齊佳慧，郝巨飛，王叢梅，楊允凌

（1.通遼市氣象局，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.邢臺(tái)市氣象局，河北 邢臺(tái) 054000）

2013年以來，京津冀地區(qū)持續(xù)大范圍的污染天氣，引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1-3]。國(guó)外學(xué)者對(duì)于大氣污染的研究開始較早，發(fā)現(xiàn)空氣中的大氣污染物與氣溫、降水量、相對(duì)濕度等氣象因子有著密切的關(guān)系[4-5]。美國(guó)學(xué)者利用IMPROVE觀測(cè)網(wǎng)分析，定量得出了空氣中各種污染成分消光系數(shù)的貢獻(xiàn)，并考慮了吸濕增長(zhǎng)，得到了著名的IMPROVE公式[6-8]。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)大氣污染的年際變化與氣象因素對(duì)其的影響做了大量的研究[9-10]，取得了一系列成果。李瓊等[11]利用珠江三角洲地區(qū)的天氣資料與污染物監(jiān)測(cè)資料分析得出珠江三角洲地區(qū)的污染狀況與天氣形勢(shì)之間存在顯著關(guān)系。任陣海等[12]提出，大范圍均壓場(chǎng)的持續(xù)與演變是形成區(qū)域重污染的重要大氣條件。段宇輝等[13-15]研究表明，天氣系統(tǒng)的演變對(duì)大氣擴(kuò)散條件的預(yù)報(bào)具有重要的意義，高空弱的垂直運(yùn)動(dòng)、中低層弱的輻散場(chǎng)或下沉氣流、近地層的逆溫，都會(huì)使污染物在邊界層堆積，而穩(wěn)定的大氣層結(jié)會(huì)使重污染天氣持續(xù)加重。大氣邊界層高度較低，相對(duì)濕度較大，以偏南氣流為主時(shí)，氣溶膠更容易吸濕增長(zhǎng)，易導(dǎo)致重污染天氣產(chǎn)生[16-17]。韓霄等[18]利用數(shù)值模擬的方法對(duì)華北平原重霾進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在逆溫明顯、風(fēng)速較小、相對(duì)濕度高的條件下，既有利于污染物的堆積，也有利于污染物的吸濕增長(zhǎng)。吳兌等[19-20]研究表明，污染物的積累區(qū)域與地形有著顯著關(guān)系，受太行山的阻擋與背風(fēng)坡的下沉氣流影響，石家莊、保定、邢臺(tái)、邯鄲形成了一條污染物不易擴(kuò)散的高污染聚集帶。

河北省中南部是京津冀地區(qū)的污染重災(zāi)區(qū)，2016年全國(guó)74個(gè)重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量狀況排名中，空氣質(zhì)量較差前10名河北省占6席，邢臺(tái)市位居第四。重污染過程與氣象條件關(guān)系顯著，特定的天氣系統(tǒng)和氣象條件是重污染天氣形成的關(guān)鍵[21]。在以往的研究中，多側(cè)重研究重污染天氣生成及維持的原因[3]、[22-23]和物理機(jī)制[24-27]，氣象條件對(duì)重污染天氣的消散研究較少[21]。因此，本文將針對(duì)此次連續(xù)性重污染天氣的特點(diǎn)，從天氣形勢(shì)、垂直與水平擴(kuò)散、降水等因素著手，探討此次重污染天氣的維持及消散的原因，進(jìn)一步了解重污染天氣得以消散的物理機(jī)制，以便為公眾服務(wù)、預(yù)報(bào)預(yù)警等提供參考。

1 資料來源

本文所使用的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)資料由河北省邢臺(tái)市環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供，內(nèi)容包括空氣質(zhì)量指數(shù)AQI、污染物濃度、首要污染物。氣流軌跡資料來源于NCEP（美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）的GDAS（全球資料同化系統(tǒng)）氣象數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)每2 h記錄一次，分別為00：00，02：00，04：00 直到 22：00（UTC）。氣象資料采用逐時(shí)自動(dòng)站觀測(cè)平均值，包括日最小能見度、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度，雖然邢臺(tái)的國(guó)家基準(zhǔn)站距離市區(qū)有20 km的距離，但據(jù)對(duì)比資料顯示，氣象要素對(duì)應(yīng)性較好，具有代表性[28]。

