廊坊市霧、霾分布概況及與重污染天氣共存時的風場差異

許敏，李江波，周玉都，張紹恢

1.河北省廊坊市氣象局 2.河北省氣象臺

伴隨著霧、霾天氣的出現(xiàn)，大量極細干塵粒等均勻浮游在空中，使能見度減小、空氣質量下降，也給交通安全和人體健康帶來了嚴重的威脅。為此，國內外許多從事氣象和環(huán)保的科技人員從氣象條件入手，分析促使霧、霾形成或利于其消散的天氣形勢、氣溫、風向風速、混合層高度等[1-7]。

2012年秋冬季開始，華北地區(qū)的大氣污染有加重趨勢，尤其是圍繞首都的河北省，11個地市有超過半數(shù)空氣質量位列全國倒數(shù)前十，為此，中央氣象臺、北京市氣象局和河北省氣象局的專家加大了對霧、霾以及重污染天氣氣象條件的研究力度。如花叢等[8]認為在霧、霾天氣下，華北地區(qū)3個代表站中北京的主導風為偏東風和西南風，太原西風占比高，而石家莊無明顯主導風向；馬翠平等[9]對持續(xù)性大霧進行分析，認為在大霧維持加強期間，邊界層風速為1～2 m/s，當4 m/s以上的西北風速由邊界層下傳至地面時，大霧結束。一些學者從重污染天氣的角度出發(fā)，研究了氣象要素對污染形成和消散的作用。如李德平等[10]認為風向是造成北京三級以上污染的主要原因之一；齊佳慧等[11]通過對連續(xù)重污染天氣的分析，得出了地面風場輻合、強的逆溫、高濕和靜小風是維持重污染天氣的關鍵，其中風速小于3 m/s的小風日數(shù)占比達到85%；廖曉農等[12]證實了氣溶膠會以“城市煙羽”傳播到下游，因此北京市對流層底層維持西南風或東南風時，污染會明顯加重。還有一些學者通過集合模擬和聚類分析對污染期間的氣團后向軌跡進行模擬。如滑申冰等[13]研究發(fā)現(xiàn)，北京市重污染天氣期間，氣團主要來自西北方向，其中26%和30%的概率來自新疆和內蒙古地區(qū)，另有20%的氣團來自西南方向的華北地區(qū)；而王冠嵐等[14]分析認為，2014年京津冀地區(qū)的3個代表城市張家口、北京和石家莊的首要污染物均以本地形成為主。另外一些研究表明，混合層高度越低，越不利于污染物擴散，其高度的降低與污染物濃度升高同步出現(xiàn)，邊界層南風風量增厚和地面輻合線的維持是PM2.5濃度爆發(fā)性增長的重要條件[15-16]。雖然多項研究涉及到了地面或邊界層風對霧、霾的影響，但大多對風的分析只是眾多氣象因素中的一個方面，尤其是對垂直方向上風的特征分析較少，而專門針對霧、霾與重污染共存，以及此種天氣條件下風場差異的研究較為鮮見。

廊坊市地處華北平原中部、京津兩大城市之間，地理位置十分重要，同時也是霧、霾多發(fā)的區(qū)域，加之京津冀地區(qū)下墊面特性復雜各異，許多研究成果很難直接運用于本地，因此，必須嘗試結合常規(guī)和新型探測資料，從風場變化和差異角度進行分析研究，以期獲得對霧、霾和重污染物天氣形成及維持條件的新認知。

1 資料來源與研究方法

2015—2018年霧、霾和地面風場資料來源于國家氣象站觀測數(shù)據(jù)，天氣形勢采用美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)逐6 h再分析資料(1°×1°)，風廓線雷達數(shù)據(jù)來自河北省廊坊市大廠回族自治縣(簡稱大廠縣，116°56′47″E，39°54′45″N)風廓線雷達(CFL-03ZC)。大廠縣地處華北平原北部，與北京市東部通州區(qū)接壤，其風廓線雷達于2014年11月建成并投入運行，有效彌補了河北省中部探空資料低時空密度的不足，為多種天氣的分析與預報研究提供了高精度的風場資料。

