2020, Vol. 40
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2. 北京市气象信息中心, 北京 100089;
3. 京津冀环境气象预报预警中心, 北京 100089
2. Beijing Meteorological Information Centre, Beijing 100089;
3. Environmental Meteorology Forecast Center of Beijing-Tianjin-Hebei, Beijing 100089
气象行业标准(2012)定义霾是大量极细微的干尘粒子均匀地浮游在空气中使得水平能见度小于10000 m的空气普遍浑浊现象, 在我国把PM2.5浓度大于75 μg · m-3作为霾的大气成分指标, 并根据水平能见度分为轻微、轻度、中度、重度4个等级.《沙尘暴天气等级》国家标准(2006)定义沙尘天气是风将地面尘土、沙粒卷入空中使得空气混浊的一种天气现象, 分为沙尘暴、扬沙和浮尘3种类型.沙尘暴、扬沙分别是指大风把地面大量尘沙吹起, 使空气特别混浊, 能见度在1000 m以下、1000~10000 m的天气现象.而浮尘则是指在无风或风力较小的情况下, 尘土、细沙均匀浮游在空气中, 使水平能见度小于10000 m的天气现象.北京地处沙尘源地下游, 每年都不同程度地受到沙尘天气的影响.李令军等(2012)统计分析北京地区沙尘天气对北京重污染的贡献率得出, 4级以上的重污染日中有58.8%是由沙尘天气引起的.另外, 本课题组对2016—2018年北京地区春季的4级以上重污染日的统计发现, 在23 d重污染日中有47.8%(11 d)出现了沙尘天气, 这说明北京地区受沙尘天气影响而形成的大气重污染出现概率很高、贡献率也较大.马新城等(2016)对飞机观测数据的分析发现, 浮尘天气个例中边界层内细颗粒物浓度最大, 是扬沙个例和沙尘暴个例的近4倍.浮尘天气带来的大气污染特征及“隐性”危害, 逐渐引起人们的广泛关注.
以往针对影响北京地区的沙尘暴天气的研究较多, 在起沙源地、起沙天气形势及沙尘输送路径等方面的研究取得了大量成果(高庆先等, 2002；郑新江等, 2004；尹晓惠等, 2007；张志刚等, 2007).在浮尘天气引发的重污染研究方面, 张小玲等(2004)利用地面气象观测资料和探空数据对北京春季浮尘和污染天气过程大气扩散条件的分析指出, 弱辐合区、小风速和大气层结稳定等气象条件不利于沙尘粒子和本地污染物扩散, 从而导致北京发生沙尘污染天气.一些研究还发现(郭虎等, 2007；张亚妮等, 2013；徐文帅等, 2014；熊亚军等, 2017), 北京在出现回流天气形势时, 回流偏东风可造成霾和沙尘混合污染或者沙尘二次污染.在沙尘细粒子输送条件方面, 王耀庭等(2002)的研究指出, 小颗粒(小于0.1 mm)沙尘才能在气流的带动下以悬浮运动的方式长距离传输.在中性大气中, 中等强度沙尘暴天气发生时, 10~20 μm的沙尘粒子被输送的距离≤30 km, 10 μm以下的沙尘细粒子可进行几百到几千公里的输送.魏巍等(2018)对华北地区一次典型沙尘重污染天气过程的分析认为, 沙尘重污染主要是因为前期蒙古气旋强烈发展后, 在上游沙源地的近地面产生强烈的上升运动将沙尘带到空中并向东传输, 在本地近地层缓慢下沉所造成.
本研究选取的2次重污染过程均发生在蒙古气旋外围, 是以霾和浮尘天气为表现形式的PM10和PM2.5复合污染过程.在实际预报中, 浮尘天气造成的大气重污染程度很容易被低估.人们对此类大气污染的污染特征、强度、持续时间的认识仍存在不足.另外, 受到观测数据时空分辨率限制, 对上游地区(或远离本地的上游地区)及本地三维风场对污染物垂直和水平输送过程、影响沙尘污染物垂直扩散能力的热力场和大气层结特征, 以及霾和沙尘复合污染形成条件等方面的研究不多.
