廊坊市雾、霾分布概况及与重污染天气共存时的风场差异

2020-09-24许敏李江波周玉都张绍恢

环境工程技术学报 2020年5期

许敏，李江波，周玉都，张绍恢

1.河北省廊坊市气象局 2.河北省气象台

伴随着雾、霾天气的出现，大量极细干尘粒等均匀浮游在空中，使能见度减小、空气质量下降，也给交通安全和人体健康带来了严重的威胁。为此，国内外许多从事气象和环保的科技人员从气象条件入手，分析促使雾、霾形成或利于其消散的天气形势、气温、风向风速、混合层高度等[1-7]。

2012年秋冬季开始，华北地区的大气污染有加重趋势，尤其是围绕首都的河北省，11个地市有超过半数空气质量位列全国倒数前十，为此，中央气象台、北京市气象局和河北省气象局的专家加大了对雾、霾以及重污染天气气象条件的研究力度。如花丛等[8]认为在雾、霾天气下，华北地区3个代表站中北京的主导风为偏东风和西南风，太原西风占比高，而石家庄无明显主导风向；马翠平等[9]对持续性大雾进行分析，认为在大雾维持加强期间，边界层风速为1～2 m/s，当4 m/s以上的西北风速由边界层下传至地面时，大雾结束。一些学者从重污染天气的角度出发，研究了气象要素对污染形成和消散的作用。如李德平等[10]认为风向是造成北京三级以上污染的主要原因之一；齐佳慧等[11]通过对连续重污染天气的分析，得出了地面风场辐合、强的逆温、高湿和静小风是维持重污染天气的关键，其中风速小于3 m/s的小风日数占比达到85%；廖晓农等[12]证实了气溶胶会以“城市烟羽”传播到下游，因此北京市对流层底层维持西南风或东南风时，污染会明显加重。还有一些学者通过集合模拟和聚类分析对污染期间的气团后向轨迹进行模拟。如滑申冰等[13]研究发现，北京市重污染天气期间，气团主要来自西北方向，其中26%和30%的概率来自新疆和内蒙古地区，另有20%的气团来自西南方向的华北地区；而王冠岚等[14]分析认为，2014年京津冀地区的3个代表城市张家口、北京和石家庄的首要污染物均以本地形成为主。另外一些研究表明，混合层高度越低，越不利于污染物扩散，其高度的降低与污染物浓度升高同步出现，边界层南风风量增厚和地面辐合线的维持是PM2.5浓度爆发性增长的重要条件[15-16]。虽然多项研究涉及到了地面或边界层风对雾、霾的影响，但大多对风的分析只是众多气象因素中的一个方面，尤其是对垂直方向上风的特征分析较少，而专门针对雾、霾与重污染共存，以及此种天气条件下风场差异的研究较为鲜见。

廊坊市地处华北平原中部、京津两大城市之间，地理位置十分重要，同时也是雾、霾多发的区域，加之京津冀地区下垫面特性复杂各异，许多研究成果很难直接运用于本地，因此，必须尝试结合常规和新型探测资料，从风场变化和差异角度进行分析研究，以期获得对雾、霾和重污染物天气形成及维持条件的新认知。

1 资料来源与研究方法

2015—2018年雾、霾和地面风场资料来源于国家气象站观测数据，天气形势采用美国国家环境预报中心(NCEP)逐6 h再分析资料(1°×1°)，风廓线雷达数据来自河北省廊坊市大厂回族自治县(简称大厂县，116°56′47″E，39°54′45″N)风廓线雷达(CFL-03ZC)。大厂县地处华北平原北部，与北京市东部通州区接壤，其风廓线雷达于2014年11月建成并投入运行，有效弥补了河北省中部探空资料低时空密度的不足，为多种天气的分析与预报研究提供了高精度的风场资料。

空气质量数据来源于廊坊市区及8个县(市)环境监测站，根据HJ 633—2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》[17]，重污染天气选取标准为AQI>200，且该日气象观测站记录为雾日或霾日。具体观测标准：该日任意一时次观测到能见度小于1 000 m记录为1个雾日[18]；根据QX/T 113—2010《霾的观测和预报等级》[19]，结合河北省气象局现行的霾观测标准，即排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、吹雪、雪暴、烟幕等影响的天气现象后，该日连续6 h及以上观测能见度小于10 000 m，且相对湿度小于65%，记录为1个霾日。

