郭立平，黃浩杰，聞 靜

(1.河北省廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；2.河北省廊坊市生態(tài)環(huán)境局，河北 廊坊 065000)

1 前 言

隨著我國經(jīng)濟和工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，相關(guān)生產(chǎn)、生活帶來的空氣污染問題日顯突出，已經(jīng)成為全國乃至全球重點關(guān)注的熱點問題之一。目前，關(guān)于空氣污染的氣象條件研究取得了一些成果[1～12]：其中鄧霞君等[1]分析了麗水空氣污染物與氣象因子的相關(guān)性，認為各主要污染物濃度隨氣象因子的變化而不同：王冠嵐等[2]通過對京津冀各地空氣質(zhì)量的研究認為，首要污染物多為原地生成，秋冬季節(jié)空氣污染加重與燃煤用量加大、靜穩(wěn)天氣增多關(guān)系密切，氣象條件(風(fēng)、雨、不穩(wěn)定大氣層結(jié)等)對空氣污染擴散起著重要作用；張建忠等[3]分析了京津冀4次重度污染過程認為就目前的排放水平而言，相對濕度持續(xù)高于60 %時是出現(xiàn)重度污染并維持的重要指標；無論是在冬季、春季還是秋季出現(xiàn)的重度污染過程，平均風(fēng)速小于2.0 m/s是污染物堆積的必要條件。此外，蘇福慶等[13]、郭立平等[14-15]分析了外來污染物的輸入通道流場，并將其分為邊界層西南氣流、東南氣流和東風(fēng)氣流風(fēng)帶型等；楊柳林等[16]利用微元法求解大氣污染物的輸送通量；王自發(fā)等[17]利用自主研制的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式(NAQPMS)初步評估了2013年1月我國中東部強霾污染天氣下大氣細顆粒物(PM2.5)時空分布特征、傳輸規(guī)律和防控力度；秦云苗等[18]分析了不同等級霾日氣象條件的異同特征及與空氣污染的關(guān)系；安俊嶺等[19]利用 WRF-CAMx模式定量給出了四季北京、天津和河北大氣邊界層中PM2.5等污染物跨界輸送通量和北京凈輸入或輸出通量；張巍等[20]以及余進海[21]分別分析了四川省近年來空氣質(zhì)量變化趨勢及污染特征以及江蘇省大氣重污染過程特征分析以及預(yù)報效果評估，其中余進海認為冬季風(fēng)異常是造成重污染加重的重要原因，秋冬季預(yù)報時應(yīng)該及時分析短期氣候變化，尤其是風(fēng)場的變化。

上述成果對深入研究空氣污染的形成、維持、輸送以及治理具有一定的積極意義。但是對空氣質(zhì)量的轉(zhuǎn)折過程及垂直風(fēng)場特征研究較少，甚至沒有提及到，這對于及時開展空氣污染的科學(xué)防控，指導(dǎo)公眾應(yīng)對空氣重污染缺乏參考依據(jù)。因此，研究、分析空氣重污染前后大氣風(fēng)場的轉(zhuǎn)變特征具有積極意義，可為今后空氣重污染的及時預(yù)報預(yù)警、科學(xué)防控提供依據(jù)。

2 資料來源及標準

文中所用空氣污染資料為廊坊市環(huán)保局提供的2013年1月～2015年12月逐日AQI以及逐小時、逐日的PM2.5、PM10、NO2等污染物的濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，空氣質(zhì)量等級采用中華人民共和國國家標準GB3095-2012和中華人民共和國國家環(huán)境保護標準HJ 633-2012的規(guī)定，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI):51～100為2級，良；3級：101～150，輕度污染；4級：151～200，為中度污染；5級：201～300，重度污染；6級：>300，嚴重污染；5級和6級均為空氣重污染級別；所用氣象資料為中國氣象局下發(fā)的MICAPS資料和廊坊市氣象觀測站自動站資料。

文中“突發(fā)”空氣重污染[15]過程指2級轉(zhuǎn)5級、3級轉(zhuǎn)5級，4級轉(zhuǎn)5級、3級轉(zhuǎn)6級和4級轉(zhuǎn)6級的空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)折過程。

