張 珺，薛 敏，宋曉輝

（河北省邯鄲市氣象局，河北 邯鄲 056001）

【研究意義】清潔的空氣是人們賴以生存的重要因素之一，河北省中南部屬于我國(guó)京津冀地區(qū)的重要組成部分，作為河北省空氣污染較重地區(qū)，空氣重污染已對(duì)人民群眾生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重威脅。對(duì)重污染過(guò)程進(jìn)行個(gè)例分析研究，找出重污染的維持機(jī)制，可對(duì)空氣質(zhì)量改善起到積極的意義。

【前人研究進(jìn)展】 國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)該區(qū)域的空氣污染及相關(guān)氣象條件進(jìn)行了分析，劉曉慧等[1]對(duì)2014年兩次重污染過(guò)程進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，不利的氣象條件是導(dǎo)致該污染過(guò)程的主要原因；許萬(wàn)智等[2]對(duì)發(fā)生在華北區(qū)域的一次重污染進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該過(guò)程與天氣過(guò)程關(guān)系密切；王冠嵐等[3]對(duì)京津冀空氣污染進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出了時(shí)空分布特征。

【本研究切入點(diǎn)及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】 氣象條件和空氣污染關(guān)系密切，在污染物排放一定的情況下，空氣污染物濃度大小主要受到氣象條件的影響[4-7]。本文擬對(duì)典型重污染過(guò)程進(jìn)行個(gè)例分析，找出重污染的維持機(jī)制，對(duì)我國(guó)河北地區(qū)中南部空氣質(zhì)量改善提供一定的參考。

1 資料來(lái)源

本文選用的資料主要包括空氣污染資料和氣象資料，空氣污染源自河北省環(huán)保廳，時(shí)間為 2013年1月—2015年12月。氣象資料源自河北省氣象局整編資料，為同期國(guó)家地面氣象觀測(cè)站觀測(cè)資料及高空資料。

2 典型重污染過(guò)程分析

河北省中南部石家莊市、邯鄲市、邢臺(tái)市、衡水市 4個(gè)城市在 2013—2015年3年共出現(xiàn) 19次連續(xù)3 d 及以上重污染天氣過(guò)程，持續(xù)時(shí)間逐年遞減，從 2013年出現(xiàn)最長(zhǎng)連續(xù) 15 d 重度污染降到 2015年最長(zhǎng)連續(xù) 5 d，說(shuō)明近年來(lái)河北省采取的一系列減排措施對(duì)空氣質(zhì)量改善有效[8-10]。

2.1 2013年12月20—25日重污染天氣過(guò)程分析

20—21日高空 500 hPa 上華北地區(qū)處于槽后脊前的西北氣流中、冷平流弱。22日高空槽過(guò)境，等高線、等溫線稀疏，高空風(fēng)力弱；23—24日華北地區(qū)為高壓脊控制，形勢(shì)穩(wěn)定，有暖脊發(fā)展；25日高空槽前環(huán)流較平，槽底部偏西氣流。 20日高空 850 hPa 上受槽后西北氣流控制，冷平流； 21日大陸高壓控制，20:00 河北中部橫切（南-北風(fēng)）；22日高壓控制（大陸高與副高打通），偏西氣流；23日高壓、偏北氣流、冷平流；24日內(nèi)蒙-蒙古橫槽，槽前西西南氣流（大陸高西北部）、弱暖平流；25日08:00，槽前西西北氣流；20:00 槽后西北氣流，風(fēng)速加大，明顯冷平流。

圖1 2013年12月20日08:00850 hPa 高空?qǐng)D、海平面氣壓場(chǎng)

地面場(chǎng)上來(lái)看，20日08:00 河北省中南部處于高壓前部的弱氣壓場(chǎng)中，風(fēng)力較小，基本都在 2 m/s以下；21日08:00，高壓東移中心位于內(nèi)蒙古東部，河北省中南部仍為弱氣壓場(chǎng)控制；22—24日河北省中南部一直處于高壓前部的弱氣壓場(chǎng)中；25日08:00 河北省中南部為弱氣壓場(chǎng)控，地面冷鋒位于蒙古國(guó)東部至河套地區(qū)，冷鋒后部風(fēng)力普遍為 4～8 m/s，隨著冷鋒南壓，持續(xù)多日的重污染天氣結(jié)束。

