劉艷杰, 劉小雪, 馬庚雪
1.廊坊市氣象局2.天津北辰區(qū)氣象局
受新冠疫情影響,京津冀地區(qū)自2020年1月24日開始先后啟動突發(fā)公共衛(wèi)生事件一級響應(yīng)機制,采取了交通管制、居家辦公、部分企業(yè)停產(chǎn)等一系列嚴(yán)格措施,疫情期間全國城市空氣質(zhì)量明顯提升,AQI和PM2.5濃度分別下降了36%和48%[1-2]。在此背景下,2月中上旬京津冀地區(qū)多地仍出現(xiàn)重污染天氣,部分城市重污染長達(dá)5天,此次持續(xù)性的大氣污染及其成因引起了公眾的廣泛關(guān)注與討論。
目前許多研究表明,大氣污染形成的主要因素為污染源和氣象條件[3-4],經(jīng)過人為減排,大氣污染程度有所下降,但一些地區(qū)污染事件依然會發(fā)生[5-7],這表明不利的氣象條件對污染物的積累有著非常顯著的作用。其中靜穩(wěn)的大氣環(huán)流形勢、高濕環(huán)境、一定的風(fēng)場條件加上特殊地形等綜合作用,是導(dǎo)致重污染天氣過程的主要氣象成因[8-11]。由于大氣污染物主要集中在邊界層內(nèi)[12],近地面氣象要素的分布與污染物濃度大小有著密切關(guān)系。賈秋蘭等[13]指出邊界層逆溫使低層的水汽和污染物無法擴散,從而聚集產(chǎn)生重污染。王躍等[14]研究發(fā)現(xiàn)霾污染爆發(fā)與持續(xù)的關(guān)鍵氣象因素是近地層低風(fēng)速、高濕度和逆溫的長時間持續(xù),山前邊界層低層的風(fēng)切變,易導(dǎo)致該區(qū)域污染物濃度爆發(fā)性增長。肖之盛等[15-17]揭示了低空急流對本地大氣污染的不同作用,即輸入加強作用和擴散清除作用。許敏等[18]分析了冀中地區(qū)霧、霾與重污染共存時的風(fēng)場差異。
以上研究分別針對不同的區(qū)域,且污染時段減排措施不盡相同,研究結(jié)論存在一定的差異性和局限性,較難直接應(yīng)用于本地。此外,一般減排措施很難使人為活動減少至2020年初疫情防控時期的程度,該時期京津冀地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)重污染天氣,為研究氣象要素對大氣污染的影響提供了很好的契機。筆者利用2020年2月中上旬京津冀地區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及氣象觀測數(shù)據(jù),對疫情防控期間發(fā)生在京津冀的重污染天氣特征和氣象成因進(jìn)行詳細(xì)分析,以期更好地理解本次重污染過程,并為該地區(qū)大氣污染治理提供有效的數(shù)據(jù)支持。
京津冀地區(qū)包含北京市、天津市、雄安新區(qū)及河北省的11個市??諝赓|(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測總站(http://www.cnemc.cn/)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺,包含各污染物的逐日和逐小時濃度數(shù)據(jù)。氣象資料來自歐洲中心ERA5(https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/search?type=dataset&text=ERA5)和河北省氣象信息共享平臺(http://10.48.36.193/getDefault.do)中的高空、地面氣象觀測數(shù)據(jù)。由于氣象探空站有限,且邢臺風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)缺測,因此用保定站和北京站、邢臺站和邯鄲站觀測數(shù)據(jù)相互補充來對比研究京津冀中部和南部氣象條件。
利用探空站觀測數(shù)據(jù)逐層計算,如溫度廓線中下層溫度低于上層溫度,記為逆溫。逆溫層底高度為H1,逆溫層頂高度為H2,對應(yīng)的溫度分別為T1和T2,定義逆溫層厚度(H)為H2-H1,定義逆溫強度(TI)為(T2-T1)×100/H。本研究僅分析0~800 m高度、厚度大于等于50 m的逆溫層,未包含由于大氣擾動而形成的淺薄逆溫層。
