劉艷杰，許 敏，李 娜，周玉都

（廊坊市氣象局，河北廊坊 065000）

京津冀連續(xù)霧霾及重污染天氣特征分析

劉艷杰，許 敏，李 娜，周玉都

（廊坊市氣象局，河北廊坊 065000）

2015年12月19日至26日京津冀多地出現(xiàn)持續(xù)性霧霾及重污染天氣，部分時(shí)段能見度不足50m、AQI值達(dá)到500。分析此次過程的成因發(fā)現(xiàn)，霧霾期間高空主要影響系統(tǒng)為短波槽和冷渦底部偏西氣流，地面為弱氣壓場(chǎng)。邊界層逆溫、暖平流及弱的地面風(fēng)場(chǎng)是霧霾持續(xù)的關(guān)鍵原因，其中逆溫強(qiáng)度達(dá)4.6℃／100m，近地面多風(fēng)速小于1.5m／s的西南風(fēng)和偏東風(fēng)。北京和衡水混合層高度均較低，混合層高度（MLH）普遍在1km以下，尤其是衡水站21～25日MLH普遍不足500m，非常不利于霧霾的消除和污染物的擴(kuò)散。加之地形影響，容易使污染物堆積在河北平原，形成重污染。

京津冀；持續(xù)性霧霾；重污染；天氣特征；氣象條件

0 引言

近年來我國(guó)中東部地區(qū)霧、霾天氣頻發(fā)，由于其伴隨的低能見度、重污染等現(xiàn)象，越來越多的受到人們的關(guān)注，目前已經(jīng)有很多針對(duì)霧霾天氣的相關(guān)研究。丁一匯和吳兌等［1－2］通過研究我國(guó)霧霾長(zhǎng)期變化特征發(fā)現(xiàn)，霧日自1990年以后明顯減少，而霾日總體呈上升趨勢(shì)。張小曳等［3］指出我國(guó)現(xiàn)今霧、霾問題的主因是嚴(yán)重的氣溶膠污染，但氣象條件對(duì)其形成、分布、維持與變化的作用顯著，在一定的氣象條件下，霧、霾天氣現(xiàn)象可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。廖曉農(nóng)等［4］、張小玲［5］等研究表明冬季霧－霾過程出現(xiàn)在高空西北氣流、低層多短波活動(dòng)的背景下，其形成和維持的主要機(jī)制是邊界層內(nèi)始終有逆溫層、地面弱風(fēng)場(chǎng)、底層濕度逐漸增大。穩(wěn)定、高濕的氣象條件對(duì)細(xì)粒子PM2.5質(zhì)量濃度的形成、積聚和維持比較有利，造成嚴(yán)重的區(qū)域性低能見度和霧霾天氣。此外，張人禾等［6－8］也對(duì)霧霾及重污染天氣的發(fā)生及其與各種氣象要素的關(guān)系進(jìn)行了研究。吳兌等［9－11］研究指出太行山、燕山等特殊地形作用對(duì)華北平原區(qū)域性污染有重要作用?；▍驳龋?2－18］則從氣象要素的邊界層特征等角度研究了霧霾天氣的成因。

京津冀地區(qū)由于其特殊地形及快速發(fā)展等諸多原因，在靜穩(wěn)天氣形勢(shì)下容易出現(xiàn)霧霾天氣。本文主要利用高空和地面氣象觀測(cè)資料、中國(guó)環(huán)保部官方AQI數(shù)據(jù)、L波段探空數(shù)據(jù)等研究2015年冬季京津冀一次持續(xù)性霧、霾及重污染天氣特點(diǎn)，并從天氣形勢(shì)、邊界層氣象要素特征等方面探尋此次過程的成因。

1 資料來源及處理

本文所用數(shù)據(jù)主要來自高空和地面氣象觀測(cè)資料、中國(guó)環(huán)保部官方AQI數(shù)據(jù)、L波段探空數(shù)據(jù)等。其中根據(jù)《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》（QX／T113—2010）及《觀測(cè)司關(guān)于調(diào)整霾觀測(cè)相對(duì)濕度區(qū)間規(guī)定的通知》（氣測(cè)函〔2013〕68號(hào)），相對(duì)濕度小于80%，判識(shí)為霾，相對(duì)濕度80%～95%時(shí)，按照地面氣象觀測(cè)規(guī)范規(guī)定的描述或大氣成分指標(biāo)進(jìn)一步判識(shí)。由于地面觀測(cè)中部分地區(qū)對(duì)霧、霾天氣現(xiàn)象仍存在一些混淆，為了數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)地面觀測(cè)天氣現(xiàn)象中霧、霾，結(jié)合地面相對(duì)濕度進(jìn)行修正，將相對(duì)濕度80%以下的霧修訂為霾，95%以上的霾修訂為霧，80%～95%的觀測(cè)記錄維持原記錄。

