廊坊市“突发”空气重污染的低层风场对比分析

郭立平，黄浩杰，闻 静

(1.河北省廊坊市气象局，河北 廊坊 065000；2.河北省廊坊市生态环境局，河北 廊坊 065000)

1 前 言

随着我国经济和工农业的快速发展，相关生产、生活带来的空气污染问题日显突出，已经成为全国乃至全球重点关注的热点问题之一。目前，关于空气污染的气象条件研究取得了一些成果[1～12]：其中邓霞君等[1]分析了丽水空气污染物与气象因子的相关性，认为各主要污染物浓度随气象因子的变化而不同：王冠岚等[2]通过对京津冀各地空气质量的研究认为，首要污染物多为原地生成，秋冬季节空气污染加重与燃煤用量加大、静稳天气增多关系密切，气象条件(风、雨、不稳定大气层结等)对空气污染扩散起着重要作用；张建忠等[3]分析了京津冀4次重度污染过程认为就目前的排放水平而言，相对湿度持续高于60 %时是出现重度污染并维持的重要指标；无论是在冬季、春季还是秋季出现的重度污染过程，平均风速小于2.0 m/s是污染物堆积的必要条件。此外，苏福庆等[13]、郭立平等[14-15]分析了外来污染物的输入通道流场，并将其分为边界层西南气流、东南气流和东风气流风带型等；杨柳林等[16]利用微元法求解大气污染物的输送通量；王自发等[17]利用自主研制的嵌套网格空气质量数值预报模式(NAQPMS)初步评估了2013年1月我国中东部强霾污染天气下大气细颗粒物(PM2.5)时空分布特征、传输规律和防控力度；秦云苗等[18]分析了不同等级霾日气象条件的异同特征及与空气污染的关系；安俊岭等[19]利用 WRF-CAMx模式定量给出了四季北京、天津和河北大气边界层中PM2.5等污染物跨界输送通量和北京净输入或输出通量；张巍等[20]以及余进海[21]分别分析了四川省近年来空气质量变化趋势及污染特征以及江苏省大气重污染过程特征分析以及预报效果评估，其中余进海认为冬季风异常是造成重污染加重的重要原因，秋冬季预报时应该及时分析短期气候变化，尤其是风场的变化。

上述成果对深入研究空气污染的形成、维持、输送以及治理具有一定的积极意义。但是对空气质量的转折过程及垂直风场特征研究较少，甚至没有提及到，这对于及时开展空气污染的科学防控，指导公众应对空气重污染缺乏参考依据。因此，研究、分析空气重污染前后大气风场的转变特征具有积极意义，可为今后空气重污染的及时预报预警、科学防控提供依据。

2 资料来源及标准

文中所用空气污染资料为廊坊市环保局提供的2013年1月～2015年12月逐日AQI以及逐小时、逐日的PM2.5、PM10、NO2等污染物的浓度监测数据，空气质量等级采用中华人民共和国国家标准GB3095-2012和中华人民共和国国家环境保护标准HJ 633-2012的规定，空气质量指数(AQI):51～100为2级，良；3级：101～150，轻度污染；4级：151～200，为中度污染；5级：201～300，重度污染；6级：>300，严重污染；5级和6级均为空气重污染级别；所用气象资料为中国气象局下发的MICAPS资料和廊坊市气象观测站自动站资料。

文中“突发”空气重污染[15]过程指2级转5级、3级转5级，4级转5级、3级转6级和4级转6级的空气质量转折过程。

3 “突发”空气重污染的AQI指数变化分析

廊坊市位于冀中平原，北京、天津两大城市之间。根据环保局空气质量数据，2013～2015年廊坊市共出现86次“突发”空气重污染过程(表1)，其中3级转5级最多，2级转5级次多，4级转6级最少；从3年的分布看，2013年最多，2015年最少；从变化看，3级转5级有明显下降，2级转5级也有下降，但4级转5级有明显上升，分析原因有两个方面：一是由于空气污染问题得到重视，经过治理，空气质量有一定程度改善；二是导致空气重污染的原因比较复杂，其中包括大气条件的改变，需要不断分析。

