持續(xù)性嚴重霾天氣過程中弱北風(fēng)活動對擴散條件的影響論文
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、城市化進程的加快以及交通運輸現(xiàn)代化的迅速推進，污染源排放量增加，造成北京及周邊地區(qū)霾天氣發(fā)生頻率呈上升趨勢。京津冀地區(qū)西側(cè)是太行山脈，北側(cè)是燕山山脈，東鄰渤海，太行山、燕山形成的三面環(huán)山的地形對冷空氣活動起到了阻擋和削弱作用，易導(dǎo)致山前空氣流動性較弱，形成氣流滯留區(qū)，污染物和水汽容易聚集，導(dǎo)致京津冀地區(qū)區(qū)域污染較重。近幾年北京地區(qū)接連出現(xiàn)高影響、持續(xù)性、嚴重霾天氣。嚴重的霾天氣的影響是多方面的，不但會造成低能見度事件，而且空氣中污染物濃度的顯著增加將導(dǎo)致人群中與健康相關(guān)各種不適癥狀出現(xiàn)，增加呼吸系統(tǒng)和心腦血管等疾病的患病率和死亡率，并造成一定的經(jīng)濟損失，所以霧霾天氣的預(yù)報、預(yù)警工作成為超大城市中高密度人群和高污染物濃度下的重要工作。
以往已有很多研究關(guān)于重污染天氣下的邊界層特征變化。但當霧霾天氣已發(fā)生時，居民和政府更加關(guān)心霧霾天氣是否會得到改善，也就是能見度是否會有所升高，污染物濃度有所下降的時間節(jié)點在哪里，而冷空氣能夠到達的層次、強度等對霧霾天氣改善對這這時間節(jié)點的預(yù)報至關(guān)重要。當冷空氣強度較弱時，因其路徑多變、強度不同、影響范圍不同而成為預(yù)報的難點，如只根據(jù)風(fēng)場來判斷弱冷空氣的影響結(jié)果，極容易造成誤判，甚至得到完全相反的結(jié)論。
“弱冷空氣”的概念在天氣學(xué)分析和預(yù)報中較為常見，例如從降水的角度研究弱冷空氣，則可以討論弱冷空氣對于對流的觸發(fā)作用，如從降雪的角度研究弱冷空氣，則可以討論回流天氣出現(xiàn)時，自偏東路徑到達北京弱冷空氣所起的作用，而在霾天氣過程中提到的弱冷空氣，以往并無明確定義。本文所討論的弱冷空氣是指在霾天氣出現(xiàn)時，其能夠帶來大氣的一定程度的降溫，并對擴散條件具有一定程度改善的冷空氣，受此類冷空氣影響，能見度得到一定程度的改善或污染物濃度出現(xiàn)一定程度的下降，但霾天氣并未徹底結(jié)束，以此作為弱冷空氣的定性標準。還需要說明的是，邊界層出現(xiàn)的偏北風(fēng)并非對一定應(yīng)著上文提到的弱冷空氣，邊界層所出現(xiàn)的偏北風(fēng)能否改善擴散條件，要根據(jù)具體問題來分析。
弱冷空氣的重要性主要在于判斷污染物濃度是否會進一步提高到更高的全市或區(qū)域重污染聯(lián)動預(yù)警級別，是否會達到影響居民健康的更高閾值濃度，霾預(yù)警級別升級與否以及會對與此相關(guān)的城市、區(qū)域各行業(yè)的生產(chǎn)、生活所帶來的影響至關(guān)重要。 2014 年 2 月 19 日至26 日北京出現(xiàn)持續(xù)嚴重霾天氣，北京市氣象局 20 日發(fā)布霾黃色預(yù)警信號，并于 21-25 日連續(xù)發(fā)布霾橙色預(yù)警信號。在此次嚴重霾天氣過程中，19 日夜間能見度迅速下降的原因、幾次偏北風(fēng)活動對擴散條件改善的程度還無明確結(jié)論，以往的文獻中討論弱冷空氣對擴散條件改善的研究很少，本文將對此進行分析。
1. 資料和方法
大氣環(huán)境觀測資料采用：北京市海淀區(qū)寶聯(lián)站、延慶野鴨湖站、密云上甸子站、懷柔站、昌平站、順義站、大興環(huán)境示范站、朝陽站八個大氣成分觀測站逐時 PM2.5 質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。氣象資料來自：北京南郊觀象臺低級 12 通道微波輻射計逐分鐘的相對濕度、溫度數(shù)據(jù)；北京地區(qū)維薩拉 ROSA 的 26 個道面氣象站逐小時的能見度數(shù)據(jù)；海淀氣象站逐小時露點、相對濕度、氣溫，氣壓，10 分鐘風(fēng)速數(shù)據(jù)；北京地區(qū)延慶風(fēng)廓線數(shù)據(jù)；每日兩次(08 時和 20 時)的 L 波段秒級的探空數(shù)據(jù)、氣溫、相對濕度；每日四次（08 時、14 時、20 時、02 時間）NCEP 數(shù)據(jù)，空間分辨率為 1°*1°。