河北省中南部典型重污染天氣特征分析

張 珺，薛 敏，宋曉輝

（河北省邯鄲市氣象局，河北 邯鄲 056001）

【研究意義】清潔的空氣是人們賴以生存的重要因素之一，河北省中南部屬于我國京津冀地區(qū)的重要組成部分，作為河北省空氣污染較重地區(qū)，空氣重污染已對人民群眾生產(chǎn)生活造成了嚴重威脅。對重污染過程進行個例分析研究，找出重污染的維持機制，可對空氣質(zhì)量改善起到積極的意義。

【前人研究進展】 國內(nèi)很多學者對該區(qū)域的空氣污染及相關(guān)氣象條件進行了分析，劉曉慧等[1]對2014年兩次重污染過程進行了分析發(fā)現(xiàn)，不利的氣象條件是導致該污染過程的主要原因；許萬智等[2]對發(fā)生在華北區(qū)域的一次重污染進行了分析，結(jié)果表明，該過程與天氣過程關(guān)系密切；王冠嵐等[3]對京津冀空氣污染進行了統(tǒng)計分析，得出了時空分布特征。

【本研究切入點及擬解決的關(guān)鍵問題】 氣象條件和空氣污染關(guān)系密切，在污染物排放一定的情況下，空氣污染物濃度大小主要受到氣象條件的影響[4-7]。本文擬對典型重污染過程進行個例分析，找出重污染的維持機制，對我國河北地區(qū)中南部空氣質(zhì)量改善提供一定的參考。

1 資料來源

本文選用的資料主要包括空氣污染資料和氣象資料，空氣污染源自河北省環(huán)保廳，時間為 2013年1月—2015年12月。氣象資料源自河北省氣象局整編資料，為同期國家地面氣象觀測站觀測資料及高空資料。

2 典型重污染過程分析

河北省中南部石家莊市、邯鄲市、邢臺市、衡水市 4個城市在 2013—2015年3年共出現(xiàn) 19次連續(xù)3 d 及以上重污染天氣過程，持續(xù)時間逐年遞減，從 2013年出現(xiàn)最長連續(xù) 15 d 重度污染降到 2015年最長連續(xù) 5 d，說明近年來河北省采取的一系列減排措施對空氣質(zhì)量改善有效[8-10]。

2.1 2013年12月20—25日重污染天氣過程分析

20—21日高空 500 hPa 上華北地區(qū)處于槽后脊前的西北氣流中、冷平流弱。22日高空槽過境，等高線、等溫線稀疏，高空風力弱；23—24日華北地區(qū)為高壓脊控制，形勢穩(wěn)定，有暖脊發(fā)展；25日高空槽前環(huán)流較平，槽底部偏西氣流。 20日高空 850 hPa 上受槽后西北氣流控制，冷平流； 21日大陸高壓控制，20:00 河北中部橫切（南-北風）；22日高壓控制（大陸高與副高打通），偏西氣流；23日高壓、偏北氣流、冷平流；24日內(nèi)蒙-蒙古橫槽，槽前西西南氣流（大陸高西北部）、弱暖平流；25日08:00，槽前西西北氣流；20:00 槽后西北氣流，風速加大，明顯冷平流。

圖1 2013年12月20日08:00850 hPa 高空圖、海平面氣壓場

地面場上來看，20日08:00 河北省中南部處于高壓前部的弱氣壓場中，風力較小，基本都在 2 m/s以下；21日08:00，高壓東移中心位于內(nèi)蒙古東部，河北省中南部仍為弱氣壓場控制；22—24日河北省中南部一直處于高壓前部的弱氣壓場中；25日08:00 河北省中南部為弱氣壓場控，地面冷鋒位于蒙古國東部至河套地區(qū)，冷鋒后部風力普遍為 4～8 m/s，隨著冷鋒南壓，持續(xù)多日的重污染天氣結(jié)束。

