閆小利， 葉 東， 牛廣山， 尹金娟， 徐林浩

(1.焦作市氣象局，河南 焦作 454003； 2.新鄉(xiāng)市氣象局，河南 新鄉(xiāng) 453000)

引 言

近年來(lái)污染物排放量持續(xù)增加，空氣質(zhì)量惡化，給人體健康帶來(lái)較大危害，大氣環(huán)境問(wèn)題日益受到關(guān)注。劉新超等[1]分析了大氣污染對(duì)兒童呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病的影響，發(fā)現(xiàn)大氣污染對(duì)下呼吸和上呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病均有影響，但有一定的滯后性。呂明輝等[2]分析指出，因環(huán)境問(wèn)題北京市每年健康人口損失數(shù)為113～226人，健康經(jīng)濟(jì)損失值達(dá)0.9～1.8億元。

空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)是描述空氣清潔或者污染程度的參數(shù)，其中對(duì)人體危害最大的污染物為PM2.5和PM10等可吸入顆粒物。張慧琳[3]、崔金夢(mèng)[4]、孫丹丹[5]等對(duì)其時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)兩種顆粒物濃度均是冬季的最高，春秋的次之，夏季的最低。高媛[6]、李二杰[7]、董春卿[8]等分析發(fā)現(xiàn)，在冬季，氣溫低，穩(wěn)定的大氣層結(jié)比例最高，凌晨時(shí)分由于輻射降溫，近地層易產(chǎn)生強(qiáng)逆溫層，氣象條件十分有利于污染物在近地層的集聚，因此冬季污染天氣發(fā)生的概率最高。

重污染天氣的發(fā)生與否還取決于氣象因素及污染物傳輸過(guò)程。氣象因素包括天氣形勢(shì)、風(fēng)速、邊界層高度、逆溫、相對(duì)濕度等。王瓊[9]、喻謙花[10]等根據(jù)500 hPa天氣形勢(shì)將其分為平直緯向環(huán)流型、低槽型和西北氣流型，地面氣壓場(chǎng)形勢(shì)分為高壓前部型、均壓場(chǎng)型、倒槽型和東高西低型?；瓯萚11]總結(jié)了嚴(yán)重污染天氣的概念模型，即高空以緯向環(huán)流為主，冷空氣勢(shì)力偏弱，地面風(fēng)速小，大氣層結(jié)穩(wěn)定，逆溫層明顯，區(qū)域擴(kuò)散條件差，受局地源積累和區(qū)域輸送的影響，污染物濃度累積上升，易形成嚴(yán)重污染天氣。張人禾[12]、張文龍[13]、楊康權(quán)[14]等研究認(rèn)為，邊界層高度低，風(fēng)力小，大氣之間交換弱，利于逆溫層的長(zhǎng)期存在，易維持持續(xù)性嚴(yán)重污染天氣。

針對(duì)污染物傳輸過(guò)程，馮麗莎[15]、楊浩[16]、白永清[17]等利用HYSPLIT后向軌跡模式追蹤污染物來(lái)源，反演出污染物的傳輸路徑，表明污染物的來(lái)源既有本地生成，也有外地輸入；但輸入路徑不同，分別來(lái)自南方、西北方和東方等。另外，下墊面也對(duì)污染天氣的產(chǎn)生有重要作用。李霞等[18]研究了河谷地形、三面環(huán)山臨海地形、盆地地形、馬蹄型地形和峽口地形下污染物傳輸擴(kuò)散及污染形成機(jī)制，并總結(jié)了不同地理位置、不同復(fù)雜地形城市多尺度氣流相互或交替作用的特點(diǎn)及其對(duì)污染傳輸擴(kuò)散的影響。王華等[19]研究了北京兩次重污染天氣的傳輸特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高空引導(dǎo)氣流弱、低層冷平流較弱時(shí)，受到山脈的阻擋，氣團(tuán)發(fā)生繞流；當(dāng)高空氣流強(qiáng)、低層冷平流較強(qiáng)時(shí)，氣團(tuán)可直接翻越山脈。

“2+26”城市是指京津冀大氣污染傳輸通道城市，包括北京市、天津市和河北、山西、山東、河南的26個(gè)城市，焦作市屬于這26個(gè)城市之一，污染天氣是這些地區(qū)冬半年常出現(xiàn)的災(zāi)害性天氣。王劉銘等[20]的研究表明，本地源是影響焦作市秋、冬兩季PM2.5濃度的主要潛在源，因此氣象條件是焦作市出現(xiàn)污染天氣的重要因素。

