2016年冬季河南三次持续污染过程的环流及关键气象要素特征

（1 中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州 450003；2 河南省气象台，郑州 450003）

0 引言

灰霾主要是由悬浮在空气中的细颗粒引起的大气能见度降低的天气现象，与空气污染程度的变化关系密切[1]。随着经济规模迅速扩大和城市化进程的加快，污染物排放量日益增大，灰霾天的出现越来越频繁，灰霾天气的研究已成为一个热点。司瑶冰等[2]、饶晓琴等[3]和朱彬等[4]研究表明，影响空气污染发生的原因有多种，一是本地污染物的排放或者局地污染物的输送达到一定量；二是有利污染物堆积的气象条件。影响城市大气污染的最重要两大因素是污染物排放和大气的稳定度，导致污染物浓度变化的主导因素是天气变化。

目前，已有一些气象工作者就气象条件与污染的关系做了相关研究，如张夏琨等[5]和山义昌等[6]分别研究了石家庄市和潍坊市空气质量与气象条件的关系；杨兰芳等[7]和赵敬国等[8]分析了兰州市城区大气受烟尘污染的变化特征及空气污染与气象条件的关系；肖舜等[9]和孟燕军等[10]分析了西安世园会园区大气环境质量与气象因子的关系，并归纳了影响北京市大气污染物变化的地面天气形势场特征；纪晓玲等[11]探讨了银川市灰霾天气环流分析及预报思路。大量研究结果[12-13]表明，气象条件通过影响污染物的稀释、扩散、传输和转化过程，进而影响污染物的时空分布。然而目前关于连续污染天气的相关预报研究还不够，远不能满足连续污染天气预报、预警业务的开展和为政府、公众提供信息服务的需求。大气扩散的理论研究和试验研究表明，在不同的气象条件下，同一污染源排放所造成的地面污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍。这是由于大气对污染物的扩散稀释能力随着气象条件的不同而发生巨大变化缘故。因此，深入研究连续污染期间以及结束时的气象要素演变特征和高空、地面环流特点十分必要，可为今后连续污染天气的持续、结束气象条件研判以及预报预警业务开展提供科学依据。针对以上需求，本文就河南省2016年冬季出现的3次大范围持续污染天气过程，利用常规高空、地面观测资料、NCEP再分析资料以及L波段探空资料等，从环流场、距平场、温压湿要素演变特征以及近地层逆温等方面进行了详尽分析，从而凝练出对预报、预警具有重要参考价值的定性及定量指标。

1 污染实况

2016年末—2017年初，河南省出现了多次、持续性的中度到严重污染天气过程（图1）。第I次过程发生在2016年11月28日—12月5日，持续8 d，其中12月2日为全省中到重度污染，12月5日北中部部分地区为重度污染，其他时段均为轻到中度污染。第II次过程发生在2016年12月15—21日，持续7 d，其中15—17日全省大部分地区为中到重度污染，18日沿黄河及以北地区加强为严重污染，19—20日严重污染进一步扩展到全省。第III次过程发生在2016年12月28日—2017年1月11日，持续长达15 d，其中2016年12月28日—2017年1月3日，几乎为全省性重度污染，豫北部分县市为严重污染；2017年1月4—7日污染范围明显缩小，强度也有所减弱，豫北转为重度污染，其他地区减弱为轻到中度污染或良；8—11日污染再次加强，除西部三门峡地区外，其他大部分地区均为中到重度污染，稍弱于过程开始阶段。

图1 3次污染过程实况Fig. 1 Actual situation of three pollution processes

2 气象要素特征

为了了解污染天气产生、持续和结束与气象要素演变的关系，并归纳总结其变化特征，为今后污染天气的预报提供有利参考。分别对3次污染过程自北向南选取安阳站（北部）、郑州站（中部）和信阳站（南部）3个代表站，作为主要分析对象，制作3站污染期间气温、气压、露点和降水折线图，对比分析各要素演变特征及其对应的污染时段。