3 “突發(fā)”空氣重污染的AQI指數(shù)變化分析

廊坊市位于冀中平原，北京、天津兩大城市之間。根據(jù)環(huán)保局空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，2013～2015年廊坊市共出現(xiàn)86次“突發(fā)”空氣重污染過程(表1)，其中3級轉(zhuǎn)5級最多，2級轉(zhuǎn)5級次多，4級轉(zhuǎn)6級最少；從3年的分布看，2013年最多，2015年最少；從變化看，3級轉(zhuǎn)5級有明顯下降，2級轉(zhuǎn)5級也有下降，但4級轉(zhuǎn)5級有明顯上升，分析原因有兩個方面：一是由于空氣污染問題得到重視，經(jīng)過治理，空氣質(zhì)量有一定程度改善；二是導(dǎo)致空氣重污染的原因比較復(fù)雜，其中包括大氣條件的改變，需要不斷分析。

分析“突發(fā)”空氣重污染過程的AQI指數(shù)變化看(表2)，3級轉(zhuǎn)6級AQI平均值變化最大，達到227，其次4級轉(zhuǎn)6級，第三2級轉(zhuǎn)5級，4級轉(zhuǎn)5級最小，3年AQI的變化平均值為75。從“突發(fā)”空氣重污染前一日及當日的AQI平均值分布看，最大值均出現(xiàn)在2015年，表明空氣重污染發(fā)生時強度沒有下降。此外，在各級“突發(fā)”空氣重污染過程中，3級轉(zhuǎn)6級其AQI指數(shù)的變化值逐年下降，4級轉(zhuǎn)5級也有下降，但2級轉(zhuǎn)5級、3級轉(zhuǎn)5級、4級轉(zhuǎn)6級其AQI變化值均在2015年最大，表明“突發(fā)”空氣重污染發(fā)生時空氣污染程度具有變化幅度較大，突發(fā)性質(zhì)及原因復(fù)雜等特點。

表1 2013～2015年廊坊“突發(fā)”空氣重污染的分布特征Tab.1 The distribution characteristics of “sudden” heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015

表2 2013～2015年廊坊"突發(fā)"空氣重污染的AQI指數(shù)變化特征Tab.2 The change characteristics of AQI indexes of “sudden” heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015

4 “突發(fā)”空氣重污染的低層風(fēng)場變化特征

空氣重污染的形成和影響主要在大氣低層，上述研究[10,12]也提到大氣風(fēng)場條件是空氣污染形成的重要氣象因子之一。因此，以下重點分析2、3、4各等級空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)重污染前后850 hPa、925 hPa、1 000 hPa及地面等4層大氣風(fēng)場的變化特征。

4.1 地面風(fēng)向變化特征

利用廊坊市氣象觀測站自動站逐小時2min平均風(fēng)向資料分析2、3、4各等級空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)空氣重污染前后地面風(fēng)向頻率變化，結(jié)果見圖1。

圖1 2013～2015年廊坊“突發(fā)”空氣重污染的地面風(fēng)頻變化(左：重污染前，右：重污染日)Fig.1 The variations of ground wind direction frequency of heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015

從圖1中可以看出，在2、3、4級空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)重污染過程中，靜風(fēng)(PPC,下同)比例均有不同程度的增加，偏北風(fēng)(NW、NNW、 N、NNE)比例下降，偏東風(fēng)(ENE、E、ESE，下同)、西南風(fēng)(SSW、SW、WSW，下同)比例增加。其中2級轉(zhuǎn)5級，風(fēng)向頻率增加比例最大的是PPC，其次為SSW及E風(fēng)；3級轉(zhuǎn)5級，風(fēng)向頻率增加比例最大的是ENE風(fēng)，其次為NE及PPC；3級轉(zhuǎn)6級，風(fēng)向頻率增加比例最大的是SW風(fēng)，其次為SE及PPC；4級轉(zhuǎn)5級，風(fēng)向頻率增加比例最大的是WNW風(fēng)，其次為ENE及PPC；4級轉(zhuǎn)6級，風(fēng)向頻率增加比例最大的是ENE風(fēng)，其次為NE及PPC。