局地環(huán)流是指污染物起初被風(fēng)場輸送出去,隨后又被輸送回來的現(xiàn)象,計算風(fēng)的矢量累計距離與標(biāo)量累計距離之比,可得到R指數(shù),其反映風(fēng)場的運動特征、通風(fēng)性能和靜穩(wěn)程度[19-20]。R越接近1表明風(fēng)場通風(fēng)性越好,越接近0則通風(fēng)性越差,計算公式如下:
式中:R為局地環(huán)流指數(shù),無量綱;i為時刻;ΔT為數(shù)據(jù)時間間隔,取1 h;ui為i時刻水平風(fēng)的東西分量;vi為i時刻水平風(fēng)的南北分量。
2020年2月8—13日京津冀出現(xiàn)連續(xù)區(qū)域性重污染天氣。其中2月8日重污染天氣率先出現(xiàn)在河北中南部沿山一帶,中北部為優(yōu)、良到輕度污染;9日重污染天氣范圍縮小至京津冀中部地區(qū);10—11日范圍擴大,由石家莊市北部延申至唐山市北部及承德市東南部;12—13日污染區(qū)域北抬,且范圍最大、強度最強,除滄州、邯鄲等東南部4市外,均達(dá)到重污染;13日夜間強冷空氣自北向南推進(jìn),污染物逐漸減弱直至消散。此過程中保定市連續(xù)5日AQI超過200(即重污染),唐山市和廊坊市出現(xiàn)4日重污染,北京市出現(xiàn)3日(圖1)。2月12日北京市、保定市和雄安新區(qū)AQI均超過250。
圖1 2月8—13日京津冀地區(qū)AQI的空間分布Fig.1 Spatial distribution of daily AQI in Beijing-Tianjin-Hebei Region from Feb. 8 to 13, 2020
保定市重污染天氣持續(xù)時間最長,且污染程度較重,以其為例分析各污染物的演變情況(圖2)。污染過程中首要污染物為PM2.5,9—10日早晨和12日夜間—13日為污染較重時段,其中13日03:00—04:00 PM2.5濃度最高,為261 μg/m3,10日下午和11日下午污染有所緩解。PM10濃度、CO濃度與PM2.5濃度演變趨勢基本一致。O3濃度整體與PM2.5濃度呈反位相分布,且午后時段濃度較高,夜間至上午時段濃度較低。NO2和SO2濃度較小且變化幅度不大。重污染期間京津冀多地能見度較差,13日14:00—15:00保定市安國縣最小能見度僅為40 m。
圖2 重污染天氣過程保定市6種污染物濃度小時分布Fig.2 Hourly distribution of six pollutants in Baoding during heavy pollution period
2.2.1環(huán)流背景
污染過程開始前,2月7日京津冀500 hPa高空為大于20 m/s的西北氣流(圖略)。重污染前期2月8—10日白天雖然京津冀整體仍處于500 hPa西北氣流控制中,但不斷有弱波動迅速移過該地區(qū);10日夜間—11日西南地區(qū)南支槽東移,京津冀位于槽前西南氣流中,逐漸形成靜穩(wěn)天氣形勢;12日新疆北部北支槽與南支槽形成階梯槽,13日北支槽加強東移,京津冀再次轉(zhuǎn)為西南氣流控制(圖3)。在污染過程加重的中后期,10—13日850 hPa及以下均為西南氣流,直至14日強冷空氣過境,高低層均轉(zhuǎn)為西北風(fēng)(圖略)。
圖3 重污染期間500 hPa天氣Fig.3 500 hPa weather chart during heavy pollution period
2月7日京津冀西北部、山東省至湖北省均受地面高壓控制,京津冀中南部位于2個高壓之間的弱氣壓場中,冷空氣勢力較弱(圖略)。8日青藏高原北部至東北的廣大區(qū)域均為高壓系統(tǒng),京津冀位于高壓底部;9日東北北部出現(xiàn)閉合低壓,京津冀位于高壓前,太行山附近地面等壓線密集,使得沿山區(qū)域偏北風(fēng)風(fēng)速較大;10—11日華北南部出現(xiàn)一個范圍較小的弱低壓系統(tǒng),其東西兩側(cè)均為高壓;12日華北南部的弱低壓東移入海,京津冀位于弱氣壓場中;13日白天東北至河套地區(qū)再次出現(xiàn)弱低壓(圖4)。13日夜間開始強冷高壓緩慢南下,京津冀地面偏北風(fēng)加強(圖略)。
