华北平原区域重污染时空演变特征

华北平原区域重污染时空演变特征

该地区的大气污染与气候过程密切相关。在每年的秋冬季节,多种类型的天气型如鞍形场、河套倒槽等及其伴随着的温湿层结、流场输送和汇聚等特点,常常形成地区性严重污染。我国华北地区受独特的地形和大陆东岸中纬度气候及天气型的影响,区域污染的特征表现尤为明显。笔者利用天气图分析、大气探测、气象站观测、卫星云图及激光雷达探测等资料,对影响我国华北地区的几种典型区域性重污染过程的天气型结构及其对区域污染影响进行了解析。1北京21日明显的重污染高空西风引导下的河套倒槽型是造成华北地区区域性重污染过程的多发性天气型。其区域性天气背景场的特点是倒槽前部1000m左右上空有明显的暖湿空气停滞,东部海上多有入海高压配置的东部高压、西部低压的天气型,低空有暖湿平流输送系统,气温和露点温度探空曲线呈喇叭口状,形成多日持续的逆温层结,常伴有浓雾或零星雨加雪天气。重污染日出现地区表现为由南向北推移,北京重污染日多发生于整个污染过程结束的前1天。图1是2001-02-17—23华北地区五城市逐日空气污染指数(API)的分布图。由图1可知,华北地区5个城市逐日空气污染指数呈双峰结构,有同步增高和降低的趋势,表现出明显的区域性特征。由于天气型结构的差异,最大逐日空气污染指数增量可达150,最大减少量达200。图1中2月20日空气污染指数下降,是由于该日有一次弱冷空气侵入影响,北京重污染日发生在污染过程结束的前1天,污染指数达300,它的形成与逐日的高空天气型及低空天气型的相继影响有关。其中2月20—23日是一次河套倒槽东移造成的重污染过程,使北京22日的增量达150。这次重污染过程的特点是影响范围大,有明显的区域性特征,华北平原各地区都受到不同程度的影响,影响时间长。21日河套倒槽槽线位于河套西部,倒槽前部低空有十分明显的区域性西南风和东南风暖湿平流,使低空的湿度增大。受锋后变性冷高压影响,地面温度下降,湿度增加,由2月20日8:00和21日8:00探空曲线(图2(a),图2(b))可以看出,在800m高度,气温由-0.5℃增至8℃,温度露点差由4℃增到6℃,显然,800m上空变干增温十分明显;而地面气温由0℃降至-2.5℃,湿度由温度露点差7℃降低到1.2℃,显然低空是降温增湿,这种演变过程形成了明显的上干下湿的喇叭口型层结曲线。由于随着高度的增加各层气温都明显升高,使得800m以下接地逆温和脱地逆温相连接,即从地面到低空的各层逆温相连接,逆温强度增大到10℃,逆温厚度增大到800m,造成边界层800m以下污染物停滞、积累,PM10质量浓度增大,使21日PM10质量浓度达326μg/m3。另外,高低空配置的气象环境背景场有利于这次重污染过程,高空500hPa为宽阔的西风带,环流平直,无明显的冷暖平流,没有强的辐合区,北京大部分气象站观测到静风和轻雾天气,这种气象背景有利于污染物的停滞和积累。对21日9:50—19:41连续4次的激光雷达垂直探测资料的分析发现,污染物最大质量浓度所在高度为150m,污染物质量浓度拐点在800m,说明这次过程是一次边界层800m以下的重污染过程。该日污染指数的高增量是由于平流逆温层结、弱风汇聚带及城市热岛造成的。2月22日20:00河套倒槽东移至河套东部,北京受倒槽前东南暖湿气流影响,该日8:00相对湿度增大到90%,地面温度露点差减少到0.3℃,大湿度层由地面升高到1000m,1000m以上为干燥层。由于低空1000m以下增湿十分明显,从地面到1000m高度范围内形成了深厚、典型的有利于重污染形成的喇叭口型探空曲线,逆温层的厚度增大到1200m(见图2(c))。这种典型的温湿层结结构形成了区域性的厚度为1000m的边界层浓雾层(低空层状云),北京及周边地区都出现了零星的雨夹雪和浓雾天气,这种区域性结构的气象背景场不仅造成区域性的重污染过程,而且使区域污染中心由石家庄移至北京和天津一带。北京22日PM10日均质量浓度达到276μg/m3,22日早晨至中午造成飞机停航,交通受阻。这次过程的高空配置条件是,500hPa为持续的宽广西风带,在河套上空有弱的小槽波动,有利于降水的动力抬升。2月23日20:00倒槽移出北京,该日8:00的探空曲线表明湿度仍然很大,某些地区仍有微量降水,但逆温消失。