河北重度污染天气分型及其气象条件特征

河北重度污染天气分型及其气象条件特征
赵娜;马翠平;李洋;于智强
【摘要】利用2013-2016年河北省196个环境观测站资料和气象资料对河北省易出现重污染的天气形势进行天气学分型:辐合型、回流型、均压场型、高压后部型、西北高压型、北高型,其中西北高压型出现频率最高,均压场型次之,回流型出现频率最低.通过对河北省3个代表站2014-2016年秋冬季混合层高度、静稳天气指数及小风日数与污染物浓度的统计,分析得到3种指数与大气污染有很好的相关性,即混合层高度越低、静稳天气指数值越大、小风日数越多,越容易出现空气污染.另外通过对比不同类型重污染天气下混合层高度和静稳指数数值,得出天气分型与气象特征量的对应关系:北高型最稳定,西北高压型最容易被破坏.%The observations from 196 environmental observation stations and meteorological data during 2013-2016 were used to classify weather situation that was prone to occurring heavy pollution in Hebei Province,then six weather types including convergent type,returning flow type,uniform pressure field type,high pressure rear type,northwest high pressure type and north high pressure type were given,among them,the northwest high pressure type appeared most frequently,then followed by uniform pressure field type,while returning flow type occurred least.Based on the statistics of mixed layer height,static stability weather index,breeze days and air pollutant concentration from three representative stations of Hebei Province in autumn and winter during 2014-2016,it was showed that there was a good correlation between air pollution and three indexes,when mixed layer height was lower,the static stability weather index was higher
and breeze days was more,there would be more conducive to the formation of air pollution.In addition,through comparing the height of the mixed layer and the static stability weather index under different weather typos when heavy pollution occurred,the corresponding relationship between weather types and meteorological characteristic was
obtained.The north high pressure type was most stable,while northwest high pressure type was likely to be destroyed.
【期刊名称】《干旱气象》
【年(卷),期】2017(035)005
【总页数】9页(P839-846,856)
【关键词】重度污染;天气分型;气象条件
【作者】赵娜;马翠平;李洋;于智强
【作者单位】河北省环境气象中心,河北石家庄050021;河北省环境气象中心,河北
石家庄050021;中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,北京100012;河北省气象局,河北石家庄050021
【正文语种】中文
【中图分类】X16
赵娜，马翠平，李洋，等.河北重度污染天气分型及其气象条件特征[J].干旱气象，2017，35(5)：839-846, [ZHAO Na, MA Cuiping, LI Yang, et al. Weather Classification of Heavy Pollution in Hebei Province and Its Meteorological Condition Analysis[J]. Journal of Arid Meteorology, 2017, 35(5):839-846],
DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2017)-05-0839
随着城市化进程加快、工业化水平和城市汽车拥有量的提高，空气中工业排入和汽车尾气排入对大气环境的影响日趋严重，尤其京津冀区域性空气污染更是全球污染重要区域之一，已引起全社会的高度关注，空气质量与气象条件之间的关系也越来越受到重视。

尤其是河北地区环绕首都北京，其中京津唐地区是我国北方重要的经济中心，其地理位置的特殊性对全国经济发展意义重大。

因此，京津冀是空气污染防控重点区域，河北省是重中之重，大气环境治理已成为一项刻不容缓的工作。

近年来，河北省政府部门高度重视大气污染防治工作，将改善空气质量作为一项重大战略任务来抓，采取多种措施，加大了大气污染的治理力度，取得了显著的成效，大气环境状况正逐步向好的方向转变，但大气污染防治工作的重要性和紧迫性依然严峻。