第I次污染过程从安阳（图2a）和郑州（图2b）两站的温度变化曲线可知，北中部夜间最低温度在2～4℃，白天最高温度15℃左右，昼夜温差11～13℃，信阳站（图2c）昼夜温差略小，约10 ℃左右。3站气压均在1015～1035 hPa摆动，变化幅度达20 hPa，结合地面图可知，在2016年12月2日前受高压带控制，2日后逐渐转入由东北经华北南伸的低压带中的均压场里，同时伴随污染逐渐加强，5日，由于强冷空气东移南下，西部西北风、北部偏北风逐渐加大到6～8 m·s-1，河南上游局地出现扬沙，伴随着风力逐渐加大及有利的风向，上游的浮尘与扬沙逐渐向河南省输送，使得PM10浓度明显升高，造成北中部地区重度污染。除5日外，其他时段风力均为2 m·s-1左右，边界层扩散条件较差，有利于污染天气出现。

第II次污染过程从3站的折线图（图2d～2f）可知，2016年12月18—20日，严重污染期间，3站气象要素共同特征为，早晚温差逐渐缩小，由前期的12 ℃左右下降到4～6 ℃，即最高温度在降低、最低温度在升高。3站露点温度在严重污染发生前的17日均有明显升高趋势，而后安阳站稳定在-3 ℃，郑州站稳定在3 ℃，信阳站逐渐上升到5℃左右，温度露点差减小到0～5 ℃，部分时刻露点温度接近气温，空气基本达到饱和，部分吸湿粒子凝结增大但没有达到下沉的比重，这时会使污染加重。由于污染期间几乎无冷空气影响，海平面气压维持在1025 hPa左右，变化幅度不超过5 hPa，气压梯度小、风速小。21日强冷空气南下，并伴有弱降水，风力的加大及降水的产生有利污染物的扩散和沉降，污染由严重转为重度。22日，冷空气继续南下，风速及温度露点差显著增大，静稳的大气层结被打破，污染天气进一步减弱并消散。

第III次污染期间温度及露点温度变化（图2g～2i）表明，二者有呈同位相变化趋势，白天气温升高时，露点温度略有升高，夜间气温逐渐降低，有时最低温度会降到与露点温度相同，空气基本达到饱和状态，此时为雾霾混合态。海平面气压折线显示，2016年12月29日之后气压在1020～1030 hPa变化，变动幅度约为10 hPa，风速依然为2 m·s-1左右，风向以偏北或北北东为主。2017年1月4—7日，污染减弱阶段，全省大部分地区出现了小雨天气，从降水的柱状图可知，南部信阳站降水明显强于北部的安阳站，此时南部地区污染迅速减弱，部分地区以良为主，北中部地区仍为重度污染，这一事实说明，降水越明显，湿沉降作用越显著。本次污染结束的显著特征是温度露点差明显增大，如2017年1月12日14时，3站气温在10～12 ℃，露点温度-10 ℃左右，二者差值超过20 ℃。

上述对污染期间气象要素演变分析表明，当最高温度降低，最低温度升高，昼夜温差减小时；露点温度升高或恒定时，温度露点差减小，甚至部分时段空气达到饱和时；温度与露点温度有呈同位相变化趋势时，温度露点差无变化或减小时；均有利污染天气的出现。当昼夜温差下降到4～6 ℃，温度露点差下降到0～5 ℃，风力约为2 m·s-1，气压变幅＜5 hPa或强冷空气开始南下PM10浓度明显升高时，均有可能产生严重污染天气，若上述气象条件无明显改善，污染天气将持续。当有弱降水或弱冷空气影响时，风力略有增加，污染会稍有缓解，但不会彻底清除。只有强冷空气南下导致气压快速升高、风力迅速加大到6～8 m·s-1、温度露点差显著增加，或者有明显降水出现时，污染天气将彻底结束。

