河北邢台市连续重污染天气维持与消散成因分析

齐佳慧，郝巨飞，王丛梅，杨允凌

（1.通辽市气象局，内蒙古 通辽 028000；2.邢台市气象局，河北 邢台 054000）

2013年以来，京津冀地区持续大范围的污染天气，引起了社会各界的广泛关注[1-3]。国外学者对于大气污染的研究开始较早，发现空气中的大气污染物与气温、降水量、相对湿度等气象因子有着密切的关系[4-5]。美国学者利用IMPROVE观测网分析，定量得出了空气中各种污染成分消光系数的贡献，并考虑了吸湿增长，得到了著名的IMPROVE公式[6-8]。近年来，国内学者对大气污染的年际变化与气象因素对其的影响做了大量的研究[9-10]，取得了一系列成果。李琼等[11]利用珠江三角洲地区的天气资料与污染物监测资料分析得出珠江三角洲地区的污染状况与天气形势之间存在显著关系。任阵海等[12]提出，大范围均压场的持续与演变是形成区域重污染的重要大气条件。段宇辉等[13-15]研究表明，天气系统的演变对大气扩散条件的预报具有重要的意义，高空弱的垂直运动、中低层弱的辐散场或下沉气流、近地层的逆温，都会使污染物在边界层堆积，而稳定的大气层结会使重污染天气持续加重。大气边界层高度较低，相对湿度较大，以偏南气流为主时，气溶胶更容易吸湿增长，易导致重污染天气产生[16-17]。韩霄等[18]利用数值模拟的方法对华北平原重霾进行研究，结果表明，在逆温明显、风速较小、相对湿度高的条件下，既有利于污染物的堆积，也有利于污染物的吸湿增长。吴兑等[19-20]研究表明，污染物的积累区域与地形有着显著关系，受太行山的阻挡与背风坡的下沉气流影响，石家庄、保定、邢台、邯郸形成了一条污染物不易扩散的高污染聚集带。

河北省中南部是京津冀地区的污染重灾区，2016年全国74个重点城市空气质量状况排名中，空气质量较差前10名河北省占6席，邢台市位居第四。重污染过程与气象条件关系显著，特定的天气系统和气象条件是重污染天气形成的关键[21]。在以往的研究中，多侧重研究重污染天气生成及维持的原因[3]、[22-23]和物理机制[24-27]，气象条件对重污染天气的消散研究较少[21]。因此，本文将针对此次连续性重污染天气的特点，从天气形势、垂直与水平扩散、降水等因素着手，探讨此次重污染天气的维持及消散的原因，进一步了解重污染天气得以消散的物理机制，以便为公众服务、预报预警等提供参考。

1 资料来源

本文所使用的空气质量监测资料由河北省邢台市环境监测站提供，内容包括空气质量指数AQI、污染物浓度、首要污染物。气流轨迹资料来源于NCEP（美国国家环境预报中心）的GDAS（全球资料同化系统）气象数据，该数据每2 h记录一次，分别为00：00，02：00，04：00 直到 22：00（UTC）。气象资料采用逐时自动站观测平均值，包括日最小能见度、平均风速、相对湿度，虽然邢台的国家基准站距离市区有20 km的距离，但据对比资料显示，气象要素对应性较好，具有代表性[28]。

本文所用的大气混合层高度是根据稳定度等级和混合层系数计算得出，计算采用国标法，按照国家标准 GB/T 3840—91附录B和附录E中给出的方法进行计算，其具体算法可参考文献[29-30]，大气稳定度等级采用修正的Pasquill稳定度分类法[30]。本文利用HYSPLIT模式分析连续重污染天气中污染物的源地和传输路径，HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式用于追踪气流携带的粒子或移动方向，由美国国家海洋局和大气管理局的空气资源实验室与澳大利亚气象局联合研发，是一种混合型单粒子欧拉—拉格朗日（Eulerian-Lagrangian）扩散模式[31]。本文的微波辐射计资料来源于布设在邢台市国家基准站（37°11′N，114°22′E，海拔高度：182.0 m）的地基多通道微波辐射计（MWRP），由中国兵器工业北方通用电子集团有限公司所研制（型号：MWP 967 kV），温度通道≤-35 dBc，天线旁瓣电平水汽通道≤-28 dBc，亮温分辨率≤0.2 K，探测范围为地表到顶空10.0 km，垂直方向上廓线划分为58层，分辨率分别为50 m（0.5 km 以下）、100 m（0.5～2.0 km）、250 m（2.0～10.0 km），通过神经网络算法反演顶空大气温度、水汽浓度和相对湿度等的大气参数。

