延慶地區(qū)山谷風(fēng)對PM2.5濃度的影響

吳 進(jìn),李 琛,馬志強(qiáng),馬小會,孫兆彬,韓婷婷,朱曉婉

延慶地區(qū)山谷風(fēng)對PM2.5濃度的影響

吳 進(jìn)1,2,李 琛3*,馬志強(qiáng)1,馬小會1,孫兆彬4,韓婷婷1,朱曉婉1

(1.京津冀環(huán)境氣象預(yù)報預(yù)警中心,北京 100089；2.上甸子國家大氣本底站,北京 101507；3.北京市氣象服務(wù)中心,北京 100089；4.北京城市氣象研究院,北京 100089)

基于2015～2019年北京生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和氣象數(shù)據(jù),分析了延慶地區(qū)山谷風(fēng)對PM2.5濃度的影響,揭示了含山谷風(fēng)環(huán)流污染過程(事件1)與未有山谷風(fēng)污染過程(事件2)初始階段的異同及其氣象影響機(jī)制.結(jié)果表明,延慶持續(xù)性污染過程集中在9月～次年3月,共計63次,其中27次(43%)伴隨1d或多天的山谷風(fēng)日,39d山谷風(fēng)中有32d(82%)出現(xiàn)在污染過程的初始階段,18%出現(xiàn)在峰值階段;36次過程未出現(xiàn)山谷風(fēng)日.山谷風(fēng)日逐時PM2.5濃度大于非山谷風(fēng)日4.5～15.4μg/m3,全日差值最大時段為谷風(fēng)階段(15:00～19:00)均大于13μg/m3,山谷風(fēng)日存在SSE-ESE風(fēng)頻中心0.59%, 15:00～16:00風(fēng)速3.3m/s左右,非山谷風(fēng)日風(fēng)頻中心在WSW-SW和SE-ESE,最大值為0.41%,風(fēng)速較山谷風(fēng)日小.事件1和2初始階段PM2.5濃度變化關(guān)鍵期為15:00～19:00,事件1風(fēng)向E-SSE風(fēng)速2～4m/s,PM2.5增長速率大于事件2,與露點變化趨勢基本一致,23:00事件1PM2.5濃度顯著高于事件2 20μg/m3左右,污染過程發(fā)展初期出現(xiàn)的山谷風(fēng)環(huán)流谷風(fēng)階段的偏東南風(fēng)形成氣溶膠和絕對水汽的區(qū)域傳輸,對PM2.5濃度的升高有正貢獻(xiàn).平原空氣污染過程(延慶未出現(xiàn))特殊污染型占比20%,該類污染型白天風(fēng)頻中心分布分散,NNW-WNW、SW-SSW和ENE-NNE均有0.7%左右的風(fēng)頻中心,未出現(xiàn)S-ESE的風(fēng)頻.

山谷風(fēng)環(huán)流；PM2.5；延慶；污染過程；風(fēng)頻；區(qū)域輸送

北京市延慶區(qū)平均海拔在500m以上,氣候特點與北京平原地區(qū)差異較大.遠(yuǎn)郊山區(qū)空氣質(zhì)量往往優(yōu)于集約化城區(qū),但在特定風(fēng)場下易受相鄰人口、產(chǎn)業(yè)密集區(qū)區(qū)域輸送影響[1-4].延慶區(qū)雖然以山區(qū)居多,且人口密度小、無大型產(chǎn)業(yè)分布,但秋冬季節(jié)仍有重污染天氣發(fā)生,尤其在2015年之前重污染天氣發(fā)生頻率較高.隨著大氣污染防治行動計劃(“大氣十條”)[5]頒布實施以來,京津冀重點區(qū)域的年均PM2.5濃度降幅顯著[6],延慶區(qū)的PM2.5濃度也逐年下降,但近年來秋冬季延慶重污染發(fā)生頻率仍高于懷柔、密云等其他山區(qū),嚴(yán)重威脅人類健康并帶來極為負(fù)面的社會影響[7-10],冬奧會期間正值污染多發(fā)季,因此,深入研究延慶空氣重污染機(jī)制仍十分必要.

