北京秋季一次重污染天气过程的成因分析

第26卷第5期2010年10月

气象与环境学报

Vo.l26No.5

October2010

北京秋季一次重污染天气过程的成因分析

杨素英 赵秀勇 刘宁微

1

2

3

(1 南京信息工程大学大气物理与大气环境重点实验室,江苏南京210044;2 国家电力环境保护研究院,江苏南京210031;

3 中国气象局沈阳大气环境研究所,辽宁沈阳110016)

摘 要:近年来,北京的大气环境问题日益受到关注。以2002年10月8 13日北京地区一次重污染过程为例,采用中国气象局的MICAPS系统和美国的HYSPLT模式,分别从污染过程产生的天气条件、污染物输送轨迹等方面分析此次空气污染的形成原因。结果表明:造成此次重污染过程的不利因素主要包括三个方面,一是较强的海平面高压、均压场控制导致北京地区垂直大气层结稳定,不利于污染物垂直扩散;二是北京地区三面环山,导致近地面为弱的偏南气流控制,不利于污染物水平扩散;三是近地面弱的偏南气流从江苏、山东、河北、天津等地携带了大量的污染物向北京地区输送。

关键词:北京;空气污染物;天气条件;污染物累积

中图分类号:P458 文献标识码:A 文章编号:1673-503X(2010)05-0013-04

1 引言

随着北京社会经济的快速发展,人们生活质量的逐步提高,特别是2008年奥运会的申办成功,首都的大气环境问题日益受到社会各个阶层的关注。为此,近年来,相关的科学研究也逐步展开,研究者分别从北京市空气污染的特征、本地污染源贡[2-3][4-5]献、污染气象条件等多方面、多角度进行了深入分析,以探求污染形成的原因和控制污染的科学方法,并取得了大量研究成果。通常情况下,在本地污染源及其排放量相对稳定的情况下,污染物浓度的高低,主要取决于外地污染源的输送影响和本地大气的扩散能力,而扩散能力又与天气背景、局地地形条件有密切关系。但是,上述研究在其本身研究的过程中大多侧重于对单个影响因素的分析,而结合气象、局地地形条件、区域污染来源进行北京地区污染过程的综合成因分析的研究还比较缺乏。本文选取2002年10月8 13日北京市发生的一次重污染天气为例,利用中国气象局的MICAPS系统和美国的HYSPLT模式,从污染形成的天气背景、污染物扩散受地形的影响情况以及外来污染物输送的气流轨迹等几方面进行综合性分析,从而探讨此次大气重污染过程的成因。

[6-8]

[1]

质量级别和空气质量状况的官方公布数据(表1)。

表1 2002年10月8 13日北京市空气污染数据统计日期10月8日10月9日10月10日10月11日10月12日10月13日

污染指数API

64

首要污染物

空气质量级别 !1 1#!2

空气质量状况良轻微污染中度污染重污染轻度污染良

可吸入颗粒物

135可吸入颗粒物232可吸入颗粒物365可吸入颗粒物198可吸入颗粒物53

可吸入颗粒物

2 污染过程特征

从环境污染的角度分析此次大气污染过程的特征有助于深入认识和研究污染的成因。为此,本文统计了此次污染过程的污染指数、首要污染物、空气

由表1可知,此次重污染过程中的首要污染物均为

可吸入颗粒物。污染指数在污染过程初期呈逐日递增趋势,且增量的增长趋势迅速,在污染过程的前3d其污染指数增长量分别达到了71、97和133。造成本次污染过程至11日达到污染过程API峰值365,空气质量级别达到了五级,为重污染天气。11日之后,API指数逐渐下降,12日降至198,至13日降至53,空气质量状况达到良,污染过程结束。本次污染过程从发展到结束共经历了6d,其中污染日期为4d,分别为轻微污染、轻度污染、中度污染和重污染。