本文所用的大氣混合層高度是根據(jù)穩(wěn)定度等級(jí)和混合層系數(shù)計(jì)算得出，計(jì)算采用國(guó)標(biāo)法，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 3840—91附錄B和附錄E中給出的方法進(jìn)行計(jì)算，其具體算法可參考文獻(xiàn)[29-30]，大氣穩(wěn)定度等級(jí)采用修正的Pasquill穩(wěn)定度分類法[30]。本文利用HYSPLIT模式分析連續(xù)重污染天氣中污染物的源地和傳輸路徑，HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式用于追蹤氣流攜帶的粒子或移動(dòng)方向，由美國(guó)國(guó)家海洋局和大氣管理局的空氣資源實(shí)驗(yàn)室與澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)，是一種混合型單粒子歐拉—拉格朗日（Eulerian-Lagrangian）擴(kuò)散模式[31]。本文的微波輻射計(jì)資料來源于布設(shè)在邢臺(tái)市國(guó)家基準(zhǔn)站（37°11′N，114°22′E，海拔高度：182.0 m）的地基多通道微波輻射計(jì)（MWRP），由中國(guó)兵器工業(yè)北方通用電子集團(tuán)有限公司所研制（型號(hào)：MWP 967 kV），溫度通道≤-35 dBc，天線旁瓣電平水汽通道≤-28 dBc，亮溫分辨率≤0.2 K，探測(cè)范圍為地表到頂空10.0 km，垂直方向上廓線劃分為58層，分辨率分別為50 m（0.5 km 以下）、100 m（0.5～2.0 km）、250 m（2.0～10.0 km），通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演頂空大氣溫度、水汽濃度和相對(duì)濕度等的大氣參數(shù)。

2 實(shí)況分析

2.1 空氣質(zhì)量概況

此次河北省中南部的連續(xù)重污染天氣過程，邢臺(tái)市持續(xù)嚴(yán)重污染，定義該日首要污染物質(zhì)量濃度從最低值逐日累積到峰值重新下降到谷值的狀態(tài)稱為一次環(huán)境污染過程。根據(jù)邢臺(tái)市的情況，在空氣污染指數(shù)連續(xù)3 d達(dá)到或超過五級(jí)（AQI>200）時(shí)即可稱為連續(xù)性重污染。此次連續(xù)重污染天氣AQI值3次達(dá)到峰值（圖1），分別出現(xiàn)在2016年12月19日、12月31日、2017年1月8日，所對(duì)應(yīng)的AQI分別為420、500、311，本文中將2016年12月16—23日稱為過程一，2016年12月27日—2017年1月4日稱為過程二，2017年1月5—10日稱為過程三。

圖1 2016年12月16日—2017年1月10日邢臺(tái)市AQI變化趨勢(shì)

2.2 氣象要素及PM的變化特征

在此次連續(xù)重污染天氣中，PM10、PM2.5的濃度日變化與氣象要素具有顯著的相關(guān)性（圖2）。過程一自12月16日起PM2.5和PM10濃度開始上升，空氣質(zhì)量開始轉(zhuǎn)差，在19日達(dá)到峰值，PM2.5和PM10濃度分別為 379.3 μg·m-3和 465.8 μg·m-3，平均風(fēng)速在2.5 m/s以下，日最小能見度由16日的1669 m下降至22日的44 m，23日污染物濃度下降到谷值，能見度轉(zhuǎn)好。過程二在31日PM2.5和PM10濃度達(dá)到峰值，分別為 409.5 μg·m-3和 606.8 μg·m-3，此時(shí)相對(duì)濕度均在70%以上，小風(fēng)日數(shù)增加，由過程一中的7 d增加到16 d，日最小能見度持續(xù)5 d在50 m以下。4日空氣污染得到短暫的緩解，5日污染物濃度再次上升。過程三在1月8日PM2.5和PM10濃度達(dá)到峰值，分別為 245.5 μg·m-3和 358.0 μg·m-3，期間相對(duì)濕度一直維持在90%以上，能見度不足300 m，直至10日污染物濃度下降，日最小能見度達(dá)到1761 m，相對(duì)濕度下降到65%。

