中国重霾过程污染气象研究进展

刘厚凤，杨欣，陈义珍,，孟凡，许鹏举

1. 山东师范大学地理与环境学院，山东 济南 250014；2. 中国环境科学研究院，北京 1000122；3. 大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044

中国重霾过程污染气象研究进展

刘厚凤1*，杨欣2，陈义珍2,3，孟凡2，许鹏举1

1. 山东师范大学地理与环境学院，山东 济南 250014；2. 中国环境科学研究院，北京 1000122；3. 大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044

对近年来中国重霾污染过程的气象成因的相关研究进行了总结，从大气环流背景、边界层流场以及气象因子等方面进行综合分析，并介绍了相关区域输送对污染的影响贡献，得出关于中国重霾过程污染气象的一致结论：冬季重霾发生的典型天气条件为高空500 hPa西风纬向环流指数高，南北气流交换不畅，利于中国中东部高空稳定形势的发展，对应近地弱高低压系统，均压场控制频繁，稳定的大气层结使污染物更易在近地累积，偏南暖湿气流则促使大量二次污染物生成；副热带高压与青藏高原高压、西风带高压并合的形势，是引起中国夏季大气环境质量恶化的主要原因；台风引起的下沉逆温稳定天气，易造成珠三角地区重霾污染。区域和局地山脉气流辐合效应使污染物较易在山麓地带聚积，海陆风和山谷风带动局地污染物的垂直输送和区域间输送。地面弱风速、风向以及高湿度是影响大气质量的直接关键因子，混合层高度与空气质量具有较强的相关性，对限制污染物的垂向有效扩散产生重要影响。数值模拟气象要素对空气质量影响贡献得到多次验证，霾预警开始发挥重要作用，区域污染的输送作用对重点城市空气质量的影响不容忽视。在重霾过程污染气象的研究还有待深化的方面包括：重视模拟研究，对污染物在大气中多尺度传输、沉降及化学循环等全周期的行为轨迹进行追踪定量，制定有针对性的污染控制技术与对策；开展大气污染的影响边界研究，辅助气象预报为特定区域空气质量保障提出即时有效的防控措施和预警方案，为提高污染控制措施的有效性奠定科学基础。

重霾过程；污染气象；环流背景；气流辐合区

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近年来，重霾污染在中国中东部地区频发，严重影响了民众的生活质量。重霾污染的发生是自然和人为因素共同作用的结果，当污染源排放量一定的情况下，霾污染的程度和时空变化特征主要取决于气象因素。国内学者对近年来的重大污染过程气象原因进行了广泛深入的研究。其中有研究指出在2013年 1月的污染事件中，气象因素的影响超过2/3，二次气溶胶形成与变化受气象条件影响更大（张人禾等，2014）。影响大气污染物扩散、迁移、转变的气象因子主要有：风、湿度、降水、大气稳定度和混合层厚度等（Wehner et al.，2003；饶晓琴等，2008），局地气象条件变化受大气环流背景和天气系统演变支配和控制。

污染气象研究旨在揭示空气质量与气象条件之间的关系。关于中国雾霾污染天气的发生与气象因子之间的联系，已有研究一方面集中在雾霾长期变化趋势与气象因子变化趋势之间的关系（高歌，2008；Niu et al.，2011），另一方面集中在局地气象条件对雾霾生消演变过程的影响等（Quan et al.，2011；廖晓农等，2014）。污染气象理论的研究有助于认识空气污染形成机制，对环境空气质量预报、重霾事件防控和应急方案制定、调整污染源布局和合理确定大气环境容量等起到重要作用。近年来污染气象的研究成果主要有以下几方面。

1 大尺度环流背景对重霾污染的影响

1.1冬季重霾过程高空环流背景

大气重霾过程的形成与大气的相对稳定有关。冬季是中国中东部地区重霾的多发季节，如图 1a所示，冬季高空500 hPa、高纬度（40°N以北）、70°E～110°E间多存在阻塞环流，且40°N以南流场纬向特征明显，等压线基本呈现平直或较小波动，受平直西风带影响，上空南北气流交换不畅，从而导致低空缺乏南下的冷空气引导气流，利于中国中东部高空稳定形势的发展。随着高空气流阻塞形势的调整及南北向气流分量的出现，地面冷高压发生南移，近地面出现较强西北风，污染过程随之结束（程念亮等，201340-41；苏福庆等，2004a19-20；杨晓亮等，2014；吴蒙等，2014；王跃思等，201419；韩霄等，2014；王丛梅等，2013）。