3 形势场演变及距平场特征

3.1 500 hPa形势演变及距平场特征

天气形势从根本上决定了气象要素的分布和变化，从而决定了大气的扩散能力与大气的稳定程度。对一个地区而言，污染源的变化在短时间内是相对稳定的，在这种情况下，污染物浓度的高低变化主要取决于大气的扩散能力。第I次污染期间，12月2日20时500 hPa高空图显示，在70°E附近、45°N以北地区有高压脊逐渐发展并东移，同时在120°E、70°N附近有500 dagpm的低压中心逐渐向东南方向移动，至3日20时，高压脊东移到80°E附近，东部低涡中心稳定少动，508 dagpm的等高线南压到55°N附近，河南省受低压底部及脊前不断东移南下的短波槽影响。4日20时高压脊继续东移到90°E附近、40°N以北地区，低涡中心东南移到130°E、60°N附近，随着高压脊的进一步东移，河南省由西西南气流转为西西北气流影响，至5日20时，脊线继续东移到100°E附近，低涡移至135°E、58°N附近，此时，河南省处在脊前、低涡后部的西北风里，同时伴有强冷空气南下，扩散条件明显改善，污染天气逐渐减弱消散。污染期间距平场显示（图3a），55°—60°N以北地区为负距平区，以南为正距平区，且在80°E以西、25°—40°N之间有一正距平中心，中心强度达8 dagpm，河南省所处区域正距平约为5 dagpm。

图2 3次污染期间安阳（a、d、g）、郑州（b、e、h）、信阳（c、f、i）站气温、气压、露点折线图Fig.2 Temperature, pressure, and dew point in Anyang, Zhengzhou and Xinyang during the three pollution periods(a), (d), (g) are for Anyang Station; (b), (e), (h) are for Zhengzhou Station; and (c), (f), (i) are for Xinyang Station

图3 500 hPa平均高度（等值线）及距平场（色斑）（a）第I次过程；（b）第II次过程；（c）第III次过程（单位：dagpm）Fig. 3 500 hPa average height (contour) and anomalous field (spot): (a) the first process, (b) the second process, and (c)the third process (unit: dagpm)

第II次污染期间，即2016年12月15—21日，500 hPa形势场在70°—80°E及60°N以北地区始终维持492 dagpm低压中心，这一特征与第I次过程有所不同，在20°—60°N为平直的西风环流，且不断有短波槽东移影响河南省，这点与第I次过程非常相似，直至21日20时，转受西北气流控制，污染彻底结束。第II次过程500 hPa平均高度场（图3b）显示，河南省所处的中纬度地区环流与第I次较为相似，均为西西北气流影响，但在65°N、80°E附近有496 dagpm的低压中心与第I次过程明显不同，由低压中心向西南一直延伸到35°N均为负距平区，东北到华北为正距平区，河南省处在6～7 dagpm正距平区域内。

第III次过程500 hPa形势场显示，2016年12月28—29日，河南省由西北气流转为西南气流，12月30日—2017年1月3日，在80°—120°E、65°—75°N地区维持庞大的低压系统，另外南支槽位于90°E、15°—30°N附近，在30°—60°N中纬度地区为平直的西风环流，不断有短波槽东移影响河南省，这一特征与前两次过程基本相同，同时也说明高空环流平直且有短波槽东移是有利于污染天气形成的天气尺度特征之一。4日20时，南支槽东移到95°E附近，河南省转为西南气流影响，同时在贝加尔湖南侧有低槽逐渐发展并东南移，与中纬度低槽合并后于7日20时移过河南省，在此期间河南省产生了弱降水，污染略有缓解，但低槽过后环流并没有明显调整，8—11日依然以平直的西风气流为主，底层湍流扩散较弱，污染天气略有发展并持续。距平场显示（图3c）与第I次过程较为相似，在55°—60°N以北地区为负距平区，以南为正距平区，且在80°E以西、25°—40°N之间有一正距平中心，中心强度达8 dagpm，河南省处在正距平约为5 dagpm的区域。

对三次污染过程的500 hPa形势演变及距平场分析表明，污染期间，河南省所处的中纬度地区多为平直的西风环流，每隔2～3d有短波槽移过或长期受偏西到西西南气流影响，且为正距平，强度达5～7 dagpm，上述特征均不利东亚大槽的建立和冷空气南下，但有利于静稳天气形成及维持，进而导致污染天气出现。

