石家庄市一次大气重污染过程的边界层特征和成因分析

2019-07-16韩军彩陈静石文雅张立霞

装备环境工程 2019年6期

韩军彩，陈静，石文雅，张立霞

（河北省石家庄市气象局，石家庄 050081）

石家庄地处太行山东麓，特有的地理气候特征使得常年风速较小，再加上秋冬季大气层结稳定，近地面经常出现逆温，不利于污染物扩散，造成可吸入颗粒物等污染物在近地层堆积，致使雾霾天气频繁出现，环境空气质量明显下降。2015 年12 月石家庄重度以上污染日数达到15 天，其中6—13 日、21—26日重污染过程持续时间长、污染严重，严重影响交通、公众生活及人体健康，成为公众关注的热点和焦点，因此加强其成因研究具有重要意义。

国内外已有很多研究分析了不同地区空气重污染现状及其影响因素。大量研究[1-3]表明，短期内，在大气污染物排放量变化不大的情况下，污染物浓度变化主要受气象扩散条件的制约，其中一个很重要的因素就是边界层内的大气层结状况。Davis 等[4]指出，短时间内，大尺度环流形势和局地气象条件对重污染过程起着决定作用。李二杰等[5]基于邢台探空资料和常规地面气象资料分析了河北省中南部重污染天气的边界层气象特征。李国翠等[6]分析了石家庄中度及以上典型污染日对应的气象要素和天气背景特点，但受探空站点网布局限制，石家庄一直没有探空资料，至今仍缺乏利用本地探空资料分析边界层气象特征的研究。

2015 年，石家庄市国家基本气象站先后建设了Airda-HTG4 型地基微波辐射计、CFL-06 L 波段低对流层风廓线雷达，填补了探空的空白。目前，国内在利用地基微波辐射、风廓线雷达等资料分析雾霾天气边界层特征方面刚刚起步。邓长菊等[7]利用微波辐射资料分析了北京雾与霾天气大气液态水含量和湿度层结特征。吴蒙等[8]基于风廓线仪等资料进行了珠江三角洲污染气象条件研究。因此文中利用微波辐射计、风廓线雷达资料及地面气象观测资料，分析石家庄市2015 年12 月5—14 日的一次典型空气重污染过程，揭示该过程的大气边界层温度、湿度、风场变化特征及对空气质量的影响，以期为重污染天气的预报预警提供科学依据。

1 资料与方法

本研究所用资料包括：石家庄市环境监测中心提供的2015 年12 月5—14 日逐日环境观测资料（市区7 个环境观测站的平均值）、石家庄市国家基本气象站相应时间段的地面气象观测资料、地基微波辐射计和风廓线雷达观测资料。气象与环境观测站点分布如图1 所示。微波辐射计为Airda-HTG4 型，每2 min完成1 次全天空扫描观测。利用测量到的亮温数据，通过神经网络、线性/非线性统计回归反演，最后获得天顶方向地面至10 km 高度共93 层的温度、湿度、液态水含量廓线等数据。风廓线雷达为CFL-06 L 波段低对流层风廓线雷达，探测高度为6～8 km，最小探测高度为150 m，观测数据的时间精度为6 min，垂直精度在4 km 以下为120 m，在4 km 以上为240 m。

图1 石家庄市气象与环境观测站点的分布

研究采用轨迹模式 HYSPLIT-4（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory-4）进行后推气团轨迹模拟。HYSPLIT-4 是由美国国家海洋大气研究中心（NOAA）Draxler 等[9]开发的供质点轨迹、扩散及沉降分析用的综合模式系统。所使用的气象场资料为NOAA 全球同化系统（GDAS）资料，分辨率为1°×1°，每次的后向延伸时间为72 h。

2 结果与讨论

2.1 污染过程和天气形势

2015 年12 月6—13 日石家庄市持续出现重污染天气过程，期间只有1 天为中度污染，首要污染物均为PM2.5。由2015 年12 月5—14 日石家庄逐日天气状况和AQI 变化（见表1）可见，空气质量从5 日的良跳至6 日的重度污染，之后呈加重趋势，8—10 日出现AQI 持续高于300 的严重污染。10 日达到此次重污染天气过程峰值，AQI 达391。11 日上午开始，低空弱冷空气以偏北路径缓慢南压，污染程度逐渐减轻。12 日转为中度污染，但随着气压场的减弱，13 日污染再次加重，下降到重度污染。13日夜间出现雨夹雪，14 日上午随着较强冷空气以偏西路径侵入，风速增大，湿度明显下降，至此重污染过程结束。

