河北廊坊重污染天氣特征及氣象條件影響研究

周賀玲， 李雪瑤， 劉玉蓮， 田曉飛， 聞 靜

（1.河北省廊坊市氣象局，河北廊坊 065000； 2.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇無錫 214122；3.黑龍江省氣候中心，哈爾濱 150030； 4.河北省廊坊市生態(tài)環(huán)境局，河北廊坊 065000）

污染源與氣象條件直接影響空氣重污染的發(fā)生，在污染源排放相對一定的情況下，氣象條件與空氣污染變化密切相關(guān)，是影響空氣質(zhì)量的主要因素［1-5］. 天氣形勢是形成區(qū)域重污染重要大氣條件，其演變直接影響污染過程的持續(xù)時間和嚴(yán)重程度［6-9］，通過氣團(tuán)后向軌跡研究，可以揭示區(qū)域大氣污染物來源［10］. 孫韌等［11］研究發(fā)現(xiàn)，重污染期間京津冀區(qū)域1000 m高空存在西南輸送通道，近地層100 m 處風(fēng)速氣流表現(xiàn)為西南-南風(fēng)，風(fēng)速＜3 m/s 時，空氣質(zhì)量會達(dá)到五級重度污染及以上水平. 有學(xué)者針對氣象條件對典型重污染天氣的影響進(jìn)行了研究［12-14］：高文康等［15］指出，重污染過程氣象條件對垂直梯度上的污染物源、匯變化具有主導(dǎo)作用；李夢等［16］研究發(fā)現(xiàn)較小的地面風(fēng)速、低混合層高度以及逆溫的存在，是京津冀地區(qū)霾等重污染天氣出現(xiàn)和維持的氣象條件［17］. 廊坊雖毗鄰北京、天津兩大直轄市，但缺乏氣象條件影響重污染天氣的系統(tǒng)研究［18］，探討重污染天氣特征及發(fā)生的氣象條件，可以為本地開展重污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警及京津冀區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控提供技術(shù)支撐.

1 資料與方法

圖1 廊坊市氣象觀測站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological observation stations in Langfang

廊坊市區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）監(jiān)測開始于2013年1月1日，而其所轄的8 縣（市）（大廠、香河、永清、固安、文安、大城及三河、霸州）開始于2014 年1 月1 日. 因此選用廊坊市區(qū)2013年1月1日—2016年12月31日、其余縣（市）2014年1月1 日—2016 年12 月31 日環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及同期自動站、micaps 等氣象觀測數(shù)據(jù)研究重污染天氣（AQI 指數(shù)＞200，下同）及氣象條件影響. 廊坊地區(qū)氣象站點(diǎn)分布見圖1.

約定一日內(nèi)（0時～23時）只要有一個及以上觀測站出現(xiàn)AQI＞200的重污染，就記為一個重污染天氣過程.

2 重污染天氣分析結(jié)果

2.1 年變化特征

2014—2016 年9 站空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)（AQI≤100）天數(shù)呈逐年上升趨勢，而重污染（AQI＞200）天數(shù)逐年下降. 2016年各站達(dá)標(biāo)天數(shù)達(dá)到121 d以上，廊坊市區(qū)最多，達(dá)208 d，2016年各站重污染天數(shù)下降到60 d以下，其中三河36 d，為最少，霸州與文安最多，為57 d，達(dá)標(biāo)天氣與重污染天氣的對比見圖2（a）.

從年均重污染天數(shù)分布來看（圖2（b）），廊坊市區(qū)與三河較少，不足60 d；三河最少，只有56 d；文安與大城分別為68 d和69 d；而其余5縣（市）均在70 d以上；其中永清最多，為76 d. 按照污染治理程度來看，廊坊市區(qū)的重污染天數(shù)應(yīng)該最低，但平均污染天數(shù)次低應(yīng)該與2013年數(shù)據(jù)列入統(tǒng)計(jì)有關(guān).