3.2 地面形势演变及距平场特征

第I次污染过程中，2016年11月20日08时地面场显示，新疆到贝加尔湖南侧一带为1040 hPa庞大高压区，随后高压主体逐渐向东扩展，29日08时，高压带断裂成两部分，一个中心位于新疆北部，另一中心位于东北地区，河南省处在两高之间的均压场里。30日—12月1日，西部的高压中心不断东移到河套地区，河南受扩散冷空气影响，扩散条件逐渐转好，从上面的实况分析可知，此时河南全省为轻到中度污染，污染相对较弱。2日20时河南省处在均压场里，扩散条件明显变差，此时也是本次污染过程最严重的时段。3日20时，由东北北部经华北直到河南省为一低压带，同时，在贝加尔湖西侧有1042.5 hPa的高压中心逐渐发展。4日20时，高压中心略南移，但冷高压的前锋已东南伸到华北北部，受冷空气推挤，东北地区的低压带快速收缩东移到日本海到山东半岛，随着冷空气的进一步东移南下，冷空气前锋于5日白天到达河南省，风力快速加大，河南省上游局地出现了扬沙天气，PM10浓度显著升高，并造成北中部地区重度污染。由于强冷空气作用，维持多日的静稳大气层结被打破，近地层湍流扩散明显增强，污染天气彻底结束。

第II次污染期间逐日地面图演变显示，河南省处在北高南低的气压场里，但气压梯度非常小，以2～3 m·s-1东北风为主，由于华北地区的严重污染，弱的北-东北风将上游的污染物传输到河南。2016年12月21日08时，前期在贝加尔湖附近逐渐堆积加强的冷空气，沿河西走廊经河套地带继续南下影响河南省，河南省西部地区风力逐渐加大到4～6 m·s-1，配合高空西北气流，大气的扩散条件逐渐增强，维持多日的污染天气陆续消除。

第III次污染过程地面场分析表明，2016年12月28—31日期间，河南省处在高压里的均压场中，风力小，不利污染物扩散。2017年1月1—2日，河套地区有冷高压东南移，但由于河南省北部和西部同时加压，河南省大部分地区风力依然较小，湍流扩散仍然很弱，污染物进一步累积，因此在2016年12月28日—2017年1月3日期间，污染逐渐加重，大部分地区以重度污染为主。4日以后，贝加尔湖到新疆地区北部维持1040 hPa的冷高压中心，不断有冷空气扩散南下，配合东移的高空槽，河南省出现弱降水天气，由于降水的稀释及沉降作用，4—8日期间污染略有减弱。降水结束后，8—11日高空转受槽后偏西气流控制；地面图上，冷中心位置维持不变，河套地区气压梯度增大，河南省处在大梯度区前沿的均压场里，扩散条件较差，重污染区由河南省北部逐渐扩展到中部。12日起，高空形势明显调整，700 hPa转为西北气流；地面场显示，河南省西部气压梯度明显加大，偏西风加大到4 m·s-1，持续长达15 d的中到重度污染天气结束。

综上可知，污染期间地面为均压场或鞍型场，风力约为2 m·s-1，并且无特定风向。即便有弱冷空气扩散南下，气压略有升高，但风力无明显增加时，污染天气依然维持。当出现小雨量级的降水时，污染会有所减弱，但不会消除，并且在降水发生前后污染有加重趋势。当高空转为较强西北气流或地面有强冷空气影响，即风力加大到6～8 m·s-1时，污染会彻底清除。由于排放到大气中的污染物在风的作用下，会被输送到其它地区，风速愈大，单位时间内污染物被输送的距离愈远，混入的空气愈多，污染浓度愈低，所以风不但对污染物进行水平搬运，而且有稀释冲淡的作用，所以当强冷空南下，风力明显增大时持续多日的污染天气将结束。

3次污染过程平均海平面气压场及距平场（图4a～4c）显示，从新疆北部经西北至华北及蒙古国境内为1028 hPa控制的庞大高压带，锋区位于长江及以南地区，河南省处在二者过渡地带的均压场中且为负距平或与常年持平。地面为均压场，等压线稀疏，气压梯度力小，不利于近地层风力的加大，负距平同样说明冷空气势力较弱，湍流扩散有限，有利于污染天气出现。

4 低层大气层结特征

4.1 风切变特征

从925 hPa与1000 hPa的风切变可知，第I次过程（图5a）风切变在1.5～2.5 m·s-1，相对后两次稍大，因此第一次污染过程要弱于后两次。后两次污染过程（图5b～5c）风切变均＜1.5 m·s-1，水平风垂直切变小不利于近地面污染物的垂直扩散，近地层湍流扩散非常弱，大气维持静稳状态，底层污染物很难向上层或周边扩散，使得污染物在大气层底部聚集，并随时间逐渐累计，污染也随之加重。直到有强冷空气南下，大气静稳状态被打破，底层污染物得到有效稀释与扩散，污染天气彻底结束。