延慶區(qū)三面環(huán)山(圖1),主要城區(qū)位于延懷盆地之中,西臨官廳水庫,北面海坨山為北京境內(nèi)最高海拔山脈,為典型的山谷地形,盛行山谷風(fēng)系.山谷風(fēng)是由于山地附近空氣與同一高度上的自由大氣之間存在溫差而產(chǎn)生的局地?zé)崃︼L(fēng)系,這類溫差只要幾分之一度便足以引起山谷風(fēng)[11].在山谷風(fēng)的進(jìn)、退過程中可以造成溫度等各種氣象要素變化,還可造成風(fēng)場的輻合或切變,往往對污染物的輸送和聚積產(chǎn)生重要影響[12],很多重污染事件都是向山前輸送并積累的過程[13-14].很多學(xué)者研究表明局地山谷風(fēng)環(huán)流是影響復(fù)雜山地下大氣污染的主要氣象因素之一,很大程度影響北京地區(qū)PM2.5的分布形態(tài)[15-16].游春華等[17]通過中尺度模式模擬結(jié)果表明京津地區(qū)夏季受山谷風(fēng)、海陸風(fēng)影響明顯,山谷風(fēng)最大范圍可覆蓋整個平原地區(qū),山谷風(fēng)更替過程中在山前出現(xiàn)匯聚帶;蘇福慶等[18]提出太行山山前、燕山山前輸送匯及其擺動常造成華北平原區(qū)域大氣污染物匯聚,弱氣壓場或均壓場背景下地方性山風(fēng)及山前串狀城市熱島群形成的熱力性、動力性低壓環(huán)流,是輸送匯形成的主要原因;朱翠娟等[19]指出京津冀區(qū)域在典型局地環(huán)流控制時,大氣氣溶膠濃度可比平時高一個量級.另外,邊界層氣溶膠積累到一定階段還會改變邊界層氣象條件,導(dǎo)致逆溫增強(qiáng)、底層增濕和大氣穩(wěn)定度增加等,形成不利氣象條件和高濃度氣溶膠之間的雙向反饋[20-22].

目前,國內(nèi)外關(guān)于北京山谷風(fēng)的研究大都集中在平原地區(qū)山谷風(fēng)現(xiàn)象,還未有針對延慶復(fù)雜山地地形下異于平原山谷風(fēng)的研究,而延慶地區(qū)與平原的地形差別決定了二者形成的山谷環(huán)流差異性較大.延慶由于本地人口、產(chǎn)業(yè)分布密度小,其重污染事件的發(fā)生大多由于區(qū)域傳輸作用,在某些山谷風(fēng)日下,延慶出現(xiàn)重度污染,但并非所有的山谷風(fēng)環(huán)流影響下延慶地區(qū)都會出現(xiàn)PM2.5濃度顯著上升,這與山谷風(fēng)環(huán)流形成的厚度、山風(fēng)谷風(fēng)持續(xù)時間、谷風(fēng)風(fēng)向和上游PM2.5濃度模態(tài)等因素密切相關(guān),研究延慶山谷風(fēng)對污染的影響機(jī)制對空氣質(zhì)量定時定點的精細(xì)化預(yù)報具有重要參考價值.

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文利用北京大氣環(huán)境監(jiān)測中心實時發(fā)布的北京區(qū)域35個監(jiān)測站逐時PM2.5濃度數(shù)據(jù)(http://zx.bjmemc.com.cn/).北京地區(qū)地面人工觀測氣象站和加密自動氣象站風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、露點等氣象數(shù)據(jù)來自北京市氣象局信息中心,均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制.

1.2 延慶地區(qū)山谷風(fēng)計算方法

值得指出的是,延慶地區(qū)山谷風(fēng)與北京地區(qū)有一定相同處,為偏南風(fēng)和偏北風(fēng)的轉(zhuǎn)折.本文白天和夜間的界限使用2015～2019年每月北京地區(qū)日出日落的平均時間.

