2014年河北中南部兩次重霾天氣成因分析

劉曉慧,馬翠平,趙玉廣,李二杰,李云川,魏 軍,盛世杰

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2014年河北中南部兩次重霾天氣成因分析

劉曉慧1*,馬翠平1,趙玉廣1,李二杰1,李云川1,魏 軍2,盛世杰3

(1.河北省環(huán)境氣象中心,河北 石家莊 050021；2.河北省氣象災害防御中心,河北 石家莊 050021；3.無錫中科光電技術有限公司,江蘇 無錫 214135)

利用河北省環(huán)保局環(huán)境監(jiān)測站提供的污染物濃度數(shù)據(jù)及常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)、NCEP再分析資料,結合HYSPLIT4.9后向軌跡模式,對2014年10月上旬發(fā)生在河北省的2次大范圍的重霾天氣特征和成因進行綜合分析.結果表明,這2次重污染天氣過程PM地面濃度最大值出現(xiàn)在邢臺,為507μg/m3,水平能見度不足1km.均壓場的分布和較為平穩(wěn)的高空形勢為2次霾天氣提供了有利的氣象背景.高濕,靜小風以及較低的混合層高度不利于污染物擴散,是導致這兩次重污染天氣持續(xù)的主要原因.結合衛(wèi)星火點及污染物來源分析表明,河北南部及周邊省份的秸稈燃燒加重了第2次過程的污染,污染氣團的輸送對區(qū)域性重霾天氣產生重要影響.

霾；衛(wèi)星遙感；氣象條件；秸稈燃燒；軌跡分析；河北省

國外學者對霾研究較早[1-3],美國利用IMPROVE觀測網由成分譜反演消光系數(shù),并且考慮了吸濕增長,從而可以定量得出各成分的消光貢獻得到了著名的IMPROVE公式[4-6].近年來,國內學者在霾天氣的年際變化,氣象因素對霾的影響做了大量研究,并取得了一系列研究成果[6-14].徐祥德等[15]研究發(fā)現(xiàn)中國區(qū)域霾日空間分布的大地形影響與季節(jié)特征顯著,在西風帶背景下高原大地形東側背風坡可構成“避風港”效應,其可能是中國東部區(qū)域霾日高頻區(qū)域性分布的影響因素之一.吳兌等[16]發(fā)現(xiàn)由于受太行山的阻擋和背風坡氣流下沉作用影響,使得沿北京、保定、石家莊、邢臺和邯鄲一線的污染物不易擴散,形成一條西南-東北走向的高污染帶.朱李華等[17]用IMPROVE重建了北京城區(qū)的消光系數(shù)并計算了消光貢獻率,(NH4)2SO4、NH4NO3、OM( organic matter)、EC、FS(fine soil)消光貢獻率分別是24.6%、11.6%、45.5%、11.9%和6.4%.在重污染天氣個例方面,不少學者從多種的角度進行了成因分析.Kang等[18]對南京一次持續(xù)性霾污染進行了綜合性分析,低風速、穩(wěn)定的大氣層結、地面形勢被高壓控制等因素加劇了霾污染的持續(xù)性.劉端陽等[19]發(fā)現(xiàn)中度以上霾的形成和發(fā)展伴隨著空氣比濕的增大,霾向霧轉換過程中比濕下降.朱彬等[20]及朱佳雷等[21]分別從污染物濃度、天氣形勢、氣流軌跡等角度,對南京及周邊地區(qū)的一次霾天氣的形成機理及可能來源做了詳細分析,發(fā)現(xiàn)秸稈燃燒以及不利的天氣形勢造成了嚴重的空氣污染事件.

河北中南部是京津冀地區(qū)霾污染的重災區(qū),目前針對該地區(qū)相近兩次重污染天氣成因對比分析不多,特別是因生物質燃燒導致的重污染分析較少.本文針對2014年10月上旬發(fā)生在河北全境的2次(10月1~4日和10月7~12日)重污染天氣過程,分析以河北中南部地區(qū)為主,結合污染物濃度、火點分布、天氣形勢及氣流軌跡等方面進行綜合對比分析,探討這2次霾天氣的成因和污染物可能來源,以期對霾的預報和污染調控提供參考.

1 污染概況

從圖1可以看出,2014年10月上旬全省中南部出現(xiàn)了兩次比較明顯的污染過程,10月1~4日和10月7~12日.以下10月1~4日稱為過程1,10月7~12日稱為過程2.

10月1日保定、定州和辛集的PM2.5濃度超過115μg/m3,3日污染范圍向北擴大,保定、定州、邯鄲、辛集和邢臺的PM2.5濃度均超過150μg/m3.受冷空氣影響,5日保定、定州、石家莊的PM2.5濃度降到100μg/m3以下,邯鄲和邢臺PM2.5濃度也明顯下降,過程1結束.7日開始,全省再次出現(xiàn)污染天氣,除張家口、承德、唐山、秦皇島和滄州外,其他地市PM2.5濃度達150μg/m3以上,其中邯鄲、邢臺、石家莊PM2.5濃度超過200μg/m3.9日除張家口外,其他地市PM2.5濃度均達重度污染,PM2.5濃度峰值出現(xiàn)在邢臺,為507μg/m3,石家莊PM2.5濃度達405μg/m3,保定PM2.5濃度為396μg/m3.12日河北中南部多地出現(xiàn)不同程度的降水,全省PM2.5濃度迅速下降并保持平穩(wěn),整個污染過程徹底結束.

