2014年河北中南部两次重霾天气成因分析

刘晓慧,马翠平,赵玉广,李二杰,李云川,魏 军,盛世杰



2014年河北中南部两次重霾天气成因分析

刘晓慧1*,马翠平1,赵玉广1,李二杰1,李云川1,魏 军2,盛世杰3

(1.河北省环境气象中心,河北 石家庄 050021；2.河北省气象灾害防御中心,河北 石家庄 050021；3.无锡中科光电技术有限公司,江苏 无锡 214135)

利用河北省环保局环境监测站提供的污染物浓度数据及常规气象观测数据、NCEP再分析资料,结合HYSPLIT4.9后向轨迹模式,对2014年10月上旬发生在河北省的2次大范围的重霾天气特征和成因进行综合分析.结果表明,这2次重污染天气过程PM地面浓度最大值出现在邢台,为507μg/m3,水平能见度不足1km.均压场的分布和较为平稳的高空形势为2次霾天气提供了有利的气象背景.高湿,静小风以及较低的混合层高度不利于污染物扩散,是导致这两次重污染天气持续的主要原因.结合卫星火点及污染物来源分析表明,河北南部及周边省份的秸秆燃烧加重了第2次过程的污染,污染气团的输送对区域性重霾天气产生重要影响.

霾；卫星遥感；气象条件；秸秆燃烧；轨迹分析；河北省

国外学者对霾研究较早[1-3],美国利用IMPROVE观测网由成分谱反演消光系数,并且考虑了吸湿增长,从而可以定量得出各成分的消光贡献得到了著名的IMPROVE公式[4-6].近年来,国内学者在霾天气的年际变化,气象因素对霾的影响做了大量研究,并取得了一系列研究成果[6-14].徐祥德等[15]研究发现中国区域霾日空间分布的大地形影响与季节特征显著,在西风带背景下高原大地形东侧背风坡可构成“避风港”效应,其可能是中国东部区域霾日高频区域性分布的影响因素之一.吴兑等[16]发现由于受太行山的阻挡和背风坡气流下沉作用影响,使得沿北京、保定、石家庄、邢台和邯郸一线的污染物不易扩散,形成一条西南-东北走向的高污染带.朱李华等[17]用IMPROVE重建了北京城区的消光系数并计算了消光贡献率,(NH4)2SO4、NH4NO3、OM( organic matter)、EC、FS(fine soil)消光贡献率分别是24.6%、11.6%、45.5%、11.9%和6.4%.在重污染天气个例方面,不少学者从多种的角度进行了成因分析.Kang等[18]对南京一次持续性霾污染进行了综合性分析,低风速、稳定的大气层结、地面形势被高压控制等因素加剧了霾污染的持续性.刘端阳等[19]发现中度以上霾的形成和发展伴随着空气比湿的增大,霾向雾转换过程中比湿下降.朱彬等[20]及朱佳雷等[21]分别从污染物浓度、天气形势、气流轨迹等角度,对南京及周边地区的一次霾天气的形成机理及可能来源做了详细分析,发现秸秆燃烧以及不利的天气形势造成了严重的空气污染事件.

河北中南部是京津冀地区霾污染的重灾区,目前针对该地区相近两次重污染天气成因对比分析不多,特别是因生物质燃烧导致的重污染分析较少.本文针对2014年10月上旬发生在河北全境的2次(10月1~4日和10月7~12日)重污染天气过程,分析以河北中南部地区为主,结合污染物浓度、火点分布、天气形势及气流轨迹等方面进行综合对比分析,探讨这2次霾天气的成因和污染物可能来源,以期对霾的预报和污染调控提供参考.

1 污染概况

从图1可以看出,2014年10月上旬全省中南部出现了两次比较明显的污染过程,10月1~4日和10月7~12日.以下10月1~4日称为过程1,10月7~12日称为过程2.

10月1日保定、定州和辛集的PM2.5浓度超过115μg/m3,3日污染范围向北扩大,保定、定州、邯郸、辛集和邢台的PM2.5浓度均超过150μg/m3.受冷空气影响,5日保定、定州、石家庄的PM2.5浓度降到100μg/m3以下,邯郸和邢台PM2.5浓度也明显下降,过程1结束.7日开始,全省再次出现污染天气,除张家口、承德、唐山、秦皇岛和沧州外,其他地市PM2.5浓度达150μg/m3以上,其中邯郸、邢台、石家庄PM2.5浓度超过200μg/m3.9日除张家口外,其他地市PM2.5浓度均达重度污染,PM2.5浓度峰值出现在邢台,为507μg/m3,石家庄PM2.5浓度达405μg/m3,保定PM2.5浓度为396μg/m3.12日河北中南部多地出现不同程度的降水,全省PM2.5浓度迅速下降并保持平稳,整个污染过程彻底结束.