注: D代表低氣壓,G代表高氣壓。圖4 重污染期間地面天氣Fig.4 Surface weather map during heavy pollution period
綜上,2月7—9日500 hPa高空以西北氣流為主,有弱冷空氣活動,污染處于建立階段。其中8日京津冀位于地面高壓底部,地面偏東風(fēng)導(dǎo)致河北省西南部沿山一帶污染物堆積,形成重污染;9日地面呈西南高東北低的形勢,京津冀南部有冷空氣滲透,重污染范圍減小。10日開始高空不斷有短波槽東移,850 hPa至近地層轉(zhuǎn)為西南風(fēng),地面出現(xiàn)閉合低壓,有風(fēng)場輻合,污染物在京津冀進(jìn)一步積累,重污染范圍擴大。13日夜間開始強冷空氣南下,污染減弱直至消散。
2.2.2大氣穩(wěn)定性
本次污染過程京津冀中部重污染持續(xù)時間較長,而南部大部分地區(qū)僅8日達(dá)到重污染,用保定市和邢臺市分別代表京津冀中部和南部,分析2個區(qū)域冷暖空氣活動情況,結(jié)果見圖5。由圖5可見,2月8—13日保定市附近低層850 hPa以下冷平流整體較弱,10日上午近地面出現(xiàn)強度為-10×10-5~-1×10-5K/s的弱冷平流,PM2.5濃度呈下降趨勢,其余時段接地冷平流非常弱,且持續(xù)時間短,污染物濃度沒有明顯下降。邢臺市自8日下午開始陸續(xù)有冷平流影響近地面層,其中9—10日冷平流持續(xù)時間較長,9日上午冷平流強度達(dá)-20×10-5~-10×10-5K/s,污染物濃度大幅下降,11—13日受冷平流短暫影響,PM2.5濃度波動上升。此外,以9日早晨為例,保定市地面溫度平流強度近于0,隨高度增加轉(zhuǎn)為暖平流,且暖平流強度隨高度增大,有利于近地層逆溫的出現(xiàn),而邢臺市近地面為較強冷平流,污染物易于擴散。13日夜間冷空氣自北向南大舉南下,14日中低層冷平流強度大于-20×10-5K/s,污染迅速減弱消散。
圖5 2020年2月8—14日溫度平流的時間剖面Fig.5 Time profile of temperature advection from Feb. 8 to 14, 2020
由于冷暖空氣的分布不同導(dǎo)致大氣邊界層逆溫的出現(xiàn),從而阻礙污染物的垂直擴散,使污染物不斷積累。逆溫層的高低和強弱變化與污染濃度有明顯相關(guān)性。杜榮光等[21-22]研究表明,當(dāng)逆溫層高度較低,強度較強,厚度增厚時,重污染將會加強或維持,逆溫層底高越低,污染物濃度就越高。利用逐日08:00和20:00探空數(shù)據(jù)計算800 m以下北京市和邢臺市逆溫分布情況(圖6)發(fā)現(xiàn):2月7—14日,2市均出現(xiàn)不同程度的邊界層逆溫,但北京市逆溫的頻次明顯偏多,且逆溫層厚度和強度均大于邢臺市;9—11日逆溫層厚度均在400 m以上,最大值為629 m,出現(xiàn)在11日08:00。持續(xù)較厚的逆溫層,導(dǎo)致重污染天氣維持較長時間,13日保定市PM2.5濃度達(dá)到最大。北京市08:00的逆溫強度普遍大于20:00,其中8日08:00最大,達(dá)每100 m 7.69 ℃,PM2.5濃度也在夜間至早晨時段達(dá)到高峰,午后或冷空氣入侵時段,PM2.5濃度有小幅下降。8日08:00—12日08:00北京市逆溫層底高度均為0 m,而邢臺市逆溫層底高度普遍在100 m以上。綜上,本次重污染天氣出現(xiàn)之前及期間京津冀中南部均存在邊界層逆溫,但中部地區(qū)逆溫層高度更低、厚度更厚、強度更強,污染物不易擴散,是中部較南部地區(qū)污染嚴(yán)重的重要因素之一。