雖然以往對(duì)于嚴(yán)重污染天氣的研究成果頗多，但多著眼于單一天氣背景，未對(duì)多種不同天氣現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)對(duì)比分析，因此本文利用污染物監(jiān)測(cè)資料、常規(guī)氣象要素資料、探空資料、NCEP(1°×1°)格點(diǎn)資料，對(duì)2016年12月28日至2017年1月10日焦作市出現(xiàn)的一次長(zhǎng)歷時(shí)，并伴有大霧、降水等多種天氣現(xiàn)象的嚴(yán)重污染天氣過(guò)程進(jìn)行分析，以期找出焦作市嚴(yán)重污染天氣的成因，提前做好污染天氣防治措施。

1 資料選取和方法

1.1 資料選取

選用真氣網(wǎng)的空氣質(zhì)量在線分析平臺(tái)(http://www.aqistudy.cn/)提供的AQI和PM2.5、PM10濃度等數(shù)據(jù)；MICAPS常規(guī)資料(探空資料)、河南省地面自動(dòng)觀測(cè)資料，包括逐時(shí)風(fēng)向風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、雨量、能見(jiàn)度等；NCEP(1°×1°)格點(diǎn)資料。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 國(guó)標(biāo)法

本文依據(jù)國(guó)標(biāo)法(《大氣自凈能力等級(jí)GB/T34299-2017》)估算混合層高度和通風(fēng)量。

(1)混合層高度

在不穩(wěn)定和中性氣象條件下，即大氣穩(wěn)定度為A、B、C和D時(shí)，

(1)

在穩(wěn)定的大氣層結(jié)下，即大氣穩(wěn)定度為E和F時(shí),

(2)

式(1)和式(2)中,L為混合層高度(單位：m)，a0、b0為混合層系數(shù)，U10為10 m高度上的平均風(fēng)速(單位：m/s，大于6 m/s時(shí)取值6 m/s)，f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，A～F為帕斯奎爾穩(wěn)定度級(jí)別。

(2)通風(fēng)量

通風(fēng)量[21]是描述大氣對(duì)污染物稀釋擴(kuò)散能力的參數(shù)，即在混合層高度內(nèi)，風(fēng)速與高度乘積的總和，表達(dá)了大氣動(dòng)力和熱力綜合作用下對(duì)大氣污染物的清除能力。

當(dāng)混合層高度在200 m以下時(shí)，

Vg=(u200+u10)×0.5×L

(3)

當(dāng)混合層高度在200 m以上時(shí)，

Vg=200×(u200+u10)×0.5+(L-200)×u200

(4)

式(3)和式(4)中,Vg為通風(fēng)量(單位：m2/s)，L為混合層高度(單位：m)，u200、u10分別為高度200 m、10 m的風(fēng)速(單位：m/s)。

1.2.2 靜穩(wěn)指數(shù)

靜穩(wěn)天氣與大氣重污染的發(fā)生有密切關(guān)系。為定量描述大氣的穩(wěn)定程度，計(jì)算了靜穩(wěn)指數(shù)。計(jì)算方法基于張恒德等[22]的研究，通過(guò)統(tǒng)計(jì)邊界層內(nèi)的特征量，確定各氣象因子閾值和權(quán)重，建立一種靜態(tài)天氣綜合指數(shù)(SWI)。

(5)

式中,n為靜穩(wěn)天氣相關(guān)氣象因子的個(gè)數(shù)，Wi為各因子在不同閾值范圍內(nèi)給予的權(quán)重。

2 污染物變化特征及影響因素

2.1 污染天氣過(guò)程實(shí)況

本文中AQI指數(shù)0-50、51-100、101-150、151-200、201-300、>300，分別對(duì)應(yīng)空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別：一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)、六級(jí)，空氣質(zhì)量指數(shù)類別對(duì)應(yīng)優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染，本文中污染物濃度單位為μg·m-3。

焦作市AQI逐日平均變化顯示(圖1a)，2016年12月28日至2017年1月1日，焦作市AQI日平均值呈上升態(tài)勢(shì)：12月28日AQI為233，達(dá)五級(jí)重度污染，之后污染物累積，AQI持續(xù)上升，31日的為338，達(dá)到六級(jí)嚴(yán)重污染，2017年1月1日達(dá)到本次污染過(guò)程的極大值386；2日下降到五級(jí)重度污染，之后嚴(yán)重污染天氣維持；除7日AQI為199達(dá)四級(jí)中度污染外，其余均為五級(jí)重度污染。污染過(guò)程共持續(xù)14天，其中2天為六級(jí)嚴(yán)重污染，11天為五級(jí)重度污染，1天為四級(jí)中度污染。根據(jù)《河南省重污染天氣應(yīng)急預(yù)案》的規(guī)定，重污染天氣是指AQI大于200，即AQI達(dá)到5級(jí)及以上污染過(guò)程的大氣污染，因此這是一次長(zhǎng)歷時(shí)的重污染天氣過(guò)程。