此次邢臺(tái)市連續(xù)重污染天氣過程，污染物濃度變化具有明顯的階段性特征，相對(duì)濕度、地面風(fēng)、能見度等氣象要素對(duì)污染過程的維持與消散具有直接影響，而這些氣象要素則產(chǎn)生于特定的天氣形勢(shì)與天氣系統(tǒng)下。因此，本文將從地面形勢(shì)、大氣穩(wěn)定度、降水等方面進(jìn)一步深入分析此次連續(xù)重污染過程的維持與消散條件。

圖2 2016年12月16日—2017年1月10日污染物濃度及氣象要素日變化

3 污染物維持與消散的機(jī)制

3.1 地面形勢(shì)分析

過程一在2016年12月16—19日，污染物濃度持續(xù)上升，由圖3可知，在污染物濃度上升階段，邢臺(tái)市處于均壓場(chǎng)中，高壓中心位于河北省西北部，移動(dòng)較為緩慢，由于受均壓場(chǎng)控制持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，均壓范圍大，底層大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于空氣中污染物的擴(kuò)散和稀釋，造成污染物積累；16—19日污染物濃度均維持在較高水平；21日00時(shí)，在貝加爾湖附近高壓開始建立，分裂為東西2個(gè)高壓中心，中心壓強(qiáng)1 047.5 hPa，邢臺(tái)市處于高壓前部，氣壓梯度明顯增強(qiáng)，由于強(qiáng)氣壓梯度范圍寬廣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，極有利于污染物的擴(kuò)散；在21—23日，伴隨高壓主體的東移南下，污染物濃度顯著下降。

2017年1月3日范圍寬廣的均壓場(chǎng)持續(xù)是污染物積累的主要原因，西北冷高壓在東移南下的過程中強(qiáng)度不斷減弱，對(duì)污染物的清除效果不明顯；5日河北省南部形成一明顯的輻合切變，隨著均壓場(chǎng)建立并持續(xù)，污染物濃度開始升高，至8日AQI再次達(dá)到峰值，9日伴隨冷高壓的南下，污染物得以擴(kuò)散和稀釋。

3.2 垂直擴(kuò)散的影響

污染物的濃度除了受污染源的影響外，還取決于大氣的垂直擴(kuò)散能力，大氣穩(wěn)定度變化對(duì)污染物的垂直擴(kuò)散有一定的影響[32-33]，大氣混合層高度也是反映大氣垂直擴(kuò)散能力的重要參數(shù)[34]。大氣混合層高度降低時(shí)，AQI升高，易出現(xiàn)重污染天氣。將大氣混合層高度與AQI做相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為-0.480 2，達(dá)到0.01的顯著水平，呈明顯負(fù)相關(guān)；AQI<200時(shí)，大氣混合層平均高度為1305 m，AQI>200時(shí)，大氣混合層平均高度為763 m，最低降到437 m（圖 4）。

圖3 2016年12月18日14時(shí)（a）、12月21日23時(shí)（b）海平面氣壓場(chǎng)

圖4 2016年12月16日—2017年1月10日邢臺(tái)市AQI、混合層高度變化趨勢(shì)

