石家莊近地層風(fēng)場(chǎng)輻合與重污染關(guān)系研究

李二杰, 張 智, 祁 妙, 趙玉廣*

1.河北省環(huán)境氣象中心, 河北 石家莊 050021 2.中國氣象局邢臺(tái)大氣環(huán)境野外科學(xué)試驗(yàn)基地, 河北 邢臺(tái) 054008

隨著我國對(duì)大氣污染防治的持續(xù)推進(jìn)，京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量整體趨勢(shì)持續(xù)改善，大氣污染治理效果明顯. 《2017年大氣環(huán)境氣象公報(bào)》指出，盡管大氣環(huán)境呈現(xiàn)向好趨勢(shì)，但受不利氣象條件影響，持續(xù)性、區(qū)域性重污染天氣仍時(shí)有發(fā)生. 石家莊市是京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市之一，地處河北省中南部，地理位置37°27′N～38°47′N、113°30′E～115°20′E，東部平原海拔一般在30～100 m之間，受太行山地形的影響，近地面存在著幾乎定常的風(fēng)場(chǎng)輻合[1]，其厚度由地面伸展至高空幾百米甚至近千米，易造成污染物匯聚[2]，使局地污染程度超出周邊1～2個(gè)等級(jí)，出現(xiàn)濃度峰值、“爆表”等.

氣象條件變化是影響大氣污染的主要原因[3-4]，邊界層內(nèi)氣象要素與污染物的輸送、聚集、擴(kuò)散等密切相關(guān)[5-8]. 已有眾多學(xué)者對(duì)重污染發(fā)生的天氣背景和氣象條件進(jìn)行了分析，例如，ZHANG等[9]利用主成分分析法將天氣形勢(shì)分類，指出天氣形勢(shì)是北京地區(qū)污染物濃度逐日變化的主要驅(qū)動(dòng)因子；風(fēng)速、相對(duì)濕度、混合層高度、通風(fēng)量等局地氣象條件是影響污染物濃度的重要因素，均與污染物濃度呈顯著相關(guān)[10-12]；AN等[13]對(duì)2015年一次重污染過程數(shù)值模擬顯示，區(qū)域傳輸對(duì)北京ρ(PM2.5)的平均貢獻(xiàn)率達(dá)39%；王叢梅等[14]研究認(rèn)為，2013年1月河北省中南部地面風(fēng)小且多風(fēng)向、風(fēng)速輻合線，均加劇了近地層水汽和污染物的匯聚，導(dǎo)致大氣污染嚴(yán)重. 另外，也有學(xué)者開展了一些綜合指數(shù)的研究，例如，廖碧婷等[15]構(gòu)建并利用垂直交換系數(shù)對(duì)污染物的垂直輸送能力進(jìn)行評(píng)估；花叢等[16-17]結(jié)合PM2.5排放源強(qiáng)度構(gòu)建和改進(jìn)了氣象傳輸指數(shù)，并解析了北京、天津、石家莊近地面高度上的主要污染傳輸通道；張恒德等[18]統(tǒng)計(jì)得出10個(gè)對(duì)靜穩(wěn)天氣指示意義較強(qiáng)的氣象要素，并計(jì)算各要素分指數(shù)，疊加得到北京地區(qū)靜穩(wěn)天氣指數(shù). 上述指數(shù)從垂直、水平、靜穩(wěn)等不同方面表征了氣象條件對(duì)空氣污染的影響機(jī)理，包括與低層大氣和污染物擴(kuò)散相關(guān)的動(dòng)力、熱力條件因素，但對(duì)局地環(huán)流所形成的風(fēng)場(chǎng)輻合[19]考慮不足，大多文獻(xiàn)對(duì)其定性描述較多，缺乏針對(duì)性和定量化的指標(biāo)研究，傳統(tǒng)的散度量無法表征近地面多層風(fēng)疊加輻合效果和地形阻擋的影響，另外，對(duì)風(fēng)場(chǎng)輻合中心散度值接近為零時(shí)失效，具有一定局限性.

