許敏，李江波，周玉都，張紹恢

1.河北省廊坊市氣象局 2.河北省氣象臺

伴隨著霧、霾天氣的出現(xiàn)，大量極細干塵粒等均勻浮游在空中，使能見度減小、空氣質(zhì)量下降，也給交通安全和人體健康帶來了嚴重的威脅。為此，國內(nèi)外許多從事氣象和環(huán)保的科技人員從氣象條件入手，分析促使霧、霾形成或利于其消散的天氣形勢、氣溫、風(fēng)向風(fēng)速、混合層高度等[1-7]。

2012年秋冬季開始，華北地區(qū)的大氣污染有加重趨勢，尤其是圍繞首都的河北省，11個地市有超過半數(shù)空氣質(zhì)量位列全國倒數(shù)前十，為此，中央氣象臺、北京市氣象局和河北省氣象局的專家加大了對霧、霾以及重污染天氣氣象條件的研究力度。如花叢等[8]認為在霧、霾天氣下，華北地區(qū)3個代表站中北京的主導(dǎo)風(fēng)為偏東風(fēng)和西南風(fēng)，太原西風(fēng)占比高，而石家莊無明顯主導(dǎo)風(fēng)向；馬翠平等[9]對持續(xù)性大霧進行分析，認為在大霧維持加強期間，邊界層風(fēng)速為1～2 m/s，當(dāng)4 m/s以上的西北風(fēng)速由邊界層下傳至地面時，大霧結(jié)束。一些學(xué)者從重污染天氣的角度出發(fā)，研究了氣象要素對污染形成和消散的作用。如李德平等[10]認為風(fēng)向是造成北京三級以上污染的主要原因之一；齊佳慧等[11]通過對連續(xù)重污染天氣的分析，得出了地面風(fēng)場輻合、強的逆溫、高濕和靜小風(fēng)是維持重污染天氣的關(guān)鍵，其中風(fēng)速小于3 m/s的小風(fēng)日數(shù)占比達到85%；廖曉農(nóng)等[12]證實了氣溶膠會以“城市煙羽”傳播到下游，因此北京市對流層底層維持西南風(fēng)或東南風(fēng)時，污染會明顯加重。還有一些學(xué)者通過集合模擬和聚類分析對污染期間的氣團后向軌跡進行模擬。如滑申冰等[13]研究發(fā)現(xiàn)，北京市重污染天氣期間，氣團主要來自西北方向，其中26%和30%的概率來自新疆和內(nèi)蒙古地區(qū)，另有20%的氣團來自西南方向的華北地區(qū)；而王冠嵐等[14]分析認為，2014年京津冀地區(qū)的3個代表城市張家口、北京和石家莊的首要污染物均以本地形成為主。另外一些研究表明，混合層高度越低，越不利于污染物擴散，其高度的降低與污染物濃度升高同步出現(xiàn)，邊界層南風(fēng)風(fēng)量增厚和地面輻合線的維持是PM2.5濃度爆發(fā)性增長的重要條件[15-16]。雖然多項研究涉及到了地面或邊界層風(fēng)對霧、霾的影響，但大多對風(fēng)的分析只是眾多氣象因素中的一個方面，尤其是對垂直方向上風(fēng)的特征分析較少，而專門針對霧、霾與重污染共存，以及此種天氣條件下風(fēng)場差異的研究較為鮮見。

廊坊市地處華北平原中部、京津兩大城市之間，地理位置十分重要，同時也是霧、霾多發(fā)的區(qū)域，加之京津冀地區(qū)下墊面特性復(fù)雜各異，許多研究成果很難直接運用于本地，因此，必須嘗試結(jié)合常規(guī)和新型探測資料，從風(fēng)場變化和差異角度進行分析研究，以期獲得對霧、霾和重污染物天氣形成及維持條件的新認知。

1 資料來源與研究方法

2015—2018年霧、霾和地面風(fēng)場資料來源于國家氣象站觀測數(shù)據(jù)，天氣形勢采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)逐6 h再分析資料(1°×1°)，風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)來自河北省廊坊市大廠回族自治縣(簡稱大廠縣，116°56′47″E，39°54′45″N)風(fēng)廓線雷達(CFL-03ZC)。大廠縣地處華北平原北部，與北京市東部通州區(qū)接壤，其風(fēng)廓線雷達于2014年11月建成并投入運行，有效彌補了河北省中部探空資料低時空密度的不足，為多種天氣的分析與預(yù)報研究提供了高精度的風(fēng)場資料。