2 霧霾天氣特點(diǎn)

2.1 能見度情況

分析2015年12月19～27日8時(shí)京津冀地區(qū)能見度演變（圖1），發(fā)現(xiàn)19～20日霧霾處于積累階段，京津冀中南部大部分地區(qū)能見度在1000～10000m。21日8時(shí)開始能見度減小，較強(qiáng)霧、霾由京津冀中、東部地區(qū)開始發(fā)展，22日霧區(qū)向南擴(kuò)張，23日霧區(qū)發(fā)展至北京、天津、冀中南大部分地區(qū)，其中北京南部、天津、唐山以南的大部分地區(qū)出現(xiàn)能見度小于500m的濃霧，滄州南部、石家莊東部、衡水、邢臺(tái)、邯鄲等地出現(xiàn)能見度小于50m強(qiáng)濃霧。25～26日隨著冷空氣南下，霧、霾呈減弱趨勢(shì)，低能見度范圍減小，27日霧霾徹底消散，京津冀能見度達(dá)10000m以上。

圖1 2015年12月19日～27日8時(shí)京津冀能見度分布Fig．1 Distribution of visibility in Beijing?Tianjin?Hebei at 8：00 area from Dec．19 to Dec．27，2015

2.2 霧、霾分布

統(tǒng)計(jì)12月19日至26日（每日8時(shí)次，共64時(shí)次）京津冀19個(gè)觀測(cè)站霧、霾情況（圖2）發(fā)現(xiàn)，京津冀大部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度的霧和霾天氣，19個(gè)觀測(cè)站平均出現(xiàn)霧和霾天氣44時(shí)次。霧多出現(xiàn)在石家莊、保定、北京、天津至唐山一線，其中保定站最多共50時(shí)次，站總時(shí)次的78%。霾多出現(xiàn)在河北西南部山區(qū)、北京及承德等地，其中邢臺(tái)站最多共34時(shí)次，占總時(shí)次的53%。石家莊霧和霾合計(jì)時(shí)次最多為63次，占統(tǒng)計(jì)總時(shí)次的98.5%，其次為保定和遵化均為62次，占統(tǒng)計(jì)總時(shí)次的96.9%，北京為59次，占統(tǒng)計(jì)總時(shí)次的92%。

圖2 2015年12月19日至26日京津冀各站出現(xiàn)霧、霾的時(shí)次分布情況Fig．2 Stayistics of fog and haze in Beijing?Tianjin?Hebei area from Dec．19 to Dec．26，2015

2.3 霧霾期間大氣污染物變化

分析北京、天津、石家莊及衡水12月19～26日逐時(shí)AQI（圖3），發(fā)現(xiàn)前期19～20日4市的AQI均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，21日12時(shí)前后AQI均上升至200以上。21～26日上午河北中南部平原和天津市AQI持續(xù)較高，一直維持在200～500，上述地區(qū)能見度也持續(xù)較低水平。而北京市AQI于23日下午至24午后有一次明顯的下降，此時(shí)段北京站能見度也上升至1000～10000m，天氣現(xiàn)象以霾為主。以上說明19～20日是霧霾積累階段，也是AQI的上升時(shí)段，21～26日上午是霧霾加強(qiáng)和維持階段，河北中南部平原及天津市AQI也持續(xù)保持在200以上，這期間23～24日部分時(shí)段，河北北部及北京市受冷空氣擾動(dòng)影響，AQI有短暫的下降，霧霾天氣維持，但程度減弱。

圖3 2015年12月19日～26日20時(shí)京津冀AQI演變Fig．3 AQI variation in Beijing?Tianjin?Hebei area from Dec．19 to Dec．26，2015

