哈爾濱春季一次罕見重度霾天氣成因分析

李樹嶺，趙 玲，花 叢，張 鑫，姜 兵，徐盛榮，景學義

（1.哈爾濱市氣象臺，黑龍江 哈爾濱150028；2.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150030；3.國家氣象中心，北京100081；4.哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測中心站，黑龍江 哈爾濱150076）

霾是指大量極細微的塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度＜10 km 的空氣普遍混濁現(xiàn)象[1]。霾天氣發(fā)生時，空氣質量明顯下降，能見度降低，嚴重影響人體健康和交通安全[2-5]。特殊的大氣環(huán)流背景和不利于霾粒子擴散的氣象條件，如近地層逆溫、較小的風速、較低的混合層高度及較高的空氣濕度等，是霾天氣發(fā)生、維持和發(fā)展的主要原因[6-9]。霾天氣的發(fā)生具有較強的季節(jié)性，李艷春等[10]研究表明，秋、冬季是銀川市重度霾天氣的多發(fā)季節(jié)。胡琳等[11]分析了陜西省霾天氣的變化特征，得出從季節(jié)變化來看陜西省及各區(qū)域均為冬季霾日最多，秋季次之。崔妍等[12]通過對東北地區(qū)近50 a 霾天氣氣候特征分析，發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)霾日主要集中在冬季，秋季次之，春季最少。劉宇飛等[13]分析發(fā)現(xiàn)哈爾濱中度、重度空氣污染現(xiàn)象主要集中在冬半年，4—9 月極少有中度以上污染天氣出現(xiàn)。由于春季霾天氣發(fā)生概率低于秋冬季，國內眾多學者在對霾天氣過程成因研究上，也大多集中選取秋冬季節(jié)發(fā)生的個例進行分析[14-18]，而對春季發(fā)生的霾天氣研究較少，特別是對哈爾濱地區(qū)春季霾天氣發(fā)生和消散規(guī)律的研究尚屬空白。

2018 年4 月4 日夜間—5 日上午哈爾濱市區(qū)出現(xiàn)重度霾，4 日23 時—5 日12 時持續(xù)出現(xiàn)13 h 重度或以上級別空氣污染，首要污染物為PM2.5。5 日08 時前后污染程度最重，空氣質量指數(shù)（AQI）達到500。5 日04—08 時，哈爾濱氣象觀測站能見度持續(xù)近4 h 低于2 km，最低能見度僅為1.1 km。本文分析引起這次春季罕見重度霾天氣成因，為今后做好霾天氣預報預警工作提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

本文利用地面氣象觀測、高空氣象探測和環(huán)境監(jiān)測資料以及衛(wèi)星遙感火點監(jiān)測資料，結合HYSPLIT 氣團后向軌跡模式模擬結果，分析哈爾濱2018 年4 月4—5 日重度霾天氣成因。地面資料為每日8 次MICAPS 數(shù)據(jù)以及每小時一次自動氣象站觀測資料。高空資料為每日2 次哈爾濱氣球探空資料和L 波段探空雷達秒數(shù)據(jù)。PM2.5、AQI 等環(huán)境數(shù)據(jù)以及解譯識別后的衛(wèi)星遙感監(jiān)測火點圖像來源于哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測中心站。哈爾濱市轄區(qū)內環(huán)境監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù)的平均值代表哈爾濱市空氣質量（圖1）。

圖1 哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測站分布

大氣污染程度確定以空氣質量指數(shù)（AQI）為準。AQI 是定量描述空氣質量狀況的指數(shù)，參與空氣質量評價的主要污染物是細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）等6 項。根據(jù)《環(huán)境空氣質量指數(shù)（AQI）技術規(guī)定（試行）》（HJ 633—2012）規(guī)定：空氣污染指數(shù)劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300 和＞300 六個級別，對應于空氣質量的級別分別是優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴重污染?？諝赓|量指數(shù)（AQI）取值范圍定為0～500，當AQI 達到500 時稱AQI 爆表。

后向軌跡分析采用HYSPLIT 模式，其大氣環(huán)流場采用gdas1°×1°分析資料，后向軌跡分析起始高度選為500 m，分別以2018 年4 月4 日20 時、5 日02時、5 日08 時、5 日14 時、5 日20 時為起始時間做后向軌跡模擬，模擬時長為36 h，每6 h 進行一次后向軌跡模擬。

2 霾天氣實況

2018 年4 月4 日21 時—5 日13 時，哈爾濱出現(xiàn)連續(xù)17 h 重度或以上級別（AQI＞200）污染，首要污染物是PM2.5（圖2）。5 日00—10 時，PM2.5濃度＞250 μg/m3，08 時前后污染程度最重，AQI 為500，達到爆表值，首要污染物PM2.5濃度為507 μg/m3。 4日夜間至5 日早晨，伴隨著污染物濃度增加，霾加重，哈爾濱能見度轉差，5 日04—08 時，哈爾濱市區(qū)能見度持續(xù)4 h 低于2 km，達到重度霾標準，06 時前后哈爾濱能見度降至最低，僅為1.1 km 左右（圖3）。5 日白天，霾逐漸減弱消散，能見度增加，空氣質量轉好。