圖2 2013—2016年廊坊空氣質(zhì)量年變化Fig.2 Annual changes of air quality in Langfang during 2013-2016

2.2 月變化特征

重污染天氣主要出現(xiàn)在1—3月和10—12月，9縣（市）重污染天氣的出現(xiàn)頻率多大于20%，重污染天氣出現(xiàn)頻率最高的月份，廊坊市區(qū)為1月，其余站均為12月，南三站（霸州、文安、大城）與固安在12月出現(xiàn)頻率甚至大于50%；而4—9月所有站重污染天氣出現(xiàn)頻率不足14.5%，4、5、8月重污染天氣的出現(xiàn)頻率更低，不足10%（圖3）.

圖3 廊坊市重污染天氣月平均出現(xiàn)頻率Fig.3 Monthly average frequency of heavy pollution weather in Langfang

2.3 季節(jié)變化特征

重污染天氣出現(xiàn)頻率各站均是冬季＞秋季＞春季＞夏季，冬季最多，占28.6%～44.3%；夏季最少，占1.9%～10.9%. 進(jìn)入冬季，重度以上污染天數(shù)明顯高于其他3個季節(jié)，廊坊市此時處于采暖期（11月15日—次年3月15日），燃煤量劇增，污染加重，導(dǎo)致冬季空氣質(zhì)量在4個季節(jié)中最差（表1）.

表1 廊坊市重污染天氣出現(xiàn)頻率 單位：%Tab.1 Seasonal distribution of heavy pollution weather in Langfang

2.4 重污染天氣時首要污染物的變化特征

重污染天氣時，廊坊市9 站首要污染物只有PM10、PM2.5、O3、PM10與PM2.5（表示PM10、PM2.5同為首要污染物）4種情況，未出現(xiàn)過NO2、CO與SO2. 三河與大廠的首要污染物只有PM10、PM2.5、O3，廊坊市區(qū)首要污染物只有PM10、PM2.5，其余6 縣（市）這4 種首要污染物都可能出現(xiàn). 首要污染物月分布特征明顯，PM2.5的頻率在1—4月和9—12月最高，除了文安4月為66.7%以外，其余站均在82%以上；5—8月重污染天氣首要污染物只有PM2.5或O3，而且O3為首要污染物主要出現(xiàn)在5—8月，臭氧的季節(jié)變化主要與光化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)弱和前體物局地人為和自然排放源的影響有關(guān). 5—8月一般溫度較高，日照時間較長，太陽輻射較強(qiáng)，因此光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)，而秋冬季及初春季節(jié)溫度相對較低，日照時間較短，光化學(xué)反應(yīng)較弱.

3 重污染日氣象特征

以2013年1月1日—2016年12月31日廊坊市的環(huán)境監(jiān)測資料與同期自動站和micaps等氣象數(shù)據(jù)作為分析對象，研究重污染天氣發(fā)生時氣象條件. 由于環(huán)境監(jiān)測日報(bào)時段為當(dāng)日零點(diǎn)前24 h，因此風(fēng)、相對濕度、能見度和降水等氣象要素是以小時自動站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算當(dāng)日零點(diǎn)前24 h相應(yīng)氣象要素的平均值作為氣象日數(shù)據(jù).

3.1 風(fēng)

3.1.1 風(fēng)向 將主要污染月（1—3月和10—12月）發(fā)生重污染天氣時的日主導(dǎo)風(fēng)向出現(xiàn)頻率進(jìn)行平均，分析各站易出現(xiàn)重污染的風(fēng)向（出現(xiàn)頻率＞10%）特征（圖略）：三河為E和ESE；大廠為N、E、ESE和SE；香河與固安為ENE、E和ESE；廊坊市為WSW、E、ESE和ENE；永清為N、NNE和SSE；霸州為NNE、SSW和N；文安為SSW、NNE 和ENE；大城為S和SSE. 因此，廊坊各代表站發(fā)生重污染天氣時，日主導(dǎo)風(fēng)向主要位于風(fēng)玫瑰圖的第一、第三、第四象限，而第二象限風(fēng)向NNW、NW、WNW和W出現(xiàn)的頻率一般較低. 風(fēng)向及符號對照詳見表2.