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于廊坊市區(qū)及8個縣(市)環(huán)境監(jiān)測站，根據(jù)HJ 633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》[17]，重污染天氣選取標(biāo)準為AQI>200，且該日氣象觀測站記錄為霧日或霾日。具體觀測標(biāo)準：該日任意一時次觀測到能見度小于1 000 m記錄為1個霧日[18]；根據(jù)QX/T 113—2010《霾的觀測和預(yù)報等級》[19]，結(jié)合河北省氣象局現(xiàn)行的霾觀測標(biāo)準，即排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、吹雪、雪暴、煙幕等影響的天氣現(xiàn)象后，該日連續(xù)6 h及以上觀測能見度小于10 000 m，且相對濕度小于65%，記錄為1個霾日。

2 霧、霾分布與重污染天氣的關(guān)系

2015—2018年廊坊市霧、霾年均日數(shù)分別為31和47 d，其空間分布見圖1。從圖1可以看出，市區(qū)霧日最少，僅有17 d，香河縣最多，達到47 d，比排在第二位的文安縣多4 d，南北各出現(xiàn)一個霧的高發(fā)地區(qū)，以其為中心向周邊減少。霾日的分布特點基本為中部較多，向北和南減少，其中排在前三位的永清縣、三河市和大城縣霾日超過50 d，最多的永清縣達65 d，比最少的香河縣多29 d。

圖1 廊坊市霧、霾年均日數(shù)的空間分布Fig.1 Spatial distribution of annual average days of fog and haze in Langfang

圖2為廊坊市各縣(市)霧日和霾日的逐月分布。從圖2可以看出，各月均有霧發(fā)生，2—8月月均霧日數(shù)均在1.5 d以下，最少的3月僅有0.6 d；9月開始呈明顯增長趨勢，月均霧日數(shù)增至3.4 d；10月達到全年之最，為6.6 d，其中最多的香河縣為11.3 d；次年1月，月均霧日數(shù)基本維持在4～6 d；2月開始迅速減少。5—9月是霾發(fā)生較少的時段，尤其是8月，僅廊坊市區(qū)出現(xiàn)平均不足1 d的霾日，其余縣(市)均無霾現(xiàn)象發(fā)生；10月開始月均霾日數(shù)持續(xù)增加；次年1月達到峰值，為10.1 d；此后開始回落，4月減少至3.1 d。

圖2 廊坊市各縣(市)霧日和霾日逐月分布Fig.2 Distribution of fog and haze days month by month for each country (city)in Langfang

當(dāng)霧或霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)時，多數(shù)無明顯冷平流，大氣呈現(xiàn)擴散能力弱的靜穩(wěn)天氣形勢，加之低層有逆溫層結(jié)的存在，極有可能導(dǎo)致污染物的進一步積聚，使得空氣質(zhì)量達到重度及以上污染程度[7,20-21]。2015年為廊坊市近年來霾較重的年份，年均霾日數(shù)達52.3 d，因此，以該年份的大廠縣為例，分析重污染天氣時氣象要素風(fēng)的變化特征。2015年大廠縣有76 d出現(xiàn)了AQI超過200的重污染天氣，其逐月分布情況見圖3。從圖3可以看出，1—2月和11—12月是重污染天氣爆發(fā)的時段，其他月份出現(xiàn)日數(shù)相對較少，但在6—8月降水最集中的汛期時段仍出現(xiàn)了共計12 d的重污染天氣，總體變化趨勢是冬季高發(fā)，春季開始減少，進入秋末后又呈爆發(fā)式增長。

圖3 2015年大廠縣AQI超過200的重污染天氣日數(shù)逐月分布Fig.3 Monthly distribution of heavy pollution days with AQI over 200 in Dachang County in 2015

進一步分析霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200的重污染天氣日數(shù)的逐月分布特征，結(jié)果見表1。從表1可以看出，1—3月和9—12月，當(dāng)有霧出現(xiàn)時均有重污染天氣出現(xiàn)，且2月、3月和10—12月霧出現(xiàn)時重污染日數(shù)均達到或超過了50%，11月和12月霧日數(shù)共19 d，其中有16 d的AQI超過200。在全年76 d重污染天氣中，霧日和霾日數(shù)分別達到了24和31 d，共占72.4%?？梢?，在霧、霾天氣發(fā)生的背景下，空氣質(zhì)量達到重度污染的概率整體較高，霧和霾與重污染天氣有著密切聯(lián)系。