圖1 延慶區(qū)地形及篩選自動站位置

延慶氣象站(五角星);延懷盆地所選自動站:農(nóng)場(實心圓)、張老營(三角形)、東營門(方形)、野鴨湖濕地(叉形)和葡萄博覽園(空心圓)

1.3 邊界層高度計算方法

基于2015～2019年延慶氣象站逐小時人工觀測數(shù)據(jù),使用地面氣溫、地面露點溫度、風(fēng)速、云量、地面粗糙度等氣象要素,采用羅氏法[25-26]計算得出延慶站逐小時邊界層高度,計算方法如下:

式中:為地面氣溫,℃;d為地面露點溫度,℃;u為高度處的風(fēng)速,m/s;0為地面粗糙度;為柯氏參數(shù),=2sin;為帕斯奎爾穩(wěn)定度級別(大氣穩(wěn)定度級別為A～F時,值依次為1～6).目前,氣象部門取消了夜間云觀測,為了保持全天計算結(jié)果一致,帕斯奎爾穩(wěn)定度級別中的云量數(shù)據(jù)采用了靜止氣象衛(wèi)星FY-2E的反演結(jié)果.對比分析表明,帕斯奎爾穩(wěn)定度級別與使用人工觀測云量的計算結(jié)果一致[27-28].

2 結(jié)果與討論

2.1 2015～2019年延慶地區(qū)山谷風(fēng)日與污染日分布

根據(jù)1.2所示計算方法得出延慶地區(qū)2015～ 2019年共有山谷風(fēng)日384d(圖2),其中50～69d出現(xiàn)在3～5月,為全年最多時段;山谷風(fēng)日最少月份出現(xiàn)在11月～次年2月,為9～14d,這種變化特征與太陽輻射季節(jié)變化直接相關(guān)[29].從延慶站PM2.5的月際變化來看,全年高值時段集中在10月～次年3月,正值山谷風(fēng)的少發(fā)時段,但仍有不少重污染過程伴隨山谷風(fēng)環(huán)流出現(xiàn).

圖2 延慶地區(qū)山谷風(fēng)日和PM2.5變化特征

綠色陰影代表輕度污染及以上日數(shù)

表1 2015～2019年持續(xù)性污染過程和山谷風(fēng)日對應(yīng)關(guān)系

注:加粗表示伴隨山谷風(fēng)日的污染過程.

本研究將日均AQI輕度污染及以上并持續(xù)2d及以上的污染過程定義為持續(xù)性污染過程,2015～ 2019年持續(xù)性污染過程集中在9月～次年3月,共計63次,其中27次(43%)伴隨1d或多天的山谷風(fēng)日, 39d山谷風(fēng)中有32d(82%)出現(xiàn)在污染過程的初始階段(第1或2d),只有18%出現(xiàn)在污染過程濃度峰值階段;36次過程未出現(xiàn)山谷風(fēng)日.

2.2 2015～2019年山谷風(fēng)日和非山谷風(fēng)日對PM2.5的影響

為進(jìn)一步研判山谷風(fēng)環(huán)流的存在是否對污染過程發(fā)展有正貢獻(xiàn),首先對比山谷風(fēng)日和非山谷風(fēng)日的PM2.5小時濃度日變化發(fā)現(xiàn)(圖3),山谷風(fēng)日下平均逐時PM2.5濃度均大于非山谷風(fēng)日平均值4.5～15.4μg/m3,二者最大差值出現(xiàn)在16:00,而15:00～19:00均大于13μg/m3,為全日差值最大時段,處于谷風(fēng)階段;最小差值出現(xiàn)在00:00,00:00～02:00為全日差值最小時段,均小于5.5μg/m3,處于山風(fēng)階段.在山谷風(fēng)環(huán)流影響下,延慶地區(qū)的PM2.5濃度較非山谷風(fēng)日更易上升,無論是PM2.5日均濃度還是逐時濃度都偏大,尤其在午后谷風(fēng)階段這一特征更為明顯,說明山谷局地環(huán)流對本地PM2.5濃度有重要影響,這與山谷風(fēng)環(huán)流風(fēng)向和風(fēng)速日變化密切相關(guān).