2 雾、霾分布与重污染天气的关系

2015—2018年廊坊市雾、霾年均日数分别为31和47 d，其空间分布见图1。从图1可以看出，市区雾日最少，仅有17 d，香河县最多，达到47 d，比排在第二位的文安县多4 d，南北各出现一个雾的高发地区，以其为中心向周边减少。霾日的分布特点基本为中部较多，向北和南减少，其中排在前三位的永清县、三河市和大城县霾日超过50 d，最多的永清县达65 d，比最少的香河县多29 d。

图1 廊坊市雾、霾年均日数的空间分布Fig.1 Spatial distribution of annual average days of fog and haze in Langfang

图2为廊坊市各县(市)雾日和霾日的逐月分布。从图2可以看出，各月均有雾发生，2—8月月均雾日数均在1.5 d以下，最少的3月仅有0.6 d；9月开始呈明显增长趋势，月均雾日数增至3.4 d；10月达到全年之最，为6.6 d，其中最多的香河县为11.3 d；次年1月，月均雾日数基本维持在4～6 d；2月开始迅速减少。5—9月是霾发生较少的时段，尤其是8月，仅廊坊市区出现平均不足1 d的霾日，其余县(市)均无霾现象发生；10月开始月均霾日数持续增加；次年1月达到峰值，为10.1 d；此后开始回落，4月减少至3.1 d。

图2 廊坊市各县(市)雾日和霾日逐月分布Fig.2 Distribution of fog and haze days month by month for each country (city)in Langfang

当雾或霾天气现象出现时，多数无明显冷平流，大气呈现扩散能力弱的静稳天气形势，加之低层有逆温层结的存在，极有可能导致污染物的进一步积聚，使得空气质量达到重度及以上污染程度[7,20-21]。2015年为廊坊市近年来霾较重的年份，年均霾日数达52.3 d，因此，以该年份的大厂县为例，分析重污染天气时气象要素风的变化特征。2015年大厂县有76 d出现了AQI超过200的重污染天气，其逐月分布情况见图3。从图3可以看出，1—2月和11—12月是重污染天气爆发的时段，其他月份出现日数相对较少，但在6—8月降水最集中的汛期时段仍出现了共计12 d的重污染天气，总体变化趋势是冬季高发，春季开始减少，进入秋末后又呈爆发式增长。

图3 2015年大厂县AQI超过200的重污染天气日数逐月分布Fig.3 Monthly distribution of heavy pollution days with AQI over 200 in Dachang County in 2015

进一步分析雾或霾出现且AQI超过200的重污染天气日数的逐月分布特征，结果见表1。从表1可以看出，1—3月和9—12月，当有雾出现时均有重污染天气出现，且2月、3月和10—12月雾出现时重污染日数均达到或超过了50%，11月和12月雾日数共19 d，其中有16 d的AQI超过200。在全年76 d重污染天气中，雾日和霾日数分别达到了24和31 d，共占72.4%。可见，在雾、霾天气发生的背景下，空气质量达到重度污染的概率整体较高，雾和霾与重污染天气有着密切联系。

表1 2015年大厂县雾或霾出现且AQI超过200的重污染天气日数的逐月分布特征Table 1 Monthly distribution of heavy pollution days with fog or haze and AQI over 200 in Dachang County in 2015

3 重污染天气时雾、霾天气的风场特征

3.1 地面气象要素特征

雾或霾出现且AQI超过200时，地面气象要素特征见表2。从表2可以看出，当出现雾时，AQI均值接近300，较霾时高43；平均能见度较霾时偏低1.5 km，雾时平均最小能见度仅为0.3 km，而霾时可达到1.6 km；雾时平均风速为1.1 ms，较霾时偏低0.5 ms；雾和霾出现时地面主导风向分别为东南风和东南偏东风，也就是说在未出现降水时，湿度越大，风速越小越有利于雾的形成，能见度相应越小，污染程度加剧。