大量研究结果表明，大气污染物的扩散与气象条件密切相关。

影响城市大气污染物浓度的主要因子一方面取决于污染源的多少、性质和排放强度，另一方面取决于当地的气象条件[1-3]。

在不同气象条件下，同一个污染源造成的地面污染浓
度可相差几十倍到几百倍[4]。

在污染源相对稳定的条件下，气象条件是影响城市
空气污染的主导因素。

气象条件对大气污染物所产生的影响主要表现为大气对污染物的稀释扩散能力、对大气污染物的物理化学转化过程以及大气状况对污染源本身的影响[5]。

因此，加强空气质量与气象条件相关性研究非常必要。

曹伟华等[6]利
用北京地区高时间分辨率资料分析了雾霾天气过程中的气象要素和气溶胶演变特征；张琳娜等[7]对北京2013年1月持续雾霾天气的成因进行了分析；赵普生等[8]利
用京津冀区域地面观测站气象要素和天气现象资料对区域内霾天气整体变化趋势和波动特征进行了分析；吴兑等[9]使用京津冀晋4省市长期气象资料和高分辨率自
动气象站资料，分析了环首都圈霾和雾天气的长期变化趋势；杨晓春等[10]分析了西安地区一次重污染过程的气象条件及污染轨迹，找出了造成污染的气象因素；李二杰等[11]利用后推气团轨迹模式分析了污染形成源，并对混合层高度、相对湿度、
能见度与PM2.5浓度进行了相关分析；孙兆彬等[12]利用PM2.5浓度数据、常规气象数据、风廓线数据、激光雷达资料等，分析了雾凇和偏东风对PM2.5的清除
6机制；黄少妮等[13]对陕西关中地区一次持续多日重污染天气过程的颗粒物污染特征及气象条件行进了统计分析，找出了污染形成的主要气象原因和清除机制；戴竹君等[14]利用常规观测资料、探空资料和NCEP再分析资料对江苏秋冬季重度霾的环流背景、边界层特征等进行分析，研究了重度霾的形成机制；段云霞等[15]使用常规地面、探空资料、风廓线雷达和环境监测站污染物资料，分析了沈阳市一次持续性重污染天气过程特征。

基于京津冀污染形势的严峻性和大气污染防治工作的迫切需求，要寻找解决大气污染问题的技术手段，需对本地污染的气象条件进行定量化研究。

本文挑选河北省2013年1月至2016年12月重污染天气，应用天气学原理将河
北近4 a重污染天气过程进行天气分型，并分析重污染天气各种类型的环流特征。

另外分析2014—2016年秋冬季混合层高度、静稳天气指数、小风日数等气象要
素与污染物浓度的相互关系，以期为河北省重污染天气的预报预警提供技术支撑。

根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》*环境保护部. 《中华人民共和国
国家环境保护标准》(HJ633-2012)：AQI为201～300时，空气质量状况属于重
度污染；AQI>300时，空气质量状况属于严重污染。

河北省人民政府印发的《河北省重污染天气应急预案》*河北省人民政府. 《河北省人民政府办公厅关于印发河北省重污染天气应急预案的通知》(冀政办字[2016]178号)中规定预测AQI日均
值大于200时开始发布重污染预警。

为排除局地污染的干扰，规定河北省一天中
有至少3个地市出现AQI日均值大于200的过程为一个重污染日。

利用2013—2016年河北省196个空气质量监测站点资料计算得出的各站点AQI指数日均值，选出325个重污染日，对重污染日天气形势进行分析，归纳出河北省重污染天气
分型。

混合层高度表征大气污染物在垂直方向被热力湍流、对流与动力湍流输送所能达到的高度[16]，若混合层高度降低，大气污染物会积压在近地面层，不利于扩散。

计算混合层高度的方法主要有罗氏法、国标法和干绝热法[17-19]，利用罗氏法计算
混合层高度的公式[20]为：
式中：L(m)为混合层高度；T(℃)为温度；Td(℃)为露点温度；P为Pasquill大气
稳定度级别；Uz(m·s-1)为Z高度处观测的平均风速；Z0为地面粗糙度；f为地转参数。