2.2 2014年2月20—26日重污染天氣過(guò)程分析

從 500 hPa 高空?qǐng)鰜?lái)看，2014年2月20日08:00 歐亞大陸中緯度為兩槽一脊，巴湖-里海和朝鮮半島有低槽，我國(guó)為寬廣的高壓脊控制。河北省中南部受槽后西北氣流控制，等溫線與等高線一致；20:00寬脊區(qū)內(nèi)環(huán)流較平；21—24日寬脊區(qū)、中緯度環(huán)流較為平直，以西西北氣流為主（24日08 時(shí)西風(fēng)）；25日08:00 河北省與山西省交界南北向低槽，河北省中南部槽前偏南氣流，暖平流；淺槽后弱脊前西西北氣流(無(wú)平流)；26日08:00—20:00 槽前西南氣流，弱暖平流。高空 850 hPa 上，20—25日受副高邊緣控制，偏南氣流、暖平流；26日08:00 槽前偏南氣流，平流弱，20:00 槽線在冀晉與魯豫交界，槽后偏北氣流，明顯冷平流，擴(kuò)散條件開始逐漸轉(zhuǎn)好。

從地面場(chǎng)上來(lái)看，19日受高壓脊控制，高壓中心緩慢東移。20—26日華北大部受高壓底部影響，22日08:00 氣壓場(chǎng)東高西低，高壓中心在內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，河北省中南部處于高壓底部，地面氣壓場(chǎng)較弱，等壓線稀疏，氣壓梯度不大，地面風(fēng)速較小；之后高壓中心逐漸南壓，河北省中南部受高壓底部影響；26日14:00 河北省大部位于冷鋒前部，主要由于地形原因而產(chǎn)生的華北弱低壓的中心位于河北省南部、山西省東部交界，低層污染持續(xù)堆積[11-12]； 隨著 26日17:00 東北氣旋加深，鋒面移過(guò)華北大部分，氣壓梯度較大，擴(kuò)散能力迅速增強(qiáng)。

此次過(guò)程污染比較重另一個(gè)原因是存在較強(qiáng)的逆溫。2月22日08:00 在近地面和 850 hPa 上有 2個(gè)逆溫層（圖2），22日20:00 逆溫層仍存在，23日08:00 逆溫增強(qiáng)，20:00700 hPa 以下出現(xiàn)三層逆溫，24日08:00 逆溫繼續(xù)維持，20:00 近地層有兩層逆溫，25日08:00850 hPa 逆溫層增厚，20:00 逆溫維持。逆溫層的維持，說(shuō)明大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，天氣形勢(shì)靜穩(wěn)，不利于污染物的擴(kuò)散[13-14]。

圖2 邯鄲市邢臺(tái)站2014年2月22日溫度對(duì)數(shù)壓力情況

2.3 2015年11月28日—12月1日重污染天氣過(guò)程分析

從 500 hPa 來(lái)看，11月28日08:00 歐亞中緯度兩槽一脊，巴湖-新疆為脊區(qū)、黑龍江-山東為低槽；28—30日河北省中南部受槽后西北氣流控制（較平），等溫線與等高線基本一致；1日08:00 河套槽前偏西氣流，無(wú)明顯平流；20:00 槽前偏西氣流，平流不明顯。

從 850 hPa 看，11月28日08:00 高壓帶（大陸高+副高）偏西氣流，無(wú)明顯平流；20:00 河套淺槽前有西南氣流、暖平流；29日08:00 槽后轉(zhuǎn)為西北氣流，為弱冷平流；20:00 弱脊內(nèi)為偏南風(fēng)、弱暖平流；30日槽前（河套西槽）偏南氣流、弱暖平流；12月1日低槽東移，河北省中南部處于低槽區(qū)，邢臺(tái)市轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，有弱冷平流；20:00 槽后西北氣流，冷平流明顯，氣象擴(kuò)散條件好轉(zhuǎn)。

從地面場(chǎng)上看，11月28日08:00 河北省中南部處于高壓底部，高壓中心在內(nèi)蒙古東部，此時(shí)為弱氣壓場(chǎng)；14:00 低壓東移至東北地區(qū)，河北省中南部受弱氣壓場(chǎng)控制；28日20:00—29日02:00 河套倒槽減弱東移，河北省中南部受倒槽前弱氣壓場(chǎng)控制，風(fēng)力微小；29日05:00 仍為低壓控制；08:00 蒙古高壓前部為弱氣壓場(chǎng)，高壓東移，河北省中南部位于高壓底部弱氣壓場(chǎng)；30日05:00 高壓東移南下；12月1日20:00 鋒面移過(guò)，氣壓梯度增大，擴(kuò)散能力增強(qiáng)。