2 氣象要素及PM變化特征

2.1 氣象條件

混合層高度由羅氏法[22]根據(jù)實況資料計算所得.圖2顯示,過程1邢臺、石家莊的能見度在2~5km,平均風速在2m/s以下,風向以偏南風為主,混合層高度低于600m.保定的風速較大,部分時段風速超過2m/s,風向以偏北風為主,混合層高度和能見度略高于邢臺和石家莊.當風向為偏南風且風速小于2m/s,混合層高度低于500m時,不利于污染物水平和垂直擴散,為霾天氣的發(fā)生提供有利條件.5日石家莊、邢臺和保定的混合層高度分別為1079m、899m和908m,風力增大,風向轉為偏北風,相對濕度分別下降到27%、28%和29%,能見度分別達30km以上.9日PM2.5濃度達到峰值,三個站點能見度不足1km.過程2能見度明顯低于過程1.12日受冷空氣及降水影響,10月上旬的污染徹底結束.

2.2 PM的變化

過程1(10月1~4日),邢臺、石家莊和保定的PM10,PM2.5濃度在100μg/m3以上,其中邢臺和石家莊部分時段PM10濃度超過200μg/m3,3個站點的PM2.5/PM10均超過50%,波動較為明顯.5日邢臺、石家莊和保定的PM2.5濃度分別下降到24,13,20μg/m3,對應的PM2.5/PM10分別下降到33%,29%和42%(圖3).6日夜間3站點的PM2.5濃度增加明顯,呈直線上升趨勢,邢臺、石家莊和保定PM2.5及PM10濃度增加有延遲現(xiàn)象,這說明過程2可能受來自南邊污染物輸送的影響.過程2PM2.5/PM10維持在80%,無明顯波動,PM2.5濃度一直占有較高的比例,細粒子污染明顯(圖3).張秋晨等[23]曾對比南京3種不同大氣污染過程下氣溶膠物理化學特性,發(fā)現(xiàn)秸稈燃燒中PM2.1/PM10可高達0.7.過程2可能受秸稈燃燒影響加重了污染.

3 霾的成因及維持機制

3.1 地面形勢

分析2014年10月上旬出現(xiàn)的這2次污染過程的地面形勢,發(fā)現(xiàn)過程1的地面形勢主要是低壓,10月1~3日,河北省處于低壓帶中,弱低壓輻合上升,但垂直速度小,低于-0.8hPa/s.研究表明[24],垂直速度較小,低層大氣有輻合時污染更加嚴重.低層為弱的偏南風,相對濕度的增加也利于霾的形成(圖4a,b).10月7~9日地面形勢為均壓場,風速較小,近地層層結穩(wěn)定,不利于污染物擴散(圖4c,d).

圖4 2014年10月上旬霾出現(xiàn)的主要地面氣象形勢
Fig.4 The main ground weather situations during the early October in 2014
a:10月1日,b:10月3日,c:10月7日,d:10月9日

3.2 高空形勢及垂直速度

選取石家莊作為中南部典型站點,圖5給出1000~500hPa風速及相對濕度的垂直剖面,2~3日700~500hPa有一弱西風槽,與之對應1000~ 850hPa為弱的偏南風,整層相對濕度較大,地面為弱低壓帶,垂直速度較小,混合層高度低于500m,不利于污染物的擴散.5日800~500hPa存在西風槽,1000~ 850hPa為偏北風與偏東風的切變,相對濕度明顯降低,空氣質量短暫好轉.6日800~500hPa再次轉為偏西氣流,風速較小, 1000~850hPa為弱的偏西南風.7日700~550hPa出現(xiàn)淺槽,但近地面為靜小風,中高層冷空氣并不是很強,不能完全破壞底層相對穩(wěn)定的層結,導致污染物并不能徹底清除,污染物繼續(xù)積累利于霾天氣的維持.

從圖5還可看到,過程后期均無明顯的冷空氣活動,1000~700hPa均維持較高的相對濕度(60%左右),低層為一致的偏南風,且風速較小,對應地面均壓場的維持,天氣形勢穩(wěn)定,污染物滯留在近地層,難以擴散造成整體的區(qū)域污染和局地的高濃度污染.從垂直速度剖面來看(圖6),1~11日,石家莊900hPa為弱的上升運動,低于0.8hPa/s.除4日和5日外,污染時段800hPa為弱的下沉運動,混合層發(fā)展受到抑制,限制了污染物的垂直輸送,利于霾天氣的維持.