為了進(jìn)一步分析氣象條件對(duì)大氣污染的貢獻(xiàn)，該研究以石家莊區(qū)域?yàn)橹行模谝胧噶客L(fēng)系數(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種能夠定量計(jì)算近地層風(fēng)場(chǎng)輻合強(qiáng)度系數(shù)的方法，并結(jié)合典型污染過程分析石家莊風(fēng)場(chǎng)輻合形成原因及其對(duì)污染的貢獻(xiàn)，以期為提高氣象條件指標(biāo)效果和重污染預(yù)報(bào)預(yù)警提供客觀參考依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)采用歐洲氣象中心ERA-Interim再分析資料中的水平U、V分量風(fēng)和高度場(chǎng)產(chǎn)品，空間分辨率為0.25°×0.25°，每天4次，分別為北京時(shí)間02：00、08：00、14：00和20：00. 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于河北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(http:121.28.49.85:8080). 數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)段均為2016年9月—2019年3月. 所用數(shù)據(jù)還包括地理空間數(shù)據(jù)云(http:www.gscloud.cn)共享的GDEMV2 30 m分辨率的地形數(shù)字高程(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù).

1.2 研究方法

1.2.1矢量通風(fēng)系數(shù)

大氣混合層高度[20-21]及其中風(fēng)速反映了混合層內(nèi)大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋能力，通風(fēng)系數(shù)[22-24]為混合層高度與混合層高度內(nèi)平均風(fēng)速的乘積，定義：

(1)

在通風(fēng)系數(shù)的定義中，混合層高度常用實(shí)測(cè)(干絕熱法、激光雷達(dá)資料反演等)、經(jīng)驗(yàn)公式(羅氏法、國標(biāo)法)和數(shù)值模式模擬方法獲取[11,25-27]，是隨時(shí)間和空間變化的物理量. 王繼康等[28]認(rèn)為，200～600 m高度是大氣污染物的主要傳輸帶，朱芳等[29]對(duì)石家莊一次重污染過程分析得出重污染發(fā)展和維持階段大氣邊界層高度范圍為620～712 m. 為了研究近地層風(fēng)場(chǎng)輻合與大氣污染的關(guān)系，引入固定海拔高度內(nèi)的矢量通風(fēng)系數(shù)，結(jié)合石家莊地區(qū)平均海拔，最終選取固定海拔高度為700 m，采用空間多層格點(diǎn)U、V分量風(fēng)(對(duì)應(yīng)X、Y軸方向)數(shù)據(jù)分別計(jì)算，并對(duì)低于海拔高度的風(fēng)數(shù)據(jù)(一般為山體內(nèi))進(jìn)行扣除，從而獲得固定海拔高度內(nèi)格點(diǎn)化的矢量通風(fēng)系數(shù).

U分量方向(X軸為東西方向，西風(fēng)為正、東風(fēng)為負(fù))通風(fēng)系數(shù)(Vu)的計(jì)算方法：

(2)

V分量方向(Y軸為南北方向，南風(fēng)為正、北風(fēng)為負(fù))通風(fēng)系數(shù)(Vv)的計(jì)算方法：

(3)

式中：H為海拔高度,取固定值700 m；z為海拔高度，m；u(z)為隨高度變化的U分量風(fēng)速，ms；v(z)為隨高度變化的V分量風(fēng)速，ms.

1.2.2箱體模型計(jì)算輻合強(qiáng)度系數(shù)

