京津冀连续雾霾及重污染天气特征分析

刘艳杰，许 敏，李 娜，周玉都

（廊坊市气象局，河北廊坊 065000）

京津冀连续雾霾及重污染天气特征分析

刘艳杰，许 敏，李 娜，周玉都

（廊坊市气象局，河北廊坊 065000）

2015年12月19日至26日京津冀多地出现持续性雾霾及重污染天气，部分时段能见度不足50m、AQI值达到500。分析此次过程的成因发现，雾霾期间高空主要影响系统为短波槽和冷涡底部偏西气流，地面为弱气压场。边界层逆温、暖平流及弱的地面风场是雾霾持续的关键原因，其中逆温强度达4.6℃／100m，近地面多风速小于1.5m／s的西南风和偏东风。北京和衡水混合层高度均较低，混合层高度（MLH）普遍在1km以下，尤其是衡水站21～25日MLH普遍不足500m，非常不利于雾霾的消除和污染物的扩散。加之地形影响，容易使污染物堆积在河北平原，形成重污染。

京津冀；持续性雾霾；重污染；天气特征；气象条件

0 引言

近年来我国中东部地区雾、霾天气频发，由于其伴随的低能见度、重污染等现象，越来越多的受到人们的关注，目前已经有很多针对雾霾天气的相关研究。丁一汇和吴兑等［1－2］通过研究我国雾霾长期变化特征发现，雾日自1990年以后明显减少，而霾日总体呈上升趋势。张小曳等［3］指出我国现今雾、霾问题的主因是严重的气溶胶污染，但气象条件对其形成、分布、维持与变化的作用显著，在一定的气象条件下，雾、霾天气现象可以发生相互转化。廖晓农等［4］、张小玲［5］等研究表明冬季雾－霾过程出现在高空西北气流、低层多短波活动的背景下，其形成和维持的主要机制是边界层内始终有逆温层、地面弱风场、底层湿度逐渐增大。稳定、高湿的气象条件对细粒子PM2.5质量浓度的形成、积聚和维持比较有利，造成严重的区域性低能见度和雾霾天气。此外，张人禾等［6－8］也对雾霾及重污染天气的发生及其与各种气象要素的关系进行了研究。吴兑等［9－11］研究指出太行山、燕山等特殊地形作用对华北平原区域性污染有重要作用。花丛等［12－18］则从气象要素的边界层特征等角度研究了雾霾天气的成因。

京津冀地区由于其特殊地形及快速发展等诸多原因，在静稳天气形势下容易出现雾霾天气。本文主要利用高空和地面气象观测资料、中国环保部官方AQI数据、L波段探空数据等研究2015年冬季京津冀一次持续性雾、霾及重污染天气特点，并从天气形势、边界层气象要素特征等方面探寻此次过程的成因。

1 资料来源及处理

本文所用数据主要来自高空和地面气象观测资料、中国环保部官方AQI数据、L波段探空数据等。其中根据《霾的观测和预报等级》（QX／T113—2010）及《观测司关于调整霾观测相对湿度区间规定的通知》（气测函〔2013〕68号），相对湿度小于80%，判识为霾，相对湿度80%～95%时，按照地面气象观测规范规定的描述或大气成分指标进一步判识。由于地面观测中部分地区对雾、霾天气现象仍存在一些混淆，为了数据的可靠性，对地面观测天气现象中雾、霾，结合地面相对湿度进行修正，将相对湿度80%以下的雾修订为霾，95%以上的霾修订为雾，80%～95%的观测记录维持原记录。

2 雾霾天气特点

2.1 能见度情况

分析2015年12月19～27日8时京津冀地区能见度演变（图1），发现19～20日雾霾处于积累阶段，京津冀中南部大部分地区能见度在1000～10000m。21日8时开始能见度减小，较强雾、霾由京津冀中、东部地区开始发展，22日雾区向南扩张，23日雾区发展至北京、天津、冀中南大部分地区，其中北京南部、天津、唐山以南的大部分地区出现能见度小于500m的浓雾，沧州南部、石家庄东部、衡水、邢台、邯郸等地出现能见度小于50m强浓雾。25～26日随着冷空气南下，雾、霾呈减弱趋势，低能见度范围减小，27日雾霾彻底消散，京津冀能见度达10000m以上。

