石家庄市周边秸杆焚烧导致云凝结核变化的特征

张晶，郑有飞，李云川，侯瑞钦，刘宏举，董晓波

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044;2.河北省气象与生态环境重点实验室，河北石家庄050021;3.河北省人工影响天气办公室，河北石家庄050021;4.河北省气象台，河北石家庄050021;5.河北省气象科技服务中心，河北石家庄050021)

0 引言

近年来石家庄市经济发展迅速，由于城市建设、道路交通、汽车尾气、工厂废气、施用化肥等因素造成了大气污染，也导致霾天气增多。浑浊空气时常笼罩石家庄市区，大气透明度越来越低，而且霾的持续时间也日趋增长，20世纪70年代一次霾的持续时间最长11 d，80年代为13 d，而到了90年代一次霾的持续时间则多达22 d，霾正在演变成为我国城市的灾害之一。石家庄市区空气质量的下降不仅危害人民群众身体健康，更影响当地经济及社会的可持续发展。虽然石家庄市政府也启动了一些应对措施，但一些人为行为还时有发生。此外，石家庄市是中国113个重点城市中空气污染较严重的城市之一(国家环境保护总局，2004，2005)。因此，对人为排放引起环境变化的研究也是很有意义的。

国内学者早就展开了对霾天气的研究(吴兑等，2004，2006b，2007)，同时也展开了对CCN(cloud condensation nuclei，云凝结核)的研究，1983—1985年游来光等(2002)、罗云峰等(1998)、银燕等(2009)在“北方层状云人工降水试验研究”中对CCN进行了观测和研究。陶俊等(2003)指出，对流层中的有机酸主要来源于人类活动和自然的排放，它们对云成核现象有重要作用并且对云凝结核(CCN)的数量有显著的贡献。吴兑等(2006a)认为，气溶胶的自然排放和人类活动排放在一段时期内相对稳定时，区域内能见度和空气质量变化的控制因素是气象条件，或者说是边界层对大气气溶胶的稀释扩散能力。许薇等(2008)和尹振东(2005)也指出，当污染源相对稳定时，气象条件是影响大气污染的重要因素，不利的气象条件则会加重大气污染程度。魏玉香等(2009)利用2002—2006年南京市大气监测资料研究得到污染物质量浓度与风速呈反相关关系的结论，且雾、霾天气下污染加剧。Keene and Galloway(1988)发现，世界不同地区CCN数浓度分布是不同的，陆地近地面空气中CCN数浓度明显高于海洋空气，而且陆地降水中有机盐的数浓度也高于海洋降水，这是因为陆地空气中有机酸比海洋空气中的高。在亚热带森林和偏远草原的土壤中，甲酸盐和醋酸盐是降水中的主要化学成分，这些结果暗示CCN的形成与陆地植被释放的有机酸有密切关系。石立新和段英(2007)利用连续气流纵向热梯度云凝结核仪对华北地区空中和地面的云凝结核(CCN)进行了观测研究，认为华北地区的CCN主要来源于地面，近地层CCN数浓度较高，CCN数浓度随高度增加而减少;CCN的分布与地面源地密切相关，污染地区乡村上空CCN数浓度比无污染地区乡村上空高5倍以上。本文利用云凝结核计数器观测的CCN资料及气象常规资料，对2007年6月11—13日由于秸杆焚烧引起石家庄市区空气质量恶劣和能见度低下的天气形成进行系统分析，揭示该污染事件中污染源的输送及污染源在本地聚集的气象条件，加深对石家庄市环境污染形成的机理认识。

1 污染分析

1.1 污染事件

霾是影响大气能见度和空气质量的重要天气现象之一(李崇志等，2009)。2007年6月11—13日(北京时间，下同)石家庄市区烟雾弥漫，空气中散发出刺鼻烧焦的气味，空气污染极其严重。在2007年6月11日13:30 NOAA-18及14日11:05 TERRA遥感卫星观测分析图(图1a、c)中可清晰地看到，造成污染事件发生的主要原因是邯郸大部和邢台南部麦田连续4 d焚烧秸杆所致，石家庄市区能见度由10日的15 km急剧下降为12日02时的2 km，霾天气覆盖了河北省中南部地区(图1b)，严重污染致使霾天气在有利的气象条件及有利地形作用下维持了近54 h，同时导致CCN数浓度的急速上升。可见，人为排放对霾天气形成和CCN的影响很大。