风廓线雷达能够获取高时间分辨率的大气三维风场数据(Yoshikazu et al., 2011；Ruchith et al., 2016), 已在暴雨、短时强降水过程的低空急流、垂直风切变分析中得到应用(古红萍等, 2007；何平等, 2009；方翀等, 2012), 并用于持续性污染(吴蒙等, 2015；金龙等, 2018)、沙尘天气形成动力条件的研究(刘超等, 2018)；地基多通道微波辐射计可提供高时间分辨率的大气温度、湿度和液态水含量垂直遥感探测数据, 是大气温湿层结及云雾演变特征研究的重要手段, 已用于雾和霾天气的逆温层结构研究(刘红艳等, 2007；郭丽君等, 2015；李力等, 2016).李浩文等(2017)、祝薇等(2018)利用风廓线雷达、激光雷达、微波辐射计联合同步观测数据开展了空气重污染与边界层结构的关系研究.激光云高仪是基于激光雷达原理的云自动观测设备, 设备垂直向上发射的脉冲激光与大气中的气溶胶、水汽、大气分子相互作用并将部分激光后向散射, 散射光被接收系统接收, 经反演得出后向散射系数和消光系数, 进而判断云和气溶胶存在位置及厚度.卜令兵等(2014)利用激光云高仪数据分析了雾和霾天气的后向散射系数与边界层时间变化特征.郭伟等(2016)利用HY-CL15型激光云高仪数据分析了北京出现浮尘、扬沙和沙尘暴3类天气发生时的气溶胶后向散射系数的时空分布特征, 发现近地面大气后向散射系数变化趋势与颗粒物浓度变化一致, 在近地层的后向散射系数与PM10浓度的相关系数达0.82以上.以上对多类型垂直加密观测数据的性能和应用效果方面的研究为本研究提供了研究基础.
本研究利用风廓线雷达、微波辐射计和增强型单镜头云高仪等垂直加密观测数据, 结合大气主要污染物(SO2、NO2、PM10、PM2.5)监测数据、地面加密自动气象站及常规地面和高空气象观测数据、NCEP再分析数据(1°×1°), 针对2017年5月4—5日和2018年3月27—28日北京地区受霾和浮尘天气影响出现的2次PM10和PM2.5复合重污染过程, 开展天气系统、大气污染演变特征, 以及精细水平和垂直风场、热力场和大气层结特征及其对大气重污染形成的影响等方面研究, 以弄清霾和沙尘复合重污染形成的关键气象条件, 为空气质量预报预警提供实用方法, 并为确定大气污染来源提供科学依据.
2 数据与方法(Data and methods)本研究采用的全国城市空气质量实时发布平台发布的1436个国家级监控点(以下称“国控点”)逐时大气成分观测数据由网站(http://113.108.142.147:20035/emcpublish/)获取.常规气象观测数据、全国地面加密自动气象站数据来自于中国气象局发布的逐时观测数据.
利用常规气象观测数据分析高空、地面天气系统和天气形势, 以及天气现象的时空演变规律.利用Cressman插值法分别将地面加密自动气象站风向风速数据和国控点PM10、PM2.5浓度数据插值到二维格点场, 得出地面加密风场和PM10、PM2.5浓度分布叠加图, 以此分析风场与沙尘污染物浓度的空间分布特征和变化规律；利用NCEP再分析数据(1°×1°)分析三维动力场(水平风u分量和v分量、垂直速度ω), 假定大气近似处于静力平衡状态, 则ω≈-w, 利用水平风u分量和垂直速度-w合成纬向垂直环流, 利用水平风u、v分量计算水平风散度Div=
利用布设在朝阳区气象局(39.95°N, 116.50°E)的增强型单镜头云高仪Vaisala-CL51得到5 min间隔的0~4000 m气溶胶后向散射系数和边界层高度, 分析大气污染物垂直分布、边界层高度的时间变化特征.边界层高度用云高仪后向散射系数梯度最大值所在高度近似表示(廖晓农等, 2016)；利用北京市气象局布设在北京南郊观象台(40.80°N, 116.47°E)的风廓线I型探测雷达(CFL-16), 每6 min一次获取59层(150~10110 m)水平风数据, 分析水平风向风速垂直分布的时间变化；另外, 利用布设在北京南郊观象台的多通道微波辐射计获取1 min间隔的地面~10000 m的47层温度数据, 计算各层温度24 h变量ΔT24、温度垂直递减率γ, 以此分析北京上空温度变化及其对大气稳定度的影响.计算公式分别见式(1)~(2).
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(1) |
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(2) |
式中, ΔT24为当天(第i+1天)各时刻各层的24 h温度变量(℃)；Ti+1、Ti分别表示当天(第i+1天)某时刻某层的温度、前一天(第i天)对应时刻对应层的温度；γ为温度垂直递减率(℃ · m-1)；h1、h2分别表示下一层高度和上一层高度(m)；Th1、Th2表示h1、h2高度对应的温度(℃).
为了与北京朝阳区气象局的云高仪、北京观象台的风廓线雷达和微波辐射计数据相匹配, 选用朝阳区气象局地面风速、能见度小时观测数据, 以及朝阳区农展馆环境站(距朝阳区气象局约3000~4000 m)和大气污染物(PM10、NO2和SO2)小时浓度数据, 进行北京重污染过程的气象要素与污染浓度的变化关系分析.利用北京观象台3 h间隔的天气现象观测记录(仅此站有观测), 分析2次重污染过程中北京地区的天气演变特征.