2.2 2014年2月20—26日重污染天氣過程分析

從 500 hPa 高空場來看，2014年2月20日08:00 歐亞大陸中緯度為兩槽一脊，巴湖-里海和朝鮮半島有低槽，我國為寬廣的高壓脊控制。河北省中南部受槽后西北氣流控制，等溫線與等高線一致；20:00寬脊區(qū)內(nèi)環(huán)流較平；21—24日寬脊區(qū)、中緯度環(huán)流較為平直，以西西北氣流為主（24日08 時西風）；25日08:00 河北省與山西省交界南北向低槽，河北省中南部槽前偏南氣流，暖平流；淺槽后弱脊前西西北氣流(無平流)；26日08:00—20:00 槽前西南氣流，弱暖平流。高空 850 hPa 上，20—25日受副高邊緣控制，偏南氣流、暖平流；26日08:00 槽前偏南氣流，平流弱，20:00 槽線在冀晉與魯豫交界，槽后偏北氣流，明顯冷平流，擴散條件開始逐漸轉(zhuǎn)好。

從地面場上來看，19日受高壓脊控制，高壓中心緩慢東移。20—26日華北大部受高壓底部影響，22日08:00 氣壓場東高西低，高壓中心在內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，河北省中南部處于高壓底部，地面氣壓場較弱，等壓線稀疏，氣壓梯度不大，地面風速較??；之后高壓中心逐漸南壓，河北省中南部受高壓底部影響；26日14:00 河北省大部位于冷鋒前部，主要由于地形原因而產(chǎn)生的華北弱低壓的中心位于河北省南部、山西省東部交界，低層污染持續(xù)堆積[11-12]； 隨著 26日17:00 東北氣旋加深，鋒面移過華北大部分，氣壓梯度較大，擴散能力迅速增強。

此次過程污染比較重另一個原因是存在較強的逆溫。2月22日08:00 在近地面和 850 hPa 上有 2個逆溫層（圖2），22日20:00 逆溫層仍存在，23日08:00 逆溫增強，20:00700 hPa 以下出現(xiàn)三層逆溫，24日08:00 逆溫繼續(xù)維持，20:00 近地層有兩層逆溫，25日08:00850 hPa 逆溫層增厚，20:00 逆溫維持。逆溫層的維持，說明大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，天氣形勢靜穩(wěn)，不利于污染物的擴散[13-14]。

圖2 邯鄲市邢臺站2014年2月22日溫度對數(shù)壓力情況

2.3 2015年11月28日—12月1日重污染天氣過程分析

從 500 hPa 來看，11月28日08:00 歐亞中緯度兩槽一脊，巴湖-新疆為脊區(qū)、黑龍江-山東為低槽；28—30日河北省中南部受槽后西北氣流控制（較平），等溫線與等高線基本一致；1日08:00 河套槽前偏西氣流，無明顯平流；20:00 槽前偏西氣流，平流不明顯。

從 850 hPa 看，11月28日08:00 高壓帶（大陸高+副高）偏西氣流，無明顯平流；20:00 河套淺槽前有西南氣流、暖平流；29日08:00 槽后轉(zhuǎn)為西北氣流，為弱冷平流；20:00 弱脊內(nèi)為偏南風、弱暖平流；30日槽前（河套西槽）偏南氣流、弱暖平流；12月1日低槽東移，河北省中南部處于低槽區(qū)，邢臺市轉(zhuǎn)為西北風，有弱冷平流；20:00 槽后西北氣流，冷平流明顯，氣象擴散條件好轉(zhuǎn)。

從地面場上看，11月28日08:00 河北省中南部處于高壓底部，高壓中心在內(nèi)蒙古東部，此時為弱氣壓場；14:00 低壓東移至東北地區(qū)，河北省中南部受弱氣壓場控制；28日20:00—29日02:00 河套倒槽減弱東移，河北省中南部受倒槽前弱氣壓場控制，風力微小；29日05:00 仍為低壓控制；08:00 蒙古高壓前部為弱氣壓場，高壓東移，河北省中南部位于高壓底部弱氣壓場；30日05:00 高壓東移南下；12月1日20:00 鋒面移過，氣壓梯度增大，擴散能力增強。

