京津冀地區冬半年空氣污染天氣分型研究

楊 旭,張小玲,康延臻,張 瑩,王式功,*,李梓銘,李 昊(.蘭州大學大氣科學學院,甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室,甘肅 蘭州 730000；.成都信息工程大學大氣科學學院,高原大氣與環境四川省重點實驗室,四川成都 605；3.中國氣象局北京城市氣象研究所,北京 00089；.京津冀環境氣象預報預警中心,北京 00089)

大氣污染與控制

京津冀地區冬半年空氣污染天氣分型研究

楊 旭1,張小玲2,3*,康延臻1,張 瑩2,王式功1,2*,李梓銘4,李 昊1(1.蘭州大學大氣科學學院,甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室,甘肅 蘭州 730000；2.成都信息工程大學大氣科學學院,高原大氣與環境四川省重點實驗室,四川成都 610225；3.中國氣象局北京城市氣象研究所,北京 100089；4.京津冀環境氣象預報預警中心,北京 100089)

利用ERA-Interim再分析資料,采用PCT方法,對2013～2015年冬半年京津冀地區海平面氣壓場進行了客觀分型;利用同期空氣污染資料和常規氣象觀測資料,分析了不同天氣類型下京津冀地區空氣污染和氣象要素特征,并選取典型重污染月份,分析了京津冀地區重污染天氣過程特征及形成原因.結果表明,京津冀地區天氣形勢可分為9種類型,包括高壓前部和高壓南部等不易污染天氣類型,以及高壓場、高壓后部、鞍型場和冷鋒前部等污染天氣類型;污染天氣類型多表現為高濕小風,穩定能量大,最大混合層厚度低,不利于污染物擴散,各城市AQI均值多在150以上;2014年2月兩次重污染過程均發生在連續多日維持高壓場等污染天氣型的情況下;污染過程期間高壓系統演變引起北部偏北風增大,抑制了北部城市空氣污染持續加重的趨勢,而偏南風輸送使得北部城市污染物濃度迅速升高.

天氣分型；空氣污染；京津冀

空氣污染會導致人群呼吸系統和心腦血管疾病發病率增加[1-3],嚴重危害人體健康,是近年來公眾關注的焦點問題.京津冀地區作為我國北方最大的城市群和重要的經濟核心區,根據環保部發布的“2015年中國環境狀況公報”顯示,2015年京津冀及周邊地區70個地級以上城市共發生1710d次重度及以上污染,占2015年全國的41%,是全國空氣重污染高發地區,區域空氣污染問題形勢嚴峻.

研究表明[4-6],空氣污染與風向風速、大氣溫度層結及湍流等氣象條件密切相關,而大尺度天氣背景很大程度上影響和制約了局地氣象條件,因而持續型污染天氣多發生在典型的高、低空環流背景下[7-9].分析不同天氣形勢下空氣污染特征,識別典型污染天氣類型,對于空氣污染機理研究和日常業務預報具有重要意義.孟燕軍等[10]對影響北京地區大氣污染物擴散的地面天氣形勢進行了分類,認為當低壓類地面天氣形勢控制時,容易引起污染物在北京地區的匯聚和累積.戴竹君等[11]等探討了江蘇秋冬季重度霾的形成機制,將重度霾發生時的地面天氣形勢分為均壓型、冷鋒前部型和低壓倒槽型3類.張曉勇等[12]研究指出高壓底部型、均壓場型和弱氣壓型為不利于天津市 PM10擴散的天氣形勢,易造成局地污染物積累.

已有研究主要針對典型污染個例或依據主觀經驗進行污染天氣分型,而將主成分分析、K均值聚類等客觀天氣分型方法應用于空氣污染研究中的例子尚少.因此,本文利用PCT(Principal Component Analysis in T-mode)方法對 2013～2015年冬半年(每年的1～3月和10～12月)京津冀地區地面天氣形勢進行分類,探究不同天氣形勢下京津冀地區空氣污染特征,確立污染天氣類型;并選取典型重污染月份著重分析,探討京津冀地區重污染天氣過程的特征及形成原因,以期為京津冀地區空氣重污染預報預警和大氣污染防治工作提供科學依據.

1 資料與方法

1.1 資料來源

再分析資料來源于歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)官網下載的 2013年1月1日～2015年12月31日的ERA-Interim再分析資料,空間分辨率為 0.75°× 0.75°,時間間隔為 6h.研究范圍為100°E～130°E, 30°N～50°N;氣象觀測資料為2013年1月1日～ 2015年12月31日京津冀地區常規地面觀測資料和探空觀測資料.

