2016年冬季河南三次持續污染過程的環流及關鍵氣象要素特征

（1 中國氣象局河南省農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室，鄭州 450003；2 河南省氣象臺，鄭州 450003）

0 引言

灰霾主要是由懸浮在空氣中的細顆粒引起的大氣能見度降低的天氣現象，與空氣污染程度的變化關系密切[1]。隨著經濟規模迅速擴大和城市化進程的加快，污染物排放量日益增大，灰霾天的出現越來越頻繁，灰霾天氣的研究已成為一個熱點。司瑤冰等[2]、饒曉琴等[3]和朱彬等[4]研究表明，影響空氣污染發生的原因有多種，一是本地污染物的排放或者局地污染物的輸送達到一定量；二是有利污染物堆積的氣象條件。影響城市大氣污染的最重要兩大因素是污染物排放和大氣的穩定度，導致污染物濃度變化的主導因素是天氣變化。

目前，已有一些氣象工作者就氣象條件與污染的關系做了相關研究，如張夏琨等[5]和山義昌等[6]分別研究了石家莊市和濰坊市空氣質量與氣象條件的關系；楊蘭芳等[7]和趙敬國等[8]分析了蘭州市城區大氣受煙塵污染的變化特征及空氣污染與氣象條件的關系；肖舜等[9]和孟燕軍等[10]分析了西安世園會園區大氣環境質量與氣象因子的關系，并歸納了影響北京市大氣污染物變化的地面天氣形勢場特征；紀曉玲等[11]探討了銀川市灰霾天氣環流分析及預報思路。大量研究結果[12-13]表明，氣象條件通過影響污染物的稀釋、擴散、傳輸和轉化過程，進而影響污染物的時空分布。然而目前關于連續污染天氣的相關預報研究還不夠，遠不能滿足連續污染天氣預報、預警業務的開展和為政府、公眾提供信息服務的需求。大氣擴散的理論研究和試驗研究表明，在不同的氣象條件下，同一污染源排放所造成的地面污染物濃度可相差幾十倍乃至幾百倍。這是由于大氣對污染物的擴散稀釋能力隨著氣象條件的不同而發生巨大變化緣故。因此，深入研究連續污染期間以及結束時的氣象要素演變特征和高空、地面環流特點十分必要，可為今后連續污染天氣的持續、結束氣象條件研判以及預報預警業務開展提供科學依據。針對以上需求，本文就河南省2016年冬季出現的3次大范圍持續污染天氣過程，利用常規高空、地面觀測資料、NCEP再分析資料以及L波段探空資料等，從環流場、距平場、溫壓濕要素演變特征以及近地層逆溫等方面進行了詳盡分析，從而凝練出對預報、預警具有重要參考價值的定性及定量指標。

1 污染實況

2016年末—2017年初，河南省出現了多次、持續性的中度到嚴重污染天氣過程（圖1）。第I次過程發生在2016年11月28日—12月5日，持續8 d，其中12月2日為全省中到重度污染，12月5日北中部部分地區為重度污染，其他時段均為輕到中度污染。第II次過程發生在2016年12月15—21日，持續7 d，其中15—17日全省大部分地區為中到重度污染，18日沿黃河及以北地區加強為嚴重污染，19—20日嚴重污染進一步擴展到全省。第III次過程發生在2016年12月28日—2017年1月11日，持續長達15 d，其中2016年12月28日—2017年1月3日，幾乎為全省性重度污染，豫北部分縣市為嚴重污染；2017年1月4—7日污染范圍明顯縮小，強度也有所減弱，豫北轉為重度污染，其他地區減弱為輕到中度污染或良；8—11日污染再次加強，除西部三門峽地區外，其他大部分地區均為中到重度污染，稍弱于過程開始階段。

圖1 3次污染過程實況Fig. 1 Actual situation of three pollution processes

2 氣象要素特征

為了了解污染天氣產生、持續和結束與氣象要素演變的關系，并歸納總結其變化特征，為今后污染天氣的預報提供有利參考。分別對3次污染過程自北向南選取安陽站（北部）、鄭州站（中部）和信陽站（南部）3個代表站，作為主要分析對象，制作3站污染期間氣溫、氣壓、露點和降水折線圖，對比分析各要素演變特征及其對應的污染時段。