本文以相對濕度 80%為閾值，將此次過程劃分為兩個階段，當能見度小于 10 km 時，第一階段為 19 日夜間至 20 日夜間，大部分時間相對濕度大于 80%，這一階段是以濕度增加造成能見度降低的霾階段，第二階段為 21 日白天到 26 日白天，相對濕度小于 80%時定義為以污染物濃度顯著增加造成能見度降低的霾階段。
2. 霾過程期間天氣形勢分析
2 月 19 日夜間-26 日白天，北京出現(xiàn)長時間持續(xù)霾天氣。19-24 日 500hPa 高度場上中高緯維持偏西氣流，24 日后半夜-25 日上午有淺槽過境，26 日轉(zhuǎn)為偏南氣流控制。850hPa 上，19-21 日處于脊后南風(fēng)氣流影響，逐漸回暖，22 日夜間有弱冷空氣沿東北路徑影響北京，23日-26 日，持續(xù)受溫度脊控制，低層暖濕氣流向北抵達北京，導(dǎo)致近地層濕度增大和增溫，而地面早晚氣溫相對較低，地面與對流層之間形成較為深厚而穩(wěn)定的.逆溫層，使得穩(wěn)定的大氣層結(jié)條件持續(xù)。對應(yīng)的地面場上，19 日-21 日中國東部大部分地區(qū)處于帶狀高壓后部偏南風(fēng)影響，21 日-22 日高壓主體北縮位于貝加爾湖以東，河套地區(qū)的低壓輻合系統(tǒng)向北伸展，22 日-25 日高壓主體向東移、南下入海，北京地區(qū)再次轉(zhuǎn)受高壓后部偏南氣流影響，25 日20 時位于河套的低壓輻合區(qū)發(fā)展閉合，向東移動影響北京，北京地區(qū)地面輻合加強，26 日下午北京出現(xiàn)明顯降水，對污染物濃度具有明顯的清除作用，污染物濃度下降，能見度好轉(zhuǎn)，霾天氣結(jié)束。
3.地面氣象條件和空氣污染物濃度變化特征
3.1 19-26 日期間氣象要素與大氣成分觀測資料變化特征
19-26 日期間，海淀站氣象要素和海淀區(qū)寶聯(lián)站逐小時 PM2.5 濃度觀測資料時間變化曲線，能見度為 26 個道面氣象站逐小時平均值�？梢钥闯�，19-26 日期間，地面氣壓呈現(xiàn) 19 日夜間增大，而后下降，21 日夜間到 22 日白天緩慢上升，受高空不斷回暖和東移低壓系統(tǒng)影響，過程結(jié)束前海平面氣壓一直緩慢下降。氣溫和相對濕度呈現(xiàn)明顯的反位相變化。本次過程，地面平均風(fēng)速較小，大部分時間沒有超過 2m/s，接近靜風(fēng)時，能見度降低的尤為明顯。海淀站能見度從 19 日 14 時的 19km 下降到 20 日 08 時的 0.9km，能見度基本沒有超過 2km；而由圖 1 可見，26 個道面監(jiān)測站的逐時能見度平均也可以看出來這一相似趨勢，隨著第一階段向第二階段轉(zhuǎn)換，能見度具有了明顯的日變化，白天能見度好于夜間，白天能見度均未超出 3km，夜間部分地區(qū)出現(xiàn)能見度小于 1km，從 24 日開始能見度再次降低，于 25 日夜間達到此次過程能見度的最低點。PM2.5 濃度從 19 日 20 時到 20 日 20時，24 小時內(nèi)質(zhì)量濃度爆發(fā)性增加約 250μg/m3，在 22 日夜間濃度有所下降，從 23 日白天至過程結(jié)束前濃度持續(xù)上升。
3.2 地面能見度空間演變