表2 風(fēng)向及符號對照表Tab.2 Comparison table wind direction and symbols

3.1.2 風(fēng)速 從重污染天氣月平均風(fēng)速來看，除了3—5月有些站風(fēng)速較大（＞2 m/s）外，其余月份風(fēng)速基本上＜1.6 m/s，有些站部分月份甚至＜1 m/s；從年平均風(fēng)速變化來看，固安的年平均風(fēng)速最?。?.2 m/s），香河和永清的次?。?.3 m/s），而南部站的文安、大城風(fēng)速較大（1.6 m/s）.

3.2 相對濕度

分析重污染天氣日月平均相對濕度分布特征（圖4）. 發(fā)生重污染天氣時，各站相對濕度多在50%以上，且均是5月相對濕度最低；1—6月的相對濕度一般低于70%，而7—12月一般高于70%；9個站的最大相對濕度出現(xiàn)在8—11月，有些站相對濕度的最小值與最大值相差30%以上. 從年平均相對濕度來看，各站平均相對濕度均＞63%，其中固安相對濕度最大達(dá)70.1%，香河與大城的相對濕度接近，分別為63.8%和63.6%，其余6站的相對濕度值接近，為67.1%～69.1%.

圖4 廊坊市重污染天氣相對濕度月變化Fig.4 Monthly changes for relative humidity of heavy pollution weather in Langfang

3.3 能見度

1 月、3 月、9—12 月各站能見度均＜10 km；2 月大廠能見度12.9 km，其余站均＜10 km；4 月永清能見度10.8 km，其余站均＜10 km；5—8月各站的能見度一般較高，最高能見度各站均出現(xiàn)在5—8月；除廊坊市區(qū)外，最低能見度一般出現(xiàn)在10—12月；最高能見度與最低能見度相差4.6 km以上，大廠與大城則在10 km以上.

從年平均能見度來看，各站平均能見度＜10 km；其中廊坊市區(qū)最低，為5.9 km；大城最高，為9.7 km；大廠6.8 km；三河7.6 km；其余5站的能見度值接近（8.1～8.5 km）.

3.4 逆溫

穩(wěn)定的大氣環(huán)流背景下，低層逆溫層的建立和加強(qiáng)會使大氣垂直對流運(yùn)動受阻，大氣污染物不易擴(kuò)散.當(dāng)逆溫層厚度增大，逆溫層強(qiáng)度越強(qiáng)，污染物濃度就越高. 因廊坊無探空數(shù)據(jù)，故用北京08時探空資料代表廊坊上空的特征，分析廊坊重污染天氣過程出現(xiàn)時，2014—2016年1500 m以下的第一層逆溫層情況（圖5）.

圖5 2014—2016年重污染天氣過程北京（54511）探空逆溫分析Fig.5 Analysis for Beijing（54511）inverse temperature of heavy pollution weather from 2014 to 2016

逆溫底高為79.4～544.7 m，1月最低，6月最高，1—3月和10—12月低于173 m，4—9月底高≥260 m；逆溫頂高為366.0～847.5 m，1月最低，5月最高；逆溫厚度為109.2～397.2 m，8月最小，4月最大，1—5月和10—12月大于260 m，6—9月低于207 m；逆溫強(qiáng)度為0.8～2.7 ℃/100 m，4月最低，2月最高，1—3月、8月和10—12月＞1.3 ℃/m，4—7月和9月≤1.1 ℃/100 m；重污染日出現(xiàn)逆溫頻率，1—4月和10—12月大于80%，5—9月月均在63%以下.總體來看，1—3月和10—12月比其他月逆溫層底高更低，各月頂高均較高在366 m以上，1—5月和10—12月逆溫層厚度更厚，1—3月、8月和10—12月強(qiáng)度更強(qiáng)，1—4月和10—12月重污染日出現(xiàn)逆溫頻率更高.

3.5 靜穩(wěn)天氣指數(shù)

“靜穩(wěn)天氣指數(shù)”綜合了多項(xiàng)氣象要素用來表征氣象條件對大氣污染物的擴(kuò)散能力，其值越大，天氣形勢越靜穩(wěn)，越不利于污染物擴(kuò)散. 分析廊坊重污染天氣過程靜穩(wěn)天氣指數(shù)的變化（表3），除了4、5、7月＜10以外，其余月平均值均＞10. 10月靜穩(wěn)天氣指數(shù)最大，為13.1；5月最小，為8.4. 重污染日靜穩(wěn)天氣指數(shù)均大于5.9，94%的重污染天氣過程靜穩(wěn)天氣指數(shù)大于8.