邢臺(tái)市地處太行山東部背風(fēng)坡，大氣擴(kuò)散條件明顯弱于開闊的平原地區(qū)，受地形影響，多有逆溫出現(xiàn)，經(jīng)對(duì)比此次連續(xù)重污染過程在維持與消散階段的探空?qǐng)D都有著明顯特點(diǎn)。選取2016年12月20日20時(shí)與21日08時(shí)的探空?qǐng)D（圖5）進(jìn)行分析，20日與21日的AQI日均值分別為396和270，20日20時(shí)在3000 m下存在兩層逆溫層，低層逆溫較強(qiáng)，干暖蓋層較厚，覆蓋在近地面，地面風(fēng)速較弱，不利于污染物的擴(kuò)散；20日08時(shí)，近地層逆溫層消亡，相對(duì)濕度增加，干暖蓋消失，空氣污染情況得到。

圖5 2016年12月20日 20時(shí)（a）、21日08時(shí)（b）探空?qǐng)D

圖6 2016年12月16—21日AQI、溫度變化趨勢(shì)

對(duì)應(yīng)微波輻射計(jì)的觀測(cè)（圖6），自2016年12月16日16時(shí)開始，在高度1000 m以下，逆溫層開始建立，AQI持續(xù)上升，直到17日16時(shí)，逆溫層消失，AQI到達(dá)峰值后開始下降；在之后的3 d內(nèi)，AQI隨著逆溫層的建立上升，在19日21時(shí)達(dá)到峰值570，當(dāng)逆溫層消失時(shí)，AQI則開始下降，至21日00時(shí)，一股較強(qiáng)冷空氣影響我市，逆溫層徹底消失，AQI值也下降到最低值，為105。

3.3 水平輸送的影響

王喜全[35]、劉宇[36]等研究表明：風(fēng)對(duì)大氣污染物的擴(kuò)散和三維輸送起重要作用，其中風(fēng)向決定了污染物的輸送方向，風(fēng)速則影響污染物的擴(kuò)散程度。邊界層以下污染物容易聚集，因此本文重點(diǎn)分析地面風(fēng)速風(fēng)向?qū)ξ廴疚飻U(kuò)散的影響。

過程一（圖7），12月20日12時(shí)，地面由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，AQI開始上升達(dá)到400以上；21日00時(shí)，西北風(fēng)開始加大，AQI不斷下降，西北風(fēng)持續(xù)10 h，其中00—04時(shí)風(fēng)速較大，最大時(shí)次可達(dá)4.8 m/s，AQI下降到100左右；21日11時(shí)風(fēng)向開始轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，污染物濃度再次回升，直到22日07時(shí)，西北風(fēng)加大，AQI有了明顯的降低。過程二與過程三中，AQI的變化與風(fēng)速風(fēng)向的關(guān)系雖然不如過程一的明顯，但當(dāng)風(fēng)向變化較亂時(shí)，AQI為上升趨勢(shì)，在污染物濃度降低的時(shí)次，風(fēng)向大多為偏北風(fēng)且風(fēng)速較大。由此可知，當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)以偏北風(fēng)為主時(shí)，AQI隨著偏北風(fēng)的持續(xù)而有所下降；由于邢臺(tái)市地處太行山東部的特殊地形，地面以偏東風(fēng)為主時(shí)，AQI的數(shù)值往往會(huì)增大；偏南風(fēng)可以帶來較好的水汽條件，AQI開始變化的時(shí)次與風(fēng)向由北轉(zhuǎn)南的時(shí)刻相對(duì)應(yīng)，局地也會(huì)形成短時(shí)的輻合區(qū)；當(dāng)風(fēng)向穩(wěn)定時(shí)，AQI隨著風(fēng)速的加大而減小。

圖7 2016年12月19—22日邢臺(tái)市AQI、風(fēng)速變化趨勢(shì)

3.4 降水的影響

不同等級(jí)的降水量對(duì)污染物的清除作用也有所不同[37]，為分析降水量對(duì)PM2.5的影響，在此次連續(xù)重污染天氣中，選取3次不同的降水過程作為研究對(duì)象，分別統(tǒng)計(jì)PM2.5在降水前后的濃度變化，定量分析降水量對(duì)污染物的清除作用。本文規(guī)定：降水前一日PM2.5的日均濃度（PM2.5初始濃度）減去降水后一日PM2.5日均濃度表示降水對(duì)PM2.5的清除作用。選取2016年12月21日、2016年12月24—25日、2017年1月4—7日的降水過程進(jìn)行研究。

