徐文迪，趙茹儀，白艷嬌，安惠文

(天津市寶坻區(qū)氣象局 天津 301800)

0 引 言

隨著我國居民生活水平逐步提高，其對空氣質(zhì)量問題的關(guān)注度不斷提升。目前，我國的空氣污染問題呈現(xiàn)明顯的區(qū)域化特征，區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間的傳輸也成為治理的重要難題之一[1]。華北地區(qū)是我國爆發(fā)空氣污染天氣的高發(fā)區(qū)[2]，綜合近年研究，重污染天氣發(fā)生，排放是內(nèi)因[3]，氣象是外因[4]，靜穩(wěn)天氣[5]、高相對濕度[6]、小風速[7]、大氣層結(jié)穩(wěn)定[8]和弱氣壓場[9]都可以誘發(fā)重污染天氣的發(fā)生。能見度的高低變化是判斷空氣污染的一個重要標志，在以能見度判斷空氣污染天氣時，還需要扣除沙塵和降水等導致視程障礙天氣的影響[10]。

風廓線雷達是一種新型的測風雷達，通過多普勒頻移速度探測值合并求出某地上空的三維風場，連續(xù)提供測站上空各種氣象要素隨高度變化的分布情況，具有時空分辨率高、連續(xù)性和實用性好的特點[11]，在預報中發(fā)揮著重要作用。

劉超等[12]利用風廓線雷達資料等對北京地區(qū)2018年3月26～29日空氣污染過程進行分析，得出霾主要影響時段邊界層內(nèi)以西南風為主。王開燕等[13]利用風廓線雷達資料對廣州南沙2008年7月～2010年 6月的灰霾日進行了分析，得出風速對灰霾的出現(xiàn)與否起著重要作用。黃俊等[14]利用風廓線雷達資料等分析廣州地區(qū)2017年1月上旬的一次持續(xù)時間長的重污染天氣過程，得出近地面小風層對重污染天氣的維持起到一定作用。徐桂榮等[15]利用風廓線雷達分析宜昌的大氣邊界層溫度、濕度的結(jié)構(gòu)及其日變化的特點。目前對風廓線雷達研究和使用主要集中在降水方面，用在環(huán)境監(jiān)控預報上較少。

1 資料選取

選取天津市寶坻區(qū)國家基本氣象站(39°43′44″N，117°16′43″E)2016 年 1 月～2018 年12月地面觀測資料，計算能見度數(shù)據(jù)與其他各項氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系。

選取天津地區(qū)一次重污染天氣過程，利用風廓線數(shù)據(jù)反演風場特征，分析重污染天氣變化過程中的天氣成因。

2 能見度與氣象要素的相關(guān)性

根據(jù)天津市寶坻區(qū)2016年1月～2018年12月的地面觀測資料，計算能見度與各要素之間的相關(guān)系數(shù)。為了便于分析能見度與各氣象要素間的關(guān)系，把因降水、大風等原因造成能見度降低的情況排除。

計算結(jié)果如表1。地面觀測資料中的風速與能見度的相關(guān)性較好，說明風場的時空變化對大氣污染物擴散和傳輸有著重要影響，但相關(guān)系數(shù)并不高。這是因為觀測資料中的風速是 10m 高空的風速，而污染天氣的出現(xiàn)和發(fā)展都與對流層有密切關(guān)系，對流層高度較高時更有利于大氣污染物垂直方向上湍流交換。因此，在考慮污染天氣時，只應(yīng)用地面常規(guī)觀測資料是不夠的，而風廓線雷達可以探測地面到高空5000m風場特征，彌補了常規(guī)地面觀測的不足。

表1 2016年1月至2018年12月能見度和地面氣象要素間的相關(guān)性分析Tab.1 Correlation analysis between visibility and surface meteorological factors from January 2016 to December 2018

3 一次重污染天氣過程分析

3.1 實例概述

2019年 2月 21日 12∶00起，天津市政府啟動重污染天氣橙色預警，2019年 2月 25日 14∶00予以解除。2月18～24日天津地區(qū)氣溫逐漸回暖，升溫過程中冷空氣活動較弱，地面平均風速 1.48m/s，京津冀地區(qū)多受弱高壓控制，下沉氣流抑制污染物垂直擴散。受小風、高濕、逆溫、下沉氣流和區(qū)域輸送等不利氣象條件影響，18～24日大氣擴散條件較差，出現(xiàn)中度污染2d，重度污染3d，輕度污染1d。

