2018年4月初哈爾濱市一次罕見重度霾天氣過程分析

王美迪，梁睿怡

民航黑龍江空管分局，黑龍江哈爾濱 150000

霾是一種天氣現(xiàn)象，主要是指空中有大量極細微的干塵粒均勻浮游，使水平能見度不足10.0 km的渾濁現(xiàn)象，又被稱為灰霾[1]。霾在降低空氣能見度的同時，還會增加交通安全事故發(fā)生率，嚴重危害人們的身體健康[2]。近年來，因社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程不斷加快，大氣污染特別是城市霾污染問題日益加劇，已經(jīng)引起了社會各界的廣泛關(guān)注。本文從環(huán)流形勢、氣象要素、污染物和污染傳輸特征等方面，對哈爾濱市2018年4月4—5日霾天氣過程進行分析，為日后霾天氣預(yù)報提供參考。

1 霾天氣實況

2018年4月4日21:00~5日13:00，哈爾濱市連續(xù)17 h出現(xiàn)了重度及以上級別的污染天氣過程，當(dāng)時的空氣質(zhì)量指數(shù)在200以上，且PM2.5是空氣中的首要污染物。5日00:00~10:00，空氣中PM2.5的濃度為250 μg/m3，空氣污染程度最重的時段在08:00前后，此時的空氣質(zhì)量指數(shù)在500左右，超過了爆表值，而PM2.5的 濃 度 為507 μg/m3；4日夜間到5日早晨這段時間，霾則隨著污染物濃度的增加而不斷加重，此時的哈爾濱市能見度下降，5日04:00~08:00，市區(qū)能見度不足2 000 m，這種現(xiàn)象持續(xù)將近4 h，同重度霾標(biāo)準(zhǔn)相符；06:00前后，哈爾濱市的能見度下降到1 100 m，其下降幅度較大；到了5日白天，霾強度開始減弱且逐漸消散，市區(qū)能見度增加，空氣質(zhì)量狀況不斷提升。

2 重度霾天氣過程的成因分析

2.1 主要污染物的特征和來源

通過對哈爾濱市這次重度污染天氣過程中的污染物特征及可能來源進行分析，根據(jù)CO、NO2、SO2污染物濃度隨著時間變化圖（圖1），由此可以發(fā)現(xiàn)，CO、NO2、SO2污染物濃度同空氣質(zhì)量指數(shù)和PM2.5濃度的變化趨勢基本保持一致。

圖1 2018年4月4—5日哈爾濱CO、NO2、SO2污染物濃度隨著時間變化圖

將《生物質(zhì)燃燒源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》與《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南（試行）》進行結(jié)合，得出了重度污染天氣過程出現(xiàn)時 的CO:NO2:SO2= 50:2.2:0.92，而NO2:SO2=2.4:1。由此可以推斷，哈爾濱市這次重度霾天氣污染過程，除了秸稈燃燒是最為主要的排放源外，受供暖燃煤的影響也相對較大，這與往年同階段供暖期較為吻合。

為了對秸稈燃燒物是主要污染源進行判斷，結(jié)合2018年4月4日衛(wèi)星火點監(jiān)測資料（圖2），不難發(fā)現(xiàn)在哈爾濱所在郊區(qū)的黑龍江西南部、吉林省西北部等地均有秸稈焚燒火電，且較為密集，說明這次重度霾天氣過程受秸稈焚燒的影響較大。在HYSPLIT后向軌跡模式，對出現(xiàn)在重污染天氣過程中的秸稈焚燒污染物傳輸特征進行分析，在距離氣團較遠的情況下，主要路徑以西北方向為主，反之則以偏西路徑為主，經(jīng)過秸稈焚燒火點密集區(qū)域后，將污染物濃度較高的空氣不斷向哈爾濱境內(nèi)進行輸送。

圖2 2018年4月4日哈爾濱市周邊秸稈焚燒疑似火電分布

結(jié)合5日08:00和5日14:00為初始時間的后向軌跡情況，在4日14:00~5日02:00，氣團在經(jīng)過秸稈焚燒集中區(qū)域后，如黑龍江省的大慶、綏化南部和吉林省松原北部后，最低高度與地面之間的距離只有200 m左右，下墊面濃度較高的污染物在與氣團充分混合，會逐漸朝著哈爾濱市進行移動。上游地區(qū)秸稈燃燒釋放的污染源朝著是哈爾濱境內(nèi)輸送是這次重度霾產(chǎn)生的主要原因。4日夜間，傳輸指數(shù)隨著時間的推移不斷增加，該數(shù)值在5日08:00則達到了最大，說明污染物傳輸在霾發(fā)生發(fā)展中的作用極為明顯。