2 实况分析

2.1 空气质量概况

此次河北省中南部的连续重污染天气过程，邢台市持续严重污染，定义该日首要污染物质量浓度从最低值逐日累积到峰值重新下降到谷值的状态称为一次环境污染过程。根据邢台市的情况，在空气污染指数连续3 d达到或超过五级（AQI>200）时即可称为连续性重污染。此次连续重污染天气AQI值3次达到峰值（图1），分别出现在2016年12月19日、12月31日、2017年1月8日，所对应的AQI分别为420、500、311，本文中将2016年12月16—23日称为过程一，2016年12月27日—2017年1月4日称为过程二，2017年1月5—10日称为过程三。

图1 2016年12月16日—2017年1月10日邢台市AQI变化趋势

2.2 气象要素及PM的变化特征

在此次连续重污染天气中，PM10、PM2.5的浓度日变化与气象要素具有显著的相关性（图2）。过程一自12月16日起PM2.5和PM10浓度开始上升，空气质量开始转差，在19日达到峰值，PM2.5和PM10浓度分别为 379.3 μg·m-3和 465.8 μg·m-3，平均风速在2.5 m/s以下，日最小能见度由16日的1669 m下降至22日的44 m，23日污染物浓度下降到谷值，能见度转好。过程二在31日PM2.5和PM10浓度达到峰值，分别为 409.5 μg·m-3和 606.8 μg·m-3，此时相对湿度均在70%以上，小风日数增加，由过程一中的7 d增加到16 d，日最小能见度持续5 d在50 m以下。4日空气污染得到短暂的缓解，5日污染物浓度再次上升。过程三在1月8日PM2.5和PM10浓度达到峰值，分别为 245.5 μg·m-3和 358.0 μg·m-3，期间相对湿度一直维持在90%以上，能见度不足300 m，直至10日污染物浓度下降，日最小能见度达到1761 m，相对湿度下降到65%。

此次邢台市连续重污染天气过程，污染物浓度变化具有明显的阶段性特征，相对湿度、地面风、能见度等气象要素对污染过程的维持与消散具有直接影响，而这些气象要素则产生于特定的天气形势与天气系统下。因此，本文将从地面形势、大气稳定度、降水等方面进一步深入分析此次连续重污染过程的维持与消散条件。

图2 2016年12月16日—2017年1月10日污染物浓度及气象要素日变化

3 污染物维持与消散的机制

3.1 地面形势分析

过程一在2016年12月16—19日，污染物浓度持续上升，由图3可知，在污染物浓度上升阶段，邢台市处于均压场中，高压中心位于河北省西北部，移动较为缓慢，由于受均压场控制持续时间长，均压范围大，底层大气层结稳定，不利于空气中污染物的扩散和稀释，造成污染物积累；16—19日污染物浓度均维持在较高水平；21日00时，在贝加尔湖附近高压开始建立，分裂为东西2个高压中心，中心压强1 047.5 hPa，邢台市处于高压前部，气压梯度明显增强，由于强气压梯度范围宽广，持续时间长，极有利于污染物的扩散；在21—23日，伴随高压主体的东移南下，污染物浓度显著下降。

2017年1月3日范围宽广的均压场持续是污染物积累的主要原因，西北冷高压在东移南下的过程中强度不断减弱，对污染物的清除效果不明显；5日河北省南部形成一明显的辐合切变，随着均压场建立并持续，污染物浓度开始升高，至8日AQI再次达到峰值，9日伴随冷高压的南下，污染物得以扩散和稀释。

3.2 垂直扩散的影响

污染物的浓度除了受污染源的影响外，还取决于大气的垂直扩散能力，大气稳定度变化对污染物的垂直扩散有一定的影响[32-33]，大气混合层高度也是反映大气垂直扩散能力的重要参数[34]。大气混合层高度降低时，AQI升高，易出现重污染天气。将大气混合层高度与AQI做相关性分析，相关系数为-0.480 2，达到0.01的显著水平，呈明显负相关；AQI<200时，大气混合层平均高度为1305 m，AQI>200时，大气混合层平均高度为763 m，最低降到437 m（图 4）。

