石家莊市一次大氣重污染過(guò)程的邊界層 特征和成因分析

韓軍彩，陳靜，石文雅，張立霞

（河北省石家莊市氣象局，石家莊 050081）

石家莊地處太行山東麓，特有的地理氣候特征使得常年風(fēng)速較小，再加上秋冬季大氣層結(jié)穩(wěn)定，近地面經(jīng)常出現(xiàn)逆溫，不利于污染物擴(kuò)散，造成可吸入顆粒物等污染物在近地層堆積，致使霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，環(huán)境空氣質(zhì)量明顯下降。2015 年12 月石家莊重度以上污染日數(shù)達(dá)到15 天，其中6—13 日、21—26日重污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染嚴(yán)重，嚴(yán)重影響交通、公眾生活及人體健康，成為公眾關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)，因此加強(qiáng)其成因研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外已有很多研究分析了不同地區(qū)空氣重污染現(xiàn)狀及其影響因素。大量研究[1-3]表明，短期內(nèi)，在大氣污染物排放量變化不大的情況下，污染物濃度變化主要受氣象擴(kuò)散條件的制約，其中一個(gè)很重要的因素就是邊界層內(nèi)的大氣層結(jié)狀況。Davis 等[4]指出，短時(shí)間內(nèi)，大尺度環(huán)流形勢(shì)和局地氣象條件對(duì)重污染過(guò)程起著決定作用。李二杰等[5]基于邢臺(tái)探空資料和常規(guī)地面氣象資料分析了河北省中南部重污染天氣的邊界層氣象特征。李國(guó)翠等[6]分析了石家莊中度及以上典型污染日對(duì)應(yīng)的氣象要素和天氣背景特點(diǎn)，但受探空站點(diǎn)網(wǎng)布局限制，石家莊一直沒(méi)有探空資料，至今仍缺乏利用本地探空資料分析邊界層氣象特征的研究。

2015 年，石家莊市國(guó)家基本氣象站先后建設(shè)了Airda-HTG4 型地基微波輻射計(jì)、CFL-06 L 波段低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)，填補(bǔ)了探空的空白。目前，國(guó)內(nèi)在利用地基微波輻射、風(fēng)廓線雷達(dá)等資料分析霧霾天氣邊界層特征方面剛剛起步。鄧長(zhǎng)菊等[7]利用微波輻射資料分析了北京霧與霾天氣大氣液態(tài)水含量和濕度層結(jié)特征。吳蒙等[8]基于風(fēng)廓線儀等資料進(jìn)行了珠江三角洲污染氣象條件研究。因此文中利用微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)資料及地面氣象觀測(cè)資料，分析石家莊市2015 年12 月5—14 日的一次典型空氣重污染過(guò)程，揭示該過(guò)程的大氣邊界層溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)變化特征及對(duì)空氣質(zhì)量的影響，以期為重污染天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

本研究所用資料包括：石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的2015 年12 月5—14 日逐日環(huán)境觀測(cè)資料（市區(qū)7 個(gè)環(huán)境觀測(cè)站的平均值）、石家莊市國(guó)家基本氣象站相應(yīng)時(shí)間段的地面氣象觀測(cè)資料、地基微波輻射計(jì)和風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)資料。氣象與環(huán)境觀測(cè)站點(diǎn)分布如圖1 所示。微波輻射計(jì)為Airda-HTG4 型，每2 min完成1 次全天空掃描觀測(cè)。利用測(cè)量到的亮溫?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、線性/非線性統(tǒng)計(jì)回歸反演，最后獲得天頂方向地面至10 km 高度共93 層的溫度、濕度、液態(tài)水含量廓線等數(shù)據(jù)。風(fēng)廓線雷達(dá)為CFL-06 L 波段低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)，探測(cè)高度為6～8 km，最小探測(cè)高度為150 m，觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間精度為6 min，垂直精度在4 km 以下為120 m，在4 km 以上為240 m。

