石家莊近地層風場輻合與重污染關系研究

李二杰, 張 智, 祁 妙, 趙玉廣*

1.河北省環境氣象中心, 河北 石家莊 050021 2.中國氣象局邢臺大氣環境野外科學試驗基地, 河北 邢臺 054008

隨著我國對大氣污染防治的持續推進，京津冀地區空氣質量整體趨勢持續改善，大氣污染治理效果明顯. 《2017年大氣環境氣象公報》指出，盡管大氣環境呈現向好趨勢，但受不利氣象條件影響，持續性、區域性重污染天氣仍時有發生. 石家莊市是京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市之一，地處河北省中南部，地理位置37°27′N～38°47′N、113°30′E～115°20′E，東部平原海拔一般在30～100 m之間，受太行山地形的影響，近地面存在著幾乎定常的風場輻合[1]，其厚度由地面伸展至高空幾百米甚至近千米，易造成污染物匯聚[2]，使局地污染程度超出周邊1～2個等級，出現濃度峰值、“爆表”等.

氣象條件變化是影響大氣污染的主要原因[3-4]，邊界層內氣象要素與污染物的輸送、聚集、擴散等密切相關[5-8]. 已有眾多學者對重污染發生的天氣背景和氣象條件進行了分析，例如，ZHANG等[9]利用主成分分析法將天氣形勢分類，指出天氣形勢是北京地區污染物濃度逐日變化的主要驅動因子；風速、相對濕度、混合層高度、通風量等局地氣象條件是影響污染物濃度的重要因素，均與污染物濃度呈顯著相關[10-12]；AN等[13]對2015年一次重污染過程數值模擬顯示，區域傳輸對北京ρ(PM2.5)的平均貢獻率達39%；王叢梅等[14]研究認為，2013年1月河北省中南部地面風小且多風向、風速輻合線，均加劇了近地層水汽和污染物的匯聚，導致大氣污染嚴重. 另外，也有學者開展了一些綜合指數的研究，例如，廖碧婷等[15]構建并利用垂直交換系數對污染物的垂直輸送能力進行評估；花叢等[16-17]結合PM2.5排放源強度構建和改進了氣象傳輸指數，并解析了北京、天津、石家莊近地面高度上的主要污染傳輸通道；張恒德等[18]統計得出10個對靜穩天氣指示意義較強的氣象要素，并計算各要素分指數，疊加得到北京地區靜穩天氣指數. 上述指數從垂直、水平、靜穩等不同方面表征了氣象條件對空氣污染的影響機理，包括與低層大氣和污染物擴散相關的動力、熱力條件因素，但對局地環流所形成的風場輻合[19]考慮不足，大多文獻對其定性描述較多，缺乏針對性和定量化的指標研究，傳統的散度量無法表征近地面多層風疊加輻合效果和地形阻擋的影響，另外，對風場輻合中心散度值接近為零時失效，具有一定局限性.

為了進一步分析氣象條件對大氣污染的貢獻，該研究以石家莊區域為中心，在引入矢量通風系數的基礎上，提出一種能夠定量計算近地層風場輻合強度系數的方法，并結合典型污染過程分析石家莊風場輻合形成原因及其對污染的貢獻，以期為提高氣象條件指標效果和重污染預報預警提供客觀參考依據.

1 數據與方法

1.1 數據來源

氣象數據采用歐洲氣象中心ERA-Interim再分析資料中的水平U、V分量風和高度場產品，空間分辨率為0.25°×0.25°，每天4次，分別為北京時間02：00、08：00、14：00和20：00. 空氣質量數據來源于河北省生態環境監測中心空氣質量實時發布平臺(http:121.28.49.85:8080). 數據觀測時段均為2016年9月—2019年3月. 所用數據還包括地理空間數據云(http:www.gscloud.cn)共享的GDEMV2 30 m分辨率的地形數字高程(Digital Elevation Model)數據.

