河北省中南部典型重污染天气特征分析

张 珺，薛 敏，宋晓辉

（河北省邯郸市气象局，河北 邯郸 056001）

【研究意义】清洁的空气是人们赖以生存的重要因素之一，河北省中南部属于我国京津冀地区的重要组成部分，作为河北省空气污染较重地区，空气重污染已对人民群众生产生活造成了严重威胁。对重污染过程进行个例分析研究，找出重污染的维持机制，可对空气质量改善起到积极的意义。

【前人研究进展】 国内很多学者对该区域的空气污染及相关气象条件进行了分析，刘晓慧等[1]对2014年两次重污染过程进行了分析发现，不利的气象条件是导致该污染过程的主要原因；许万智等[2]对发生在华北区域的一次重污染进行了分析，结果表明，该过程与天气过程关系密切；王冠岚等[3]对京津冀空气污染进行了统计分析，得出了时空分布特征。

【本研究切入点及拟解决的关键问题】 气象条件和空气污染关系密切，在污染物排放一定的情况下，空气污染物浓度大小主要受到气象条件的影响[4-7]。本文拟对典型重污染过程进行个例分析，找出重污染的维持机制，对我国河北地区中南部空气质量改善提供一定的参考。

1 资料来源

本文选用的资料主要包括空气污染资料和气象资料，空气污染源自河北省环保厅，时间为 2013年1月—2015年12月。气象资料源自河北省气象局整编资料，为同期国家地面气象观测站观测资料及高空资料。

2 典型重污染过程分析

河北省中南部石家庄市、邯郸市、邢台市、衡水市 4个城市在 2013—2015年3年共出现 19次连续3 d 及以上重污染天气过程，持续时间逐年递减，从 2013年出现最长连续 15 d 重度污染降到 2015年最长连续 5 d，说明近年来河北省采取的一系列减排措施对空气质量改善有效[8-10]。

2.1 2013年12月20—25日重污染天气过程分析

20—21日高空 500 hPa 上华北地区处于槽后脊前的西北气流中、冷平流弱。22日高空槽过境，等高线、等温线稀疏，高空风力弱；23—24日华北地区为高压脊控制，形势稳定，有暖脊发展；25日高空槽前环流较平，槽底部偏西气流。 20日高空 850 hPa 上受槽后西北气流控制，冷平流； 21日大陆高压控制，20:00 河北中部横切（南-北风）；22日高压控制（大陆高与副高打通），偏西气流；23日高压、偏北气流、冷平流；24日内蒙-蒙古横槽，槽前西西南气流（大陆高西北部）、弱暖平流；25日08:00，槽前西西北气流；20:00 槽后西北气流，风速加大，明显冷平流。

图1 2013年12月20日08:00850 hPa 高空图、海平面气压场

地面场上来看，20日08:00 河北省中南部处于高压前部的弱气压场中，风力较小，基本都在 2 m/s以下；21日08:00，高压东移中心位于内蒙古东部，河北省中南部仍为弱气压场控制；22—24日河北省中南部一直处于高压前部的弱气压场中；25日08:00 河北省中南部为弱气压场控，地面冷锋位于蒙古国东部至河套地区，冷锋后部风力普遍为 4～8 m/s，随着冷锋南压，持续多日的重污染天气结束。

2.2 2014年2月20—26日重污染天气过程分析

从 500 hPa 高空场来看，2014年2月20日08:00 欧亚大陆中纬度为两槽一脊，巴湖-里海和朝鲜半岛有低槽，我国为宽广的高压脊控制。河北省中南部受槽后西北气流控制，等温线与等高线一致；20:00宽脊区内环流较平；21—24日宽脊区、中纬度环流较为平直，以西西北气流为主（24日08 时西风）；25日08:00 河北省与山西省交界南北向低槽，河北省中南部槽前偏南气流，暖平流；浅槽后弱脊前西西北气流(无平流)；26日08:00—20:00 槽前西南气流，弱暖平流。高空 850 hPa 上，20—25日受副高边缘控制，偏南气流、暖平流；26日08:00 槽前偏南气流，平流弱，20:00 槽线在冀晋与鲁豫交界，槽后偏北气流，明显冷平流，扩散条件开始逐渐转好。

从地面场上来看，19日受高压脊控制，高压中心缓慢东移。20—26日华北大部受高压底部影响，22日08:00 气压场东高西低，高压中心在内蒙古自治区东北部，河北省中南部处于高压底部，地面气压场较弱，等压线稀疏，气压梯度不大，地面风速较小；之后高压中心逐渐南压，河北省中南部受高压底部影响；26日14:00 河北省大部位于冷锋前部，主要由于地形原因而产生的华北弱低压的中心位于河北省南部、山西省东部交界，低层污染持续堆积[11-12]； 随着 26日17:00 东北气旋加深，锋面移过华北大部分，气压梯度较大，扩散能力迅速增强。