第I次污染過程從安陽（圖2a）和鄭州（圖2b）兩站的溫度變化曲線可知，北中部夜間最低溫度在2～4℃，白天最高溫度15℃左右，晝夜溫差11～13℃，信陽站（圖2c）晝夜溫差略小，約10 ℃左右。3站氣壓均在1015～1035 hPa擺動，變化幅度達20 hPa，結合地面圖可知，在2016年12月2日前受高壓帶控制，2日后逐漸轉入由東北經華北南伸的低壓帶中的均壓場里，同時伴隨污染逐漸加強，5日，由于強冷空氣東移南下，西部西北風、北部偏北風逐漸加大到6～8 m·s-1，河南上游局地出現揚沙，伴隨著風力逐漸加大及有利的風向，上游的浮塵與揚沙逐漸向河南省輸送，使得PM10濃度明顯升高，造成北中部地區重度污染。除5日外，其他時段風力均為2 m·s-1左右，邊界層擴散條件較差，有利于污染天氣出現。

第II次污染過程從3站的折線圖（圖2d～2f）可知，2016年12月18—20日，嚴重污染期間，3站氣象要素共同特征為，早晚溫差逐漸縮小，由前期的12 ℃左右下降到4～6 ℃，即最高溫度在降低、最低溫度在升高。3站露點溫度在嚴重污染發生前的17日均有明顯升高趨勢，而后安陽站穩定在-3 ℃，鄭州站穩定在3 ℃，信陽站逐漸上升到5℃左右，溫度露點差減小到0～5 ℃，部分時刻露點溫度接近氣溫，空氣基本達到飽和，部分吸濕粒子凝結增大但沒有達到下沉的比重，這時會使污染加重。由于污染期間幾乎無冷空氣影響，海平面氣壓維持在1025 hPa左右，變化幅度不超過5 hPa，氣壓梯度小、風速小。21日強冷空氣南下，并伴有弱降水，風力的加大及降水的產生有利污染物的擴散和沉降，污染由嚴重轉為重度。22日，冷空氣繼續南下，風速及溫度露點差顯著增大，靜穩的大氣層結被打破，污染天氣進一步減弱并消散。

第III次污染期間溫度及露點溫度變化（圖2g～2i）表明，二者有呈同位相變化趨勢，白天氣溫升高時，露點溫度略有升高，夜間氣溫逐漸降低，有時最低溫度會降到與露點溫度相同，空氣基本達到飽和狀態，此時為霧霾混合態。海平面氣壓折線顯示，2016年12月29日之后氣壓在1020～1030 hPa變化，變動幅度約為10 hPa，風速依然為2 m·s-1左右，風向以偏北或北北東為主。2017年1月4—7日，污染減弱階段，全省大部分地區出現了小雨天氣，從降水的柱狀圖可知，南部信陽站降水明顯強于北部的安陽站，此時南部地區污染迅速減弱，部分地區以良為主，北中部地區仍為重度污染，這一事實說明，降水越明顯，濕沉降作用越顯著。本次污染結束的顯著特征是溫度露點差明顯增大，如2017年1月12日14時，3站氣溫在10～12 ℃，露點溫度-10 ℃左右，二者差值超過20 ℃。

上述對污染期間氣象要素演變分析表明，當最高溫度降低，最低溫度升高，晝夜溫差減小時；露點溫度升高或恒定時，溫度露點差減小，甚至部分時段空氣達到飽和時；溫度與露點溫度有呈同位相變化趨勢時，溫度露點差無變化或減小時；均有利污染天氣的出現。當晝夜溫差下降到4～6 ℃，溫度露點差下降到0～5 ℃，風力約為2 m·s-1，氣壓變幅＜5 hPa或強冷空氣開始南下PM10濃度明顯升高時，均有可能產生嚴重污染天氣，若上述氣象條件無明顯改善，污染天氣將持續。當有弱降水或弱冷空氣影響時，風力略有增加，污染會稍有緩解，但不會徹底清除。只有強冷空氣南下導致氣壓快速升高、風力迅速加大到6～8 m·s-1、溫度露點差顯著增加，或者有明顯降水出現時，污染天氣將徹底結束。