通過(guò)以上 3次典型重污染天氣過(guò)程分析可以發(fā)現(xiàn)，暖平流、弱氣壓場(chǎng)、地面風(fēng)速小等因素常導(dǎo)致污染物濃度積累上升，有利于重污染天氣的發(fā)生和維持。

3 河北省中南部重污染天氣的主要天氣類型和不同天氣形勢(shì)下污染物特征

在19次重污染天氣過(guò)程有4次重污染過(guò)程（2013年1月21—31日；2013年2月20—24日；2014年1月14—19日；2014年2月20—26日）受不同天氣形勢(shì)影響，分成了兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析。對(duì)23次重污染過(guò)程進(jìn)行了分型，分為了緯向型、西南氣流型、西北氣流型 3種天氣類型。

3.1 緯向型天氣形勢(shì)特征

緯向型天氣出現(xiàn) 9次，占總次數(shù)的 39%。此類型天氣形勢(shì)場(chǎng)特征為高空受緯向環(huán)流控制（如：平直環(huán)流、淺槽、弱西北氣流或弱脊），850 hPa 多為暖脊控制，地面處于弱氣壓場(chǎng)控制（如：均壓場(chǎng)、鞍型場(chǎng)、高壓后部或弱高壓等），其中鞍型場(chǎng)型污染尤為嚴(yán)重。緯向環(huán)流型對(duì)應(yīng)的重污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，影響范圍大，天氣形勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定（圖3）。

出現(xiàn)日期為 2013年1月5—19日，12月2—5日，12月15—17日。 2014年1月5—7日，1月29—2月2日，2月20—24日，11月20—22日；2015年1月14—16日，12月20—24日。

圖3 重污染天氣環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)——緯向環(huán)流型（a：500 hPa；b：地面）

3.2 緯向型天氣形勢(shì)下污染物濃度特征

利用 2013—2015年的重污染天氣過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出，緯向型天氣形勢(shì)下以 PM2.5為首要污染物出現(xiàn) 64 d，占比 66.7%，以 PM10為首要污染物出現(xiàn) 31 d，占比 32.3%。邯鄲市首要污染物以 PM2.5為主，出現(xiàn) 70.8%，以 PM10為首要污染物占比 29.2%；石家莊市首要污染物以 PM2.5為主，占比 83.8%，以 PM10為首要污染物占比 16.7%；邢臺(tái)市首要污染物以 PM10為主，占比 58.3%，以 PM2.5為首要污染物占比 41.7%；衡水市首要污染物以 PM2.5為主，占比 70.8%，以 PM10為首要污染物占比 25%。對(duì)緯向型9次重污染天氣過(guò)程進(jìn)行分析(表 1，圖4)發(fā)現(xiàn) 4個(gè)城市中 PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3濃度邢臺(tái)市均為最高，SO2、CO 濃度石家莊市最高。

表1 緯向型天氣形勢(shì)下污染物濃度日均值 mg/m 3

圖4 緯向型天氣形勢(shì)下 6種污染物空間分布情況

3.3 西南氣流型天氣形勢(shì)特征

在 23次重污染天氣過(guò)程中，西南氣流型出現(xiàn) 6次，占總次數(shù)的 26%。500 hPa 受西風(fēng)槽前西南暖濕氣流控制，低空西南氣流配合，地面為弱氣壓場(chǎng)。南支氣流較強(qiáng)，空氣中水汽含量較大，氣層穩(wěn)定，垂直運(yùn)動(dòng)小，造成污染物滯留在空氣中不易擴(kuò)散[15-17]。直到北方冷空氣南下，河北省中南部上空轉(zhuǎn)為西北氣流控制，地面轉(zhuǎn)為北風(fēng)，重污染過(guò)程結(jié)束 （圖5）。 出現(xiàn)日期為 2013年1月30—31日，2月24日—2014年1月19日，2月25—26日，2015年1月3—5日，12月7—10日。

圖5 重污染天氣環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)——西南氣流型（a：500 hPa；b：地面）