表2 2015年大厂县AQI超过200的重污染天气时雾日和霾日的地面气象要素特征Table 2 Features of surface meteorological elements on fog or haze days with AQI over 200 in Dachang County in 2015

图4为雾或霾出现且AQI超过200时风向频率统计。从图4可以看出，能见度不足1 km的雾出现时，静风所占频率最大，为20.4%；当风速达到0.3 m/s以上(即1级及以上风力)时，东南风出现频率显著增加，其次是西南偏西风；当能见度为1～10 km的霾发生时，静风出现频率锐减，东南偏东风出现频率则大幅上升，达21.2%，并且比其他风向出现频率有明显优势。总体而言，较小的风速是雾或霾发生的必要条件，风速越小越利于雾的形成，而东南风最易导致雾、霾出现，使能见度降低，此时大气水平和垂直方向的扩散能力都非常弱，从而使污染物积聚，空气质量严重下降，达到重度污染。

图4 2015年大厂县雾或霾出现且AQI超过200时风向频率统计Fig.4 Wind frequency statistics of fog or haze weather with AQI over 200 in Dachang County in 2015

3.2 风速垂直分布特征

当霾发生时，大气污染物主要聚集在边界层内，因此850 hPa(约地面以上1 500 m高度)以下大气风场变化特征对污染物的积聚或扩散清除起至关重要的作用。2015年大厂县雾或霾出现且AQI超过200时平均风速垂直分布见图5。从图5可以看出，在1 560 m以下的风场中，观测到雾或霾时都出现了一个小风速层，即随着高度上升到某一层次时风速突然减小，随后又逐渐增大，雾发生时这一高度约为1 000 m，霾发生时约为700 m；虽然风速廓线的形态较为相似，但2种天气现象发生时风速仍有较大的差异，整体而言出现霾时风速普遍大于雾时，在1 560 m处分别达到5.9和3.7 m/s，在120 m处分别为1.1和0.7 m/s；500 m高度以下，雾时风速仅为0.7～1.8 m/s，霾时可达到1.1～3.8 m/s，在小风速层以上，霾时风速增幅明显大于雾时。可见，当出现上述形态风速廓线时，近地层空气污染物不易扩散，而风速越小，增湿越显著，即出现能见度小于1 km的雾的概率越大，同时由低层到高层风速增幅越小，扩散条件越差。

进一步分析风向特征，雾或霾出现且AQI超过200时垂直风向频率分布见图6。从图6可以看出，雾发生时，1 560 m以下沿顺时针方向南风至北风整体出现频率高于北风至南风，尤其是西南偏西风和西南风出现频率为30%，从低层到高层出现频率呈上升趋势，且西南偏西风增幅最明显；霾出现时，低空风场风向表现出与雾不同的特征，以东北风出现频率最大，整体上南风至北风出现频率较小。可见，西南风有更明显的增湿作用，同时有助于逆温的加强和维持，使能见度下降的同时进一步加重了污染物的累积，而东北风的出现则更有利于霾天气的形成，使空气质量维持在较差水平。

图6 2015年大厂县雾或霾出现且AQI超过200时垂直风向频率Fig.6 Frequency of vertical wind direction in fog or haze weather with AQI over 200 in Dachang County in 2015

