哈尔滨春季一次罕见重度霾天气成因分析

李树岭，赵 玲，花 丛，张 鑫，姜 兵，徐盛荣，景学义

（1.哈尔滨市气象台，黑龙江 哈尔滨150028；2.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨150030；3.国家气象中心，北京100081；4.哈尔滨市环境监测中心站，黑龙江 哈尔滨150076）

霾是指大量极细微的尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度＜10 km 的空气普遍混浊现象[1]。霾天气发生时，空气质量明显下降，能见度降低，严重影响人体健康和交通安全[2-5]。特殊的大气环流背景和不利于霾粒子扩散的气象条件，如近地层逆温、较小的风速、较低的混合层高度及较高的空气湿度等，是霾天气发生、维持和发展的主要原因[6-9]。霾天气的发生具有较强的季节性，李艳春等[10]研究表明，秋、冬季是银川市重度霾天气的多发季节。胡琳等[11]分析了陕西省霾天气的变化特征，得出从季节变化来看陕西省及各区域均为冬季霾日最多，秋季次之。崔妍等[12]通过对东北地区近50 a 霾天气气候特征分析，发现东北地区霾日主要集中在冬季，秋季次之，春季最少。刘宇飞等[13]分析发现哈尔滨中度、重度空气污染现象主要集中在冬半年，4—9 月极少有中度以上污染天气出现。由于春季霾天气发生概率低于秋冬季，国内众多学者在对霾天气过程成因研究上，也大多集中选取秋冬季节发生的个例进行分析[14-18]，而对春季发生的霾天气研究较少，特别是对哈尔滨地区春季霾天气发生和消散规律的研究尚属空白。

2018 年4 月4 日夜间—5 日上午哈尔滨市区出现重度霾，4 日23 时—5 日12 时持续出现13 h 重度或以上级别空气污染，首要污染物为PM2.5。5 日08 时前后污染程度最重，空气质量指数（AQI）达到500。5 日04—08 时，哈尔滨气象观测站能见度持续近4 h 低于2 km，最低能见度仅为1.1 km。本文分析引起这次春季罕见重度霾天气成因，为今后做好霾天气预报预警工作提供参考依据。

1 资料与方法

本文利用地面气象观测、高空气象探测和环境监测资料以及卫星遥感火点监测资料，结合HYSPLIT 气团后向轨迹模式模拟结果，分析哈尔滨2018 年4 月4—5 日重度霾天气成因。地面资料为每日8 次MICAPS 数据以及每小时一次自动气象站观测资料。高空资料为每日2 次哈尔滨气球探空资料和L 波段探空雷达秒数据。PM2.5、AQI 等环境数据以及解译识别后的卫星遥感监测火点图像来源于哈尔滨市环境监测中心站。哈尔滨市辖区内环境监测站观测数据的平均值代表哈尔滨市空气质量（图1）。

图1 哈尔滨市环境监测站分布

大气污染程度确定以空气质量指数（AQI）为准。AQI 是定量描述空气质量状况的指数，参与空气质量评价的主要污染物是细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）等6 项。根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012）规定：空气污染指数划分为0～50、51～100、101～150、151～200、201～300 和＞300 六个级别，对应于空气质量的级别分别是优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染。空气质量指数（AQI）取值范围定为0～500，当AQI 达到500 时称AQI 爆表。

后向轨迹分析采用HYSPLIT 模式，其大气环流场采用gdas1°×1°分析资料，后向轨迹分析起始高度选为500 m，分别以2018 年4 月4 日20 时、5 日02时、5 日08 时、5 日14 时、5 日20 时为起始时间做后向轨迹模拟，模拟时长为36 h，每6 h 进行一次后向轨迹模拟。

2 霾天气实况

2018 年4 月4 日21 时—5 日13 时，哈尔滨出现连续17 h 重度或以上级别（AQI＞200）污染，首要污染物是PM2.5（图2）。5 日00—10 时，PM2.5浓度＞250 μg/m3，08 时前后污染程度最重，AQI 为500，达到爆表值，首要污染物PM2.5浓度为507 μg/m3。 4日夜间至5 日早晨，伴随着污染物浓度增加，霾加重，哈尔滨能见度转差，5 日04—08 时，哈尔滨市区能见度持续4 h 低于2 km，达到重度霾标准，06 时前后哈尔滨能见度降至最低，仅为1.1 km 左右（图3）。5 日白天，霾逐渐减弱消散，能见度增加，空气质量转好。