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 天气实况与污染特征由2017年5月3—5日北京观象台逐3 h天气现象观测记录时间序列可知(图 1d), 2017年5月3日傍晚17：00—4日凌晨2：00北京先后出现小雨、轻雾和霾天气；5月4日凌晨5：00前后北京出现浮尘天气, 入夜后转为霾.5月5日早晨8：00前后出现扬沙天气, 5月5日11：00前后沙尘天气结束.分析2017年5月3—5日北京大气污染物浓度、地面风速、相对湿度、能见度和天气现象时间变化图(图 1a~d)：5月3日傍晚17：00—20：00北京出现的小雨天气导致空气湿度增大, 5月4日凌晨1：00能见度开始下降.5月4日凌晨3：00以后能见度降至10000 m以下, 相对湿度达到70%, 出现了轻雾天气.在5月4日凌晨4：00之前, 北京地区PM10、PM2.5浓度值很小；从5月4日4：00开始, PM10浓度和PM2.5浓度同步爆发式增长, 在短短的4 h内(5月4日4：00—7：00)PM10浓度从67 μg · m-3增大到1007 μg · m-3以上, PM2.5浓度从33 μg · m-3增大到562 μg · m-3以上, 形成严重的PM10和PM2.5混合污染.与此同时, 北京的相对湿度、能见度快速下降至1500 m以下.28日凌晨3：00至上午10：00瞬时风速明显增大(从1.9 m · s-1增大到10.8 m · s-1), PM10、PM2.5浓度增大与风速增大在时间上较为一致；5月4日14：00以后, PM10、PM2.5浓度值有所减小.5月4日傍晚18：00以后转为偏南风, 风速略有减小, PM10、PM2.5浓度和相对湿度增大, 污染再次加重, 能见度降低至2000 m以下；5月5日早晨北京出现扬沙天气, PM2.5、PM10浓度增大不明显.5日8：00以后瞬时风速加大至20.9 m · s-1, 大气扩散能力增强, 9：00以后PM10、PM2.5浓度减小, 能见度转好, 污染消散.在整个过程中, 霾、浮尘、霾和扬沙天气相继出现, 造成了近29 h的PM10和PM2.5混合重污染过程.前期, 气态污染物NO2、SO2浓度值很小, 5月4日凌晨5：00和5月5日早晨6：00—8：00分别出现浮尘、扬沙天气之后, NO2、SO2浓度降至更低.
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| 图 1 2017年5月3日17：00—5日23：00北京大气污染浓度、地面气象要素和天气现象时间序列 (a.气态污染物NO2、SO2浓度；b.PM10和PM2.5浓度；c.地面风速；d.相对湿度、能见度和天气现象) Fig. 1 Time series of atmospheric pollutants concentration, surface meteorological element and weather phenomena in Beijing from 17:00 on May 3 to 23:00 on May 5, 2017 |
在2018年3月25—29日北京观象台逐3 h天气现象观测记录时间序列图中(图 2d), 3月25—28日凌晨4：00北京为霾, 28日凌晨5：00前后出现浮尘天气, 28日傍晚17：00浮尘天气结束.在北京地面大气污染物浓度、风速、相对湿度、能见度和天气现象时间变化图上(图 2a~d), 3月26—28日凌晨4：00, PM2.5浓度持续增大, 气态污染物浓度呈增大趋势, 霾污染不断加重.另外, 气态污染物NO2、SO2浓度与相对湿度变化规律较为一致, 具有较明显的日变化特征(即傍晚18：00—午夜24：00较大、早晨9：00—白天16：00较小).在该时段, PM10浓度值较小且变化不大.随着PM2.5浓度的不断增大, 能见度逐渐降低, 3月26日凌晨4：00降至5000 m以下, 傍晚19：00以后降至4000 m以下, PM2.5浓度日均值为115 μg · m-3, 形成轻度霾污染.3月27日PM2.5浓度继续增大, PM2.5浓度日均值为183 μg · m-3, 达到重度污染水平, 27日23：00能见度降至2000 m以下；3月28日3：00—7：00受浮尘天气影响PM10浓度爆发式增长, 在短短5 h内从171 μg · m-3增大到2225 μg · m-3(增大11倍以上), PM10(沙尘细颗粒物)污染极为严重.对应时段PM2.5浓度下降, 28日3：00—10：00 PM2.5浓度从253 μg · m-3减小到163 μg · m-3, 10：00以后能见度转好.气态污染物NO2和SO2浓度、相对湿度也同步减小.分析地面风速时间序列图可以看到, 3月26日傍晚19:00—28日早晨9:00风速一直较小, 瞬时风速约为1~3 m · s-1, 28日上午10：00—下午14：00瞬时风速略有增大.从3：00到13：00风速由2.3 m · s-1增大到4.3 m · s-1.PM10浓度增大、PM2.5浓度减小与风速增大有一定对应关系.说明受风速增大影响, PM10浓度增大, 而风速增大、大气扩散能力增强, 使PM2.5浓度减小.总之, 26—28日3：00为积累型霾(PM2.5)污染, 28日4：00以后为浮尘天气造成的沙尘细颗粒物(PM10)污染.整个过程累计持续时间为46 h(其中, PM10污染时间为13 h), 3月28日17：00以后PM10浓度快速减小, 污染消散、能见度转好.