圖3 延慶地區(qū)山谷風(fēng)日和所有日數(shù)PM2.5日變化特征

通過對比山谷風(fēng)日和非山谷風(fēng)日的風(fēng)頻和風(fēng)矢量日變化(圖4)發(fā)現(xiàn),在山谷風(fēng)日和非山谷風(fēng)日夜間二者風(fēng)向和風(fēng)矢量時間變化較為類似,但二者PM2.5濃度差值最大時段15:00～19:00風(fēng)向和風(fēng)速有顯著差別,山谷風(fēng)日該時段存在SSE-ESE方向的風(fēng)頻大值中心,最大風(fēng)頻0.59%; 15:00～16:00風(fēng)速3.3m/s左右,為全天最大, 非山谷風(fēng)日在該時段風(fēng)頻大值在WSW-SW和SE-ESE,最大值為0.41%,小于山谷風(fēng)日偏東南風(fēng)出現(xiàn)的概率.從風(fēng)速合成上來看,15:00～19:00以偏南風(fēng)為主,風(fēng)速較山谷風(fēng)日小.說明谷風(fēng)階段15:00～19:00的偏東南風(fēng)風(fēng)頻大值中心對PM2.5濃度的上升有正貢獻(xiàn),由于延慶位于北京平原的西北向,一旦盛行東南風(fēng),可將平原較高濃度的氣溶膠越山傳輸至延懷盆地,這種區(qū)域傳輸強(qiáng)度與偏東南風(fēng)的厚度、風(fēng)速大小和持續(xù)時間等因素直接相關(guān).

圖4 延慶山谷風(fēng)和非山谷風(fēng)日風(fēng)向頻率及風(fēng)矢量日變化

a,b:山谷風(fēng)日;c,d:非山谷風(fēng)日;黑框為15:00～20:00 S-E方向風(fēng)頻分布

2.3 2015～2019年含山谷風(fēng)日和無山谷風(fēng)日污染過程發(fā)展階段特征異同

結(jié)合表1,82%山谷風(fēng)出現(xiàn)在持續(xù)性污染過程初始階段,研究這些包含山谷環(huán)流的污染過程(事件1,下同)初始階段是否比未出現(xiàn)山谷風(fēng)環(huán)流的污染過程(事件2,下同)發(fā)展的更快. 將事件1和2初始階段(持續(xù)性污染過程的第1或2d)PM2.5濃度變化合成(圖5)可得,無論是事件1或2,都存在2個PM2.5上漲期,①期出現(xiàn)在06:00～10:00,事件1和2差異較小,PM2.5濃度上升約30μg/m3,②期出現(xiàn)在15:00～ 23:00,20:00之前上升速率大于20:00之后,事件1PM2.5濃度增幅大于事件2約11μg/m3.

圖5 事件1和2初始階段平均PM2.5和邊界層高度日變化

虛線框①代表07:00～10:00 PM2.5上漲期,②代表15:00～23:00 PM2.5上漲期

事件1和2的邊界層高度最低出現(xiàn)在09:00～ 10:00(圖5),近地面相對濕度最高出現(xiàn)在07:00～ 08:00,①期PM2.5濃度上漲可能與邊界層的壓縮及高濕環(huán)境有關(guān),本研究主要關(guān)注②期.在②期中, PM2.5濃度與露點變化趨勢較為一致(圖5,6),15:00事件1PM2.5濃度、露點均小于事件2,15:00～ 19:00PM2.5快速上升,且事件1增長速度大于事件2,19:00之后增長速率減小,23:00事件1PM2.5濃度顯著高于事件2 20μg/m3左右,露點變化類似.

圖6 事件1和2初始階段相對濕度和露點日變化

虛線框①代表07:00～10:00 PM2.5上漲期,②代表15:00～23:00 PM2.5上漲期

上述合成結(jié)果可得,事件1比事件2PM2.5濃度高的關(guān)鍵時段為15:00～19:00,在該時段事件1PM2.5濃度快速上升,入夜后顯著高于事件2并維持,對污染過程發(fā)展趨勢起重要決定作用.15:00～19:00是谷風(fēng)階段偏東南風(fēng)影響時段,在E-SSE風(fēng)向下2～ 4m/s閾值、SE-SSE風(fēng)向下>4m/s時PM2.5均值濃度大于其他風(fēng)向(圖7a),同時,風(fēng)矢量日變化平均顯示(圖7b)該時段偏東南風(fēng)風(fēng)速為2～4m/s,但在事件2這一特征并不突出(圖7c,d).以上結(jié)果說明污染過程發(fā)展初期出現(xiàn)的山谷風(fēng)環(huán)流谷風(fēng)階段的偏東南風(fēng)對延慶地區(qū)PM2.5濃度的升高起重要作用,PM2.5濃度和地面露點在同一時刻顯著上升,說明東南谷風(fēng)在形成污染物區(qū)域輸送的同時,也形成絕對水汽含量(露點)傳輸,更有利于邊界層高濕環(huán)境的維持,對PM2.5增長有正貢獻(xiàn).