图2 2018 年4 月4—5 日哈尔滨AQI、PM2.5、PM10时间序列

图3 2018 年4 月5 日06 时黑龙江省能见度分布

3 成因分析

3.1 主要污染物特征和来源分析

为分析这次重污染天气过程中污染物特征和可能来源，图4 给出3 种CO、NO2、SO2污染物浓度随时间的变化。结合图2 分析可知，CO、NO2、SO2浓度与AQI 指数和PM2.5浓度的变化趋势较为一致。根据《生物质燃烧源大气污染物排放清单编制技术指南》，生物质开放燃烧排放系数中的秸秆露天焚烧排放CO：NOx：SO2=50：3：0.5，NOx：SO2=6：1；根据《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南（试行）》，烟煤燃烧排放的CO：NOx：SO2=50：0.6：2.6，NOx：SO2=0.23：1；计算这次空气重污染阶段CO、NO2、SO2的比例为50：2.2：0.92，NO2：SO2=2.4：1。从3 组数据可以推断，在这次重污染天气过程中，除秸秆焚烧是主要排放源外，供暖燃煤也是污染物的一个重要排放源，这与4 月初哈尔滨仍处在供暖期也比较吻合。

图4 2018 年4 月4—5 日哈尔滨CO、NO2、SO2浓度时间序列

为进一步证实秸秆焚烧是主要污染源，分析2018 年4 月4 日卫星火点监测资料发现（图5），包括哈尔滨市周边郊区在内的黑龙江省西南部和吉林省西北部等地有较密集的秸秆焚烧火点，所以可确定这次重度霾的产生与秸秆焚烧密切相关。利用HYSPLIT 后向轨迹模式模拟出这次重污染天气过程中秸秆焚烧污染物传输特征（图6），气团远距离时以西北路径为主，近距离时多转为偏西路径，经过秸秆焚烧火点密集区域向哈尔滨输送污染物浓度较高的空气。尤其是以5 日08 时和5 日14 时为初始时间的后向轨迹显示，在4 日14 时—5 日02 时，气团经过黑龙江省大庆、绥化南部以及吉林省松原北部这些秸秆焚烧集中区域时，最低高度降到距离地面约200 m 的位置上，气团与下垫面较高浓度的污染物充分混合后继续移向哈尔滨。哈尔滨这次重度霾的产生与上游秸秆焚烧释放的污染源输送有密切关系。利用花丛等[19-20]构建的传输指数计算方法计算哈尔滨逐6 h 传输指数，结果显示，4 日夜间传输指数逐渐增大，5 日08 时传输指数达到最大值为2.51，这也进一步说明污染物传输对哈尔滨5 日08时前后霾发展到最重程度有重要作用。

3.2 大气扩散气象条件分析

3.2.1 地面气象要素特征

图5 2018 年4 月4 日哈尔滨市周边秸秆焚烧疑似火点分布

图6 4 月4—5 日哈尔滨市污染传输后向轨迹

2018 年4 月4 日傍晚，哈尔滨风向由西北风向偏西风转变，风速减小，能见度降低，霾和空气污染逐渐加重。重度霾时段即5 日04—08 时10 m 风速为1.5 m/s 左右，其中5 日06 时风速只有0.1 m/s，接近静风。黑龙江省4 月5 日06 时平均风速空间分布显示哈尔滨周边区域风速为1 m/s 左右，较小风速区域与能见度较低区域（图3）几乎重合。风向随时间由偏西风向偏南风和偏东风转变（图7），风向气旋性辐合有利于污染物积聚，使空气污染加重。5日早晨，风向以偏南风和偏东风为主，08 时前后风向气旋性旋转最明显，风向辐合最强，风速最小，能见度最低，空气污染达到最重程度。5 日中午到傍晚，风速增加至2～3 m/s，风向逐渐转为偏北风，能见度增加，霾减弱，空气质量好转。另外，从5 日08 时地面风水平分布图也可以看到哈尔滨附近风向的明显辐合现象（图8）。可见，地面风速小以及风向辐合不利于污染物水平扩散，偏南风和偏东风有利于霾加重，偏北风和风速增大有利于空气中污染物沉降和扩散。