3.3 污染源分析

應用Hypilt4.9模式對石家莊市不同時段(10月1~4日,10月6~8日和10月9~11日)逐36h后向軌跡聚類分型,高度設置為500m,并給出了對應時段的衛(wèi)星火點分布(圖7).結果顯示,過程1(10月1~4日)主要受西北氣流影響,51%的氣團來自內蒙中部,氣團相對清潔,35%的軌跡主要為局地氣團,13%的氣團經過河南中部和山西東部到達石家莊,衛(wèi)星監(jiān)測到河南中東部存在火點(圖7b),但來自該方向的氣團占比較少,1~4日達到石家莊的氣團主要還是以清潔氣團為主,因此火點對過程1的污染無明顯影響.過程2前期(10月6~8日),該階段河北中南部氣溶膠濃度呈直線上升,PM2.5濃度增長異常明顯.從圖7c可以看出,該階段主要為偏南氣流為主,占比達51%,在到達石家莊之前該氣團高度低于500m,來自近地層.對應的衛(wèi)星監(jiān)測顯示,山東西部,河南東部和北部以及河北西南部火點密集,10月正值秋收季節(jié),大量的秸稈燃燒產生較多的細顆粒物懸浮于空中,這種來自秸稈燃燒多發(fā)地的氣團勢會造成河北中南部污染物濃度的快速上升.過程2后期(10月9~11日)61%的氣團軌跡較短,主要為局地氣團,33%來自山東西南部,雖然對應的火點明顯減少,但由于污染濃度前期的積累及不利的氣象條件,污染物濃度仍維持較高.造成過程2污染加重除不利的氣象條件外,來自河南北部、東部的污染物輸送及本地秸稈燃燒的排放可能也是一個重要因素.

圖7 石家莊2014年10月上旬36h聚類后向軌跡模擬及對應的衛(wèi)星火點分布
Fig.7 The 36-h backward trajectory simulations of Shijiazhuang and the distribution of-buring residue

4 結論

4.1 這兩次污染過程中,邢臺、石家莊和保定的平均風速低于2m/s,混合層高度均低于700m,平均相對濕度達到70%以上.中高層冷空氣強度未能完全破壞底層相對穩(wěn)定的層結,導致污染物并不能徹底清除,污染物繼續(xù)積累利于霾天氣的維持.過程2的PM2.5濃度是過程1的PM2.5濃度的2~3倍,并且過程2中邢臺、石家莊和保定PM2.5濃度增長存在時間延遲現(xiàn)象.

4.2 偏南風為霾天氣的形成提供了水汽條件,相對濕度的增加利于污染物的吸濕增長,同時高空氣流比較平直配合地面的低壓和均壓形勢,為霾維持提供了有利的氣象條件.低層弱的垂直上升運動與霾的維持也有密切的聯(lián)系,弱的垂直上升運動,配合800hPa弱的垂直下沉氣流,利于污染物的聚集并抑制了污染物垂直向上擴散輸送,不利的天氣形勢導致了污染的持續(xù)性.

4.3 對過程1和過程2的后向軌跡模擬及對應時段的衛(wèi)星火點監(jiān)測表明,河北南部及周邊省市秸稈燃燒造成大量氣溶膠粒子懸浮于空中,是造成過程2污染加重的主要原因.

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致謝：河北省環(huán)保局環(huán)境監(jiān)測站提供的環(huán)境數(shù)據(jù),在此表示感謝.

* 責任作者, 助理工程師, lxh7757@126.com

Formation mechanism of two severe haze episodes over central and Southern Hebei in 2014

LIU Xiao-hui1*, MA Cui-ping1, ZHAO Yu-guang1, LI Er-jie1, LI Yun-chuan1, WEI Jun2, SHENG Shi-jie3

(1.Hebei Environmental Meteorological Center, Shijiazhuang 050021, China；2.Hebei Meteorological Disaster Prevention Center, Shijianzhuang 050021, China；3.Wuxi Cas Photonics Co., Ltd., Wuxi 214135, China)., 2016,36(6)：1621~1629

The synoptic weather patterns and formation mechanisms of two large scale and severe haze episodes, which occured over Hebei province in early and middle October, was investigated by using pollutant concentration data from the Heibei environmental monitoring station, meteorological observations and NCEP reanalysis data, combining with the HYSPLIT4.9 backward trajectory model. The highest PM2.5concentration appeared in Xingtai, reached 507μg/m3. The visual range was less than 1km. The uniform pressure field and steady upper air circulation provided favorable meteorological conditions for two haze episodes. High relative humidity, small wind speed, and low mixing layer height result in an unfavorable meteorological condition for pollutant diffusion, which is the main cause of the two lasting haze episodes. Satellite fire map and air mass backward trajectory show that straw burning in southern Hebei and surrounding provinces exacerbated air pollution in two episodes. Transport of polluted air mass have significant impact on regional heavy haze weather.

haze；satellite remote sensing；meteorological conditions；crop-burning residue；trajectory analysis；Hebei Province

X513

A

1000-6923(2016)06-1621-09

劉曉慧(1986-),女,山東淄博人,助理工程師,碩士,主要從事大氣化學與大氣環(huán)境研究.發(fā)表論文3篇.

2015-11-15

河北省科技廳計劃項目(15274204D);河北省氣象局科研項目(15ky23)