2016年冬季河南三次持續(xù)污染過程的環(huán)流及關(guān)鍵氣象要素特征

（1 中國氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2 河南省氣象臺(tái)，鄭州 450003）

0 引言

灰霾主要是由懸浮在空氣中的細(xì)顆粒引起的大氣能見度降低的天氣現(xiàn)象，與空氣污染程度的變化關(guān)系密切[1]。隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模迅速擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加快，污染物排放量日益增大，灰霾天的出現(xiàn)越來越頻繁，灰霾天氣的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)。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(fā)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(dá)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(wěn)定度，導(dǎo)致污染物濃度變化的主導(dǎo)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(guān)系做了相關(guān)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(zhì)量與氣象條件的關(guān)系；楊蘭芳等[7]和趙敬國等[8]分析了蘭州市城區(qū)大氣受煙塵污染的變化特征及空氣污染與氣象條件的關(guān)系；肖舜等[9]和孟燕軍等[10]分析了西安世園會(huì)園區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量與氣象因子的關(guān)系，并歸納了影響北京市大氣污染物變化的地面天氣形勢(shì)場(chǎng)特征；紀(jì)曉玲等[11]探討了銀川市灰霾天氣環(huán)流分析及預(yù)報(bào)思路。大量研究結(jié)果[12-13]表明，氣象條件通過影響污染物的稀釋、擴(kuò)散、傳輸和轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而影響污染物的時(shí)空分布。然而目前關(guān)于連續(xù)污染天氣的相關(guān)預(yù)報(bào)研究還不夠，遠(yuǎn)不能滿足連續(xù)污染天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警業(yè)務(wù)的開展和為政府、公眾提供信息服務(wù)的需求。大氣擴(kuò)散的理論研究和試驗(yàn)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(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋能力隨著氣象條件的不同而發(fā)生巨大變化緣故。因此，深入研究連續(xù)污染期間以及結(jié)束時(shí)的氣象要素演變特征和高空、地面環(huán)流特點(diǎn)十分必要，可為今后連續(xù)污染天氣的持續(xù)、結(jié)束氣象條件研判以及預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)開展提供科學(xué)依據(jù)。針對(duì)以上需求，本文就河南省2016年冬季出現(xiàn)的3次大范圍持續(xù)污染天氣過程，利用常規(guī)高空、地面觀測(cè)資料、NCEP再分析資料以及L波段探空資料等，從環(huán)流場(chǎng)、距平場(chǎng)、溫壓濕要素演變特征以及近地層逆溫等方面進(jìn)行了詳盡分析，從而凝練出對(duì)預(yù)報(bào)、預(yù)警具有重要參考價(jià)值的定性及定量指標(biāo)。

1 污染實(shí)況

2016年末—2017年初，河南省出現(xiàn)了多次、持續(xù)性的中度到嚴(yán)重污染天氣過程（圖1）。第I次過程發(fā)生在2016年11月28日—12月5日，持續(xù)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(qū)為重度污染，其他時(shí)段均為輕到中度污染。第II次過程發(fā)生在2016年12月15—21日，持續(xù)7 d，其中15—17日全省大部分地區(qū)為中到重度污染，18日沿黃河及以北地區(qū)加強(qiáng)為嚴(yán)重污染，19—20日嚴(yán)重污染進(jìn)一步擴(kuò)展到全省。第III次過程發(fā)生在2016年12月28日—2017年1月11日，持續(xù)長達(dá)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(yán)重污染；2017年1月4—7日污染范圍明顯縮小，強(qiáng)度也有所減弱，豫北轉(zhuǎn)為重度污染，其他地區(qū)減弱為輕到中度污染或良；8—11日污染再次加強(qiáng)，除西部三門峽地區(qū)外，其他大部分地區(qū)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(shí)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(chǎn)生、持續(xù)和結(jié)束與氣象要素演變的關(guān)系，并歸納總結(jié)其變化特征，為今后污染天氣的預(yù)報(bào)提供有利參考。分別對(duì)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(gè)代表站，作為主要分析對(duì)象，制作3站污染期間氣溫、氣壓、露點(diǎn)和降水折線圖，對(duì)比分析各要素演變特征及其對(duì)應(yīng)的污染時(shí)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(dòng)，變化幅度達(dá)20 hPa，結(jié)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(zhuǎn)入由東北經(jīng)華北南伸的低壓帶中的均壓場(chǎng)里，同時(shí)伴隨污染逐漸加強(qiáng)，5日，由于強(qiáng)冷空氣東移南下，西部西北風(fēng)、北部偏北風(fēng)逐漸加大到6～8 m·s-1，河南上游局地出現(xiàn)揚(yáng)沙，伴隨著風(fēng)力逐漸加大及有利的風(fēng)向，上游的浮塵與揚(yáng)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(qū)重度污染。除5日外，其他時(shí)段風(fēng)力均為2 m·s-1左右，邊界層擴(kuò)散條件較差，有利于污染天氣出現(xiàn)。