表1 2015年大廠縣霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200的重污染天氣日數(shù)的逐月分布特征Table 1 Monthly distribution of heavy pollution days with fog or haze and AQI over 200 in Dachang County in 2015

3 重污染天氣時霧、霾天氣的風(fēng)場特征

3.1 地面氣象要素特征

霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時，地面氣象要素特征見表2。從表2可以看出，當(dāng)出現(xiàn)霧時，AQI均值接近300，較霾時高43；平均能見度較霾時偏低1.5 km，霧時平均最小能見度僅為0.3 km，而霾時可達到1.6 km；霧時平均風(fēng)速為1.1 ms，較霾時偏低0.5 ms；霧和霾出現(xiàn)時地面主導(dǎo)風(fēng)向分別為東南風(fēng)和東南偏東風(fēng)，也就是說在未出現(xiàn)降水時，濕度越大，風(fēng)速越小越有利于霧的形成，能見度相應(yīng)越小，污染程度加劇。

表2 2015年大廠縣AQI超過200的重污染天氣時霧日和霾日的地面氣象要素特征Table 2 Features of surface meteorological elements on fog or haze days with AQI over 200 in Dachang County in 2015

圖4為霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時風(fēng)向頻率統(tǒng)計。從圖4可以看出，能見度不足1 km的霧出現(xiàn)時，靜風(fēng)所占頻率最大，為20.4%；當(dāng)風(fēng)速達到0.3 m/s以上(即1級及以上風(fēng)力)時，東南風(fēng)出現(xiàn)頻率顯著增加，其次是西南偏西風(fēng)；當(dāng)能見度為1～10 km的霾發(fā)生時，靜風(fēng)出現(xiàn)頻率銳減，東南偏東風(fēng)出現(xiàn)頻率則大幅上升，達21.2%，并且比其他風(fēng)向出現(xiàn)頻率有明顯優(yōu)勢?？傮w而言，較小的風(fēng)速是霧或霾發(fā)生的必要條件，風(fēng)速越小越利于霧的形成，而東南風(fēng)最易導(dǎo)致霧、霾出現(xiàn)，使能見度降低，此時大氣水平和垂直方向的擴散能力都非常弱，從而使污染物積聚，空氣質(zhì)量嚴重下降，達到重度污染。

圖4 2015年大廠縣霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時風(fēng)向頻率統(tǒng)計Fig.4 Wind frequency statistics of fog or haze weather with AQI over 200 in Dachang County in 2015

3.2 風(fēng)速垂直分布特征

當(dāng)霾發(fā)生時，大氣污染物主要聚集在邊界層內(nèi)，因此850 hPa(約地面以上1 500 m高度)以下大氣風(fēng)場變化特征對污染物的積聚或擴散清除起至關(guān)重要的作用。2015年大廠縣霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時平均風(fēng)速垂直分布見圖5。從圖5可以看出，在1 560 m以下的風(fēng)場中，觀測到霧或霾時都出現(xiàn)了一個小風(fēng)速層，即隨著高度上升到某一層次時風(fēng)速突然減小，隨后又逐漸增大，霧發(fā)生時這一高度約為1 000 m，霾發(fā)生時約為700 m；雖然風(fēng)速廓線的形態(tài)較為相似，但2種天氣現(xiàn)象發(fā)生時風(fēng)速仍有較大的差異，整體而言出現(xiàn)霾時風(fēng)速普遍大于霧時，在1 560 m處分別達到5.9和3.7 m/s，在120 m處分別為1.1和0.7 m/s；500 m高度以下，霧時風(fēng)速僅為0.7～1.8 m/s，霾時可達到1.1～3.8 m/s，在小風(fēng)速層以上，霾時風(fēng)速增幅明顯大于霧時。可見，當(dāng)出現(xiàn)上述形態(tài)風(fēng)速廓線時，近地層空氣污染物不易擴散，而風(fēng)速越小，增濕越顯著，即出現(xiàn)能見度小于1 km的霧的概率越大，同時由低層到高層風(fēng)速增幅越小，擴散條件越差。