因2013～2015年“突發(fā)”空氣重污染的日期分布略有不同，其最大風(fēng)向頻率分布也略有不同(表3)。2013年“突發(fā)”空氣重污染主要分布在1～3月、8～9月、11～12月，2014年分布在1～3月、7月、10～12月，2015年則主要分布在1月、10月、11～12月。廊坊市氣候是比較典型的季風(fēng)氣候，冬季(12～次年2月)盛行偏北風(fēng)，夏季(6～8月)盛行偏南風(fēng)，春季(6～8月)、秋季(6～8月)是偏北風(fēng)、偏南風(fēng)轉(zhuǎn)換季節(jié)，春季以偏北風(fēng)為主，秋季以偏南風(fēng)為主。盡管3年間“突發(fā)”空氣重污染的日期分布有差異，但從表3中可以看出，靜風(fēng)、西南風(fēng)、南西南風(fēng)、西西南風(fēng)、偏東風(fēng)是空氣重污染日最大頻率的風(fēng)向，無明顯月份差異。對表中2015年4級轉(zhuǎn)6級的嚴重污染過程分析看，雖然最大風(fēng)向頻率為北風(fēng)，但北風(fēng)時段風(fēng)速均≤1m/s，且同時靜風(fēng)頻率增加。

此外，在“突發(fā)”空氣重污染前，空氣質(zhì)量較好為2級或3級時，地面風(fēng)向偏北風(fēng)所占比例較高，但同時發(fā)現(xiàn)SW、WSW、W、ESE等不利風(fēng)向的比例也比較高，因此，不利風(fēng)向持續(xù)時間的比例是“突發(fā)”空氣重污染的關(guān)鍵因素。統(tǒng)計結(jié)果表明，當?shù)孛骘L(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)及西南風(fēng)時，且在一日中控制時間長比例≥65.2%，則容易達到空氣重污染；當前期空氣質(zhì)量略差為4級時，偏東風(fēng)及PPC 控制時間長比例增加并達到≥51%時，也容易造成空氣重污染。

上述分析表明，廊坊市空氣質(zhì)量明顯轉(zhuǎn)差的過程中地面風(fēng)向表現(xiàn)有明顯的改變，尤其以轉(zhuǎn)6級的過程改變最明顯，最大頻率風(fēng)向轉(zhuǎn)為SW、SSW、PPC的比例增加。綜合分析看，靜風(fēng)、偏南風(fēng)至偏西風(fēng)(SW/SSW/WSW/W)、偏東風(fēng)(E/ENE/ESE/SE)及其控制時間長度是廊坊“突發(fā)”空氣重污染的關(guān)鍵氣象因子之一。

表3 2013～2015年廊坊“突發(fā)”空氣重污染的最大風(fēng)向頻率變化Tab.3 The changes of maximum wind direction frequency of "sudden" heavy air pollution in Langfang from 2013 to2015