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| 图 2 2018年3月25日14：00—29日2：00北京大气污染浓度、地面气象要素和天气现象时间序列 (a.气态污染物NO2、SO2浓度；b.PM10和PM2.5浓度；c.地面风速；d.相对湿度、能见度和天气现象) Fig. 2 Time series of atmospheric pollutants concentration, surface meteorological elements and weather phenomena in Beijing from 14:00 on Mar 25 to 2:00 on March 29, 2018 |
由2017年5月3日地面天气图分析可知(图略), 从11：00开始蒙古气旋强烈发展, 受气旋冷锋附近大风区的影响, 蒙古国中南部及我国甘肃、宁夏等地出现大范围沙尘暴、扬沙等风沙天气区(38°~50°N, 98°~110°E).5月3日午后14：00—傍晚20：00蒙古气旋冷锋附近风沙区东移到河套北部(图 3a), 京津冀地区因受蒙古气旋底部低压辐合区影响, 出现了小雨天气, 对于北京上游(邻近地区)地表尘土上扬起到一定的抑制作用.5月3日500 hPa高空图上(图略), 京津冀地区受蒙古低涡低槽前部西南气流控制, 40°N以南有西来槽东移；5月4日8：00地面天气图上(图 3b), 北京地区处于河套弱高压前部, 河套东部、山西和京津冀西北部地区出现浮尘天气区, 对应区域风速不大.5月4日8：00高空700 hPa的西来槽移过北京(图略).由此可见, 西来槽东移对浮尘天气的形成起到重要作用；5月5日凌晨2：00, 位于蒙古气旋后部的主体冷空气东移.5日早晨受冷锋后部大风区影响, 北京出现短时扬沙天气.随着风速加大, 沙尘天气结束.
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| 图 3 地面气压场和大风天气区分布 (a、b.2017年5月3日20：00和5月4日8：00；c、d.2018年3月27日20：00和28日8：00；图中细实线为等压线, 风羽表示该测站出现大风(大风是指正点观测的2 min平均风速≥8 m · s-1, 长直线为风矢杆, 垂直于风矢杆的每一短直线代表 4 m · s-1风速), 数字4、3、2、1分别代表测站出现沙尘暴、扬沙、浮尘或霾, 蓝色齿状粗实线为冷锋面) Fig. 3 Distribution of surface pressure and gale weather area |
在2018年3月27日8：00地面天气图上(图略), 蒙古气旋在贝加尔湖东南部地区形成并强烈发展, 当其移至蒙古国中南部和中蒙边境中部时, 在气旋冷锋大风区附近(42°~48°N、100°~118°E)出现大范围沙尘暴、扬沙天气.蒙古气旋风沙区沿42°N(北京北部)向东移动, 27日20：00移到内蒙古东部地区(图 3c), 北京处于气旋底部低压区；在3月27日500 hPa高空图上(图略), 中纬度地区为西北气流控制, 850 hPa处于蒙古低涡低槽前部的西南气流区.低空西南气流和地面辐合作用有利于大气污染输送和汇聚；在28日早晨8：00地面天气图上(图 3d), 蒙古气旋后部的东-西向冷高压东移.受其影响京津冀地区处于北高南低气压场控制, 导致冷高压东移南压, 引发河套东部到河北西北部地区出现浮尘天气.28日早晨8：00以后位于北京北部的东-西向冷高压继续东移南压, 形成东北高-西南低气压场(图略).受气压梯度力的作用, 京津冀大部分地区出现较明显的回流偏东风.