此次过程污染比较重另一个原因是存在较强的逆温。2月22日08:00 在近地面和 850 hPa 上有 2个逆温层（图2），22日20:00 逆温层仍存在，23日08:00 逆温增强，20:00700 hPa 以下出现三层逆温，24日08:00 逆温继续维持，20:00 近地层有两层逆温，25日08:00850 hPa 逆温层增厚，20:00 逆温维持。逆温层的维持，说明大气层结构稳定，天气形势静稳，不利于污染物的扩散[13-14]。

图2 邯郸市邢台站2014年2月22日温度对数压力情况

2.3 2015年11月28日—12月1日重污染天气过程分析

从 500 hPa 来看，11月28日08:00 欧亚中纬度两槽一脊，巴湖-新疆为脊区、黑龙江-山东为低槽；28—30日河北省中南部受槽后西北气流控制（较平），等温线与等高线基本一致；1日08:00 河套槽前偏西气流，无明显平流；20:00 槽前偏西气流，平流不明显。

从 850 hPa 看，11月28日08:00 高压带（大陆高+副高）偏西气流，无明显平流；20:00 河套浅槽前有西南气流、暖平流；29日08:00 槽后转为西北气流，为弱冷平流；20:00 弱脊内为偏南风、弱暖平流；30日槽前（河套西槽）偏南气流、弱暖平流；12月1日低槽东移，河北省中南部处于低槽区，邢台市转为西北风，有弱冷平流；20:00 槽后西北气流，冷平流明显，气象扩散条件好转。

从地面场上看，11月28日08:00 河北省中南部处于高压底部，高压中心在内蒙古东部，此时为弱气压场；14:00 低压东移至东北地区，河北省中南部受弱气压场控制；28日20:00—29日02:00 河套倒槽减弱东移，河北省中南部受倒槽前弱气压场控制，风力微小；29日05:00 仍为低压控制；08:00 蒙古高压前部为弱气压场，高压东移，河北省中南部位于高压底部弱气压场；30日05:00 高压东移南下；12月1日20:00 锋面移过，气压梯度增大，扩散能力增强。

通过以上 3次典型重污染天气过程分析可以发现，暖平流、弱气压场、地面风速小等因素常导致污染物浓度积累上升，有利于重污染天气的发生和维持。

3 河北省中南部重污染天气的主要天气类型和不同天气形势下污染物特征

在19次重污染天气过程有4次重污染过程（2013年1月21—31日；2013年2月20—24日；2014年1月14—19日；2014年2月20—26日）受不同天气形势影响，分成了两个过程进行分析。对23次重污染过程进行了分型，分为了纬向型、西南气流型、西北气流型 3种天气类型。

3.1 纬向型天气形势特征

纬向型天气出现 9次，占总次数的 39%。此类型天气形势场特征为高空受纬向环流控制（如：平直环流、浅槽、弱西北气流或弱脊），850 hPa 多为暖脊控制，地面处于弱气压场控制（如：均压场、鞍型场、高压后部或弱高压等），其中鞍型场型污染尤为严重。纬向环流型对应的重污染过程持续时间长，影响范围大，天气形势相对稳定（图3）。

出现日期为 2013年1月5—19日，12月2—5日，12月15—17日。 2014年1月5—7日，1月29—2月2日，2月20—24日，11月20—22日；2015年1月14—16日，12月20—24日。

图3 重污染天气环流形势场——纬向环流型（a：500 hPa；b：地面）

3.2 纬向型天气形势下污染物浓度特征

利用 2013—2015年的重污染天气过程的数据进行统计分析得出，纬向型天气形势下以 PM2.5为首要污染物出现 64 d，占比 66.7%，以 PM10为首要污染物出现 31 d，占比 32.3%。邯郸市首要污染物以 PM2.5为主，出现 70.8%，以 PM10为首要污染物占比 29.2%；石家庄市首要污染物以 PM2.5为主，占比 83.8%，以 PM10为首要污染物占比 16.7%；邢台市首要污染物以 PM10为主，占比 58.3%，以 PM2.5为首要污染物占比 41.7%；衡水市首要污染物以 PM2.5为主，占比 70.8%，以 PM10为首要污染物占比 25%。对纬向型9次重污染天气过程进行分析(表 1，图4)发现 4个城市中 PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3浓度邢台市均为最高，SO2、CO 浓度石家庄市最高。