根据各种气象要素与大气污染的相关性，选取近地面温度、露点、湿度、风速、风向、变温、变压、925 hPa风向风速、850 hPa垂直风速、1 000～850 hPa逆温等气象要素进行组合，考虑季节变化，对阈值、权重进行调整得出本地化静稳天气指数；风是主要的污染物清除因子，风速较小时有利于污染物的聚集，利用逐时的整点风速计算得到日平均风速，规定日平均风速小于2 m·s-1时为一个小风日，
小风日的数量即为小风日数。

通过计算河北不同代表站的混合层高度、静稳天气指数、小风日数，分析混合层高度、静稳天气指数、小风日数对污染的影响。

天气形势是空气污染的气象背景条件，为使空气污染预报更为精准，利用近4 a河北出现的重污染天气资料将重污染天气过程进行天气分型。

郭蕊等[21]分析指出，重污染天气多发生在静稳天气背景下，此时冷空气势力弱，地面风速小，相对湿度较大，大气层结稳定，并常常伴有逆温。

这类天气形势不利于大气污染物稀释扩散，其形成主要受低层系统影响，特别是地面系统的影响。

通过对4 a中每个重污染日的天气形势进行分析，将河北重污染的天气形势分成6
种主要天气类型：辐合型、回流型、均压场型、高压后部型、西北高压型、北高型。

2.1 辐合型
辐合型地面气压场表现为：河北省处于低压辐合区内，从气压场形态区分又包含小
低压型和华北干槽型。

小低压型，河北区域处于低压区；华北干槽型河北处于因地形原因形成的“V”型地形槽中。

图1(a)为小低压型，可以看到河套以西为一高压中心，华北地区为低压带控制，气压场较弱，等压线稀疏，风力较小，风向较乱，在辐射降温条件较好的情况下，有时会有小低压形成，地面弱辐合有利于逆温形成，不利于大气污染物稀释和扩散，河北易出现空气污染。

图1(b)为华北干槽型，可
以看出高压主体位于新疆一带，冷空气沿西北路径大举南下至我国东南沿海一线，在太行山东侧的河北大部—京津地区—山东出现“V”型地形槽，槽区常常会出
现风向辐合造成弱上升运动[22]。

但如果偏西风较大时，有利于地面温度增高，利于气流的垂直交换运动，大气扩散能力加强，污染天气不易形成。

2.2 回流型
图1(c)是回流型天气地面形势场，巴尔喀什湖至中国东北为一东西向的高压带，
高压轴向呈东西向，冷空气东移过程中受长白山的阻挡后转向西南方向抵达华北，地面盛行偏东风，河北南部处于倒槽(低压)前部或暖区内，湿度较大，甚至饱和，突遇干冷气流由东北向西北方向行进，将盘踞在近地面的暖湿气流抬升,造成降温
凝结而导致大雾形成，使能见度转坏,不利于大气污染物稀释扩散。

2.3 均压场型
均压场型[图1(d)]表现为：30°N以北为一非常庞大的高压控制，高压中心分裂，
冷空气多为扩散形势影响河北，河北境内有时只有一条等压线或没有，最多为2
条等压线，河北处于弱的气压场中，风速较小，当有弱冷空气扩散南下时，极易造成大雾天气而导致重污染天气形成。

2.4 高压后部型
高压后部型[图1(e)]表现为：冷高压由黑龙江经朝鲜伸向华北南部及华南一带，河北处于高压的西北部、西部时，河套地区以西为低气压控制，低气压前部的暖湿气流沿高压后部、西部外围西南气流北上，使湿度增加，利于污染天气形成。

2.5 西北高压型
西北高压型地面形势[图1(f)]表现为：冷空气路径来自于西北方向，冷高压中心位
于蒙古国的西北部，高压轴线呈西北东南向。

山西北部到河套有一明显的冷锋存在，冷锋前暖湿气流充沛，常常在冷锋到来之前造成持续的大范围大雾及霾天气，且多数都会造成大范围的严重污染天气，当锋面移过河北省境内时，污染天气结束。

