%的氣團(tuán)后向軌跡來自內(nèi)蒙古西北部，氣流輸送高度較高，氣團(tuán)相對清潔，19%的氣團(tuán)軌跡主要來自河北省以西400 km之外，輸送起始高度可達(dá)3000 m，而73%的氣團(tuán)軌跡主要來自邢臺市以北200 km內(nèi)，氣流主要為局地輸送，在此時間內(nèi)，邢臺市的AQI一直處于上升階段并持續(xù)，PM2.5增長異常明顯；直到21日AQI開始下降，圖9b為PM2.5濃度最低時刻進(jìn)行的氣團(tuán)后向軌跡分析，這一時次的氣團(tuán)來自我國西北部以外的蒙古地區(qū)，氣團(tuán)較為清潔，傳輸高度較高，有利于污染物的清除。2016年12月29日—2017年1月9日邢臺市的AQI維持在200以上，日均值最高達(dá)500，對這段時間做氣團(tuán)后向軌跡聚類分析（圖9c），結(jié)果表明8%的氣團(tuán)來自蒙古境內(nèi)，20%來自我國西北部，20%來自河北省西部，此三條輸送路徑起始高度與輸送高度較高，輸送距離較長，多為清潔空氣，另外52%的氣團(tuán)來自邢臺市以北地區(qū)，輸送路徑較近，高度較低，多為集中在近地面的局地輸送，使空氣污染進(jìn)一步加重并維持；選取消散效果較明顯的1月12日15時進(jìn)行單個時刻72 h后向軌跡分析（圖9d），表明氣團(tuán)來源于西北地區(qū)，輸送距離較遠(yuǎn)，高度較高，空氣較為清潔，有利于污染物的稀釋與擴散。

圖9 邢臺市36 h聚類后向軌跡及單個時次后向軌跡模擬圖

4 結(jié)論

通過對此次邢臺市連續(xù)重污染天氣過程的分析可得到以下結(jié)論:

（1）地面均壓場維持、高壓前部鋒面過境、地面輻合區(qū)持續(xù)都會使污染物積累；伴隨冷高壓主體東移南下并加強，氣壓梯度增大，冷空氣不斷補充，污染物得以消散。

（2）近地面大氣混合層高度與AQI呈顯著負(fù)相關(guān)，在重污染天氣維持階段，大氣混合層平均高度763 m，平均相對濕度達(dá)82.6%，逆溫層結(jié)較厚達(dá)443 m、強度1.83℃/100 m，并且穩(wěn)定維持；在污染物消散階段，大氣混合層高度明顯升高，平均達(dá)1305 m，逆溫層消失，相對濕度下降到60%以下。

（3）在重污染天氣維持階段，地面風(fēng)場持續(xù)輻合，小風(fēng)日數(shù)達(dá)22 d（占比85%），近地面以偏南氣流為主，偏東風(fēng)的持續(xù)也不利于污染物的擴散；隨著冷空氣的影響，偏北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向并持續(xù)加大，最大風(fēng)速可達(dá)4.8 m/s，對大氣污染物起到明顯的清除作用。

（4）降水過程對PM2.5濃度的降低起到一定的作用，降水量>3 mm且雨強較大時，PM2.5的清除率可達(dá)40%以上，若降水量<1 mm時，不僅達(dá)不到清除作用，反而有利于PM2.5濃度的升高。

（5）在重污染天氣維持階段，50%以上的氣團(tuán)來自于距邢臺市不到200 km的周邊地區(qū)，氣團(tuán)軌跡多集中在500 m以下的近地面，局地輸送較為明顯；在污染物的消散階段，氣團(tuán)多為西北路徑輸送，距離較遠(yuǎn)，空氣較為清潔，起始與輸送高度較高，有利于污染物的擴散。