統(tǒng)計(jì)降雨過程PM2.5濃度的變化（表1），基于對(duì)3次過程的分析，降水量分別為 6.9、3.1、1.2、0.2 mm，所對(duì)應(yīng)的PM2.5的清除率分別為67.9%、43.4%、4.3%、-17.6%，由此可知降水量越大，對(duì)空氣中污染物PM2.5的清除率越強(qiáng)，當(dāng)降水量＜1 mm，反而有利于PM2.5的增加。

表1 2016年12月16日—2017年1月10日邢臺(tái)市降水過程中PM2.5濃度變化

選取清除率最大的降水過程進(jìn)行具體討論（圖8），邢臺(tái)市2016年12月20—22日的降水過程自21日00時(shí)起，持續(xù)7 h，過程降水量為6.9 mm，降水開始前 1 h PM2.5的濃度為 442.3 μg·m-3，此前一天PM2.5的濃度都在300 μg·m-3以上，降水開始2 h后 PM2.5的濃度下降到 78.3 μg·m-3，直到降水結(jié)束，PM2.5的濃度都維持在這一水平，降水結(jié)束后，PM2.5的濃度又有一緩慢的上升，但均小于降水前濃度。此次降水對(duì)污染物PM2.5的清除效果非常明顯，平均清除率為 67.9%，最大清除量為 478.2 μg·m-3。

圖8 邢臺(tái)市2016年12月20—22日降水前后PM2.5濃度變化

另外2次降水過程均為分段降水，過程二總降水量為3.1 mm，隨著降水開始，PM2.5的濃度由降水前的 219 μg·m-3下降到 189 μg·m-3，降水結(jié)束后 2 h PM2.5的濃度持續(xù)下降，最低達(dá)到 97.5 μg·m-3；前一階段降水結(jié)束后，由于前期降水帶來的較好的濕度條件，后一階段降水開始后，PM2.5的濃度先大幅度上升然后下降，在降水結(jié)束后2 h，PM2.5的濃度達(dá)到60.3 μg·m-3，此次降水過程帶來的PM2.5的清除效果較為明顯，PM2.5的平均清除率為43.4%，最大清除量為199.5 μg/m3。過程三由于2個(gè)階段降水過程間隔時(shí)間較長(zhǎng)、降水量較小，對(duì)PM2.5的清除作用不太明顯，前一階段平均清除率為4.3%，最大清除量為173.8 μg·m-3；后一階段在降水過程中 PM2.5的濃度依然在上升，降水結(jié)束后的一段時(shí)間PM2.5的濃度也維持在較高的水平上，對(duì)PM2.5幾乎沒有清除作用，反而使其濃度有所升高，平均清除率為-17.6 μg/m-3。