但有时这种类型锋面并不明显甚至没有，表明冷空气为渗透南下[图1(g)]，虽然冷高压南下，但冷空气太弱，地面气压梯度变得很稀疏，再加上辐射降温，使持续污染天气得不到缓解,常常导致污染继续维持；当冷空气分裂南下，高压中心分裂为多
个小高压时，地面气压场偏弱，风力较小，污染天气也同样维持；当冷高压从西北路径向西南方向大举南下至华中—华南一带，而冷空气从东北平原直插河北北部
地区时，南下高压中心分裂，河北处于分裂高压的北部，弱的偏西气流也可使污染天气维持。

河北污染天气中西北高压型出现频率最高。

2.6 北高型
北高型[图1(h)]冷空气来自贝加尔湖东部自北向南影响河北，高压轴线呈南北向，河北处于高压南部，常常导致河北中南部地区受南下冷空气影响而使地面产生急剧降温，时间如果正好处于清晨，地面天气晴好时会快速在河北中南部地区形成辐射大雾天气,造成空气污染。

对325个重污染日进行统计，出现频率最高的天气是西北高压型(86 d), 占总重污染日的26.4%；其次为均压场型(77 d)，占23.7%；其他类型依次为辐合型(75 d)，占23.1%；高压后部型(46 d)，占14.1%；北高型(33 d)，占10.2%；回流型最少，仅8 d，占2.5%。

对于地面高压，通常高压前沿冷空气强、风速大，下沉气流相
对较强，空气污染就轻；越接近高压中心，风速减小，下沉气流减弱，空气污染就加重；高压后部，冷空气减弱变性，风速减小，下沉气流逐渐转为上升运动，会使空气污染随之加重；地面弱高压、弱低压系统控制下，地面风速小而乱，有时常常
出现地面辐合，会导致大量污染物在一处堆积而造成空气污染。

另外在弱天气形势下，还会因地形作用出现本地区域性天气形势，比如河北本地的小低压、华北弱倒槽等，同样也使本地出现不同程度的污染天气。

综上所述，持续重污染天气主要受低层系统影响。

在考虑污染天气大的环流背景时发现500 hPa等压面上绝大多数风向为西南风或偏西风，对应850 hPa等压面，多为偏南风或西南风，并常伴有明显暖平流或暖脊，且风速非常小。

例如，均压场型，850 hPa暖平流有利于对流层低层的水汽输送，地面弱高压抑制水汽向上扩散，使水汽聚集到较低层次，有时850 hPa等压面存在小槽或弱切变，如果小槽
恰好在夜间过境，弱冷空气极易造成辐射降温，会加剧大气污染。

高压后部型，500 hPa等压面上在贝加尔湖附近常常有一浅槽出现，华北上空处于平直偏西气
流里面，主要是西北或偏西风，风速很小，天空多高云或少云；850 hPa上空河
北处于沿海高压西侧，有很强的偏西南气流，说明有明显的水汽向河北输送。

总之，在河北大气污染前一天及污染持续阶段，500 hPa环流在华北上空除西北
高压型冷锋后部为明显西北气流外，其他主要以纬向环流为主，吹偏西风，有时候有弱高压脊存在。

纬向环流时，云比较多，但以高云为主。

850 hPa除冷锋后部
型有很强的西北气流外基本为弱高压控制，表现为弱的下沉运动，河北处在偏南气流中，水汽输送好，有利于大气底层水汽积聚，易形成污染。

3.1 混合层高度
区域大气污染程度取决于该区域内排放污染物的源参数、气象条件和近地层下垫面的状况。

气象条件和下垫面状况决定大气对污染物的稀释扩散速率和迁移转化途径。

因此在源参数一定的情况下，气象条件和下垫面状况是影响大气污染的重要因素。

所以在建立空气污染预报模型之前必须了解各种气象因子与空气质量之间的关系。

河北省人民政府印发的《河北省重污染天气应急预案》中根据河北省重污染天气区域分布及城市地理位置关系，将河北全省划分为3个区域。

区域一(中南部)：石家
庄、廊坊、保定、衡水、邢台、邯郸市和定州、辛集区；区域二(中东部)：唐山、沧州市；区域三(北部)：承德、张家口、秦皇岛市。

选取石家庄为区域一的代表站，唐山为区域二代表站，张家口为区域三代表站。

统计结果表明河北省各地市空气污染有明显的季节变化，均表现为春夏季低、秋冬季高，因此下面分析近3 a河北秋季(9—11月)、冬季(12月至次年的1、2月)上述3个代表站的混合层高度、静稳天气指数、小风日数变化。