3.2.2 沙尘污染物的水平输送利用Cressman插值法将地面加密自动站风向风速观测数据、PM10和PM2.5浓度数据插值到二维格点场, 得出地面风场、PM10和PM2.5浓度分布叠加图.2017年5月3日午夜24：00前后开始与上游沙尘区对应, 出现PM10和PM2.5浓度大值区(图 4a), 最大值分别达到3000 μg · m-3、500 μg · m-3以上, 该区域偏西风较大.PM10和PM2.5浓度大值区由内蒙中部、山西北部向偏东方向移动, 5月4日4：00开始影响北京, 引发北京地区的PM10和PM2.5浓度爆发式增长(图 4b), 形成PM10和PM2.5重污染.由此说明北京上游地区的地面偏西风对PM10和PM2.5浓度的水平输送作用明显；5月4日14：00—15：00 PM10和PM2.5浓度大值区移到下游地区(河北南部、天津地区), 北京地区的PM10和PM2.5浓度值有所减小(图 4c).5月4日傍晚17：00以后北京南部出现大范围偏南风(图 4a), 偏南风将移至北京以南下游地区的高浓度PM10和PM2.5重新送回北京, 使北京的PM10和PM2.5重污染持续；5月5日5：00—8：00位于蒙古气旋后部的主体冷空气东移南下, 其前缘的冷锋附近出现扬沙天气, 河北西南部地区的PM10浓度、北京北部地区的PM2.5浓度增大(图 4e~f).5月5日上午, 冷空气大举南下, 11：00以后污染消散.
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| 图 4 2017年5月4—5日的地面风场、PM10和PM2.5浓度分布图 (a~c.5月4日0：00、5：00、14：00；d~f.5月4日23：00、5月5日5：00、8：00；图中阴影和蓝色细实线分别表示PM10浓度和PM2.5浓度, 单位为μg · m-3) Fig. 4 Distribution of surface wind, PM10 and PM2.5 concentrations in Beijing-Tianjin-Hebei region from 4 to 5 May, 2017 |
分析2018年3月27日下午14：00—午夜24：00的地面风场、PM10和PM2.5分布图, 北京以南地区为大片偏南风控制, 27日傍晚17：00—午夜24：00北京处于偏北风与偏南风的风场辐合区, 使北京南部地区的大气污染物向北输送和汇聚(图 5a), 北京北部地区和城区的PM2.5浓度增大, 形成霾(PM2.5)污染区.27日22：00位于北京北部地区和城区的PM2.5浓度大值区浓度值达300 μg · m-3以上.随着蒙古气旋风沙区东移, PM10浓度大值区出现在内蒙东部地区；3月28日凌晨2：00—早晨8：00, 由于京津冀地区处于气旋后部的北高南低气压场控制, 冷高压不断南压, 3月28日2：00以后在内蒙东南部、山西北部和河北西北部的交界区域(乌兰察布、张家口附近)出现PM10浓度大值区, 最大浓度值达到3000 μg · m-3以上(图 5b).PM10浓度大值区出现在弱冷锋北部, 并且随弱冷锋不断向南扩散, 3月28日5：00以前影响北京(图 5c), 引发PM10浓度爆发式增长, 形成严重的沙尘污染.地面冷高压继续东移, 形成东北高、西南低气压场, 京津冀地区出现“回流”偏东风.偏东风使PM10大值区在北京及其西北部辐合、聚集是PM10重度污染形成起到重要作用(图 5a~5e).另外, 回流偏东风对浮尘区的滞留作用, 使PM10污染持续到3月28日20：00以后才逐渐消散(图 5a).
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| 图 5 2018年3月27—28日的地面加密风场、PM10和PM2.5浓度分布图 (a~c.3月27日22：00、3月28日2：00、8：00；d~f.3月28日11：00、17：00、20：00；阴影和细实线分别表示PM10浓度和PM2.5浓度, 单位为μg · m-3, 蓝色粗断线表示地面冷锋) Fig. 5 Distribution of surface wind, PM10 and PM2.5 concentration in Beijing-Tianjin-Hebei region from 27 to 28 March, 2018 |
① 蒙古气旋底部辐合区和西来槽的影响沿40°N做垂直速度、垂直环流(u和-w合成)和水平散度的纬向垂直剖面图, 5月3日20：00在上游地区的河套以东地区(112°~114°E)低层大气(800 hPa以下)出现明显辐合, 其上层(800~600 hPa)为辐散, 对应着大范围较深厚的上升气流区(图 6a).北京上空850 hPa以下为弱辐散下沉气流控制.5月4日2：00(图 6b), 位于上游河套以东地区的低层辐合、高层辐散区东移(与700 hPa西来槽东移对应), 山西东北部到河北西部地区的低层大气上升速度明显增强.北京低层大气下沉运动减弱, 800 hPa以下转为风场辐合.而此时北京上游地区(山西东部到河北西部地区)的低层上升气流明显加强, 使该地区的沙尘细颗粒物PM10、极细颗粒物PM2.5悬浮于空中.随后, 被中-低层偏西气流向下游输送, 在北京上空弱下沉气流作用下缓慢下降至低层.在低层的明显风场辐合作用下, 形成严重的PM10和PM2.5混合污染.说明上游地区的较强上升气流、中-低空偏西风的长距离水平输送, 以及本地弱下沉气流和低层风场辐合是PM10、PM2.5混合重污染形成的主要动力条件.4日8：00—20：00上游地区一直为上升运动区, 而北京上空650 hPa以下为下沉运动、低层为辐合(图略), 有利于空中悬浮的沙尘和干霾(PM10和PM2.5)降至近地层并汇聚积累, 使重污染持续.