如果在某一特定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入指定區(qū)域的通風(fēng)量多于輸出的通風(fēng)量，則表示該區(qū)域存在風(fēng)場(chǎng)輻合，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入箱體內(nèi)的通風(fēng)量越多，輻合越強(qiáng)；反之，存在風(fēng)場(chǎng)輻散. 由于大氣層內(nèi)垂直W分量風(fēng)的量級(jí)一般相對(duì)較小，該研究主要考慮水平風(fēng)的輻合貢獻(xiàn)，即水平風(fēng)場(chǎng)輻合(簡(jiǎn)稱“風(fēng)場(chǎng)輻合”). 由此，從風(fēng)場(chǎng)輻合的物理意義出發(fā)，取單位時(shí)間為秒，對(duì)于水平區(qū)域S對(duì)應(yīng)的氣柱內(nèi)，如果輸入的通風(fēng)系數(shù)大于輸出的通風(fēng)系數(shù)，那么就存在風(fēng)場(chǎng)輻合，反之存在風(fēng)場(chǎng)輻散，分別計(jì)算區(qū)域南、北、東、西4個(gè)邊界上的有效輸入通風(fēng)系數(shù)，即可得到該區(qū)域的水平風(fēng)輻合量. 綜上，利用矢量通風(fēng)系數(shù)將不同高度、方向的風(fēng)融合在一起，達(dá)到降維分析，從而將近地面多層風(fēng)輻合問題轉(zhuǎn)化為通風(fēng)系數(shù)輻合(見圖1).

圖1 箱體模型計(jì)算區(qū)域輸入輸出通風(fēng)量示意Fig.1 Schematic diagram of calculating input and output ventilation in box model

指定水平區(qū)域S和Δt時(shí)間(單位時(shí)間為秒)內(nèi)有效輸入通風(fēng)量的計(jì)算方法：

(4)

式中：FS為有效輸入通風(fēng)量，m3；k取值1～4，分別表征南、北、東、西4個(gè)邊界；Vk,in為k邊界平均輸入通風(fēng)系數(shù)，m2s；Vk,out為k邊界平均輸出通風(fēng)系數(shù)，m2s；Lk為k邊界長度，m.

為了表征風(fēng)場(chǎng)輻合的強(qiáng)弱，該研究定義單位體積氣柱內(nèi)輻合量的大小作為輻合強(qiáng)度系數(shù)，因此給定水平區(qū)域S內(nèi)輻合強(qiáng)度系數(shù)可表示為

(5)

式中：GS為輻合強(qiáng)度系數(shù)；A為水平區(qū)域面積，m2，該研究中折算為1 km2；hair為實(shí)際對(duì)應(yīng)氣柱高度，m.GS值越大，表征風(fēng)場(chǎng)輻合越強(qiáng).

1.2.3動(dòng)態(tài)窗格計(jì)算最大輻合強(qiáng)度系數(shù)

對(duì)于一個(gè)區(qū)域或者一個(gè)格點(diǎn)，選取不同大小的區(qū)域范圍所計(jì)算出來的輻合強(qiáng)度系數(shù)會(huì)大不相同，由圖2可明顯看出，矩形區(qū)域?qū)?yīng)窗格選取太大、太小或者偏離均不能最優(yōu)表征輻合區(qū)范圍，關(guān)鍵在于尋找合適的窗格，該窗格需滿足2個(gè)條件：①范圍足夠大，能夠覆蓋范圍內(nèi)所關(guān)注的輻合區(qū)；②范圍又要足夠小，小到僅能覆蓋輻合區(qū)，最好僅能覆蓋輻合區(qū)邊界.

注： Pi,j為任意格點(diǎn)，綠色框表示所選窗格最優(yōu)，紅色框范圍偏大，藍(lán)色框范圍偏離.圖2 動(dòng)態(tài)窗格確定最大風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)示意Fig.2 Schematic diagram of the dynamic window to determine the maximum wind convergence region

利用輻合強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算方法，對(duì)于任意格點(diǎn)Pi,j動(dòng)態(tài)調(diào)整其所在矩形窗格(半徑為rm)大小并計(jì)算可以得到一系列輻合強(qiáng)度系數(shù)Ci,j,m，滿足上述2個(gè)條件的窗格必然是Ci,j,m中最大的一個(gè). 因此可以利用動(dòng)態(tài)窗格掃描的方法，獲取最大Ci,j,m所在的區(qū)域作為計(jì)算窗格，所對(duì)應(yīng)的輻合強(qiáng)度系數(shù)定為格點(diǎn)Pi,j的最終輻合強(qiáng)度系數(shù)，由此得到任意格點(diǎn)Pi,j的輻合強(qiáng)度系數(shù)(Cij)：

Ci,j=maxCi,j,m

(6)

一般近地層風(fēng)場(chǎng)輻合場(chǎng)大小在2～3個(gè)經(jīng)緯度范圍，對(duì)于分辨率為0.25°×0.25°的中尺度氣象模式格點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)，設(shè)定最大掃描半徑r為4～6個(gè)格距即可覆蓋最優(yōu)輻合區(qū).