空氣質量數(shù)據(jù)來源于廊坊市區(qū)及8個縣(市)環(huán)境監(jiān)測站，根據(jù)HJ 633—2012《環(huán)境空氣質量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定(試行)》[17]，重污染天氣選取標準為AQI>200，且該日氣象觀測站記錄為霧日或霾日。具體觀測標準：該日任意一時次觀測到能見度小于1 000 m記錄為1個霧日[18]；根據(jù)QX/T 113—2010《霾的觀測和預報等級》[19]，結合河北省氣象局現(xiàn)行的霾觀測標準，即排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、吹雪、雪暴、煙幕等影響的天氣現(xiàn)象后，該日連續(xù)6 h及以上觀測能見度小于10 000 m，且相對濕度小于65%，記錄為1個霾日。

2 霧、霾分布與重污染天氣的關系

2015—2018年廊坊市霧、霾年均日數(shù)分別為31和47 d，其空間分布見圖1。從圖1可以看出，市區(qū)霧日最少，僅有17 d，香河縣最多，達到47 d，比排在第二位的文安縣多4 d，南北各出現(xiàn)一個霧的高發(fā)地區(qū)，以其為中心向周邊減少。霾日的分布特點基本為中部較多，向北和南減少，其中排在前三位的永清縣、三河市和大城縣霾日超過50 d，最多的永清縣達65 d，比最少的香河縣多29 d。

圖1 廊坊市霧、霾年均日數(shù)的空間分布Fig.1 Spatial distribution of annual average days of fog and haze in Langfang

圖2為廊坊市各縣(市)霧日和霾日的逐月分布。從圖2可以看出，各月均有霧發(fā)生，2—8月月均霧日數(shù)均在1.5 d以下，最少的3月僅有0.6 d；9月開始呈明顯增長趨勢，月均霧日數(shù)增至3.4 d；10月達到全年之最，為6.6 d，其中最多的香河縣為11.3 d；次年1月，月均霧日數(shù)基本維持在4～6 d；2月開始迅速減少。5—9月是霾發(fā)生較少的時段，尤其是8月，僅廊坊市區(qū)出現(xiàn)平均不足1 d的霾日，其余縣(市)均無霾現(xiàn)象發(fā)生；10月開始月均霾日數(shù)持續(xù)增加；次年1月達到峰值，為10.1 d；此后開始回落，4月減少至3.1 d。

圖2 廊坊市各縣(市)霧日和霾日逐月分布Fig.2 Distribution of fog and haze days month by month for each country (city)in Langfang

當霧或霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)時，多數(shù)無明顯冷平流，大氣呈現(xiàn)擴散能力弱的靜穩(wěn)天氣形勢，加之低層有逆溫層結的存在，極有可能導致污染物的進一步積聚，使得空氣質量達到重度及以上污染程度[7,20-21]。2015年為廊坊市近年來霾較重的年份，年均霾日數(shù)達52.3 d，因此，以該年份的大廠縣為例，分析重污染天氣時氣象要素風的變化特征。2015年大廠縣有76 d出現(xiàn)了AQI超過200的重污染天氣，其逐月分布情況見圖3。從圖3可以看出，1—2月和11—12月是重污染天氣爆發(fā)的時段，其他月份出現(xiàn)日數(shù)相對較少，但在6—8月降水最集中的汛期時段仍出現(xiàn)了共計12 d的重污染天氣，總體變化趨勢是冬季高發(fā)，春季開始減少，進入秋末后又呈爆發(fā)式增長。

圖3 2015年大廠縣AQI超過200的重污染天氣日數(shù)逐月分布Fig.3 Monthly distribution of heavy pollution days with AQI over 200 in Dachang County in 2015

