王娟，李文華，徐浩，劉丹

1.北京市昌平區(qū)氣象局;2.北京市通州區(qū)氣象局;3.北京市昌平區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站

一、引言

霾是指大量的細(xì)微粒子均勻地懸浮在空中，造成大氣渾濁、氣象能見(jiàn)度下降的現(xiàn)象。隨著城市化發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程加快，污染物的源排放不斷增加，很大程度上導(dǎo)致了我國(guó)霾天氣發(fā)生頻率逐漸增多。近幾年，持續(xù)性的嚴(yán)重霾天氣的出現(xiàn)，不但嚴(yán)重威脅到人民群眾的身體健康，能見(jiàn)度的降低也給交通運(yùn)輸帶來(lái)安全隱患，霾天氣已經(jīng)成為關(guān)注度極高的災(zāi)害性天氣之一。

2016年12月16-21日京津冀地區(qū)出現(xiàn)大范圍持續(xù)性霾天氣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6天，造成低能見(jiàn)度天氣，個(gè)別站點(diǎn)PM2.5濃度出現(xiàn)“爆表”現(xiàn)象，北京也啟動(dòng)2016年入冬以來(lái)的首個(gè)空氣重污染紅色預(yù)警信號(hào)，造成多方面的社會(huì)影響，引起社會(huì)廣泛關(guān)注。值得注意的是，針對(duì)這一現(xiàn)象，利用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)昌平與周邊區(qū)域進(jìn)行差異分析，可以更好地指導(dǎo)環(huán)境氣象業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)服務(wù)工作，同時(shí)為政府相關(guān)部門(mén)大氣污染綜合治理提供重要的決策依據(jù)。

二、主要內(nèi)容

（一）資料

本研究所使用的資料包括：高空和地面氣象觀測(cè)資料、北京市南郊觀象臺(tái)（站號(hào)：54511）探空資料（08時(shí)和20時(shí)），懷柔、昌平、門(mén)頭溝、大興、通州5個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站點(diǎn)的PM2.5濃度和能見(jiàn)度、地面風(fēng)速、氣溫、氣壓及相對(duì)濕度等資料，均由北京市信息中心提供。

（二）天氣實(shí)況概述

2016年12月16-21日，京津冀地區(qū)出現(xiàn)了當(dāng)年秋冬季范圍最大、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、程度最重的霾天氣過(guò)程。過(guò)程前期霾過(guò)程的日變化明顯，過(guò)程后期污染物濃度高、空氣濕度大導(dǎo)致多地夜間的能見(jiàn)度不足1km。其中，16-18日北京大部分地區(qū)出現(xiàn)中度霾，局地重度霾，但是昌平站與周?chē)军c(diǎn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，能見(jiàn)度處于較好水平，昌平氣象臺(tái)根據(jù)本地實(shí)際于當(dāng)年12月18日17時(shí)15分最后一個(gè)發(fā)布霾黃色預(yù)警信號(hào)。霾天氣持續(xù)到21日夜間。之后受冷空氣影響，22日造成至上午霾天氣自北向南逐漸消散，22日風(fēng)力加大到4級(jí)左右，陣風(fēng)6級(jí)左右。

（三）昌平站與周?chē)军c(diǎn)各氣象要素對(duì)比分析

本次過(guò)程發(fā)展前期，地面氣壓呈現(xiàn)由高降低的變化趨勢(shì)，并且始終維持在一個(gè)較小的氣壓梯度變化范圍內(nèi)。相對(duì)濕度的分布存在日變化，早晚濕度較大，中午前后降至一天的最低值。其中，平均而言相對(duì)濕度從大到小依次為通州、大興、懷柔、昌平、門(mén)頭溝。而相對(duì)濕度與氣溫、能見(jiàn)度之間則保持反位相變化關(guān)系。通州的PM2.5濃度一直處于較高水平，而懷柔和昌平呈前期濃度低，后期逐漸上升的變化特點(diǎn)。另外，本次過(guò)程中地面的平均風(fēng)速整體偏?。?.0m/s左右），過(guò)程風(fēng)速穩(wěn)定維持在0-3.5m/s，風(fēng)速的這一變化特征為本次霾天氣過(guò)程的持續(xù)提供了有利條件；其中，門(mén)頭溝、昌平、懷柔霾過(guò)程所持續(xù)的風(fēng)速（0.2-3.5m/s）略大于通州、大興過(guò)程風(fēng)速（0-2.8m/s）所維持的水平，這也是此次過(guò)程西部、北部區(qū)縣能見(jiàn)度比東南部地區(qū)好的原因之一。

圖1 15日20時(shí)-18日20時(shí)昌平、懷柔、門(mén)頭溝、大興、通州站氣象要素、能見(jiàn)度和PM2.5濃度變化序列

綜合各氣象要素的時(shí)間演變特征表明，在持續(xù)較低的氣壓和較小的地面風(fēng)速大背景下，PM2.5濃度的穩(wěn)定升高，以及入夜后氣溫降低而相對(duì)濕度增大的地面氣象條件，是本次持續(xù)性霾天氣過(guò)程產(chǎn)生和維持的重要原因。而西部、北部地區(qū)霾過(guò)程輕于東部、南部地區(qū)的原因可以歸結(jié)為，西部北部地區(qū)風(fēng)速較大，相對(duì)濕度較低，PM2.5濃度上升速度緩慢，相對(duì)維持在一個(gè)較弱水平。