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(yán)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(diǎn)溫度在嚴(yán)重污染發(fā)生前的17日均有明顯升高趨勢(shì)，而后安陽站穩(wěn)定在-3 ℃，鄭州站穩(wěn)定在3 ℃，信陽站逐漸上升到5℃左右，溫度露點(diǎn)差減小到0～5 ℃，部分時(shí)刻露點(diǎn)溫度接近氣溫，空氣基本達(dá)到飽和，部分吸濕粒子凝結(jié)增大但沒有達(dá)到下沉的比重，這時(shí)會(huì)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(fēng)速小。21日強(qiáng)冷空氣南下，并伴有弱降水，風(fēng)力的加大及降水的產(chǎn)生有利污染物的擴(kuò)散和沉降，污染由嚴(yán)重轉(zhuǎn)為重度。22日，冷空氣繼續(xù)南下，風(fēng)速及溫度露點(diǎn)差顯著增大，靜穩(wěn)的大氣層結(jié)被打破，污染天氣進(jìn)一步減弱并消散。

第III次污染期間溫度及露點(diǎn)溫度變化（圖2g～2i）表明，二者有呈同位相變化趨勢(shì)，白天氣溫升高時(shí)，露點(diǎn)溫度略有升高，夜間氣溫逐漸降低，有時(shí)最低溫度會(huì)降到與露點(diǎn)溫度相同，空氣基本達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)為霧霾混合態(tài)。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(dòng)幅度約為10 hPa，風(fēng)速依然為2 m·s-1左右，風(fēng)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(qū)出現(xiàn)了小雨天氣，從降水的柱狀圖可知，南部信陽站降水明顯強(qiáng)于北部的安陽站，此時(shí)南部地區(qū)污染迅速減弱，部分地區(qū)以良為主，北中部地區(qū)仍為重度污染，這一事實(shí)說明，降水越明顯，濕沉降作用越顯著。本次污染結(jié)束的顯著特征是溫度露點(diǎn)差明顯增大，如2017年1月12日14時(shí)，3站氣溫在10～12 ℃，露點(diǎn)溫度-10 ℃左右，二者差值超過20 ℃。

