新冠疫情防控期京津冀重污染气象成因分析

2021-11-24刘艳杰刘小雪马庚雪

环境工程技术学报 2021年6期

刘艳杰，刘小雪，马庚雪

1.廊坊市气象局2.天津北辰区气象局

受新冠疫情影响，京津冀地区自2020年1月24日开始先后启动突发公共卫生事件一级响应机制，采取了交通管制、居家办公、部分企业停产等一系列严格措施，疫情期间全国城市空气质量明显提升，AQI和PM2.5浓度分别下降了36%和48%[1-2]。在此背景下，2月中上旬京津冀地区多地仍出现重污染天气，部分城市重污染长达5天，此次持续性的大气污染及其成因引起了公众的广泛关注与讨论。

目前许多研究表明，大气污染形成的主要因素为污染源和气象条件[3-4]，经过人为减排，大气污染程度有所下降，但一些地区污染事件依然会发生[5-7]，这表明不利的气象条件对污染物的积累有着非常显著的作用。其中静稳的大气环流形势、高湿环境、一定的风场条件加上特殊地形等综合作用，是导致重污染天气过程的主要气象成因[8-11]。由于大气污染物主要集中在边界层内[12]，近地面气象要素的分布与污染物浓度大小有着密切关系。贾秋兰等[13]指出边界层逆温使低层的水汽和污染物无法扩散，从而聚集产生重污染。王跃等[14]研究发现霾污染爆发与持续的关键气象因素是近地层低风速、高湿度和逆温的长时间持续，山前边界层低层的风切变，易导致该区域污染物浓度爆发性增长。肖之盛等[15-17]揭示了低空急流对本地大气污染的不同作用，即输入加强作用和扩散清除作用。许敏等[18]分析了冀中地区雾、霾与重污染共存时的风场差异。

以上研究分别针对不同的区域，且污染时段减排措施不尽相同，研究结论存在一定的差异性和局限性，较难直接应用于本地。此外，一般减排措施很难使人为活动减少至2020年初疫情防控时期的程度，该时期京津冀地区出现连续重污染天气，为研究气象要素对大气污染的影响提供了很好的契机。笔者利用2020年2月中上旬京津冀地区大气环境监测数据及气象观测数据，对疫情防控期间发生在京津冀的重污染天气特征和气象成因进行详细分析，以期更好地理解本次重污染过程，并为该地区大气污染治理提供有效的数据支持。

1 资料与方法

京津冀地区包含北京市、天津市、雄安新区及河北省的11个市。空气质量监测数据来自中国环境监测总站(http://www.cnemc.cn/)实时数据监测平台，包含各污染物的逐日和逐小时浓度数据。气象资料来自欧洲中心ERA5(https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/search?type=dataset&text=ERA5)和河北省气象信息共享平台(http://10.48.36.193/getDefault.do)中的高空、地面气象观测数据。由于气象探空站有限，且邢台风廓线雷达数据缺测，因此用保定站和北京站、邢台站和邯郸站观测数据相互补充来对比研究京津冀中部和南部气象条件。

利用探空站观测数据逐层计算，如温度廓线中下层温度低于上层温度，记为逆温。逆温层底高度为H1，逆温层顶高度为H2，对应的温度分别为T1和T2，定义逆温层厚度(H)为H2-H1，定义逆温强度(TI)为(T2-T1)×100/H。本研究仅分析0～800 m高度、厚度大于等于50 m的逆温层，未包含由于大气扰动而形成的浅薄逆温层。

局地环流是指污染物起初被风场输送出去，随后又被输送回来的现象，计算风的矢量累计距离与标量累计距离之比，可得到R指数，其反映风场的运动特征、通风性能和静稳程度[19-20]。R越接近1表明风场通风性越好，越接近0则通风性越差，计算公式如下：