由此次污染過(guò)程逐小時(shí)平均AQI變化可見(jiàn)(圖1b)，AQI呈單峰結(jié)構(gòu)，一天之中峰值出現(xiàn)在20時(shí)，谷值出現(xiàn)在08時(shí)。這與人類的活動(dòng)有關(guān)：人類生產(chǎn)生活排放的污染物累積至夜間達(dá)到最大，入夜后人類活動(dòng)減弱，污染物排放減少，濃度逐漸降低，08時(shí)達(dá)到極小值。這和齊冰等[23]分析的杭州市AQI峰值出現(xiàn)在08時(shí)、谷值出現(xiàn)在14時(shí)的結(jié)論有較大差異。主要原因可能是杭州市毗鄰東海，海陸風(fēng)對(duì)大氣的置換作用顯著，而焦作市地處太行山南麓，白天人類活動(dòng)活躍，AQI濃度持續(xù)增加，太行山阻擋了偏東氣流對(duì)污染物的水平輸送，加速了氣溶膠在焦作市的匯聚。

圖1 2016年12月28日-2017年1月10日焦作市AQI逐日平均(a)及逐時(shí)平均(b)變化曲線

2.2 AQI逐小時(shí)變化及其與天氣現(xiàn)象間的關(guān)系

嚴(yán)重污染天氣期間，天氣狀況復(fù)雜，其中4天(1月2-4日和9日)能見(jiàn)度低至0 km，5天(1日和4-7日)出現(xiàn)降水，8天出現(xiàn)了霧、濃霧、強(qiáng)濃霧、微量降水、小雨、中雨等多種天氣現(xiàn)象，AQI變化亦較為復(fù)雜(圖2a)，依據(jù)不同天氣狀況和AQI濃度，把重污染過(guò)程分為污染物累積階段和復(fù)雜天氣階段，以2017年1月1日23時(shí)為分界點(diǎn)。

2.2.1 污染物累積階段AQI變化與天氣現(xiàn)象關(guān)系分析

2016年12月28日至2017年1月1日22時(shí)為此次重污染過(guò)程的第一階段(污染物累積階段)。12月28日00時(shí)焦作市AQI值為181，達(dá)中度污染，09時(shí)AQI為201，達(dá)五級(jí)重度污染；29日09時(shí)AQI上升至309，達(dá)到六級(jí)嚴(yán)重污染；之后污染物雖有起伏，但一直保持五級(jí)重度污染或以上，2017年1月1日19時(shí)AQI達(dá)到此次污染過(guò)程的最大值為474，下午15時(shí)0.0 mm的微量降水對(duì)污染物無(wú)明顯的消減作用。此階段f均在96%以下，能見(jiàn)度多在1 km以上。AQI和相對(duì)濕度f(wàn)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.10。在大氣未達(dá)飽和情況下，適當(dāng)增加濕度有利于大氣中氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)，促進(jìn)粒子體積增大，從而引起大氣中污染物濃度的增加，反之亦然。這和曹偉華[24]、王京麗[25]等的研究結(jié)論一致。

2.2.2 復(fù)雜天氣階段AQI變化與天氣現(xiàn)象關(guān)系分析

2017年1月1日23時(shí)開始，重污染天氣進(jìn)入第二階段——復(fù)雜天氣階段。期間出現(xiàn)了多種不同的天氣現(xiàn)象。其中，1日23時(shí)-4日16時(shí)(能見(jiàn)度<500 m的時(shí)次為65%)、8日20時(shí)-9日14時(shí)(9日7-12時(shí)能見(jiàn)度<500 m)為大霧時(shí)段，僅有大霧一種天氣現(xiàn)象，但能見(jiàn)度有所變化，按強(qiáng)度分為有輕霧、霧、濃霧、強(qiáng)濃霧；4日16時(shí)-7日05時(shí)為降雨時(shí)段，降水、霧交替出現(xiàn)，能見(jiàn)度在500 m以上；其余為污染物維持時(shí)段，無(wú)降水，能見(jiàn)度大于500 m。

在大霧時(shí)段(圖2a中下方直線對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度≤500 m的時(shí)段)，當(dāng)f≥96%時(shí)，大氣飽和或近乎飽和，此時(shí)f的變化不大，AQI與能見(jiàn)度有關(guān)。當(dāng)能見(jiàn)度<100 m時(shí)，AQI隨時(shí)間呈減少態(tài)勢(shì)；但能見(jiàn)度增加至100 m或以上時(shí)，f的微小變化，即會(huì)造成AQI的驟變，兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.19。從日變化看，霧日AQI極小值均出現(xiàn)在能見(jiàn)度小于50 m的強(qiáng)濃霧階段，說(shuō)明飽和大氣中水汽對(duì)污染物的濕沉降作用明顯。此時(shí)污染物濃度雖有所下降，但從平均狀況看，污染物濃度平均值仍然較高，處于五級(jí)污染狀態(tài)，所以僅憑借強(qiáng)濃霧的濕沉降作用并不能完全清除大氣中的污染物。