3.5 污染源的分析

研究表明，城市大氣污染不僅與本地污染源的直接排放有關(guān)，還受區(qū)域輸送的影響[38-39]。區(qū)域大氣污染的成因和來源與氣流的軌跡密切相關(guān)，后向軌跡模型分析成為研究這一問題的重要手段[40]。應(yīng)用Hypilit4模式對(duì)邢臺(tái)市不同時(shí)段（2016年12月17—20日、2016年12月29日—2017年1月9日）逐36 h后向軌跡聚類分型、2016年12月22日14時(shí)、2017年1月12日15時(shí)的單時(shí)刻后向軌跡進(jìn)行分析，高度設(shè)置為500 m。結(jié)果顯示在2016年12月17—20日（圖9a），8%的氣團(tuán)后向軌跡來自內(nèi)蒙古西北部，氣流輸送高度較高，氣團(tuán)相對(duì)清潔，19%的氣團(tuán)軌跡主要來自河北省以西400 km之外，輸送起始高度可達(dá)3000 m，而73%的氣團(tuán)軌跡主要來自邢臺(tái)市以北200 km內(nèi)，氣流主要為局地輸送，在此時(shí)間內(nèi)，邢臺(tái)市的AQI一直處于上升階段并持續(xù)，PM2.5增長(zhǎng)異常明顯；直到21日AQI開始下降，圖9b為PM2.5濃度最低時(shí)刻進(jìn)行的氣團(tuán)后向軌跡分析，這一時(shí)次的氣團(tuán)來自我國(guó)西北部以外的蒙古地區(qū)，氣團(tuán)較為清潔，傳輸高度較高，有利于污染物的清除。2016年12月29日—2017年1月9日邢臺(tái)市的AQI維持在200以上，日均值最高達(dá)500，對(duì)這段時(shí)間做氣團(tuán)后向軌跡聚類分析（圖9c），結(jié)果表明8%的氣團(tuán)來自蒙古境內(nèi)，20%來自我國(guó)西北部，20%來自河北省西部，此三條輸送路徑起始高度與輸送高度較高，輸送距離較長(zhǎng)，多為清潔空氣，另外52%的氣團(tuán)來自邢臺(tái)市以北地區(qū)，輸送路徑較近，高度較低，多為集中在近地面的局地輸送，使空氣污染進(jìn)一步加重并維持；選取消散效果較明顯的1月12日15時(shí)進(jìn)行單個(gè)時(shí)刻72 h后向軌跡分析（圖9d），表明氣團(tuán)來源于西北地區(qū)，輸送距離較遠(yuǎn)，高度較高，空氣較為清潔，有利于污染物的稀釋與擴(kuò)散。

圖9 邢臺(tái)市36 h聚類后向軌跡及單個(gè)時(shí)次后向軌跡模擬圖

4 結(jié)論

通過對(duì)此次邢臺(tái)市連續(xù)重污染天氣過程的分析可得到以下結(jié)論:

（1）地面均壓場(chǎng)維持、高壓前部鋒面過境、地面輻合區(qū)持續(xù)都會(huì)使污染物積累；伴隨冷高壓主體東移南下并加強(qiáng)，氣壓梯度增大，冷空氣不斷補(bǔ)充，污染物得以消散。

（2）近地面大氣混合層高度與AQI呈顯著負(fù)相關(guān)，在重污染天氣維持階段，大氣混合層平均高度763 m，平均相對(duì)濕度達(dá)82.6%，逆溫層結(jié)較厚達(dá)443 m、強(qiáng)度1.83℃/100 m，并且穩(wěn)定維持；在污染物消散階段，大氣混合層高度明顯升高，平均達(dá)1305 m，逆溫層消失，相對(duì)濕度下降到60%以下。

（3）在重污染天氣維持階段，地面風(fēng)場(chǎng)持續(xù)輻合，小風(fēng)日數(shù)達(dá)22 d（占比85%），近地面以偏南氣流為主，偏東風(fēng)的持續(xù)也不利于污染物的擴(kuò)散；隨著冷空氣的影響，偏北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向并持續(xù)加大，最大風(fēng)速可達(dá)4.8 m/s，對(duì)大氣污染物起到明顯的清除作用。

（4）降水過程對(duì)PM2.5濃度的降低起到一定的作用，降水量>3 mm且雨強(qiáng)較大時(shí)，PM2.5的清除率可達(dá)40%以上，若降水量<1 mm時(shí)，不僅達(dá)不到清除作用，反而有利于PM2.5濃度的升高。

（5）在重污染天氣維持階段，50%以上的氣團(tuán)來自于距邢臺(tái)市不到200 km的周邊地區(qū)，氣團(tuán)軌跡多集中在500 m以下的近地面，局地輸送較為明顯；在污染物的消散階段，氣團(tuán)多為西北路徑輸送，距離較遠(yuǎn)，空氣較為清潔，起始與輸送高度較高，有利于污染物的擴(kuò)散。