分析“突发”空气重污染过程的AQI指数变化看(表2)，3级转6级AQI平均值变化最大，达到227，其次4级转6级，第三2级转5级，4级转5级最小，3年AQI的变化平均值为75。从“突发”空气重污染前一日及当日的AQI平均值分布看，最大值均出现在2015年，表明空气重污染发生时强度没有下降。此外，在各级“突发”空气重污染过程中，3级转6级其AQI指数的变化值逐年下降，4级转5级也有下降，但2级转5级、3级转5级、4级转6级其AQI变化值均在2015年最大，表明“突发”空气重污染发生时空气污染程度具有变化幅度较大，突发性质及原因复杂等特点。

表1 2013～2015年廊坊“突发”空气重污染的分布特征Tab.1 The distribution characteristics of “sudden” heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015

表2 2013～2015年廊坊"突发"空气重污染的AQI指数变化特征Tab.2 The change characteristics of AQI indexes of “sudden” heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015

4 “突发”空气重污染的低层风场变化特征

空气重污染的形成和影响主要在大气低层，上述研究[10,12]也提到大气风场条件是空气污染形成的重要气象因子之一。因此，以下重点分析2、3、4各等级空气质量转重污染前后850 hPa、925 hPa、1 000 hPa及地面等4层大气风场的变化特征。

4.1 地面风向变化特征

利用廊坊市气象观测站自动站逐小时2min平均风向资料分析2、3、4各等级空气质量转空气重污染前后地面风向频率变化，结果见图1。

图1 2013～2015年廊坊“突发”空气重污染的地面风频变化(左：重污染前，右：重污染日)Fig.1 The variations of ground wind direction frequency of heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015

从图1中可以看出，在2、3、4级空气质量转重污染过程中，静风(PPC,下同)比例均有不同程度的增加，偏北风(NW、NNW、 N、NNE)比例下降，偏东风(ENE、E、ESE，下同)、西南风(SSW、SW、WSW，下同)比例增加。其中2级转5级，风向频率增加比例最大的是PPC，其次为SSW及E风；3级转5级，风向频率增加比例最大的是ENE风，其次为NE及PPC；3级转6级，风向频率增加比例最大的是SW风，其次为SE及PPC；4级转5级，风向频率增加比例最大的是WNW风，其次为ENE及PPC；4级转6级，风向频率增加比例最大的是ENE风，其次为NE及PPC。

因2013～2015年“突发”空气重污染的日期分布略有不同，其最大风向频率分布也略有不同(表3)。2013年“突发”空气重污染主要分布在1～3月、8～9月、11～12月，2014年分布在1～3月、7月、10～12月，2015年则主要分布在1月、10月、11～12月。廊坊市气候是比较典型的季风气候，冬季(12～次年2月)盛行偏北风，夏季(6～8月)盛行偏南风，春季(6～8月)、秋季(6～8月)是偏北风、偏南风转换季节，春季以偏北风为主，秋季以偏南风为主。尽管3年间“突发”空气重污染的日期分布有差异，但从表3中可以看出，静风、西南风、南西南风、西西南风、偏东风是空气重污染日最大频率的风向，无明显月份差异。对表中2015年4级转6级的严重污染过程分析看，虽然最大风向频率为北风，但北风时段风速均≤1m/s，且同时静风频率增加。

此外，在“突发”空气重污染前，空气质量较好为2级或3级时，地面风向偏北风所占比例较高，但同时发现SW、WSW、W、ESE等不利风向的比例也比较高，因此，不利风向持续时间的比例是“突发”空气重污染的关键因素。统计结果表明，当地面风向转为偏东风及西南风时，且在一日中控制时间长比例≥65.2%，则容易达到空气重污染；当前期空气质量略差为4级时，偏东风及PPC 控制时间长比例增加并达到≥51%时，也容易造成空气重污染。

上述分析表明，廊坊市空气质量明显转差的过程中地面风向表现有明显的改变，尤其以转6级的过程改变最明显，最大频率风向转为SW、SSW、PPC的比例增加。综合分析看，静风、偏南风至偏西风(SW/SSW/WSW/W)、偏东风(E/ENE/ESE/SE)及其控制时间长度是廊坊“突发”空气重污染的关键气象因子之一。

表3 2013～2015年廊坊“突发”空气重污染的最大风向频率变化Tab.3 The changes of maximum wind direction frequency of "sudden" heavy air pollution in Langfang from 2013 to2015