3.3 典型持续性重污染、大雾天气过程分析

受典型静稳天气形势控制，2015年12月20—26日，廊坊市出现了全年持续时间最长的大雾天气过程，多个时段能见度不足100 m，同时AQI维持在200以上。

3.3.1地面气象要素特征

地面风速、相对湿度等气象要素的变化对能见度下降、空气污染加重有着直接的影响，12月20—26日上述气象要素的逐小时分布见图7。从图7可以看出，该过程中，地面风速普遍在3 m/s以下，大多时段不足1.6 m/s，一级或静风的情况居多；相对湿度普遍为80%～100%，多数时段维持在90%左右。20日17:00—20:00、21日12:00—18:00和23日12:00—19:00 3个时段内，相对湿度降至80%以下，能见度均增至1 km以上，AQI维持前期水平或有所下降，其中23日中午至傍晚时段相对湿度甚至降至30%～50%，此时最大能见度达到14 km，AQI在3 h内由435降至105；入夜后相对湿度明显增大，能见度也陡降至1 km左右，此外，风速的略微增大对降湿和能见度转好也起到了一定积极作用。综上可见，相对湿度与能见度呈明显的反相关关系，风速维持在2 m/s以下时，能见度维持在较低水平，不利于空气污染物的稀释、扩散和清除；相对湿度下降，部分时段风速达到3 m/s时，能见度增大，空气质量好转，但这种情况多发生于午后至傍晚气温上升的短暂时段内，入夜后，如无明显冷空气南下影响，雾和重污染状况将迅速加重。

图7 2015年12月20—26日大厂县能见度、风速、相对湿度和AQI逐小时分布Fig.7 Hourly distribution of visibility,wind speed,relative humidity and AQI in Dachang County during December 20 to 26,2015

图8为该次天气过程中的地面风向频率分布。由图8可见，该天气过程中，风速为0.3～1.6 m/s的一级风出现频率最大，为62.8%，其中东南风和北风居多，南风和西北风较少；其次是静风，频率为26.9%；二级风出现频率约为10.0%，无三级及上风力出现。

图8 2015年12月20—26日大厂县地面风向频率Fig.8 Wind direction frequency in Dachang County during December 20 to 26,2015

3.3.2风场垂直结构特征

12月22—23日的大厂县风廓线和逐3 h风速垂直廓线见图9和图10。从图9和图10可以看出，22日12:00，500～1 500 m高度上西南风风速增大，1 000 m高度最大风速达5.4 m/s，但因其仅维持了约3 h，能见度并未明显好转，始终在1 000 m左右，同时，90%以上的相对湿度也使得空气污染状况未得到有效改善，AQI维持在300以上；23日02:00，2 000 m以下风速变化较小，维持小风，此后AQI出现一定幅度下降，从02:00的415降至08:00的286。可见，当1 500 m以下主导风为5 m/s左右的西南风时，会使AQI呈现波动下降趋势；若2 000～3 000 m高度(850～700 hPa)风速增大，但仍在10 m/s以下，且维持6～8 h后，AQI会出现短暂小幅下降；一旦风速减小，污染会立即加重，即2 000～3 000 m高度6～10 m/s的偏西风对地面污染物的轻微稀释扩散有一定滞后效应，且扩散作用短暂而有限；1 000～2 000 m高度出现西北风并持续4 h后，AQI迅速降低，直至达到良好水平；此后3 000 m以下风速基本都维持在2 m/s以下，污染物浓度呈爆发式增长。

图9 2015年12月22—23日大厂县风廓线Fig.9 Wind profile chart in Dachang County during December 22 to 23,2015

图10 2015年12月22—23日逐3 h水平风速垂直廓线Fig.10 Vertical profile of the horizontal wind speed by 3 hours during December 22 to 23,2015

为了进一步分析低空垂直风切变对污染物扩散的影响，引入低空风切变指数(I)，其计算公式为：

I=VS/ΔH

式中：VS为1 000 m高度以下的最大垂直风切变；ΔH为2个风矢量间的高度，本研究取60 m[22]。

12月22—23日低空风切变指数随时间的变化见图11。从图11可以看出，在23日14:00前，低空风切变指数始终维持在2.0×10-4s-1以上，而与之对应的AQI均达到了200以上(图7)，13:00风切变指数达到最大，为8.6×10-4s-1，此时AQI为401，接近于同期最大值。由此可见，低空风切变指数与污染物的积聚有着密切关系，其值越大，污染物浓度越大，反之风切变减弱则有利于污染物的扩散。

图11 2015年12月22—23日低空风切变指数随时间的变化Fig.11 Variation of low-altitude windshear index with time during December 22 to 23, 2015

该次天气过程中风速随高度的变化见图12。从图12可以看出，在1 560 m(约850 hPa)以下，除最高层和720 m高度平均风速为2.1 m/s，其他各层均不足2 m/s，尤其是120～600 m高度之间风速均小于1.6 m/s，且随高度降低风速减小，到120 m高度风速降至0.5 m/s左右。