4.2 地面風(fēng)速變化特征

同樣分析2、3、4各等級空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)重污染前后地面風(fēng)速變化，通過計算可以看到(表4)：2級轉(zhuǎn)5級，平均風(fēng)速由1.8 m/s減小到1.2 m/s，3級轉(zhuǎn)5級，由1.7 m/s減小到1.4 m/s，3級轉(zhuǎn)6級，由1.5 m/s減小到1.2 m/s，4級轉(zhuǎn)5級，平均風(fēng)速略有增加由1.3 m/s增加到1.4 m/s，4級轉(zhuǎn)6級，平均風(fēng)速由1.3 m/s減小到1.1 m/s。其中2級轉(zhuǎn)5級，地面平均風(fēng)速下降幅度最大，達到0.6 m/s·d。由此可見，“突發(fā)”空氣重污染過程中伴有較明顯的地面風(fēng)速變化，而在風(fēng)速減小的過程中，由于空氣污染物氣象擴散條件轉(zhuǎn)差而造成空氣重污染，此外，從表4中還可以看出，3年間各等級“突發(fā)”空氣重污染的平均風(fēng)速、最大風(fēng)速變化還是存在差異，其中空氣重污染日平均風(fēng)速、最大風(fēng)速均減小的比例達63.2%，平均風(fēng)速減小，最大風(fēng)速增加的比例達31.6%，平均風(fēng)速，最大風(fēng)速均增加的“突發(fā)”空氣重污染只出現(xiàn)在2015年的4級轉(zhuǎn)5級過程中。造成空氣重污染日平均風(fēng)速、最大風(fēng)速增加的原因主要有兩個：一是隨大氣環(huán)流形勢的變化，利于空氣重污染產(chǎn)生的風(fēng)向持續(xù)時段，其風(fēng)速增加；二是空氣重污染日將結(jié)束的時刻，由于冷空氣入侵，短時段風(fēng)速增加，但從表中可以看出，空氣重污染日最大風(fēng)速均在7 m/s以下。

表4 2013～2015年廊坊“突發(fā)”空氣重污染的平均及最大風(fēng)速分布特征Tab.4 The distribution characteristics of average and maximum wind speed of "sudden" heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015 (平均/最大，m/s)

4.3 1 000、925、850 hPa風(fēng)場變化特征

空氣重污染的形成和分布具有一定垂直高度，因此，進一步分析2、3、4各等級空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)重污染過程的1 000 hPa、925 hPa以及850 hPa高度大氣風(fēng)場的演變特征，為空氣污染防控提供更多科學(xué)依據(jù)。

4.3.1 風(fēng)向變化特征

利用中國氣象局下發(fā)的MICAPS氣象資料，分別計算2、3、4各級空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)重污染前后1 000 hPa、925 hPa以及850 hPa平均風(fēng)場的風(fēng)向演變特征。結(jié)果表明，在1 000 hPa圖上(圖2)，2級轉(zhuǎn)5級、3級轉(zhuǎn)5級、3級轉(zhuǎn)6級污染過程中，空氣重污染前廊坊市均以偏北風(fēng)控制為主，空氣重污染日均轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)與西南風(fēng)或東南風(fēng)交匯的輻合區(qū)域中；3級轉(zhuǎn)6級較2級轉(zhuǎn)5級、3級轉(zhuǎn)5級，其西南、東南風(fēng)區(qū)域分布更廣，從河套南部向東延至渤海灣；4級轉(zhuǎn)5級、4級轉(zhuǎn)6級空氣重污染前，廊坊市處于偏北風(fēng)與偏南風(fēng)或西南風(fēng)形成的輻合區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)5級空氣重污染時，表現(xiàn)為東南風(fēng)區(qū)域的擴大北抬，轉(zhuǎn)6級時西南風(fēng)區(qū)域增大且有偏東風(fēng)的加入，氣流的輻合特征更明顯。

分析925 hPa大氣風(fēng)場風(fēng)向的變化特征可以看出：在925hPa層，空氣重污染前后，風(fēng)場風(fēng)向仍表現(xiàn)有明顯的實變特征，但相比1 000hPa其風(fēng)向輻合程度偏弱，2級轉(zhuǎn)5級、3級轉(zhuǎn)5級、3級轉(zhuǎn)6級空氣重污染前，廊坊市925 hPa高度均處在偏北或西北風(fēng)控制下，空氣重污染日，均轉(zhuǎn)為處于西南或東南風(fēng)控制下，4級轉(zhuǎn)5級、4級轉(zhuǎn)6級空氣重污染前，基本為偏西或西南風(fēng)控制，轉(zhuǎn)5級時表現(xiàn)為較4級范圍更廣的西南風(fēng)控制，轉(zhuǎn)6級時通常是在河北省中部地區(qū)形成一個明顯的氣流輻合區(qū)域。