4.2 地面风速变化特征

同样分析2、3、4各等级空气质量转重污染前后地面风速变化，通过计算可以看到(表4)：2级转5级，平均风速由1.8 m/s减小到1.2 m/s，3级转5级，由1.7 m/s减小到1.4 m/s，3级转6级，由1.5 m/s减小到1.2 m/s，4级转5级，平均风速略有增加由1.3 m/s增加到1.4 m/s，4级转6级，平均风速由1.3 m/s减小到1.1 m/s。其中2级转5级，地面平均风速下降幅度最大，达到0.6 m/s·d。由此可见，“突发”空气重污染过程中伴有较明显的地面风速变化，而在风速减小的过程中，由于空气污染物气象扩散条件转差而造成空气重污染，此外，从表4中还可以看出，3年间各等级“突发”空气重污染的平均风速、最大风速变化还是存在差异，其中空气重污染日平均风速、最大风速均减小的比例达63.2%，平均风速减小，最大风速增加的比例达31.6%，平均风速，最大风速均增加的“突发”空气重污染只出现在2015年的4级转5级过程中。造成空气重污染日平均风速、最大风速增加的原因主要有两个：一是随大气环流形势的变化，利于空气重污染产生的风向持续时段，其风速增加；二是空气重污染日将结束的时刻，由于冷空气入侵，短时段风速增加，但从表中可以看出，空气重污染日最大风速均在7 m/s以下。

表4 2013～2015年廊坊“突发”空气重污染的平均及最大风速分布特征Tab.4 The distribution characteristics of average and maximum wind speed of "sudden" heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015 (平均/最大，m/s)

4.3 1 000、925、850 hPa风场变化特征

空气重污染的形成和分布具有一定垂直高度，因此，进一步分析2、3、4各等级空气质量转重污染过程的1 000 hPa、925 hPa以及850 hPa高度大气风场的演变特征，为空气污染防控提供更多科学依据。

4.3.1 风向变化特征

利用中国气象局下发的MICAPS气象资料，分别计算2、3、4各级空气质量转重污染前后1 000 hPa、925 hPa以及850 hPa平均风场的风向演变特征。结果表明，在1 000 hPa图上(图2)，2级转5级、3级转5级、3级转6级污染过程中，空气重污染前廊坊市均以偏北风控制为主，空气重污染日均转为偏北风与西南风或东南风交汇的辐合区域中；3级转6级较2级转5级、3级转5级，其西南、东南风区域分布更广，从河套南部向东延至渤海湾；4级转5级、4级转6级空气重污染前，廊坊市处于偏北风与偏南风或西南风形成的辐合区域内，转5级空气重污染时，表现为东南风区域的扩大北抬，转6级时西南风区域增大且有偏东风的加入，气流的辐合特征更明显。

分析925 hPa大气风场风向的变化特征可以看出：在925hPa层，空气重污染前后，风场风向仍表现有明显的实变特征，但相比1 000hPa其风向辐合程度偏弱，2级转5级、3级转5级、3级转6级空气重污染前，廊坊市925 hPa高度均处在偏北或西北风控制下，空气重污染日，均转为处于西南或东南风控制下，4级转5级、4级转6级空气重污染前，基本为偏西或西南风控制，转5级时表现为较4级范围更广的西南风控制，转6级时通常是在河北省中部地区形成一个明显的气流辐合区域。

分析850 hPa层，大气风场风向的变化特征发现，在850hPa空气重污染前后，风场风向也有一定程度的转变，相比1 000hPa、925hPa其风向辐合程度进一步减弱，2级转5级、3级转5级、3级转6级空气重污染前，廊坊市850 hPa高度均处在西北风控制下，空气重污染日，从河南省一直到河北省北部地区，均转为明显的西南风控制，其中3级转5级西南风的南北径向度略大；4级转5级、4级转6级空气重污染前，河北省基本处于偏西风控制下，转5级时廊坊市转为西南风控制，转6级时为偏北风控制，这与1 000 hPa、925 hPa风场风向的变化有区别，分析其原因，一是4级转6级发生日数少，二是空气严重污染时，气流的辐合高度偏低，形成在925 hPa及以下，空气重污染的垂直高度低。

图2 2013～2015年廊坊“突发”空气重污染的1 000hPa平均风场分布特征(左：重污染前08时；右：重污染日20时) 小箭头：风矢量；黑箭头：主要风向；细线：风场辐合线Fig.2 The distribution characteristics of average wind field at 1 000 hPa of heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015