圖6 2020年2月7—14日北京市和邢臺市逆溫層高度及逆溫強度演變Fig.1 Evolution of inversion layer height and inversion intensity in Beijing and Xingtai from Feb. 7 to 14, 2020
2.2.3地面氣象要素分布
污染物一般聚集在近地層,地面和邊界層內(nèi)氣象要素的分布對污染物濃度的影響最為顯著。綜合天氣形勢和PM2.5濃度分布將本次過程分為4個階段,并根據(jù)地面氣象要素的分布情況(圖7),分析其與PM2.5濃度的關(guān)系。
圖7 2020年2月7—14日地面氣象要素與PM2.5濃度演變Fig.7 Evolution of surface meteorological elements and PM2.5 concentrations from Feb. 7 to 14, 2020
階段一為2月7—9日。7日京津冀中南部位于南北2個高壓之間的弱氣壓中,冷空氣活動較弱,邢臺市以偏東風(fēng)和東南風(fēng)為主,平均相對濕度為78.3%,污染物在山前集聚,加之顆粒物吸濕增長,PM2.5濃度自07:00升至100 μg/m3以上。8日保定市地面風(fēng)速普遍小于2 m/s,平均風(fēng)速僅0.8 m/s,同時相對濕度為43%~100%,均值為89.7%,擴散條件差,除午后濕度較小時段外,PM2.5濃度均在150 μg/m3以上,能見度較低,08:00最小能見度僅99 m。10:00—20:00邢臺市均為偏東風(fēng),風(fēng)速為1~3 m/s,山前輻合明顯,13:00 PM2.5濃度升至229 μg/m3。9日京津冀西部位于地面高壓前部,有冷空氣入侵,08:00邢臺市地面偏西風(fēng)風(fēng)速達(dá)5.5 m/s,相對濕度迅速降為33%,能見度躍升至7 km,PM2.5濃度降至97 μg/m3。冷空氣未深入至河北省中部,保定市9日風(fēng)力較8日略大,平均風(fēng)速為1.6 m/s,但相對濕度持續(xù)較高,凌晨至上午時段達(dá)90%,04:00 PM2.5濃度達(dá)200 μg/m3以上。綜上,9日冷空氣強度弱,僅影響京津冀西部和南部地區(qū),偏南氣流將南部污染物輸送至中部,并在有利的環(huán)境條件下積累,中部污染呈加強趨勢。
階段二為2月10—11日。10日白天開始京津冀東部受華北地面弱低壓控制,西部等壓線密集,西北風(fēng)風(fēng)速較大,10日邢臺市平均風(fēng)速為3.8 m/s,且風(fēng)向以WNW頻次最多,PM2.5濃度持續(xù)偏低。由于中部和東部氣壓梯度較小,風(fēng)場較弱,保定市平均風(fēng)速為1.1 m/s,但仍有弱冷空氣入侵,06:00氣溫較9日同期低3 ℃。相對濕度午后明顯下降,14:00降至31%,污染強度有所減弱,PM2.5濃度由05:00的209 μg/m3降至136 μg/m3。11日華北持續(xù)維持弱低壓,重污染強度和范圍與10日相當(dāng)。
階段三為2月12—13日白天。12日華北弱低壓入海,13日京津冀再次位于弱低壓帶內(nèi),平原地區(qū)除東南部風(fēng)速較大外,其他地區(qū)風(fēng)力較弱。12日保定市和邢臺市平均風(fēng)速分別為0.5和2.9 m/s,平均相對濕度分別為81%和50%。在高濕小風(fēng)條件下,京津冀重污染范圍擴大,且污染程度加重,12日18:00保定市PM2.5濃度再度達(dá)到200 μg/m3以上,能見度與PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān),13日凌晨能見度不足 1 000 m。13日白天靜穩(wěn)天氣形勢持續(xù)維持,04:00 保定市PM2.5濃度達(dá)到峰值,為261 μg/m3。
階段四為2月13日夜間—14日。13日夜間較強冷空氣自北向南推進(jìn),京津冀中部風(fēng)速加大至6 m/s,14日06:00保定市PM2.5濃度降至69 μg/m3,12:00邢臺市PM2.5濃度降至36 μg/m3,本次污染過程結(jié)束。
