风廓线雷达资料在重污染天气中的应用

徐文迪，赵茹仪，白艳娇，安惠文

(天津市宝坻区气象局 天津 301800)

0 引 言

随着我国居民生活水平逐步提高，其对空气质量问题的关注度不断提升。目前，我国的空气污染问题呈现明显的区域化特征，区域内和区域间的传输也成为治理的重要难题之一[1]。华北地区是我国爆发空气污染天气的高发区[2]，综合近年研究，重污染天气发生，排放是内因[3]，气象是外因[4]，静稳天气[5]、高相对湿度[6]、小风速[7]、大气层结稳定[8]和弱气压场[9]都可以诱发重污染天气的发生。能见度的高低变化是判断空气污染的一个重要标志，在以能见度判断空气污染天气时，还需要扣除沙尘和降水等导致视程障碍天气的影响[10]。

风廓线雷达是一种新型的测风雷达，通过多普勒频移速度探测值合并求出某地上空的三维风场，连续提供测站上空各种气象要素随高度变化的分布情况，具有时空分辨率高、连续性和实用性好的特点[11]，在预报中发挥着重要作用。

刘超等[12]利用风廓线雷达资料等对北京地区2018年3月26～29日空气污染过程进行分析，得出霾主要影响时段边界层内以西南风为主。王开燕等[13]利用风廓线雷达资料对广州南沙2008年7月～2010年 6月的灰霾日进行了分析，得出风速对灰霾的出现与否起着重要作用。黄俊等[14]利用风廓线雷达资料等分析广州地区2017年1月上旬的一次持续时间长的重污染天气过程，得出近地面小风层对重污染天气的维持起到一定作用。徐桂荣等[15]利用风廓线雷达分析宜昌的大气边界层温度、湿度的结构及其日变化的特点。目前对风廓线雷达研究和使用主要集中在降水方面，用在环境监控预报上较少。

1 资料选取

选取天津市宝坻区国家基本气象站(39°43′44″N，117°16′43″E)2016 年 1 月～2018 年12月地面观测资料，计算能见度数据与其他各项气象要素之间的相关关系。

选取天津地区一次重污染天气过程，利用风廓线数据反演风场特征，分析重污染天气变化过程中的天气成因。

2 能见度与气象要素的相关性

根据天津市宝坻区2016年1月～2018年12月的地面观测资料，计算能见度与各要素之间的相关系数。为了便于分析能见度与各气象要素间的关系，把因降水、大风等原因造成能见度降低的情况排除。

计算结果如表1。地面观测资料中的风速与能见度的相关性较好，说明风场的时空变化对大气污染物扩散和传输有着重要影响，但相关系数并不高。这是因为观测资料中的风速是 10m 高空的风速，而污染天气的出现和发展都与对流层有密切关系，对流层高度较高时更有利于大气污染物垂直方向上湍流交换。因此，在考虑污染天气时，只应用地面常规观测资料是不够的，而风廓线雷达可以探测地面到高空5000m风场特征，弥补了常规地面观测的不足。

表1 2016年1月至2018年12月能见度和地面气象要素间的相关性分析Tab.1 Correlation analysis between visibility and surface meteorological factors from January 2016 to December 2018

3 一次重污染天气过程分析

3.1 实例概述

2019年 2月 21日 12∶00起，天津市政府启动重污染天气橙色预警，2019年 2月 25日 14∶00予以解除。2月18～24日天津地区气温逐渐回暖，升温过程中冷空气活动较弱，地面平均风速 1.48m/s，京津冀地区多受弱高压控制，下沉气流抑制污染物垂直扩散。受小风、高湿、逆温、下沉气流和区域输送等不利气象条件影响，18～24日大气扩散条件较差，出现中度污染2d，重度污染3d，轻度污染1d。

3.2 形势背景

从图1、图2可知，此次过程主要受弱高压的控制，20日夜间地面风场转为西南风，静稳天气逐步建立，受西南风影响，河北中南部等上游地区污染物向北回流输送影响天津地区，有利于污染物快速积累，致使出现低能见度天气现象，由于大气垂直扩散条件的不利，且本身弱高压系统也不利水平扩散；21日夜间地面风速减小，维持西南风 1～2级，近地面相对湿度增加，大气扩散条件不利，空气质量维持在重度污染水平；22日仍受弱高压控制，地面逐渐转为弱偏北风，水平风场较弱，白天大部分时间段空气质量维持严重污染水平；23日上午，高空浅槽过境，空气质量变化较大，上午地面风场转为西南风，河北中南部等上游地区的污染物向北输送，空气质量转差，达到中度污染；23日夜间高空环流转平，地面转为均压场控制，且风速有所减小，空气质量开始逐渐转差；24日白天弱冷空气缓慢南下影响京津冀地区，上午北京、廊坊、唐山等北部地区地面风场转为偏北风，空气质量明显好转，天津地区地面风场自北向南逐渐转为偏北风，出现地面辐合风场，24日下午地面风场转为偏北风 2～3级，大气扩散条件改善，空气质量开始缓慢好转，但由于风速较小，污染物浓度下降缓慢，空气质量仍达到重度污染水平，夜间地面风场转为偏东风，空气质量持续改善，以良(轻度污染)为主；25日白天地面风场维持偏东风，且风速增加至3～4级，空气质量进一步转好至优良水平，污染物过程结束。