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)場(chǎng)輻合與污染成因

一般在暖低壓型天氣背景下，石家莊及其南部地區(qū)為系統(tǒng)性偏南風(fēng)，或者在東北至偏東氣流作用下，進(jìn)入石家莊的風(fēng)速逐漸減小，形成風(fēng)速輻合[30]. 另外，受太行山地形效應(yīng)的影響，石家莊夜間容易吹山風(fēng)，西部山區(qū)為偏西風(fēng)，與偏南風(fēng)構(gòu)成“人字形”輻合線[1,31]. 以2019年1月6日02：00的風(fēng)場(chǎng)輻合污染過程為例(見圖3)，石家莊近地層矢量通風(fēng)系數(shù)表現(xiàn)為東南部地區(qū)通風(fēng)系數(shù)較大，且方向指向偏西至西北，受太行山地形梯度的影響，西部和北部地區(qū)通風(fēng)系數(shù)逐漸減小(海拔高的地區(qū)為0)，方向指向偏東至東北. 從圖3(c)可以看出，紅色框內(nèi)U分量風(fēng)由東部邊界輸入，西部邊界975 hPa高度以上為弱偏西風(fēng)，975 hPa高度以下為山體影響，風(fēng)速不計(jì)入，單位時(shí)間內(nèi)東、西邊界有效輸入通風(fēng)量大于輸出量，V分量類似，這是形成近地層風(fēng)場(chǎng)輻合的根本原因，對(duì)應(yīng)石家莊近地面風(fēng)向呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速由外圍到內(nèi)部梯度逐漸減小，氣流從四周流向中心，最終形成風(fēng)向、風(fēng)速疊加地形影響的輻合場(chǎng).

注： 圖(c)中紅色框?yàn)橛?jì)算輸入通風(fēng)系數(shù)邊界.圖3 2019年1月6日02：00石家莊及周邊地區(qū)風(fēng)場(chǎng)輻合、 ρ(PM2.5)分布及U、W分量風(fēng)剖面圖Fig.3 Wind convergence ρ(PM2.5) distribution and U & W wind profiles at 02:00 on January 6th, 2019

另外，從圖3(b)所示污染分布來看，輻合區(qū)外圍的邢臺(tái)、邯鄲、保定部分地區(qū)空氣質(zhì)量以輕度至中度污染為主，為輻合提供了污染物質(zhì)條件，在風(fēng)場(chǎng)輻合作用下污染物向石家莊匯集且無法擴(kuò)散，形成風(fēng)場(chǎng)輻合性傳輸，局部地區(qū)出現(xiàn)重度至嚴(yán)重污染，污染強(qiáng)度偏高1～2個(gè)等級(jí)，而同時(shí)刻輻合較強(qiáng)、空氣質(zhì)量相對(duì)較好的北京地區(qū)沒有出現(xiàn)重污染，表明風(fēng)場(chǎng)輻合是局地污染形成的必要非充分條件，輻合只是提供了氣象條件場(chǎng)，輻合造成的污染程度與區(qū)域背景污染物濃度有關(guān)，風(fēng)場(chǎng)輻合可理解為一種“只進(jìn)不出”的污染輸送方式.