4日16時(shí)始，出現(xiàn)降雨(圖2a中橫坐標(biāo)軸上方直線為雨強(qiáng)≥0.1 mm/h時(shí)段)。7日之前，雨強(qiáng)在1 mm以下，AQI變化平緩，量值有增有減，7日00時(shí)雨強(qiáng)加大，當(dāng)雨強(qiáng)>2 mm/h時(shí)，AQI值驟降，01時(shí)AQI從256回落至162；04-07時(shí)降至100以下，空氣質(zhì)量為二級(jí)；06時(shí)降水停止，AQI達(dá)到本次過(guò)程的最小值74，降雨階段結(jié)束。相較其他時(shí)段，4—7日AQI指數(shù)維持較低水平，污染指數(shù)從五級(jí)逐漸降低到二級(jí)；與大霧時(shí)段相比，降雨對(duì)污染物的消減作用更徹底，說(shuō)明降雨，特別是雨強(qiáng)>2 mm/h的降水的濕沉降作用能夠較為快速地削減污染物，在無(wú)本地污染和鄰近地區(qū)輸入的情況下，能夠快速地清除污染物，是大氣自清潔的主要方式。

7日06時(shí)以后，焦作市進(jìn)入復(fù)雜天氣階段的污染物維持和消散時(shí)段。7日07時(shí)開始，AQI迅速升高，20時(shí)濃度達(dá)六級(jí)嚴(yán)重污染。當(dāng)f下降到96%以下時(shí)，AQI與f呈正相關(guān)關(guān)系，與第一階段類似。10日00時(shí)消散階段開始，一股弱冷空氣開始影響焦作市，風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏西，01時(shí)風(fēng)力增大至4.9 m/s，f下降至90%以下，之后風(fēng)力減小，污染物消減較為緩慢，11日15時(shí)AQI降至78，大氣質(zhì)量良，本次嚴(yán)重污染天氣過(guò)程結(jié)束。

綜上，f和AQI指數(shù)并非簡(jiǎn)單的線性正比關(guān)系。當(dāng)f<96%時(shí)，AQI指數(shù)濃度隨水汽含量增加而增大，這和高維英[26]、張?jiān)砾i[27]等的研究類似，只是他們得出的相對(duì)濕度范圍分別為20%～95%和40%～95%，此次過(guò)程中焦作市f≥49%；當(dāng)f≥96%，能見(jiàn)度<100 m時(shí)AQI濕沉降明顯，與時(shí)間負(fù)相關(guān)，能見(jiàn)度在100-500 m時(shí)，AQI與f負(fù)相關(guān)。降水對(duì)污染物的影響亦較為復(fù)雜：雨強(qiáng)在1 mm以下時(shí)，AQI變化平緩，數(shù)值有增有減，說(shuō)明降水強(qiáng)度和累積降水量不大時(shí)，對(duì)污染物的洗刷作用有限，有時(shí)反而會(huì)引起氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)；當(dāng)雨強(qiáng)增大到2 mm/h以上時(shí)，降水對(duì)污染物的消減作用更加明顯[27]，且具有累加作用(7日日降水量為中雨13.8 mm)。

2.3 氣象要素對(duì)PM2.5/PM10的影響分析

圖2(b)為PM2.5/PM10逐小時(shí)變化。PM2.5代表污染物中的小粒子，PM10代表污染物中的大粒子，PM2.5/PM10為大氣中小粒子和大粒子的比率。PM2.5/PM10比值與濕度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.27。濕度越大，比值越小，說(shuō)明大氣中大粒子隨濕度增加。

圖2 2016年12月28日00時(shí)-2017年1月10日23時(shí)焦作市AQI、相對(duì)濕度(a)和PM2.5/PM10(b)逐小時(shí)變化曲線

第一階段，比值多維持在0.6～0.8。第二階段的大霧時(shí)段，PM2.5/PM10值迅速下降。強(qiáng)濃霧時(shí)段的2日10時(shí)出現(xiàn)了PM2.5/PM10為0.35的最小值，大顆粒污染物比例達(dá)到最大值。這也許是因?yàn)樗砍渑鏁r(shí)，形成污染物的氣溶膠中親水性化學(xué)成分(如硫酸鹽、硝酸鹽等)吸濕增長(zhǎng)，導(dǎo)致體積增加；小粒子、大粒子碰并，吸濕增長(zhǎng)為大粒子、更大粒子，當(dāng)大粒子的重力大于空氣的浮力時(shí)沉降，因此大霧天氣既有利于大顆粒污染物的存在，又有利于大氣污染物的濕沉降，對(duì)污染物的消減有一定的作用。