空氣污染資料包括兩部分,一部分來源于環保部官網下載的2014年1月1日～2015年12月31日空氣質量日報資料,包括空氣質量指數(AQI)、首要污染物、污染等級;另一部分來源于全國空氣質量實時發布平臺收集的2013年5月14日～2015年12月31日京津冀地區污染物濃度資料,包括國控站6種污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3)小時濃度均值.

1.2 分型方法

天氣分型方法采用歐盟cost733項目開發的天氣分型軟件[13]中的 PCT(Principal Component Analysis in T-mode)方法,原理基于Huth[12]改進的 T-mode主成分分析法.基本原理是將原始數據矩陣Z表示為兩個矩陣的乘積Z=FAT.原始數據矩陣Z為i行×j列,主成分元矩陣F為i行×m列,載荷矩陣A為j行×m列,其中i表示空間格點數,m和j表示時次,即矩陣Z的每一行代表一個網格點,每一列代表一個時次.根據主成分方差貢獻的大小,保留前 r(r≤n)個方差貢獻較大的主成分用于后續分析,其對應的特征向量組成載荷矩陣.將保留的主成分斜交旋轉,最后依據載荷大小對每個時次的天氣形勢進行分類.Richman[14]首次建議將主成分分析法用于天氣分型,Huth等[15]比較了主成分分析法、聚類分析法等多種客觀天氣分型方法,指出 T-mode主成分分析法在分類結果的穩定性和對預設參數的低依賴性等方面表現良好.

2 結果分析

2.1 天氣分型結果

利用PCT方法對研究區域2013～2015年冬半年逐日 4次的海平面氣壓場進行天氣分型,根據以往學者的研究經驗[16-17],將地面天氣形勢分為9種類型(圖1).

圖1 2013～2015年冬半年海平面氣壓場及10m風場分型Fig.1 Sea level pressure and 10m wind for each circulation type during winter from 2013 to 2015

2.1.1 類型1、4為兩類高壓前部型 京津冀地區位于高壓中心前等壓線密集處,近地面風場以西北風和北風為主.類型1為西部高壓前,海平面氣壓場呈西高東低的形勢,高壓中心位于京津冀以西;類型4為西北高壓前,海平面氣壓場呈西北高東南低的形勢,高壓中心位于蒙古地區.類型 9為高壓南部型,海平面氣壓場呈北高南低的形勢,京津冀位于高壓中心以南,近地面風場以東北風為主.

2.1.2 類型3和5為兩類高壓后部型 海平面氣壓場呈西北低東南高的特點,低壓中心位于蒙古地區,高壓中心位于山東、江蘇及黃海地區,京津冀及其以南地區(河南、山東)近地面風場均以偏南風為主.相比之下,類型3高壓中心范圍較小,京津冀位于高低壓中心之間的過渡區,而類型 5高壓中心范圍大,中心氣壓高,京津冀仍處于高壓中心影響下,氣壓梯度較小.

2.1.3 類型2和7為兩類冷鋒前部型 類型2高壓中心位于甘肅地區,低壓中心位于東北地區,京津冀近地面風場以西風為主.類型7冷空氣主體位于京津冀的東北方向,其前部到達京津冀北部地區,張家口、北京等北部城市近地面風場為偏北風,而中南部仍為弱南風.

2.1.4 類型 8為鞍型場 海平面氣壓場由西北至東南呈高-低-高分布,京津冀位于兩高壓中心之間的低壓區,氣壓梯度小.近地面風場北部為西風,中南部為弱南風.

2.1.5 類型 6為高壓場型 我國北方大部分地區均由高壓系統控制,京津冀位于高壓系統內部,氣壓梯度很小,受其影響京津冀及其周邊地區出現大范圍小風速區,天氣靜穩,容易造成污染物持續積累.

各類天氣類型發生頻率見表 1.其中,類型 1和類型6出現頻率最高,分別為17.1%和17.9%,類型4、5、9出現頻率在10%左右,其他幾種類型發生頻率較低,均低于10%.類型1和類型6與冬季大陸冷高壓和冷空氣頻繁活動密切相關,因此11月～次年2月出現的頻率明顯高于3月和10月.而在3月和10月,冷空氣過程減少,強度減弱,很少出現大范圍冷空氣爆發,高壓系統經過京津冀地區后往往迅速變性減弱,或繼續東移南下,因此,類型1和6出現頻率大幅減少,而類型3出現的頻率最高.