分析850 hPa層，大氣風(fēng)場風(fēng)向的變化特征發(fā)現(xiàn)，在850hPa空氣重污染前后，風(fēng)場風(fēng)向也有一定程度的轉(zhuǎn)變，相比1 000hPa、925hPa其風(fēng)向輻合程度進一步減弱，2級轉(zhuǎn)5級、3級轉(zhuǎn)5級、3級轉(zhuǎn)6級空氣重污染前，廊坊市850 hPa高度均處在西北風(fēng)控制下，空氣重污染日，從河南省一直到河北省北部地區(qū)，均轉(zhuǎn)為明顯的西南風(fēng)控制，其中3級轉(zhuǎn)5級西南風(fēng)的南北徑向度略大；4級轉(zhuǎn)5級、4級轉(zhuǎn)6級空氣重污染前，河北省基本處于偏西風(fēng)控制下，轉(zhuǎn)5級時廊坊市轉(zhuǎn)為西南風(fēng)控制，轉(zhuǎn)6級時為偏北風(fēng)控制，這與1 000 hPa、925 hPa風(fēng)場風(fēng)向的變化有區(qū)別，分析其原因，一是4級轉(zhuǎn)6級發(fā)生日數(shù)少，二是空氣嚴重污染時，氣流的輻合高度偏低，形成在925 hPa及以下，空氣重污染的垂直高度低。

圖2 2013～2015年廊坊“突發(fā)”空氣重污染的1 000hPa平均風(fēng)場分布特征(左：重污染前08時；右：重污染日20時) 小箭頭：風(fēng)矢量；黑箭頭：主要風(fēng)向；細線：風(fēng)場輻合線Fig.2 The distribution characteristics of average wind field at 1 000 hPa of heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015

上述分析可見，盡管“突發(fā)”空氣重污染發(fā)生的季節(jié)、時間每年有差異，1 000 hPa、925 hPa、850 hPa三層的實際高度也各不相同，但轉(zhuǎn)空氣重污染的過程中大氣風(fēng)場的變化基本是一致的，空氣重污染前，1 000 hPa、925 hPa以及850 hPa高度基本為西北或偏西風(fēng)控制，形成空氣重污染時，各層風(fēng)向轉(zhuǎn)為以西南、東南或偏東風(fēng)控制為主，且常形成風(fēng)的輻合場。在1 000 hPa、925 hPa、850 hPa三層大氣風(fēng)場風(fēng)向變化不一致的條件下，以更低層1 000 hPa的風(fēng)場風(fēng)向變化為參考點。

4.3.2 風(fēng)速變化特征

同樣分別計算各級“突發(fā)”空氣重污染的1 000 hPa、925 hPa以及850 hPa平均風(fēng)場的風(fēng)速變化特征。并以廊坊市附近的格點值(115°E、40°N)為代表分析廊坊市1 000 hPa、925 hPa及850 hPa大氣風(fēng)場的平均風(fēng)速變化特征。結(jié)果表明：1 000 hPa，各級“突發(fā)”空氣重污染日平均風(fēng)速均有不同程度的減小，2級轉(zhuǎn)5級減小最大，達到1.7 m/s，3級轉(zhuǎn)6級次之，為0.5 m/s，3級轉(zhuǎn)5級最小，為0.07 m/s；925 hPa除4級轉(zhuǎn)5級為增大0.4 m/s外，其余均為風(fēng)速減小，減小最大為4級轉(zhuǎn)6級，達到2.7 m/s，其次2級轉(zhuǎn)5級達到2 m/s，最小3級轉(zhuǎn)5級，達到0.9 m/s；850 hPa除3級轉(zhuǎn)5級和4級轉(zhuǎn)5級外，平均風(fēng)速均為減小，其中4級轉(zhuǎn)6級減小最大，達到0.63 m/s，其次3級轉(zhuǎn)6級，達到0.56 m/s。從三層風(fēng)速變化看，4級轉(zhuǎn)6級、3級轉(zhuǎn)6級925 hPa、850 hPa平均風(fēng)速減小較其它等級明顯，且較1 000 hPa減小明顯；2級轉(zhuǎn)5級，3級轉(zhuǎn)5級，925 hPa、1 000 hPa風(fēng)速減小明顯，且較850 hPa減小明顯；4級轉(zhuǎn)5級只在1 000 hPa風(fēng)速減小。由此可見，除4級轉(zhuǎn)5級外，其余等級“突發(fā)”空氣重污染過程850 hPa、925 hPa、1 000 hPa存在二層或三層風(fēng)速均有不同程度減小的特征?？梢姟巴话l(fā)”空氣重污染的級差變化越大、污染程度越重，大氣的垂直變化越深厚。