从500hPa天气图上看到,北京上游地区等高线的经向度明显增大,出现明显的槽脊形势,高空西北气流引导西北冷空气南下,使地面风速逐渐增大,北京低空重污染状况有明显好转,23日PM10质量浓度减少到65μg/m3。这次影响北京重污染的气象环境背景场属于高空西风气流引导下的河套倒槽东移型,由于有明显的低空暖湿平流配合,形成一次强逆温潮湿型的区域性重污染现象。2区域污染现象突出该天气型主要特征是经常出现先污染后沙尘现象,这是由于深广的蒙古低涡、冷锋后部常伴有沙尘现象,在冷锋扫过北京后,出现浮尘或扬沙天气造成先污染后沙尘过程。2000-11-01—08的污染过程是受东北低槽及其配置的移动性大陆高压影响,北京重污染过程受该大陆高压边缘区域尺度系统和锋后弱沙尘天气的影响。由API曲线图(图3)可以看出:太原、石家庄呈现双峰型,北京、呼和浩特呈现单峰型,污染同步性较明显,北京大气污染属于先污染后沙尘,重污染日出现在整个污染过程的中部,API值接近330,呼和浩特受沙尘影响,单峰结构尤为明显,API值接近350。11月1日和2日,北京及周边城市在缓慢移动的大陆高压及高压前部、北部逐渐加深的弱地形槽的影响下,北京、石家庄、太原、天津、呼和浩特的污染同步加重。11月2日,由于太原位于地形槽的西部高压脊区内,逆温最强最厚,因此区域污染中心位于太原附近,空气污染指数日增量为180。11月3日,大陆高压入海,华北位于东北低压低槽前部,北京及其他城市位于入海高压和东北低压低槽之间,形成持续的地形低压,在石家庄附近有明显的流场辐合,使区域污染中心转向石家庄附近。11月4日8:00,受东北低压冷锋尾部小股弱冷空气影响,出现弱的沙尘天气,上游城市呼和浩特形成沙尘性污染中心,北京受沙尘天气的影响,污染明显加重。11月5日,华北地区受大陆高压边缘区域性地形槽控制,11月6日北京及周边地区受强大陆高压前部偏东风及地形槽加深的影响,在东风的输送影响下东部污染有所加重,形成了以天津为中心的区域性污染。这次区域性重污染的演变过程受以下天气型影响,即2次大陆移动性高压和两高压之间的东北低压、冷锋、区域性地形槽等形成的区域性污染。这次过程有明显的同步污染现象,污染中心最初位于呼和浩特,偏东风影响时污染中心位于天津;受大陆高压东北部、地形槽西部的高压脊控制时,污染中心位于太原;受地形槽影响时,石家庄为污染中心区。区域性污染的同步性、污染物质量浓度的突增以及区域性污染中心的位置与天气尺度背景场及区域尺度系统的配置强度和移动有关。3区域污染同步性高空西风受地形背风坡下沉气流影响,东北和华北地区常形成区域性弱风场污染物汇聚区,造成大范围重污染,是一种常见的重污染天气型。各地由于受地方性流场的影响,所造成的局地污染特征是不同的。2000-11-26—2001-02-03污染过程的特点就是受从西北向东南方向移动的天气型影响,石家庄在整个污染过程中一直处于污染中心。背景场在移动过程中层结结构的变化形成了污染物质量浓度随时间呈双峰型变化,波动比较明显,污染最重的日期出现在11月29日,石家庄污染水平明显高于周边城市,双峰结构比较明显,而周边城市污染水平波动不大,北京、天津表现出单峰结构(如图4)。由于污染区域污染源强度变化很小,影响这次污染过程和污染物质量浓度随地区变化的主要因素是各类尺度气象背景场随时间的演变。11月26日华北受来自西北弱大陆高压边缘地形槽及偏东风控制,地面上有大片的轻雾区覆盖,其中石家庄东风输送最明显,污染中心位于石家庄;27日低压区发展形成闭合的地形低气压,气旋流场经过北京、天津、石家庄、保定、惠民等地,石家庄位于闭合低压南部风切变最大处;28日,低压区位于移动性高压的南部和后部,东风和南风加强,造成区域污染水平同步增高,该日20:00,低压区与东北地形低压连接,造成暖脊增强,低空偏南风加强。北京出现浓雾,能见度1.1km;天津能见度0.8km;保定浓雾,能见度0km;石家庄浓雾。污染中心移至保定附近。11月29日,受持续稳定的东北地形槽影响,保定仍持续浓雾,能见度0.9km,区域低气压中心位于保定,华北平原有明显的浅薄辐合带。由于弱风辐合,使北京、天津、石家庄、太原的污染指数同步增高到这次污染过程的最高值,污染中心位于保定附近。