3 形勢場演變及距平場特征

3.1 500 hPa形勢演變及距平場特征

天氣形勢從根本上決定了氣象要素的分布和變化，從而決定了大氣的擴散能力與大氣的穩定程度。對一個地區而言，污染源的變化在短時間內是相對穩定的，在這種情況下，污染物濃度的高低變化主要取決于大氣的擴散能力。第I次污染期間，12月2日20時500 hPa高空圖顯示，在70°E附近、45°N以北地區有高壓脊逐漸發展并東移，同時在120°E、70°N附近有500 dagpm的低壓中心逐漸向東南方向移動，至3日20時，高壓脊東移到80°E附近，東部低渦中心穩定少動，508 dagpm的等高線南壓到55°N附近，河南省受低壓底部及脊前不斷東移南下的短波槽影響。4日20時高壓脊繼續東移到90°E附近、40°N以北地區，低渦中心東南移到130°E、60°N附近，隨著高壓脊的進一步東移，河南省由西西南氣流轉為西西北氣流影響，至5日20時，脊線繼續東移到100°E附近，低渦移至135°E、58°N附近，此時，河南省處在脊前、低渦后部的西北風里，同時伴有強冷空氣南下，擴散條件明顯改善，污染天氣逐漸減弱消散。污染期間距平場顯示（圖3a），55°—60°N以北地區為負距平區，以南為正距平區，且在80°E以西、25°—40°N之間有一正距平中心，中心強度達8 dagpm，河南省所處區域正距平約為5 dagpm。

圖2 3次污染期間安陽（a、d、g）、鄭州（b、e、h）、信陽（c、f、i）站氣溫、氣壓、露點折線圖Fig.2 Temperature, pressure, and dew point in Anyang, Zhengzhou and Xinyang during the three pollution periods(a), (d), (g) are for Anyang Station; (b), (e), (h) are for Zhengzhou Station; and (c), (f), (i) are for Xinyang Station

圖3 500 hPa平均高度（等值線）及距平場（色斑）（a）第I次過程；（b）第II次過程；（c）第III次過程（單位：dagpm）Fig. 3 500 hPa average height (contour) and anomalous field (spot): (a) the first process, (b) the second process, and (c)the third process (unit: dagpm)

第II次污染期間，即2016年12月15—21日，500 hPa形勢場在70°—80°E及60°N以北地區始終維持492 dagpm低壓中心，這一特征與第I次過程有所不同，在20°—60°N為平直的西風環流，且不斷有短波槽東移影響河南省，這點與第I次過程非常相似，直至21日20時，轉受西北氣流控制，污染徹底結束。第II次過程500 hPa平均高度場（圖3b）顯示，河南省所處的中緯度地區環流與第I次較為相似，均為西西北氣流影響，但在65°N、80°E附近有496 dagpm的低壓中心與第I次過程明顯不同，由低壓中心向西南一直延伸到35°N均為負距平區，東北到華北為正距平區，河南省處在6～7 dagpm正距平區域內。

第III次過程500 hPa形勢場顯示，2016年12月28—29日，河南省由西北氣流轉為西南氣流，12月30日—2017年1月3日，在80°—120°E、65°—75°N地區維持龐大的低壓系統，另外南支槽位于90°E、15°—30°N附近，在30°—60°N中緯度地區為平直的西風環流，不斷有短波槽東移影響河南省，這一特征與前兩次過程基本相同，同時也說明高空環流平直且有短波槽東移是有利于污染天氣形成的天氣尺度特征之一。4日20時，南支槽東移到95°E附近，河南省轉為西南氣流影響，同時在貝加爾湖南側有低槽逐漸發展并東南移，與中緯度低槽合并后于7日20時移過河南省，在此期間河南省產生了弱降水，污染略有緩解，但低槽過后環流并沒有明顯調整，8—11日依然以平直的西風氣流為主，底層湍流擴散較弱，污染天氣略有發展并持續。距平場顯示（圖3c）與第I次過程較為相似，在55°—60°N以北地區為負距平區，以南為正距平區，且在80°E以西、25°—40°N之間有一正距平中心，中心強度達8 dagpm，河南省處在正距平約為5 dagpm的區域。

對三次污染過程的500 hPa形勢演變及距平場分析表明，污染期間，河南省所處的中緯度地區多為平直的西風環流，每隔2～3d有短波槽移過或長期受偏西到西西南氣流影響，且為正距平，強度達5～7 dagpm，上述特征均不利東亞大槽的建立和冷空氣南下，但有利于靜穩天氣形成及維持，進而導致污染天氣出現。