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

3 形勢(shì)場(chǎng)演變及距平場(chǎng)特征

3.1 500 hPa形勢(shì)演變及距平場(chǎng)特征

天氣形勢(shì)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(kuò)散能力與大氣的穩(wěn)定程度。對(duì)一個(gè)地區(qū)而言，污染源的變化在短時(shí)間內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)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(kuò)散能力。第I次污染期間，12月2日20時(shí)500 hPa高空?qǐng)D顯示，在70°E附近、45°N以北地區(qū)有高壓脊逐漸發(fā)展并東移，同時(shí)在120°E、70°N附近有500 dagpm的低壓中心逐漸向東南方向移動(dòng)，至3日20時(shí)，高壓脊東移到80°E附近，東部低渦中心穩(wěn)定少動(dòng)，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(shí)高壓脊繼續(xù)東移到90°E附近、40°N以北地區(qū)，低渦中心東南移到130°E、60°N附近，隨著高壓脊的進(jìn)一步東移，河南省由西西南氣流轉(zhuǎn)為西西北氣流影響，至5日20時(shí)，脊線繼續(xù)東移到100°E附近，低渦移至135°E、58°N附近，此時(shí)，河南省處在脊前、低渦后部的西北風(fēng)里，同時(shí)伴有強(qiáng)冷空氣南下，擴(kuò)散條件明顯改善，污染天氣逐漸減弱消散。污染期間距平場(chǎng)顯示（圖3a），55°—60°N以北地區(qū)為負(fù)距平區(qū)，以南為正距平區(qū)，且在80°E以西、25°—40°N之間有一正距平中心，中心強(qiáng)度達(dá)8 dagpm，河南省所處區(qū)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(diǎn)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(chǎng)（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(shì)場(chǎng)在70°—80°E及60°N以北地區(qū)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(fēng)環(huán)流，且不斷有短波槽東移影響河南省，這點(diǎn)與第I次過程非常相似，直至21日20時(shí)，轉(zhuǎn)受西北氣流控制，污染徹底結(jié)束。第II次過程500 hPa平均高度場(chǎng)（圖3b）顯示，河南省所處的中緯度地區(qū)環(huán)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(fù)距平區(qū)，東北到華北為正距平區(qū)，河南省處在6～7 dagpm正距平區(qū)域內(nèi)。

第III次過程500 hPa形勢(shì)場(chǎng)顯示，2016年12月28—29日，河南省由西北氣流轉(zhuǎn)為西南氣流，12月30日—2017年1月3日，在80°—120°E、65°—75°N地區(qū)維持龐大的低壓系統(tǒng)，另外南支槽位于90°E、15°—30°N附近，在30°—60°N中緯度地區(qū)為平直的西風(fēng)環(huán)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(shí)也說明高空環(huán)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(shí)，南支槽東移到95°E附近，河南省轉(zhuǎn)為西南氣流影響，同時(shí)在貝加爾湖南側(cè)有低槽逐漸發(fā)展并東南移，與中緯度低槽合并后于7日20時(shí)移過河南省，在此期間河南省產(chǎn)生了弱降水，污染略有緩解，但低槽過后環(huán)流并沒有明顯調(diào)整，8—11日依然以平直的西風(fēng)氣流為主，底層湍流擴(kuò)散較弱，污染天氣略有發(fā)展并持續(xù)。距平場(chǎng)顯示（圖3c）與第I次過程較為相似，在55°—60°N以北地區(qū)為負(fù)距平區(qū)，以南為正距平區(qū)，且在80°E以西、25°—40°N之間有一正距平中心，中心強(qiáng)度達(dá)8 dagpm，河南省處在正距平約為5 dagpm的區(qū)域。

對(duì)三次污染過程的500 hPa形勢(shì)演變及距平場(chǎng)分析表明，污染期間，河南省所處的中緯度地區(qū)多為平直的西風(fēng)環(huán)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(qiáng)度達(dá)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(wěn)天氣形成及維持，進(jìn)而導(dǎo)致污染天氣出現(xiàn)。