图1 冬季稳定、易污染的大尺度环流背景及污染演化过程示意图Fig. 1 Sketch map of the large scale circulation background of the stable and liable pollution and the evolution of the pollution

1.2冬季重霾过程中低层流场特征

在冬季重霾期间，中国东部850 hPa高空多受暖平流影响，易形成暖空气盖和平流逆温层，使得该区域整个对流层几乎一致增暖，850 hPa以下的大气低层正温度距平随高度增大，从而导致近地面层大气稳定度增加。上空的暖平流还将导致对流层中层气压偏高，高压异常对下层对流的发展起到抑制作用，有利于霾组分在大气低层聚集，造成污染物浓度迅速攀升（程念亮等，201339；苏福庆等，2004a18）。加上冬季阿拉伯海北部暖湿的西南风是中国东部水汽的主要来源（周长艳，2004），充足的水汽为重霾天气的发生提供了有利的水汽条件，大气粒子经过吸湿、酸化等非均相反应，在物理和化学共同作用下生成大量二次污染物（朱彤等，2010）。

图1b中2013年1月6日地面天气图显示，冬季重霾期间西伯利亚冷高压中心位置偏西北，位于蒙古国至西伯利亚，强度较弱，中国中东部地区受弱高压均压场控制，不利于污染物向区域以外平流输送，同时弱高压区伴有的辐射逆温和下沉逆温使得底层大气层结更加稳定，污染物更易在近地累积（王喜全等，2007；王跃等，2014176-177；廖志恒等，2014）。随后，弱高气压系统控制下的东北、华北地区会因气温渐升而逐渐演变成弱低气压系统，边界层底层气流呈现微弱上升，偏南气流与北方偏北气流开始形成辐合对峙，如图1c所示。

持续的弱低压造成南北气压梯度增大，偏南暖湿气流的持续有利于西北冷空气南下形成准静止锋，而冷锋前方气流与偏南气流的明显对峙，使得整层风速减小，污染物的水平扩散能力降至最弱，不同方向污染物因气流辐合而汇集堆积，污染达到过程峰值。锋区过境后，偏北风明显加强风速增大，有时还会伴随降水，此时逆温结构被破坏，污染得以扩散，区域空气质量好转（陈朝晖等，2007；施晓晖等，2012），污染物浓度随时间分布演化过程示意图见图1d。

高压前部的系统性西北大风是中国中东部重霾得以驱散最有效的直接外部动力。图1中所示的中低层南北气流复合及随后的锋区是冬季影响中国东部地区空气质量的一种常见大气背景演变结构。受天气系统的周期变化影响，大气质量的周期性变化规律明显，其中冬季以长周期为主，夏季则多为短周期，表明冬、夏季大气环流季节性尺度特征对大气污染变化周期特征的影响效应明显（贺克斌等，2009）。其中，华北地区冬季重霾污染主要受两次强冷空气之间周期为2～7 d的弱风影响所致（王跃，2014）。

1.3其它季节重污染的天气形势

春、秋两季污染天气形势与冬季类似，由于春秋地表获得热量较冬季多，大气结构不及冬季稳定，因此污染程度总体低于冬季。春季重霾的发生多数情况下源于大风引起的沙尘。

夏季大气不稳定程度较高，加上降水的影响，空气质量相对较好。副热带高压是影响中国夏季大气环境质量的主要天气型之一，副热带高压的进退导致中国主要大气污染物浓度的谷、峰交替的环境过程的形成。副热带高压和青藏高原高压并合的形势，能造成中国大范围的霾污染过程，而与西风带高压并合，则会对中国北方地区造成严重的霾污染（陈力强等，2006；段宇辉等，2010）。

1.4不同区域重霾环流背景

造成中国中东部不同区域重霾的环流背景有所不同，其中华北区域及长江中下游重污染天气背景相似（王璟等，2008；齐冰等，2012；刘波，2013），珠三角区域污染形势还受到台风天气系统影响。吴蒙等（2013）等对珠三角的污染过程研究发现，当台风位于广东珠江口东部沿海乃至福建沿海时，珠三角地区恰好位于台风行进方向左侧的下沉气流区，形成下沉逆温稳定天气；除此之外，珠江三角洲城市群污染还与盛行东北风有密切关系，大部分时间珠江三角洲西南部出现的污染是由于污染物沿着主导风向输送并累积造成。

