一次霾天氣過程前期昌平區(qū)污染特點及區(qū)域差異成因分析

王娟，李文華，徐浩，劉丹

1.北京市昌平區(qū)氣象局;2.北京市通州區(qū)氣象局;3.北京市昌平區(qū)環(huán)境保護監(jiān)測站

一、引言

霾是指大量的細微粒子均勻地懸浮在空中，造成大氣渾濁、氣象能見度下降的現(xiàn)象。隨著城市化發(fā)展和工業(yè)化進程加快，污染物的源排放不斷增加，很大程度上導(dǎo)致了我國霾天氣發(fā)生頻率逐漸增多。近幾年，持續(xù)性的嚴(yán)重霾天氣的出現(xiàn)，不但嚴(yán)重威脅到人民群眾的身體健康，能見度的降低也給交通運輸帶來安全隱患，霾天氣已經(jīng)成為關(guān)注度極高的災(zāi)害性天氣之一。

2016年12月16-21日京津冀地區(qū)出現(xiàn)大范圍持續(xù)性霾天氣，持續(xù)時間長達6天，造成低能見度天氣，個別站點PM2.5濃度出現(xiàn)“爆表”現(xiàn)象，北京也啟動2016年入冬以來的首個空氣重污染紅色預(yù)警信號，造成多方面的社會影響，引起社會廣泛關(guān)注。值得注意的是，針對這一現(xiàn)象，利用觀測數(shù)據(jù)對昌平與周邊區(qū)域進行差異分析，可以更好地指導(dǎo)環(huán)境氣象業(yè)務(wù)預(yù)報服務(wù)工作，同時為政府相關(guān)部門大氣污染綜合治理提供重要的決策依據(jù)。

二、主要內(nèi)容

（一）資料

本研究所使用的資料包括：高空和地面氣象觀測資料、北京市南郊觀象臺（站號：54511）探空資料（08時和20時），懷柔、昌平、門頭溝、大興、通州5個國家氣象觀測站點的PM2.5濃度和能見度、地面風(fēng)速、氣溫、氣壓及相對濕度等資料，均由北京市信息中心提供。

（二）天氣實況概述

2016年12月16-21日，京津冀地區(qū)出現(xiàn)了當(dāng)年秋冬季范圍最大、持續(xù)時間最長、程度最重的霾天氣過程。過程前期霾過程的日變化明顯，過程后期污染物濃度高、空氣濕度大導(dǎo)致多地夜間的能見度不足1km。其中，16-18日北京大部分地區(qū)出現(xiàn)中度霾，局地重度霾，但是昌平站與周圍站點對比發(fā)現(xiàn)，能見度處于較好水平，昌平氣象臺根據(jù)本地實際于當(dāng)年12月18日17時15分最后一個發(fā)布霾黃色預(yù)警信號。霾天氣持續(xù)到21日夜間。之后受冷空氣影響，22日造成至上午霾天氣自北向南逐漸消散，22日風(fēng)力加大到4級左右，陣風(fēng)6級左右。

（三）昌平站與周圍站點各氣象要素對比分析

本次過程發(fā)展前期，地面氣壓呈現(xiàn)由高降低的變化趨勢，并且始終維持在一個較小的氣壓梯度變化范圍內(nèi)。相對濕度的分布存在日變化，早晚濕度較大，中午前后降至一天的最低值。其中，平均而言相對濕度從大到小依次為通州、大興、懷柔、昌平、門頭溝。而相對濕度與氣溫、能見度之間則保持反位相變化關(guān)系。通州的PM2.5濃度一直處于較高水平，而懷柔和昌平呈前期濃度低，后期逐漸上升的變化特點。另外，本次過程中地面的平均風(fēng)速整體偏小（1.0m/s左右），過程風(fēng)速穩(wěn)定維持在0-3.5m/s，風(fēng)速的這一變化特征為本次霾天氣過程的持續(xù)提供了有利條件；其中，門頭溝、昌平、懷柔霾過程所持續(xù)的風(fēng)速（0.2-3.5m/s）略大于通州、大興過程風(fēng)速（0-2.8m/s）所維持的水平，這也是此次過程西部、北部區(qū)縣能見度比東南部地區(qū)好的原因之一。

圖1 15日20時-18日20時昌平、懷柔、門頭溝、大興、通州站氣象要素、能見度和PM2.5濃度變化序列

綜合各氣象要素的時間演變特征表明，在持續(xù)較低的氣壓和較小的地面風(fēng)速大背景下，PM2.5濃度的穩(wěn)定升高，以及入夜后氣溫降低而相對濕度增大的地面氣象條件，是本次持續(xù)性霾天氣過程產(chǎn)生和維持的重要原因。而西部、北部地區(qū)霾過程輕于東部、南部地區(qū)的原因可以歸結(jié)為，西部北部地區(qū)風(fēng)速較大，相對濕度較低，PM2.5濃度上升速度緩慢，相對維持在一個較弱水平。