相对湿度增大容易造成气溶胶颗粒物吸湿增长并导致能见度下降和空气污染加重。虽然哈尔滨春季这次重度霾发生期间相对湿度持续较小，最大相对湿度仅为60%左右，但是，仍然可以分析出对应关系（图7）。4 日傍晚至5 日早晨，随着气温下降，相对湿度增大，再加上空气中污染物增加，能见度逐渐下降，霾加重，5 日凌晨到早晨，相对湿度达到相对峰值，能见度降至2 km 以下。但是相对湿度与污染物浓度关系较为复杂，空气污染最重出现在5 日08时，而没有出现在相对湿度最大的06 时。09 时，相对湿度已经降至23%，PM2.5浓度只是略有减小，直到12 时，相对湿度降至19%，PM2.5浓度才降至200 μg/m3以下。空气污染程度迅速减弱时间比相对湿度明显减小时间滞后，可能与早晨太阳出来后水汽蒸发导致空气中污染物浓度增加有关。

图7 2018 年4 月4—5 日哈尔滨PM2.5 浓度、能见度、相对湿度及风向风速变化

3.2.2 低层气象要素垂直分布特征

图8 2018 年4 月4 日08 时（a）和20 时（b）、5 日08 时（c）和20 时（d）哈尔滨边界层相对湿度和温度探空廓线

哈尔滨4 日08 时—5 日20 时探空资料（图8，表1）可说明污染物垂直扩散气象条件由好转差再由差转好。700 hPa 以下持续为干层，风力随时间减小，其中850 hPa 风力由4 日08 时的16 m/s 减小至4 日20 时的9 m/s，再减小至5 日08 时的4 m/s，1 000 hPa 风力由4 日08 时和20 时的5 m/s 减小至5 日08 时的1 m/s。4 日20 时有贴地逆温，逆温强度达1.6 ℃，逆温层顶高度和逆温层厚度为123 m。5 日08 时仍然存在贴地逆温，逆温强度为1.3 ℃，逆温层顶高度和逆温层厚度为105 m，比4 日20 时降低。风速随时间减小，较小的风速层增厚，逆温层顶高度降低、厚度变薄，这些气象要素变化特征表明，哈尔滨附近低层静稳气象条件有加强趋势，不利于污染物扩散，致使5 日06 时前后能见度降至最低，为1.1 km、5 日08 时哈尔滨市区AQI 为500，达到爆表程度。5 日白天，低层稳定层结向中性层结演变，逆温减弱，5 日20 时探空资料显示哈尔滨已无明显逆温，垂直扩散气象条件转好，能见度增加，污染物浓度降低，霾减弱，空气质量转好。

表1 2018 年4 月4—5 日哈尔滨低层温度与空气质量特征

3.3 有利于重度霾和空气污染的天气形势特征

3.3.1 地面为高压均压区

4 日白天，黑龙江省位于地面高压前低压后西北气流里，扩散气象条件较好。随系统东移，4 日夜间到5 日白天，哈尔滨市等黑龙江省西南部地区转为高压均压区，气压梯度和风力小，不利于污染物扩散。5 日早晨，除地面为均压区和风力较小特点外（图9），哈尔滨附近有明显的风向辐合，更有利于污染物积聚，出现重度霾天气。5 日白天，系统向东南方向移动，黑龙江省西南部地区地面逐渐位于高压前部，哈尔滨市及周边由较弱的偏南风转为偏北风，风场辐散和下沉运动有利于污染物沉降，霾逐渐减弱消散。