圖1 石家莊市氣象與環(huán)境觀測(cè)站點(diǎn)的分布

研究采用軌跡模式 HYSPLIT-4（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory-4）進(jìn)行后推氣團(tuán)軌跡模擬。HYSPLIT-4 是由美國(guó)國(guó)家海洋大氣研究中心（NOAA）Draxler 等[9]開(kāi)發(fā)的供質(zhì)點(diǎn)軌跡、擴(kuò)散及沉降分析用的綜合模式系統(tǒng)。所使用的氣象場(chǎng)資料為NOAA 全球同化系統(tǒng)（GDAS）資料，分辨率為1°×1°，每次的后向延伸時(shí)間為72 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染過(guò)程和天氣形勢(shì)

2015 年12 月6—13 日石家莊市持續(xù)出現(xiàn)重污染天氣過(guò)程，期間只有1 天為中度污染，首要污染物均為PM2.5。由2015 年12 月5—14 日石家莊逐日天氣狀況和AQI 變化（見(jiàn)表1）可見(jiàn)，空氣質(zhì)量從5 日的良跳至6 日的重度污染，之后呈加重趨勢(shì)，8—10 日出現(xiàn)AQI 持續(xù)高于300 的嚴(yán)重污染。10 日達(dá)到此次重污染天氣過(guò)程峰值，AQI 達(dá)391。11 日上午開(kāi)始，低空弱冷空氣以偏北路徑緩慢南壓，污染程度逐漸減輕。12 日轉(zhuǎn)為中度污染，但隨著氣壓場(chǎng)的減弱，13 日污染再次加重，下降到重度污染。13日夜間出現(xiàn)雨夾雪，14 日上午隨著較強(qiáng)冷空氣以偏西路徑侵入，風(fēng)速增大，濕度明顯下降，至此重污染過(guò)程結(jié)束。

表1 2015 年12 月5—14 日石家莊市逐日天氣狀況和空氣質(zhì)量

重污染過(guò)程前期隨著地面高壓東移，6 日氣壓場(chǎng)減弱，與5 日相比，平均風(fēng)速減小了0.8 m/s，平均相對(duì)濕度增加了21%，靜穩(wěn)天氣形成。AQI 從5 日的94 上升至6 日的227，出現(xiàn)重污染，風(fēng)速減小、濕度增加顯著是重污染形成的主要原因之一。重污染過(guò)程期間，高空500 hPa 以偏南、偏西氣流為主，邊界層內(nèi)850 hPa 前期以偏南、偏西氣流為主。10 日開(kāi)始轉(zhuǎn)為弱偏北氣流，地面為均壓、高壓底部弱氣壓場(chǎng)控制。7 日、10 日500 hPa 高度場(chǎng)有2 次淺槽東移，但冷空氣勢(shì)力弱，且以偏北路徑緩慢南壓，弱冷空氣到達(dá)前，均為暖脊或暖濕氣流影響。這種高低空天氣形勢(shì)的配合，導(dǎo)致靜穩(wěn)天氣持續(xù)，日平均風(fēng)速均在1.5 m/s 以下，日平均相對(duì)濕度均在70%以上，風(fēng)速小且濕度大，伴有霧、輕霧、霾，抑制了污染物的擴(kuò)散，為大氣污染的形成及維持提供了穩(wěn)定的大氣環(huán)境背景。

2.2 氣象要素與污染物濃度變化

2015 年12 月5—14 日石家莊市PM2.5濃度、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速及能見(jiàn)度逐時(shí)對(duì)比如圖2 所示。從圖2 中可見(jiàn)，5 日白天小時(shí)風(fēng)速為2～3 m/s，相對(duì)濕度不足40%，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良。17 時(shí)開(kāi)始，風(fēng)速減小到2 m/s 之下，大氣水平擴(kuò)散能力下降，相對(duì)濕度增加，PM2.5濃度也開(kāi)始增加，能見(jiàn)度下降到10 km 之下，出現(xiàn)霾、輕霧。6 日1 時(shí)相對(duì)濕度為64%，風(fēng)速不足1 m/s，能見(jiàn)度只有3 km，空氣質(zhì)量達(dá)到重度污染，風(fēng)速減小、濕度增加，導(dǎo)致重污染過(guò)程開(kāi)始。 8—10 日連續(xù)嚴(yán)重污染期間是風(fēng)速較低、相對(duì)濕度較高的時(shí)期，大部分時(shí)段，風(fēng)速在1.5 m/s 之下，相對(duì)濕度在70%之上，能見(jiàn)度在1 km 之下。9 日、10 日平均PM2.5濃度分別達(dá)到了342、344 μg/m3，其中10日凌晨到上午最高，最高值為434 μg/m3，正好對(duì)應(yīng)地面為均壓場(chǎng)控制。近地層風(fēng)速不足1 m/s，相對(duì)濕度超過(guò)90%，能見(jiàn)度不足500 m，出現(xiàn)霧。低風(fēng)速不利于污染物擴(kuò)散，高相對(duì)濕度有利于氣態(tài)污染物向顆粒物的二次轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致污染進(jìn)一步加重[10-11]。11—12日受偏北路徑弱冷空氣影響，中午前后風(fēng)速增大到2 m/s 左右，相對(duì)濕度下降到50%之下，空氣質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)，能見(jiàn)度增大到5 km 之上。13 日夜間出現(xiàn)雨夾雪，但對(duì)污染物清除作用較弱，而濕度的增加使得PM2.5濃度再次升高。14 日10 時(shí)開(kāi)始，地面偏西風(fēng)增大到4 m/s 之上，相對(duì)濕度下降到40%之下，空氣質(zhì)量快速轉(zhuǎn)好。

