河北廊坊重污染天气特征及气象条件影响研究

周贺玲， 李雪瑶， 刘玉莲， 田晓飞， 闻 静

（1.河北省廊坊市气象局，河北廊坊 065000； 2.江南大学环境与土木工程学院，江苏无锡 214122；3.黑龙江省气候中心，哈尔滨 150030； 4.河北省廊坊市生态环境局，河北廊坊 065000）

污染源与气象条件直接影响空气重污染的发生，在污染源排放相对一定的情况下，气象条件与空气污染变化密切相关，是影响空气质量的主要因素［1-5］. 天气形势是形成区域重污染重要大气条件，其演变直接影响污染过程的持续时间和严重程度［6-9］，通过气团后向轨迹研究，可以揭示区域大气污染物来源［10］. 孙韧等［11］研究发现，重污染期间京津冀区域1000 m高空存在西南输送通道，近地层100 m 处风速气流表现为西南-南风，风速＜3 m/s 时，空气质量会达到五级重度污染及以上水平. 有学者针对气象条件对典型重污染天气的影响进行了研究［12-14］：高文康等［15］指出，重污染过程气象条件对垂直梯度上的污染物源、汇变化具有主导作用；李梦等［16］研究发现较小的地面风速、低混合层高度以及逆温的存在，是京津冀地区霾等重污染天气出现和维持的气象条件［17］. 廊坊虽毗邻北京、天津两大直辖市，但缺乏气象条件影响重污染天气的系统研究［18］，探讨重污染天气特征及发生的气象条件，可以为本地开展重污染天气预报预警及京津冀区域大气污染联防联控提供技术支撑.

1 资料与方法

图1 廊坊市气象观测站点分布Fig.1 Distribution of meteorological observation stations in Langfang

廊坊市区空气质量指数（AQI）监测开始于2013年1月1日，而其所辖的8 县（市）（大厂、香河、永清、固安、文安、大城及三河、霸州）开始于2014 年1 月1 日. 因此选用廊坊市区2013年1月1日—2016年12月31日、其余县（市）2014年1月1 日—2016 年12 月31 日环境监测数据以及同期自动站、micaps 等气象观测数据研究重污染天气（AQI 指数＞200，下同）及气象条件影响. 廊坊地区气象站点分布见图1.

约定一日内（0时～23时）只要有一个及以上观测站出现AQI＞200的重污染，就记为一个重污染天气过程.

2 重污染天气分析结果

2.1 年变化特征

2014—2016 年9 站空气质量达标（AQI≤100）天数呈逐年上升趋势，而重污染（AQI＞200）天数逐年下降. 2016年各站达标天数达到121 d以上，廊坊市区最多，达208 d，2016年各站重污染天数下降到60 d以下，其中三河36 d，为最少，霸州与文安最多，为57 d，达标天气与重污染天气的对比见图2（a）.

从年均重污染天数分布来看（图2（b）），廊坊市区与三河较少，不足60 d；三河最少，只有56 d；文安与大城分别为68 d和69 d；而其余5县（市）均在70 d以上；其中永清最多，为76 d. 按照污染治理程度来看，廊坊市区的重污染天数应该最低，但平均污染天数次低应该与2013年数据列入统计有关.

图2 2013—2016年廊坊空气质量年变化Fig.2 Annual changes of air quality in Langfang during 2013-2016

2.2 月变化特征

重污染天气主要出现在1—3月和10—12月，9县（市）重污染天气的出现频率多大于20%，重污染天气出现频率最高的月份，廊坊市区为1月，其余站均为12月，南三站（霸州、文安、大城）与固安在12月出现频率甚至大于50%；而4—9月所有站重污染天气出现频率不足14.5%，4、5、8月重污染天气的出现频率更低，不足10%（图3）.

图3 廊坊市重污染天气月平均出现频率Fig.3 Monthly average frequency of heavy pollution weather in Langfang

2.3 季节变化特征

重污染天气出现频率各站均是冬季＞秋季＞春季＞夏季，冬季最多，占28.6%～44.3%；夏季最少，占1.9%～10.9%. 进入冬季，重度以上污染天数明显高于其他3个季节，廊坊市此时处于采暖期（11月15日—次年3月15日），燃煤量剧增，污染加重，导致冬季空气质量在4个季节中最差（表1）.