進一步分析風(fēng)向特征，霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時垂直風(fēng)向頻率分布見圖6。從圖6可以看出，霧發(fā)生時，1 560 m以下沿順時針方向南風(fēng)至北風(fēng)整體出現(xiàn)頻率高于北風(fēng)至南風(fēng)，尤其是西南偏西風(fēng)和西南風(fēng)出現(xiàn)頻率為30%，從低層到高層出現(xiàn)頻率呈上升趨勢，且西南偏西風(fēng)增幅最明顯；霾出現(xiàn)時，低空風(fēng)場風(fēng)向表現(xiàn)出與霧不同的特征，以東北風(fēng)出現(xiàn)頻率最大，整體上南風(fēng)至北風(fēng)出現(xiàn)頻率較小。可見，西南風(fēng)有更明顯的增濕作用，同時有助于逆溫的加強和維持，使能見度下降的同時進一步加重了污染物的累積，而東北風(fēng)的出現(xiàn)則更有利于霾天氣的形成，使空氣質(zhì)量維持在較差水平。

圖6 2015年大廠縣霧或霾出現(xiàn)且AQI超過200時垂直風(fēng)向頻率Fig.6 Frequency of vertical wind direction in fog or haze weather with AQI over 200 in Dachang County in 2015

3.3 典型持續(xù)性重污染、大霧天氣過程分析

受典型靜穩(wěn)天氣形勢控制，2015年12月20—26日，廊坊市出現(xiàn)了全年持續(xù)時間最長的大霧天氣過程，多個時段能見度不足100 m，同時AQI維持在200以上。

3.3.1地面氣象要素特征

地面風(fēng)速、相對濕度等氣象要素的變化對能見度下降、空氣污染加重有著直接的影響，12月20—26日上述氣象要素的逐小時分布見圖7。從圖7可以看出，該過程中，地面風(fēng)速普遍在3 m/s以下，大多時段不足1.6 m/s，一級或靜風(fēng)的情況居多；相對濕度普遍為80%～100%，多數(shù)時段維持在90%左右。20日17:00—20:00、21日12:00—18:00和23日12:00—19:00 3個時段內(nèi)，相對濕度降至80%以下，能見度均增至1 km以上，AQI維持前期水平或有所下降，其中23日中午至傍晚時段相對濕度甚至降至30%～50%，此時最大能見度達到14 km，AQI在3 h內(nèi)由435降至105；入夜后相對濕度明顯增大，能見度也陡降至1 km左右，此外，風(fēng)速的略微增大對降濕和能見度轉(zhuǎn)好也起到了一定積極作用。綜上可見，相對濕度與能見度呈明顯的反相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速維持在2 m/s以下時，能見度維持在較低水平，不利于空氣污染物的稀釋、擴散和清除；相對濕度下降，部分時段風(fēng)速達到3 m/s時，能見度增大，空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，但這種情況多發(fā)生于午后至傍晚氣溫上升的短暫時段內(nèi)，入夜后，如無明顯冷空氣南下影響，霧和重污染狀況將迅速加重。

圖7 2015年12月20—26日大廠縣能見度、風(fēng)速、相對濕度和AQI逐小時分布Fig.7 Hourly distribution of visibility,wind speed,relative humidity and AQI in Dachang County during December 20 to 26,2015

圖8為該次天氣過程中的地面風(fēng)向頻率分布。由圖8可見，該天氣過程中，風(fēng)速為0.3～1.6 m/s的一級風(fēng)出現(xiàn)頻率最大，為62.8%，其中東南風(fēng)和北風(fēng)居多，南風(fēng)和西北風(fēng)較少；其次是靜風(fēng)，頻率為26.9%；二級風(fēng)出現(xiàn)頻率約為10.0%，無三級及上風(fēng)力出現(xiàn)。

圖8 2015年12月20—26日大廠縣地面風(fēng)向頻率Fig.8 Wind direction frequency in Dachang County during December 20 to 26,2015

3.3.2風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)特征

12月22—23日的大廠縣風(fēng)廓線和逐3 h風(fēng)速垂直廓線見圖9和圖10。從圖9和圖10可以看出，22日12:00，500～1 500 m高度上西南風(fēng)風(fēng)速增大，1 000 m高度最大風(fēng)速達5.4 m/s，但因其僅維持了約3 h，能見度并未明顯好轉(zhuǎn)，始終在1 000 m左右，同時，90%以上的相對濕度也使得空氣污染狀況未得到有效改善，AQI維持在300以上；23日02:00，2 000 m以下風(fēng)速變化較小，維持小風(fēng)，此后AQI出現(xiàn)一定幅度下降，從02:00的415降至08:00的286?？梢?，當(dāng)1 500 m以下主導(dǎo)風(fēng)為5 m/s左右的西南風(fēng)時，會使AQI呈現(xiàn)波動下降趨勢；若2 000～3 000 m高度(850～700 hPa)風(fēng)速增大，但仍在10 m/s以下，且維持6～8 h后，AQI會出現(xiàn)短暫小幅下降；一旦風(fēng)速減小，污染會立即加重，即2 000～3 000 m高度6～10 m/s的偏西風(fēng)對地面污染物的輕微稀釋擴散有一定滯后效應(yīng)，且擴散作用短暫而有限；1 000～2 000 m高度出現(xiàn)西北風(fēng)并持續(xù)4 h后，AQI迅速降低，直至達到良好水平；此后3 000 m以下風(fēng)速基本都維持在2 m/s以下，污染物濃度呈爆發(fā)式增長。