图3 2016年12月18日14时（a）、12月21日23时（b）海平面气压场

图4 2016年12月16日—2017年1月10日邢台市AQI、混合层高度变化趋势

邢台市地处太行山东部背风坡，大气扩散条件明显弱于开阔的平原地区，受地形影响，多有逆温出现，经对比此次连续重污染过程在维持与消散阶段的探空图都有着明显特点。选取2016年12月20日20时与21日08时的探空图（图5）进行分析，20日与21日的AQI日均值分别为396和270，20日20时在3000 m下存在两层逆温层，低层逆温较强，干暖盖层较厚，覆盖在近地面，地面风速较弱，不利于污染物的扩散；20日08时，近地层逆温层消亡，相对湿度增加，干暖盖消失，空气污染情况得到。

图5 2016年12月20日 20时（a）、21日08时（b）探空图

图6 2016年12月16—21日AQI、温度变化趋势

对应微波辐射计的观测（图6），自2016年12月16日16时开始，在高度1000 m以下，逆温层开始建立，AQI持续上升，直到17日16时，逆温层消失，AQI到达峰值后开始下降；在之后的3 d内，AQI随着逆温层的建立上升，在19日21时达到峰值570，当逆温层消失时，AQI则开始下降，至21日00时，一股较强冷空气影响我市，逆温层彻底消失，AQI值也下降到最低值，为105。

3.3 水平输送的影响

王喜全[35]、刘宇[36]等研究表明：风对大气污染物的扩散和三维输送起重要作用，其中风向决定了污染物的输送方向，风速则影响污染物的扩散程度。边界层以下污染物容易聚集，因此本文重点分析地面风速风向对污染物扩散的影响。

过程一（图7），12月20日12时，地面由偏西风转为偏东风，AQI开始上升达到400以上；21日00时，西北风开始加大，AQI不断下降，西北风持续10 h，其中00—04时风速较大，最大时次可达4.8 m/s，AQI下降到100左右；21日11时风向开始转为偏南风，污染物浓度再次回升，直到22日07时，西北风加大，AQI有了明显的降低。过程二与过程三中，AQI的变化与风速风向的关系虽然不如过程一的明显，但当风向变化较乱时，AQI为上升趋势，在污染物浓度降低的时次，风向大多为偏北风且风速较大。由此可知，当地面风以偏北风为主时，AQI随着偏北风的持续而有所下降；由于邢台市地处太行山东部的特殊地形，地面以偏东风为主时，AQI的数值往往会增大；偏南风可以带来较好的水汽条件，AQI开始变化的时次与风向由北转南的时刻相对应，局地也会形成短时的辐合区；当风向稳定时，AQI随着风速的加大而减小。

图7 2016年12月19—22日邢台市AQI、风速变化趋势

3.4 降水的影响

不同等级的降水量对污染物的清除作用也有所不同[37]，为分析降水量对PM2.5的影响，在此次连续重污染天气中，选取3次不同的降水过程作为研究对象，分别统计PM2.5在降水前后的浓度变化，定量分析降水量对污染物的清除作用。本文规定：降水前一日PM2.5的日均浓度（PM2.5初始浓度）减去降水后一日PM2.5日均浓度表示降水对PM2.5的清除作用。选取2016年12月21日、2016年12月24—25日、2017年1月4—7日的降水过程进行研究。

统计降雨过程PM2.5浓度的变化（表1），基于对3次过程的分析，降水量分别为 6.9、3.1、1.2、0.2 mm，所对应的PM2.5的清除率分别为67.9%、43.4%、4.3%、-17.6%，由此可知降水量越大，对空气中污染物PM2.5的清除率越强，当降水量＜1 mm，反而有利于PM2.5的增加。

表1 2016年12月16日—2017年1月10日邢台市降水过程中PM2.5浓度变化

选取清除率最大的降水过程进行具体讨论（图8），邢台市2016年12月20—22日的降水过程自21日00时起，持续7 h，过程降水量为6.9 mm，降水开始前 1 h PM2.5的浓度为 442.3 μg·m-3，此前一天PM2.5的浓度都在300 μg·m-3以上，降水开始2 h后 PM2.5的浓度下降到 78.3 μg·m-3，直到降水结束，PM2.5的浓度都维持在这一水平，降水结束后，PM2.5的浓度又有一缓慢的上升，但均小于降水前浓度。此次降水对污染物PM2.5的清除效果非常明显，平均清除率为 67.9%，最大清除量为 478.2 μg·m-3。