圖2 2015 年12 月5—14 日石家莊市PM2.5 濃度與氣象要素逐時(shí)變化

2.3 污染氣團(tuán)來(lái)源

為了解本次污染過(guò)程的來(lái)源，應(yīng)用HYSPLIT-4后推氣團(tuán)軌跡模式對(duì)污染來(lái)源進(jìn)行氣團(tuán)軌跡模擬，按氣團(tuán)軌跡傳輸?shù)姆较蚝退俣葘?duì)影響石家莊市空氣質(zhì)量的污染物輸送型進(jìn)行分類，從而解析污染形成源。一般來(lái)說(shuō)，城市上空300 m 以上主要以大尺度遠(yuǎn)距離輸送為主，100 m 以下則主要受局地近距離污染輸送影響[12]。以石家莊市（38.03°N，114.42°E）為參考點(diǎn)，模式高度分別設(shè)置為500 m 和100 m，用該方法模擬出2015 年12 月5—14 日每天00：00、06：00、12：00及18：00（世界時(shí)）4 個(gè)時(shí)刻后推72 h 的氣團(tuán)軌跡。再利用聚類分析方法，將具有一定相似度的軌跡歸為一類，得到具有代表性的5 簇后向軌跡，如圖3 所示。結(jié)果表明，100 m 高度68%的氣團(tuán)來(lái)自局地近距離輸送，15%來(lái)自西北的內(nèi)蒙古，10%來(lái)自山西跨區(qū)域遠(yuǎn)距離輸送。500 m 高度局地氣團(tuán)近距離輸送占58%，40%來(lái)自西北的內(nèi)蒙、山西跨區(qū)域遠(yuǎn)距離輸送，西北方輸送的一般為清潔氣團(tuán)。因此，此次污染過(guò)程以局地排放為主要形成源，短期內(nèi)排放源可以認(rèn)為變化不大，主要考慮當(dāng)?shù)貧庀髷U(kuò)散條件所致。

圖3 2015 年12 月5—14 日影響石家莊市的5 簇輸送軌跡

2.4 重污染過(guò)程邊界層特征

2.4.1 邊界層逆溫特征

大氣層結(jié)穩(wěn)定狀況與大氣污染物的稀釋擴(kuò)散能力密切相關(guān)，逆溫層結(jié)是邊界層大氣的重要特征之 一[3]。逆溫會(huì)限制近地面層強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生，阻止近地面空氣中的水汽和污染物向高層擴(kuò)散，使之大量聚集在對(duì)流層底部，加劇大氣污染的程度[5]。