通過以上 3次典型重污染天氣過程分析可以發(fā)現(xiàn)，暖平流、弱氣壓場、地面風速小等因素常導致污染物濃度積累上升，有利于重污染天氣的發(fā)生和維持。

3 河北省中南部重污染天氣的主要天氣類型和不同天氣形勢下污染物特征

在19次重污染天氣過程有4次重污染過程（2013年1月21—31日；2013年2月20—24日；2014年1月14—19日；2014年2月20—26日）受不同天氣形勢影響，分成了兩個過程進行分析。對23次重污染過程進行了分型，分為了緯向型、西南氣流型、西北氣流型 3種天氣類型。

3.1 緯向型天氣形勢特征

緯向型天氣出現(xiàn) 9次，占總次數(shù)的 39%。此類型天氣形勢場特征為高空受緯向環(huán)流控制（如：平直環(huán)流、淺槽、弱西北氣流或弱脊），850 hPa 多為暖脊控制，地面處于弱氣壓場控制（如：均壓場、鞍型場、高壓后部或弱高壓等），其中鞍型場型污染尤為嚴重。緯向環(huán)流型對應的重污染過程持續(xù)時間長，影響范圍大，天氣形勢相對穩(wěn)定（圖3）。

出現(xiàn)日期為 2013年1月5—19日，12月2—5日，12月15—17日。 2014年1月5—7日，1月29—2月2日，2月20—24日，11月20—22日；2015年1月14—16日，12月20—24日。

圖3 重污染天氣環(huán)流形勢場——緯向環(huán)流型（a：500 hPa；b：地面）

3.2 緯向型天氣形勢下污染物濃度特征

利用 2013—2015年的重污染天氣過程的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得出，緯向型天氣形勢下以 PM2.5為首要污染物出現(xiàn) 64 d，占比 66.7%，以 PM10為首要污染物出現(xiàn) 31 d，占比 32.3%。邯鄲市首要污染物以 PM2.5為主，出現(xiàn) 70.8%，以 PM10為首要污染物占比 29.2%；石家莊市首要污染物以 PM2.5為主，占比 83.8%，以 PM10為首要污染物占比 16.7%；邢臺市首要污染物以 PM10為主，占比 58.3%，以 PM2.5為首要污染物占比 41.7%；衡水市首要污染物以 PM2.5為主，占比 70.8%，以 PM10為首要污染物占比 25%。對緯向型9次重污染天氣過程進行分析(表 1，圖4)發(fā)現(xiàn) 4個城市中 PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3濃度邢臺市均為最高，SO2、CO 濃度石家莊市最高。

表1 緯向型天氣形勢下污染物濃度日均值 mg/m 3

圖4 緯向型天氣形勢下 6種污染物空間分布情況

3.3 西南氣流型天氣形勢特征

在 23次重污染天氣過程中，西南氣流型出現(xiàn) 6次，占總次數(shù)的 26%。500 hPa 受西風槽前西南暖濕氣流控制，低空西南氣流配合，地面為弱氣壓場。南支氣流較強，空氣中水汽含量較大，氣層穩(wěn)定，垂直運動小，造成污染物滯留在空氣中不易擴散[15-17]。直到北方冷空氣南下，河北省中南部上空轉(zhuǎn)為西北氣流控制，地面轉(zhuǎn)為北風，重污染過程結(jié)束 （圖5）。 出現(xiàn)日期為 2013年1月30—31日，2月24日—2014年1月19日，2月25—26日，2015年1月3—5日，12月7—10日。