3 天氣形勢(shì)及溫度平流

3.1 天氣形勢(shì)分析

分析2015年12月19～26日500hPa影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)（圖4 a），本次過程受靜穩(wěn)天氣形勢(shì)控制，主要影響系統(tǒng)為前期的短波槽和中后期的冷渦系統(tǒng)。19日短波槽位于河套西側(cè)，20日夜間快速移過京津冀地區(qū)。21～22日開始貝加爾湖附近出現(xiàn)南北兩支槽，后合并加強(qiáng)形成冷渦系統(tǒng)，京津冀位于低渦底部平直西風(fēng)環(huán)流中，且維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4日。23～24日，弱波動(dòng)移過河北中南部平原，低空850hPa存在弱切變，有利于冀南部平原霧霾的加劇。24日20時(shí)高空500 hPa冷渦中心移動(dòng)到130°E、52°N附近，京津冀轉(zhuǎn)為西北氣流，直至25～26日低層850hPa、925hPa也轉(zhuǎn)為西北氣流，霧霾開始出現(xiàn)減弱趨勢(shì)。

19～24日地面不斷有冷高壓自西北路徑南下（圖4b），但影響區(qū)域偏北，京津冀地區(qū)基本位于弱氣壓場(chǎng)中，有利于霧霾天氣出現(xiàn)和維持，25～26日強(qiáng)冷高壓自偏北路徑迅速南下，京津冀位于冷高壓前部，偏北風(fēng)較大，有利于霧霾消散。前期19～21日冷高壓在移動(dòng)過程中均不斷減弱，且位置偏北，經(jīng)內(nèi)蒙東移，京津冀一直位于弱氣壓場(chǎng)中。22～23日冷高壓形成于貝加爾湖西側(cè)，24日冷高壓分裂為兩個(gè)中心，其中偏北的一個(gè)影響河北北部及北京地區(qū)，地面有偏北風(fēng)，霧霾有所緩解，中南部依然以偏南風(fēng)為主，霧霾仍持續(xù)。25日生成于貝加爾湖東北側(cè)的冷高壓南移時(shí)加強(qiáng)，且移速較快，26日白天京津冀地面轉(zhuǎn)為冷高壓底部的西北氣流，隨著氣壓梯度力增大，自北向南風(fēng)力加大，霧霾徹底消散。

圖4 2015年12月19～27日500hPa影響系統(tǒng)演變Fig．4 Dynamic graph of 500 hPa affecting system from Dec．19 to Dec．27，2015

3.2 溫度平流演變

從北京和河北南部衡水上空溫度平流的演變可以看到（圖5），霧霾天氣持續(xù)期間對(duì)流層中下層均有冷暖平流的交替，北京附近（116°E，39°N）21日、24日、26日有不同程度的冷平流，其他時(shí)段由于地面多受弱氣壓場(chǎng)的控制，均沒有影響到地面或到達(dá)地面的冷平流非常弱。21日和24日前后冷空氣勢(shì)力較弱，且持續(xù)時(shí)間短，影響近地面的冷平流強(qiáng)度在（－10～－20）×10－5℃·m－1，因此24日凌晨至上午北京附近霧霾天氣有短暫的減弱，AQI下降明顯。26日冷平流較強(qiáng)，中心強(qiáng)度大于－30×10－5℃·m－1，霧霾過程結(jié)束。河北南部衡水（116°E，38°N）附近22～25日河北南部近地面為暖平流或小于－10×10－5℃·m－1的冷平流。24日1000～850hPa層內(nèi)由弱冷平流變?yōu)榕搅?，且暖平流隨高度增大，這是導(dǎo)致該期間邊界層形成逆溫的重要原因。因此河北南部平原霧霾持續(xù)時(shí)間較北京附近長(zhǎng)。

4 邊界層特征

4.1 邊界層溫度與濕度特征

研究表明逆溫層越強(qiáng)、高度越低，則氣溶膠濃度越大，對(duì)能見度的影響也越明顯［20－21］。圖6是L波段探空系統(tǒng)探測(cè)的北京站3.5km以下溫度的時(shí)空剖面圖。19～26日1 km高度以下均存在逆溫層。其中19～22日逆溫層普遍在500m以下，逆溫強(qiáng)度較小為（0.5～1.4）℃／100m，23日開始逆溫層略有增高，且逆溫強(qiáng)度增強(qiáng)，25日19時(shí)和26日07時(shí)逆溫強(qiáng)度分別達(dá)到4.6℃／100m和3.4℃／100m。25和26日早晨北京東南部出現(xiàn)了能見度小于200m的濃霧，這兩日北京AQI值也達(dá)到400以上，霧霾狀況和大氣污染均加重。這是由于霧霾與邊界層的正反饋?zhàn)饔?，即霧霾的形成使到達(dá)邊界層底層的輻射減少，進(jìn)而導(dǎo)致邊界層大氣更加穩(wěn)定，穩(wěn)定的大氣層又使得霧、霾天氣維持。