進一步分析霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200的重污染天氣日數(shù)的逐月分布特征，結果見表1。從表1可以看出，1—3月和9—12月，當有霧出現(xiàn)時均有重污染天氣出現(xiàn)，且2月、3月和10—12月霧出現(xiàn)時重污染日數(shù)均達到或超過了50%，11月和12月霧日數(shù)共19 d，其中有16 d的AQI超過200。在全年76 d重污染天氣中，霧日和霾日數(shù)分別達到了24和31 d，共占72.4%?？梢姡陟F、霾天氣發(fā)生的背景下，空氣質量達到重度污染的概率整體較高，霧和霾與重污染天氣有著密切聯(lián)系。

表1 2015年大廠縣霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200的重污染天氣日數(shù)的逐月分布特征Table 1 Monthly distribution of heavy pollution days with fog or haze and AQI over 200 in Dachang County in 2015

3 重污染天氣時霧、霾天氣的風場特征

3.1 地面氣象要素特征

霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時，地面氣象要素特征見表2。從表2可以看出，當出現(xiàn)霧時，AQI均值接近300，較霾時高43；平均能見度較霾時偏低1.5 km，霧時平均最小能見度僅為0.3 km，而霾時可達到1.6 km；霧時平均風速為1.1 ms，較霾時偏低0.5 ms；霧和霾出現(xiàn)時地面主導風向分別為東南風和東南偏東風，也就是說在未出現(xiàn)降水時，濕度越大，風速越小越有利于霧的形成，能見度相應越小，污染程度加劇。

表2 2015年大廠縣AQI超過200的重污染天氣時霧日和霾日的地面氣象要素特征Table 2 Features of surface meteorological elements on fog or haze days with AQI over 200 in Dachang County in 2015

圖4為霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時風向頻率統(tǒng)計。從圖4可以看出，能見度不足1 km的霧出現(xiàn)時，靜風所占頻率最大，為20.4%；當風速達到0.3 m/s以上(即1級及以上風力)時，東南風出現(xiàn)頻率顯著增加，其次是西南偏西風；當能見度為1～10 km的霾發(fā)生時，靜風出現(xiàn)頻率銳減，東南偏東風出現(xiàn)頻率則大幅上升，達21.2%，并且比其他風向出現(xiàn)頻率有明顯優(yōu)勢?？傮w而言，較小的風速是霧或霾發(fā)生的必要條件，風速越小越利于霧的形成，而東南風最易導致霧、霾出現(xiàn)，使能見度降低，此時大氣水平和垂直方向的擴散能力都非常弱，從而使污染物積聚，空氣質量嚴重下降，達到重度污染。

圖4 2015年大廠縣霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時風向頻率統(tǒng)計Fig.4 Wind frequency statistics of fog or haze weather with AQI over 200 in Dachang County in 2015

3.2 風速垂直分布特征

當霾發(fā)生時，大氣污染物主要聚集在邊界層內，因此850 hPa(約地面以上1 500 m高度)以下大氣風場變化特征對污染物的積聚或擴散清除起至關重要的作用。2015年大廠縣霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時平均風速垂直分布見圖5。從圖5可以看出，在1 560 m以下的風場中，觀測到霧或霾時都出現(xiàn)了一個小風速層，即隨著高度上升到某一層次時風速突然減小，隨后又逐漸增大，霧發(fā)生時這一高度約為1 000 m，霾發(fā)生時約為700 m；雖然風速廓線的形態(tài)較為相似，但2種天氣現(xiàn)象發(fā)生時風速仍有較大的差異，整體而言出現(xiàn)霾時風速普遍大于霧時，在1 560 m處分別達到5.9和3.7 m/s，在120 m處分別為1.1和0.7 m/s；500 m高度以下，霧時風速僅為0.7～1.8 m/s，霾時可達到1.1～3.8 m/s，在小風速層以上，霾時風速增幅明顯大于霧時?？梢姡敵霈F(xiàn)上述形態(tài)風速廓線時，近地層空氣污染物不易擴散，而風速越小，增濕越顯著，即出現(xiàn)能見度小于1 km的霧的概率越大，同時由低層到高層風速增幅越小，擴散條件越差。