表1 廊坊市重污染天气出现频率 单位：%Tab.1 Seasonal distribution of heavy pollution weather in Langfang

2.4 重污染天气时首要污染物的变化特征

重污染天气时，廊坊市9 站首要污染物只有PM10、PM2.5、O3、PM10与PM2.5（表示PM10、PM2.5同为首要污染物）4种情况，未出现过NO2、CO与SO2. 三河与大厂的首要污染物只有PM10、PM2.5、O3，廊坊市区首要污染物只有PM10、PM2.5，其余6 县（市）这4 种首要污染物都可能出现. 首要污染物月分布特征明显，PM2.5的频率在1—4月和9—12月最高，除了文安4月为66.7%以外，其余站均在82%以上；5—8月重污染天气首要污染物只有PM2.5或O3，而且O3为首要污染物主要出现在5—8月，臭氧的季节变化主要与光化学反应的强弱和前体物局地人为和自然排放源的影响有关. 5—8月一般温度较高，日照时间较长，太阳辐射较强，因此光化学反应强，而秋冬季及初春季节温度相对较低，日照时间较短，光化学反应较弱.

3 重污染日气象特征

以2013年1月1日—2016年12月31日廊坊市的环境监测资料与同期自动站和micaps等气象数据作为分析对象，研究重污染天气发生时气象条件. 由于环境监测日报时段为当日零点前24 h，因此风、相对湿度、能见度和降水等气象要素是以小时自动站数据为基础，计算当日零点前24 h相应气象要素的平均值作为气象日数据.

3.1 风

3.1.1 风向 将主要污染月（1—3月和10—12月）发生重污染天气时的日主导风向出现频率进行平均，分析各站易出现重污染的风向（出现频率＞10%）特征（图略）：三河为E和ESE；大厂为N、E、ESE和SE；香河与固安为ENE、E和ESE；廊坊市为WSW、E、ESE和ENE；永清为N、NNE和SSE；霸州为NNE、SSW和N；文安为SSW、NNE 和ENE；大城为S和SSE. 因此，廊坊各代表站发生重污染天气时，日主导风向主要位于风玫瑰图的第一、第三、第四象限，而第二象限风向NNW、NW、WNW和W出现的频率一般较低. 风向及符号对照详见表2.

表2 风向及符号对照表Tab.2 Comparison table wind direction and symbols

3.1.2 风速 从重污染天气月平均风速来看，除了3—5月有些站风速较大（＞2 m/s）外，其余月份风速基本上＜1.6 m/s，有些站部分月份甚至＜1 m/s；从年平均风速变化来看，固安的年平均风速最小（1.2 m/s），香河和永清的次小（1.3 m/s），而南部站的文安、大城风速较大（1.6 m/s）.

3.2 相对湿度

分析重污染天气日月平均相对湿度分布特征（图4）. 发生重污染天气时，各站相对湿度多在50%以上，且均是5月相对湿度最低；1—6月的相对湿度一般低于70%，而7—12月一般高于70%；9个站的最大相对湿度出现在8—11月，有些站相对湿度的最小值与最大值相差30%以上. 从年平均相对湿度来看，各站平均相对湿度均＞63%，其中固安相对湿度最大达70.1%，香河与大城的相对湿度接近，分别为63.8%和63.6%，其余6站的相对湿度值接近，为67.1%～69.1%.

图4 廊坊市重污染天气相对湿度月变化Fig.4 Monthly changes for relative humidity of heavy pollution weather in Langfang

3.3 能见度

1 月、3 月、9—12 月各站能见度均＜10 km；2 月大厂能见度12.9 km，其余站均＜10 km；4 月永清能见度10.8 km，其余站均＜10 km；5—8月各站的能见度一般较高，最高能见度各站均出现在5—8月；除廊坊市区外，最低能见度一般出现在10—12月；最高能见度与最低能见度相差4.6 km以上，大厂与大城则在10 km以上.

从年平均能见度来看，各站平均能见度＜10 km；其中廊坊市区最低，为5.9 km；大城最高，为9.7 km；大厂6.8 km；三河7.6 km；其余5站的能见度值接近（8.1～8.5 km）.

3.4 逆温

稳定的大气环流背景下，低层逆温层的建立和加强会使大气垂直对流运动受阻，大气污染物不易扩散.当逆温层厚度增大，逆温层强度越强，污染物浓度就越高. 因廊坊无探空数据，故用北京08时探空资料代表廊坊上空的特征，分析廊坊重污染天气过程出现时，2014—2016年1500 m以下的第一层逆温层情况（图5）.