圖7 事件1和2初始階段各風(fēng)向風(fēng)速下PM2.5濃度(a,c)和風(fēng)矢量日變化(b,d)

a,b:事件1;c,d:事件2

3 討論

除上述污染過程之外,還存在一種特殊污染類型,即北京平原地區(qū)出現(xiàn)空氣污染過程,但延慶地區(qū)空氣質(zhì)量仍以優(yōu)、良為主,這種情形下延慶地區(qū)盛行風(fēng)向如何演變?這對空氣質(zhì)量定點精細(xì)化預(yù)報發(fā)展至關(guān)重要.

通過篩選北京平原地區(qū)和延慶PM2.5日均濃度可得,在2015～2019年平原地區(qū)大于150μg/m3134d中,延慶地區(qū)有27d(20%)PM2.5濃度小于115μg/m3, 66d(49%)大于150μg/m3,大部分的平原污染過程都對延慶造成了區(qū)域傳輸.將27d進(jìn)行合成(圖8)發(fā)現(xiàn),夜間風(fēng)頻仍集中在E-NNE,白天風(fēng)頻中心分布分散,10:00～18:00NNW-WNW、SW-SSW和ENE- NNE均有0.7%左右的中心,但未出現(xiàn)S-ESE的風(fēng)頻,說明污染物的越山傳輸通道并未建立.結(jié)合上述分析,越山通道的建立實質(zhì)上是一定厚度的偏東南風(fēng)的建立,這種通道與谷風(fēng)密切相關(guān),與延慶和平原地區(qū)山谷風(fēng)的耦合機(jī)制有一定聯(lián)系,山谷風(fēng)的三維特征還需數(shù)值模式模擬進(jìn)一步研判.

圖8 延慶地區(qū)風(fēng)頻日變化

4 結(jié)論

4.1 延慶地區(qū)2015～2019年共有山谷風(fēng)日384d,全年最多為3～5月,最少月份為11月～次年2月.延慶持續(xù)性污染過程集中在9月～次年3月,共計63次,其中27次(43%)伴隨1d或多天的山谷風(fēng)日,39d山谷風(fēng)中有32d(82%)出現(xiàn)在污染過程的初始階段(第1或2天),18%出現(xiàn)在峰值階段;36次過程未出現(xiàn)山谷風(fēng)日.

4.2 延慶山谷風(fēng)日逐時PM2.5濃度大于非山谷風(fēng)日4.5～15.4μg/m3,全日差值最大時段為谷風(fēng)階段15:00～19:00,風(fēng)向和風(fēng)速有顯著差異,山谷風(fēng)日存在SSE-ESE風(fēng)頻中心0.59%,15:00～16:00風(fēng)速3.3m/s左右,非山谷風(fēng)日風(fēng)頻中心在WSW-SW和SE-ESE,最大值為0.41%,風(fēng)速較山谷風(fēng)日小.

4.3 包含山谷環(huán)流的污染過程(事件1)和未出現(xiàn)山谷風(fēng)環(huán)流的污染過程(事件2)初始階段PM2.5濃度日變化有2個PM2.5上漲期,①期與邊界層的壓縮及高濕環(huán)境有關(guān);②期事件1PM2.5增長速率大于事件2,與偏東南風(fēng)形成氣溶膠和絕對水汽的區(qū)域傳輸有關(guān).

4.4 北京平原地區(qū)出現(xiàn)空氣污染過程,而延慶地區(qū)仍以優(yōu)、良為主的特殊污染型占比20%,該類污染型未出現(xiàn)S-ESE的風(fēng)頻.

[1] Carbone C, Decesari S, Paglione M, et al. 3-year chemical composition of free tropospheric PM1at the Mt. Cimone GAW global station – South Europe – 2165m a.s.l [J]. Atmospheric Environment, 2014,87:218-227.