圖4 2016年11月11日02：00—12日20：00石家莊PM2.5、輻合強(qiáng)度系數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度及矢量通風(fēng)系數(shù)變化Fig.4 Changes in PM2.5, convergence intensity coefficient, wind speed, relative humidity and vector ventilation coefficient at Shijiazhuang Station from 02:00 on November 11th to 20:00 on November 12 th, 2016

注： 圖(c)中紅圈為石家莊處于明顯輻合區(qū).圖5 2016年11月11—12日不同時(shí)刻京津冀地區(qū)矢量通風(fēng)系數(shù)(箭頭)和ρ(PM2.5)分布Fig.5 The distribution of vector ventilation coefficient (arrow) and ρ(PM2.5) in Beijing-Tianjin-Hebei Region at different times from November 11th to 12th, 2016

2.2 風(fēng)場(chǎng)輻合促進(jìn)PM2.5爆發(fā)性增長

研究[32-33]表明，氣態(tài)污染物(SO2、NOx、NH3等)在高濕條件下發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化，能夠快速生成PM2.5中的二次組分(SO42-、NO3-、NH4+等)并吸濕增長，導(dǎo)致ρ(PM2.5)進(jìn)一步快速升高，出現(xiàn)PM2.5爆發(fā)性增長，這種增長背后勢(shì)必有氣象條件變化起助推作用. 利用2016年11月11日20：00石家莊出現(xiàn)的一次典型風(fēng)場(chǎng)輻合污染過程進(jìn)行分析(見圖4、5)，從氣象條件來看，前期(02：00—08：00)風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)主要集中在保定、廊坊一帶，石家莊雖然有一定的風(fēng)場(chǎng)輻合，但主要受偏西風(fēng)影響，上游污染物濃度較低，U分量通風(fēng)系數(shù)為 1 377～1 530 m2s，水平擴(kuò)散能力較強(qiáng)，08：00污染物濃度略有降低. 14：00—18：00風(fēng)速降至2 ms以下并維持小風(fēng)狀態(tài)，U、V分量通風(fēng)系數(shù)均在500 m2s以下，平均相對(duì)濕度為45%，4 h內(nèi)ρ(PM2.5)由159 μgm3逐漸增至211 μgm3，平均每小時(shí)增加13 μgm3，主要受通風(fēng)系數(shù)小、水平擴(kuò)散條件差的影響，污染物積累濃度逐漸升高[34]. 20：00前出現(xiàn)明顯風(fēng)場(chǎng)輻合，石家莊處于輻合區(qū)中心，輻合強(qiáng)度系數(shù)為59.6，V分量通風(fēng)系數(shù)由正開始轉(zhuǎn)負(fù)，相對(duì)濕度快速增加并穩(wěn)定至70%，ρ(PM2.5)出現(xiàn)峰值(261 μgm3)，19：00—20：00ρ(PM2.5)增加了50 μgm3，平均每小時(shí)增加25 μgm3，增長速度約為之前的2倍，出現(xiàn)PM2.5爆發(fā)性增長. 這主要是因?yàn)?，低空偏西氣流越過太行山后在山麓東側(cè)下沉，與平原地區(qū)吹來的偏東風(fēng)形成風(fēng)向、風(fēng)速輻合，加劇了近地層水汽和污染物的匯聚[14]，使相對(duì)濕度和污染物濃度迅速升高，為二次轉(zhuǎn)化提供了高濕條件，這種正反饋?zhàn)饔脽o疑成為促使污染物濃度爆發(fā)性增長的動(dòng)力機(jī)制，因此，輻合性傳輸是造成石家莊PM2.5爆發(fā)性增長和出現(xiàn)污染峰值的關(guān)鍵氣象條件因素[2,35].

2.3 風(fēng)場(chǎng)輻合對(duì)大氣污染的貢獻(xiàn)