圖2 2018 年4 月4—5 日哈爾濱AQI、PM2.5、PM10時間序列

圖3 2018 年4 月5 日06 時黑龍江省能見度分布

3 成因分析

3.1 主要污染物特征和來源分析

為分析這次重污染天氣過程中污染物特征和可能來源，圖4 給出3 種CO、NO2、SO2污染物濃度隨時間的變化。結合圖2 分析可知，CO、NO2、SO2濃度與AQI 指數(shù)和PM2.5濃度的變化趨勢較為一致。根據(jù)《生物質燃燒源大氣污染物排放清單編制技術指南》，生物質開放燃燒排放系數(shù)中的秸稈露天焚燒排放CO：NOx：SO2=50：3：0.5，NOx：SO2=6：1；根據(jù)《民用煤大氣污染物排放清單編制技術指南（試行）》，煙煤燃燒排放的CO：NOx：SO2=50：0.6：2.6，NOx：SO2=0.23：1；計算這次空氣重污染階段CO、NO2、SO2的比例為50：2.2：0.92，NO2：SO2=2.4：1。從3 組數(shù)據(jù)可以推斷，在這次重污染天氣過程中，除秸稈焚燒是主要排放源外，供暖燃煤也是污染物的一個重要排放源，這與4 月初哈爾濱仍處在供暖期也比較吻合。

圖4 2018 年4 月4—5 日哈爾濱CO、NO2、SO2濃度時間序列

為進一步證實秸稈焚燒是主要污染源，分析2018 年4 月4 日衛(wèi)星火點監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn)（圖5），包括哈爾濱市周邊郊區(qū)在內的黑龍江省西南部和吉林省西北部等地有較密集的秸稈焚燒火點，所以可確定這次重度霾的產生與秸稈焚燒密切相關。利用HYSPLIT 后向軌跡模式模擬出這次重污染天氣過程中秸稈焚燒污染物傳輸特征（圖6），氣團遠距離時以西北路徑為主，近距離時多轉為偏西路徑，經過秸稈焚燒火點密集區(qū)域向哈爾濱輸送污染物濃度較高的空氣。尤其是以5 日08 時和5 日14 時為初始時間的后向軌跡顯示，在4 日14 時—5 日02 時，氣團經過黑龍江省大慶、綏化南部以及吉林省松原北部這些秸稈焚燒集中區(qū)域時，最低高度降到距離地面約200 m 的位置上，氣團與下墊面較高濃度的污染物充分混合后繼續(xù)移向哈爾濱。哈爾濱這次重度霾的產生與上游秸稈焚燒釋放的污染源輸送有密切關系。利用花叢等[19-20]構建的傳輸指數(shù)計算方法計算哈爾濱逐6 h 傳輸指數(shù)，結果顯示，4 日夜間傳輸指數(shù)逐漸增大，5 日08 時傳輸指數(shù)達到最大值為2.51，這也進一步說明污染物傳輸對哈爾濱5 日08時前后霾發(fā)展到最重程度有重要作用。

3.2 大氣擴散氣象條件分析

3.2.1 地面氣象要素特征

圖5 2018 年4 月4 日哈爾濱市周邊秸稈焚燒疑似火點分布

圖6 4 月4—5 日哈爾濱市污染傳輸后向軌跡

2018 年4 月4 日傍晚，哈爾濱風向由西北風向偏西風轉變，風速減小，能見度降低，霾和空氣污染逐漸加重。重度霾時段即5 日04—08 時10 m 風速為1.5 m/s 左右，其中5 日06 時風速只有0.1 m/s，接近靜風。黑龍江省4 月5 日06 時平均風速空間分布顯示哈爾濱周邊區(qū)域風速為1 m/s 左右，較小風速區(qū)域與能見度較低區(qū)域（圖3）幾乎重合。風向隨時間由偏西風向偏南風和偏東風轉變（圖7），風向氣旋性輻合有利于污染物積聚，使空氣污染加重。5日早晨，風向以偏南風和偏東風為主，08 時前后風向氣旋性旋轉最明顯，風向輻合最強，風速最小，能見度最低，空氣污染達到最重程度。5 日中午到傍晚，風速增加至2～3 m/s，風向逐漸轉為偏北風，能見度增加，霾減弱，空氣質量好轉。另外，從5 日08 時地面風水平分布圖也可以看到哈爾濱附近風向的明顯輻合現(xiàn)象（圖8）。可見，地面風速小以及風向輻合不利于污染物水平擴散，偏南風和偏東風有利于霾加重，偏北風和風速增大有利于空氣中污染物沉降和擴散。

