2016—2017年懷柔區(qū)一次持續(xù)性霧霾天氣過(guò)程分析

沈越婷

摘要 從環(huán)流形勢(shì)、氣象要素、地形、近地層平流輸送等方面對(duì)2016年12月30至2017年1月7日懷柔區(qū)出現(xiàn)的一次持續(xù)性重污染天氣過(guò)程的形成及持續(xù)原因進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 霧霾；重污染；持續(xù)；PM2.5；平流輸送

中圖分類號(hào)：P427.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2018）04-001-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.04.001

Abstract From the aspects of circulation situation， meteorological elements， terrain， and near ground stratospheric transport， the formation and continuous causes of a continuous heavy pollution weather process in Huairou District from December 30th 2016 to January 7th， 2017 were analyzed.

Key words Fog and haze；Heavy pollution； Persistence； PM2.5； Advection

近年來(lái)，隨著城市社會(huì)的加速發(fā)展，北京地區(qū)頻繁出現(xiàn)霧霾天氣，空氣質(zhì)量下降，對(duì)人民生產(chǎn)生活均產(chǎn)生了不利影響。按照地面氣象觀測(cè)規(guī)范[1]，霾是大量極細(xì)微的干塵粒均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10 km的空氣普遍出現(xiàn)混濁的現(xiàn)象；霧是大量微小水滴浮游空中，使水平能見(jiàn)度小于1 km，相對(duì)濕度接近100%的現(xiàn)象，而輕霧的特點(diǎn)則是能見(jiàn)度在1～10 km之間。

2016年12月30至2017年1月7日北京市懷柔區(qū)出現(xiàn)了一次重污染天氣過(guò)程，最小能見(jiàn)度不足200 m。該次重污染天氣過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，污染重，雖然中間有3次冷空氣過(guò)境，但均較弱，無(wú)法達(dá)到徹底清除污染物目的。12月30日傍晚至1月7日傍晚，懷柔區(qū)氣象局發(fā)布了霾黃色預(yù)警信號(hào)，區(qū)空氣重污染應(yīng)急指揮部辦公室發(fā)布了空氣重污染橙色預(yù)警指令。該次重污染天氣過(guò)程中，懷柔區(qū)共發(fā)布霾黃色預(yù)警信號(hào)4次，大霧黃色預(yù)警信號(hào)1次。

1 天氣過(guò)程概述

從2016年12月30日至2017年1月5日懷柔區(qū)地面觀測(cè)的天氣現(xiàn)象來(lái)看，從12月30日凌晨開(kāi)始懷柔區(qū)由晴轉(zhuǎn)為霾，中午短暫晴天后轉(zhuǎn)為持續(xù)性霧、霾天氣，該階段持續(xù)3 d；2日受弱冷空氣影響，白天以晴為主，到2日夜間再次轉(zhuǎn)為持續(xù)性霾至4日上午，該階段持續(xù)近2 d，受弱冷空氣影響，4日懷柔站中午短時(shí)晴天后仍以持續(xù)霾為主；5日白天出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間不足0.5 h的零星小雪，對(duì)污染物擴(kuò)散無(wú)作用；至8日凌晨冷空氣滲透南下，霧霾天氣徹底結(jié)束。

2 環(huán)流特征

從圖1可以看出，2016年12月30日至2017年1月1日，500 hPa有一弱脊通過(guò)山西河北北京一帶，700 hPa有弱輻合，地面圖上始終受均壓場(chǎng)控制，近地層風(fēng)速均不到2 m/s，山前形成風(fēng)速輻合區(qū)，1日從河北南部至北京有南風(fēng)輸送，加之本地污染物堆積，導(dǎo)致霧霾天氣；1月1日夜間至2日白天，高空淺槽過(guò)境，低空偏北氣流帶來(lái)冷空氣，有利于污染物擴(kuò)散，霧霾略減弱；3—6日，高空弱脊，低層偏東氣流沿山前北上經(jīng)過(guò)河北不斷向北京輸送水汽和污染物，并在山前地區(qū)形成弱輻合，地面受弱氣壓場(chǎng)控制，不利于污染物擴(kuò)散；7—8日，冷空氣過(guò)境，偏南氣流帶來(lái)水汽，懷柔區(qū)自北向南出現(xiàn)降雪天氣，平原地區(qū)降雪持續(xù)近10 h，降雪稀釋污染物，降雪結(jié)束后，由于懷柔城區(qū)溫度高濕度大，仍受弱氣壓場(chǎng)控制，夜間至8日凌晨依然有大霧天氣。8日冷高壓南壓，北京轉(zhuǎn)受偏北氣流控制，低空風(fēng)速增大，濕度降低，有利于污染物擴(kuò)散，該次霧霾過(guò)程徹底結(jié)束。