（四）霾天氣過程昌平本站能見度的影響因子分析

霾天氣過程中能見度與地面氣象要素和氣溶膠濃度密切相關(guān)，為進一步分析本次霾天氣過程前期昌平地區(qū)對于能見度的主要影響因子，首先對地面氣象要素（氣壓、溫度、相對濕度、風(fēng)速）、PM2.5和能見度的關(guān)系進行相關(guān)性分析（表1）。

表1 能見度與相對濕度、PM2.5濃度、風(fēng)速、氣壓、溫度之間的相關(guān)系數(shù)

由表1可以看出：能見度與PM2.5濃度和相對濕度存在較強的負相關(guān)，和氣壓以及風(fēng)速之間存在正相關(guān)，并都通過了99%的信度檢驗。由于整個霾天氣過程中，氣壓變化比較平緩，氣壓梯度較小，地面風(fēng)速總體穩(wěn)定維持在1m/s左右，因此，氣壓和風(fēng)速對能見度的影響更多地體現(xiàn)在為霾天氣過程中低能見度的形成提供一個相對穩(wěn)定并且水平輸送條件較小的天氣背景場，反映出氣壓和風(fēng)速與能見度在天氣尺度上變化的一致性。

相比而言，相對濕度和PM2.5濃度與能見度之間的關(guān)系更為密切，相關(guān)系數(shù)分別為0.51和0.76，說明在此次霾天氣過程前期相對濕度和粒子濃度可能是直接影響昌平地區(qū)水平能見度的兩個重要因子；其中PM2.5濃度與能見度的相關(guān)性大于相對濕度與能見度之間的相關(guān)性，這說明，此次霾發(fā)展前期昌平站PM2.5濃度對能見度的作用要強于相對濕度，是影響能見度變化的主要因子。

而PM2.5濃度與氣壓、風(fēng)速、相對濕度關(guān)系密切，和相對濕度以及氣壓存在較強相關(guān)性，通過了99%的置信度檢驗，而與風(fēng)速之間的相關(guān)性置信度檢驗較低。由于在霾天氣主要是本地污染物和外來污染源的疊加導(dǎo)致，在氣壓變化加大時，地面存在一定的氣壓梯度（氣壓與風(fēng)速之間存在一定的正相關(guān)），地面風(fēng)速會有所加大，而風(fēng)速的加大對污染物的作用是一把“雙刃劍”，這與風(fēng)向有關(guān)。如果是偏北風(fēng)，風(fēng)速的加大對于污染物有一定的清除作用；如果是偏南風(fēng)，在某個閾值范圍內(nèi)，南風(fēng)的加大會將河北一帶的污染物輸送到北京，使得北京霾加重，如果超過這個數(shù)值范圍，則會對北京本地的污染物起到較好的清除作用；如果是偏東風(fēng)，則隨著風(fēng)速的加大，會將天津一帶的污染物輸送到北京，并伴有水汽（PM2.5與相對濕度存在較強正相關(guān)），配合北京西部山地地形，使得污染物愈發(fā)加重。

因此，此次霾天氣過程，昌平能見度較好主要與PM2.5濃度較低有一定關(guān)系，而決定濃度變化的主要是相對濕度和風(fēng)速兩個因子，相對周邊站點而言，昌平站出現(xiàn)有較小的相對濕度、較大的偏北風(fēng)速，加之昌平北京西北部特殊的地理位置，地形作用使得污染物主要集中在西部北部沿山一帶，霾嚴(yán)重區(qū)域與地面輻合線相對應(yīng)。

三、主要結(jié)論

（1）此次持續(xù)性霾天氣過程主要是由于高空環(huán)流形勢較為平直，低層風(fēng)力較小，無明顯冷空氣，邊界層擴散條件較差，導(dǎo)致了此次霾天氣逐漸發(fā)展并維持。（2）持續(xù)低壓和較小的地面風(fēng)速以及PM2.5濃度穩(wěn)定上升和相對濕度增大，是本次持續(xù)性霾天氣過程產(chǎn)生和維持的重要原因。（3）此次霾天氣過程，相對濕度和PM2.5濃度是直接影響能見度的兩個關(guān)鍵因子；其中PM2.5濃度與能見度的相關(guān)性大于相對濕度與能見度之間的相關(guān)性。（4）PM2.5濃度變化主要取決于相對濕度和風(fēng)速這兩個因子，同時還要考慮風(fēng)向。與相對周邊站點對比發(fā)現(xiàn)，霾前期昌平站能見度較好的原因：相對濕度較小，并處于弱偏北風(fēng)中，加之昌平處于北京西北部特殊的地理位置，地形作用使得污染物主要集中在西部北部沿山一帶，而霾嚴(yán)重區(qū)域與地面輻合線相對應(yīng)，沿輻合線污染物持續(xù)積累，程度最重。