2 气象要素及PM变化特征

2.1 气象条件

混合层高度由罗氏法[22]根据实况资料计算所得.图2显示,过程1邢台、石家庄的能见度在2~5km,平均风速在2m/s以下,风向以偏南风为主,混合层高度低于600m.保定的风速较大,部分时段风速超过2m/s,风向以偏北风为主,混合层高度和能见度略高于邢台和石家庄.当风向为偏南风且风速小于2m/s,混合层高度低于500m时,不利于污染物水平和垂直扩散,为霾天气的发生提供有利条件.5日石家庄、邢台和保定的混合层高度分别为1079m、899m和908m,风力增大,风向转为偏北风,相对湿度分别下降到27%、28%和29%,能见度分别达30km以上.9日PM2.5浓度达到峰值,三个站点能见度不足1km.过程2能见度明显低于过程1.12日受冷空气及降水影响,10月上旬的污染彻底结束.

2.2 PM的变化

过程1(10月1~4日),邢台、石家庄和保定的PM10,PM2.5浓度在100μg/m3以上,其中邢台和石家庄部分时段PM10浓度超过200μg/m3,3个站点的PM2.5/PM10均超过50%,波动较为明显.5日邢台、石家庄和保定的PM2.5浓度分别下降到24,13,20μg/m3,对应的PM2.5/PM10分别下降到33%,29%和42%(图3).6日夜间3站点的PM2.5浓度增加明显,呈直线上升趋势,邢台、石家庄和保定PM2.5及PM10浓度增加有延迟现象,这说明过程2可能受来自南边污染物输送的影响.过程2PM2.5/PM10维持在80%,无明显波动,PM2.5浓度一直占有较高的比例,细粒子污染明显(图3).张秋晨等[23]曾对比南京3种不同大气污染过程下气溶胶物理化学特性,发现秸秆燃烧中PM2.1/PM10可高达0.7.过程2可能受秸秆燃烧影响加重了污染.

3 霾的成因及维持机制

3.1 地面形势

分析2014年10月上旬出现的这2次污染过程的地面形势,发现过程1的地面形势主要是低压,10月1~3日,河北省处于低压带中,弱低压辐合上升,但垂直速度小,低于-0.8hPa/s.研究表明[24],垂直速度较小,低层大气有辐合时污染更加严重.低层为弱的偏南风,相对湿度的增加也利于霾的形成(图4a,b).10月7~9日地面形势为均压场,风速较小,近地层层结稳定,不利于污染物扩散(图4c,d).

图4 2014年10月上旬霾出现的主要地面气象形势
Fig.4 The main ground weather situations during the early October in 2014
a:10月1日,b:10月3日,c:10月7日,d:10月9日

3.2 高空形势及垂直速度

选取石家庄作为中南部典型站点,图5给出1000~500hPa风速及相对湿度的垂直剖面,2~3日700~500hPa有一弱西风槽,与之对应1000~ 850hPa为弱的偏南风,整层相对湿度较大,地面为弱低压带,垂直速度较小,混合层高度低于500m,不利于污染物的扩散.5日800~500hPa存在西风槽,1000~ 850hPa为偏北风与偏东风的切变,相对湿度明显降低,空气质量短暂好转.6日800~500hPa再次转为偏西气流,风速较小, 1000~850hPa为弱的偏西南风.7日700~550hPa出现浅槽,但近地面为静小风,中高层冷空气并不是很强,不能完全破坏底层相对稳定的层结,导致污染物并不能彻底清除,污染物继续积累利于霾天气的维持.

从图5还可看到,过程后期均无明显的冷空气活动,1000~700hPa均维持较高的相对湿度(60%左右),低层为一致的偏南风,且风速较小,对应地面均压场的维持,天气形势稳定,污染物滞留在近地层,难以扩散造成整体的区域污染和局地的高浓度污染.从垂直速度剖面来看(图6),1~11日,石家庄900hPa为弱的上升运动,低于0.8hPa/s.除4日和5日外,污染时段800hPa为弱的下沉运动,混合层发展受到抑制,限制了污染物的垂直输送,利于霾天气的维持.