式中：R为局地环流指数，无量纲；i为时刻；ΔT为数据时间间隔，取1 h；ui为i时刻水平风的东西分量；vi为i时刻水平风的南北分量。

2 结果与分析

2.1 重污染天气过程

2020年2月8—13日京津冀出现连续区域性重污染天气。其中2月8日重污染天气率先出现在河北中南部沿山一带，中北部为优、良到轻度污染；9日重污染天气范围缩小至京津冀中部地区；10—11日范围扩大，由石家庄市北部延申至唐山市北部及承德市东南部；12—13日污染区域北抬，且范围最大、强度最强，除沧州、邯郸等东南部4市外，均达到重污染；13日夜间强冷空气自北向南推进，污染物逐渐减弱直至消散。此过程中保定市连续5日AQI超过200(即重污染)，唐山市和廊坊市出现4日重污染，北京市出现3日(图1)。2月12日北京市、保定市和雄安新区AQI均超过250。

图1 2月8—13日京津冀地区AQI的空间分布Fig.1 Spatial distribution of daily AQI in Beijing-Tianjin-Hebei Region from Feb. 8 to 13, 2020

保定市重污染天气持续时间最长，且污染程度较重，以其为例分析各污染物的演变情况(图2)。污染过程中首要污染物为PM2.5，9—10日早晨和12日夜间—13日为污染较重时段，其中13日03:00—04:00 PM2.5浓度最高，为261 μg/m3，10日下午和11日下午污染有所缓解。PM10浓度、CO浓度与PM2.5浓度演变趋势基本一致。O3浓度整体与PM2.5浓度呈反位相分布，且午后时段浓度较高，夜间至上午时段浓度较低。NO2和SO2浓度较小且变化幅度不大。重污染期间京津冀多地能见度较差，13日14:00—15:00保定市安国县最小能见度仅为40 m。

图2 重污染天气过程保定市6种污染物浓度小时分布Fig.2 Hourly distribution of six pollutants in Baoding during heavy pollution period

2.2 污染过程的气象成因

2.2.1环流背景

污染过程开始前，2月7日京津冀500 hPa高空为大于20 m/s的西北气流(图略)。重污染前期2月8—10日白天虽然京津冀整体仍处于500 hPa西北气流控制中，但不断有弱波动迅速移过该地区；10日夜间—11日西南地区南支槽东移，京津冀位于槽前西南气流中，逐渐形成静稳天气形势；12日新疆北部北支槽与南支槽形成阶梯槽，13日北支槽加强东移，京津冀再次转为西南气流控制(图3)。在污染过程加重的中后期，10—13日850 hPa及以下均为西南气流，直至14日强冷空气过境，高低层均转为西北风(图略)。

图3 重污染期间500 hPa天气Fig.3 500 hPa weather chart during heavy pollution period

2月7日京津冀西北部、山东省至湖北省均受地面高压控制，京津冀中南部位于2个高压之间的弱气压场中，冷空气势力较弱(图略)。8日青藏高原北部至东北的广大区域均为高压系统，京津冀位于高压底部；9日东北北部出现闭合低压，京津冀位于高压前，太行山附近地面等压线密集，使得沿山区域偏北风风速较大；10—11日华北南部出现一个范围较小的弱低压系统，其东西两侧均为高压；12日华北南部的弱低压东移入海，京津冀位于弱气压场中；13日白天东北至河套地区再次出现弱低压(图4)。13日夜间开始强冷高压缓慢南下，京津冀地面偏北风加强(图略)。

注： D代表低气压，G代表高气压。图4 重污染期间地面天气Fig.4 Surface weather map during heavy pollution period

综上，2月7—9日500 hPa高空以西北气流为主，有弱冷空气活动，污染处于建立阶段。其中8日京津冀位于地面高压底部，地面偏东风导致河北省西南部沿山一带污染物堆积，形成重污染；9日地面呈西南高东北低的形势，京津冀南部有冷空气渗透，重污染范围减小。10日开始高空不断有短波槽东移，850 hPa至近地层转为西南风，地面出现闭合低压，有风场辐合，污染物在京津冀进一步积累，重污染范围扩大。13日夜间开始强冷空气南下，污染减弱直至消散。