表3 廊坊市重污染天氣靜穩(wěn)天氣指數(shù)與混合層高度月平均分布Tab.3 Monthly average distribution for static weather index and mixed layer height of heavy pollution weather in Langfang

3.6 混合層高度

混合層高度越低，越不利于污染物擴(kuò)散，若地面風(fēng)速很小，空氣污染物被壓積在近地面層，就可導(dǎo)致嚴(yán)重污染天氣. 分析廊坊重污染天氣過程混合層高度的變化，除了3—6月混合層高度＞1000 m以外，其余8個月均＜1000 m；10月最小，為595.4 m. 64.1%的重污染天氣過程混合層高度＜1000 m.

3.7 重污染日天氣現(xiàn)象特點(diǎn)

觀測常見的天氣現(xiàn)象有21種，包括霾、雨、陣雨、雨夾雪、大風(fēng)、積雪、雪、霧、輕霧、冰雹、露、霜、結(jié)冰、霧淞、毛毛雨、雨淞、沙塵暴、浮塵、揚(yáng)沙、陣性雨夾雪和陣雪. 分析2013—2016年廊坊市區(qū)重污染日出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象特征發(fā)現(xiàn)，重污染日沒有冰雹、雨淞、沙塵暴、浮塵、陣性雨夾雪和陣雪天氣，但在霾、霧、輕霧、露、霜和結(jié)冰這6種天氣時發(fā)生的頻率較高. 霾在除8月外其余月均有出現(xiàn)，出現(xiàn)頻率為40%～100%；3—5月出現(xiàn)頻率較高，在80%以上；5月最高，達(dá)100%. 霧出現(xiàn)在1、2、8、10、11和12月，8月出現(xiàn)頻率為100%，其余月份頻率不足30%. 輕霧在每個月均有出現(xiàn)，4 月、6—8 月和10 月出現(xiàn)頻率，為100%；5 月出現(xiàn)頻率最低，為33.3%；其余月份出現(xiàn)頻率為77.1%～92.9%. 露出現(xiàn)在3—11月和4—5月，7—10月出現(xiàn)頻率為100%，3月、6月、11月出現(xiàn)頻率較低在19.4%～39.3%，霜出現(xiàn)在1—3月和10—12月；10月出現(xiàn)頻率最低，為7.4%；3月次低，為25.8%；其余4個月為64.3%～93.6%；12月最高，為93.6%. 結(jié)冰出現(xiàn)在1—3月和11—12月，出現(xiàn)頻率為29.0%～100%；3月最低，為29.0%；1月最高，為100%（表略）.

4 結(jié)論

1）2014—2016年廊坊各代表站所在地空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)天數(shù)呈逐年上升趨勢，重污染天數(shù)逐年下降；重污染天氣主要分布在1—3月和10—12月；出現(xiàn)頻率為冬季＞秋季＞春季＞夏季. 冬季是主要污染季節(jié)，重污染天氣時，各站測得的首要污染物均為PM10、PM2.5、O3與PM10，PM2.5，未出現(xiàn)過NO2、CO與SO2.

2）廊坊地區(qū)各代表站所在地發(fā)生重污染天氣時，日主導(dǎo)風(fēng)向主要位于風(fēng)玫瑰圖的第一、第三、第四象限，除了3—5月有些站風(fēng)速較大（＞2 m/s）外，其余月份風(fēng)速基本上＜1.6 m/s；重污染天氣日各站相對濕度均在50%以上，年均能見度均小于10 km.

3）重污染天氣過程期間，1—3月和10—12月主要污染月一般逆溫層厚度更厚，強(qiáng)度更強(qiáng)，出現(xiàn)逆溫頻率也更高；靜穩(wěn)天氣指數(shù)除了4、5 和7 月其值＜10 以外，其余月平均值均＞10；3—6 月混合層高度在1000 m 以上，其余月＜1000 m.

4）重污染日出現(xiàn)霾、霧、輕霧、露、霜、結(jié)冰這6種天氣現(xiàn)象的頻率較高.