相對濕度增大容易造成氣溶膠顆粒物吸濕增長并導致能見度下降和空氣污染加重。雖然哈爾濱春季這次重度霾發(fā)生期間相對濕度持續(xù)較小，最大相對濕度僅為60%左右，但是，仍然可以分析出對應關系（圖7）。4 日傍晚至5 日早晨，隨著氣溫下降，相對濕度增大，再加上空氣中污染物增加，能見度逐漸下降，霾加重，5 日凌晨到早晨，相對濕度達到相對峰值，能見度降至2 km 以下。但是相對濕度與污染物濃度關系較為復雜，空氣污染最重出現(xiàn)在5 日08時，而沒有出現(xiàn)在相對濕度最大的06 時。09 時，相對濕度已經降至23%，PM2.5濃度只是略有減小，直到12 時，相對濕度降至19%，PM2.5濃度才降至200 μg/m3以下?？諝馕廴境潭妊杆贉p弱時間比相對濕度明顯減小時間滯后，可能與早晨太陽出來后水汽蒸發(fā)導致空氣中污染物濃度增加有關。

圖7 2018 年4 月4—5 日哈爾濱PM2.5 濃度、能見度、相對濕度及風向風速變化

3.2.2 低層氣象要素垂直分布特征

圖8 2018 年4 月4 日08 時（a）和20 時（b）、5 日08 時（c）和20 時（d）哈爾濱邊界層相對濕度和溫度探空廓線

哈爾濱4 日08 時—5 日20 時探空資料（圖8，表1）可說明污染物垂直擴散氣象條件由好轉差再由差轉好。700 hPa 以下持續(xù)為干層，風力隨時間減小，其中850 hPa 風力由4 日08 時的16 m/s 減小至4 日20 時的9 m/s，再減小至5 日08 時的4 m/s，1 000 hPa 風力由4 日08 時和20 時的5 m/s 減小至5 日08 時的1 m/s。4 日20 時有貼地逆溫，逆溫強度達1.6 ℃，逆溫層頂高度和逆溫層厚度為123 m。5 日08 時仍然存在貼地逆溫，逆溫強度為1.3 ℃，逆溫層頂高度和逆溫層厚度為105 m，比4 日20 時降低。風速隨時間減小，較小的風速層增厚，逆溫層頂高度降低、厚度變薄，這些氣象要素變化特征表明，哈爾濱附近低層靜穩(wěn)氣象條件有加強趨勢，不利于污染物擴散，致使5 日06 時前后能見度降至最低，為1.1 km、5 日08 時哈爾濱市區(qū)AQI 為500，達到爆表程度。5 日白天，低層穩(wěn)定層結向中性層結演變，逆溫減弱，5 日20 時探空資料顯示哈爾濱已無明顯逆溫，垂直擴散氣象條件轉好，能見度增加，污染物濃度降低，霾減弱，空氣質量轉好。

表1 2018 年4 月4—5 日哈爾濱低層溫度與空氣質量特征

3.3 有利于重度霾和空氣污染的天氣形勢特征

3.3.1 地面為高壓均壓區(qū)

4 日白天，黑龍江省位于地面高壓前低壓后西北氣流里，擴散氣象條件較好。隨系統(tǒng)東移，4 日夜間到5 日白天，哈爾濱市等黑龍江省西南部地區(qū)轉為高壓均壓區(qū)，氣壓梯度和風力小，不利于污染物擴散。5 日早晨，除地面為均壓區(qū)和風力較小特點外（圖9），哈爾濱附近有明顯的風向輻合，更有利于污染物積聚，出現(xiàn)重度霾天氣。5 日白天，系統(tǒng)向東南方向移動，黑龍江省西南部地區(qū)地面逐漸位于高壓前部，哈爾濱市及周邊由較弱的偏南風轉為偏北風，風場輻散和下沉運動有利于污染物沉降，霾逐漸減弱消散。

3.3.2 中低層有弱高壓脊和暖鋒鋒區(qū)