1.2 CCN资料采集地点及仪器设置

CCN资料采集地点位于河北省气象局16层平台，高度约为48 m，周边为居民生活区，CCN资料采集时间为2007年6月10日02:55:13—12日23:59:35，使用美国DMT(Droplet Measurement Technologies)公司生产的CCN仪(DMT CCN Counter)进行定点观测。观测设置过饱和度(S)为0.3%。CCN资料采集期间的10日，能见度维持在12 km以上，而11—13日石家庄市区为因严重污染而形成的霾天气，空气质量十分差，能见度为2～6 km。

1.3 CCN资料采集期间的地面气象要素

图1 卫星遥感观测分析图a.2007年6月11日NOAA-18卫星遥感火点监测图;b.2007年6月12日NOAA-12卫星遥感监测雾霾分布;c.2007年6月14日TERRA卫星遥感火点监测图Fig.1 Analysis of satellite remote sensing observationsa.map of fire monitoring point by NOAA-18 on 11 June 2007;b.map of haze distribution by NOAA-12 on 12 June 2007;c.map of fire monitoring point by TERRA on 14 June 2007

图2为2007年6月10—13日各时次石家庄能见度和相对湿度的实测值。可见，10日石家庄市区的霾天气还未形成，能见度约为12 km，相对湿度小于55%。11日早晨，由于10日入夜开始(小面积)焚烧秸杆而致使能见度迅速变差，11日08时能见度降为6 km，霾天气形成，图1a(11日13:30)显示石家庄市的南部地区有成片火点出现，11日23时能见度达2 km，相对湿度为73%。可见，相对湿度与能见度成反比关系，当相对湿度加大时，能见度变差，当相对湿度减小时，能见度变好。高相对湿度有利于霾的形成。灰蒙蒙的天气维持了54 h(能见度为2～6 km)，直至13日14时能见度转为8 km，霾天气趋于结束。

1.4 CCN资料分析

图3 2007年6月10—12日CCN数浓度的日变化(过饱和度等于0.3)Fig.3 Diurnal variation of CCN during 10—12 June 2007(the supersaturation is 0.3)

图3为2007年6月10—12日CCN数浓度的日变化。可见，10日16:00前的时段中CCN数浓度分布较为平稳，基本在3 200～4 200 cm－3范围内，17:50 CCN数浓度突然涌增为5 625 cm－3，20:50出现一波动，CCN数浓度重新回落到3 972 cm－3，23:00 CCN数浓度再次升高达6 684 cm－3，这是由于入夜开始焚烧秸杆所致。11—12日CCN数浓度日变化有非常好的相似性，2 d中均出现有3个相对高值点(04:00，10:40，20:50)和2个相对低值点(08:20，16:00)。11日3个高值点分别为8 534 cm－3(04:00)、9 344 cm－3(10:40)和11 858 cm－3(20:50，最大值)，CCN数浓度的日变化总趋势为上升态势，特别是到夜间焚烧秸杆的高峰期时，CCN数浓度达极大值;2个低值点分别为6 799 cm－3(08:20，次低值)、3 890 cm－3(16:00，最低值)。12日CCN数浓度日变化整体要比11日高，其3个高值分别为04:00的11 309 cm－3、10:40的10 893 cm－3和20:50的9 505 cm－3;2个低值点分别为08:20的9 311 cm－3和16:00的5 935 cm－3。总之，11—12日CCN数浓度的日变化总趋势呈上升态势。从图3还可看到，午后的CCN数浓度变化总体呈现出下降趋势，这可能是由于午后太阳辐射加强，大气动力湍流交换加大，使污染物能够向高空扩散，从而使地表面CCN数浓度得以暂时减少。以上分析表明，11—12日由于秸杆焚烧使CCN数浓度日变化分布出现3个高值点和2个低值点，这与石立新和段英(2007)分析的2005年7月11日地面低压前部CCN数浓度日变化分布只为一个高值点有所差异。