表1為2月8—13日保定市、邢臺市地面風(fēng)向頻率統(tǒng)計。從表1可以看出,保定市風(fēng)向分布較為分散,以NNE~ESE風(fēng)向為主,占比為47.1%,且靜風(fēng)(C,風(fēng)速為0 m/s)出現(xiàn)頻率高達(dá)18.8%。邢臺市風(fēng)場較為穩(wěn)定,風(fēng)向趨于一致,其中以WNW最多,占比為40.3%。從京津冀中南部風(fēng)向分布可見,中部風(fēng)向以NE或E為主,南部為WNW,風(fēng)向呈輻合趨勢,整體不利于污染物的擴散,尤其是中部地區(qū)靜風(fēng)占比較多,環(huán)境條件更加不利。
表1 2020年2月8—13日保定市和邢臺市的風(fēng)向頻率Table 1 Wind direction frequency in Baoding and Xingtai from Feb. 8 to 13, 2020 %
表2為2月8—13日保定市和邢臺市地面風(fēng)速分布情況。從表2可以看出,保定市小風(fēng)(風(fēng)速<1.5 m/s)頻率高達(dá)61.8%,而邢臺市89.6%的風(fēng)速大于1.5 m/s,其中4~6 m/s的風(fēng)速占比為15.3%,對應(yīng)風(fēng)向多為WNW。說明重污染期間京津冀中部長時間維持較小風(fēng)速,污染物不易擴散,污染持續(xù)加強,南部地區(qū)由于過程前期偏東風(fēng)與地形輻合作用,污染物濃度暴增,隨著中后期冷空氣的不斷滲透,風(fēng)速加大,大部分時段有利于污染物的擴散,污染物濃度整體不高。
表2 2020年2月8—13日保定市和邢臺市風(fēng)速頻率Table 2 Wind speed frequency in Baoding and Xingtai from Feb. 8 to 13, 2020
注:實線為地面輻合線。圖8 重污染期間京津冀地面風(fēng)場和相對濕度分布特征Fig.8 Distribution characteristics of surface wind field and relative humidity in Beijing-Tianjin-Hebei Region during heavy pollution period
以上研究表明,大氣污染物的演變與地面風(fēng)場和濕度場的分布有著密切關(guān)系,圖8為重污染期間京津冀地面風(fēng)場與濕度場分布的演變。從圖8可以看出:階段一,風(fēng)場輻合主要出現(xiàn)在河北省南部沿山一帶,且8日邢臺市和邯鄲市地面相對濕度大于60%,重污染出現(xiàn)在輻合最明顯的南部沿山地區(qū)。9日西部受冷空氣影響,太行山以東沿山區(qū)域轉(zhuǎn)為西北風(fēng)或偏西風(fēng),風(fēng)速達(dá)6 m/s,邢臺市東部的偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng),石家莊市、衡水市轉(zhuǎn)為西南風(fēng),污染物沿偏南風(fēng)向北輸送,京津冀中部尤其是保定市附近風(fēng)速較小,且有風(fēng)向輻合,北京市南部、保定市和雄安新區(qū)達(dá)到重污染。階段二,地面輻合線由石家莊市經(jīng)雄安新區(qū)至天津市,重污染區(qū)域出現(xiàn)在地面輻合線附近及其北側(cè)。階段三,地面輻合線向北和向南延伸,且地面濕度明顯加強,13日輻合線北部出現(xiàn)相對濕度大于90%區(qū)域,該區(qū)域即為重污染區(qū)域。階段四,冷空氣大舉南下,京津冀自北向南轉(zhuǎn)為西北風(fēng),濕度迅速下降,污染減弱直至消散(圖略)。
2.2.4邊界層風(fēng)場特征