圖5 重污染天氣環(huán)流形勢場——西南氣流型（a：500 hPa；b：地面）

3.4 西南氣流天氣形勢下污染物濃度特征

西南氣流天氣形勢下以 PM2.5為首要污染物出現(xiàn) 20 d，以 PM10為首要污染物也出現(xiàn) 20 d，二者各占比 50%。邯鄲市首要污染物以 PM2.5為主，占 70%，以 PM10為首要污染物占比 30%；石家莊市首要污染物以 PM2.5為主，占比 60%，以 PM10為首要污染物占比 40%； 邢臺市首要污染物以 PM10為主，占比 60%，以 PM2.5為首要污染物占比 40%；衡水首要污染物以 PM10為主，占比 70%，以 PM2.5為首要污染物占比30%。對西南氣流型 6次重污染天氣過程進行分析（表 2、圖6），可以看出，PM2.5、PM10、SO2、NO2濃度邢臺市均為最高，CO 濃度石家莊市最高，O3濃度衡水市最高。

圖6 西南氣流天氣形勢下 6種污染物空間分布情況

表2 西南氣流天氣形勢下污染物濃度日均值 mg/m 3

3.5 西北氣流天氣形勢下污染物濃度特征

在 23次重污染天氣過程中，西北氣流型出現(xiàn)8次，占總次數(shù)的 35%。500 hPa 以槽后脊前西北氣流控制為主，有時有小股弱冷空氣迅速東移；低空受西北氣流或高壓脊影響，地面受高壓前部或底部的弱氣壓場控制，常有冷鋒或弱冷鋒配合，河北省中南部處于鋒前弱低壓或均壓區(qū)中，空氣垂直運動弱，使污染物不易擴散從而造成超標現(xiàn)象[18-20]（圖7）。

圖7 重污染天氣環(huán)流形勢場——西北氣流型（a：500 hPa；b：地面）

出現(xiàn)日期為 2013年1月21—29日，2月20—23日，2月26—28日，3月6—8日，12月20—25日，2014年1月14—18日，3月8—10日，2015年11月28日—12月1日。

西北氣流天氣形勢下，首要污染物以 PM2.5為主，出現(xiàn) 33 d，占比 68.8%，以 PM10為首要污染物出現(xiàn) 14 d，占比 29.2%。邯鄲市首要污染物以 PM2.5和 PM10為主，各占 50%；石家莊市首要污染物以PM2.5為主，占比83.3%，以PM10為首要污染物占比16.7%； 邢臺市首要污染物以PM2.5為主，占比75%，以 PM10為首要污染物占比 16.7%；衡水市首要污染物以 PM2.5為主，占比 66.7%，以 PM10為首要污染物占比 33.3%。對西北氣流型8次重污染天氣過程進行分析（表 3、圖8），可以看出，PM2.5、PM10濃度石家莊市均為最高，SO2濃度邢臺市最高，CO 濃度石家莊市最高，O3濃度邯鄲市、邢臺市、衡水市均為 0.05 mg/m 3 ，均高于石家莊市。

圖8 西北氣流天氣形勢下 6種污染物空間分布情況

表3 西北氣流天氣形勢下污染物濃度日均值 mg/m 3

3種天氣形勢下，4個城市 PM2.5、PM10、CO、NO2濃度日均值在西南氣流形勢時最大，分別為 0.31，0.47，4.43，0.13 mg/m 3 ；SO2濃度日均值在西南氣流和西北氣流形勢時最大，為 0.13 mg/m 3 ；O3濃度在西北氣流形勢時濃度最大，為 0.05 mg/m 3 。

4 結(jié)論與討論

本文以河北省中南部為例，利用 2013—2015年環(huán)境資料和氣象資料，結(jié)合數(shù)值模擬，統(tǒng)計了連續(xù) 3 d及以上重污染天氣過程，并對3次典型重污染過程進行了分析，結(jié)果表明：暖平流、弱氣壓場、地面風速小等因素常導致污染物濃度積累上升，有利于重污染天氣的發(fā)生和維持。對 23次重污染過程進行了分型，分為了緯向型、西南氣流型、西北氣流型 3種天氣類型，分析了 3種天氣類型下 6種污染物的空間分布，找出了不同天氣形勢下污染物濃度特征：3種天氣形勢下，4個城市 PM2.5、PM10、CO、NO2濃度日均值在西南氣流形勢時最大，SO2濃度日均值在西南氣流和西北氣流形勢時最大，O3濃度在西北氣流形勢時濃度最大。