图1 2015年12月19日～27日8时京津冀能见度分布Fig．1 Distribution of visibility in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei at 8：00 area from Dec．19 to Dec．27，2015

2.2 雾、霾分布

统计12月19日至26日（每日8时次，共64时次）京津冀19个观测站雾、霾情况（图2）发现，京津冀大部分地区出现不同程度的雾和霾天气，19个观测站平均出现雾和霾天气44时次。雾多出现在石家庄、保定、北京、天津至唐山一线，其中保定站最多共50时次，站总时次的78%。霾多出现在河北西南部山区、北京及承德等地，其中邢台站最多共34时次，占总时次的53%。石家庄雾和霾合计时次最多为63次，占统计总时次的98.5%，其次为保定和遵化均为62次，占统计总时次的96.9%，北京为59次，占统计总时次的92%。

图2 2015年12月19日至26日京津冀各站出现雾、霾的时次分布情况Fig．2 Stayistics of fog and haze in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei area from Dec．19 to Dec．26，2015

2.3 雾霾期间大气污染物变化

分析北京、天津、石家庄及衡水12月19～26日逐时AQI（图3），发现前期19～20日4市的AQI均呈波动上升趋势，21日12时前后AQI均上升至200以上。21～26日上午河北中南部平原和天津市AQI持续较高，一直维持在200～500，上述地区能见度也持续较低水平。而北京市AQI于23日下午至24午后有一次明显的下降，此时段北京站能见度也上升至1000～10000m，天气现象以霾为主。以上说明19～20日是雾霾积累阶段，也是AQI的上升时段，21～26日上午是雾霾加强和维持阶段，河北中南部平原及天津市AQI也持续保持在200以上，这期间23～24日部分时段，河北北部及北京市受冷空气扰动影响，AQI有短暂的下降，雾霾天气维持，但程度减弱。

图3 2015年12月19日～26日20时京津冀AQI演变Fig．3 AQI variation in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei area from Dec．19 to Dec．26，2015

3 天气形势及温度平流

3.1 天气形势分析

分析2015年12月19～26日500hPa影响系统的动态（图4 a），本次过程受静稳天气形势控制，主要影响系统为前期的短波槽和中后期的冷涡系统。19日短波槽位于河套西侧，20日夜间快速移过京津冀地区。21～22日开始贝加尔湖附近出现南北两支槽，后合并加强形成冷涡系统，京津冀位于低涡底部平直西风环流中，且维持时间长达4日。23～24日，弱波动移过河北中南部平原，低空850hPa存在弱切变，有利于冀南部平原雾霾的加剧。24日20时高空500 hPa冷涡中心移动到130°E、52°N附近，京津冀转为西北气流，直至25～26日低层850hPa、925hPa也转为西北气流，雾霾开始出现减弱趋势。

19～24日地面不断有冷高压自西北路径南下（图4b），但影响区域偏北，京津冀地区基本位于弱气压场中，有利于雾霾天气出现和维持，25～26日强冷高压自偏北路径迅速南下，京津冀位于冷高压前部，偏北风较大，有利于雾霾消散。前期19～21日冷高压在移动过程中均不断减弱，且位置偏北，经内蒙东移，京津冀一直位于弱气压场中。22～23日冷高压形成于贝加尔湖西侧，24日冷高压分裂为两个中心，其中偏北的一个影响河北北部及北京地区，地面有偏北风，雾霾有所缓解，中南部依然以偏南风为主，雾霾仍持续。25日生成于贝加尔湖东北侧的冷高压南移时加强，且移速较快，26日白天京津冀地面转为冷高压底部的西北气流，随着气压梯度力增大，自北向南风力加大，雾霾彻底消散。

图4 2015年12月19～27日500hPa影响系统演变Fig．4 Dynamic graph of 500 hPa affecting system from Dec．19 to Dec．27，2015