1.2 研究方法

1.2.1矢量通風系數

大氣混合層高度[20-21]及其中風速反映了混合層內大氣對污染物的擴散稀釋能力，通風系數[22-24]為混合層高度與混合層高度內平均風速的乘積，定義：

(1)

在通風系數的定義中，混合層高度常用實測(干絕熱法、激光雷達資料反演等)、經驗公式(羅氏法、國標法)和數值模式模擬方法獲取[11,25-27]，是隨時間和空間變化的物理量. 王繼康等[28]認為，200～600 m高度是大氣污染物的主要傳輸帶，朱芳等[29]對石家莊一次重污染過程分析得出重污染發展和維持階段大氣邊界層高度范圍為620～712 m. 為了研究近地層風場輻合與大氣污染的關系，引入固定海拔高度內的矢量通風系數，結合石家莊地區平均海拔，最終選取固定海拔高度為700 m，采用空間多層格點U、V分量風(對應X、Y軸方向)數據分別計算，并對低于海拔高度的風數據(一般為山體內)進行扣除，從而獲得固定海拔高度內格點化的矢量通風系數.

U分量方向(X軸為東西方向，西風為正、東風為負)通風系數(Vu)的計算方法：

(2)

V分量方向(Y軸為南北方向，南風為正、北風為負)通風系數(Vv)的計算方法：

(3)

式中：H為海拔高度,取固定值700 m；z為海拔高度，m；u(z)為隨高度變化的U分量風速，ms；v(z)為隨高度變化的V分量風速，ms.

1.2.2箱體模型計算輻合強度系數

如果在某一特定時間內進入指定區域的通風量多于輸出的通風量，則表示該區域存在風場輻合，單位時間內進入箱體內的通風量越多，輻合越強；反之，存在風場輻散. 由于大氣層內垂直W分量風的量級一般相對較小，該研究主要考慮水平風的輻合貢獻，即水平風場輻合(簡稱“風場輻合”). 由此，從風場輻合的物理意義出發，取單位時間為秒，對于水平區域S對應的氣柱內，如果輸入的通風系數大于輸出的通風系數，那么就存在風場輻合，反之存在風場輻散，分別計算區域南、北、東、西4個邊界上的有效輸入通風系數，即可得到該區域的水平風輻合量. 綜上，利用矢量通風系數將不同高度、方向的風融合在一起，達到降維分析，從而將近地面多層風輻合問題轉化為通風系數輻合(見圖1).

圖1 箱體模型計算區域輸入輸出通風量示意Fig.1 Schematic diagram of calculating input and output ventilation in box model

指定水平區域S和Δt時間(單位時間為秒)內有效輸入通風量的計算方法：

(4)

式中：FS為有效輸入通風量，m3；k取值1～4，分別表征南、北、東、西4個邊界；Vk,in為k邊界平均輸入通風系數，m2s；Vk,out為k邊界平均輸出通風系數，m2s；Lk為k邊界長度，m.

為了表征風場輻合的強弱，該研究定義單位體積氣柱內輻合量的大小作為輻合強度系數，因此給定水平區域S內輻合強度系數可表示為

(5)

式中：GS為輻合強度系數；A為水平區域面積，m2，該研究中折算為1 km2；hair為實際對應氣柱高度，m.GS值越大，表征風場輻合越強.

1.2.3動態窗格計算最大輻合強度系數

對于一個區域或者一個格點，選取不同大小的區域范圍所計算出來的輻合強度系數會大不相同，由圖2可明顯看出，矩形區域對應窗格選取太大、太小或者偏離均不能最優表征輻合區范圍，關鍵在于尋找合適的窗格，該窗格需滿足2個條件：①范圍足夠大，能夠覆蓋范圍內所關注的輻合區；②范圍又要足夠小，小到僅能覆蓋輻合區，最好僅能覆蓋輻合區邊界.

注： Pi,j為任意格點，綠色框表示所選窗格最優，紅色框范圍偏大，藍色框范圍偏離.圖2 動態窗格確定最大風場輻合區示意Fig.2 Schematic diagram of the dynamic window to determine the maximum wind convergence region

利用輻合強度系數計算方法，對于任意格點Pi,j動態調整其所在矩形窗格(半徑為rm)大小并計算可以得到一系列輻合強度系數Ci,j,m，滿足上述2個條件的窗格必然是Ci,j,m中最大的一個. 因此可以利用動態窗格掃描的方法，獲取最大Ci,j,m所在的區域作為計算窗格，所對應的輻合強度系數定為格點Pi,j的最終輻合強度系數，由此得到任意格點Pi,j的輻合強度系數(Cij)：

Ci,j=maxCi,j,m

(6)

一般近地層風場輻合場大小在2～3個經緯度范圍，對于分辨率為0.25°×0.25°的中尺度氣象模式格點風場，設定最大掃描半徑r為4～6個格距即可覆蓋最優輻合區.