2 污染成因分析

2.1 特殊地形作用

石家庄市地处太行山东麓，西南西到西北方被群山环抱，形成一种特殊的“马蹄型”地理特征。这种地形不仅使本地污染物不易扩散，周边污染源在特定的气象条件下经过远近距离输送同样对石家庄市区有明显影响(陈静等，2006)。特别是当石家庄市周边地区为E-SE风时，气流沿山地爬升，遇有边界层的逆温层结阻挡及中、高层的下沉气流时，容易导致污染物在特殊地形下聚集，从而造成严重的霾天气。图4是6月10—11日、13—14日14:00地面加密自动站风向风速分布。10—12日14:00石家庄市由于特殊地形作用，风向呈ESE-SE向，但环境风均为一致的S-SE风，风速为4 m/s，石家庄市仅为2 m/s。图4a-c地面风场显示，地面风速有明显辐合及风向输送使烟雾迅速北移。当环境风向由偏南风转为偏北风后(图4d)，尽管14日11:05(图1c)TERRA卫星观测秸杆焚烧火点还存在，但环境风的作用使能见度转好。因此霾天气的形成是大气物理过程与局地地形相互作用的结果，地面风场动力驱动下的烟雾与地形抬升对霾天气的形成起重要作用。

2.2 气象条件

2007年6月10—11日08:00，500 hPa上华北为暖高压控制，高压中心位于河北承德，河北中南部地区处于闭合高压底部，风向为SE向。12日，河北省区域内仍为高压带控制，冷空气主力位于40°N附近，冷空气偏北偏弱，河北中南部地区大气层结相对稳定。对应的地面图上，10日08:00石家庄市为一弱高压带控制，11—12日石家庄市均位于地面高压后部，13日北来高压由北向南缓慢南压，石家庄市处于高压南部。

表1为邻近探空站邢台500～850 hPa的风向风速实况记录。从表1和上述气象条件的分析可知，对流层中层到低层的风场虽然很弱，但持续的偏南气流将污染源远距离源源不断向石家庄市输送，使霾天气得以长时间维持，地面弱气压场的特定气象条件不利于空气污染物扩散。当对流层中层、低层和地面风向转为偏北风，风速值也由低层(850 hPa)向中层逐渐加大(扰动加大)，霾天气趋于结束。

图4 2007年6月10日(a)、11日(b)、13日(c)和14日(d)14时的地面加密自动站的风向、风速Fig.4 Wind direction and wind velocity of IAWS(intensive automatic weather stations)at 14:00 BST on(a)10，(b)11，(c)13，and(d)14 June 2007

表1 2007年6月10—13日邢台500、700和850 hPa的风向、风速Table 1 Wind direction and wind velocity at 500，700 and 850 hPa over Xingtai area during 10—13 June 2007m/s

2.3 地面风向、风速

从NOAA-18卫星遥感资料(图1a)的分析中看到，火点主要集中在邯郸地区大部和邢台南部。石家庄市地面天气实况为，10日02时—11日02时，天空晴朗无云，风向为SE向，风速为1～2 m/s;11日05时开始天空卷层云逐渐增多，风向仍为E-SE向，风速维持在1～2 m/s;12日02时，地面风向转为NNE-NW向(500 hPa上有弱冷空气抵达河北上空)，但风速仍为1～2 m/s，在天气系统驱动冷暖空气交汇的同时，地形的强迫抬升与下沉气流作用造成空气的抬升降温及下沉增温作用，相伴随的温湿变化过程使空气层结湿度增加形成云，12日02时天空云量开始增多，转为多云间阴天，但风向和风速与11日相同;直至13日14时地面风速增大为4 m/s，能见度由3 km迅速转为8 km，霾天气逐渐减弱。

上述分析表明，当人为排放在气象条件相对稳定时，对区域内的能见度和空气质量起主导作用的是风向、风速等气象要素。上述结论与董蕙青等(2002)和王淑英等(2003)论述的风是影响污染物扩散稀释很重要的气象因子、风向决定着污染物扩散的方向、风速则影响污染物扩散稀释的速度的结论相同。