图5 2014—2016年重污染天气过程北京（54511）探空逆温分析Fig.5 Analysis for Beijing（54511）inverse temperature of heavy pollution weather from 2014 to 2016

逆温底高为79.4～544.7 m，1月最低，6月最高，1—3月和10—12月低于173 m，4—9月底高≥260 m；逆温顶高为366.0～847.5 m，1月最低，5月最高；逆温厚度为109.2～397.2 m，8月最小，4月最大，1—5月和10—12月大于260 m，6—9月低于207 m；逆温强度为0.8～2.7 ℃/100 m，4月最低，2月最高，1—3月、8月和10—12月＞1.3 ℃/m，4—7月和9月≤1.1 ℃/100 m；重污染日出现逆温频率，1—4月和10—12月大于80%，5—9月月均在63%以下.总体来看，1—3月和10—12月比其他月逆温层底高更低，各月顶高均较高在366 m以上，1—5月和10—12月逆温层厚度更厚，1—3月、8月和10—12月强度更强，1—4月和10—12月重污染日出现逆温频率更高.

3.5 静稳天气指数

“静稳天气指数”综合了多项气象要素用来表征气象条件对大气污染物的扩散能力，其值越大，天气形势越静稳，越不利于污染物扩散. 分析廊坊重污染天气过程静稳天气指数的变化（表3），除了4、5、7月＜10以外，其余月平均值均＞10. 10月静稳天气指数最大，为13.1；5月最小，为8.4. 重污染日静稳天气指数均大于5.9，94%的重污染天气过程静稳天气指数大于8.

表3 廊坊市重污染天气静稳天气指数与混合层高度月平均分布Tab.3 Monthly average distribution for static weather index and mixed layer height of heavy pollution weather in Langfang

3.6 混合层高度

混合层高度越低，越不利于污染物扩散，若地面风速很小，空气污染物被压积在近地面层，就可导致严重污染天气. 分析廊坊重污染天气过程混合层高度的变化，除了3—6月混合层高度＞1000 m以外，其余8个月均＜1000 m；10月最小，为595.4 m. 64.1%的重污染天气过程混合层高度＜1000 m.

3.7 重污染日天气现象特点

观测常见的天气现象有21种，包括霾、雨、阵雨、雨夹雪、大风、积雪、雪、雾、轻雾、冰雹、露、霜、结冰、雾淞、毛毛雨、雨淞、沙尘暴、浮尘、扬沙、阵性雨夹雪和阵雪. 分析2013—2016年廊坊市区重污染日出现的天气现象特征发现，重污染日没有冰雹、雨淞、沙尘暴、浮尘、阵性雨夹雪和阵雪天气，但在霾、雾、轻雾、露、霜和结冰这6种天气时发生的频率较高. 霾在除8月外其余月均有出现，出现频率为40%～100%；3—5月出现频率较高，在80%以上；5月最高，达100%. 雾出现在1、2、8、10、11和12月，8月出现频率为100%，其余月份频率不足30%. 轻雾在每个月均有出现，4 月、6—8 月和10 月出现频率，为100%；5 月出现频率最低，为33.3%；其余月份出现频率为77.1%～92.9%. 露出现在3—11月和4—5月，7—10月出现频率为100%，3月、6月、11月出现频率较低在19.4%～39.3%，霜出现在1—3月和10—12月；10月出现频率最低，为7.4%；3月次低，为25.8%；其余4个月为64.3%～93.6%；12月最高，为93.6%. 结冰出现在1—3月和11—12月，出现频率为29.0%～100%；3月最低，为29.0%；1月最高，为100%（表略）.

4 结论

1）2014—2016年廊坊各代表站所在地空气质量达标天数呈逐年上升趋势，重污染天数逐年下降；重污染天气主要分布在1—3月和10—12月；出现频率为冬季＞秋季＞春季＞夏季. 冬季是主要污染季节，重污染天气时，各站测得的首要污染物均为PM10、PM2.5、O3与PM10，PM2.5，未出现过NO2、CO与SO2.

2）廊坊地区各代表站所在地发生重污染天气时，日主导风向主要位于风玫瑰图的第一、第三、第四象限，除了3—5月有些站风速较大（＞2 m/s）外，其余月份风速基本上＜1.6 m/s；重污染天气日各站相对湿度均在50%以上，年均能见度均小于10 km.

3）重污染天气过程期间，1—3月和10—12月主要污染月一般逆温层厚度更厚，强度更强，出现逆温频率也更高；静稳天气指数除了4、5 和7 月其值＜10 以外，其余月平均值均＞10；3—6 月混合层高度在1000 m 以上，其余月＜1000 m.

4）重污染日出现霾、雾、轻雾、露、霜、结冰这6种天气现象的频率较高.