3 氣象要素特征

3.1 PM2.5濃度

該次重污染過(guò)程的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，污染物持續(xù)累積，主要污染物為PM2.5。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，PM2.5質(zhì)量濃度24 h平均值達(dá)到151～250 μg/m3時(shí)為重度污染，大于250 μg/m3時(shí)為嚴(yán)重污染。從圖2可以看出，12月30日至1月7日，除2日白天和4日中午外，PM2.5始終維持在較高的數(shù)值，其中重度污染天數(shù)接近4 d，小時(shí)數(shù)占44%，嚴(yán)重污染天數(shù)達(dá)3 d，小時(shí)數(shù)占27%。12月30日16：00至1月2日5：00 PM2.5濃度持續(xù)較高，12月30日17：00至31日10：00達(dá)到168.9～271.6 μg/m3的峰值區(qū)間，1月1日9：00和18：00分別出現(xiàn)2個(gè)峰值，為505.6和596.6 μg/m3，遠(yuǎn)超嚴(yán)重污染的標(biāo)準(zhǔn)。2日白天短暫轉(zhuǎn)好后17：00又進(jìn)入霧霾天氣，4日0：00，PM2.5濃度又一次爆發(fā)性升高，達(dá)396 μg/m3，4日上午PM2.5濃度迅速下降，午后又再次回升，5日夜間至6日上午PM2.5濃度達(dá)到245.0～380.9 μg/m3的高值區(qū)間。此后，懷柔區(qū)PM2.5濃度始終維持較高水平，至8日凌晨才開(kāi)始明顯下降，霧霾天氣過(guò)程結(jié)束。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該次懷柔區(qū)持續(xù)性霧霾天氣導(dǎo)致的高于150 μg/m3的高濃度PM2.5事件持續(xù)累計(jì)近180 h，對(duì)市民健康和出行帶來(lái)了嚴(yán)重的不利影響。

3.2 能見(jiàn)度

從圖3可以看出，在該次霧霾過(guò)程中，懷柔區(qū)能見(jiàn)度始終很低，只有1月2日能見(jiàn)度在35 km以上。其中能見(jiàn)度低于3 km的有51個(gè)時(shí)次，占總時(shí)次數(shù)的74%；介于500～1 000 m的能見(jiàn)度有9個(gè)時(shí)次，占總時(shí)次的13%；低于500 m的能見(jiàn)度有5個(gè)時(shí)次，占總時(shí)次數(shù)的7%。可見(jiàn)，1月2日北方弱冷空氣，確實(shí)對(duì)懷柔區(qū)污染物起到了較好的清除作用，污染物得以擴(kuò)散，但冷空氣較弱，并沒(méi)有起到根本清除污染物的作用，到2日夜間能見(jiàn)度很快又低于3 km。同時(shí)過(guò)程中能見(jiàn)度低于500 m的時(shí)次只占7%，可見(jiàn)該次過(guò)程中濃霧、霾的天氣并不多，但PM2.5濃度高。

3.3 濕度

從圖3可以看出，在該次霧霾過(guò)程中，懷柔區(qū)濕度并不大。其中相對(duì)濕度大于90%的只有7個(gè)時(shí)次，占總時(shí)次數(shù)的10%（其中1月7日白天降雪天氣從10：00—16：25，降雪時(shí)間相對(duì)濕度大于90%的有3個(gè)時(shí)次）；相對(duì)濕度介于80%～90%之間的只有11個(gè)時(shí)次，占總時(shí)次數(shù)的16%。可見(jiàn)，該次過(guò)程與大多數(shù)霧霾天氣過(guò)程的不同之處在于，空氣濕度小，但PM2.5濃度高。

3.4 風(fēng)速

從圖3可以看出，在該次霧霾過(guò)程中，懷柔區(qū)風(fēng)速非常小。其中風(fēng)速小于2 m/s的時(shí)次有61個(gè)，占總時(shí)次數(shù)的93%；小于1.5 m/s的時(shí)次有51個(gè)，占總時(shí)次數(shù)的74%。可見(jiàn)整個(gè)霧霾過(guò)程中風(fēng)速均偏小，是造成污染物堆積的重要原因。

而風(fēng)速大于2 m/s的時(shí)次基本都在1月2日，最大風(fēng)速2.4 m/s，這也正是2日受冷空氣影響，白天短暫晴好的原因。但持續(xù)時(shí)間太短，并未起到完全清除的作用，3日霧霾天氣繼續(xù)。

3.5 溫度層結(jié)