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| 图 6 2017年5月3—4日的垂直速度、垂直环流、水平散度和地形沿40°N纬向剖面图 (a.5月3日20：00；b.5月4日2：00；图中阴影表示垂直速度ω(正值为下沉速度、负值为上升速度), 箭头为u和-w合成的纬向垂直环流, 等值线表示水平散度Div(虚线为负值, 表示辐合, 细实线为正, 表示辐散, 单位：s-1), x坐标上的黑粗实线表示北京地区的东-西范围) Fig. 6 Latitude profile of vertical velocity along 40°N, latitude vertical circulation, divergence, and topography from 4 to 5 May, 2017 |
进一步分析云高仪和风廓线雷达的高分辨率垂直观测数据时间-高度图发现(图 7a~7c), 2017年5月4日凌晨1：00—3：00, 北京低空为西南风, 其上层为西北风.云高仪后向散射系数在地面~3000 m出现多层结构, 说明沙尘气溶胶已经出现在北京上空, 该时段边界层高度为600~1000 m；5月4日3：30前后低空风向由西南风转为西北风, 边界层高度降低至500 m以下, 地面~1500 m的后向散射系数陡增, 以900~1500 m高度为最大, 但近地层后向散射系数不大；4日4：00以后, 近地层后向散射系数快速增大, 50 m高度后向散射系数最大, 达15000×10-9 m-1 · srad-1以上, 其次位于10、100 m.这说明沙尘气溶胶随西北风层的降低由1500~3000 m上空降至近地层, 而边界层高度的降低使沙尘气溶胶集中分布在100 m以下.从4日凌晨6：00开始, 中高空层西北风加大且西北风层逐渐下降(降至2000 m), 各层后向散射系数略有减小.4日11：00以后, 边界层高度升高到700~900 m高度, 各层后向散射系数缓慢减小, 沙尘污染有所缓解；4日傍晚18：00以后低空转为西南风, 西南风层逐渐增厚且风速逐渐增大并将移至北京以南的污染物输重新送回北京.4日傍晚19：00以后边界层高度降低, 各层云高仪后向散射系数再次增大, 使污染再次加重并持续.说明各层风向风速垂直分布、边界层高度日变化对沙尘污染的水平和垂直输送, 以及大气水平和垂直扩散能力都有较明显的影响.
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| 图 7 2017年5月4日0：00—24：00云高仪和风廓线雷达垂直观测的时间-高度图 (a.云高仪后向散射系数和边界层高度(黑粗断线)；b.云高仪低层后向散射系数时间变化曲线；c.风廓线雷达观测的水平风(风羽：长直线为风矢杆, 垂直于风矢杆的每一短直线代表 4 m · s-1风速)、风向(阴影)和风速≥12 m · s-1等风速线(实线)) Fig. 7 Time-height map of vertical observation by laser ceilometer and wind profiler radar from 0:00 to 24:00 May, 2017 |
② 蒙古气旋后部冷空气南压和回流偏东风的影响由前面对地面天气系统的分析得知, 2018年3月28日凌晨2：00—早晨8：00受蒙古气旋后部的东-西向冷高压南压的影响, 河套东部到河北西北部地区出现浮尘天气.沿40°N做垂直速度、垂直环流和水平散度的纬向垂直剖面图(图 8a)可见, 3月28日2：00北京及其西北部上游地区中-低层为下沉、辐散气流, 沙尘区向南扩散.同时, 与东移的蒙古气旋相对应的较强辐合上升区出现在北京东部下游地区.28日8：00在北京东部地区出现的明显回流偏东风与北京西部地区的下沉气流相遇, 在低层形成辐合上升气流(图 8b).上升气流将北京和西北部地区的地表尘土(疏松土壤)卷扬至空中, 在低层明显的辐合作用下, 形成极为严重的沙尘污染.因此, 北京西北部上游地区冷高压南压使沙尘区向南扩散、回流偏东风使低层大气产生的明显辐合上升气流, 将北京及西(北)部地区地表尘土卷扬至空中, 是此次沙尘(PM10)污染形成的关键条件.