根據(jù)消光系數(shù)公式，能見(jiàn)度與氣溶膠粒子直徑的6次方成正比，大氣中大粒子增多，對(duì)視程的影響更大，能見(jiàn)度下降更甚，更易造成強(qiáng)濃霧天氣，兩者呈正反饋?zhàn)饔谩?/p>

4日16時(shí)復(fù)雜天氣的降水時(shí)段開始，比值先短暫下降，此時(shí)雨強(qiáng)小，有利于小粒子與雨滴的碰并增長(zhǎng)。20時(shí)后比值迅速增大，說(shuō)明降水累積作用對(duì)大粒子濕沉降作用更強(qiáng)。雨強(qiáng)在1 mm/h以下時(shí)，對(duì)AQI無(wú)明顯影響，但對(duì)大粒子有明顯的沖刷作用；當(dāng)雨強(qiáng)≥2 mm/h時(shí)，AQI值驟降，但大小粒子比值無(wú)顯著改變。整個(gè)降水過(guò)程中，比值增大，多在0.8以上，說(shuō)明降水對(duì)大顆粒污染物的沖刷作用更明顯，更有利于大顆粒物的濕沉降，比值對(duì)雨強(qiáng)不敏感。

在污染物維持和消散時(shí)段，8日PM10含量減小，而10日無(wú)特殊天氣現(xiàn)象，出現(xiàn)和第一階段相似的形態(tài)。可見(jiàn)強(qiáng)濃霧時(shí)PM10為主要污染物，其他天氣PM2.5為主要污染物。

3 持續(xù)重污染天氣成因分析

3.1 污染長(zhǎng)時(shí)間維持的環(huán)流背景

3.1.1 環(huán)流背景特征

利用NCEP(1°×1°)逐6 h格點(diǎn)資料，制作本次過(guò)程的500 hPa平均高度場(chǎng)和平均地面氣壓場(chǎng)(圖3)。分析發(fā)現(xiàn)(圖3a)，500 hPa平均高度場(chǎng)上，中高緯度維持兩槽一脊形勢(shì)，無(wú)明顯的阻高形勢(shì)，也無(wú)明顯的溫度平流，槽脊均無(wú)大的發(fā)展，意味著沒(méi)有強(qiáng)的冷空氣南下；中緯度為緯向環(huán)流，云量較多，太陽(yáng)輻射弱，不利于近地面氣溫的升高，熱對(duì)流弱；低緯度孟加拉灣的低槽不斷向中緯度輸送水汽，使焦作市近地層一直保持一定的濕度。平均地面氣壓場(chǎng)顯示(圖3b)，焦作市處于變性高壓中，冷平流弱，風(fēng)力小，易形成逆溫，加上較好的水汽輸送條件，易誘發(fā)大霧天氣，利于污染物的累積。環(huán)流平直，無(wú)強(qiáng)冷空氣影響是本次重污染天氣能長(zhǎng)時(shí)間維持的主要原因之一。這與滑申冰等[11]的研究結(jié)論一致。

圖3 2016年12月28日-2017年1月10日500 hPa平均形勢(shì)場(chǎng)(a)和地面平均形勢(shì)場(chǎng)(b)

3.1.2 地面流場(chǎng)特征

由地面流場(chǎng)(圖4)可見(jiàn)，2016年12月28日到31日(圖4a)，太行山南麓一直存在一個(gè)由東北風(fēng)、北風(fēng)和西風(fēng)組成的氣旋性匯合中心，位置穩(wěn)定少動(dòng)，位于焦作市附近。1月2日08時(shí)(圖4b)，匯合中心消失，形成了一個(gè)由東北風(fēng)、北風(fēng)和西風(fēng)組成的漸近線，焦作市位于漸近線上。6日20時(shí)(圖4c)，豫北出現(xiàn)一個(gè)反氣旋式彎曲，位于焦作市以南。8日08時(shí)(圖略)，焦作市附近的113.4°E、35.3°N形成了一個(gè)北風(fēng)、南風(fēng)、東南風(fēng)的氣旋性匯合中心。10日20時(shí)，焦作市被北風(fēng)影響，漸近線南壓。

圖4 2016年12月28日20時(shí)(a)、2017年1月2日08時(shí)(b)、2017年1月6日20時(shí)(c)地面風(fēng)向及流場(chǎng)

污染物累積階段，焦作市附近一直存在著一個(gè)氣旋性匯合中心，對(duì)污染物的累積十分有利。1月2日開始的大霧時(shí)段，漸近線的存在仍然不利于污染物的消散；降水時(shí)段漸近線南壓，焦作市處于漸近線北側(cè)，對(duì)污染物消散無(wú)大的影響。8日08時(shí)的氣旋性匯合中心在焦作市附近，污染物聚集效應(yīng)明顯。10日后隨著冷空氣南壓，焦作市完全被冷空氣取代，本次嚴(yán)重污染過(guò)程結(jié)束。所以如果只考慮歐拉運(yùn)動(dòng)，大氣置換是局地污染物消失的有效途徑。

