持续性严重霾天气过程中弱北风活动对扩散条件的影响论文
持续性严重霾天气过程中弱北风活动对扩散条件的影响论文
随着社会经济的发展、城市化进程的加快以及交通运输现代化的迅速推进，污染源排放量增加，造成北京及周边地区霾天气发生频率呈上升趋势。京津冀地区西侧是太行山脉，北侧是燕山山脉，东邻渤海，太行山、燕山形成的三面环山的地形对冷空气活动起到了阻挡和削弱作用，易导致山前空气流动性较弱，形成气流滞留区，污染物和水汽容易聚集，导致京津冀地区区域污染较重。近几年北京地区接连出现高影响、持续性、严重霾天气。严重的霾天气的影响是多方面的，不但会造成低能见度事件，而且空气中污染物浓度的显著增加将导致人群中与健康相关各种不适症状出现，增加呼吸系统和心脑血管等疾病的患病率和死亡率，并造成一定的经济损失，所以雾霾天气的预报、预警工作成为超大城市中高密度人群和高污染物浓度下的重要工作。
以往已有很多研究关于重污染天气下的边界层特征变化。但当雾霾天气已发生时，居民和政府更加关心雾霾天气是否会得到改善，也就是能见度是否会有所升高，污染物浓度有所下降的时间节点在哪里，而冷空气能够到达的层次、强度等对雾霾天气改善对这这时间节点的预报至关重要。当冷空气强度较弱时，因其路径多变、强度不同、影响范围不同而成为预报的难点，如只根据风场来判断弱冷空气的影响结果，极容易造成误判，甚至得到完全相反的结论。
“弱冷空气”的概念在天气学分析和预报中较为常见，例如从降水的角度研究弱冷空气，则可以讨论弱冷空气对于对流的触发作用，如从降雪的角度研究弱冷空气，则可以讨论回流天气出现时，自偏东路径到达北京弱冷空气所起的作用，而在霾天气过程中提到的弱冷空气，以往并无明确定义。本文所讨论的弱冷空气是指在霾天气出现时，其能够带来大气的一定程度的降温，并对扩散条件具有一定程度改善的冷空气，受此类冷空气影响，能见度得到一定程度的改善或污染物浓度出现一定程度的下降，但霾天气并未彻底结束，以此作为弱冷空气的定性标准。还需要说明的是，边界层出现的偏北风并非对一定应着上文提到的弱冷空气，边界层所出现的偏北风能否改善扩散条件，要根据具体问题来分析。
弱冷空气的重要性主要在于判断污染物浓度是否会进一步提高到更高的全市或区域重污染联动预警级别，是否会达到影响居民健康的更高阈值浓度，霾预警级别升级与否以及会对与此相关的城市、区域各行业的生产、生活所带来的影响至关重要。 2014 年 2 月 19 日至26 日北京出现持续严重霾天气，北京市气象局 20 日发布霾黄色预警信号，并于 21-25 日连续发布霾橙色预警信号。在此次严重霾天气过程中，19 日夜间能见度迅速下降的原因、几次偏北风活动对扩散条件改善的程度还无明确结论，以往的文献中讨论弱冷空气对扩散条件改善的研究很少，本文将对此进行分析。
1. 资料和方法
大气环境观测资料采用：北京市海淀区宝联站、延庆野鸭湖站、密云上甸子站、怀柔站、昌平站、顺义站、大兴环境示范站、朝阳站八个大气成分观测站逐时 PM2.5 质量浓度数据。气象资料来自：北京南郊观象台低级 12 通道微波辐射计逐分钟的相对湿度、温度数据；北京地区维萨拉 ROSA 的 26 个道面气象站逐小时的能见度数据；海淀气象站逐小时露点、相对湿度、气温，气压，10 分钟风速数据；北京地区延庆风廓线数据；每日两次(08 时和 20 时)的 L 波段秒级的探空数据、气温、相对湿度；每日四次（08 时、14 时、20 时、02 时间）NCEP 数据，空间分辨率为 1°*1°。本文以相对湿度 80%为阈值，将此次过程划分为两个阶段，当能见度小于 10 km 时，第一阶段为 19 日夜间至 20 日夜间，大部分时间相对湿度大于 80%，这一阶段是以湿度增加造成能见度降低的霾阶段，第二阶段为 21 日白天到 26 日白天，相对湿度小于 80%时定义为以污染物浓度显著增加造成能见度降低的霾阶段。
2. 霾过程期间天气形势分析
2 月 19 日夜间-26 日白天，北京出现长时间持续霾天气。19-24 日 500hPa 高度场上中高纬维持偏西气流，24 日后半夜-25 日上午有浅槽过境，26 日转为偏南气流控制。850hPa 上，19-21 日处于脊后南风气流影响，逐渐回暖，22 日夜间有弱冷空气沿东北路径影响北京，23日-26 日，持续受温度脊控制，低层暖湿气流向北抵达北京，导致近地层湿度增大和增温，而地面早晚气温相对较低，地面与对流层之间形成较为深厚而稳定的逆温层，使得稳定的大气层结条件持续。对应的地面场上，19 日-21 日中国东部大部分地区处于带状高压后部偏南风影响，21 日-22 日高压主体北缩位于贝加尔湖以东，河套地区的"低压辐合系统向北伸展，22 日-25 日高压主体向东移、南下入海，北京地区再次转受高压后部偏南气流影响，25 日20 时位于河套的低压辐合区发展闭合，向东移动影响北京，北京地区地面辐合加强，26 日下午北京出现明显降水，对污染物浓度具有明显的清除作用，污染物浓度下降，能见度好转，霾天气结束。
3.地面气象条件和空气污染物浓度变化特征
3.1 19-26 日期间气象要素与大气成分观测资料变化特征