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| 图 8 2018年3月28日的垂直速度、垂直环流、水平散度和地形沿40°N纬向剖面图 (a.28日2：00；b.28日8：00；图中阴影表示垂直速度ω(正值为下沉速度、负值为上升速度), 箭头为u和-w合成的纬向垂直环流, 等值线表示水平散度Div(虚线为负值、表示辐合, 细实线为正, 表示辐散, 单位：s-1), x坐标上的黑粗实线表示北京地区的东-西范围) Fig. 8 Latitude profile of vertical velocity along 40°N, latitude vertical circulation, divergence, and topography on March 28, 2018 |
分析2018年3月28日0：00—24：00高分辨率的云高仪和风廓线雷达测风时间-高度图发现(图 9a~9c), 28日凌晨3：00之前北京中层以下大气为西北风, 边界层高度低于400 m.云高仪后向散射系数集中在近地层, 50 m高度最大为7000×10-9 km-1 · srad-1；28日3：00开始近地层出现东北风(回流造成), 边界层高度升高, 云高仪后向散射系数值突然增大、大值层增厚, 200~500 m高度的后向散射系数先于近地层增大.28日4：00以后边界层高度降低到400 m以下, 近地层10~100 m的后向散射系数值增大、大值层增厚, 6：00—7：00达到最大值, 达20000×10-9 m-1 · srad-1以上.28日早晨8：00以后, 近地层出现东南风, 云高仪后向散射系数有所减小.28日傍晚17：00以后随着近地层东南风的减弱, 边界层高度升高, 云高仪后向散射系数呈分层结构, 近地层明显减小, 污染消散.由此得出, 霾(PM2.5)污染阶段, 云高仪后向散射系数在7000×10-9 m-1 · srad-1.近地层冷高压南压、回流造成东北风形成的辐合上升气流引发沙尘(PM10)重污染阶段, 云高仪后向散射系数达到20000×10-9 m-1 · srad-1以上, 远大于2017年5月4日的PM10和PM2.5混合沙尘污染最严重时段.在本次沙尘污染形成过程中, 边界层高度较低, 基本无日变化, 边界层高度主要与天气系统的影响有关.
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| 图 9 2018年3月28日0：00—24：00云高仪和风廓线雷达垂直观测的时间-高度图 (a.云高仪后向散射系数和边界层高度(黑粗断线)；b.云高仪低层后向散射系数时间变化曲线；c.风廓线雷达观测的水平风(风羽：长直线为风矢杆, 垂直于风矢杆的每一短直线代表 4 m · s-1风速)、风向(阴影)和风速≥12 m · s-1等风速线(实线)) Fig. 9 Time-height map of vertical observation by laser ceilometer and wind profiler radar from 00:00 to 24:00 on March 28, 2018 |
大气稳定度是大气污染形成、发展和持续的重要影响因素.大气稳定度是指静力稳定度, 是在浮力作用下空气微团在垂直方向运动的稳定性, 以温度随着高度变化γ(温度垂直递减率)的正值(增加)和负值(减小)判定.当γ>0(逆温)时, 空气微团反抗重力做功、损耗动能, 上下运动受到抑制, 称为大气稳定.即逆温层存在时大气稳定, 污染物垂直扩散受到限制(朱乾根等, 1992).
利用北京观象台微波辐射计反演的垂直方向各层温度计算温度24 h变量ΔT24和温度垂直递减率γ, 分析大气热力条件变化及其对大气稳定度的影响.在2017年5月4日凌晨0：00之前, 北京的中-低层大气明显增温(ΔT24为正值).从5月4日凌晨0：00开始低层降温(ΔT24出现负值), 其上层增温(图 10a).其结果是在600~2000 m高度形成逆温层(γ>0)(图 10b), 5月4日早晨6:00—傍晚18：00逆温最强, 最大逆温强度达0.015 ℃ · m-1以上.说明该时段低层大气层结稳定, 不利于污染物的垂直扩散, 使污染物集中于逆温层以下.4日夜间19：00—5日早晨9：00在600~2000 m高度的逆温层近乎消失(或为等温层), 即低层大气近似为中性层结, 仍不利于污染物的垂直扩散.5日上午9：00以后整层大气明显降温, 下午14：00逆温层逐渐消失, 近地层PM10和PM2.5污染浓度随之快速减小, 污染消散.