焦作市位于太行山南麓，太行山阻礙了東風(fēng)對(duì)污染物稀釋。氣流遇到山脈時(shí)有兩個(gè)路徑，一是繞流，二是翻越。據(jù)統(tǒng)計(jì)，此次過(guò)程中67.3%的時(shí)次是東風(fēng)氣流，風(fēng)力小，翻越太行山能力弱，繞流作用也有限，所以太行山極大地限制了東風(fēng)時(shí)大氣流動(dòng)對(duì)污染物的輸送，與王華等[19]的結(jié)論相近。

3.2 大氣垂直結(jié)構(gòu)對(duì)污染物的影響

3.2.1 大氣層結(jié)對(duì)污染物的影響

從層結(jié)曲線看(圖略)，除28日20時(shí)外，近地層一直存在逆溫層。14天的08、20時(shí)共28個(gè)時(shí)次中有11個(gè)時(shí)次具有雙層逆溫，下層逆溫多在925 hPa以下，上層在850-700 hPa，垂直結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，限制了污染物的鉛直擴(kuò)散。圖5為1000、925、850 hPa與地面的氣溫差。30日開始，近地層一直存在著較強(qiáng)逆溫層，1月1-3日，氣溫差達(dá)+5 ℃以上，尤其是3日08時(shí)925 hPa出現(xiàn)了一個(gè)+11 ℃的暖中心，強(qiáng)大的干暖蓋阻礙了大氣垂直湍流的發(fā)展，加快了近地層污染物集聚。4日08時(shí)-6日20時(shí)，地面倒槽帶來(lái)的暖平流和降水削減了逆溫層的強(qiáng)度，使近地層的逆溫遭到破壞，但850-700 hPa仍存在逆溫或等溫層，有效阻止上下層氣流擾動(dòng)。7日08時(shí)底層逆溫開始重建，地面-1000 hPa出現(xiàn)等溫。8日20時(shí)下層逆溫高度伸到925 hPa。9日08時(shí)逆溫強(qiáng)度達(dá)到了5 ℃，誘發(fā)了能見(jiàn)度為0.0 km的大霧天氣。之后冷空氣繼續(xù)南下，焦作市被北方南下冷氣團(tuán)控制，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好，污染天氣結(jié)束。

3.2.2 混合層高度對(duì)污染物的影響

混合層高度在污染氣象學(xué)上定義為湍流特征不連續(xù)界面以下湍流較充分發(fā)展的大氣層[28]，它表征污染物在垂直方向被熱力湍流稀釋的范圍，即低層空氣熱力對(duì)流與動(dòng)力湍流所能達(dá)到的高度，決定了近地層污染物擴(kuò)散的有效空氣體積。大氣混合層高度越大，越有利于污染物鉛直方向上的擴(kuò)散和稀釋。

由圖5可見(jiàn)，整個(gè)過(guò)程中，混合層低，最大為497.8 m，最小為0 m?；旌蠈痈叨鹊停拗屏宋廴疚锏拇怪睌U(kuò)散，只能在近地層水平擴(kuò)散或集聚，若風(fēng)力小，將加大形成極端污染天氣的概率。另外整個(gè)過(guò)程期間，近地層一直保持著微弱的下沉氣流(圖略)，能夠擠壓大氣邊界層而降低其厚度，對(duì)于污染物在近地層聚集更有利。4-7日降水期間，混合層高度無(wú)明顯改善，對(duì)逆溫的重建起到一定的推動(dòng)作用。

圖5 焦作市2016年12月28日—2017年1月10日近地層垂直氣溫差及混合層高度

3.3 氣象要素對(duì)污染影響分析

3.3.1 水汽條件分析

從濕度看，近地層水汽含量一直比較充沛，過(guò)程期間地面f≥49%，f≥80%的時(shí)次多達(dá)75.6%。4日14時(shí)之前，對(duì)流層底層濕度較小(圖6a)，也無(wú)明顯的水汽輸送(圖6b)，低層大氣f為50%左右，特別是在2-3日，對(duì)流層大氣干燥，1000 hPa以上濕度在30%以下，卻出現(xiàn)了能見(jiàn)度為0 km的大霧天氣，說(shuō)明強(qiáng)大的逆溫層對(duì)大氣的垂直運(yùn)動(dòng)有強(qiáng)烈的抑制作用，造成大量水汽、氣溶膠在邊界層聚集，潮濕的空氣有利于污染物顆粒的吸濕性增長(zhǎng)，導(dǎo)致能見(jiàn)度降低。在降水時(shí)段，濕層厚度增加，降水削減了污染物的濃度，空氣質(zhì)量達(dá)到良的級(jí)別，但由于大氣中的垂直結(jié)構(gòu)沒(méi)改變，污染物很快在底層聚集，降水過(guò)程結(jié)束后，7日20時(shí)即達(dá)六級(jí)嚴(yán)重污染。