2 区域和局地边界层流场对重霾污染的影响

区域流场是受所在区域下垫面性质、地形等因素影响形成的特殊天气流场，受区域和局地大气动力、热力影响，其边界层流场结构具有多尺度空间特征，如城市群间大尺度天气系统、次天气尺度热岛、山谷风、海陆风以及其它不同尺度的天气系统等。该类流场对低空大气污染的物理-化学过程会产生显著的影响，并导致各类城市大气复杂污染排放源（点源、线源、面源）影响域具有显著的多尺度特征（徐祥德等，2005；董芬等，2013）。

2.1山脉气流辐合效应的影响

山脉对气流有明显的阻滞作用，同时形成背风坡低风速涡流区。研究表明：局地气流的辐合汇集作用更容易发生在山麓地带，污染物在此极易聚积，如太行山山前、燕山山前的北京、石家庄、邯郸、邢台、保定等地区是重霾典型高发区，济南、太原、西安、兰州、乌鲁木齐等污染较严重的城市也多与山地辐合流场的影响有关（鞠丽霞等，2003；张小曳等，20131181；苏福庆等，2004b）。

2.2海陆风、山谷风对霾污染的影响

海陆风、山谷风均是以日为周期的局地风场环流。许多学者对海陆风、山谷风环流做了大量的观测、模拟和理论研究。刘树华等（2008）、缪育聪等（2014）通过WRF模拟京津冀地区流场特征表明，弱天气系统控制下京津冀地区大气边界层中可同时存在海陆风、山谷风耦合效应。海陆风环流极盛时影响范围可达200 km左右，山谷风环流的影响最大可覆盖北京区域内的平原地区，而城市热岛环流则发生在距城市中心几十千米范围内。其中，海风可造成较强的水平辐合和垂直上升运动，将大气边界层高度抬高到2 km左右，有利于局地大气污染物的垂直输送和区域间的输送。白天，谷风环流和地形的作用可将污染物抬升到2～3 km高空，将污染物向下游地区输送，从而减轻局地的大气污染，但当污染物在山区仅仅能被抬升到1 km以下的高度时，污染物被高空气流输送到下游的可能性较小，此时由山谷风输送上来的污染层有可能只是作为污染物的临时储库，而后污染物被谷风环流的高空补偿气流或山风环流带回地面（Chen et al.，2009）。

3 气象要素与重霾污染的相关性

已有研究表明高湿、低压、弱风、逆温、稳定大气层结等极端不利气象条件均易造成污染物积累（徐祥德等，2005；袁美英等，2005；杨欣等，2014287-288）。一定强度的降水、大风对驱散灰霾、改善空气质量有明显作用。杨晓亮等（2014）研究表明，较强冷锋过境带来的偏北大风对污染物去除率达90%以上，降水的清除效率一般小于风，其中弱降水不但不足以净化空气，反而通过增加地面相对湿度为颗粒物湿增长创造了有利条件，进而导致灰霾加重。

3.1风速与相对湿度

风速对霾的影响表现出两种极端情况：春季的霾污染以大风造成的扬尘为主要成因，冬季的重霾则发生在小风和静风时。根据韩霄等（2014）对2013年1月中旬重霾过程气象场的研究，霾期华北平原大部分地区水平风速较多年平均值偏小约20%，相对湿度则较多年平均值偏高 10%～40%。在湿度增大，尤其增至70%以上时，干气溶胶粒子吸湿增长会使观测的大气消光增强，PM2.5质量浓度“虚高”（潘小乐，2007；张小曳等，20131180）。另外，在高湿条件下，高浓度矿物颗粒可与污染气体通过非均相化学反应形成更多二次气溶胶，如孙峰等（2014）研究显示，湿度较大时S02转化率增大，可加重霾污染。