2 結果與討論

2.1 風場輻合與污染成因

一般在暖低壓型天氣背景下，石家莊及其南部地區為系統性偏南風，或者在東北至偏東氣流作用下，進入石家莊的風速逐漸減小，形成風速輻合[30]. 另外，受太行山地形效應的影響，石家莊夜間容易吹山風，西部山區為偏西風，與偏南風構成“人字形”輻合線[1,31]. 以2019年1月6日02：00的風場輻合污染過程為例(見圖3)，石家莊近地層矢量通風系數表現為東南部地區通風系數較大，且方向指向偏西至西北，受太行山地形梯度的影響，西部和北部地區通風系數逐漸減小(海拔高的地區為0)，方向指向偏東至東北. 從圖3(c)可以看出，紅色框內U分量風由東部邊界輸入，西部邊界975 hPa高度以上為弱偏西風，975 hPa高度以下為山體影響，風速不計入，單位時間內東、西邊界有效輸入通風量大于輸出量，V分量類似，這是形成近地層風場輻合的根本原因，對應石家莊近地面風向呈逆時針旋轉，風速由外圍到內部梯度逐漸減小，氣流從四周流向中心，最終形成風向、風速疊加地形影響的輻合場.

注： 圖(c)中紅色框為計算輸入通風系數邊界.圖3 2019年1月6日02：00石家莊及周邊地區風場輻合、 ρ(PM2.5)分布及U、W分量風剖面圖Fig.3 Wind convergence ρ(PM2.5) distribution and U & W wind profiles at 02:00 on January 6th, 2019

另外，從圖3(b)所示污染分布來看，輻合區外圍的邢臺、邯鄲、保定部分地區空氣質量以輕度至中度污染為主，為輻合提供了污染物質條件，在風場輻合作用下污染物向石家莊匯集且無法擴散，形成風場輻合性傳輸，局部地區出現重度至嚴重污染，污染強度偏高1～2個等級，而同時刻輻合較強、空氣質量相對較好的北京地區沒有出現重污染，表明風場輻合是局地污染形成的必要非充分條件，輻合只是提供了氣象條件場，輻合造成的污染程度與區域背景污染物濃度有關，風場輻合可理解為一種“只進不出”的污染輸送方式.

圖4 2016年11月11日02：00—12日20：00石家莊PM2.5、輻合強度系數、風速、相對濕度及矢量通風系數變化Fig.4 Changes in PM2.5, convergence intensity coefficient, wind speed, relative humidity and vector ventilation coefficient at Shijiazhuang Station from 02:00 on November 11th to 20:00 on November 12 th, 2016

注： 圖(c)中紅圈為石家莊處于明顯輻合區.圖5 2016年11月11—12日不同時刻京津冀地區矢量通風系數(箭頭)和ρ(PM2.5)分布Fig.5 The distribution of vector ventilation coefficient (arrow) and ρ(PM2.5) in Beijing-Tianjin-Hebei Region at different times from November 11th to 12th, 2016

