2014年10月8-11日石景山區(qū)重污染天氣過程分析

曹 云 張靜靜 朱 立 苗鳳梅 許 明 李 輝 李 朝

（北京市石景山區(qū)氣象臺 北京 石景山區(qū) 100043）

2014年10月8-11日石景山區(qū)重污染天氣過程分析

曹 云 張靜靜 朱 立 苗鳳梅 許 明 李 輝 李 朝

（北京市石景山區(qū)氣象臺 北京 石景山區(qū) 100043）

2014年10月8-11日北京地區(qū)出現(xiàn)一次重污染天過程，此次重污染天過程持續(xù)時間長，PM2.5濃度維持在嚴(yán)重污染程度，給城市環(huán)境和交通帶來嚴(yán)重影響。本文利用常規(guī)氣象資料分析了此次重污染天氣發(fā)生的環(huán)流背景和與各氣象要素在時間變化上的特征。分析得出 PM2.5濃度變化與氣溫成正相關(guān)性，與氣壓成負(fù)相關(guān)性。PM2.5濃度變化與濕度和風(fēng)速變化在霧霾的形成和消散的階段分別成正和負(fù)相關(guān)性，與能見度的變化與其與相對濕度的變化一致。

PM2.5；濃度；重污染；霧霾；相關(guān)性

一、天氣實況形勢分析

1、大尺度天氣形勢分析

高空500hPa8-9日北京地區(qū)均維持高壓脊偏西氣流控制，10-11日轉(zhuǎn)為高空槽前西南偏西氣流控制，12日開始高空槽緩慢過境。700hPa8-9日受西太平洋臺風(fēng)加強北抬作用，副熱帶高壓開始北抬，大陸高壓開始建立，北京地區(qū)處高壓脊控制。10-11日高壓脊進一步加強，但有所東移，北京地區(qū)轉(zhuǎn)受高壓脊后部西南氣流控制。11日20時以后高空槽開始過境。高空850 hPa 8-9日受西太平洋臺風(fēng)加強北抬作用，副高開始北抬，大陸高壓開始建立，北京地區(qū)處高壓脊控制。10-11日高壓脊進一步加強，但有所東移，北京地區(qū)轉(zhuǎn)受高壓脊后部西南氣流控制。11日20時以后切變始過境。此階段暖脊穩(wěn)定存在并從河套地區(qū)緩慢的東移北抬，過程中暖平流明顯。地面8日凌晨至上午，北京地區(qū)出現(xiàn)弱降水。8-9日北京地區(qū)主要受入海高壓后部弱氣壓場控制，9日開始河套倒槽開始發(fā)展北抬，鞍型場建立。10日20時冷鋒到達河套地區(qū)，北京地區(qū)開始逐漸轉(zhuǎn)受蒙古低渦底部控制。11日17時冷鋒到達北京西側(cè)，鋒面開始過境，重污染天氣逐漸結(jié)束。

整個重污染過程中，地面水平能見度一直維持在4km以下，最低能見度出現(xiàn)在10日夜間。白天有霾出現(xiàn)（11日除外），夜間基本維持輕霧到大霧的天氣。

二、大氣層結(jié)穩(wěn)定度分析

圖2可見，風(fēng)在垂直方向上850 hPa以下順時針旋轉(zhuǎn)，說明低層大氣暖平流明顯。近地層至 200米高度左右均有輻射逆溫層，且在1500-2000米之間又均存在一個由于低層暖平流形成的逆溫層即混合層厚度達2km左右。低層大氣在雙逆溫層作用下十分穩(wěn)定。850 hPa以下濕度一直保持在較高的水平且維持著偏南到偏東風(fēng)控制。

三、地面氣象要素與PM2.5濃度的關(guān)系分析

3.1 圖3-1顯示PM2.5濃度與溫度呈正相關(guān)性。PM2.5濃度隨溫度高而升高，隨溫度降低而降低。但在傍晚到夜間這一降溫過程中PM2.5濃度與溫度正相關(guān)性不強，有滯后和梯度差異大的現(xiàn)象。

在低層大氣水平運動弱，垂直湍流受熱力層結(jié)靜穩(wěn)抑制的情況下，溫度的水平分布與地形和城市熱島效應(yīng)有關(guān)，低海拔地區(qū)及城市建筑和人口密集區(qū)溫度高于高海拔區(qū)和建筑物、人口相對稀疏的區(qū)域。溫度分布延山脈分界明顯，高值區(qū)分布在山前及城市中心地區(qū)，石景山區(qū)東南高西北低。

3.2 PM2.5濃度與相對濕度變化

圖3-2顯示PM2.5濃度與相對濕度在PM2.5濃度高和相對濕度大于70%的情況下相關(guān)性差。白天相對濕度降低時，PM2.5濃度幾乎沒有變化。在8日霧霾天氣靜穩(wěn)形勢開始建立和11日17時受鋒面系統(tǒng)過境影響霧霾開始消散時呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性。也就是說，在穩(wěn)定的日變化下，PM2.5濃度在300微克/每立方米左右時與相對濕度沒有明顯的相關(guān)性。