3.2风向与污染传输扩散

风向影响气团来源，并作用于污染物的传输扩散。陈朝晖等（2008）研究指出华北区域内大部分城市API上升阶段，以较小的西南、东南风影响为主，而在API下降阶段则以西北、北、东北气流影响为主，污染物从北向南扩散。华南沿海地区则相反，来自于内陆的偏北气流会使污染加重，而吹来自于海上的偏南气流时则使污染减轻（吴蒙等，2014）。另外，风的垂直切变可以通过动力作用对霾的消除产生影响，当500～850 hPa水平风的垂直切变偏大时，上空对流层中低层的垂直混合偏强，将有利于气溶胶向高空扩散，王跃等（2014179-180）对北京重霾研究表明，当中低层出现较强的西北转东南风切变时，会出现污染物的爆发性增长，并且底层受持续偏东或偏南风控制、高层为偏西风控制时，污染物较易累积，是污染物持续发展的重要原因。

3.3混合层高度和大气稳定度

较低的边界层高度会限制污染物的垂向有效扩散，环境容量减小使得灰霾污染加剧。常规污染物除臭氧外最大值基本都出现在傍晚、夜间和清晨，中午左右浓度最低，这与早晚和夜间大气近地混合层低、存在逆温层有关（杜川利等，2014）。在重霾时段逆温层厚达 500～1000 m，逆温强度大（逆温差5～10 ℃），混合层高度仅为200～300 m，而晴好天气下多为2000～3000 m，污染物扩散空间缩小了90%（王跃思等，201420；杨欣等，2014285-286）。持续稳定的大气层结会使逆温层的厚度和出现频率增加，是限制低边界层高度的直接原因。尤其当地面辐射逆温和850 hPa出现的大气偏暖气流输入所形成的下沉逆温或平流逆温结合时，易形成上下均较厚的逆温层，造成较持久的污染（Berkowitz et al.，2000）。

3.4数值模拟与霾预警

大气污染与气象条件关系十分复杂，在污染物排放一定的情况下，大气动力、热力条件分析对空气质量的预测预警研究已经引起中国学者及管理部门的广泛重视。杨元琴等（2009）通过分析总结高污染过程（PM10>150 µg·m-3）中敏感气象要素在大气热力与动力过程中对空气质量影响的贡献，计算影响空气质量的气象条件影响参数 PLAM（Parameters linking air quality and meteorology），为北京奥运和上海世博会等大型社会活动期间影响大气污染物聚集扩散的气象条件进行定量分析诊断和空气质量检测预警服务。另外，灰霾数值模拟预报也被逐步应用到日常气象服务中，通过利用已有排放源数据耦合MM5（Mesoscale Model 5）或WRF（Weather Research and Forecasting Model）等气象预报模式，输入CMAQ或CAMx等空气质量模式进行模拟计算，从而对未来空气污染状况进行预报，并得到实测数据对模拟结果进行验证（王开燕等，2014）。

4 重霾污染与区域输送

重污染发生时区域输送作用不容忽视。王自发等（2014）对2013年1月份严重灰霾污染期间污染来源模拟研究发现，来自区域外的跨城市群输送对京津冀PM2.5浓度贡献为20%～35%，区域内输送的贡献为 26%～35%，两者之和与局地污染源贡献相当，同期上海城区 PM2.5的区域贡献则主要为本地排放累积(55.4%±22.3%)和长距 离输送(38.4%±20.0%)（安静宇等，2014）。苏福庆等（2004b）对华北区域大气污染物输送路径研究提出，太行山山前、燕山山前的大气污染物输送汇作用及其摆动是造成华北平原及北京地区区域大气污染物汇聚，形成重污染区的主要原因。王喜全等（2011）、洪也等（2013年）在分析京津冀与东北地区灰霾污染时提出，在高压后部弱西南气流天气形势控制下，京津冀地区灰霾以渤海湾及辽河平原为通道，通过跨区输送的方式对东北地区空气质量产生影响，其对辽中城市群营口市 PM10的输送贡献最高达60.6%（唐娴等，2014）。

另外，冷锋过境引发的污染物传输扩散是重霾消除的重要手段，不仅有水平方向的推动作用，还可使污染物向高空输送。程念亮等（2013）对中国东部春季一次空气污染输送过程分析指出，锋面可将污染物抬升至850～500 hPa的高度，使污染物在对流层中层快速向西太平洋传输，冷锋锋面过后污染物浓度急剧降低，锋面过境1～2 d后，高压控制天气形势下污染物再次开始积累，浓度回升，冷锋前后污染物形成一个“积累-锋前抬升-高空平流输送-锋后大风清除-积累”的循环过程。