位于河北北部地区的张家口地处河北省40°N以北地区，中高纬度冷空气活动频繁，受其地理位置影响，各季的混合层高度均比其他站点显著偏大，因此与其他地区相比，空气质量相对较好。

混合层高度除2015年11月为855m外，其余均在1000m以上，最高达1 732 m(2016年2月)。

中东部地区唐山混合层高度略低
于张家口市，最高达1 605 m(2015年2月和2016年2月)，最低为785
m(2014年10月)。

位于河北省中南部的石家庄与中东部、北部两市的混合层高度相比明显偏低，从图2中可以看到，石家庄混合层高度大都维持在1 000 m以下，2个最低的分别为688 m和699 m(2015年11月和2014年9月)，6个最高的
分别为1 135 m(2015年2月)、1 143 m(2016年1月)、1 216 m(2015年10月)、1 219 m(2014年12月)、1 294 m(2017年2月)、1 545 m(2016年2月)。

石家庄地处太行山东麓，西风带的背风坡，对西来冷空气有明显的阻挡削弱作用，形成类似“死水区”，不利于污染物的扩散。

另外，低空稳定的偏西气流在越过太行山后在山麓东侧出现下沉，与平原地区吹来的偏东风易形成地面辐合线，辐合线的存在有利于近地层水汽和大气气溶胶污染物的聚集，气溶胶浓度增加有利于近地层逆温形成，为雾霾天气形成创造了条件，而大气湿度的增加又为二次气溶胶增加创造了环境，空气污染加重。

在冬半年，夜间辐射冷却加剧，近地面气温较低，而边界层上部温度变化没有近地面快，容易形成上暖下冷的逆温层结构，逆温层一旦形成，在无明显冷空气活动时将长时间维持，同时混合层高度的下降将导致空气的
垂直交换能力减弱，在地面气压梯度不强、风力不大的情况下横向流动削弱，造成污染物在近地面不断累积。

因而河北中南部特殊的地理条件也是雾、霾和空气污染持续的一个重要原因。

总之，混合层高度越低，越不利于污染物扩散，加上地面风速很小，空气污染物积压在近地面层，导致严重污染天气频繁发生。

因此，就河北全省范围而言，秋、冬季混合层高度对空气质量的指示意义更好。

3.2 静稳天气指数
“静稳天气指数”是用于表示大气污染物扩散的综合气象条件指标，指数越大，气象条件对污染的产生越有利，发生或维持大气污染的可能性就越大，强度可能更强。

图3为张家口、唐山、石家庄市平均静稳天气指数与平均PM2.5浓度的对比，可以看出，平均静稳天气指数与平均PM2.5浓度的相关性很好，当平均静稳天气指
数偏高时，平均PM2.5浓度增大，气象扩散条件明显变差。

河北张家口地区，3 a 以来平均静稳天气指数值多在11以下，最低为7.7(2014年12月)；
对应的平均PM2.5浓度也不大，最大为48 μg·m-3(2017年1月)，最小仅为19 μg·m-3 (2014年9月)。

2014年与2015年秋冬季污染天气气象条件基本相同，2016年秋冬季较前两年更易出现污染。

唐山地区，3 a以来平均静稳天气指数明
显高于张家口地区，最高为11.75(2016年12月)，最低为8.6(2014年12月)；
对应的平均PM2.5浓度最大为147 μg·m-3(2016年12月)，最小为40 μg·m-
3(2015年9月)。