2.2.2大气稳定性

本次污染过程京津冀中部重污染持续时间较长，而南部大部分地区仅8日达到重污染，用保定市和邢台市分别代表京津冀中部和南部，分析2个区域冷暖空气活动情况，结果见图5。由图5可见，2月8—13日保定市附近低层850 hPa以下冷平流整体较弱，10日上午近地面出现强度为-10×10-5～-1×10-5K/s的弱冷平流，PM2.5浓度呈下降趋势，其余时段接地冷平流非常弱，且持续时间短，污染物浓度没有明显下降。邢台市自8日下午开始陆续有冷平流影响近地面层，其中9—10日冷平流持续时间较长，9日上午冷平流强度达-20×10-5～-10×10-5K/s，污染物浓度大幅下降，11—13日受冷平流短暂影响，PM2.5浓度波动上升。此外，以9日早晨为例，保定市地面温度平流强度近于0，随高度增加转为暖平流，且暖平流强度随高度增大，有利于近地层逆温的出现，而邢台市近地面为较强冷平流，污染物易于扩散。13日夜间冷空气自北向南大举南下，14日中低层冷平流强度大于-20×10-5K/s，污染迅速减弱消散。

图5 2020年2月8—14日温度平流的时间剖面Fig.5 Time profile of temperature advection from Feb. 8 to 14, 2020

由于冷暖空气的分布不同导致大气边界层逆温的出现，从而阻碍污染物的垂直扩散，使污染物不断积累。逆温层的高低和强弱变化与污染浓度有明显相关性。杜荣光等[21-22]研究表明，当逆温层高度较低，强度较强，厚度增厚时，重污染将会加强或维持，逆温层底高越低，污染物浓度就越高。利用逐日08:00和20:00探空数据计算800 m以下北京市和邢台市逆温分布情况(图6)发现：2月7—14日，2市均出现不同程度的边界层逆温，但北京市逆温的频次明显偏多，且逆温层厚度和强度均大于邢台市；9—11日逆温层厚度均在400 m以上，最大值为629 m，出现在11日08:00。持续较厚的逆温层，导致重污染天气维持较长时间，13日保定市PM2.5浓度达到最大。北京市08:00的逆温强度普遍大于20:00，其中8日08:00最大，达每100 m 7.69 ℃，PM2.5浓度也在夜间至早晨时段达到高峰，午后或冷空气入侵时段，PM2.5浓度有小幅下降。8日08:00—12日08:00北京市逆温层底高度均为0 m，而邢台市逆温层底高度普遍在100 m以上。综上，本次重污染天气出现之前及期间京津冀中南部均存在边界层逆温，但中部地区逆温层高度更低、厚度更厚、强度更强，污染物不易扩散，是中部较南部地区污染严重的重要因素之一。

图6 2020年2月7—14日北京市和邢台市逆温层高度及逆温强度演变Fig.1 Evolution of inversion layer height and inversion intensity in Beijing and Xingtai from Feb. 7 to 14, 2020

2.2.3地面气象要素分布

污染物一般聚集在近地层，地面和边界层内气象要素的分布对污染物浓度的影响最为显著。综合天气形势和PM2.5浓度分布将本次过程分为4个阶段，并根据地面气象要素的分布情况(图7)，分析其与PM2.5浓度的关系。

图7 2020年2月7—14日地面气象要素与PM2.5浓度演变Fig.7 Evolution of surface meteorological elements and PM2.5 concentrations from Feb. 7 to 14, 2020

