北京地区重空气污染天气分型及个例分析

北京地区重空气污染天气分型及个例分析马小会;廖晓农;唐宜西;孙兆彬;李梓铭【摘要】利用2008年1月至2014年12月北京地区高空和地面气象观测资料及逐日大气成分监测数据,对北京地区空气质量≥5级重空气污染的持续时间、500 hPa高空环流形势、地面气压场及相应的边界层结构特征进行了统计分析.结果表明:2008年1月至2014年12月北京地区发生重空气污染时500 hPa以纬向环流为主,占重空气污染总日数的58.4%.从地面气压场来看,低压辐合区型重空气污染出现频率最高,为38.3%;其次为高压后部型重空气污染,出现频率为18.8%.北京地区出现重空气污染天气时500 hPa多为纬向环流,850 hPa为偏南暖平流,地面气压场为低压辐合区、高压后部、高压底部、弱气压场、高压前部、低压倒槽、弱高压、鞍型场及华北地形槽时均可出现重空气污染天气过程.配合以上天气形势,重空气污染天气出现时,边界层长时间存在逆温、低层风速较小且湿度大,并根据重污染天气特征建立了北京地区重空气污染概念模型.%Using the upper-level and surface meteorological observational data and daily atmospheric component monitoring data from January of 2008 to December of 2014 in Beijing,we statistically analyzed the duration,up-per-level circulation pattern at 500 hPa,surface pressure field,and boundary layer structure during heavy pollution days with daily air quality above the 5 levels. The results indicate that heavy air pollution is usually accompanied with zonal circulation at 500 hPa,which counts up 58. 4% of the total heavy pollution days. Heavy air pollution occurs most frequently under the weather type of low surface pressure system with convergence,with an occurrence frequency of 38. 3%,followed by the rear of the surface high-pressure system,with anoccurrence frequency of 18. 8%. When heavy air pollution occurs in Beijing,the zonal circulation dominates at 500 hPa and the southerly warm flow dominates at 850 hPa. In addition,the surface pressure patterns include low-pressure system with con-vergence,the rear and bottom of high-pressure system, weak air pressure, the front of high pressure, depression trough, weak high pressure, saddle pressure field, and topographic trough over the northern China. Under such weather situations,thermal inversion,weak wind speed at low level,and high relative humidity exist in the bounda-ry layer for a long period. Based on the aforementioned weather characteristics,a conceptual model of heavy pollu-tion is established.【期刊名称】《气象与环境学报》【年(卷),期】2017(033)005【总页数】8页(P53-60)【关键词】重空气污染;环流形势;地面气压场;边界层;概念模型【作者】马小会;廖晓农;唐宜西;孙兆彬;李梓铭【作者单位】中国气象局北京城市气象研究所,北京100089;京津冀环境气象预报预警中心,北京100089;中国气象局北京城市气象研究所,北京100089;京津冀环境气象预报预警中心,北京100089;中国气象局北京城市气象研究所,北京100089;京津冀环境气象预报预警中心,北京100089;中国气象局北京城市气象研究所,北京100089;京津冀环境气象预报预警中心,北京100089;中国气象局北京城市气象研究所,北京100089;京津冀环境气象预报预警中心,北京100089【正文语种】中文【中图分类】P458近年来京津冀地区重空气污染天气频发，空气质量直接关系人类的健康，空气污染已成为全民关注的重点问题，而影响重空气污染的因素较多，除了人为污染物的排放和区域传输，还受天气形势的驱动，尤其是区域空气污染与天气过程密切联系[1-2]。

研究表明[3-7]，当北京地区地面受均压场控制时，地面和低空风速均较小，并伴有较强的辐射逆温和下沉逆温，逆温层厚度和强度均较大，低层大气层结稳定，是造成雾霾天气的主要原因。

进一步深入分析发现，大部分雾霾天气出现时850 hPa以下均存在逆温层，强逆温层为925 hPa以下时大雾天气范围和浓度均较大[8]，而逆温维持是雾霾天气持续的主要原因，且轻雾或霾为主时逆温层的特点为厚度浅强度弱[9]，持续存在的大陆高压均压场是造成重空气污染污染物浓度累积的主要背景场[10]。

北京地区三面环山，小风或静风出现频率较大，稳定的大气层结使大气扩散能力减弱，易造成污染物堆积，偏南气流将江苏、山东、河北及天津等周边地区的污染物输送至北京地区；同时湿度增加有利于气溶胶吸湿增长，消光增强，使能见度下降，进而形成雾霾[11-12]。