圖5 溫度平流時(shí)間－高度圖（單位：℃·m－1）Fig．5 Time?pressure chart of temperature advection from Dec．19 to Dec．26，2015

圖6 12月19～26日L波段探空系統(tǒng)探測(cè)的北京溫度廓線圖Fig．6 Temperature profile from Dec．19 to Dec．26，2015 observed by L?band sounding system in Beijing

圖7 是L波段探空系統(tǒng)探測(cè)的北京站3.5km以下相對(duì)濕度的時(shí)空剖面圖。19～26日500m高度以下相對(duì)濕度較大。過程前期19日至21日0－500m相對(duì)濕度為65%～93%，過程中后期22日至26日0～500m相對(duì)濕度為80%～100%，尤其23日、25日、26日7時(shí)近地面相對(duì)濕度達(dá)到100%，這三日北京東南部均出現(xiàn)能見度小于200m的強(qiáng)濃霧，局地能見度小于50m。而23日19時(shí)及24日7時(shí)地面相對(duì)濕度分別降至80%、60%，這與23日后半夜至24日上午的弱冷高壓南下時(shí)的冷空氣擾動(dòng)有關(guān)，24日早晨能見度增加至1000m以上，北京也由23日夜間的濃霧轉(zhuǎn)為霾。

圖7 L波段探空系統(tǒng)探測(cè)的北京相對(duì)濕度廓線圖Fig．7 Relative humidity profile from Dec．19 to Dec．26，2015 observed by L?band sounding system in Beijing

4.2 邊界層風(fēng)的分布

圖8 a是L波段探空系統(tǒng)探測(cè)的北京站1.6km以下風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空剖面圖。前中期19日至23日早晨0～1.6km多以西南風(fēng)或偏東風(fēng)為主，風(fēng)速較小，雖然20日夜間至21日早晨有偏北風(fēng)自高空逐漸延伸至地面，到達(dá)地面的風(fēng)速較小為0.5～1.7m／s，偏北風(fēng)的擾動(dòng)使北京及附近地區(qū)霧霾天氣程度有所減弱，污染物濃度減小。過程后期23日夜間、26日夜間有兩股冷空氣擾動(dòng)，24日偏北風(fēng)從高空延伸至500m高度，強(qiáng)度偏弱，持續(xù)時(shí)間也較短，因此25日和26日早晨北京東南部再次出現(xiàn)濃霧天氣。直至26日白天較強(qiáng)偏北風(fēng)延伸至300 m高度處，地面轉(zhuǎn)為弱的東北風(fēng)，本次過程徹底結(jié)束。

圖8 L波段探空系統(tǒng)探測(cè)的北京風(fēng)場(chǎng)時(shí)間序列圖Fig 8 Time series of the wind observed by L?band sounding system

圖8 b是北京站、衡水站地面風(fēng)向風(fēng)速演變圖，北京和衡水地面多偏南風(fēng)或弱的偏北風(fēng)，北京風(fēng)速普遍在1.5m／s以下，衡水站較北京站風(fēng)速小，24日之前普遍在1m／s以下，24日之后風(fēng)速增加至2～4m／s。由于地面風(fēng)速更小，水平擴(kuò)散能力更差，河北南部平原霧霾較北京嚴(yán)重。

統(tǒng)計(jì)整個(gè)過程期間北京、衡水小時(shí)地面風(fēng)向發(fā)現(xiàn)，北京站風(fēng)向以ENE和SSW居多，分別占總時(shí)次的21%和15%（圖9），由于京津冀地區(qū)被北部燕山山脈和西部太行山脈包圍，呈“大簸箕”地形分布，偏東風(fēng)和偏南風(fēng)均不利于霧霾的水平擴(kuò)散，這也是京津冀霧霾得以持續(xù)的一個(gè)重要原因。衡水站風(fēng)向以NNE和S居多，分別占比12%和9%，且風(fēng)速小于1m／s的時(shí)次明顯較北京站多。由于地面風(fēng)速小，風(fēng)向多偏東風(fēng)和西南風(fēng)，北京及河北平原霧霾和污染都較嚴(yán)重。

圖9 2015年12月19～26日地面風(fēng)玫瑰圖Fig．9 Surface wind rose diagram from Dec．19 to Dec．26，2015