圖9 2015年12月22—23日大廠縣風(fēng)廓線Fig.9 Wind profile chart in Dachang County during December 22 to 23,2015

圖10 2015年12月22—23日逐3 h水平風(fēng)速垂直廓線Fig.10 Vertical profile of the horizontal wind speed by 3 hours during December 22 to 23,2015

為了進一步分析低空垂直風(fēng)切變對污染物擴散的影響，引入低空風(fēng)切變指數(shù)(I)，其計算公式為：

I=VS/ΔH

式中：VS為1 000 m高度以下的最大垂直風(fēng)切變；ΔH為2個風(fēng)矢量間的高度，本研究取60 m[22]。

12月22—23日低空風(fēng)切變指數(shù)隨時間的變化見圖11。從圖11可以看出，在23日14:00前，低空風(fēng)切變指數(shù)始終維持在2.0×10-4s-1以上，而與之對應(yīng)的AQI均達到了200以上(圖7)，13:00風(fēng)切變指數(shù)達到最大，為8.6×10-4s-1，此時AQI為401，接近于同期最大值。由此可見，低空風(fēng)切變指數(shù)與污染物的積聚有著密切關(guān)系，其值越大，污染物濃度越大，反之風(fēng)切變減弱則有利于污染物的擴散。

圖11 2015年12月22—23日低空風(fēng)切變指數(shù)隨時間的變化Fig.11 Variation of low-altitude windshear index with time during December 22 to 23, 2015

該次天氣過程中風(fēng)速隨高度的變化見圖12。從圖12可以看出，在1 560 m(約850 hPa)以下，除最高層和720 m高度平均風(fēng)速為2.1 m/s，其他各層均不足2 m/s，尤其是120～600 m高度之間風(fēng)速均小于1.6 m/s，且隨高度降低風(fēng)速減小，到120 m高度風(fēng)速降至0.5 m/s左右。

4 結(jié)論

(1)廊坊市霧和霾的年均日數(shù)分別為31和47 d，空間分布存在差異，北部和南部地區(qū)霧高發(fā)，中部地區(qū)霾更顯著。霧和霾發(fā)生最多的月份分別為10月和1月，霾集中于秋冬季爆發(fā)，區(qū)域性霧全年均可發(fā)生，以9月—次年1月高發(fā)。

(2)在AQI超過200的空氣質(zhì)量背景下，出現(xiàn)霧時的AQI較霾偏高43，地面平均風(fēng)速偏低0.5 m/s，觀測到霾時平均相對濕度為56.4%，當(dāng)相對濕度升至82.4%時，天氣現(xiàn)象轉(zhuǎn)為霧，平均能見度會繼續(xù)下降1.5 km左右。霧時地面以靜風(fēng)和東南風(fēng)為主，霾時多為東南偏東風(fēng)。

(3)出現(xiàn)霧或霾且AQI超過200時，1 560 m以下低空風(fēng)速廓線的共同特征是700～1 000 m從低到高均出現(xiàn)了風(fēng)速突然減小的現(xiàn)象，之后隨高度增加風(fēng)速會逐漸增大，即存在一個相對小風(fēng)速層，但出現(xiàn)霧時風(fēng)速為0.7～3.7 m/s，出現(xiàn)霾時可達到1.1～5.9 m/s。

(4)最易造成霧的重污染天氣低空風(fēng)向為西南偏西風(fēng)，最易造成霾的重污染天氣低空風(fēng)向為東北風(fēng)。3 000 m以下風(fēng)速增至6～10 m/s時，對地面污染物擴散有一定的有利影響，西北風(fēng)風(fēng)速越大，所在高度越低，擴散作用越明顯；低空風(fēng)切變指數(shù)越大，污染物越容易積聚，即擴散條件越差。