3.2 地面形勢(shì)演變及距平場(chǎng)特征

第I次污染過程中，2016年11月20日08時(shí)地面場(chǎng)顯示，新疆到貝加爾湖南側(cè)一帶為1040 hPa龐大高壓區(qū)，隨后高壓主體逐漸向東擴(kuò)展，29日08時(shí)，高壓帶斷裂成兩部分，一個(gè)中心位于新疆北部，另一中心位于東北地區(qū)，河南省處在兩高之間的均壓場(chǎng)里。30日—12月1日，西部的高壓中心不斷東移到河套地區(qū)，河南受擴(kuò)散冷空氣影響，擴(kuò)散條件逐漸轉(zhuǎn)好，從上面的實(shí)況分析可知，此時(shí)河南全省為輕到中度污染，污染相對(duì)較弱。2日20時(shí)河南省處在均壓場(chǎng)里，擴(kuò)散條件明顯變差，此時(shí)也是本次污染過程最嚴(yán)重的時(shí)段。3日20時(shí)，由東北北部經(jīng)華北直到河南省為一低壓帶，同時(shí)，在貝加爾湖西側(cè)有1042.5 hPa的高壓中心逐漸發(fā)展。4日20時(shí)，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(qū)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(jìn)一步東移南下，冷空氣前鋒于5日白天到達(dá)河南省，風(fēng)力快速加大，河南省上游局地出現(xiàn)了揚(yáng)沙天氣，PM10濃度顯著升高，并造成北中部地區(qū)重度污染。由于強(qiáng)冷空氣作用，維持多日的靜穩(wěn)大氣層結(jié)被打破，近地層湍流擴(kuò)散明顯增強(qiáng)，污染天氣徹底結(jié)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(chǎng)里，但氣壓梯度非常小，以2～3 m·s-1東北風(fēng)為主，由于華北地區(qū)的嚴(yán)重污染，弱的北-東北風(fēng)將上游的污染物傳輸?shù)胶幽稀?016年12月21日08時(shí)，前期在貝加爾湖附近逐漸堆積加強(qiáng)的冷空氣，沿河西走廊經(jīng)河套地帶繼續(xù)南下影響河南省，河南省西部地區(qū)風(fēng)力逐漸加大到4～6 m·s-1，配合高空西北氣流，大氣的擴(kuò)散條件逐漸增強(qiáng)，維持多日的污染天氣陸續(xù)消除。

第III次污染過程地面場(chǎng)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(chǎng)中，風(fēng)力小，不利污染物擴(kuò)散。2017年1月1—2日，河套地區(qū)有冷高壓東南移，但由于河南省北部和西部同時(shí)加壓，河南省大部分地區(qū)風(fēng)力依然較小，湍流擴(kuò)散仍然很弱，污染物進(jìn)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(qū)以重度污染為主。4日以后，貝加爾湖到新疆地區(qū)北部維持1040 hPa的冷高壓中心，不斷有冷空氣擴(kuò)散南下，配合東移的高空槽，河南省出現(xiàn)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(jié)束后，8—11日高空轉(zhuǎn)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(qū)氣壓梯度增大，河南省處在大梯度區(qū)前沿的均壓場(chǎng)里，擴(kuò)散條件較差，重污染區(qū)由河南省北部逐漸擴(kuò)展到中部。12日起，高空形勢(shì)明顯調(diào)整，700 hPa轉(zhuǎn)為西北氣流；地面場(chǎng)顯示，河南省西部氣壓梯度明顯加大，偏西風(fēng)加大到4 m·s-1，持續(xù)長達(dá)15 d的中到重度污染天氣結(jié)束。

綜上可知，污染期間地面為均壓場(chǎng)或鞍型場(chǎng)，風(fēng)力約為2 m·s-1，并且無特定風(fēng)向。即便有弱冷空氣擴(kuò)散南下，氣壓略有升高，但風(fēng)力無明顯增加時(shí)，污染天氣依然維持。當(dāng)出現(xiàn)小雨量級(jí)的降水時(shí)，污染會(huì)有所減弱，但不會(huì)消除，并且在降水發(fā)生前后污染有加重趨勢(shì)。當(dāng)高空轉(zhuǎn)為較強(qiáng)西北氣流或地面有強(qiáng)冷空氣影響，即風(fēng)力加大到6～8 m·s-1時(shí)，污染會(huì)徹底清除。由于排放到大氣中的污染物在風(fēng)的作用下，會(huì)被輸送到其它地區(qū)，風(fēng)速愈大，單位時(shí)間內(nèi)污染物被輸送的距離愈遠(yuǎn)，混入的空氣愈多，污染濃度愈低，所以風(fēng)不但對(duì)污染物進(jìn)行水平搬運(yùn)，而且有稀釋沖淡的作用，所以當(dāng)強(qiáng)冷空南下，風(fēng)力明顯增大時(shí)持續(xù)多日的污染天氣將結(jié)束。