3.2 地面形勢演變及距平場特征

第I次污染過程中，2016年11月20日08時地面場顯示，新疆到貝加爾湖南側一帶為1040 hPa龐大高壓區，隨后高壓主體逐漸向東擴展，29日08時，高壓帶斷裂成兩部分，一個中心位于新疆北部，另一中心位于東北地區，河南省處在兩高之間的均壓場里。30日—12月1日，西部的高壓中心不斷東移到河套地區，河南受擴散冷空氣影響，擴散條件逐漸轉好，從上面的實況分析可知，此時河南全省為輕到中度污染，污染相對較弱。2日20時河南省處在均壓場里，擴散條件明顯變差，此時也是本次污染過程最嚴重的時段。3日20時，由東北北部經華北直到河南省為一低壓帶，同時，在貝加爾湖西側有1042.5 hPa的高壓中心逐漸發展。4日20時，高壓中心略南移，但冷高壓的前鋒已東南伸到華北北部，受冷空氣推擠，東北地區的低壓帶快速收縮東移到日本海到山東半島，隨著冷空氣的進一步東移南下，冷空氣前鋒于5日白天到達河南省，風力快速加大，河南省上游局地出現了揚沙天氣，PM10濃度顯著升高，并造成北中部地區重度污染。由于強冷空氣作用，維持多日的靜穩大氣層結被打破，近地層湍流擴散明顯增強，污染天氣徹底結束。

第II次污染期間逐日地面圖演變顯示，河南省處在北高南低的氣壓場里，但氣壓梯度非常小，以2～3 m·s-1東北風為主，由于華北地區的嚴重污染，弱的北-東北風將上游的污染物傳輸到河南。2016年12月21日08時，前期在貝加爾湖附近逐漸堆積加強的冷空氣，沿河西走廊經河套地帶繼續南下影響河南省，河南省西部地區風力逐漸加大到4～6 m·s-1，配合高空西北氣流，大氣的擴散條件逐漸增強，維持多日的污染天氣陸續消除。

第III次污染過程地面場分析表明，2016年12月28—31日期間，河南省處在高壓里的均壓場中，風力小，不利污染物擴散。2017年1月1—2日，河套地區有冷高壓東南移，但由于河南省北部和西部同時加壓，河南省大部分地區風力依然較小，湍流擴散仍然很弱，污染物進一步累積，因此在2016年12月28日—2017年1月3日期間，污染逐漸加重，大部分地區以重度污染為主。4日以后，貝加爾湖到新疆地區北部維持1040 hPa的冷高壓中心，不斷有冷空氣擴散南下，配合東移的高空槽，河南省出現弱降水天氣，由于降水的稀釋及沉降作用，4—8日期間污染略有減弱。降水結束后，8—11日高空轉受槽后偏西氣流控制；地面圖上，冷中心位置維持不變，河套地區氣壓梯度增大，河南省處在大梯度區前沿的均壓場里，擴散條件較差，重污染區由河南省北部逐漸擴展到中部。12日起，高空形勢明顯調整，700 hPa轉為西北氣流；地面場顯示，河南省西部氣壓梯度明顯加大，偏西風加大到4 m·s-1，持續長達15 d的中到重度污染天氣結束。

綜上可知，污染期間地面為均壓場或鞍型場，風力約為2 m·s-1，并且無特定風向。即便有弱冷空氣擴散南下，氣壓略有升高，但風力無明顯增加時，污染天氣依然維持。當出現小雨量級的降水時，污染會有所減弱，但不會消除，并且在降水發生前后污染有加重趨勢。當高空轉為較強西北氣流或地面有強冷空氣影響，即風力加大到6～8 m·s-1時，污染會徹底清除。由于排放到大氣中的污染物在風的作用下，會被輸送到其它地區，風速愈大，單位時間內污染物被輸送的距離愈遠，混入的空氣愈多，污染濃度愈低，所以風不但對污染物進行水平搬運，而且有稀釋沖淡的作用，所以當強冷空南下，風力明顯增大時持續多日的污染天氣將結束。

3次污染過程平均海平面氣壓場及距平場（圖4a～4c）顯示，從新疆北部經西北至華北及蒙古國境內為1028 hPa控制的龐大高壓帶，鋒區位于長江及以南地區，河南省處在二者過渡地帶的均壓場中且為負距平或與常年持平。地面為均壓場，等壓線稀疏，氣壓梯度力小，不利于近地層風力的加大，負距平同樣說明冷空氣勢力較弱，湍流擴散有限，有利于污染天氣出現。

4 低層大氣層結特征

4.1 風切變特征

從925 hPa與1000 hPa的風切變可知，第I次過程（圖5a）風切變在1.5～2.5 m·s-1，相對后兩次稍大，因此第一次污染過程要弱于后兩次。后兩次污染過程（圖5b～5c）風切變均＜1.5 m·s-1，水平風垂直切變小不利于近地面污染物的垂直擴散，近地層湍流擴散非常弱，大氣維持靜穩狀態，底層污染物很難向上層或周邊擴散，使得污染物在大氣層底部聚集，并隨時間逐漸累計，污染也隨之加重。直到有強冷空氣南下，大氣靜穩狀態被打破，底層污染物得到有效稀釋與擴散，污染天氣徹底結束。