3.4 西南氣流天氣形勢(shì)下污染物濃度特征

西南氣流天氣形勢(shì)下以 PM2.5為首要污染物出現(xiàn) 20 d，以 PM10為首要污染物也出現(xiàn) 20 d，二者各占比 50%。邯鄲市首要污染物以 PM2.5為主，占 70%，以 PM10為首要污染物占比 30%；石家莊市首要污染物以 PM2.5為主，占比 60%，以 PM10為首要污染物占比 40%； 邢臺(tái)市首要污染物以 PM10為主，占比 60%，以 PM2.5為首要污染物占比 40%；衡水首要污染物以 PM10為主，占比 70%，以 PM2.5為首要污染物占比30%。對(duì)西南氣流型 6次重污染天氣過(guò)程進(jìn)行分析（表 2、圖6），可以看出，PM2.5、PM10、SO2、NO2濃度邢臺(tái)市均為最高，CO 濃度石家莊市最高，O3濃度衡水市最高。

圖6 西南氣流天氣形勢(shì)下 6種污染物空間分布情況

表2 西南氣流天氣形勢(shì)下污染物濃度日均值 mg/m 3

3.5 西北氣流天氣形勢(shì)下污染物濃度特征

在 23次重污染天氣過(guò)程中，西北氣流型出現(xiàn)8次，占總次數(shù)的 35%。500 hPa 以槽后脊前西北氣流控制為主，有時(shí)有小股弱冷空氣迅速東移；低空受西北氣流或高壓脊影響，地面受高壓前部或底部的弱氣壓場(chǎng)控制，常有冷鋒或弱冷鋒配合，河北省中南部處于鋒前弱低壓或均壓區(qū)中，空氣垂直運(yùn)動(dòng)弱，使污染物不易擴(kuò)散從而造成超標(biāo)現(xiàn)象[18-20]（圖7）。

圖7 重污染天氣環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)——西北氣流型（a：500 hPa；b：地面）

出現(xiàn)日期為 2013年1月21—29日，2月20—23日，2月26—28日，3月6—8日，12月20—25日，2014年1月14—18日，3月8—10日，2015年11月28日—12月1日。

西北氣流天氣形勢(shì)下，首要污染物以 PM2.5為主，出現(xiàn) 33 d，占比 68.8%，以 PM10為首要污染物出現(xiàn) 14 d，占比 29.2%。邯鄲市首要污染物以 PM2.5和 PM10為主，各占 50%；石家莊市首要污染物以PM2.5為主，占比83.3%，以PM10為首要污染物占比16.7%； 邢臺(tái)市首要污染物以PM2.5為主，占比75%，以 PM10為首要污染物占比 16.7%；衡水市首要污染物以 PM2.5為主，占比 66.7%，以 PM10為首要污染物占比 33.3%。對(duì)西北氣流型8次重污染天氣過(guò)程進(jìn)行分析（表 3、圖8），可以看出，PM2.5、PM10濃度石家莊市均為最高，SO2濃度邢臺(tái)市最高，CO 濃度石家莊市最高，O3濃度邯鄲市、邢臺(tái)市、衡水市均為 0.05 mg/m 3 ，均高于石家莊市。

圖8 西北氣流天氣形勢(shì)下 6種污染物空間分布情況

表3 西北氣流天氣形勢(shì)下污染物濃度日均值 mg/m 3

3種天氣形勢(shì)下，4個(gè)城市 PM2.5、PM10、CO、NO2濃度日均值在西南氣流形勢(shì)時(shí)最大，分別為 0.31，0.47，4.43，0.13 mg/m 3 ；SO2濃度日均值在西南氣流和西北氣流形勢(shì)時(shí)最大，為 0.13 mg/m 3 ；O3濃度在西北氣流形勢(shì)時(shí)濃度最大，為 0.05 mg/m 3 。

4 結(jié)論與討論

本文以河北省中南部為例，利用 2013—2015年環(huán)境資料和氣象資料，結(jié)合數(shù)值模擬，統(tǒng)計(jì)了連續(xù) 3 d及以上重污染天氣過(guò)程，并對(duì)3次典型重污染過(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：暖平流、弱氣壓場(chǎng)、地面風(fēng)速小等因素常導(dǎo)致污染物濃度積累上升，有利于重污染天氣的發(fā)生和維持。對(duì) 23次重污染過(guò)程進(jìn)行了分型，分為了緯向型、西南氣流型、西北氣流型 3種天氣類型，分析了 3種天氣類型下 6種污染物的空間分布，找出了不同天氣形勢(shì)下污染物濃度特征：3種天氣形勢(shì)下，4個(gè)城市 PM2.5、PM10、CO、NO2濃度日均值在西南氣流形勢(shì)時(shí)最大，SO2濃度日均值在西南氣流和西北氣流形勢(shì)時(shí)最大，O3濃度在西北氣流形勢(shì)時(shí)濃度最大。