表1 2015 年12 月5—14 日石家庄市逐日天气状况和空气质量

重污染过程前期随着地面高压东移，6 日气压场减弱，与5 日相比，平均风速减小了0.8 m/s，平均相对湿度增加了21%，静稳天气形成。AQI 从5 日的94 上升至6 日的227，出现重污染，风速减小、湿度增加显著是重污染形成的主要原因之一。重污染过程期间，高空500 hPa 以偏南、偏西气流为主，边界层内850 hPa 前期以偏南、偏西气流为主。10 日开始转为弱偏北气流，地面为均压、高压底部弱气压场控制。7 日、10 日500 hPa 高度场有2 次浅槽东移，但冷空气势力弱，且以偏北路径缓慢南压，弱冷空气到达前，均为暖脊或暖湿气流影响。这种高低空天气形势的配合，导致静稳天气持续，日平均风速均在1.5 m/s 以下，日平均相对湿度均在70%以上，风速小且湿度大，伴有雾、轻雾、霾，抑制了污染物的扩散，为大气污染的形成及维持提供了稳定的大气环境背景。

2.2 气象要素与污染物浓度变化

2015 年12 月5—14 日石家庄市PM2.5浓度、相对湿度、风向风速及能见度逐时对比如图2 所示。从图2 中可见，5 日白天小时风速为2～3 m/s，相对湿度不足40%，空气质量优良。17 时开始，风速减小到2 m/s 之下，大气水平扩散能力下降，相对湿度增加，PM2.5浓度也开始增加，能见度下降到10 km 之下，出现霾、轻雾。6 日1 时相对湿度为64%，风速不足1 m/s，能见度只有3 km，空气质量达到重度污染，风速减小、湿度增加，导致重污染过程开始。 8—10 日连续严重污染期间是风速较低、相对湿度较高的时期，大部分时段，风速在1.5 m/s 之下，相对湿度在70%之上，能见度在1 km 之下。9 日、10 日平均PM2.5浓度分别达到了342、344 μg/m3，其中10日凌晨到上午最高，最高值为434 μg/m3，正好对应地面为均压场控制。近地层风速不足1 m/s，相对湿度超过90%，能见度不足500 m，出现雾。低风速不利于污染物扩散，高相对湿度有利于气态污染物向颗粒物的二次转化，导致污染进一步加重[10-11]。11—12日受偏北路径弱冷空气影响，中午前后风速增大到2 m/s 左右，相对湿度下降到50%之下，空气质量有所好转，能见度增大到5 km 之上。13 日夜间出现雨夹雪，但对污染物清除作用较弱，而湿度的增加使得PM2.5浓度再次升高。14 日10 时开始，地面偏西风增大到4 m/s 之上，相对湿度下降到40%之下，空气质量快速转好。

图2 2015 年12 月5—14 日石家庄市PM2.5 浓度与气象要素逐时变化

2.3 污染气团来源

为了解本次污染过程的来源，应用HYSPLIT-4后推气团轨迹模式对污染来源进行气团轨迹模拟，按气团轨迹传输的方向和速度对影响石家庄市空气质量的污染物输送型进行分类，从而解析污染形成源。一般来说，城市上空300 m 以上主要以大尺度远距离输送为主，100 m 以下则主要受局地近距离污染输送影响[12]。以石家庄市（38.03°N，114.42°E）为参考点，模式高度分别设置为500 m 和100 m，用该方法模拟出2015 年12 月5—14 日每天00：00、06：00、12：00及18：00（世界时）4 个时刻后推72 h 的气团轨迹。再利用聚类分析方法，将具有一定相似度的轨迹归为一类，得到具有代表性的5 簇后向轨迹，如图3 所示。结果表明，100 m 高度68%的气团来自局地近距离输送，15%来自西北的内蒙古，10%来自山西跨区域远距离输送。500 m 高度局地气团近距离输送占58%，40%来自西北的内蒙、山西跨区域远距离输送，西北方输送的一般为清洁气团。因此，此次污染过程以局地排放为主要形成源，短期内排放源可以认为变化不大，主要考虑当地气象扩散条件所致。

图3 2015 年12 月5—14 日影响石家庄市的5 簇输送轨迹

2.4 重污染过程边界层特征

2.4.1 边界层逆温特征

大气层结稳定状况与大气污染物的稀释扩散能力密切相关，逆温层结是边界层大气的重要特征之一[3]。逆温会限制近地面层强对流的发生，阻止近地面空气中的水汽和污染物向高层扩散，使之大量聚集在对流层底部，加剧大气污染的程度[5]。