表1 2013～2015年冬半年各類天氣類型出現頻率統計(%)Table 1 The frequency of each circulation type during winter from 2013 to 2015 (%)

2.2 天氣類型與空氣污染

由于空氣質量日報為日資料,而天氣分型使用的數據為逐日 4次的海平面氣壓場數據,因此選取每天 08:00(BTC)天氣形勢代表當天的天氣類型,統計了2014～2015年冬半年各類天氣形勢下京津冀主要城市AQI均值(表2).結果表明,1、4、9型天氣形勢下,京津冀地區 AQI均值在90～120左右,各城市AQI均值也明顯低于其它幾種類型,為不易污染天氣類型.其中類型1的AQI均值最低,表明此類天氣形勢對于京津冀地區污染物擴散和清除十分有利,北部城市AQI均值都低于 100,中南部城市空氣污染程度比北部城市嚴重,AQI均值在100～150之間.其他幾種天氣類型下,京津冀地區AQI均值在160～190左右,除張家口、承德和秦皇島以外各城市AQI均值基本都在150以上,為污染天氣類型.類型7冷空氣前部到達京津冀北部,北部地區偏北風增強,擴散條件有所改善,而南部地區風速仍較小,且存在風場輻合,容易造成污染物的聚集.因此,對于北部城市(如北京),類型7的AQI均值在幾種污染天氣型中相對偏低,而南部城市(如邢臺)則相對偏高.

以北京市為例,統計了各類天氣類型北京市AQI分布特征(圖2).結果表明, 幾種污染天氣類型北京市AQI分布范圍較廣,從低值到高值均占據一定比例.究其原因,當天氣形勢不利于污染物擴散時,污染物濃度變化往往呈逐漸積累升高的特征.在污染過程前期,雖然天氣形勢不利于污染物的擴散清除,但是污染物濃度仍處于較低水平.隨著污染天氣持續,污染物持續積累導致濃度逐漸升高,空氣污染程度逐漸加重.相比之下,污染物的清除是一個快速的過程,當天氣形勢有利于污染物的擴散時,污染物能夠在短時間內得到擴散和清除,空氣質量迅速轉好,因此, 類型1、4、9AQI分布集中,除個別異常高值外,大多分布在低于100的一個小區間內.

天氣類型對空氣污染狀況的影響歸因于不同天氣形勢下影響污染物擴散、輸送、生成和轉化的氣象條件有所差異,如水平風場、濕度、大氣穩定度等.以北京市為例,表3選取了部分影響空氣污染的氣象參數.近地面風是影響污染物水平擴散的重要因子.類型1和4京津冀地區位于高壓前部等壓線密集處,風速較大,平均風速為2.7m/s,而其他幾種類型風速較小,多在2.0m/s以下,類型3和5的日均風速最小,為1.6m/s.相對濕度增大有利于氣溶膠吸濕增長和二次轉化[18],從而加重近地面空氣污染程度.幾種污染天氣類型北京市日均相對濕度均在50%以上,類型3和6的日均相對濕度最大,分別為 58.2%和 58.4%,對應的AQI均值也最大,分別為192和186.類型1和 4的天氣形勢下,近地面風場以北風和西北風為主,相對濕度低,分別為28.7%和43.5%.類型9受偏東風影響,相對濕度較大,但是與幾種污染天氣型下的偏南風相比,偏東風比較潔凈,因此空氣污染程度較輕.

表2 2014～2015年冬半年各類天氣類型京津冀AQI均值統計表Table 2 AQI mean of each circulation type during winter from 2014 to 2015

圖2 2014～2015年冬半年各類天氣類型北京市AQI分布特征統計Fig.2 Distribution characteristics of AQI in Beijing during winter from 2014 to 2015

大氣層結穩定度和湍流強度也是影響近地面空氣污染程度的重要因素.尚可政等[19]提出了一種從能量學角度描述大氣層結穩定度的參數——穩定能量,由表3可知, 類型3、5、7、8的1200m穩定能量均超過600J/cm2,類型2和6的穩定能量略低于其他幾種污染天氣型,但也在500J/cm2以上.相比而言,類型1、4、9冷空氣活動破壞了原有的穩定層結,低空穩定能量明顯減小,有利于污染物的垂直擴散.最大混合層厚度表征了污染物通過湍流運動在垂直方向上擴散和稀釋的范圍,是反映日間大氣湍流強弱的重要參數[20].幾種污染天氣型最大混合層厚度多在1000m及以下,而類型1和4的最大混合層厚度為1500m左右,有利于污染物通過湍流運動擴散至大氣上層,從而有效降低近地面附近污染物的濃度.