進一步分析風向特征，霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時垂直風向頻率分布見圖6。從圖6可以看出，霧發(fā)生時，1 560 m以下沿順時針方向南風至北風整體出現(xiàn)頻率高于北風至南風，尤其是西南偏西風和西南風出現(xiàn)頻率為30%，從低層到高層出現(xiàn)頻率呈上升趨勢，且西南偏西風增幅最明顯；霾出現(xiàn)時，低空風場風向表現(xiàn)出與霧不同的特征，以東北風出現(xiàn)頻率最大，整體上南風至北風出現(xiàn)頻率較小?？梢?，西南風有更明顯的增濕作用，同時有助于逆溫的加強和維持，使能見度下降的同時進一步加重了污染物的累積，而東北風的出現(xiàn)則更有利于霾天氣的形成，使空氣質量維持在較差水平。

圖6 2015年大廠縣霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時垂直風向頻率Fig.6 Frequency of vertical wind direction in fog or haze weather with AQI over 200 in Dachang County in 2015

3.3 典型持續(xù)性重污染、大霧天氣過程分析

受典型靜穩(wěn)天氣形勢控制，2015年12月20—26日，廊坊市出現(xiàn)了全年持續(xù)時間最長的大霧天氣過程，多個時段能見度不足100 m，同時AQI維持在200以上。

3.3.1地面氣象要素特征

地面風速、相對濕度等氣象要素的變化對能見度下降、空氣污染加重有著直接的影響，12月20—26日上述氣象要素的逐小時分布見圖7。從圖7可以看出，該過程中，地面風速普遍在3 m/s以下，大多時段不足1.6 m/s，一級或靜風的情況居多；相對濕度普遍為80%～100%，多數(shù)時段維持在90%左右。20日17:00—20:00、21日12:00—18:00和23日12:00—19:00 3個時段內，相對濕度降至80%以下，能見度均增至1 km以上，AQI維持前期水平或有所下降，其中23日中午至傍晚時段相對濕度甚至降至30%～50%，此時最大能見度達到14 km，AQI在3 h內由435降至105；入夜后相對濕度明顯增大，能見度也陡降至1 km左右，此外，風速的略微增大對降濕和能見度轉好也起到了一定積極作用。綜上可見，相對濕度與能見度呈明顯的反相關關系，風速維持在2 m/s以下時，能見度維持在較低水平，不利于空氣污染物的稀釋、擴散和清除；相對濕度下降，部分時段風速達到3 m/s時，能見度增大，空氣質量好轉，但這種情況多發(fā)生于午后至傍晚氣溫上升的短暫時段內，入夜后，如無明顯冷空氣南下影響，霧和重污染狀況將迅速加重。

圖7 2015年12月20—26日大廠縣能見度、風速、相對濕度和AQI逐小時分布Fig.7 Hourly distribution of visibility,wind speed,relative humidity and AQI in Dachang County during December 20 to 26,2015

圖8為該次天氣過程中的地面風向頻率分布。由圖8可見，該天氣過程中，風速為0.3～1.6 m/s的一級風出現(xiàn)頻率最大，為62.8%，其中東南風和北風居多，南風和西北風較少；其次是靜風，頻率為26.9%；二級風出現(xiàn)頻率約為10.0%，無三級及上風力出現(xiàn)。

圖8 2015年12月20—26日大廠縣地面風向頻率Fig.8 Wind direction frequency in Dachang County during December 20 to 26,2015