3.2 温度平流演变

从北京和河北南部衡水上空温度平流的演变可以看到（图5），雾霾天气持续期间对流层中下层均有冷暖平流的交替，北京附近（116°E，39°N）21日、24日、26日有不同程度的冷平流，其他时段由于地面多受弱气压场的控制，均没有影响到地面或到达地面的冷平流非常弱。21日和24日前后冷空气势力较弱，且持续时间短，影响近地面的冷平流强度在（－10～－20）×10－5℃·m－1，因此24日凌晨至上午北京附近雾霾天气有短暂的减弱，AQI下降明显。26日冷平流较强，中心强度大于－30×10－5℃·m－1，雾霾过程结束。河北南部衡水（116°E，38°N）附近22～25日河北南部近地面为暖平流或小于－10×10－5℃·m－1的冷平流。24日1000～850hPa层内由弱冷平流变为暖平流，且暖平流随高度增大，这是导致该期间边界层形成逆温的重要原因。因此河北南部平原雾霾持续时间较北京附近长。

4 边界层特征

4.1 边界层温度与湿度特征

研究表明逆温层越强、高度越低，则气溶胶浓度越大，对能见度的影响也越明显［20－21］。图6是L波段探空系统探测的北京站3.5km以下温度的时空剖面图。19～26日1 km高度以下均存在逆温层。其中19～22日逆温层普遍在500m以下，逆温强度较小为（0.5～1.4）℃／100m，23日开始逆温层略有增高，且逆温强度增强，25日19时和26日07时逆温强度分别达到4.6℃／100m和3.4℃／100m。25和26日早晨北京东南部出现了能见度小于200m的浓雾，这两日北京AQI值也达到400以上，雾霾状况和大气污染均加重。这是由于雾霾与边界层的正反馈作用，即雾霾的形成使到达边界层底层的辐射减少，进而导致边界层大气更加稳定，稳定的大气层又使得雾、霾天气维持。

图5 温度平流时间－高度图（单位：℃·m－1）Fig．5 Time⁃pressure chart of temperature advection from Dec．19 to Dec．26，2015

图6 12月19～26日L波段探空系统探测的北京温度廓线图Fig．6 Temperature profile from Dec．19 to Dec．26，2015 observed by L⁃band sounding system in Beijing

图7 是L波段探空系统探测的北京站3.5km以下相对湿度的时空剖面图。19～26日500m高度以下相对湿度较大。过程前期19日至21日0－500m相对湿度为65%～93%，过程中后期22日至26日0～500m相对湿度为80%～100%，尤其23日、25日、26日7时近地面相对湿度达到100%，这三日北京东南部均出现能见度小于200m的强浓雾，局地能见度小于50m。而23日19时及24日7时地面相对湿度分别降至80%、60%，这与23日后半夜至24日上午的弱冷高压南下时的冷空气扰动有关，24日早晨能见度增加至1000m以上，北京也由23日夜间的浓雾转为霾。

图7 L波段探空系统探测的北京相对湿度廓线图Fig．7 Relative humidity profile from Dec．19 to Dec．26，2015 observed by L⁃band sounding system in Beijing

4.2 边界层风的分布

图8 a是L波段探空系统探测的北京站1.6km以下风场的时空剖面图。前中期19日至23日早晨0～1.6km多以西南风或偏东风为主，风速较小，虽然20日夜间至21日早晨有偏北风自高空逐渐延伸至地面，到达地面的风速较小为0.5～1.7m／s，偏北风的扰动使北京及附近地区雾霾天气程度有所减弱，污染物浓度减小。过程后期23日夜间、26日夜间有两股冷空气扰动，24日偏北风从高空延伸至500m高度，强度偏弱，持续时间也较短，因此25日和26日早晨北京东南部再次出现浓雾天气。直至26日白天较强偏北风延伸至300 m高度处，地面转为弱的东北风，本次过程彻底结束。

图8 L波段探空系统探测的北京风场时间序列图Fig 8 Time series of the wind observed by L⁃band sounding system

图8 b是北京站、衡水站地面风向风速演变图，北京和衡水地面多偏南风或弱的偏北风，北京风速普遍在1.5m／s以下，衡水站较北京站风速小，24日之前普遍在1m／s以下，24日之后风速增加至2～4m／s。由于地面风速更小，水平扩散能力更差，河北南部平原雾霾较北京严重。