2.3 重污染月份分析

為了進一步探討京津冀地區重污染天氣過程的特征及形成原因,選取京津冀地區重污染月份2014年2月進行分析.

表3 2014～2015年冬半年各類天氣類型北京市氣象參數特征統計表Table 3 The characteristics of meteorological parameters in Beijing during winter from 2014 to 2015

2014年2月京津冀地區發生了2次典型的重污染過程(圖3),分別為10～16日和20～26日.第一次過程為高壓場型,8、9日冷空氣過程結束后,10-16日,京津冀地區始終處于高壓場控制下(類型6),石家莊AQI迅速增大并維持在400以上,北京和天津AQI增加比較平緩,13日以前主要為輕度和中度污染,之后達到重度污染.14～16日,京津冀13個城市中,除了北部的張家口和承德市,其它城市均達到重度污染,其中石家莊AQI連續3d接近500,是整個區域污染最嚴重的城市.第二次過程前期為高壓場型,后期轉為高壓后部型和鞍型場.20日起,各城市AQI均迅速增大并維持在重度污染水平,石家莊AQI最高,天津AQI相對較低.23～24日各城市AQI略微降低,隨后繼續增加至此次過程峰值.

圖3 2014年2月京津冀地區AQI及天氣類型變化特征Fig.3 AQI and circulation types in Beijing-Tianjin-Hebei region in February 2014

圖4為2014年2月北京市PM2.5小時濃度變化曲線.第一次過程(10～16日)北京市 PM2.5濃度整體呈升高的趨勢,但日變化十分明顯.其中11、14日PM2.5濃度日變化幅度小,而12、15、16日PM2.5日間濃度則明顯降低.對比兩種情況下的地面天氣形勢(圖5),11日京津冀及其周邊地區均處于大范圍高壓均壓場中,氣壓梯度弱,風速小,無持續風向,有利于污染物積累增加.12日,依據天氣分型結果,地面天氣形勢仍為類型6的高壓場,但是高壓系統發生了更替,新的高壓中心位于京津冀地區以北,且中心氣壓有所增大,高壓底部延伸至京津冀北部形成偏北風.11日和12日北京市最大混合層厚度都在1100m左右,而混合層厚度內平均風速前者明顯小于后者,分別為 2.5m/s和5.5m/s.對流層低層偏北風增強,配合日間低層大氣湍流運動,使得日間 PM2.5濃度明顯降低.隨著高壓中心東移,偏北風減弱以及夜間大氣層結趨于穩定,PM2.5濃度又迅速增加.在此次污染過程期間,影響京津冀地區的高壓系統一直處于變化中,多股冷空氣不斷東移,替代原來的系統.新舊系統交替中,高壓中心氣壓增加,氣壓梯度增強,在京津冀北部形成偏北風,一定程度上抑制了北部城市空氣污染持續加重的趨勢,但是由于冷空氣勢力較弱,且位置偏北,區域的天氣形勢沒有發生明顯改變,京津冀地區始終處于高壓系統控制下,因 此,污染物濃度變化呈波動增加的特征.

圖4 2014年2月北京市10m風場、最大混合層厚度及PM2.5濃度變化Fig.4 The change curve of 10m wind, maximum mixing depth and hourly PM2.5concentration in Beijing in February 2014

圖5 2014年2月11日(左)、12日(右)08:00地面天氣形勢Fig.5 Surface weather situation at 8:00 on 11th (left) and 12th(right) in February 2014

與第一次過程相比,第二次過程北京市PM2.5濃度日變化幅度較小.由圖 4可知,20～26日北京市最大混合層厚度持續偏低(約為 500～ 800m),表明此次過程期間北京市日間大氣湍流運動較弱,湍流對污染物的擴散能力降低,從而導致日間PM2.5濃度下降幅度減小.在第二次過程初期(圖 6),高壓系統位置偏東,中心位于我國東北地區,京津冀區域近地面風場以偏南風為主.偏南風能夠將河北中南部的污染物源源不斷地向北輸送,使得北京以及其他北部城市污染物濃度迅速增加,21日京津冀13個城市空氣污染程度均達到了重度污染.22～24日,冷高壓增強并向南移動,京津冀近地面風場由偏南風轉為東北風和東風,由于冷高壓移動路徑偏東,所以北京市 PM2.5濃度雖略有降低,但幅度很小.25～26日,地面天氣形勢由高壓場型轉變為高壓后部型(圖 6),受高壓后部偏南風影響,北京市 PM2.5濃度再次升高,直至26日夜間西北冷空氣過境,PM2.5濃度迅速降低,重污染過程結束.