3.3 地面能见度和颗粒物浓度资料

根据此次天气过程，现将 21～25日的能见度和PM2.5、PM10变化情况进行分析。如图3和图4所示，2月 21日 17∶00起测站能见度为下降到 10000m以下，PM2.5、PM10浓度分别维持在 100、200μg/m3以上，受弱风场、上游输送、下沉气流抑制以及大气垂直扩散条件不利的共同影响，能见度逐渐下降，PM2.5、PM10浓度逐渐升高，22日白天达到此次重污染过程的峰值，能见度下降到 1000m 以下，PM2.5、PM10浓度分别达到 274.5、411.9μg/m3，直至 25日08∶00冷空气到来，大气扩散条件改善，空气质量转好至优良水平，污染物过程结束。

图1 2019年2月20～25日08:00地面气压场Fig.1 Ground pressure field at 08：00on February from 20 to 25, 2019

图2 2019年2月20～24日08:00地面风场Fig.2 Ground wind field at 08：00 on February from 20 to 24, 2019

图3 2019年2月21～25日能见度变化情况Fig.3 Visibility changes on February from 21 to 25, 2019

图4 2019年2月21～25日PM2.5和PM10变化情况Fig.4 Changes in PM2.5 and PM10 on February from 21 to 25, 2019

3.4 温度廓线资料

如图5所示，从 21～25日的温度廓线资料中发现，在此次重污染天气过程中，近地均存在明显的逆温层，最强时达到每百米相差 2.0℃，晴空和气温回暖均有利于逆温形成和长时间逆温维持，逆温层的出现使得污染物始终在近地面积累。每日入夜后地面风速减小，近地面相对湿度增加，加快逆温层快速建立，大气扩散条件不利，中午前后随着逆温层瓦解，大气边界层升高，地面风速有所增加，大气扩散条件略有改善。

图5 2019年2月21～25日温度随高度变化情况Fig.5 Temperature change with height on February from 21 to 25, 2019

3.5 风廓线水平风场资料

从 21～25日的水平风廓线资料中发现，如图6所示，随着静稳天气建立，21日 1000m以下近地面风场转为西南风，各高度层的风速均在 5m/s以下，地面能见度逐渐转差，达到中度污染水平并伴有中度霾，入夜后地面风速继续减小，伴随地面相对湿度增加，出现了能见度小于 1000m 的大雾天气，且入夜后逆温层快速建立，大气扩散条件不利，空气质量进一步下降；22日白天随着弱冷空气影响天津，测站上空 1000m以上出现弱的东北风，伴随风力向下传导，且风向由弱北风向东风转变，存在气流滞留，受弱风场、上游输送、下沉气流抑制以及大气垂直扩散条件不利的共同影响，22日白天达到此次重污染过程的峰值；23日上午，天津地区高空浅槽过境，各高度层均出现风速在 5m/s左右的西南风，空气质量转差，达到中度污染；24日白天弱冷空气缓慢南下影响京津冀地区，08∶00时 1000m 以上出现弱的偏北风，由于冷空气移动缓慢，24日上午始终处于辐合风场影响下，有利于污染物积累聚集，同时受上游地区输送影响，空气质量进一步转差，出现短时严重污染，24日下午地面风场转为偏北风 2～3级，大气扩散条件改善，空气质量开始缓慢好转，但由于风速较小，污染物浓度下降缓慢，空气质量仍达到重度污染水平，夜间地面风场转为偏东风，空气质量持续改善，以良(轻度污染)为主；25日白天地面风场维持偏东风，且风速增大至 3～4级，空气质量进一步转好至优良水平，污染物过程结束。

从整个过程来看，污染天气的变化主要受高空500～1500m 风场的影响，当高空风速较大时，扩散条件有利，不易出现污染天气，地面能见度较好；当风速持续较小时，易出现污染天气。风廓线雷达探测风场具有实时性，能较好地反映高空风场的变化，较好地反映出本地区的大气扩散条件的变化，为环境预报提供依据。

3.6 风廓线垂直速度资料

风廓线雷达不仅能反映高空水平风场的变化，还能获取垂直风速的数据，如图7所示，从 21～25日风廓线垂直风场资料中发现，受静稳天气系统的影响，各层的垂直风速均很小，接近于 0m/s。结合地面能见度和颗粒物的变化情况可以发现，在能见度降低和颗粒物升高之前，在500m以下的近地面层会出现速度为正的垂直速度，表明此刻上升气流明显，大气垂直上升运动会使近地面较容易出现辐合区，形成小尺度的局地环流，周边的污染物容易聚集堆积，从而加重空气污染。

图6 2019年2月21～25日风廓线水平风场(世界时)Fig.6 Wind profiling horizontal wind field on February from 21 to 25, 2019(World Time)

图7 2019年2月21～25日风廓线垂直风场(世界时)Fig.7 Wind profiling vertical wind field on February from 21 to 25, 2019(World Time)

4 结果与讨论

①在排除沙尘和降水等对能见度的影响后，常规气象要素中的风速和能见度呈正相关，对大气的变化存在一定的指示作用。

②此次过程是天津地区典型的北部弱高压的污染类型，小风、高湿、逆温、下沉气流和区域输送是重污染天气形成的关键，其中，高空水平风速的变化情况和污染天气的发展密切相关，当水平风速小于5m/s，且持续时间较长时，大气扩散条件转差，就可能导致重度污染天气。

③风廓线雷达可实时反映高空风场的变化情况，进而判断污染物的输送途径和扩散方向，为开展环境监测预报提供依据。

④利用风廓线垂直速度资料，判断是否存在上升气流，当上升气流明显时，近地面容易出现辐合区，形成小尺度局地环流，造成污染物集聚，易出现污染天气。