2.2 風場輻合促進PM2.5爆發性增長

研究[32-33]表明，氣態污染物(SO2、NOx、NH3等)在高濕條件下發生化學轉化，能夠快速生成PM2.5中的二次組分(SO42-、NO3-、NH4+等)并吸濕增長，導致ρ(PM2.5)進一步快速升高，出現PM2.5爆發性增長，這種增長背后勢必有氣象條件變化起助推作用. 利用2016年11月11日20：00石家莊出現的一次典型風場輻合污染過程進行分析(見圖4、5)，從氣象條件來看，前期(02：00—08：00)風場輻合區主要集中在保定、廊坊一帶，石家莊雖然有一定的風場輻合，但主要受偏西風影響，上游污染物濃度較低，U分量通風系數為 1 377～1 530 m2s，水平擴散能力較強，08：00污染物濃度略有降低. 14：00—18：00風速降至2 ms以下并維持小風狀態，U、V分量通風系數均在500 m2s以下，平均相對濕度為45%，4 h內ρ(PM2.5)由159 μgm3逐漸增至211 μgm3，平均每小時增加13 μgm3，主要受通風系數小、水平擴散條件差的影響，污染物積累濃度逐漸升高[34]. 20：00前出現明顯風場輻合，石家莊處于輻合區中心，輻合強度系數為59.6，V分量通風系數由正開始轉負，相對濕度快速增加并穩定至70%，ρ(PM2.5)出現峰值(261 μgm3)，19：00—20：00ρ(PM2.5)增加了50 μgm3，平均每小時增加25 μgm3，增長速度約為之前的2倍，出現PM2.5爆發性增長. 這主要是因為，低空偏西氣流越過太行山后在山麓東側下沉，與平原地區吹來的偏東風形成風向、風速輻合，加劇了近地層水汽和污染物的匯聚[14]，使相對濕度和污染物濃度迅速升高，為二次轉化提供了高濕條件，這種正反饋作用無疑成為促使污染物濃度爆發性增長的動力機制，因此，輻合性傳輸是造成石家莊PM2.5爆發性增長和出現污染峰值的關鍵氣象條件因素[2,35].

2.3 風場輻合對大氣污染的貢獻

為了進一步研究風場輻合對區域ρ(PM2.5)的貢獻，根據HJ 633—2012《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》，以ρ(PM2.5)>150 μgm3(對應AQI>200)作為重污染篩選條件，并剔除春節、沙塵過程時段數據，選取2016年9月—2019年3月石家莊具典型輻合污染特征時次的數據樣本10組. 以石家莊鄰近的保定、廊坊、邢臺、衡水、邯鄲中沒有明顯風場輻合的站點ρ(PM2.5)均值作為區域背景值，統計結果(見表1)顯示，發生風場輻合污染時ρ(PM2.5)是區域背景值的2～3倍，利用石家莊ρ(PM2.5)相對于區域背景值的偏高率作為風場輻合對污染濃度貢獻的參考量，統計得出風場輻合對大氣污染貢獻在85%～200%之間，平均值為155%. 另外還可以看出，輻合強度系數越大、區域背景值越高，最終污染程度越強，表明在不考慮地區排放源和其他氣象要素差異的情況下，風場輻合有利于污染物的局地積累，是形成局部區域污染物濃度偏高的主要氣象條件因素，受非單一因子影響，貢獻參考量與輻合強度系數呈非線性關系. 由于輻合強度系數越大，風場輻合越強，可將最小值26.1(取整26)作為指標下限值閾值，不設上限，高于該值，則認為風場輻合將對污染貢獻明顯.

表1 石家莊10次典型風場輻合污染過程統計結果

3 結論

a) 通過引入矢量通風系數物理量集成了多層風疊加效果，并結合箱體模型提出了一種定量計算近地層風場輻合強度系數的方法，能夠反映地形阻擋引起的輻合量，該指標值越大，表征風場輻合作用越強，可作為基礎物理量用于風場輻合過程強弱對比和污染氣象條件預報.

b) 石家莊風場輻合主要為偏南風或者東北轉偏東風兩種類型氣流疊加地形影響造成的，在近地層主要表現為風向、風速輻合，從矢量通風系數分析，均可歸結為該地區東部(南部)輸入通風量大于西部(北部)輸出通風量.

c) 風場輻合使污染物和空氣中的水汽快速局地聚集，為大氣污染物二次轉化提供濕度條件，是形成局部區域污染物濃度偏高和PM2.5爆發性增長的重要氣象因素. 但輻合污染需要一定的污染基礎，當背景大氣污染物濃度較低時，即使有風場輻合，也不容易出現污染物濃度比周邊明顯偏高的現象.

d) 石家莊近地層輻合強度系數在26以上時，風場輻合對污染貢獻作用明顯，輻合區內污染強度比周邊地區偏高1～2個等級，ρ(PM2.5)比區域背景值偏高85%～200%. 由于精確定量區分風場輻合造成的污染貢獻尚存在技術難題，該貢獻參考量是利用輻合區污染物濃度與區域背景值差來確定，沒有考慮地區排放源差異和其他氣象要素影響.