图8 邢台市2016年12月20—22日降水前后PM2.5浓度变化

另外2次降水过程均为分段降水，过程二总降水量为3.1 mm，随着降水开始，PM2.5的浓度由降水前的 219 μg·m-3下降到 189 μg·m-3，降水结束后 2 h PM2.5的浓度持续下降，最低达到 97.5 μg·m-3；前一阶段降水结束后，由于前期降水带来的较好的湿度条件，后一阶段降水开始后，PM2.5的浓度先大幅度上升然后下降，在降水结束后2 h，PM2.5的浓度达到60.3 μg·m-3，此次降水过程带来的PM2.5的清除效果较为明显，PM2.5的平均清除率为43.4%，最大清除量为199.5 μg/m3。过程三由于2个阶段降水过程间隔时间较长、降水量较小，对PM2.5的清除作用不太明显，前一阶段平均清除率为4.3%，最大清除量为173.8 μg·m-3；后一阶段在降水过程中 PM2.5的浓度依然在上升，降水结束后的一段时间PM2.5的浓度也维持在较高的水平上，对PM2.5几乎没有清除作用，反而使其浓度有所升高，平均清除率为-17.6 μg/m-3。

3.5 污染源的分析

研究表明，城市大气污染不仅与本地污染源的直接排放有关，还受区域输送的影响[38-39]。区域大气污染的成因和来源与气流的轨迹密切相关，后向轨迹模型分析成为研究这一问题的重要手段[40]。应用Hypilit4模式对邢台市不同时段（2016年12月17—20日、2016年12月29日—2017年1月9日）逐36 h后向轨迹聚类分型、2016年12月22日14时、2017年1月12日15时的单时刻后向轨迹进行分析，高度设置为500 m。结果显示在2016年12月17—20日（图9a），8%的气团后向轨迹来自内蒙古西北部，气流输送高度较高，气团相对清洁，19%的气团轨迹主要来自河北省以西400 km之外，输送起始高度可达3000 m，而73%的气团轨迹主要来自邢台市以北200 km内，气流主要为局地输送，在此时间内，邢台市的AQI一直处于上升阶段并持续，PM2.5增长异常明显；直到21日AQI开始下降，图9b为PM2.5浓度最低时刻进行的气团后向轨迹分析，这一时次的气团来自我国西北部以外的蒙古地区，气团较为清洁，传输高度较高，有利于污染物的清除。2016年12月29日—2017年1月9日邢台市的AQI维持在200以上，日均值最高达500，对这段时间做气团后向轨迹聚类分析（图9c），结果表明8%的气团来自蒙古境内，20%来自我国西北部，20%来自河北省西部，此三条输送路径起始高度与输送高度较高，输送距离较长，多为清洁空气，另外52%的气团来自邢台市以北地区，输送路径较近，高度较低，多为集中在近地面的局地输送，使空气污染进一步加重并维持；选取消散效果较明显的1月12日15时进行单个时刻72 h后向轨迹分析（图9d），表明气团来源于西北地区，输送距离较远，高度较高，空气较为清洁，有利于污染物的稀释与扩散。

图9 邢台市36 h聚类后向轨迹及单个时次后向轨迹模拟图

4 结论

通过对此次邢台市连续重污染天气过程的分析可得到以下结论:

（1）地面均压场维持、高压前部锋面过境、地面辐合区持续都会使污染物积累；伴随冷高压主体东移南下并加强，气压梯度增大，冷空气不断补充，污染物得以消散。

（2）近地面大气混合层高度与AQI呈显著负相关，在重污染天气维持阶段，大气混合层平均高度763 m，平均相对湿度达82.6%，逆温层结较厚达443 m、强度1.83℃/100 m，并且稳定维持；在污染物消散阶段，大气混合层高度明显升高，平均达1305 m，逆温层消失，相对湿度下降到60%以下。

（3）在重污染天气维持阶段，地面风场持续辐合，小风日数达22 d（占比85%），近地面以偏南气流为主，偏东风的持续也不利于污染物的扩散；随着冷空气的影响，偏北风为主导风向并持续加大，最大风速可达4.8 m/s，对大气污染物起到明显的清除作用。

（4）降水过程对PM2.5浓度的降低起到一定的作用，降水量>3 mm且雨强较大时，PM2.5的清除率可达40%以上，若降水量<1 mm时，不仅达不到清除作用，反而有利于PM2.5浓度的升高。

（5）在重污染天气维持阶段，50%以上的气团来自于距邢台市不到200 km的周边地区，气团轨迹多集中在500 m以下的近地面，局地输送较为明显；在污染物的消散阶段，气团多为西北路径输送，距离较远，空气较为清洁，起始与输送高度较高，有利于污染物的扩散。