為了進(jìn)一步研究風(fēng)場(chǎng)輻合對(duì)區(qū)域ρ(PM2.5)的貢獻(xiàn)，根據(jù)HJ 633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》，以ρ(PM2.5)>150 μgm3(對(duì)應(yīng)AQI>200)作為重污染篩選條件，并剔除春節(jié)、沙塵過程時(shí)段數(shù)據(jù)，選取2016年9月—2019年3月石家莊具典型輻合污染特征時(shí)次的數(shù)據(jù)樣本10組. 以石家莊鄰近的保定、廊坊、邢臺(tái)、衡水、邯鄲中沒有明顯風(fēng)場(chǎng)輻合的站點(diǎn)ρ(PM2.5)均值作為區(qū)域背景值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表1)顯示，發(fā)生風(fēng)場(chǎng)輻合污染時(shí)ρ(PM2.5)是區(qū)域背景值的2～3倍，利用石家莊ρ(PM2.5)相對(duì)于區(qū)域背景值的偏高率作為風(fēng)場(chǎng)輻合對(duì)污染濃度貢獻(xiàn)的參考量，統(tǒng)計(jì)得出風(fēng)場(chǎng)輻合對(duì)大氣污染貢獻(xiàn)在85%～200%之間，平均值為155%. 另外還可以看出，輻合強(qiáng)度系數(shù)越大、區(qū)域背景值越高，最終污染程度越強(qiáng)，表明在不考慮地區(qū)排放源和其他氣象要素差異的情況下，風(fēng)場(chǎng)輻合有利于污染物的局地積累，是形成局部區(qū)域污染物濃度偏高的主要?dú)庀髼l件因素，受非單一因子影響，貢獻(xiàn)參考量與輻合強(qiáng)度系數(shù)呈非線性關(guān)系. 由于輻合強(qiáng)度系數(shù)越大，風(fēng)場(chǎng)輻合越強(qiáng)，可將最小值26.1(取整26)作為指標(biāo)下限值閾值，不設(shè)上限，高于該值，則認(rèn)為風(fēng)場(chǎng)輻合將對(duì)污染貢獻(xiàn)明顯.

表1 石家莊10次典型風(fēng)場(chǎng)輻合污染過程統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)論

a) 通過引入矢量通風(fēng)系數(shù)物理量集成了多層風(fēng)疊加效果，并結(jié)合箱體模型提出了一種定量計(jì)算近地層風(fēng)場(chǎng)輻合強(qiáng)度系數(shù)的方法，能夠反映地形阻擋引起的輻合量，該指標(biāo)值越大，表征風(fēng)場(chǎng)輻合作用越強(qiáng)，可作為基礎(chǔ)物理量用于風(fēng)場(chǎng)輻合過程強(qiáng)弱對(duì)比和污染氣象條件預(yù)報(bào).

b) 石家莊風(fēng)場(chǎng)輻合主要為偏南風(fēng)或者東北轉(zhuǎn)偏東風(fēng)兩種類型氣流疊加地形影響造成的，在近地層主要表現(xiàn)為風(fēng)向、風(fēng)速輻合，從矢量通風(fēng)系數(shù)分析，均可歸結(jié)為該地區(qū)東部(南部)輸入通風(fēng)量大于西部(北部)輸出通風(fēng)量.

c) 風(fēng)場(chǎng)輻合使污染物和空氣中的水汽快速局地聚集，為大氣污染物二次轉(zhuǎn)化提供濕度條件，是形成局部區(qū)域污染物濃度偏高和PM2.5爆發(fā)性增長的重要?dú)庀笠蛩? 但輻合污染需要一定的污染基礎(chǔ)，當(dāng)背景大氣污染物濃度較低時(shí)，即使有風(fēng)場(chǎng)輻合，也不容易出現(xiàn)污染物濃度比周邊明顯偏高的現(xiàn)象.

d) 石家莊近地層輻合強(qiáng)度系數(shù)在26以上時(shí)，風(fēng)場(chǎng)輻合對(duì)污染貢獻(xiàn)作用明顯，輻合區(qū)內(nèi)污染強(qiáng)度比周邊地區(qū)偏高1～2個(gè)等級(jí)，ρ(PM2.5)比區(qū)域背景值偏高85%～200%. 由于精確定量區(qū)分風(fēng)場(chǎng)輻合造成的污染貢獻(xiàn)尚存在技術(shù)難題，該貢獻(xiàn)參考量是利用輻合區(qū)污染物濃度與區(qū)域背景值差來確定，沒有考慮地區(qū)排放源差異和其他氣象要素影響.