[2] Diémoz H, Barnaba F, Magri T, et al. Transport of Po Valley aerosol pollution to the northwestern Alps – Part 1: Phenomenology [J]. Atmospheric Chemistry Physics, 2019,19:3065-3095.

[3] Finardi S, Silibello C, D’Allura A, et al. Analysis of pollutants exchange between the Po Valley and the surrounding European region [J]. Urban Climate, 2014,10:682-702.

[4] Larsen B R, Gilardoni S, Stenstr?m K, et al. Sources for PM air pollution in the Po Plain, Italy: II. Probabilistic uncertainty characterization and sensitivity analysis of secondary and primary sources [J]. Atmospheric Environment, 2012,50:203-213.

[5] 國務(wù)院.大氣污染防治行動計劃[Z]. http://www.gov.cn/zwgk/ 2013～09/12/content_2486773.htm, 2013-09-12.

The State Council. The action plan on prevention and control of air pollution [Z]. http://www.gov.cn/zwgk/2013～09/12/content_2486773. htm, 2013-09-12.

[6] 張 強(qiáng),耿冠楠.中國清潔空氣行動對PM2.5污染的影響[J]. 中國科學(xué):地球科學(xué), 2020,50:439-440.

Zhang Q, Geng G N. Impact of clean air action on PM2.5pollution in China [J]. Science China Earth Sciences, 2019,62:1845-1846.

[7] 肖致美,徐 虹,蔡子穎,等.2020年天津市兩次重污染天氣污染特征分析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2020,41(9):3879-3888.

Xiao Z M, Xu H, Cai Z Y, et al. Characterization of two heavy pollution episodes in Tianjin in 2020 [J]. Environmental Science, 2020,41(9):3879-3888.

[8] 周靜博,段菁春,王建國,等.2019年元旦前后石家莊市重污染過程PM2.5污染特征及來源解析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2020,41(1):39-49.

Zhou J B, Duan J C, Wang J G, et al. Analysis of pollution characteristics and sources of PM2.5during heavy pollution in Shijiazhuang city around New Year's Day 2019 [J]. Environmental Science, 2020,41(1):39-49.

[9] 呂 喆,魏 巍,周 穎,等.2015～2016年北京市3次空氣重污染紅色預(yù)警PM2.5成因分析及效果評估[J]. 環(huán)境科學(xué), 2019,40(1):1-10.

Lü Z, Wei W, Zhou Y, et al. Cause and effect evaluation of PM2.5during three red alerts in Beijing from 2015 to 2016 [J]. Environmental Science, 2019,40(1):1-10.

[10] 賈 佳,叢 怡,高清敏,等.中原城市冬季兩次重污染形成機(jī)制及來源[J]. 環(huán)境科學(xué), 2020,41(12):5256-5266.

Jia J, Cong Y, Gao Q M, et al. Formation mechanism and source analysis of two heavy pollution periods in winter in a central plains city [J]. Environmental Science, 2020,41(12):5256-5266.

[11] 壽紹文,勵申申,壽亦萱,等.中尺度氣象學(xué)[M]. 北京:氣象出版社, 2009.

Shou S W, Li S S, Shou Y X, et al. Mesoscale atmospheric dynamics [M]. Beijing: Higher Education Press, 2009.

[12] 劉樹華,劉振鑫,李 炬,等.京津冀地區(qū)大氣局地環(huán)流耦合效應(yīng)的數(shù)值模擬[J]. 中國科學(xué)D輯:地球科學(xué), 2009,39(1):88-98.

Liu S H, Liu Z X, Li J, et al. Numerical simulation of coupling effect of local atmospheric circulation in Beijing-Tianjin-Hebei region [J]. Science China Earth Sciences, 2009,39(1):88-98.

[13] 康 娜,辛金元,藺永耀,等.北京山前典型細(xì)粒子污染過程的氣象條件分析[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2009,22(9):1013-1020.

Kang N, Xin J Y, Lin Y Y, et al. Meteorological condition analysis of a typical fine particle pollution event in the piedmont region of Beijing [J]. Research of Environmental Sciences, 2009,22(9):1013-1020.