首先對(duì)微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)反演的近地面層逆溫底高、頂高、厚度和強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，本次重污染過(guò)程逆溫生成演變與AQI 對(duì)比如圖4 所示。AQI 升高與逆溫層的形成、增厚相關(guān)。5 日19 時(shí)開(kāi)始，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，近地層出現(xiàn)逆溫，大氣擴(kuò)散能力減弱，污染物AQI 值隨之上升，20 時(shí)空氣質(zhì)量由良下降到輕度污染。隨著逆溫層厚度的增加，6 日凌晨1 點(diǎn)開(kāi)始，逆溫層厚度達(dá)到300 m 以上，空氣質(zhì)量也下降到重度污染。7 日高空有弱冷空氣東移，地面逆溫減弱消散，但風(fēng)速小，水平擴(kuò)散能力較弱，空氣質(zhì)量仍為重度污染，且AQI 值較6 日略有上升。8—10 日逆溫層持續(xù)存在，平均厚度達(dá)到683 m，最厚達(dá)1200 m，使得污染物在近地層累積，污染加重，空氣質(zhì)量達(dá)嚴(yán)重污染。其中10 日6—11 時(shí)逆溫厚、強(qiáng)度強(qiáng)，08 時(shí)逆溫強(qiáng)度達(dá)0.6 /100℃ m，11 時(shí)AQI達(dá)到“爆表”。10 日夜間到11 日有弱冷空氣侵入，逆溫層減弱，AQI 稍有下降。12 日為中度污染，但13 日夜間逆溫層又有所增強(qiáng)，AQI 再度上升。14日中午前后，隨著強(qiáng)冷空氣的到來(lái)，逆溫層徹底被打破，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)優(yōu)。

圖4 2015 年12 月5—14 日石家莊市AQI 與逆 溫層厚度逐時(shí)變化

由于冬季平均脫地逆溫層底相對(duì)高度還在大氣邊界層的范圍之內(nèi)，故它仍會(huì)對(duì)市區(qū)空氣污染物的稀釋擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響，因此下面重點(diǎn)分析12 月6—13 日重污染過(guò)程期間，污染較重的8—10 日溫度的垂直廓線變化特征。8—10 日2000 m 以下每天02 時(shí)、08 時(shí)和20 時(shí)微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)反演的溫度垂直廓線如圖5 所示。可以看出，8—10 日每天三個(gè)時(shí)段均有逆溫層出現(xiàn)，8 日、9 日200 m 以下貼地逆溫不明顯，在200 m 以上出現(xiàn)多層逆溫層或等溫層，但逆溫強(qiáng)度較弱。10 日三個(gè)時(shí)次均從地面開(kāi)始出現(xiàn)逆溫層，其中08 時(shí)逆溫層最厚、強(qiáng)度最強(qiáng)，這與10 日凌晨到上午污染物濃度最高一致。另外，1000 m 以下大氣溫度廓線呈非常明顯的鋸齒狀，可能是由于大量污染物使氧氣在空間分布發(fā)生不均勻現(xiàn)象，致使儀器在測(cè)量氧氣輻射能量時(shí)發(fā)生鋸齒現(xiàn)象。

2.4.2 邊界層濕度特征

圖5 2015 年12 月8～10 日石家莊市溫度垂直廓線圖

2015 年12 月6—13 日重污染過(guò)程期間，首要污染物均為PM2.5，是形成霧霾天氣的重要細(xì)顆粒物。研究表明[13-14]，顆粒物吸濕增長(zhǎng)是灰霾形成的重要原因。從微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)的5—14 日大氣相對(duì)濕度（如圖6 所示）變化來(lái)看，6 日重污染發(fā)生前，近地層濕度緩慢增加，1 km 以下相對(duì)濕度不足40%，相對(duì)濕度超過(guò)60%主要集中在1～3 km 高度，PM2.5濃度變化緩慢，空氣質(zhì)量以輕度污染為主。14 時(shí)之后，隨著近地層濕度增大，高濕厚度增厚，PM2.5濃度快速上升，500 m 以下相對(duì)濕度增加到60%以上，2～3 km 最 大相對(duì)濕度超過(guò) 80%。14—15 時(shí)，PM2.5濃度由 134 μg/m3（中度污染）上升到168 μg/m3（重度污染），18 時(shí)達(dá)到269 μg/m3（嚴(yán)重污染），嚴(yán)重污染持續(xù)期間，濕度層結(jié)少變。7 日4 時(shí)之后，高濕的厚度層變薄，濕度下降，相對(duì)濕度在60%左右，主要集中在1 km以下，PM2.5濃度稍有下降，空氣質(zhì)量維持重度污染。8—10 日近地層持續(xù)維持高濕層結(jié)，其中1 km 以下相對(duì)濕度較5—7 日更大，PM2.5濃度累積上升。特別是8 日19—24 時(shí)，相對(duì)濕度超過(guò)60%的厚度達(dá)到7 km，PM2.5濃度在318～383 μg/m3之間，24 時(shí)達(dá)到本次重污染過(guò)程的峰值。這可能是由于污染期間濕度較大，有利于一次污染氣體在大氣顆粒物表面通過(guò)非均相反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成硫酸鹽和硝酸鹽等二次氣溶膠，對(duì)重污染形成起到了促進(jìn)作用[15]。