圖4 平均海平面氣壓（等值線）及距平場（色斑）；（a）第I次過程、（b）第II次過程、（c）第III次過程（單位：hPa）Fig.4 Mean sea level pressure (contour) and anomalous field (spot)(a) the first process, (b) the second process, and (c) the third process (unit: hPa)

圖5 925 hPa與1000 hPa的風切變（a）第I次過程；（b）第II次過程；（c）第III次過程（單位：m·s-1）Fig. 5 Wind cut of 925 hPa and 1000 hPa (a) the first process, (b) the second process, and (c) the third process (unit: m·s-1)

4.2 L波段探空數據特征

姜大膀等[14]對蘭州市區低空大氣溫度層結特征及其與空氣污染的關系研究表明：空氣污染物濃度與市區上空逆溫層發生頻率呈正相關；與低空大氣層結溫度遞減率呈負相關。L波段探空儀是我國近年來氣象業務中廣泛運用的新一代高空探測系統，可探測從地面到3000 m高空的風向、風速、氣溫、氣壓、濕度等氣象要素，能較好反映逆溫情況。

圖6為3次污染期間鄭州站L波段探空剖面圖，從中可知200 m以下均有逆溫存在，大氣中逆溫層的出現，會增強大氣穩定性，阻礙空氣垂直運動發展，使得大量的煙、塵、水汽凝結物等聚集在近地面，造成空氣污染。100 m以下風速均＜3 m·s-1，貼地層相對濕度在50%左右。當低層濕度大，高層濕度明顯減?。▓D6a）或1000 m以下風力均＜3 m·s-1并且50%的相對濕度增至600 m左右時（圖6b），將出現重度到嚴重污染，如12月2日及12月18—20日。另外，在2017年1月4—8日弱污染期間（圖6c），近地層基本無逆溫，1000 m以下相對濕度均為80%左右并伴有降水出現?？梢?，當近地層大氣溫度遞減率較小或有貼地逆溫層存在，以及大氣處于下濕上干時，大氣層結穩定，大氣對污染物的稀釋擴散能力減弱，往往會造成近地面嚴重污染。

圖6 鄭州站L波段探空圖（色斑為相對濕度，單位：%）（a）第I次過程；（b）第II次過程；（c）第III次過程Fig. 6 L-band sounding map of Zhengzhou station (color of the spot represents different relative humidity unit: %)(a) the first process, (b) the second process, and (c) the third process

5 結論

1）通過對3次污染期間氣象要素演變的詳盡分析，可知當氣壓顯著下降且變化幅度＜5 hPa、風力2 m·s-1左右、晝夜溫差下降到4～6℃、溫度露點差下降到0～5℃或強冷空氣南下PM10濃度明顯升高時，均可產生嚴重污染天氣，若上述氣象條件無明顯改善，污染天氣將持續。當有弱降水或弱冷空氣影響，風力略有增加時，污染會稍有緩解，但不會徹底清除。當有強冷空氣南下即氣壓快速升高、風力明顯加大到6～8 m·s-1以及溫度露點差迅速增加到20 ℃以上，或有明顯降水時，污染天氣將會徹底結束。

2）污染期間河南所在區域，500 hPa逐日環流場表現為每隔2～3d有短波槽移過或長期受偏西到西西南氣流影響，合成場為平直的西風環流控制且為正距平，不利于東亞大槽的建立和冷空氣南下，有利于靜穩天氣出現；地面為均壓場或鞍型場為負距平或與常年持平，冷空氣勢力較弱，等壓線稀疏，氣壓梯度力小，不利于近地層風力的加大，湍流擴散有限，有利于污染天氣的出現。

3）當出現小雨量級的降水時，污染會有所減弱，但不會消除，并且降水發生前后污染有加重的趨勢。當高空轉為較強西北氣流或地面有強冷空氣影響即風力增加到6～8 m·s-1時，污染將徹底清除。

4）短期內在空氣污染物排放量變化不大的情況下，當近地層大氣溫度遞減率較小或有貼地逆溫層存在時，大氣層結穩定，空氣污染物的稀釋擴散能力減弱，往往會造成嚴重污染。L波段探空剖面表明，污染期間200 m以下均有逆溫存在，100 m以下風速均＜3 m·s-1，貼地層相對濕度在50%左右。當低層濕度大，高層濕度迅速減小時，或1000 m以下風力均＜3 m·s-1，并且50%的相對濕度增至600 m左右時，將出現重度到嚴重污染。