邊界層風(fēng)場與污染物擴散有直接關(guān)系,利用2月8—13日保定市和邯鄲市風(fēng)廓線資料計算 2 500 m以下風(fēng)場的R指數(shù)(圖9),分析京津冀中南部邊界層風(fēng)場。從圖9可以看出,1 000 m以下兩市R存在較明顯差別,8—13日保定市多個高度處R小于0.5,其中12日270 m處R最小,僅為0.12。河北省南部僅8日出現(xiàn)重污染天氣,邯鄲市的R僅在8日870 m以下達(dá)到0.1~0.5,其余時段均大于0.5。1 000 m以上兩市的R普遍隨高度增大,其值為0.5~1.0。從京津冀中南部R的分布可見:南部地區(qū)9—13日邊界層R普遍較大,說明風(fēng)向較為一致,風(fēng)場穩(wěn)定,輸送性能相對較好,污染物易于擴散,從而僅8日出現(xiàn)重污染天氣,其余時段為良至中度污染;而中部地區(qū)8—13日邊界層R較小,風(fēng)向變得不穩(wěn)定,通風(fēng)性能較差,導(dǎo)致邊界層內(nèi)污染物不斷積累,重污染持續(xù)時間長。
圖9 2020年2月8—13日邊界層R指數(shù)Fig.9 Boundary layer ventilation index from Feb. 8 to 13, 2020
2014年2月20—26日京津冀出現(xiàn)連續(xù)7天的重污染天氣,24—26日多地AQI超過300,污染程度較2020年更重,范圍更大。此次過程前期20—23日,高空為西北氣流,24—26日有短波槽移過,與2020年相似。地面為低壓控制或位于高壓底后部。分析保定市地面氣象要素特征(表3)發(fā)現(xiàn),2014年2月重污染天氣時地面風(fēng)向更為一致,風(fēng)向ENE~NNE和S共計占比71.4%,其中ENE~NNE占比高達(dá)64.3%,而2020年2月重污染天氣風(fēng)向范圍更廣,SE~NNE和C共計占比72.2%。2014年重污染天氣過程中平均風(fēng)速為2.0 m/s,2020年僅1.3 m/s。2014年平均相對濕度和平均地面氣壓為70.7%和 1 025.8 hPa,2020年為82.2%和 1 018.1 hPa??梢?020年較2014年風(fēng)向較分散,風(fēng)速偏小,濕度偏大,氣壓偏低,氣象要素更不利于污染物的擴散,但2020年污染程度較2014年輕,且重污染范圍小,由此可見疫情期間防控減排在一定程度上減弱了大氣污染程度。
表3 2014年2月20—26日和2020年2月8—13日重污染期間保定市氣象要素Table 3 Meteorological elements in Baoding during heavy pollution periods from Feb. 20 to 26, 2014 and from Feb. 8 to 13, 2020
(1) 2020年2月8—13日京津冀出現(xiàn)連續(xù)區(qū)域性重污染天氣,保定市連續(xù)5天AQI超過200,唐山市和廊坊市為4天,北京市為3天,AQI最大值達(dá)257,首要污染物為PM2.5。
(2) 大氣環(huán)流穩(wěn)定少動,污染前期高空以西北氣流為主,8日地面偏東風(fēng)導(dǎo)致河北省西南部沿山一帶污染物堆積,形成重污染。9日南部有冷空氣滲透,污染范圍減小。10日開始高空陸續(xù)有短波槽東移,850 hPa轉(zhuǎn)為西南風(fēng),地面出現(xiàn)閉合小低壓,污染物進(jìn)一步積累,重污染范圍擴大,直至強冷空氣南下,污染減弱消散。
(3) 重污染期間京津冀南部由于有頻繁的弱冷空氣擾動,污染持續(xù)時間短,而中部地區(qū)冷空氣活動不明顯,大部分時段中低層為暖平流。同時中部逆溫出現(xiàn)次數(shù)明顯偏多,且逆溫層厚度和強度均大于南部,導(dǎo)致污染物更不易擴散。
(4) 保定市由于長時間維持較小風(fēng)速和較大濕度,邊界層 1 000 m以下風(fēng)向較不穩(wěn)定,通風(fēng)性能差,9日之后京津冀東南部地區(qū)以偏南風(fēng)為主,導(dǎo)致南部地區(qū)污染物向中部輸送,中部污染物濃度居高不下,重污染天氣加重。
(5) 重污染區(qū)域與地面輻合線分布相一致,出現(xiàn)在地面輻合線和濕區(qū)附近及北側(cè)。
(6) 疫情期間防控減排一定程度上減弱了大氣污染程度。