阶段一为2月7—9日。7日京津冀中南部位于南北2个高压之间的弱气压中，冷空气活动较弱，邢台市以偏东风和东南风为主，平均相对湿度为78.3%，污染物在山前集聚，加之颗粒物吸湿增长，PM2.5浓度自07:00升至100 μg/m3以上。8日保定市地面风速普遍小于2 m/s，平均风速仅0.8 m/s，同时相对湿度为43%～100%，均值为89.7%，扩散条件差，除午后湿度较小时段外，PM2.5浓度均在150 μg/m3以上，能见度较低，08:00最小能见度仅99 m。10:00—20:00邢台市均为偏东风，风速为1～3 m/s，山前辐合明显，13:00 PM2.5浓度升至229 μg/m3。9日京津冀西部位于地面高压前部，有冷空气入侵，08:00邢台市地面偏西风风速达5.5 m/s，相对湿度迅速降为33%，能见度跃升至7 km，PM2.5浓度降至97 μg/m3。冷空气未深入至河北省中部，保定市9日风力较8日略大，平均风速为1.6 m/s，但相对湿度持续较高，凌晨至上午时段达90%，04:00 PM2.5浓度达200 μg/m3以上。综上，9日冷空气强度弱，仅影响京津冀西部和南部地区，偏南气流将南部污染物输送至中部，并在有利的环境条件下积累，中部污染呈加强趋势。

阶段二为2月10—11日。10日白天开始京津冀东部受华北地面弱低压控制，西部等压线密集，西北风风速较大，10日邢台市平均风速为3.8 m/s，且风向以WNW频次最多，PM2.5浓度持续偏低。由于中部和东部气压梯度较小，风场较弱，保定市平均风速为1.1 m/s，但仍有弱冷空气入侵，06:00气温较9日同期低3 ℃。相对湿度午后明显下降，14:00降至31%，污染强度有所减弱，PM2.5浓度由05:00的209 μg/m3降至136 μg/m3。11日华北持续维持弱低压，重污染强度和范围与10日相当。

阶段三为2月12—13日白天。12日华北弱低压入海，13日京津冀再次位于弱低压带内，平原地区除东南部风速较大外，其他地区风力较弱。12日保定市和邢台市平均风速分别为0.5和2.9 m/s，平均相对湿度分别为81%和50%。在高湿小风条件下，京津冀重污染范围扩大，且污染程度加重，12日18:00保定市PM2.5浓度再度达到200 μg/m3以上，能见度与PM2.5浓度呈负相关，13日凌晨能见度不足 1 000 m。13日白天静稳天气形势持续维持，04:00 保定市PM2.5浓度达到峰值，为261 μg/m3。

阶段四为2月13日夜间—14日。13日夜间较强冷空气自北向南推进，京津冀中部风速加大至6 m/s，14日06:00保定市PM2.5浓度降至69 μg/m3，12:00邢台市PM2.5浓度降至36 μg/m3，本次污染过程结束。

表1为2月8—13日保定市、邢台市地面风向频率统计。从表1可以看出，保定市风向分布较为分散，以NNE～ESE风向为主，占比为47.1%，且静风(C,风速为0 m/s)出现频率高达18.8%。邢台市风场较为稳定，风向趋于一致，其中以WNW最多，占比为40.3%。从京津冀中南部风向分布可见，中部风向以NE或E为主，南部为WNW，风向呈辐合趋势，整体不利于污染物的扩散，尤其是中部地区静风占比较多，环境条件更加不利。

表1 2020年2月8—13日保定市和邢台市的风向频率Table 1 Wind direction frequency in Baoding and Xingtai from Feb. 8 to 13, 2020 %

表2为2月8—13日保定市和邢台市地面风速分布情况。从表2可以看出，保定市小风(风速<1.5 m/s)频率高达61.8%，而邢台市89.6%的风速大于1.5 m/s，其中4～6 m/s的风速占比为15.3%，对应风向多为WNW。说明重污染期间京津冀中部长时间维持较小风速，污染物不易扩散，污染持续加强，南部地区由于过程前期偏东风与地形辐合作用，污染物浓度暴增，随着中后期冷空气的不断渗透，风速加大，大部分时段有利于污染物的扩散，污染物浓度整体不高。