[14] 王 躍,王莉莉,趙廣娜,等.北京冬季PM2.5重污染時段不同尺度環(huán)流形勢及邊界層結(jié)構(gòu)分析[J]. 氣候與環(huán)境研究, 2014,19(2):173-184.

Wang Y, Wang L L, Zhao G N, et al. Analysis of different-scales circulation patterns and boundary layer structure of PM2.5heavy pollutions in Beijing during winter [J]. Climatic and Environmental Research, 2014,19(2):173-184.

[15] 董 群,趙普生,王迎春,等.北京山谷風(fēng)環(huán)流特征分析及其對PM2.5濃度的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2017,38(6):2218-2230.

Dong Q, Zhao P S, Wang Y C, et al. Impact of mountain-valley wind circulation on typical cases of air pollution in Beijing [J]. Environmental Science, 2017,38(6):2218-2230.

[16] 李青春,李 炬,鄭祚芳,等.冬季山谷風(fēng)和海陸風(fēng)對京津冀地區(qū)大氣污染分布的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2019,40(2):513-524.

Li Q C, Li J, Zheng Z F, et al. Influence of mountain valley breeze and sea land breeze in winter on distribution of air pollutants in Beijing-Tianjin-Hebei region [J]. Environmental Science, 2019,40 (2):513-524.

[17] 游春華,蔡旭輝,宋 宇,等.京津地區(qū)夏季大氣局地環(huán)流背景研究[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006,42(6):779-783.

You C H, Cai X J, Song J, et al. Local atmospheric circulations over Beijing-Tianjin area in summer [J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2006,42(6):779-783.

[18] 蘇福慶,任陣海,高慶先,等.北京及華北平原邊界層大氣中污染物的匯聚系統(tǒng)—邊界層輸送匯[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2004,17(1):21-33.

Su F Q, Ren Z H, Gao Q X, et al. Convergence system of air contamination in boundary layer above Beijing and North China: Transportation convergence in boundary layer [J]. Research of Environmental Sciences, 2004,17(1):21-33.

[19] 朱翠娟,葉卓佳,段寶忠,等.秋冬季節(jié)京津渤地區(qū)局地環(huán)流特征及氣溶膠分布規(guī)律[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 1982,2(4):342-350.

Zhu C J, Ye Z J, Duan B Z, et al. Characteristics of local circulation and aerosol distribution over Beijing-Tianjin area during autumn and winter [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 1982,2(4):342-350.

[20] Miao Y, Li J, Miao S, et al. Interaction between planetary boundary layer and PM2.5pollution in megacities in China: a review [J]. Current Pollution Reports, 2019,5:261-271.

[21] Wilcox E M, Thomas R M, Praveen P S, et al. Black carbon solar absorption suppresses turbulence in the atmospheric boundary layer [J]. Proceedings of the National Academy of Science, 2016,113:11794-11799.

[22] Zhong J T, Zhang X Y, Dong Y S, et al. Feedback effects of boundary-layer meteorological factors on cumulative explosive growth of PM2.5during winter heavy pollution episodes in Beijing from 2013 to 2016 [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2018, 18:247-258.

[23] 張人文,范紹佳,李穎敏.2008年秋季從化山谷風(fēng)觀測研究[J]. 熱帶氣象學(xué)報, 2012,28(1):134-139.

Zhang R W, Fan S J, Li Y M. Observational study of mountain-valley breeze over Conghua in 2008 fall [J]. Journal of tropical meteorology, 2012,28(1):134-139.

[24] 鄭祚芳,任國玉,高 華.北京地區(qū)局地環(huán)流觀測分析[J]. 氣象, 2018,44(3):425-433.

Zheng Z F, Ren G Y, Gao H. Analysis of the local circulation in Beijing area [J]. Meteorological Monthly, 2018,44(3):425-433.

[25] 李宗愷,潘云仙,孫潤橋.空氣污染氣象學(xué)原理及應(yīng)用[M]. 北京:氣象出版社, 1985.

Li Z K, Pan Y X, Sun R Q. Principles and applications of air pollution meteorology (in Chinese) [M]. Beijing: Higher Education Press, 1985.

[26] 童志權(quán).大氣環(huán)境影響評價[M]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1988.

Tong Q Z. Environmental impact assessment on air [M]. Beijing: China Environmental Science Press, 1988.