圖3-1 PM2.5與溫度變化曲線圖圖

圖3-2 PM2.5與相對濕度變化曲線圖

3.3 PM2.5濃度與氣壓變化

圖3-3 PM2.5與氣壓變化曲線圖

圖2 10日20時溫度對數(shù)壓力圖

圖2 10日20時溫度對數(shù)壓力圖

圖3-3顯示PM2.5濃度與氣壓呈負(fù)相關(guān)。尤其是在霧、霾形成和驅(qū)散及PM2.5濃度處于300-150微克/每立方米區(qū)間內(nèi)負(fù)相關(guān)性明顯。這與溫度變化同PM2.5的變化是相對應(yīng)的，在靜穩(wěn)天氣形勢下，氣壓的變化與溫度的變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

3.4 圖3-4顯示PM2.5濃度與10分鐘平均風(fēng)速的變化在霧、霾的形成和消散階段呈負(fù)相關(guān)性，在霧、霾持續(xù)階段有正相關(guān)性，但當(dāng)PM2.5濃度在300微克/每立方米以上，10分鐘風(fēng)速在基本維持在0.25米/秒以下時正相關(guān)性不明顯。

圖3-4 PM2.5與10分鐘平均風(fēng)速變化曲線與散點圖

3.5 PM2.5濃度曲線與能見度及天氣現(xiàn)象人工觀測記錄對比

通過對比天氣現(xiàn)象、能見度與溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速四個要素均有較好的相關(guān)性。白天溫度正弦曲率變化，濕度、氣壓余弦曲率變化、西北風(fēng)向主導(dǎo)，能見度成正弦曲率變化，天氣現(xiàn)象以輕霧、霾為主。夜間則曲率變化正好相反，天氣現(xiàn)象以輕霧、大霧天氣為主。由于能見度的變化決定因素主要是相對濕度和PM2.5濃度，即可知PM2.5濃度與能見度成正相關(guān)性，但PM2.5濃度高和相對濕度大于70%的情況下相關(guān)性差，PM2.5濃度開始升高和最終減小的階段成正相關(guān)性。

圖3-5 北京地形流場圖

圖3-6 8-11日北京PM2.5平均濃度分布圖

弱降水出現(xiàn)在此過程前期，對低層濕度的增加和維持有所貢獻，提供了較好的水汽條件。

3.6 圖3-5、6顯示，此次重污染過程北京西側(cè)山前一帶PM2.5的平均濃度明顯高于其它地區(qū)，這說明污染物向這個方向輸送和堆積，證實地形和低層風(fēng)場的輻合作用對PM2.5濃度分布有較好的相關(guān)性和指示作用。

五、分析總結(jié)

通過以上分析，得出持續(xù)重污染PM2.5的濃度的增加和減小需要一個大的環(huán)流背景才可以實現(xiàn)。濃度的增加和高濃度的維持需要大氣在垂直方向上處于靜穩(wěn)狀態(tài)，大氣層結(jié)上表現(xiàn)為中干下濕，有逆溫層的穩(wěn)定存在，混合層的厚度在 1500米左右，沒有明顯的湍流存在。在水平方向上處于弱的輻合氣壓場中，在天氣形勢分析中，表現(xiàn)為該區(qū)域轉(zhuǎn)入高壓后部或地面倒槽、鞍型場等弱的氣壓場控制，并且系統(tǒng)穩(wěn)定能較長時間維持。

PM2.5濃度變化與氣溫成正相關(guān)性，與氣壓成負(fù)相關(guān)性。PM2.5濃度變化與濕度和風(fēng)速變化在霧霾的形成和消散的階段分別成正和負(fù)相關(guān)性，當(dāng)PM2.5濃度在300微克/每立方米左右時與相對濕度沒有明顯的相關(guān)性，當(dāng)PM2.5濃度在300微克/每立方米以上，10分鐘風(fēng)速在基本維持在0.25米/秒以下時相關(guān)性不明顯。由于風(fēng)速小PM2.5濃度變化與風(fēng)向的變化沒有相關(guān)性表現(xiàn)。PM2.5濃度變化與能見度的變化與其與相對濕度的變化一致。

PM2.5濃度水平分布與溫度分布和地形密切相關(guān)，溫度分布延山脈分界明顯，高值區(qū)分布在山前及城市中心地區(qū)，石景山區(qū)東南高西北低。

[1]高怡，張美根.2013年1月華北地區(qū)重霧霾過程及其成因的模擬分析[J].氣候與環(huán)境研究，2014,19(2):140-152.

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[3]曹偉華，梁旭東，李青春.北京一次持續(xù)性霧霾過程的階段性特征及影響因子分析[J].氣象學(xué)報，2013,71(5):940-951.