3.3.2 中低层有弱高压脊和暖锋锋区

图9 2018 年4 月5 日08 时海平面气压场

4 日白天至5 日白天，哈尔滨随时间依次位于850、700 和500 hPa 高压脊前、高压脊中、高压脊后的高空槽中，脊线随高度后倾。850 hPa 暖锋锋区自西向东移经黑龙江省，等温线较密集，哈尔滨850 hPa 温度由4 日08 时的-15 ℃升至5 日08时的-9 ℃。4 日20 时，内蒙古东部至东北地区西部呈现为反气旋风向变化，上游为4 m/s 左右的偏南风向黑龙江省输送暖空气（图10）。这种暖锋锋区和暖平流形势是黑龙江省冬半年容易出现逆温和静稳天气的一种典型形势。4 日夜间近地面有逆温层，风力小，静稳天气形势持续，大气扩散条件持续较差。到5 日08 时前后，影响黑龙江省的低层暖空气势力达到最强，能见度最低，空气中污染物浓度积累达到峰值。5 日白天随着高空槽移近，哈尔滨风向逐渐转为东北风，向黑龙江省西南部输送冷空气，再加上日出后湍流加强，近地面逆温等静稳天气条件遭破坏，霾逐渐减弱，能见度增大，空气质量转好。中低层温压场的演变过程与近地面静稳天气和空气质量、能见度变化趋势吻合。

3.4 大气扩散气象条件分析

图10 2018 年4 月4 日20 时850 hPa 高度（蓝色等值线，单位：dagpm）、温度（红色等值线，单位：℃）和风场（风羽，单位：m·s-1），

静稳天气指数（SWI）是综合反映大气污染扩散气象条件的综合量[21]，分析哈尔滨这次重度霾天气的SWI 变化（表2）发现，SWI 在污染积累阶段明显升高，在污染加重时段持续较高，SWI 为8，但是在霾减弱消散阶段，SWI 略有增加，直到5 日夜间偏北风风力加大后SWI 大幅度减少。春季由于近地面逆温程度比秋冬季明显减小等原因，SWI 也比秋冬季空气重污染和重度霾出现时[7]明显减小。5 日下午到傍晚，哈尔滨SWI 持续较大与PM2.5浓度迅速减小、霾减弱消散趋势不一致，分析出现这种现象的可能原因是5 日下午至傍晚，风向逐渐向偏北风方向转变，但是风力增大幅度小，地面仍然持续为均压场状态，气压变化幅度小，低层温度垂直递减率仍然较小，这些特征有利于维持较大的SWI。在污染源方面，由于5 日政府部门的管控措施加大，秸秆焚烧现象得到有效控制，输送到哈尔滨的外地源峰值期已经结束，再加上有弱冷空气和偏北风逐渐入侵以及湍流的日变化特点，空气中大气扩散气象条件好转，能见度增大，污染物浓度减小。在4 月初，哈尔滨及周边地区取暖燃煤量已经大幅度减少，即使在空气扩散气象条件较差的情况下，如果没有秸秆集中焚烧现象出现，空气中污染物含量很难造成重度霾天气现象。

表2 哈尔滨2018 年4 月4—5 日静稳天气指数（SWI）

4 结论与讨论

（1）秸秆焚烧是引发哈尔滨2018 年4 月4 日夜间到5 日早晨污染物浓度爆发性增长的最关键原因，此次重度霾天气首要污染物为PM2.5，5 日08 时前后污染程度最重，AQI 为500，达到爆表值，PM2.5浓度高达507 μg/m3，污染物来源既有本地源又有外地源，能见度较小区域与地面风速小和秸秆焚烧的叠加区域对应关系较好。HYSPLIT 模型可以模拟出这次重度霾天气的污染物传输特征。

（2）近地面风速小，风向呈弱气旋性辐合，湿度增大，有利于形成霾。低层存在较强的贴地逆温，逆温层顶高度超过100 m，逆温强度约为1.5 ℃/100 m，不利于污染物在垂直方向上扩散。地面均压场和高空弱高压脊、暖锋锋区和暖平流为这次重度霾天气提供了有利的大气环流背景条件。

（3）4 日夜间传输指数逐渐增大，5 日08 时污染最重时传输指数达到最大值2.51，污染物传输对哈尔滨此次霾污染发展到最重程度有明显作用。

（4）静稳天气指数变化与此次霾天气的发展和持续阶段较为一致，但是霾减弱消散时间比静稳天气指数大幅度减小的时间偏早，这种现象一方面与湍流日变化有关，另一方面与空气中污染物减少有关。

（5）污染源与较差的扩散气象条件对于霾天气的形成缺一不可，但是由于哈尔滨4 月初逆温等静稳气象条件弱于秋冬季节，秸秆集中焚烧在春季对重度霾天气形成的贡献大于气象条件。