[27] 孫兆彬,廖曉農(nóng),王占山,等.北京地區(qū)空氣重污染下霧凇和偏東風(fēng)對PM2.5清除作用 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2016,37(10):3679-3685.

Sun Z B, Liao X N, Wang Z S, et al. Scavenging effect of rime and east wind on PM2.5under air heavy pollution in Beijing [J]. Environmental Science, 2016,37(10):3679-3685.

[28] 廖曉農(nóng),孫兆彬,何 娜,等.邊界層低空急流導(dǎo)致北京PM2.5迅速下降及其形成機(jī)制的個例分析 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2016,37(1):51-59.

Liao X N, Sun Z B, He N, et al. A case study on the rapid cleaned away of PM2.5pollution in Beijing related with BL jet and its mechanism [J]. Environmental Science, 2016,37(1):51-59.

[29] Wagner J S, Gohm A, Rotach M W. The impact of valley geometry on daytime thermally driven flows and vertical transport processes [J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2014,141: 1780-1794.

Effect of mountain-valley wind on PM2.5concentrations in Yanqing Area.

WU Jin1,2, LI Chen3*, MA Zhi-qiang1, MA Xiao-hui1, SUN Zhao-bin4, HAN Ting-ting1, ZHU Xiao-wan1

(1.Environmental Meteorology Forecast Center of Beijing-Tianjin-Hebei, Beijing 100089, China；2.Shangdianzi National Atmosphere Background Station, Beijing 101507, China；3.Beijing Meteorological Service Center, Beijing 100089, China；4.Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China)., 2022,42(1)：61～67

Based on the environmental monitoring data and meteorological data of Beijing from 2015 to 2019, this study analyzed the impact of mountain-valley wind on PM2.5concentrations in Yanqing and revealed the separateness, the similarities and the differences between (the event 1) initial stage of air pollution event with mountain-valley wind and (the event 2) non-mountain-valley wind and its meteorological mechanism. The result showed that persistent pollution concentrated in September to March of the next year with a total of 63 times, of which 27 times (43%) were accompanied by one or more mountain-valley days and 82% mountain-valley days appeared in the initial stage of the pollution event and 18% appeared in the peak stage. The hourly PM2.5concentrations in mountain-valley days ( the event 1) were higher than those in non-mountain-valley days (the event 2) by 4.5～15.4μg/m3. The maximum diurnal difference was in the stage of valley wind, which was greater than 13μg/m3from 15:00 to 19:00. The wind frequency center of SSE-ESE was 0.59% with the wind speed about 3.3m/s from 15:00 to 16:00. The wind frequency centers of non-mountain-valley wind days were WSW-SW and SE-ESE with the maximum value of 0.41% and the wind speed was smaller than that of mountain-valley days. In the initial stage of both events 1 and 2, the critical period of PM2.5concentration change was from 15:00 to 19:00. The wind direction of event 1 was E-SSE and the wind speed was 2～4m/s. In the event 1, the growth rate of PM2.5was greater than that of event 2, which was basically consistent with the trend of dew point temperature change. The PM2.5concentration of event 1was significantly higher than that of event 2.The meteorological mechanism can be so summarized: the mountain-valley wind circulation appears in the initial stage of the pollution event, then in the later stage, the southeast wind in the valley from the regional transport of aerosol and water vapor, which have a positive contribution to the increase of PM2.5concentration. This special type of air pollution events accounted for 20% in the Beijing plain (outside of Yanqing aera and the wind orientation centers were scattered in the daytime with NNW-WNW, SW-SSW and ENE-NNE about 0.7% and S-ESE orientation.

mountain-valley wind；PM2.5；Yanqing；air pollution events；wind frequency；regional transportation

X513

A

1000-6923(2022)01-0061-07

吳 進(jìn)(1984-),女,福建莆田人,高級工程師,碩士,主要研究方向為區(qū)域大氣污染.發(fā)表論文20余篇.

2021-05-27

國家重點研發(fā)計劃(2017YFC0210003);北京市科技新星項目(xx2017079);北京市自然科學(xué)基金資助項目(8204075);上甸子國家大氣本底站開放研究課題(SDZ2020611)

* 責(zé)任作者, 高級工程師,13635435@qq.com