研究表明[13-14]，北京地区重空气污染高峰期主要集中出现在秋季和冬季，最新研究表明[15-16]夏季也是北京地区重空气污染天气的多发季节。

对于空气污染天气形势分型，苏福庆等[17]对华北地区污染物浓度变化和天气形势特征进行了分析，指出华北地区重空气污染天气可以分为河套倒槽东移型、东北低压低槽型、东北地形槽与华北地形槽连接型3种类型，本文针对北京地区并结合华北地区的地形特征，对造成北京地区重空气污染的天气形势进行系统分型。

利用2008—2014年北京地区重空气污染天气过程的高空和地面气象观测资料，对北京地区重污染天气的高空环流形势、地面天气形势及边界层结构特征展开研究，进一步分析北京地区重空气污染的气象条件，以期为北京地区及周边省市重空气污染天气预报提供参考。

大气成分数据来源于北京市海淀区宝联大气成分监测站，监测项目主要包括PM2.5、NOX、NO2和SO2浓度，时间分辨率为5 min，本文主要分析污染物的小时平均浓度和日平均浓度；气象资料来源于北京市南郊观象台常规气象观测数据，主要包括2008—2014年风向、风速、能见度、相对湿度等地面观测数据和探空数据。

2.1 重空气污染时间变化特征根据国家环境保护部颁布的《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ633—2012)》[18]，统计2008—2014年北京地区5级和6级重空气污染特征。

由表1可知，2008—2014年北京地区共出现重空气污染日156 d，其中持续时间为1 d的重空气污染过程出现63次，持续时间为2 d的重空气污染过程出现15次，持续时间为3 d的重空气污染过程出现7次，持续时间为4 d的重空气污染过程出现8次；持续时间为5 d的重空气污染过程出现2次，分别出现在2011年2月20—24日和2013年1月10—14日。

由2008—2014年北京地区月重空气污染出现日数可见(表2)，1月、2月、10月、11月和12月为北京地区重污染天气的高发时期，占重空气污染总日数的72.4%，可见秋季和冬季是北京地区重空气污染天气的高发季节。

2.2 重空气污染环流形势和地面气压分布特征对2008—2014年北京地区重空气污染天气高空和地面环流形势进行分析，发现重污染天气500 hPa天气形势可以分为纬向环流型和径向环流型两种类型，径向型重空气污染日数占重空气污染总日数的41.6%，纬向型重空气污染日数占重空气污染总日数的58.4%。

北京地区出现重空气污染天气时，地面形势可以分为低压辐合区、高压后部、高压底部、弱气压场、高压前部、低压倒槽、弱高压、鞍型场及华北地形槽9种类型；统计可知，低压辐合区型重空气污染日数占重空气污染总日数的38.3%，高压后部型重空气污染所占的比例为18.8%，高压底部型重空气污染所占的比例为14.9%，弱气压场型重空气污染所占的比例为11.6%，高压前部型重空气污染所占的比例为9.1%，低压倒槽型重空气污染所占的比例为3.8%，弱高压型重空气污染所占的比例为1.8%，鞍型场型重空气污染所占的比例为1.2%，华北地形槽型重空气污染所占的比例为0.5%。

研究发现，重空气污染天气过程均为地面形势逐渐演变的过程，500 hPa多为偏西气流或槽前西南气流，偏西气流(纬向型)重空气污染日数占重空气污染总日数的58.4%，槽前(径向型)重空气污染日数占重空气污染总日数的41.6%；850 hPa为西南气流且受暖平流控制，地面为低压辐合区、高压后部、高压底部、弱气压场、高压前部、低压倒槽、弱高压、鞍型场及华北地形槽等9种不利于扩散的形势场，因此按地面形势可以将重空气污染天气垂直分布结构归纳为低压辐合区、高压后部、高压底部、弱气压场、高压前部、低压倒槽、弱高压、鞍型场和华北地形槽9种类型(图略)。

2.3 重空气污染天气季节特征对于华北地区来说，重空气污染天气形势的季节特征明显，研究表明秋季和冬季稳定的大气环流形势易造成重空气污染天气，是重空气污染天气的高发季节，占年重空气污染日数的72.4%；而春季和夏季随着大气环流形势转变，重空气污染的天气特征不同。