3.3.2風場垂直結構特征

12月22—23日的大廠縣風廓線和逐3 h風速垂直廓線見圖9和圖10。從圖9和圖10可以看出，22日12:00，500～1 500 m高度上西南風風速增大，1 000 m高度最大風速達5.4 m/s，但因其僅維持了約3 h，能見度并未明顯好轉，始終在1 000 m左右，同時，90%以上的相對濕度也使得空氣污染狀況未得到有效改善，AQI維持在300以上；23日02:00，2 000 m以下風速變化較小，維持小風，此后AQI出現(xiàn)一定幅度下降，從02:00的415降至08:00的286?？梢?，當1 500 m以下主導風為5 m/s左右的西南風時，會使AQI呈現(xiàn)波動下降趨勢；若2 000～3 000 m高度(850～700 hPa)風速增大，但仍在10 m/s以下，且維持6～8 h后，AQI會出現(xiàn)短暫小幅下降；一旦風速減小，污染會立即加重，即2 000～3 000 m高度6～10 m/s的偏西風對地面污染物的輕微稀釋擴散有一定滯后效應，且擴散作用短暫而有限；1 000～2 000 m高度出現(xiàn)西北風并持續(xù)4 h后，AQI迅速降低，直至達到良好水平；此后3 000 m以下風速基本都維持在2 m/s以下，污染物濃度呈爆發(fā)式增長。

圖9 2015年12月22—23日大廠縣風廓線Fig.9 Wind profile chart in Dachang County during December 22 to 23,2015

圖10 2015年12月22—23日逐3 h水平風速垂直廓線Fig.10 Vertical profile of the horizontal wind speed by 3 hours during December 22 to 23,2015

為了進一步分析低空垂直風切變對污染物擴散的影響，引入低空風切變指數(shù)(I)，其計算公式為：

I=VS/ΔH

式中：VS為1 000 m高度以下的最大垂直風切變；ΔH為2個風矢量間的高度，本研究取60 m[22]。

12月22—23日低空風切變指數(shù)隨時間的變化見圖11。從圖11可以看出，在23日14:00前，低空風切變指數(shù)始終維持在2.0×10-4s-1以上，而與之對應的AQI均達到了200以上(圖7)，13:00風切變指數(shù)達到最大，為8.6×10-4s-1，此時AQI為401，接近于同期最大值。由此可見，低空風切變指數(shù)與污染物的積聚有著密切關系，其值越大，污染物濃度越大，反之風切變減弱則有利于污染物的擴散。

圖11 2015年12月22—23日低空風切變指數(shù)隨時間的變化Fig.11 Variation of low-altitude windshear index with time during December 22 to 23, 2015

該次天氣過程中風速隨高度的變化見圖12。從圖12可以看出，在1 560 m(約850 hPa)以下，除最高層和720 m高度平均風速為2.1 m/s，其他各層均不足2 m/s，尤其是120～600 m高度之間風速均小于1.6 m/s，且隨高度降低風速減小，到120 m高度風速降至0.5 m/s左右。

4 結論

(1)廊坊市霧和霾的年均日數(shù)分別為31和47 d，空間分布存在差異，北部和南部地區(qū)霧高發(fā)，中部地區(qū)霾更顯著。霧和霾發(fā)生最多的月份分別為10月和1月，霾集中于秋冬季爆發(fā)，區(qū)域性霧全年均可發(fā)生，以9月—次年1月高發(fā)。

(2)在AQI超過200的空氣質量背景下，出現(xiàn)霧時的AQI較霾偏高43，地面平均風速偏低0.5 m/s，觀測到霾時平均相對濕度為56.4%，當相對濕度升至82.4%時，天氣現(xiàn)象轉為霧，平均能見度會繼續(xù)下降1.5 km左右。霧時地面以靜風和東南風為主，霾時多為東南偏東風。

(3)出現(xiàn)霧或霾且AQI超過200時，1 560 m以下低空風速廓線的共同特征是700～1 000 m從低到高均出現(xiàn)了風速突然減小的現(xiàn)象，之后隨高度增加風速會逐漸增大，即存在一個相對小風速層，但出現(xiàn)霧時風速為0.7～3.7 m/s，出現(xiàn)霾時可達到1.1～5.9 m/s。

(4)最易造成霧的重污染天氣低空風向為西南偏西風，最易造成霾的重污染天氣低空風向為東北風。3 000 m以下風速增至6～10 m/s時，對地面污染物擴散有一定的有利影響，西北風風速越大，所在高度越低，擴散作用越明顯；低空風切變指數(shù)越大，污染物越容易積聚，即擴散條件越差。