图4 平均海平面气压（等值线）及距平场（色斑）；（a）第I次过程、（b）第II次过程、（c）第III次过程（单位：hPa）Fig.4 Mean sea level pressure (contour) and anomalous field (spot)(a) the first process, (b) the second process, and (c) the third process (unit: hPa)

图5 925 hPa与1000 hPa的风切变（a）第I次过程；（b）第II次过程；（c）第III次过程（单位：m·s-1）Fig. 5 Wind cut of 925 hPa and 1000 hPa (a) the first process, (b) the second process, and (c) the third process (unit: m·s-1)

4.2 L波段探空数据特征

姜大膀等[14]对兰州市区低空大气温度层结特征及其与空气污染的关系研究表明：空气污染物浓度与市区上空逆温层发生频率呈正相关；与低空大气层结温度递减率呈负相关。L波段探空仪是我国近年来气象业务中广泛运用的新一代高空探测系统，可探测从地面到3000 m高空的风向、风速、气温、气压、湿度等气象要素，能较好反映逆温情况。

图6为3次污染期间郑州站L波段探空剖面图，从中可知200 m以下均有逆温存在，大气中逆温层的出现，会增强大气稳定性，阻碍空气垂直运动发展，使得大量的烟、尘、水汽凝结物等聚集在近地面，造成空气污染。100 m以下风速均＜3 m·s-1，贴地层相对湿度在50%左右。当低层湿度大，高层湿度明显减小（图6a）或1000 m以下风力均＜3 m·s-1并且50%的相对湿度增至600 m左右时（图6b），将出现重度到严重污染，如12月2日及12月18—20日。另外，在2017年1月4—8日弱污染期间（图6c），近地层基本无逆温，1000 m以下相对湿度均为80%左右并伴有降水出现。可见，当近地层大气温度递减率较小或有贴地逆温层存在，以及大气处于下湿上干时，大气层结稳定，大气对污染物的稀释扩散能力减弱，往往会造成近地面严重污染。

图6 郑州站L波段探空图（色斑为相对湿度，单位：%）（a）第I次过程；（b）第II次过程；（c）第III次过程Fig. 6 L-band sounding map of Zhengzhou station (color of the spot represents different relative humidity unit: %)(a) the first process, (b) the second process, and (c) the third process

5 结论

1）通过对3次污染期间气象要素演变的详尽分析，可知当气压显著下降且变化幅度＜5 hPa、风力2 m·s-1左右、昼夜温差下降到4～6℃、温度露点差下降到0～5℃或强冷空气南下PM10浓度明显升高时，均可产生严重污染天气，若上述气象条件无明显改善，污染天气将持续。当有弱降水或弱冷空气影响，风力略有增加时，污染会稍有缓解，但不会彻底清除。当有强冷空气南下即气压快速升高、风力明显加大到6～8 m·s-1以及温度露点差迅速增加到20 ℃以上，或有明显降水时，污染天气将会彻底结束。

2）污染期间河南所在区域，500 hPa逐日环流场表现为每隔2～3d有短波槽移过或长期受偏西到西西南气流影响，合成场为平直的西风环流控制且为正距平，不利于东亚大槽的建立和冷空气南下，有利于静稳天气出现；地面为均压场或鞍型场为负距平或与常年持平，冷空气势力较弱，等压线稀疏，气压梯度力小，不利于近地层风力的加大，湍流扩散有限，有利于污染天气的出现。

3）当出现小雨量级的降水时，污染会有所减弱，但不会消除，并且降水发生前后污染有加重的趋势。当高空转为较强西北气流或地面有强冷空气影响即风力增加到6～8 m·s-1时，污染将彻底清除。

4）短期内在空气污染物排放量变化不大的情况下，当近地层大气温度递减率较小或有贴地逆温层存在时，大气层结稳定，空气污染物的稀释扩散能力减弱，往往会造成严重污染。L波段探空剖面表明，污染期间200 m以下均有逆温存在，100 m以下风速均＜3 m·s-1，贴地层相对湿度在50%左右。当低层湿度大，高层湿度迅速减小时，或1000 m以下风力均＜3 m·s-1，并且50%的相对湿度增至600 m左右时，将出现重度到严重污染。