11月30日,由于东北地形槽低压移出,华北受大陆高压影响,北京、天津处于高压前部,受弱冷空气影响,污染水平明显下降,但石家庄仍然位于高压南部的弱气压场东风区,维持很高的污染水平。12月1日,华北地区位于2个小高压之间的低压区,由于区域污染背景场结构的变化,污染物质量浓度同步下降,五城市受局地尺度系统位置差异的影响,同步性不明显。12月2日,受第2次天气尺度系统即东北地形低压的影响,区域污染物质量浓度同步增高,保定、石家庄都出现浓雾,能见度分别为0.1和0.2km。在这次持续8d的区域性污染过程中,11月28—29日和12月1日2次区域性同步污染日与2次东北地形低压持续的时间、结构和移动性特征有关,这是造成区域污染分布不同的主要原因。高压南部的偏东风使26日和28日的污染有加重的趋势,局地性系统演变有扰乱污染同步性的趋势。东北地形低压和华北地形低压及其连接的高气压系统在移动过程中的变化及5个城市所处系统的位置的不同,造成了气象背景场的差异,同时影响到污染水平的差异。4月15日—河套倒槽及与之相联系的高压系统污染过程一次重污染过程经常是多种重污染天气型相继影响的复合系统。这些系统包括弱高压、弱低压、均压场及其伴随它们的输送系统等。图5为2001-01-15—19河套倒槽及与其联系的高压系统造成的污染过程。华北地区各城市的区域污染表现出明显的单峰型结构,北京、天津的重污染日位于污染过程结束的前1天。从1月15日的地面天气图上看到,冬季大陆高压控制了整个东亚大陆,高压中心位于蒙古国,高压脊南伸至台湾,受华北地区地形的影响,高压前部等压线弯曲为地形槽,受地形槽底部影响,石家庄为区域污染中心,北京位于高压前部,污染水平相对还比较低。1月16日,高压脊被切断并有西南倒槽向华北延伸,受其影响,华北五城市污染水平同步升高,石家庄位于倒槽辐合切变汇合区,空气污染指数最高。17日,低压区演变为闭合性地形低压,偏南暖湿气流增加,华北雾区扩大,污染中心位于石家庄。18日,大陆高压向东移动,河套倒槽加深,使偏东风增强,浓雾区扩大,污染中心位于保定附近。18日中午以后,受倒槽和偏东气流的影响,形成大范围的雨雪天气,使污染物质量浓度同步下降。19日受雨雪天气的影响,重污染结束。表1列出华北几个城市气象站的地面观测记录。由大陆高压脊均压场、河套倒槽及与其配置的暖湿气流相继影响,形成了以石家庄和天津为中心的重污染过程。5天气尺度系统东亚地区存在大范围区域性同步污染现象,这种区域性污染是由于各类交替出现的弱风场、均压场及天气型对污染物持续累积造成的。区域性平流、辐射逆温、大范围污染物的输送和辐合汇聚等是造成地区污染指数突增的主要原因。人口密集的华北五城市,在天气系统的影响下,偏南风和偏东风系统性的暖湿平流输送形成有利于污染物汇聚的温湿层结,这种规模性的输送在山前停滞汇集是造成该地区重污染的主要气象与地形条件。造成这类重污染的天气形势主要有:大陆高压南部偏东气流输送型,东北低压前部偏南气流输送型,入海高压后部东南气流输送型,河套倒槽前偏南和偏东气流输送型等,这些都是影响区域层结结构的主要输送通道系统,与这类天气尺度系统相配置,可以形成多种类型的弱风场、区域性和局地性尺度污染物汇聚系统,如各种类型的地形槽、鞍型场、弱低压及弱高压、均压场中的局地尺度辐合系统等,造成各种不同类型的区域性重污染。辐合与输送系统的配置和结合是造成重污染的主要原因。污染指数日高增量是平流输送及伴生的平流逆温和热岛等造成的污染物累积的结果。由于城市地形的影响,城市的局地污染扩散条件与天气尺度系统有很大的关系。在弱风场天气系统控制下形成的局地尺度系统及不同的排放源结构是造成各城市间污染水平差异的局地原因。因此某城市所处的系统位置对于该城市的污染水平具有决定性的影响。北京的污染水平除了与区域性污染有同步性外,还与周边和该地区的排放源有关,这种影响还有待于进一步研究。华北地区重污染中心多数位于石家庄,其次是天津和太原,北京是区域性污染的低谷区,但受沙尘天气影响时,北京的污染水平都明显高于石家庄、天津、太原,而同呼和浩特的污染同步性比较吻合。华北地区的重污染区有明显的移动性特征,北京重污染日经常出现在污染过程结束的前1天,区域性的准正态型和双峰型的污染物堆积与消散过程十分明显,而这种过程主要与天气尺度系统移动、持续时间、强度演变