表1 纬向型天气形势下污染物浓度日均值 mg/m 3

图4 纬向型天气形势下 6种污染物空间分布情况

3.3 西南气流型天气形势特征

在 23次重污染天气过程中，西南气流型出现 6次，占总次数的 26%。500 hPa 受西风槽前西南暖湿气流控制，低空西南气流配合，地面为弱气压场。南支气流较强，空气中水汽含量较大，气层稳定，垂直运动小，造成污染物滞留在空气中不易扩散[15-17]。直到北方冷空气南下，河北省中南部上空转为西北气流控制，地面转为北风，重污染过程结束 （图5）。 出现日期为 2013年1月30—31日，2月24日—2014年1月19日，2月25—26日，2015年1月3—5日，12月7—10日。

图5 重污染天气环流形势场——西南气流型（a：500 hPa；b：地面）

3.4 西南气流天气形势下污染物浓度特征

西南气流天气形势下以 PM2.5为首要污染物出现 20 d，以 PM10为首要污染物也出现 20 d，二者各占比 50%。邯郸市首要污染物以 PM2.5为主，占 70%，以 PM10为首要污染物占比 30%；石家庄市首要污染物以 PM2.5为主，占比 60%，以 PM10为首要污染物占比 40%； 邢台市首要污染物以 PM10为主，占比 60%，以 PM2.5为首要污染物占比 40%；衡水首要污染物以 PM10为主，占比 70%，以 PM2.5为首要污染物占比30%。对西南气流型 6次重污染天气过程进行分析（表 2、图6），可以看出，PM2.5、PM10、SO2、NO2浓度邢台市均为最高，CO 浓度石家庄市最高，O3浓度衡水市最高。

图6 西南气流天气形势下 6种污染物空间分布情况

表2 西南气流天气形势下污染物浓度日均值 mg/m 3

3.5 西北气流天气形势下污染物浓度特征

在 23次重污染天气过程中，西北气流型出现8次，占总次数的 35%。500 hPa 以槽后脊前西北气流控制为主，有时有小股弱冷空气迅速东移；低空受西北气流或高压脊影响，地面受高压前部或底部的弱气压场控制，常有冷锋或弱冷锋配合，河北省中南部处于锋前弱低压或均压区中，空气垂直运动弱，使污染物不易扩散从而造成超标现象[18-20]（图7）。

图7 重污染天气环流形势场——西北气流型（a：500 hPa；b：地面）

出现日期为 2013年1月21—29日，2月20—23日，2月26—28日，3月6—8日，12月20—25日，2014年1月14—18日，3月8—10日，2015年11月28日—12月1日。

西北气流天气形势下，首要污染物以 PM2.5为主，出现 33 d，占比 68.8%，以 PM10为首要污染物出现 14 d，占比 29.2%。邯郸市首要污染物以 PM2.5和 PM10为主，各占 50%；石家庄市首要污染物以PM2.5为主，占比83.3%，以PM10为首要污染物占比16.7%； 邢台市首要污染物以PM2.5为主，占比75%，以 PM10为首要污染物占比 16.7%；衡水市首要污染物以 PM2.5为主，占比 66.7%，以 PM10为首要污染物占比 33.3%。对西北气流型8次重污染天气过程进行分析（表 3、图8），可以看出，PM2.5、PM10浓度石家庄市均为最高，SO2浓度邢台市最高，CO 浓度石家庄市最高，O3浓度邯郸市、邢台市、衡水市均为 0.05 mg/m 3 ，均高于石家庄市。

图8 西北气流天气形势下 6种污染物空间分布情况

表3 西北气流天气形势下污染物浓度日均值 mg/m 3

3种天气形势下，4个城市 PM2.5、PM10、CO、NO2浓度日均值在西南气流形势时最大，分别为 0.31，0.47，4.43，0.13 mg/m 3 ；SO2浓度日均值在西南气流和西北气流形势时最大，为 0.13 mg/m 3 ；O3浓度在西北气流形势时浓度最大，为 0.05 mg/m 3 。

4 结论与讨论

本文以河北省中南部为例，利用 2013—2015年环境资料和气象资料，结合数值模拟，统计了连续 3 d及以上重污染天气过程，并对3次典型重污染过程进行了分析，结果表明：暖平流、弱气压场、地面风速小等因素常导致污染物浓度积累上升，有利于重污染天气的发生和维持。对 23次重污染过程进行了分型，分为了纬向型、西南气流型、西北气流型 3种天气类型，分析了 3种天气类型下 6种污染物的空间分布，找出了不同天气形势下污染物浓度特征：3种天气形势下，4个城市 PM2.5、PM10、CO、NO2浓度日均值在西南气流形势时最大，SO2浓度日均值在西南气流和西北气流形势时最大，O3浓度在西北气流形势时浓度最大。