2015年秋冬季唐山的气象条件不易出现污染，最易出现污染的是2016年秋冬季。

另外，处于河北中东部地区的唐山9、10月平均PM2.5浓度相对较低，空气质量好于其他月份，12月空气质量最差。

处于河北中南部地区的
石家庄，3 a以来平均静稳天气指数均高于河北北部和中东部地区，其值大都维持在10以上，最高达12.99(2015年11月)，平均PM2.5浓度最高达276 μg·m-3 (2016年12月)，最低为43 μg·m-3 (2015年9月)。

3 a中，2015年秋冬季气
象条件最不易出现污染。

整体而言，处于河北中南部的石家庄地区静稳天气指数高于其他两地，这与石家庄地理位置有关，石家庄位于太行山地和华北平原两大地貌的交接位置，秋冬季近地面容易出现因地形造成的辐合，容易形成静稳天气，污染物容易聚集，同时太行山阻碍空气流通，降低了大气自净能力，污染物不易在水平方向传输扩散。

2016年秋冬季静稳天气指数异常偏高，气象扩散条件明显较前两年不利，大气层结稳定，混合层高度低，导致垂直方向无明显扩散，污染物在近地面堆积。

3.3 小风日数
对于气态污染物和颗粒污染物来说，风主要表现了平流输送的能力，但它又是局地性最强的气象因子之一。

图4是2014—2016年张家口、唐山、石家庄秋冬季小风日数变化，可以看出，石家庄小风日数最多达173 d(2014年秋冬季)，最少达135 d(2015年秋冬季)，较小的风速不利于水汽和污染物的扩散，也是雾、霾天气发展和污染持续的有利条件，因此河北中南部地区小风日数气象条件不利于大气污染物扩散。

小风日数相对较多的是河北中东部地区的唐山，最多为129 d(2014年秋冬季)，最少为87 d(2015年秋冬季)。

而张家口的小风日数明显比河北中南部地区少很多，小风日数气象条件有利于污染物的扩散，其中小风日数最多仅79
d(2016年秋冬季)，最少为66 d(2014年秋冬季)。

3.4 天气分型与气象特征量的关系
选取石家庄为代表站，利用2013—2016年秋冬季重污染日资料，计算每种天气类型下平均混合层高度和静稳天气指数。

由图5可以看出，平均混合层高度最低的为北高型(774.8 m)，其次是均压场型(795.5 m)、辐合型(799.7 m)，这几种类型污染天气污染一般更为严重。

平均混合层高度最高的为西北高压型(935.3 m)，这种类型的污染天气整体来说污染程度较低。

高压后部型平均混合层高度为830.9 m，回流型平均混合层高度为850 m，这两种类型介于中间。

从平均静稳天气指
数来看，较大的为均压场型、高压后部型、北高型，分别为13.07、13.06、
13.02，表明这3种天气类型的静稳天气形势较好。

平均静稳天气指数最小的为西北高压型，为11.12，此类型污染天气静稳形势较容易被破坏。

辐合型平均静稳天气指数为12.3，回流型为11.99，静稳形势介于中间。

(1)河北省重污染天气类型分为辐合型、高压后部型、北高型、回流型、均压场型、西北高压型6种。

(2)河北中南部秋冬季混合层高度最低、中东部次之、北部最高，与3个区域出现
重污染的频次对应较好。

混合层高度越低，越不利于污染物扩散，秋、冬季混合层高度对空气质量有很好的指示意义。

(3)静稳天气指数与大气污染有较好的相关性，静稳天气指数较高时不利于污染物
扩散。

(4)小风日数可以作为大气污染气象条件的参考指标，小风日数越多，越不利于污
染物扩散。

(5)不同污染天气类型对应的混合层高度和静稳天气指数不同，平均混合层高度最
低的为北高型，最高的为西北高压型；静稳形势较好的为均压场型、高压后部型、北高型，相对较差的为西北高压型。

综合考虑，北高型最稳定，西北高压型最容易被破坏。

【相关文献】
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