圖6 2016年12月28日-2017年1月10日焦作市上空相對(duì)濕度(a)和水汽通量散度(b)時(shí)序圖

3.3.2 風(fēng)速影響分析

風(fēng)是邊界層內(nèi)影響污染物擴(kuò)散的重要?jiǎng)恿σ蜃?。風(fēng)速的大小決定了大氣擴(kuò)散稀釋作用的強(qiáng)弱，風(fēng)向影響污染物的水平遷移擴(kuò)散方向。在微風(fēng)、逆溫的氣象條件下，十分有利于污染物在混合層內(nèi)累積。圖7(a)為污染過(guò)程逐3 h的風(fēng)向風(fēng)速。焦作市本站地面觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，本次過(guò)程期間，風(fēng)微弱，平均風(fēng)速僅為1.29 m/s，69.3%時(shí)次的風(fēng)速<1.5 m/s，85.8%時(shí)次的風(fēng)速<2 m/s，只有4個(gè)時(shí)次的風(fēng)速>2級(jí)(最大風(fēng)速4.9 m/s)。長(zhǎng)時(shí)間微小的風(fēng)力條件是本次嚴(yán)重污染過(guò)程長(zhǎng)時(shí)間維持的重要原因。

另外從本次過(guò)程焦作市上空的風(fēng)廓線時(shí)序演變看(圖7b)，本次嚴(yán)重污染過(guò)程期間對(duì)流層風(fēng)速較小，鮮有≥20 m/s的風(fēng)速，上下層之間的動(dòng)量交換比較微弱。其間，共有5次動(dòng)量下傳過(guò)程：12月28日從600 hPa伴隨著下沉運(yùn)動(dòng)下傳至925 hPa，31日08時(shí)700 hPa動(dòng)量下傳至950 hPa，1月2日08時(shí)550 hPa動(dòng)量下傳至地面，8日14時(shí)500 hPa動(dòng)量下傳至地面，9日08時(shí)750 hPa動(dòng)量下傳至950 hPa。由于下傳的動(dòng)量不大，到達(dá)低層時(shí)風(fēng)速均≤4 m/s。2日和8日高層的較冷空氣隨動(dòng)量下傳至近地面，適度的降溫對(duì)2日、9日強(qiáng)濃霧的產(chǎn)生有積極作用，動(dòng)量小又不至于破壞大氣的垂直結(jié)構(gòu)。

圖7 2016年12月28日-2017年1月10日焦作市逐3 h風(fēng)向風(fēng)速時(shí)序圖(a)和風(fēng)速時(shí)序圖(b)

3.4 污染持續(xù)期間靜穩(wěn)指數(shù)和通風(fēng)量的變化

靜穩(wěn)指數(shù)是根據(jù)有利于形成邊界層穩(wěn)定大氣的氣象因子建立的靜態(tài)天氣綜合指數(shù)(SWI)，涉及冷空氣的影響、濕度、風(fēng)速(包括垂直、水平方向)、大氣穩(wěn)定度、近地層大氣湍流的最大高度等因子，可以定量地表達(dá)靜穩(wěn)天氣時(shí)大氣的穩(wěn)定程度，值越大，大氣穩(wěn)定程度越高，越不利于污染物的擴(kuò)散。按最不利的氣象條件計(jì)算，SWI最大值為23。本次過(guò)程中，焦作市SWI的平均值為20.1，大氣穩(wěn)定度高。計(jì)算結(jié)果(圖8)表明，60.7%的時(shí)次SWI≥20；1月2日08時(shí)和3日08時(shí)，SWI達(dá)到其定義的最大值23，氣象條件對(duì)污染天氣形成及維持極為有利。靜穩(wěn)天氣推動(dòng)了焦作市嚴(yán)重污染天氣的形成及維持。

通風(fēng)量是地面到混合層頂水平風(fēng)速與高度的積分，是單位時(shí)間內(nèi)大氣污染物可擴(kuò)散的面積，可以定量表述水平方向大氣的擴(kuò)散稀釋能力，兼具水平和垂直兩個(gè)方向上的意義。通過(guò)計(jì)算(圖8)，過(guò)程平均通風(fēng)量為317.1 m2/s，只有1個(gè)時(shí)次通風(fēng)量>1000 m2/s，17個(gè)時(shí)次的<200 m2/s，4個(gè)時(shí)次的通風(fēng)量為0 m2/s，混合層高度內(nèi)風(fēng)力十分微弱，對(duì)污染物稀釋能力極差，造成這次嚴(yán)重污染天氣過(guò)程。