3.2 形勢背景

從圖1、圖2可知，此次過程主要受弱高壓的控制，20日夜間地面風場轉(zhuǎn)為西南風，靜穩(wěn)天氣逐步建立，受西南風影響，河北中南部等上游地區(qū)污染物向北回流輸送影響天津地區(qū)，有利于污染物快速積累，致使出現(xiàn)低能見度天氣現(xiàn)象，由于大氣垂直擴散條件的不利，且本身弱高壓系統(tǒng)也不利水平擴散；21日夜間地面風速減小，維持西南風 1～2級，近地面相對濕度增加，大氣擴散條件不利，空氣質(zhì)量維持在重度污染水平；22日仍受弱高壓控制，地面逐漸轉(zhuǎn)為弱偏北風，水平風場較弱，白天大部分時間段空氣質(zhì)量維持嚴重污染水平；23日上午，高空淺槽過境，空氣質(zhì)量變化較大，上午地面風場轉(zhuǎn)為西南風，河北中南部等上游地區(qū)的污染物向北輸送，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)差，達到中度污染；23日夜間高空環(huán)流轉(zhuǎn)平，地面轉(zhuǎn)為均壓場控制，且風速有所減小，空氣質(zhì)量開始逐漸轉(zhuǎn)差；24日白天弱冷空氣緩慢南下影響京津冀地區(qū)，上午北京、廊坊、唐山等北部地區(qū)地面風場轉(zhuǎn)為偏北風，空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，天津地區(qū)地面風場自北向南逐漸轉(zhuǎn)為偏北風，出現(xiàn)地面輻合風場，24日下午地面風場轉(zhuǎn)為偏北風 2～3級，大氣擴散條件改善，空氣質(zhì)量開始緩慢好轉(zhuǎn)，但由于風速較小，污染物濃度下降緩慢，空氣質(zhì)量仍達到重度污染水平，夜間地面風場轉(zhuǎn)為偏東風，空氣質(zhì)量持續(xù)改善，以良(輕度污染)為主；25日白天地面風場維持偏東風，且風速增加至3～4級，空氣質(zhì)量進一步轉(zhuǎn)好至優(yōu)良水平，污染物過程結(jié)束。

3.3 地面能見度和顆粒物濃度資料

根據(jù)此次天氣過程，現(xiàn)將 21～25日的能見度和PM2.5、PM10變化情況進行分析。如圖3和圖4所示，2月 21日 17∶00起測站能見度為下降到 10000m以下，PM2.5、PM10濃度分別維持在 100、200μg/m3以上，受弱風場、上游輸送、下沉氣流抑制以及大氣垂直擴散條件不利的共同影響，能見度逐漸下降，PM2.5、PM10濃度逐漸升高，22日白天達到此次重污染過程的峰值，能見度下降到 1000m 以下，PM2.5、PM10濃度分別達到 274.5、411.9μg/m3，直至 25日08∶00冷空氣到來，大氣擴散條件改善，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好至優(yōu)良水平，污染物過程結(jié)束。

圖1 2019年2月20～25日08:00地面氣壓場Fig.1 Ground pressure field at 08：00on February from 20 to 25, 2019

圖2 2019年2月20～24日08:00地面風場Fig.2 Ground wind field at 08：00 on February from 20 to 24, 2019

圖3 2019年2月21～25日能見度變化情況Fig.3 Visibility changes on February from 21 to 25, 2019

圖4 2019年2月21～25日PM2.5和PM10變化情況Fig.4 Changes in PM2.5 and PM10 on February from 21 to 25, 2019

3.4 溫度廓線資料

如圖5所示，從 21～25日的溫度廓線資料中發(fā)現(xiàn)，在此次重污染天氣過程中，近地均存在明顯的逆溫層，最強時達到每百米相差 2.0℃，晴空和氣溫回暖均有利于逆溫形成和長時間逆溫維持，逆溫層的出現(xiàn)使得污染物始終在近地面積累。每日入夜后地面風速減小，近地面相對濕度增加，加快逆溫層快速建立，大氣擴散條件不利，中午前后隨著逆溫層瓦解，大氣邊界層升高，地面風速有所增加，大氣擴散條件略有改善。

圖5 2019年2月21～25日溫度隨高度變化情況Fig.5 Temperature change with height on February from 21 to 25, 2019