首先对微波辐射计数据反演的近地面层逆温底高、顶高、厚度和强度进行统计，本次重污染过程逆温生成演变与AQI 对比如图4 所示。AQI 升高与逆温层的形成、增厚相关。5 日19 时开始，大气层结趋于稳定，近地层出现逆温，大气扩散能力减弱，污染物AQI 值随之上升，20 时空气质量由良下降到轻度污染。随着逆温层厚度的增加，6 日凌晨1 点开始，逆温层厚度达到300 m 以上，空气质量也下降到重度污染。7 日高空有弱冷空气东移，地面逆温减弱消散，但风速小，水平扩散能力较弱，空气质量仍为重度污染，且AQI 值较6 日略有上升。8—10 日逆温层持续存在，平均厚度达到683 m，最厚达1200 m，使得污染物在近地层累积，污染加重，空气质量达严重污染。其中10 日6—11 时逆温厚、强度强，08 时逆温强度达0.6 /100℃ m，11 时AQI达到“爆表”。10 日夜间到11 日有弱冷空气侵入，逆温层减弱，AQI 稍有下降。12 日为中度污染，但13 日夜间逆温层又有所增强，AQI 再度上升。14日中午前后，随着强冷空气的到来，逆温层彻底被打破，空气质量转优。

图4 2015 年12 月5—14 日石家庄市AQI 与逆温层厚度逐时变化

由于冬季平均脱地逆温层底相对高度还在大气边界层的范围之内，故它仍会对市区空气污染物的稀释扩散产生重要影响，因此下面重点分析12 月6—13 日重污染过程期间，污染较重的8—10 日温度的垂直廓线变化特征。8—10 日2000 m 以下每天02 时、08 时和20 时微波辐射计数据反演的温度垂直廓线如图5 所示。可以看出，8—10 日每天三个时段均有逆温层出现，8 日、9 日200 m 以下贴地逆温不明显，在200 m 以上出现多层逆温层或等温层，但逆温强度较弱。10 日三个时次均从地面开始出现逆温层，其中08 时逆温层最厚、强度最强，这与10 日凌晨到上午污染物浓度最高一致。另外，1000 m 以下大气温度廓线呈非常明显的锯齿状，可能是由于大量污染物使氧气在空间分布发生不均匀现象，致使仪器在测量氧气辐射能量时发生锯齿现象。

2.4.2 边界层湿度特征

图5 2015 年12 月8～10 日石家庄市温度垂直廓线图

2015 年12 月6—13 日重污染过程期间，首要污染物均为PM2.5，是形成雾霾天气的重要细颗粒物。研究表明[13-14]，颗粒物吸湿增长是灰霾形成的重要原因。从微波辐射计监测的5—14 日大气相对湿度（如图6 所示）变化来看，6 日重污染发生前，近地层湿度缓慢增加，1 km 以下相对湿度不足40%，相对湿度超过60%主要集中在1～3 km 高度，PM2.5浓度变化缓慢，空气质量以轻度污染为主。14 时之后，随着近地层湿度增大，高湿厚度增厚，PM2.5浓度快速上升，500 m 以下相对湿度增加到60%以上，2～3 km 最大相对湿度超过 80%。14—15 时，PM2.5浓度由 134 μg/m3（中度污染）上升到168 μg/m3（重度污染），18 时达到269 μg/m3（严重污染），严重污染持续期间，湿度层结少变。7 日4 时之后，高湿的厚度层变薄，湿度下降，相对湿度在60%左右，主要集中在1 km以下，PM2.5浓度稍有下降，空气质量维持重度污染。8—10 日近地层持续维持高湿层结，其中1 km 以下相对湿度较5—7 日更大，PM2.5浓度累积上升。特别是8 日19—24 时，相对湿度超过60%的厚度达到7 km，PM2.5浓度在318～383 μg/m3之间，24 时达到本次重污染过程的峰值。这可能是由于污染期间湿度较大，有利于一次污染气体在大气颗粒物表面通过非均相反应转化生成硫酸盐和硝酸盐等二次气溶胶，对重污染形成起到了促进作用[15]。

2.4.3 边界层垂直风廓线特征

本次重污染天气发生于静稳天气状态下，小风使得污染物水平扩散能力差，大气处于停滞状态。风廓线雷达以其高时空分辨率间隔6 min 连续观测，为分析风向风速垂直分布及随时间演变特征提供了基础资料。2015 年12 月6—14 日，石家庄市重污染过程维持和结束风向风速随时间-高度变化情况如图7 所示。重污染期间，风的垂直分布是小风层厚，通风能力弱，小风的风速普遍小于3 m/s，底层600 m 以下甚至小于2 m/s。小风从近地面向上伸展，具有日变化，中午前后伸展高度向上延伸，平均高度约在 700 m 左右，有时伸展高度超过1000 m，深厚的小风层使大气处于停滞区，污染物累积。地面与低空风向具有相似性，在弱气压场影响下，具有日变化特点。18 时到次日10 时以偏西风为主，11—17 时风向以偏南风为主。冷空气侵入是打破静稳态的主要动力，14日上午，随着强冷空气以偏西路径侵入，低空偏西风增大，并向地面延伸，霾自西向东快速消散，持续重污染结束。