圖6 2014年2月20日(左)、25日(右)08:00地面天氣形勢Fig.6 Surface weather situation at 8:00 on 20th(left) and 25th(right) in February 2014

上述分析表明兩次區域重污染過程均發生在天氣形勢連續多日維持重污染天氣型的情況下.污染過程期間,高壓系統演變、近地面風場變化以及日間大氣湍流活動等因素對京津冀地區(尤其是北部城市)污染物濃度變化影響顯著.高壓中心增強,北部偏北風增大,能夠一定程度抑制北部城市空氣污染持續加重的趨勢,而偏南風輸送使得北部城市污染物濃度迅速升高.

3 結論

3.1 采用客觀分型方法,將2013～2015年冬半年京津冀地區海平面氣壓場分為高壓前部、高壓場、高壓后部等9種類型.其中,西部高壓前和高壓場發生頻率最高,分別為 17.1%和 17.9%,其他幾種類型發生頻率在10%左右及以下.

3.2 高壓前部和高壓南部為不易污染天氣類型,京津冀地區 AQI均值較低;其他幾種天氣類型(高壓場、高壓后部等)則為污染天氣類型,京津冀地區各城市AQI均值多數在150以上;對于北部城市,類型 7 (冷鋒前部)AQI均值在幾種污染天氣型中相對偏低,南部城市則相對偏高.

3.3 不同天氣類型下影響污染物擴散、輸送、生成和轉化的氣象條件有所差異.以北京市為例,幾種污染天氣型平均風速多小于 2.0m·s-1,相對濕度大于50%,1200m穩定能量在500～600J·cm-2以上,最大混合層厚在1000m及以下,不利于污染物擴散.

3.4 當天氣形勢連續多日維持污染天氣類型時,京津冀地區容易發生重污染天氣過程.重污染過程期間,高壓系統演變、近地面風場變化以及日間大氣湍流活動等因素對京津冀地區(尤其是北部城市)污染物濃度變化影響顯著.

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Circulation weather type classification for air pollution over the Beijing-Tianjin-Hebei region during winter.

YANG Xu1, ZHANG Xiao-ling2,3*, KANG Yan-zhen1, ZHANG Ying2, WANG Shi-gong1,2*, LI Zi-ming4, LI Hao1(1.Key Laboratory of Arid Climate Change and Disaster of Reduction of Gansu Province, School of Atmospheric Science, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China；2.Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, School of Atmospheric Science, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China；3.Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing, 100089, China；4.Environmental Meteorology Forecast Center of Beijing-Tianjin-Hebei, Beijing 10089, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3201～3209

Circulation weather types were identified over the Beijing-Tianjin-Hebei (BTH) region during winter based on sea surface pressure fields from ERA-Interim reanalysis dataset from 2013 to 2015 using the PCT (principal component analysis in T-mode) method. The characteristics of air pollution associated with key meteorological parameters under different atmospheric conditions was analyzed using the corresponding time period of air pollution data and conventional meteorological observations. Also the causes of the occurrence of high pollution episodes and the characteristic weather features over the BTH region were investigated by analyzing typical data collected in the most polluted month. The results showed that there were nine main circulation types over the BTH region, i.e., non-polluted circulation types with high pressure to the front of the BTH region or to south of this region, and polluted circulation types with high pressure fields, the rear of high pressure, col pressure field or ahead of the cold front. Overall, the polluted circulation types were characterized by high relative humidity with weak winds, high stable energy and low maximum mixing depth, which reduced the possibility of dilution of pollutants from the local area, therefore, the observed averaged air quality index (AQI) values in most cities were above 150. Two heavy air pollution episodes occurred in February 2014 caused by the persistent high pressure fields which lasted for a few days. The evolution of the high pressure system led to strengthening of the northerly wind, which reduced the concentrations of pollution over north cities of the BTH, however, southerly winds carried air pollutants to make the concentration increase rapidly in the north cities of the BTH.

circulation classification；air pollution；Beijing-Tianjin-Hebei

X513

A

1000-6923(2017)09-3201-09

2016-11-30

國家科技支撐計劃課題(2014BAC23B01);國家重點研發計劃課題(2016YFA0602004);北京市科技計劃項目(Z141100001014013) * 責任作者, 張小玲, 教授, xlzhang@ium.cn;王式功, 教授, wangsg@lzu.edu.cn

楊 旭(1994-),男,河南三門峽人,蘭州大學碩士研究生,主要從事環境氣象預報方面研究.發表論文1篇.