2.2 大氣擴散的氣象條件

2.2.1 地面氣象要素的特征2018年4月4日傍晚，哈爾濱市從開始的西北方向轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，且風(fēng)速和能見度均有不同程度的下降，霾與空氣污染程度均表現(xiàn)出加重的趨勢。5日04:00~08:00則是重度霾時間段，風(fēng)速在1.5 m/s，而06:00的風(fēng)速則下降到了0.1 m/s左右，基本是靜風(fēng)天氣。

結(jié)合哈爾濱市5日06:00風(fēng)速空間分布圖，其周圍平均風(fēng)速在1 m/s左右，風(fēng)速較小區(qū)域同能見度較低區(qū)域互相重合。隨著時間的推移，風(fēng)向依次轉(zhuǎn)變?yōu)槠?、偏南、偏東，風(fēng)向氣旋性輻合對于污染物的積累提供了有利條件，進一步加劇了空氣污染程度。

5日早晨，風(fēng)向主要為偏南和偏東，08:00前后，有最為明顯的風(fēng)向氣旋性旋轉(zhuǎn)，且風(fēng)向輻合達到最強，此時風(fēng)速和能見度均較低，空氣污染程度最重。從5日中午到傍晚，風(fēng)速達到2~3 m/s，以偏北風(fēng)為主，能見度好轉(zhuǎn)，霾程度減輕，哈爾濱空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)。5日08:00，哈爾濱附近有明顯的風(fēng)向輻合，再加上地面風(fēng)速較小，對于污染物水平擴散極為不利，偏南風(fēng)和偏東風(fēng)的作用進一步加劇了霾程度，偏北風(fēng)及風(fēng)速的增大作用對于空氣污染物沉降和擴散提供了有利條件。

相對濕度增加會導(dǎo)致氣溶膠顆粒物吸濕增長，進而造成能見度下降，加劇了空氣污染程度。哈爾濱這次重霾天氣過程中的相對濕度較小，最大相對濕度只有60%，但仍然可以對相關(guān)關(guān)系進行分析（圖3）。4日傍晚到5日早晨，由于氣溫的降低，相對濕度逐漸增加，使得空氣污染物濃度上升，能見度下降，霾程度加深；5日凌晨到早晨，相對濕度最高，而能見度只有2 000 m左右。由于相對濕度與污染物濃度之間存在較為復(fù)雜的關(guān)系，在5日08:00哈爾濱市空氣污染物最重。09:00，相對濕度下降到23%，PM2.5濃度下降幅度不太明顯，這種情況持續(xù)到12:00，且相對濕度只有19%，而PM2.5濃度在200 μg/m3以下。相較于相對濕度明顯下降濕度，空氣污染減弱時段略有滯后，這種情況可能是早晨太陽出來后，因水汽蒸發(fā)作用而造成空氣污染物濃度上升。

圖3 2018 年4月4—5日哈爾濱PM2.5濃度、能見度、相對濕度及風(fēng)向風(fēng)速變化

2.2.2 低層氣象要的素垂直分布結(jié)合哈爾濱4日08:00~5日20:00探空資料，污染物垂直擴散氣象條件依次是好—差—好的順序變化。在700 hPa中低層以下主要表現(xiàn)為持續(xù)干層，隨著時間的推移風(fēng)速逐漸下降，而850 hPa低空處的風(fēng)速從16 m/s下降到9 m/s，且到5日08:00只有4 m/s；1 000 hPa超低空處的風(fēng)速從5 m/s下降到1 m/s。4日20:00存在貼地逆溫，逆溫強度為1.6℃，而逆溫層頂高于逆溫層厚度則為123 m。

在5日08:00貼地逆溫仍舊維持，此時的逆溫強度為1.3℃，逆溫層頂高度與逆溫層厚度為105 m，均有不同程度的下降。隨著時間的變化，風(fēng)速下降，使得逆溫層增厚，而頂高度則下降，厚度變薄，這些氣象要素的變化使得哈爾濱附近低層靜穩(wěn)氣象條件加強，對于污染物擴散極為不利，使得5日06:00前后的能見度最小，只有1 100 m；5日08:00市區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)為500。白天，穩(wěn)定層結(jié)從低層朝著中性層轉(zhuǎn)移，逆溫強度減弱，5日20:00市區(qū)逆溫不明顯，垂直擴散氣象條件逐漸轉(zhuǎn)好，則能見度增加，污染物濃度下降，霾強度減弱，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。

2.3 重度霾和空氣污染有利的天氣形勢特征

2.3.1 地面高壓均壓區(qū)4日白天，黑龍江在地面高壓前低后西北氣流中，有較好的氣象擴散條件。由于系統(tǒng)不斷向東轉(zhuǎn)移；4日夜間到5日白天，哈爾濱市轉(zhuǎn)為高壓均壓區(qū)，此時的風(fēng)速和氣壓梯度均較小，對于污染物擴散極為不利；5日早晨，哈爾濱附近的風(fēng)向輻合較為明顯，對于污染物的集聚具有促進作用，也是出現(xiàn)重度霾天氣的主要原因；5日白天，系統(tǒng)逐漸朝著東南方向轉(zhuǎn)移，黑龍江省西南部位于高壓前部，而哈爾濱從弱偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)控制，風(fēng)場輻散與下沉運動的共同作用，促進了污染物沉降，使得霾逐漸減弱，直至消散。