此外，從各級“突發(fā)”空氣重污染的850 hPa、925 hPa、1 000 hPa平均風(fēng)場的U分量(負值為風(fēng)向自東向西，反之為正)見(表5)，850 hPa，空氣重污染前后均以西風(fēng)控制為主，3級轉(zhuǎn)6級、4級轉(zhuǎn)6級西風(fēng)風(fēng)速略有減小，其余等級西風(fēng)風(fēng)速略有增大；925 hPa，4級轉(zhuǎn)6級轉(zhuǎn)為東風(fēng)控制，其余以西風(fēng)控制為主，4級轉(zhuǎn)5級風(fēng)速略有增大，其余均減??；1 000 hPa，除4級轉(zhuǎn)5級外，其余均轉(zhuǎn)為東風(fēng)控制，且除3級轉(zhuǎn)5級、4級轉(zhuǎn)5級外，風(fēng)速均有減小。

從V分量(負值為風(fēng)向自北向南，反之為正)變化看，除4級轉(zhuǎn)6級外，其余等級850 hPa、925 hPa均表現(xiàn)為南風(fēng)風(fēng)速增加，在1 000 hPa均表現(xiàn)為北風(fēng)風(fēng)速較?。欢?級轉(zhuǎn)6級的過程在925 hPa、1 000 hPa表現(xiàn)為風(fēng)速減小，結(jié)合U分量變化，東風(fēng)控制層增加，輻合特征明顯。

綜合上述分析可以看出，在“突發(fā)”空氣重污染過程中，850 hPa、925 hPa、1 000 hPa伴有以北風(fēng)風(fēng)速減小、南風(fēng)風(fēng)速增加的變化特征，且“突發(fā)”空氣重污染的級差越大、污染程度越重，大氣的垂直變化越深厚。

表5 2013～2015年廊坊“突發(fā)”空氣重污染的高空風(fēng)速V分量分布特征Tab.5 The V component distribution characteristics of upper wind speed of “sudden” heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015 (m/s)

5 結(jié)論與討論

5.1 廊坊市“突發(fā)”空氣重污染時，因污染程度變化的差異可分為5個等級，其中3級轉(zhuǎn)6級AQI變化最大，平均變化值達227，4級轉(zhuǎn)5級最小為75。

5.2 “突發(fā)”空氣重污染過程中，地面風(fēng)向風(fēng)速均有明顯變化，風(fēng)向以偏北風(fēng)控制時間長比例下降，靜風(fēng)、偏南風(fēng)至偏西風(fēng)(SW/SSW/WSW/W)、偏東風(fēng)(E/ENE/ESE/SE)及其控制時間長比例增加；除4級轉(zhuǎn)5級外，地面平均風(fēng)速均有不同程度下降，以2級轉(zhuǎn)5級下降幅度最大，平均達0.6 m/s·d。

5.3 空氣重污染前，1 000 hPa、925 hPa以及850 hPa高度基本為西北或偏西風(fēng)控制，形成空氣重污染時，各層風(fēng)向轉(zhuǎn)為以西南、東南或偏東風(fēng)控制為主，或者形成風(fēng)的輻合場。在1 000 hPa、925 hPa、850 hPa三層大氣風(fēng)場風(fēng)向變化不一致的條件下，以更低層1 000 hPa的風(fēng)場風(fēng)向變化為參考點。

5.4 在“突發(fā)”空氣重污染過程中，850 hPa、925 hPa、1 000 hPa伴有以北風(fēng)風(fēng)速減小、南風(fēng)風(fēng)速增加的變化特征，且“突發(fā)”空氣重污染的級差變化越大、污染程度越重，大氣的垂直變化越深厚。