表2 2020年2月8—13日保定市和邢台市风速频率Table 2 Wind speed frequency in Baoding and Xingtai from Feb. 8 to 13, 2020

注：实线为地面辐合线。图8 重污染期间京津冀地面风场和相对湿度分布特征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，大气污染物的演变与地面风场和湿度场的分布有着密切关系，图8为重污染期间京津冀地面风场与湿度场分布的演变。从图8可以看出：阶段一，风场辐合主要出现在河北省南部沿山一带，且8日邢台市和邯郸市地面相对湿度大于60%，重污染出现在辐合最明显的南部沿山地区。9日西部受冷空气影响，太行山以东沿山区域转为西北风或偏西风，风速达6 m/s，邢台市东部的偏东风转为东南风，石家庄市、衡水市转为西南风，污染物沿偏南风向北输送，京津冀中部尤其是保定市附近风速较小，且有风向辐合，北京市南部、保定市和雄安新区达到重污染。阶段二，地面辐合线由石家庄市经雄安新区至天津市，重污染区域出现在地面辐合线附近及其北侧。阶段三，地面辐合线向北和向南延伸，且地面湿度明显加强，13日辐合线北部出现相对湿度大于90%区域，该区域即为重污染区域。阶段四，冷空气大举南下，京津冀自北向南转为西北风，湿度迅速下降，污染减弱直至消散(图略)。

2.2.4边界层风场特征

边界层风场与污染物扩散有直接关系，利用2月8—13日保定市和邯郸市风廓线资料计算 2 500 m以下风场的R指数(图9)，分析京津冀中南部边界层风场。从图9可以看出，1 000 m以下两市R存在较明显差别，8—13日保定市多个高度处R小于0.5，其中12日270 m处R最小，仅为0.12。河北省南部仅8日出现重污染天气，邯郸市的R仅在8日870 m以下达到0.1～0.5，其余时段均大于0.5。1 000 m以上两市的R普遍随高度增大，其值为0.5～1.0。从京津冀中南部R的分布可见：南部地区9—13日边界层R普遍较大，说明风向较为一致，风场稳定，输送性能相对较好，污染物易于扩散，从而仅8日出现重污染天气，其余时段为良至中度污染；而中部地区8—13日边界层R较小，风向变得不稳定，通风性能较差，导致边界层内污染物不断积累，重污染持续时间长。

图9 2020年2月8—13日边界层R指数Fig.9 Boundary layer ventilation index from Feb. 8 to 13, 2020

2.3 对比2014年2月重污染天气气象条件

2014年2月20—26日京津冀出现连续7天的重污染天气，24—26日多地AQI超过300，污染程度较2020年更重，范围更大。此次过程前期20—23日，高空为西北气流，24—26日有短波槽移过，与2020年相似。地面为低压控制或位于高压底后部。分析保定市地面气象要素特征(表3)发现，2014年2月重污染天气时地面风向更为一致，风向ENE～NNE和S共计占比71.4%，其中ENE～NNE占比高达64.3%，而2020年2月重污染天气风向范围更广，SE～NNE和C共计占比72.2%。2014年重污染天气过程中平均风速为2.0 m/s，2020年仅1.3 m/s。2014年平均相对湿度和平均地面气压为70.7%和 1 025.8 hPa，2020年为82.2%和 1 018.1 hPa。可见2020年较2014年风向较分散，风速偏小，湿度偏大，气压偏低，气象要素更不利于污染物的扩散，但2020年污染程度较2014年轻，且重污染范围小，由此可见疫情期间防控减排在一定程度上减弱了大气污染程度。

表3 2014年2月20—26日和2020年2月8—13日重污染期间保定市气象要素Table 3 Meteorological elements in Baoding during heavy pollution periods from Feb. 20 to 26, 2014 and from Feb. 8 to 13, 2020