從圖4溫度線可以明顯看到在1 000 hPa至850 hPa之間，始終存在逆溫層或等溫層，其中12月31日至1月1日、1月3—4日、1月5—7日尤為明顯，逆溫層頂在925 hPa以下，強(qiáng)度可達(dá)10℃左右，逆溫層厚度淺強(qiáng)度強(qiáng)，有的時(shí)次還出現(xiàn)2個(gè)逆溫層，這也是霧霾的大氣層結(jié)特征之一。

4 地形影響

該次空氣重污染過(guò)程主要污染地區(qū)在北京山前地區(qū)，北京西、北部山區(qū)基本未受影響。北京西、北部的太行山和燕山成弧形分布，不僅使山前暖區(qū)空氣流動(dòng)性較小、污染物和水汽容易聚集，同時(shí)也迫使低層偏南風(fēng)在山前回流并產(chǎn)生上升，使得近地面氣溶膠濃度和相對(duì)濕度增加，從而有利于霧霾形成。加之河北省是重工業(yè)大省，偏南風(fēng)向北京輸送河北的污染物，在北京山前堆積，為霧霾形成提供條件。

1月7日夜間，受西北路徑強(qiáng)冷空氣影響，北京市大部分地區(qū)空氣污染物擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，PM2.5濃度迅速下降，8日5：00，北京除懷柔、大興、房山外能見(jiàn)度基本在10 km以上，而懷柔能見(jiàn)度不足100 m。懷柔處于山前地區(qū)，并距離山區(qū)較近，冷空氣滲透較慢，并受前一日降雪影響，懷柔城區(qū)溫度高，濕度大，維持在95%以上，風(fēng)力小，近地層靜穩(wěn)，濃霧天氣一直維持，直至6：00后，冷空氣才逐漸滲透，風(fēng)力增大，濕度下降，懷柔能見(jiàn)度迅速好轉(zhuǎn)，至7：00懷柔區(qū)能見(jiàn)度達(dá)4 km。

5 針對(duì)懷柔PM2.5近地層平流輸送的分析

筆者嘗試定量化地分析污染物從南部向懷柔地區(qū)的近地層平流輸送的影響和變化。通過(guò)PM2.5平流公式項(xiàng)，因?yàn)槟辖颊揪嚯x懷柔站不遠(yuǎn)，可將平流公式近似為10 m風(fēng)速速度和PM2.5梯度的矢量積（圖5），即：

FPM2.5～V·dx（QPM2.5南郊-QPM2.5懷柔）/60

（1）

以式（1）為基礎(chǔ)，計(jì)算污染持續(xù)期間南郊對(duì)懷柔的PM2.5輸送并分析。

從圖6可以看出，整個(gè)霧霾過(guò)程南郊對(duì)懷柔的PM2.5都有輸送作用，在12月31日14：00、1月2日14：00、3日14：00，分別達(dá)到15、13.6、18.2的峰值，即在懷柔PM2.5濃度每次達(dá)到峰值之前，都出現(xiàn)了南郊對(duì)懷柔區(qū)的PM2.5的輸送峰值；在每次由弱冷空氣影響懷柔區(qū)之后，南郊對(duì)懷柔區(qū)的PM2.5輸送都會(huì)加大。尤其在2日懷柔受冷空氣影響，PM2.5迅速降低，懷柔本地空氣質(zhì)量得到明顯改善后，由于冷空氣勢(shì)力較弱，影響面積較小，持續(xù)時(shí)間短，使得懷柔在短暫的晴好天氣后，南郊的PM2.5迅速向懷柔區(qū)擴(kuò)散，在山前輻合堆積，致使懷柔區(qū)再一次進(jìn)入霧霾天氣。

6 小結(jié)

高空穩(wěn)定的偏西氣流，低層受弱脊控制，地面均壓場(chǎng)是該次重污染天氣過(guò)程的環(huán)流背景。低層風(fēng)力小，濕度小，存在明顯逆溫，大氣層結(jié)穩(wěn)定，擴(kuò)散能力弱，由南部輸送的空氣污染物在山前地區(qū)輻合堆積，中間雖有3次弱冷空氣影響懷柔區(qū)，但勢(shì)力較弱，無(wú)法徹底清除污染物，使懷柔區(qū)在短暫晴天后迅速被南部擴(kuò)散的PM2.5影響，進(jìn)入低能見(jiàn)度天氣。同時(shí)，懷柔地處山前，全區(qū)80%均為山區(qū)，懷柔本站處于山腳位置，使得偏南氣流帶來(lái)空氣污染物在山前輻合堆積。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2007：6-7.

責(zé)任編輯：劉赟