5 结论与展望

目前污染气象研究在关于重霾过程的大气环流背景和气象因子的相关性研究中已取得了较明确一致的结论：高空500 hPa西风纬向环流指数高、近地面高低压系统弱、大气层结稳定、弱风和近地气流辐合对峙等是重霾过程发生的典型天气条件，均压场控制和近地层持续偏南气流的输送是污染长时间持续增强的主因。气象要素中风速、风向、湿度是影响大气质量的关键因子，混合层高度与空气质量具有较强的相关性，对限制污染物的垂向有效扩散产生重要影响，环境容量减小使得灰霾污染加剧。气象-空气质量数值模拟逐步应用于日常霾预警中，并在大型社会活动空气质量保障过程中发挥重要作用。

对重霾污染气象的研究还须从气象条件对污染输送空间尺度、化学转化影响等方面做更深入的研究，重视数值模拟研究的应用性，以期为污染物在大气中多尺度传输、沉降及化学循环等全周期的行为轨迹追踪等定量研究提供更多的科学依据，并据此制定有针对性的污染控制对策和预警方案。

另外，由于目前对霾污染发生的影响水平域和垂直边界尚无明确界限，应加强该方面观测和模拟研究，明确各类天气类型下的城市环境容量，为特定区域空气质量保障划定明确的污染源控制范围，从而提高减排效率和减排效果，最大程度降低控制成本。

致谢：感谢唐伟博士对本文英文摘要的修改！

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A Review of Meteorological Effects on Heavy Haze Pollution in China

LIU Houfeng1*, YANG Xin2, CHEN Yizhen2, MENG Fan2, XU Pengju1
1. College of Geographic and Environment, Shandong Normal University, Jinan 250014, China; 2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China; 3. Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology, Nanjing 210044, China

Recent research findings of meteorological effects on heavy haze pollution in China are summarized in this study. This review is focused on influence of atmospheric circulation, convective boundary layer and other meteorological factors on regional haze, and on source contributions from regional transport of air pollutants. Consistent results have been found regarding the correlation between heavy haze and the meteorological factors. In winter, the high level of 500 hPa westerly zonal circulation index and weak air exchange between northern and southern China causing stagnant atmospheric condition in middle eastern China, which corresponds to weak and uniform atmospheric pressure field on the surface layer and stable atmospheric stratification with weak vertical air exchange, making accumulation of ground air pollutants. In addition, the relatively humid air coming from south fosters large amount of secondary organic aerosol formations that also contributes to heavy haze pollution in the northeast plain. In summer, the convergence of subtropical high pressure, Tibetan plateau high pressure and westerly high pressure deteriorates air quality in China. Typically, the typhoon-caused low convective boundary layer stagnant weather leads to heavy haze pollution in the pearl delta region. The mixed effects of regional and local mountainous air-flow make air pollutants accumulate in the mountainous areas, and the land-sea and mountain-valley breezes cause air pollutants to transport both horizontally and vertically. Wind speed, wind direction and humidity are the key meteorological factors that affect air quality. Since the mixed layer height restricts the effective vertical diffusion of air pollutants, strong correlation between the mixed layer height and air quality are found. Based on the air quality modeling research findings, the meteorology has significant effects on air quality, the air quality forecasting system becomes more and more important, and the effects of source contributions from regional transport of air pollutants should not be ignored on air quality in the Chinese megacities. Future research on air pollution meteorology should include performing multi-scale atmospheric modeling to quantitatively simulate the fate and transport of air pollutants in different atmospheric processes for air pollution control strategies and air quality decision making; studying the effects of convective boundary layer on air quality, building air quality forecasting system to develop more targeted countermeasures of air pollution control and early warning plans according to the meteorological conditions, and establishing scientific basis for improving the effectiveness of air pollution control strategies to alleviate heavy haze pollution.

heavy haze pollution; air pollution meteorology; atmospheric circulation; wind convergence zone

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.025

X16

A

1674-5906（2015）11-1917-06

国家环境保护公益科研专项（201309062）

刘厚凤（1965年生），女，教授，硕士，主要从事污染气象学、环境规划与管理方向。E-mail: 512595766@qq.com *责任作者。

2015-09-17

引用格式：刘厚凤, 杨欣, 陈义珍, 孟凡, 许鹏举. 中国重霾过程污染气象研究进展[J]. 生态环境学报, 2015, 24(11) 1917-1922.