圖8 2016年12月28日-2017年1月10日焦作市的靜穩(wěn)指數(shù)及通風(fēng)量

4 結(jié) 論

(1)本次嚴(yán)重污染天氣過(guò)程共14天，歷時(shí)較長(zhǎng)，期間出現(xiàn)輕霧、濃霧、強(qiáng)濃霧、微量降水、小雨、中雨等多種天氣現(xiàn)象，其中4天出現(xiàn)能見(jiàn)度為0 km的強(qiáng)濃霧，5天出現(xiàn)降水，天氣狀況復(fù)雜。按污染物濃度及天氣狀況分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是12月28日到2017年1月1日22時(shí)，為污染物集聚階段；第二個(gè)階段為1日23時(shí)到10日，為復(fù)雜天氣階段，主要表現(xiàn)為大霧、陰雨天氣相間。過(guò)程中2天為六級(jí)嚴(yán)重污染，11天為五級(jí)重度污染，1天為四級(jí)中度污染，13天污染指數(shù)在五級(jí)以上，大氣一直處于高污染狀態(tài)，因此這是一次復(fù)雜天氣下長(zhǎng)時(shí)間維持的重污染天氣過(guò)程。

(2)AQI日變化呈單峰結(jié)構(gòu)，一天中峰值出現(xiàn)在20時(shí)，谷值出現(xiàn)在08時(shí)，人類活動(dòng)影響顯著。

(3)f和AQI指數(shù)并非簡(jiǎn)單的線性正比關(guān)系。f<96%時(shí)，大氣未達(dá)飽和，能見(jiàn)度一般大于500 m，適當(dāng)增加濕度有利于氣溶膠粒子的吸濕增長(zhǎng)，AQI隨濕度的升降而升降，相關(guān)系數(shù)為0.10。f≥96%時(shí)，大氣飽和或近乎飽和時(shí)，能見(jiàn)度為100-500 m濃霧時(shí)，f的微小變化就可能引起AQI的劇烈變化，此時(shí)f與AQI負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.19；能見(jiàn)度<100 m時(shí)，污染物濕沉降明顯，AQI與時(shí)間成反比。從日變化看，霧日AQI極小值均出現(xiàn)在能見(jiàn)度小于50 m的強(qiáng)濃霧階段，說(shuō)明大氣飽和時(shí)污染物的濕沉降作用顯著。大霧階段污染物濃度雖有所下降，但從平均狀況看，污染物濃度仍然較高，一直處于五級(jí)污染，所以僅憑借霧天氣的沉降作用并不能完全清除大氣中的污染物。

(4)雨強(qiáng)在1 mm/h以下時(shí)，AQI變化平緩，數(shù)值有增有減，說(shuō)明降水強(qiáng)度和累積降水量不大時(shí)，對(duì)污染物的洗涮作用有限，有時(shí)反而會(huì)引起氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)；雨強(qiáng)在2 mm/h以上時(shí)，AQI濃度驟降，較大的降水強(qiáng)度對(duì)污染物的清除有利，且具有累加作用，在本地?zé)o污染源的情況下，能夠較為徹底地清除污染物。雨強(qiáng)在1-2 mm/h時(shí)(7日4時(shí)降水量1.2 mm)，由于不能分辨是雨水的洗涮作用還是降水累積作用，在此不做討論。

(5)污染過(guò)程持續(xù)期間，PM2.5/PM10與濕度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.27。第一階段及污染物維持時(shí)段， PM2.5/PM10較為穩(wěn)定，比值維持在一定范圍內(nèi)(0.6～0.8)，該時(shí)段大、小粒子同步增減；大霧時(shí)比值變小，潮濕的環(huán)境更有利于大顆粒污染物的存在；降水對(duì)大粒子的濕沉降更有利，與雨強(qiáng)無(wú)關(guān)，且具有累積作用。在強(qiáng)濃霧、濃霧時(shí)段PM10是主要污染物，其他時(shí)段PM2.5是主要污染物。

(6)焦作市上空環(huán)流平直，地面處于變性高壓中。冷平流弱、風(fēng)力小、逆溫、濕度大、混合層高度低、無(wú)強(qiáng)冷空氣影響是污染天氣長(zhǎng)時(shí)間維持的主要原因。靜穩(wěn)指數(shù)大、通風(fēng)量小，是維持嚴(yán)重污染的原因。

(7)流場(chǎng)上，本次過(guò)程中焦作市處于氣旋性匯合中心或漸近線附近時(shí)，有利于污染物的積累。焦作市的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，太行山的阻擋作用，阻礙了東風(fēng)對(duì)污染物稀釋。此次過(guò)程中風(fēng)力微小，翻越太行山能力弱，繞流作用也有限，所以焦作市附近地形對(duì)污染物的傳輸稀釋有極大限制。