上述分析可见，尽管“突发”空气重污染发生的季节、时间每年有差异，1 000 hPa、925 hPa、850 hPa三层的实际高度也各不相同，但转空气重污染的过程中大气风场的变化基本是一致的，空气重污染前，1 000 hPa、925 hPa以及850 hPa高度基本为西北或偏西风控制，形成空气重污染时，各层风向转为以西南、东南或偏东风控制为主，且常形成风的辐合场。在1 000 hPa、925 hPa、850 hPa三层大气风场风向变化不一致的条件下，以更低层1 000 hPa的风场风向变化为参考点。

4.3.2 风速变化特征

同样分别计算各级“突发”空气重污染的1 000 hPa、925 hPa以及850 hPa平均风场的风速变化特征。并以廊坊市附近的格点值(115°E、40°N)为代表分析廊坊市1 000 hPa、925 hPa及850 hPa大气风场的平均风速变化特征。结果表明：1 000 hPa，各级“突发”空气重污染日平均风速均有不同程度的减小，2级转5级减小最大，达到1.7 m/s，3级转6级次之，为0.5 m/s，3级转5级最小，为0.07 m/s；925 hPa除4级转5级为增大0.4 m/s外，其余均为风速减小，减小最大为4级转6级，达到2.7 m/s，其次2级转5级达到2 m/s，最小3级转5级，达到0.9 m/s；850 hPa除3级转5级和4级转5级外，平均风速均为减小，其中4级转6级减小最大，达到0.63 m/s，其次3级转6级，达到0.56 m/s。从三层风速变化看，4级转6级、3级转6级925 hPa、850 hPa平均风速减小较其它等级明显，且较1 000 hPa减小明显；2级转5级，3级转5级，925 hPa、1 000 hPa风速减小明显，且较850 hPa减小明显；4级转5级只在1 000 hPa风速减小。由此可见，除4级转5级外，其余等级“突发”空气重污染过程850 hPa、925 hPa、1 000 hPa存在二层或三层风速均有不同程度减小的特征。可见“突发”空气重污染的级差变化越大、污染程度越重，大气的垂直变化越深厚。

此外，从各级“突发”空气重污染的850 hPa、925 hPa、1 000 hPa平均风场的U分量(负值为风向自东向西，反之为正)见(表5)，850 hPa，空气重污染前后均以西风控制为主，3级转6级、4级转6级西风风速略有减小，其余等级西风风速略有增大；925 hPa，4级转6级转为东风控制，其余以西风控制为主，4级转5级风速略有增大，其余均减小；1 000 hPa，除4级转5级外，其余均转为东风控制，且除3级转5级、4级转5级外，风速均有减小。

从V分量(负值为风向自北向南，反之为正)变化看，除4级转6级外，其余等级850 hPa、925 hPa均表现为南风风速增加，在1 000 hPa均表现为北风风速较小；而4级转6级的过程在925 hPa、1 000 hPa表现为风速减小，结合U分量变化，东风控制层增加，辐合特征明显。

综合上述分析可以看出，在“突发”空气重污染过程中，850 hPa、925 hPa、1 000 hPa伴有以北风风速减小、南风风速增加的变化特征，且“突发”空气重污染的级差越大、污染程度越重，大气的垂直变化越深厚。

表5 2013～2015年廊坊“突发”空气重污染的高空风速V分量分布特征Tab.5 The V component distribution characteristics of upper wind speed of “sudden” heavy air pollution in Langfang from 2013 to 2015 (m/s)

5 结论与讨论

5.1 廊坊市“突发”空气重污染时，因污染程度变化的差异可分为5个等级，其中3级转6级AQI变化最大，平均变化值达227，4级转5级最小为75。

5.2 “突发”空气重污染过程中，地面风向风速均有明显变化，风向以偏北风控制时间长比例下降，静风、偏南风至偏西风(SW/SSW/WSW/W)、偏东风(E/ENE/ESE/SE)及其控制时间长比例增加；除4级转5级外，地面平均风速均有不同程度下降，以2级转5级下降幅度最大，平均达0.6 m/s·d。

5.3 空气重污染前，1 000 hPa、925 hPa以及850 hPa高度基本为西北或偏西风控制，形成空气重污染时，各层风向转为以西南、东南或偏东风控制为主，或者形成风的辐合场。在1 000 hPa、925 hPa、850 hPa三层大气风场风向变化不一致的条件下，以更低层1 000 hPa的风场风向变化为参考点。

5.4 在“突发”空气重污染过程中，850 hPa、925 hPa、1 000 hPa伴有以北风风速减小、南风风速增加的变化特征，且“突发”空气重污染的级差变化越大、污染程度越重，大气的垂直变化越深厚。