2.4.3 邊界層垂直風(fēng)廓線特征

本次重污染天氣發(fā)生于靜穩(wěn)天氣狀態(tài)下，小風(fēng)使得污染物水平擴(kuò)散能力差，大氣處于停滯狀態(tài)。風(fēng)廓線雷達(dá)以其高時(shí)空分辨率間隔6 min 連續(xù)觀測(cè)，為分析風(fēng)向風(fēng)速垂直分布及隨時(shí)間演變特征提供了基礎(chǔ)資料。2015 年12 月6—14 日，石家莊市重污染過(guò)程維持和結(jié)束風(fēng)向風(fēng)速隨時(shí)間-高度變化情況如圖7 所示。重污染期間，風(fēng)的垂直分布是小風(fēng)層厚，通風(fēng)能力弱，小風(fēng)的風(fēng)速普遍小于3 m/s，底層600 m 以下甚至小于2 m/s。小風(fēng)從近地面向上伸展，具有日變化，中午前后伸展高度向上延伸，平均高度約在 700 m 左右，有時(shí)伸展高度超過(guò)1000 m，深厚的小風(fēng)層使大氣處于停滯區(qū)，污染物累積。地面與低空風(fēng)向具有相似性，在弱氣壓場(chǎng)影響下，具有日變化特點(diǎn)。18 時(shí)到次日10 時(shí)以偏西風(fēng)為主，11—17 時(shí)風(fēng)向以偏南風(fēng)為主。冷空氣侵入是打破靜穩(wěn)態(tài)的主要?jiǎng)恿Γ?4日上午，隨著強(qiáng)冷空氣以偏西路徑侵入，低空偏西風(fēng)增大，并向地面延伸，霾自西向東快速消散，持續(xù)重污染結(jié)束。

圖6 石家莊市 2015 年12 月5—14 日相對(duì)濕度廓線變化

圖7 2015 年12 月6—10 日和11—14 日石家莊市風(fēng)的垂直分布

3 結(jié)論

1）此次重污染過(guò)程與當(dāng)?shù)貧庀髼l件密切相關(guān)，穩(wěn)定的大氣環(huán)流形勢(shì)為污染提供了持續(xù)穩(wěn)定的大氣環(huán)境背景，近地面層風(fēng)速小、濕度大、持續(xù)逆溫是造成重污染持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、污染較重的主要原因。

2）逆溫限制了污染物的垂直擴(kuò)散，重污染過(guò)程期間逆溫層主要集中在1000 m 以下，平均厚度為 700 m 左右，存在一層或多層貼地逆溫或脫地逆溫。逆溫層的形成、增厚導(dǎo)致重污染開(kāi)始，逆溫層厚、強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、不易消散導(dǎo)致重污染持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染重，逆溫較強(qiáng)時(shí)段污染也最重。

3）大氣水汽含量與PM2.5濃度關(guān)系密切，濕度較大時(shí)，易于二次污染物轉(zhuǎn)化，近地層濕度增大、增厚導(dǎo)致PM2.5濃度快速上升，對(duì)重污染形成和加重起到了促進(jìn)作用。

4）重污染期間，小風(fēng)層平均高度約在700 m 左右，有時(shí)伸展高度超過(guò)1000 m，深、厚的小風(fēng)層使大氣處于停滯區(qū)，通風(fēng)能力弱，導(dǎo)致污染物累積。

氣象條件對(duì)持續(xù)重污染的開(kāi)始和結(jié)束起到了關(guān)鍵性作用，尤其是近地層大氣溫濕風(fēng)層結(jié)的變化。因此需要加強(qiáng)邊界層氣象要素監(jiān)測(cè)和重污染預(yù)報(bào)預(yù)警研究，以有效預(yù)防和應(yīng)對(duì)重污染天氣。