4.3 混合層高度

混合層高度（MLH）表征了大氣污染物在垂直方向被熱力湍流、對(duì)流與動(dòng)力湍流輸送所能達(dá)到的高度［22］，是影響大氣擴(kuò)散的主要因子之一。其對(duì)大氣質(zhì)量評(píng)估和污染物的存儲(chǔ)量及分布起著重要作用?；旌蠈痈叨鹊?，大氣污染物被積壓在近地面層，不利于擴(kuò)散；反之有利于污染物擴(kuò)散。圖10是19日至26日北京和衡水饒陽混合層高度演變圖，由此可見，本次過程兩站混合層高度均較低，26日14時(shí)之前MLH普遍在1km以下，尤其是衡水站21～25日MLH普遍不足500m，非常不利于污染物的擴(kuò)散。26日下午開始MLH增加至1.2km，此時(shí)也是霧霾及污染消散的階段。

圖10 2015年12月19～26日北京、衡水饒陽混合層高度演變Fig．10 The evolution of MLH in Beijing and Raoyang of Hengshui during from Dec．19 to Dec．26，2015

5 小結(jié)

本文利用廊坊氣象觀測(cè)資料和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)資料，分析了2015年12月19～26日出現(xiàn)在京津冀地區(qū)的持續(xù)性霧、霾及重污染天氣特點(diǎn)及成因，得出如下結(jié)論：

（1）本次過程具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍大、能見度低、污染嚴(yán)重等特點(diǎn)，主要影響的區(qū)域?yàn)楸本⑻旖蚣昂颖敝心喜科皆?/p>

（2）過程期間京津冀地區(qū)受靜穩(wěn)天氣形勢(shì)控制，高空影響系統(tǒng)為短波槽和西風(fēng)槽底部的寬闊平直西風(fēng)環(huán)流，地面則多為弱氣壓場(chǎng)。

（3）通過對(duì)氣象要素的分析發(fā)現(xiàn)，近地面暖平流、低層逆溫層、較高的濕度條件和較低的混合層高度等氣象條件非常不利于污染物的擴(kuò)散，因此這些天氣條件是產(chǎn)生霧、霾天氣和重污染的直接原因。

（4）1km以下多西南風(fēng)或偏東風(fēng)，風(fēng)速普遍小于1.5m／s，加之京津冀“大簸箕”地形作用，不利于污染物的擴(kuò)散。

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［20］ 范燁，郭學(xué)良，付丹紅，等．北京及周邊地區(qū)2004年8、9月間大氣氣溶膠分布特征觀測(cè)分析［J］．氣候與環(huán)境研究，2007，12（1）：49－62．

［21］ 王叢梅，楊永勝，李永占，等．2013年1月河北省中南部嚴(yán)重污染的氣象條件及成因分析［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2013，26（7）：695－702．

［22］ 葉堤，王飛，陳德蓉．重慶市多年大氣混合層厚度變化特征及其對(duì)空氣質(zhì)量的影響分析［J］．氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，24（4）：41－44．

Analysis on Durative Fog?Haze and Heavy Pollution Weather Characteristics in Beijing?Tianjin?Hebei Area

Liu Yanjie，Xu Min，Li Na，Zhou Yudu
（Langfang Meteorological Bureau of Hebei Province，Langfang065000，China）

In 2015，the period from December 19thto December 26thwitnessed a durative Fog?Haze and heavy pollution in Beijing，Tianjin，and Hebei area，with the visibility condition of less than 50m at some time and AQI reaching up to 500．As the analysis of the causes reveals，during the Fog?Haze period，the main effect of the high?altitude system is the short?wave trough and the straight westerly circulation at the bottom of cold vortex，with weak ground pressure．Inversion of boundary layer，warm advection，and weak surface wind are the three key factors which contributed to this durative Fog?Haze．When the Fog?Haze continues，the inversion temperature reaches 4.6℃／100m，and the surface winds are mainly southwest wind and easterly wind with a speed of less than 1.5m／s．In both Beijing and Hengshui，the mixed layer height（MLH）is low with a general height below 1km and even a lower height of less than 500m in Hengshui station from December 21stto December 25th，which is very unfavorable to the elimination of Fog?Haze and the diffusion of contaminants．The above?mentioned factors，combined with the terrain，help the pollutants to accumulate in Hebei Plain，bringing about heavy pollution．

Beijing?Tianjin?Hebei；durative Fog?Haze；heavy pollution；weather characteristics；meteorological condition

X513

：A

：1673－8047（2017）01－0047－09

2016－10－23

河北省廊坊市氣象局項(xiàng)目（201606）．

劉艷杰（1986—），女，本科，助理工程師，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)與研究。