2.3.2 中低層弱高壓脊和暖鋒鋒區(qū)4—5日白天，隨著時間的推移，哈爾濱市依次位于850 hPa、700 hPa和500 hPa處的高壓脊前、中、后11:00的高空槽中，隨著高度的增加，脊線逐漸朝后傾斜。850 hPa處的暖鋒鋒區(qū)從西向東移動的過程中需經(jīng)過黑龍江省，此時有密集的等溫線存在，850 hPa處的溫度從開始的-15℃逐漸增加到-9℃；4日20:00，內(nèi)蒙古以東主要表現(xiàn)為反氣旋風(fēng)向變化，上游以偏南風(fēng)為主，且風(fēng)速在4 m/s，將大量的暖空氣朝著黑龍江省進行輸送。這種暖鋒鋒區(qū)和暖平流形勢在黑龍江省冬半年較為常見，是逆溫和靜穩(wěn)天氣的典型形勢。

4日夜間，有逆溫層出現(xiàn)在近地面，此時的風(fēng)速較小，靜穩(wěn)天氣形勢維持不變，大氣擴散條件較差。5日08:00前后，影響黑龍江省的低層暖空氣強度較大，能見度較小，空氣污染物濃度達到最大。5日白天，因高空槽不斷朝著哈爾濱市靠近，此時以東北風(fēng)為主，并將大量的冷空氣不斷輸送到黑龍江省西南部，而日出后的湍流加強，打破了地面逆溫層，霾程度下降，則能見度增加，哈爾濱空氣質(zhì)量變好。

2.4 大氣擴散條件分析

靜穩(wěn)天氣指數(shù)可以將大氣污染擴散氣象條件反映出來，是綜合量。通過對哈爾濱這次重度霾天氣的靜穩(wěn)天氣指數(shù)進行分析，在污染物累積時間段，靜穩(wěn)天氣指數(shù)升高幅度較大，尤其是在污染加重階段，該數(shù)值持續(xù)上升，達到了8。在霾減弱階段，靜穩(wěn)天氣指數(shù)增加不太明顯，而在5日夜間在風(fēng)速增加后，靜穩(wěn)天氣指數(shù)開始表現(xiàn)出大幅度下降的趨勢。相較于秋冬季節(jié)，春季近地面逆溫層較小，直接造成靜穩(wěn)天氣指數(shù)比秋冬季節(jié)空氣重污染和重度霾出現(xiàn)時的數(shù)值較小。從5日下完到傍晚，哈爾濱靜穩(wěn)天氣指數(shù)持續(xù)增加，再加上PM2.5濃度快速下降，霾減弱消散趨勢不一致，風(fēng)向以偏北風(fēng)為主，而風(fēng)速增加幅度不明顯，地面以均壓場為主，氣壓變化不明顯，這些特點對于靜穩(wěn)天氣指數(shù)的繼續(xù)維持較為有利。針對污染源來說，5日因政府部門采取了一系列防控措施，有效遏制了秸稈焚燒，哈爾濱外地源峰值期結(jié)束，而弱冷空氣與偏北風(fēng)的入侵，再加上湍流的影響，使得空氣大氣擴散條件趨于好轉(zhuǎn)，能見度加大，污染物濃度降低。4月初，哈爾濱及其周圍取暖燃煤量下降，即使空氣擴散條件較差，若是沒有集中焚燒秸稈的現(xiàn)象，單純依靠空氣中的污染物很難引起重度霾天氣。

3 結(jié)論

（1）2018年4月4日21:00~5日13:00，哈爾濱市連續(xù)17 h出現(xiàn)了重度及以上級別的污染天氣過程，當(dāng)時的空氣質(zhì)量指數(shù)在200以上，且PM2.5是空氣中的首要污染物，這次重度霾天氣污染過程除了秸稈燃燒是最為主要的排放源外，受供暖燃煤的影響也相對較大，這與往年同階段供暖期較為吻合。

（2）哈爾濱附近有明顯的風(fēng)向輻合，再加上地面風(fēng)速較小，對于污染物水平擴散極為不利，偏南風(fēng)和偏東風(fēng)的作用進一步加劇了霾程度，偏北風(fēng)及風(fēng)速的增大作用對于空氣污染物沉降和擴散提供了有利條件。

（3）霾的形成同污染源和較差擴散條件密不可分，因哈爾濱4月初的逆溫等靜穩(wěn)氣象條件低于秋冬季節(jié)，春季秸稈集中焚燒對重度霾天氣的貢獻較大。