20 日早晨至 26 日上午，北京大部分地區(qū)能見度一直維持 3km 以下，霾過程持續(xù) 7 天。19 日白天北京地區(qū)能見度均在 30 公里左右，由圖 2 可知，能見度從北京東南部的通州和大興開始下降，觀象臺 20 日 08 時能見度僅為 0.9km；20 日白天小于 2km 的區(qū)域繼續(xù)向北擴展，20 日夜間小于 2km 的區(qū)域向北京東北部延伸，至 21 日 08 時北京南部和東部的通州、大興、順義南部地區(qū)能見度均小于 1km；21 日 20 時北京北部地區(qū)能見度進一步降低，但小于 1km 的區(qū)域明顯減小只存在于通州西部；22 日 08 時到 22 日 20 時北京地區(qū)能見度空間分布變化不大，能見度小于 2km；23 日 08 時城區(qū)及南部地區(qū)能見度好轉(zhuǎn)，但 24 日白天北京東部地區(qū)能見度再次轉(zhuǎn)差，24 日 20 時北京東部的平谷、密云、順義能見度小于 1km，這種能見度降低的趨勢一致維持到 26 日白天降雨出現(xiàn)之前，26 日 08 時北京大部分地區(qū)能見度均小于 1km 或在 1km 左右，26 日午后北京出現(xiàn)明顯降雨天氣，能見度轉(zhuǎn)好。
4.霾過程第一階段（19 日夜間至 20 日夜間）
4.1 邊界層濕度增加的原因
完整地衡量大氣水汽含量，通常用絕對濕度和相對濕度共同表征。當濕度一定，壓力一定時，被測量的氣體溫度降低，當溫度降低到一個特定數(shù)值的時候，水汽開始凝結(jié)，此時的特定溫度就是這個壓力條件下的露點溫度（td），露點溫度可以表征大氣中絕對水汽的含量。當壓力一定，溫度一定時，空氣中水汽的摩爾分數(shù)和同一溫度、壓力下純水表面的飽和水汽的摩爾分數(shù)之比，用百分數(shù)表示，經(jīng)過換算也可以用溫度（t）和露點（td）之差來表征相對濕度，通常用 t-td 來說明空氣距離飽和程度的遠近。在研究低能見度事件時，相對濕度和絕對濕度同樣重要。
4.2 細顆粒物輸送的路徑和時間
19 日 20 時前后至 20 日夜間是污染物濃度快速增長的時間，同時也是能見度下降較快的時間，前文分析結(jié)果表明，20 日 14 日之前有利于能見度下降的因素和不利于能見度下降的因素相互抵消，能見度變化不大。就在 PM2.5 平均濃度由最初的先上升，后持平，再上升這一大背景下，來自于外源輸送的 PM2.5 在北京完成大量累積的過程。
5.霾過程中的弱冷空氣對能見度、PM2.5 濃度的影響分析
本次嚴重霾過程持續(xù)七天，延慶風(fēng)廓線觀測結(jié)果如圖 5 所示，黑色箭頭表示風(fēng)向和風(fēng)速，陰影表示不同的風(fēng)向，風(fēng)向之間以 45 度為間隔。霾維持期間邊界層有四次明顯偏北風(fēng)活動，霾期間的弱冷空氣活動，對能見度和 PM2.5 濃度的改善至關(guān)重要，邊界層內(nèi)偏北風(fēng)能否到達地面？偏北風(fēng)的出現(xiàn)是否就對應(yīng)著冷空氣的出現(xiàn)？無冷空氣對應(yīng)的偏北風(fēng)對污染物濃度和擴散條件有何影響？以下即分析這四次北風(fēng)過程對能見度、PM2.5 濃度變化的影響。
6.小結(jié)
�。�1）此次嚴重霾天氣過程持續(xù)七天，依據(jù)能見度下降的主要原因，過程被分為以濕度增加造成能見度下降的霾階段和以污染物濃度增加造成能見度下降的霾階段。第一階段東南風(fēng)帶來的冷濕平流，及此平流與山風(fēng)輻合將水汽帶入高空冷卻凝結(jié)，大濕度區(qū)到達地面的共同作用，促使能見度因濕度增長以較快的速度下降；第二階段，邊界層濕度明顯下降，空氣污染物濃度顯著升高，是此階段能見度下降的主要原因。
�。�2）干暖空氣混合于濕度較大的邊界層和地面氣溫的升高是是第一階段向第二階段轉(zhuǎn)換的重要條件，大氣污染物濃度和濕度條件的配比關(guān)系是能見度變化的關(guān)鍵因素。
（3）本過程中，邊界層存在四次偏北風(fēng)活動，只有滿足三個條件：a 存在偏北風(fēng)活動；b偏北風(fēng)造成了大氣氣溫降低；c 大氣氣溫降低的層次應(yīng)抵達地面。缺少任何一個條件，所謂的弱冷空氣對擴散條件的改善將不存在，能見度不會升高、污染物濃度不會降低。
�。�5）高濃度 PM2.5 氣團對北京的輸送自南向北發(fā)生，監(jiān)測站 PM2.5 峰值濃度自南向北逐漸出現(xiàn)，PM2.5 的輸送為第一階段向第二階段做必要準備。
�。�6）研究低能見度事件時，完整地衡量大氣水汽含量，通常用絕對濕度和相對濕度共同表征，兩者同樣重要。
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