统计整个过程期间北京、衡水小时地面风向发现，北京站风向以ENE和SSW居多，分别占总时次的21%和15%（图9），由于京津冀地区被北部燕山山脉和西部太行山脉包围，呈“大簸箕”地形分布，偏东风和偏南风均不利于雾霾的水平扩散，这也是京津冀雾霾得以持续的一个重要原因。衡水站风向以NNE和S居多，分别占比12%和9%，且风速小于1m／s的时次明显较北京站多。由于地面风速小，风向多偏东风和西南风，北京及河北平原雾霾和污染都较严重。

图9 2015年12月19～26日地面风玫瑰图Fig．9 Surface wind rose diagram from Dec．19 to Dec．26，2015

4.3 混合层高度

混合层高度（MLH）表征了大气污染物在垂直方向被热力湍流、对流与动力湍流输送所能达到的高度［22］，是影响大气扩散的主要因子之一。其对大气质量评估和污染物的存储量及分布起着重要作用。混合层高度低，大气污染物被积压在近地面层，不利于扩散；反之有利于污染物扩散。图10是19日至26日北京和衡水饶阳混合层高度演变图，由此可见，本次过程两站混合层高度均较低，26日14时之前MLH普遍在1km以下，尤其是衡水站21～25日MLH普遍不足500m，非常不利于污染物的扩散。26日下午开始MLH增加至1.2km，此时也是雾霾及污染消散的阶段。

图10 2015年12月19～26日北京、衡水饶阳混合层高度演变Fig．10 The evolution of MLH in Beijing and Raoyang of Hengshui during from Dec．19 to Dec．26，2015

5 小结

本文利用廊坊气象观测资料和空气质量监测资料，分析了2015年12月19～26日出现在京津冀地区的持续性雾、霾及重污染天气特点及成因，得出如下结论：

（1）本次过程具有持续时间长、影响范围大、能见度低、污染严重等特点，主要影响的区域为北京、天津及河北中南部平原。

（2）过程期间京津冀地区受静稳天气形势控制，高空影响系统为短波槽和西风槽底部的宽阔平直西风环流，地面则多为弱气压场。

（3）通过对气象要素的分析发现，近地面暖平流、低层逆温层、较高的湿度条件和较低的混合层高度等气象条件非常不利于污染物的扩散，因此这些天气条件是产生雾、霾天气和重污染的直接原因。

（4）1km以下多西南风或偏东风，风速普遍小于1.5m／s，加之京津冀“大簸箕”地形作用，不利于污染物的扩散。

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Analysis on Durative Fog⁃Haze and Heavy Pollution Weather Characteristics in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei Area

Liu Yanjie，Xu Min，Li Na，Zhou Yudu
（Langfang Meteorological Bureau of Hebei Province，Langfang065000，China）

In 2015，the period from December 19thto December 26thwitnessed a durative Fog⁃Haze and heavy pollution in Beijing，Tianjin，and Hebei area，with the visibility condition of less than 50m at some time and AQI reaching up to 500．As the analysis of the causes reveals，during the Fog⁃Haze period，the main effect of the high⁃altitude system is the short⁃wave trough and the straight westerly circulation at the bottom of cold vortex，with weak ground pressure．Inversion of boundary layer，warm advection，and weak surface wind are the three key factors which contributed to this durative Fog⁃Haze．When the Fog⁃Haze continues，the inversion temperature reaches 4.6℃／100m，and the surface winds are mainly southwest wind and easterly wind with a speed of less than 1.5m／s．In both Beijing and Hengshui，the mixed layer height（MLH）is low with a general height below 1km and even a lower height of less than 500m in Hengshui station from December 21stto December 25th，which is very unfavorable to the elimination of Fog⁃Haze and the diffusion of contaminants．The above⁃mentioned factors，combined with the terrain，help the pollutants to accumulate in Hebei Plain，bringing about heavy pollution．

Beijing⁃Tianjin⁃Hebei；durative Fog⁃Haze；heavy pollution；weather characteristics；meteorological condition

X513

：A

：1673－8047（2017）01－0047－09

2016－10－23

河北省廊坊市气象局项目（201606）．

刘艳杰（1986—），女，本科，助理工程师，主要从事短期天气预报与研究。