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| 图 10 2017年5月3日17：00—5日23：00北京上空各层温度变量和温度垂直递减率时间-高度图 (a.24 h温度变量ΔT24(点划线表示增温最大值的高度)；b.温度垂直递减率γ(正值区为逆温层；横坐标轴上的黑色粗实线表示重污染时段)) Fig. 10 Time-height Map of temperature variables and -temperature lapse rate over Beijing from 17:00 on 3 May to 23:00 on 5 May, 2017 |
由2018年3月25日下午14:00—28日凌晨2：00(浮尘天气之前)北京各层温度24 h变量ΔT24和温度垂直递减率γ时间-高度图可以看出(图 11a), 近地层ΔT24为负值, 温度下降, 其上层升温较明显(ΔT24为正值).该时段低层出现逆温层且具有显著的日变化特征, 即夜间出现明显贴地逆温层, 白天则是在600~2000 m高度出现弱逆温层(图 11b).说明低层大气层结长时间稳定, 抑制大气污染物垂直扩散, PM2.5浓度不断升高.这种逆温层的日变化与中高空为西北气流控制, 天气晴朗, 夜间近地层辐射降温明显, 而其上层大气增温有关.白天在600~2000 m高度出现逆温层可解释为白天近地面污染物将太阳短波辐射反散射回空间, 使到达地面的短波辐射减少, 导致近地层温度降低、污染物上层大气增温, 逆温层抬高；3月28日早晨9：00—中午13：00受回流偏东风的影响低层大气降温, 600~2000 m逆温层减弱或变为等温层, 下午大气稳定性逐渐减弱, 沙尘污染消散.
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| 图 11 2018年3月25日14：00—29日2：00温度垂直递减率时间-高度图 (a.24 h温度变量ΔT24(点划线表示增温最大值所在的高度)；b.温度垂直递减率γ(正值区为逆温层)；横坐标上的黑色粗实线表示重污染时段) Fig. 11 Time-height map of temperature variables and temperature lapse rate over Beijing from14:00 on Mar 25 to 2:00 on March 29, 2018 |
1) 由浮尘天气引发的重污染具有爆发性特征(2017年5月4日凌晨4：00—早晨7：00在4 h内PM10、PM2.5浓度分别快速增大15、17倍以上, 2018年3月28日凌晨3：00—早晨7：00在5h内PM10浓度快速增大13倍以上), 且持续时间较长.上游地区沙尘区被中-低空气流长距离传输, 造成PM10和PM2.5污染, 由北京及周边尘土卷扬造成较大粒径的沙尘(主要为PM10)污染.此类沙尘污染远比被中-低空气流长距离传输引发的沙尘污染要严重的多.
2) 2次重污染过程均发生在强烈发展的蒙古气旋外围.2017年5月4—5日重污染过程是因上游地区处于蒙古气旋底部辐合上升气流区, 因受中-低空西来槽槽前辐合上升气流的影响, 上游地区上升气流明显加强, 使沙尘颗粒物(粒径小于10 μm)悬浮于空中.随后被中-低层偏西气流输送到下游地区, 在北京低空弱下沉气流作用下降至地面, 加之低层的风场辐合作用, 导致PM10和PM2.5混合重污染的形成.因此, 上游地区的较强上升气流、中-低空偏西风的长距离水平输送作用, 以及本地弱下沉气流和低层风场辐合作用是本次PM10和PM2.5混合重污染形成的主要动力条件.
3) 2018年3月27—28日重污染过程, 前期是大气污染物不断增大形成的积累型霾(PM2.5)污染, 随后是地面蒙古气旋后部冷高压南压使沙尘区随之向南扩散.同时, 受不断东移的冷高压影响形成回流偏东风.回流偏东风引发低层大气产生辐合上升气流将北京及其西北部地区地表尘土(或疏松土壤)卷扬至空中, 导致以PM10为主(PM2.5含量极少)的严重沙尘污染.
4) 对云高仪后向散射系数和风廓线雷达监测数据的分析得出, 2017年5月4日凌晨远距离输送的沙尘气溶胶是随西北风层由1500~3000 m上空降至近地层, 并随边界层高度的降低而集中在100 m以下.PM10和PM2.5混合污染形成时云高仪后向散射系数最大约为15000×10-9 m-1 · srad-1左右.2018年3月27—28日凌晨2：00是积累型霾(PM2.5)污染, 云高仪后向散射系数约为7000×10-9 m-1 · srad-1.28日凌晨2：00以后北京北部沙尘区向南扩散, 回流偏东风引发北京及周边辐合上升气流造成了以PM10为主的沙尘污染, 云高仪后向散射系数, 达20000×10-9 m-1 · srad-1以上, 远大于2017年5月4日凌晨开始的PM10和PM2.5污染混合.
5) 霾和沙尘复合重污染的形成和维持时间与低层逆温层(或等温层)的形成和维持时间基本一致.低层逆温层(或等温层)长时间存在, 使大气层结稳定, 抑制低层大气污染物的垂直扩散, 是霾和沙尘复合污染形成和维持的重要条件.也就是说霾和沙尘复合重污染是沙尘垂直、水平输送, 以及静稳天气两种条件共同作用的结果.
致谢: 北京城市气象研究院张西雅副研究员、窦有俊博士为本研究提供了数据支持, 陈丹研究员对英文摘要的修改进行了悉心指导, 北京市气象台张迎新首席预报员给出了建设性的研究建议, 以及3位评审专家对本文提出了宝贵意见, 在此表示衷心感谢！
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