19-26 日期间，海淀站气象要素和海淀区宝联站逐小时 PM2.5 浓度观测资料时间变化曲线，能见度为 26 个道面气象站逐小时平均值。可以看出，19-26 日期间，地面气压呈现 19 日夜间增大，而后下降，21 日夜间到 22 日白天缓慢上升，受高空不断回暖和东移低压系统影响，过程结束前海平面气压一直缓慢下降。气温和相对湿度呈现明显的反位相变化。本次过程，地面平均风速较小，大部分时间没有超过 2m/s，接近静风时，能见度降低的尤为明显。海淀站能见度从 19 日 14 时的 19km 下降到 20 日 08 时的 0.9km，能见度基本没有超过 2km；而由图 1 可见，26 个道面监测站的逐时能见度平均也可以看出来这一相似趋势，随着第一阶段向第二阶段转换，能见度具有了明显的日变化，白天能见度好于夜间，白天能见度均未超出 3km，夜间部分地区出现能见度小于 1km，从 24 日开始能见度再次降低，于 25 日夜间达到此次过程能见度的最低点。PM2.5 浓度从 19 日 20 时到 20 日 20时，24 小时内质量浓度爆发性增加约 250μg/m3，在 22 日夜间浓度有所下降，从 23 日白天至过程结束前浓度持续上升。
3.2 地面能见度空间演变
20 日早晨至 26 日上午，北京大部分地区能见度一直维持 3km 以下，霾过程持续 7 天。19 日白天北京地区能见度均在 30 公里左右，由图 2 可知，能见度从北京东南部的通州和大兴开始下降，观象台 20 日 08 时能见度仅为 0.9km；20 日白天小于 2km 的区域继续向北扩展，20 日夜间小于 2km 的区域向北京东北部延伸，至 21 日 08 时北京南部和东部的通州、大兴、顺义南部地区能见度均小于 1km；21 日 20 时北京北部地区能见度进一步降低，但小于 1km 的区域明显减小只存在于通州西部；22 日 08 时到 22 日 20 时北京地区能见度空间分布变化不大，能见度小于 2km；23 日 08 时城区及南部地区能见度好转，但 24 日白天北京东部地区能见度再次转差，24 日 20 时北京东部的平谷、密云、顺义能见度小于 1km，这种能见度降低的趋势一致维持到 26 日白天降雨出现之前，26 日 08 时北京大部分地区能见度均小于 1km 或在 1km 左右，26 日午后北京出现明显降雨天气，能见度转好。
4.霾过程第一阶段（19 日夜间至 20 日夜间）
4.1 边界层湿度增加的原因
完整地衡量大气水汽含量，通常用绝对湿度和相对湿度共同表征。当湿度一定，压力一定时，被测量的气体温度降低，当温度降低到一个特定数值的时候，水汽开始凝结，此时的特定温度就是这个压力条件下的露点温度（td），露点温度可以表征大气中绝对水汽的含量。当压力一定，温度一定时，空气中水汽的摩尔分数和同一温度、压力下纯水表面的饱和水汽的摩尔分数之比，用百分数表示，经过换算也可以用温度（t）和露点（td）之差来表征相对湿度，通常用 t-td 来说明空气距离饱和程度的远近。在研究低能见度事件时，相对湿度和绝对湿度同样重要。
4.2 细颗粒物输送的路径和时间
19 日 20 时前后至 20 日夜间是污染物浓度快速增长的时间，同时也是能见度下降较快的时间，前文分析结果表明，20 日 14 日之前有利于能见度下降的因素和不利于能见度下降的因素相互抵消，能见度变化不大。就在 PM2.5 平均浓度由最初的先上升，后持平，再上升这一大背景下，来自于外源输送的 PM2.5 在北京完成大量累积的过程。
5.霾过程中的弱冷空气对能见度、PM2.5 浓度的影响分析
本次严重霾过程持续七天，延庆风廓线观测结果如图 5 所示，黑色箭头表示风向和风速，阴影表示不同的风向，风向之间以 45 度为间隔。霾维持期间边界层有四次明显偏北风活动，霾期间的弱冷空气活动，对能见度和 PM2.5 浓度的改善至关重要，边界层内偏北风能否到达地面？偏北风的出现是否就对应着冷空气的出现？无冷空气对应的偏北风对污染物浓度和扩散条件有何影响？以下即分析这四次北风过程对能见度、PM2.5 浓度变化的影响。
6.小结
（1）此次严重霾天气过程持续七天，依据能见度下降的主要原因，过程被分为以湿度增加造成能见度下降的霾阶段和以污染物浓度增加造成能见度下降的霾阶段。第一阶段东南风带来的冷湿平流，及此平流与山风辐合将水汽带入高空冷却凝结，大湿度区到达地面的共同作用，促使能见度因湿度增长以较快的速度下降；第二阶段，边界层湿度明显下降，空气污染物浓度显著升高，是此阶段能见度下降的主要原因。
（2）干暖空气混合于湿度较大的边界层和地面气温的升高是是第一阶段向第二阶段转换的重要条件，大气污染物浓度和湿度条件的配比关系是能见度变化的关键因素。
（3）本过程中，边界层存在四次偏北风活动，只有满足三个条件：a 存在偏北风活动；b偏北风造成了大气气温降低；c 大气气温降低的层次应抵达地面。缺少任何一个条件，所谓的弱冷空气对扩散条件的改善将不存在，能见度不会升高、污染物浓度不会降低。
（5）高浓度 PM2.5 气团对北京的输送自南向北发生，监测站 PM2.5 峰值浓度自南向北逐渐出现，PM2.5 的输送为第一阶段向第二阶段做必要准备。
（6）研究低能见度事件时，完整地衡量大气水汽含量，通常用绝对湿度和相对湿度共同表征，两者同样重要。