圖9 2018 年4 月5 日08 時海平面氣壓場

4 日白天至5 日白天，哈爾濱隨時間依次位于850、700 和500 hPa 高壓脊前、高壓脊中、高壓脊后的高空槽中，脊線隨高度后傾。850 hPa 暖鋒鋒區(qū)自西向東移經黑龍江省，等溫線較密集，哈爾濱850 hPa 溫度由4 日08 時的-15 ℃升至5 日08時的-9 ℃。4 日20 時，內蒙古東部至東北地區(qū)西部呈現(xiàn)為反氣旋風向變化，上游為4 m/s 左右的偏南風向黑龍江省輸送暖空氣（圖10）。這種暖鋒鋒區(qū)和暖平流形勢是黑龍江省冬半年容易出現(xiàn)逆溫和靜穩(wěn)天氣的一種典型形勢。4 日夜間近地面有逆溫層，風力小，靜穩(wěn)天氣形勢持續(xù)，大氣擴散條件持續(xù)較差。到5 日08 時前后，影響黑龍江省的低層暖空氣勢力達到最強，能見度最低，空氣中污染物濃度積累達到峰值。5 日白天隨著高空槽移近，哈爾濱風向逐漸轉為東北風，向黑龍江省西南部輸送冷空氣，再加上日出后湍流加強，近地面逆溫等靜穩(wěn)天氣條件遭破壞，霾逐漸減弱，能見度增大，空氣質量轉好。中低層溫壓場的演變過程與近地面靜穩(wěn)天氣和空氣質量、能見度變化趨勢吻合。

3.4 大氣擴散氣象條件分析

圖10 2018 年4 月4 日20 時850 hPa 高度（藍色等值線，單位：dagpm）、溫度（紅色等值線，單位：℃）和風場（風羽，單位：m·s-1），

靜穩(wěn)天氣指數(shù)（SWI）是綜合反映大氣污染擴散氣象條件的綜合量[21]，分析哈爾濱這次重度霾天氣的SWI 變化（表2）發(fā)現(xiàn)，SWI 在污染積累階段明顯升高，在污染加重時段持續(xù)較高，SWI 為8，但是在霾減弱消散階段，SWI 略有增加，直到5 日夜間偏北風風力加大后SWI 大幅度減少。春季由于近地面逆溫程度比秋冬季明顯減小等原因，SWI 也比秋冬季空氣重污染和重度霾出現(xiàn)時[7]明顯減小。5 日下午到傍晚，哈爾濱SWI 持續(xù)較大與PM2.5濃度迅速減小、霾減弱消散趨勢不一致，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因是5 日下午至傍晚，風向逐漸向偏北風方向轉變，但是風力增大幅度小，地面仍然持續(xù)為均壓場狀態(tài)，氣壓變化幅度小，低層溫度垂直遞減率仍然較小，這些特征有利于維持較大的SWI。在污染源方面，由于5 日政府部門的管控措施加大，秸稈焚燒現(xiàn)象得到有效控制，輸送到哈爾濱的外地源峰值期已經結束，再加上有弱冷空氣和偏北風逐漸入侵以及湍流的日變化特點，空氣中大氣擴散氣象條件好轉，能見度增大，污染物濃度減小。在4 月初，哈爾濱及周邊地區(qū)取暖燃煤量已經大幅度減少，即使在空氣擴散氣象條件較差的情況下，如果沒有秸稈集中焚燒現(xiàn)象出現(xiàn)，空氣中污染物含量很難造成重度霾天氣現(xiàn)象。

表2 哈爾濱2018 年4 月4—5 日靜穩(wěn)天氣指數(shù)（SWI）

4 結論與討論

（1）秸稈焚燒是引發(fā)哈爾濱2018 年4 月4 日夜間到5 日早晨污染物濃度爆發(fā)性增長的最關鍵原因，此次重度霾天氣首要污染物為PM2.5，5 日08 時前后污染程度最重，AQI 為500，達到爆表值，PM2.5濃度高達507 μg/m3，污染物來源既有本地源又有外地源，能見度較小區(qū)域與地面風速小和秸稈焚燒的疊加區(qū)域對應關系較好。HYSPLIT 模型可以模擬出這次重度霾天氣的污染物傳輸特征。

（2）近地面風速小，風向呈弱氣旋性輻合，濕度增大，有利于形成霾。低層存在較強的貼地逆溫，逆溫層頂高度超過100 m，逆溫強度約為1.5 ℃/100 m，不利于污染物在垂直方向上擴散。地面均壓場和高空弱高壓脊、暖鋒鋒區(qū)和暖平流為這次重度霾天氣提供了有利的大氣環(huán)流背景條件。

（3）4 日夜間傳輸指數(shù)逐漸增大，5 日08 時污染最重時傳輸指數(shù)達到最大值2.51，污染物傳輸對哈爾濱此次霾污染發(fā)展到最重程度有明顯作用。

（4）靜穩(wěn)天氣指數(shù)變化與此次霾天氣的發(fā)展和持續(xù)階段較為一致，但是霾減弱消散時間比靜穩(wěn)天氣指數(shù)大幅度減小的時間偏早，這種現(xiàn)象一方面與湍流日變化有關，另一方面與空氣中污染物減少有關。

（5）污染源與較差的擴散氣象條件對于霾天氣的形成缺一不可，但是由于哈爾濱4 月初逆溫等靜穩(wěn)氣象條件弱于秋冬季節(jié)，秸稈集中焚燒在春季對重度霾天氣形成的貢獻大于氣象條件。