3.3 污染源分析

应用Hypilt4.9模式对石家庄市不同时段(10月1~4日,10月6~8日和10月9~11日)逐36h后向轨迹聚类分型,高度设置为500m,并给出了对应时段的卫星火点分布(图7).结果显示,过程1(10月1~4日)主要受西北气流影响,51%的气团来自内蒙中部,气团相对清洁,35%的轨迹主要为局地气团,13%的气团经过河南中部和山西东部到达石家庄,卫星监测到河南中东部存在火点(图7b),但来自该方向的气团占比较少,1~4日达到石家庄的气团主要还是以清洁气团为主,因此火点对过程1的污染无明显影响.过程2前期(10月6~8日),该阶段河北中南部气溶胶浓度呈直线上升,PM2.5浓度增长异常明显.从图7c可以看出,该阶段主要为偏南气流为主,占比达51%,在到达石家庄之前该气团高度低于500m,来自近地层.对应的卫星监测显示,山东西部,河南东部和北部以及河北西南部火点密集,10月正值秋收季节,大量的秸秆燃烧产生较多的细颗粒物悬浮于空中,这种来自秸秆燃烧多发地的气团势会造成河北中南部污染物浓度的快速上升.过程2后期(10月9~11日)61%的气团轨迹较短,主要为局地气团,33%来自山东西南部,虽然对应的火点明显减少,但由于污染浓度前期的积累及不利的气象条件,污染物浓度仍维持较高.造成过程2污染加重除不利的气象条件外,来自河南北部、东部的污染物输送及本地秸秆燃烧的排放可能也是一个重要因素.

图7 石家庄2014年10月上旬36h聚类后向轨迹模拟及对应的卫星火点分布
Fig.7 The 36-h backward trajectory simulations of Shijiazhuang and the distribution of-buring residue

4 结论

4.1 这两次污染过程中,邢台、石家庄和保定的平均风速低于2m/s,混合层高度均低于700m,平均相对湿度达到70%以上.中高层冷空气强度未能完全破坏底层相对稳定的层结,导致污染物并不能彻底清除,污染物继续积累利于霾天气的维持.过程2的PM2.5浓度是过程1的PM2.5浓度的2~3倍,并且过程2中邢台、石家庄和保定PM2.5浓度增长存在时间延迟现象.

4.2 偏南风为霾天气的形成提供了水汽条件,相对湿度的增加利于污染物的吸湿增长,同时高空气流比较平直配合地面的低压和均压形势,为霾维持提供了有利的气象条件.低层弱的垂直上升运动与霾的维持也有密切的联系,弱的垂直上升运动,配合800hPa弱的垂直下沉气流,利于污染物的聚集并抑制了污染物垂直向上扩散输送,不利的天气形势导致了污染的持续性.

4.3 对过程1和过程2的后向轨迹模拟及对应时段的卫星火点监测表明,河北南部及周边省市秸秆燃烧造成大量气溶胶粒子悬浮于空中,是造成过程2污染加重的主要原因.

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致谢：河北省环保局环境监测站提供的环境数据,在此表示感谢.

* 责任作者, 助理工程师, lxh7757@126.com

Formation mechanism of two severe haze episodes over central and Southern Hebei in 2014

LIU Xiao-hui1*, MA Cui-ping1, ZHAO Yu-guang1, LI Er-jie1, LI Yun-chuan1, WEI Jun2, SHENG Shi-jie3

(1.Hebei Environmental Meteorological Center, Shijiazhuang 050021, China；2.Hebei Meteorological Disaster Prevention Center, Shijianzhuang 050021, China；3.Wuxi Cas Photonics Co., Ltd., Wuxi 214135, China)., 2016,36(6)：1621~1629

The synoptic weather patterns and formation mechanisms of two large scale and severe haze episodes, which occured over Hebei province in early and middle October, was investigated by using pollutant concentration data from the Heibei environmental monitoring station, meteorological observations and NCEP reanalysis data, combining with the HYSPLIT4.9 backward trajectory model. The highest PM2.5concentration appeared in Xingtai, reached 507μg/m3. The visual range was less than 1km. The uniform pressure field and steady upper air circulation provided favorable meteorological conditions for two haze episodes. High relative humidity, small wind speed, and low mixing layer height result in an unfavorable meteorological condition for pollutant diffusion, which is the main cause of the two lasting haze episodes. Satellite fire map and air mass backward trajectory show that straw burning in southern Hebei and surrounding provinces exacerbated air pollution in two episodes. Transport of polluted air mass have significant impact on regional heavy haze weather.

haze；satellite remote sensing；meteorological conditions；crop-burning residue；trajectory analysis；Hebei Province

X513

A

1000-6923(2016)06-1621-09

刘晓慧(1986-),女,山东淄博人,助理工程师,硕士,主要从事大气化学与大气环境研究.发表论文3篇.

2015-11-15

河北省科技厅计划项目(15274204D);河北省气象局科研项目(15ky23)