（四）霾天氣過(guò)程昌平本站能見(jiàn)度的影響因子分析

霾天氣過(guò)程中能見(jiàn)度與地面氣象要素和氣溶膠濃度密切相關(guān)，為進(jìn)一步分析本次霾天氣過(guò)程前期昌平地區(qū)對(duì)于能見(jiàn)度的主要影響因子，首先對(duì)地面氣象要素（氣壓、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速）、PM2.5和能見(jiàn)度的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析（表1）。

表1 能見(jiàn)度與相對(duì)濕度、PM2.5濃度、風(fēng)速、氣壓、溫度之間的相關(guān)系數(shù)

由表1可以看出：能見(jiàn)度與PM2.5濃度和相對(duì)濕度存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，和氣壓以及風(fēng)速之間存在正相關(guān)，并都通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn)。由于整個(gè)霾天氣過(guò)程中，氣壓變化比較平緩，氣壓梯度較小，地面風(fēng)速總體穩(wěn)定維持在1m/s左右，因此，氣壓和風(fēng)速對(duì)能見(jiàn)度的影響更多地體現(xiàn)在為霾天氣過(guò)程中低能見(jiàn)度的形成提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定并且水平輸送條件較小的天氣背景場(chǎng)，反映出氣壓和風(fēng)速與能見(jiàn)度在天氣尺度上變化的一致性。

相比而言，相對(duì)濕度和PM2.5濃度與能見(jiàn)度之間的關(guān)系更為密切，相關(guān)系數(shù)分別為0.51和0.76，說(shuō)明在此次霾天氣過(guò)程前期相對(duì)濕度和粒子濃度可能是直接影響昌平地區(qū)水平能見(jiàn)度的兩個(gè)重要因子；其中PM2.5濃度與能見(jiàn)度的相關(guān)性大于相對(duì)濕度與能見(jiàn)度之間的相關(guān)性，這說(shuō)明，此次霾發(fā)展前期昌平站PM2.5濃度對(duì)能見(jiàn)度的作用要強(qiáng)于相對(duì)濕度，是影響能見(jiàn)度變化的主要因子。

而PM2.5濃度與氣壓、風(fēng)速、相對(duì)濕度關(guān)系密切，和相對(duì)濕度以及氣壓存在較強(qiáng)相關(guān)性，通過(guò)了99%的置信度檢驗(yàn)，而與風(fēng)速之間的相關(guān)性置信度檢驗(yàn)較低。由于在霾天氣主要是本地污染物和外來(lái)污染源的疊加導(dǎo)致，在氣壓變化加大時(shí)，地面存在一定的氣壓梯度（氣壓與風(fēng)速之間存在一定的正相關(guān)），地面風(fēng)速會(huì)有所加大，而風(fēng)速的加大對(duì)污染物的作用是一把“雙刃劍”，這與風(fēng)向有關(guān)。如果是偏北風(fēng)，風(fēng)速的加大對(duì)于污染物有一定的清除作用；如果是偏南風(fēng)，在某個(gè)閾值范圍內(nèi)，南風(fēng)的加大會(huì)將河北一帶的污染物輸送到北京，使得北京霾加重，如果超過(guò)這個(gè)數(shù)值范圍，則會(huì)對(duì)北京本地的污染物起到較好的清除作用；如果是偏東風(fēng)，則隨著風(fēng)速的加大，會(huì)將天津一帶的污染物輸送到北京，并伴有水汽（PM2.5與相對(duì)濕度存在較強(qiáng)正相關(guān)），配合北京西部山地地形，使得污染物愈發(fā)加重。

因此，此次霾天氣過(guò)程，昌平能見(jiàn)度較好主要與PM2.5濃度較低有一定關(guān)系，而決定濃度變化的主要是相對(duì)濕度和風(fēng)速兩個(gè)因子，相對(duì)周邊站點(diǎn)而言，昌平站出現(xiàn)有較小的相對(duì)濕度、較大的偏北風(fēng)速，加之昌平北京西北部特殊的地理位置，地形作用使得污染物主要集中在西部北部沿山一帶，霾嚴(yán)重區(qū)域與地面輻合線相對(duì)應(yīng)。

三、主要結(jié)論

（1）此次持續(xù)性霾天氣過(guò)程主要是由于高空環(huán)流形勢(shì)較為平直，低層風(fēng)力較小，無(wú)明顯冷空氣，邊界層擴(kuò)散條件較差，導(dǎo)致了此次霾天氣逐漸發(fā)展并維持。（2）持續(xù)低壓和較小的地面風(fēng)速以及PM2.5濃度穩(wěn)定上升和相對(duì)濕度增大，是本次持續(xù)性霾天氣過(guò)程產(chǎn)生和維持的重要原因。（3）此次霾天氣過(guò)程，相對(duì)濕度和PM2.5濃度是直接影響能見(jiàn)度的兩個(gè)關(guān)鍵因子；其中PM2.5濃度與能見(jiàn)度的相關(guān)性大于相對(duì)濕度與能見(jiàn)度之間的相關(guān)性。（4）PM2.5濃度變化主要取決于相對(duì)濕度和風(fēng)速這兩個(gè)因子，同時(shí)還要考慮風(fēng)向。與相對(duì)周邊站點(diǎn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，霾前期昌平站能見(jiàn)度較好的原因：相對(duì)濕度較小，并處于弱偏北風(fēng)中，加之昌平處于北京西北部特殊的地理位置，地形作用使得污染物主要集中在西部北部沿山一帶，而霾嚴(yán)重區(qū)域與地面輻合線相對(duì)應(yīng)，沿輻合線污染物持續(xù)積累，程度最重。