3.5 風廓線水平風場資料

從 21～25日的水平風廓線資料中發(fā)現(xiàn)，如圖6所示，隨著靜穩(wěn)天氣建立，21日 1000m以下近地面風場轉(zhuǎn)為西南風，各高度層的風速均在 5m/s以下，地面能見度逐漸轉(zhuǎn)差，達到中度污染水平并伴有中度霾，入夜后地面風速繼續(xù)減小，伴隨地面相對濕度增加，出現(xiàn)了能見度小于 1000m 的大霧天氣，且入夜后逆溫層快速建立，大氣擴散條件不利，空氣質(zhì)量進一步下降；22日白天隨著弱冷空氣影響天津，測站上空 1000m以上出現(xiàn)弱的東北風，伴隨風力向下傳導，且風向由弱北風向東風轉(zhuǎn)變，存在氣流滯留，受弱風場、上游輸送、下沉氣流抑制以及大氣垂直擴散條件不利的共同影響，22日白天達到此次重污染過程的峰值；23日上午，天津地區(qū)高空淺槽過境，各高度層均出現(xiàn)風速在 5m/s左右的西南風，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)差，達到中度污染；24日白天弱冷空氣緩慢南下影響京津冀地區(qū)，08∶00時 1000m 以上出現(xiàn)弱的偏北風，由于冷空氣移動緩慢，24日上午始終處于輻合風場影響下，有利于污染物積累聚集，同時受上游地區(qū)輸送影響，空氣質(zhì)量進一步轉(zhuǎn)差，出現(xiàn)短時嚴重污染，24日下午地面風場轉(zhuǎn)為偏北風 2～3級，大氣擴散條件改善，空氣質(zhì)量開始緩慢好轉(zhuǎn)，但由于風速較小，污染物濃度下降緩慢，空氣質(zhì)量仍達到重度污染水平，夜間地面風場轉(zhuǎn)為偏東風，空氣質(zhì)量持續(xù)改善，以良(輕度污染)為主；25日白天地面風場維持偏東風，且風速增大至 3～4級，空氣質(zhì)量進一步轉(zhuǎn)好至優(yōu)良水平，污染物過程結(jié)束。

從整個過程來看，污染天氣的變化主要受高空500～1500m 風場的影響，當高空風速較大時，擴散條件有利，不易出現(xiàn)污染天氣，地面能見度較好；當風速持續(xù)較小時，易出現(xiàn)污染天氣。風廓線雷達探測風場具有實時性，能較好地反映高空風場的變化，較好地反映出本地區(qū)的大氣擴散條件的變化，為環(huán)境預報提供依據(jù)。

3.6 風廓線垂直速度資料

風廓線雷達不僅能反映高空水平風場的變化，還能獲取垂直風速的數(shù)據(jù)，如圖7所示，從 21～25日風廓線垂直風場資料中發(fā)現(xiàn)，受靜穩(wěn)天氣系統(tǒng)的影響，各層的垂直風速均很小，接近于 0m/s。結(jié)合地面能見度和顆粒物的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，在能見度降低和顆粒物升高之前，在500m以下的近地面層會出現(xiàn)速度為正的垂直速度，表明此刻上升氣流明顯，大氣垂直上升運動會使近地面較容易出現(xiàn)輻合區(qū)，形成小尺度的局地環(huán)流，周邊的污染物容易聚集堆積，從而加重空氣污染。

圖6 2019年2月21～25日風廓線水平風場(世界時)Fig.6 Wind profiling horizontal wind field on February from 21 to 25, 2019(World Time)

圖7 2019年2月21～25日風廓線垂直風場(世界時)Fig.7 Wind profiling vertical wind field on February from 21 to 25, 2019(World Time)

4 結(jié)果與討論

①在排除沙塵和降水等對能見度的影響后，常規(guī)氣象要素中的風速和能見度呈正相關(guān)，對大氣的變化存在一定的指示作用。

②此次過程是天津地區(qū)典型的北部弱高壓的污染類型，小風、高濕、逆溫、下沉氣流和區(qū)域輸送是重污染天氣形成的關(guān)鍵，其中，高空水平風速的變化情況和污染天氣的發(fā)展密切相關(guān)，當水平風速小于5m/s，且持續(xù)時間較長時，大氣擴散條件轉(zhuǎn)差，就可能導致重度污染天氣。

③風廓線雷達可實時反映高空風場的變化情況，進而判斷污染物的輸送途徑和擴散方向，為開展環(huán)境監(jiān)測預報提供依據(jù)。

④利用風廓線垂直速度資料，判斷是否存在上升氣流，當上升氣流明顯時，近地面容易出現(xiàn)輻合區(qū)，形成小尺度局地環(huán)流，造成污染物集聚，易出現(xiàn)污染天氣。