2.4 垂直运动场

图5为2007年6月10—12日垂直速度沿38°N的剖面。由图5a可见，10日20:00石家庄市(114°E，38°N)上空950～270 hPa均为一致的正值区，850～650 hPa和400～300 hPa分别为0.35和0.2 Pa/s的大值中心，整层大气为一致的下沉气流，对流层高、低层垂直速度的配置有利于大气的扩散，因而10日没有出现霾天气。11日20时(图5b)，原在对流层中低层的正值区域由负值区取代，1 000～500 hPa为负值区，中心位于800～900 hPa，中心值为－0.2 Pa/s，650～150 hPa为正值区，中心位于350 hPa附近，中心值为0.35 Pa/s。即在650 hPa高度以下为上升气流，650 hPa高度以上为下沉气流，且上升速度小于下沉速度，微弱的上升气流使垂直湍流交换甚微，从而使得焚烧秸杆的烟雾只能伸展到650 hPa高度，不能向更高的空中扩散。12日20:00(图5c)，－0.6 Pa/s的中心位于1 000～800 hPa，800～200 hPa为一致的正速度区域，0.1 Pa/s的中心位于650～450 hPa，垂直速度的负值区域比11日的高度不但降低，而且强度有所加强，但下沉气流太弱，导致垂直湍流交换同样甚微，大量的烟雾还是被迫限制在800 hPa高度以下而不能向高空扩散，由于上升气流高度的降低而使得近地层的烟雾密度加大，所以使CCN粒子数浓度加大，能见度降至2 km。

2.5 探空分析

图5 2007年6月10日(a)、11日(b)和12日(c)20时垂直速度沿38°N的剖面(单位:Pa/s)Fig.5 The profiles of vertical velocity along 38°N at 20:00 BST on(a)10，(b)11，and(c)12 June 2007(units:Pa/s)

图6 2007年6月10日(a)、11日(b)、12日(c)和13日(d)08时邢台测站的探空图Fig.6 Sounding graph at Xingtai station at 08:00 BST on(a)10，(b)11，(c)12，and(d)13 June 2007

多静风，地表冷却快，常常会形成逆温层结。逆温层的存在同样可限制大气中的CCN粒子向高空传输，使逆温层以下CCN粒子数浓度增大。图6给出了10—13日08:00相邻探空站T-lnp图。可见，前3 d都有逆温存在，10日逆温温度为1℃，逆温厚度为990～940 hPa，差值为50 hPa，11日逆温温度为3℃，逆温厚度为950～900 hPa，差值为50 hPa，12日逆温温度为2℃，逆温厚度为960～910 hPa，差值为50 hPa。图6还表明，3 d的大气层结均为稳定的，并且由温度和湿度状态曲线可知，大气整层十分干燥。13日08时(图6d)，700 hPa以下层结湿度有了明显的增加，大气层结由稳定变为不稳定，SI指数为－6.4，cape值为831.6，由于大气的扰动，午后开始，能见度逐渐转好，霾天气趋于结束。10日有逆温而没有形成霾天气和CCN粒子数浓度不大的原因主要有，一是周边没有焚烧秸杆(10日入夜开始焚烧)，二是因为逆温差值小以及厚度比11日、12日薄。因此，连续3 d逆温，不仅使大气层结保持了稳定，而且抑制了近地层的污染物向高层大气扩散，再加上较小的风力也使得污染物的水平扩散受限，结果导致近地层污染数浓度逐日累积递增，雾蒙蒙的天气连续3 d笼罩在石家庄市上空。

3 小结

1)由烟粒子形成霾天气，CCN数浓度日变化总趋势呈上升态势。

2)逆温层可抑制污染物向高空传输，特别是当逆温层厚度较大时，更易使逆温层以下的CCN粒子数浓度增大，能见度变差。

3)对流层中、高层维持的下沉气流，可迫使烟雾聚集在近地面层而使得CCN粒子个数增加。

4)上升速度小于下沉速度，微弱的上升气流使垂直交换甚微而抑制近地面层烟雾的垂直扩散，加剧了低能见度恶化而导致霾天气的形成。

5)当在气象条件相对稳定的条件下发生人为排放时，区域内的能见度、空气质量主要取决于风向、风速和相对湿度等气象要素。

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