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

4 低層大氣層結(jié)特征

4.1 風(fēng)切變特征

從925 hPa與1000 hPa的風(fēng)切變可知，第I次過程（圖5a）風(fēng)切變?cè)?.5～2.5 m·s-1，相對(duì)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(fēng)切變均＜1.5 m·s-1，水平風(fēng)垂直切變小不利于近地面污染物的垂直擴(kuò)散，近地層湍流擴(kuò)散非常弱，大氣維持靜穩(wěn)狀態(tài)，底層污染物很難向上層或周邊擴(kuò)散，使得污染物在大氣層底部聚集，并隨時(shí)間逐漸累計(jì)，污染也隨之加重。直到有強(qiáng)冷空氣南下，大氣靜穩(wěn)狀態(tài)被打破，底層污染物得到有效稀釋與擴(kuò)散，污染天氣徹底結(jié)束。

圖4 平均海平面氣壓（等值線）及距平場(chǎng)（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(fēng)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(shù)據(jù)特征

姜大膀等[14]對(duì)蘭州市區(qū)低空大氣溫度層結(jié)特征及其與空氣污染的關(guān)系研究表明：空氣污染物濃度與市區(qū)上空逆溫層發(fā)生頻率呈正相關(guān)；與低空大氣層結(jié)溫度遞減率呈負(fù)相關(guān)。L波段探空儀是我國近年來氣象業(yè)務(wù)中廣泛運(yùn)用的新一代高空探測(cè)系統(tǒng)，可探測(cè)從地面到3000 m高空的風(fēng)向、風(fēng)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(xiàn)，會(huì)增強(qiáng)大氣穩(wěn)定性，阻礙空氣垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，使得大量的煙、塵、水汽凝結(jié)物等聚集在近地面，造成空氣污染。100 m以下風(fēng)速均＜3 m·s-1，貼地層相對(duì)濕度在50%左右。當(dāng)?shù)蛯訚穸却螅邔訚穸让黠@減?。▓D6a）或1000 m以下風(fēng)力均＜3 m·s-1并且50%的相對(duì)濕度增至600 m左右時(shí)（圖6b），將出現(xiàn)重度到嚴(yán)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(duì)濕度均為80%左右并伴有降水出現(xiàn)?？梢?，當(dāng)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(shí)，大氣層結(jié)穩(wěn)定，大氣對(duì)污染物的稀釋擴(kuò)散能力減弱，往往會(huì)造成近地面嚴(yán)重污染。

圖6 鄭州站L波段探空?qǐng)D（色斑為相對(duì)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(jié)論

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

2）污染期間河南所在區(qū)域，500 hPa逐日環(huán)流場(chǎng)表現(xiàn)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(chǎng)為平直的西風(fēng)環(huán)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(wěn)天氣出現(xiàn)；地面為均壓場(chǎng)或鞍型場(chǎng)為負(fù)距平或與常年持平，冷空氣勢(shì)力較弱，等壓線稀疏，氣壓梯度力小，不利于近地層風(fēng)力的加大，湍流擴(kuò)散有限，有利于污染天氣的出現(xiàn)。

3）當(dāng)出現(xiàn)小雨量級(jí)的降水時(shí)，污染會(huì)有所減弱，但不會(huì)消除，并且降水發(fā)生前后污染有加重的趨勢(shì)。當(dāng)高空轉(zhuǎn)為較強(qiáng)西北氣流或地面有強(qiáng)冷空氣影響即風(fēng)力增加到6～8 m·s-1時(shí)，污染將徹底清除。

4）短期內(nèi)在空氣污染物排放量變化不大的情況下，當(dāng)近地層大氣溫度遞減率較小或有貼地逆溫層存在時(shí)，大氣層結(jié)穩(wěn)定，空氣污染物的稀釋擴(kuò)散能力減弱，往往會(huì)造成嚴(yán)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(fēng)速均＜3 m·s-1，貼地層相對(duì)濕度在50%左右。當(dāng)?shù)蛯訚穸却螅邔訚穸妊杆贉p小時(shí)，或1000 m以下風(fēng)力均＜3 m·s-1，并且50%的相對(duì)濕度增至600 m左右時(shí)，將出現(xiàn)重度到嚴(yán)重污染。