从以上分析不难看出,本次污染具有来的急、去的快的特点。污染持续时间不长,但是强度很大,最重污染日空气质量级别达到#级。

3 污染成因

3 1 天气条件分析

天气条件从根本上决定了气象要素的分布和变

收稿日期:2010-09-09;修订日期:2010-09-20。基金项目:南京信息工程大学校科研基金(20090218#)资助。

作者简介:杨素英,女,1975年生,讲师,主要从事气溶胶-云相互作用研究,E mai:lyangsuying75@gmai.lcom。

14气象与环境学报第26卷

化,从而决定了大气的扩散能力与大气的稳定程度,即在一定程度上决定了区域污染物浓度的高低变化。本文根据污染过程的发展变化情况分析产生这种变化的天气形势。

首先,从8 9日500hPa高度场可以看出,北京上空一直处于高空槽后较强的西北气流控制之下。而8日(图1)、9日08时海平面气压场,

中国东部为

质量急剧恶化。

10月10日20时后大陆低压东移至我国东北地

区(图3和图4)。大陆上高压系统一分为二,其中一

单位为hPa

图3 2002年10月10日20时海平面气压场

单位为hPa

图1 2002年10月8日08时海平面气压场

高压均压地带。华北地区处于高压的控制之中,在

中国台湾以东至日本的倒槽影响下。该高压系统移出大陆的时间滞后。北京地区处于高压中心附近或高压后部的均压带的控制之下,地面和低空风速较小,甚至会出现静风天气,低层大气层结稳定,不利于污染物的扩散,污染物在此累积。

9 10日(图2),

随着贝加尔湖南部的低压系统

单位为hPa

图4 2002年10月12日08时海平面气压场

个高压中心位于兰州地区,另一个位于黄海海面,北京处于3个系统的中间均压地带,气压梯度小,地面和低层的风速较小,大气层结稳定,污染物无法扩散。由于大陆高压一直在黄海海面徘徊不前,北京地区一直处在高压后部的均压场的控制之下。该阶段地面为弱的偏南风。该气流同样携带了大量污染物汇聚至北京地区,造成北京地区污染物浓度剧增。过程一直持续至11日14时。随后,贝加尔湖南部有一低压系统东移,与中心位于黄海海面的高压系统再次形成西北低东南高的配置。中国北京处于两系统的中间地带,地面盛行弱东南风,从而再次加强了北京外来污染物的累积。由于本地区与外地污染物的共同作用,北京地区污染物浓度在11日迅速升高。

12日08时地面图上,北京地区处于高压与低压之间(图4),气压梯度较大,较强的西北风从北京地区吹过,地面风力达到4级,相对有利于污染物的水单位为hPa

图2 2002年10月10日08时海平面气压场

东移,与缓慢东移的大陆高压系统形成了西北低,东南高的配置。中国北京处于该低压的底部和高压的后部。全区近地面为弱的东南气流控制。东南气流从河北、天津、山东携带大量的污染物向北京输送。由于受北京北部燕山山脉的阻挡,污染物在北京地

第5期杨素英等:北京秋季一次重污染天气过程的成因分析 15

受区域天气系统势变化的影响,13日开始,北京地区出现了明显的降水过程,24h降水量达到了2mm。降水产生的湿沉降作用使得大气中污染物明显减少,空气质量显著好转,达到良好状况,污染过程结束。

3 2 污染物输送轨迹变化

利用美国国家海洋和大气局(NOAA)的后向轨迹模式(HYSPLIT4),分析影响中国北京本次重污染天气的气团来源及其移动路径。采用美国国家大气研究中心(NCAR)发布的FNL分析资料计算污染开始至污染最重阶段96h后向气流轨迹(图5)

和污染

图6 2002年10月13日00时北京地区污染气团96h后向轨迹

污染过程的浓度增加阶段(从污染开始至污染最重阶段)的气流来源于低层。起源于江苏、山东一带,经过河北衡水、石家庄、保定、廊坊和天津市等北京周边地区,从南方到达北京地区,这与以上分析的在这一阶段北京及周边地区近地面盛行弱的东南风结果相吻合。由于北京西面、北面和东北三面环山的这种特殊地形使得北京成为污染物的汇。并且东南气流相对暖湿,使地面之上的低层大气增温,大气层结稳定,不利于污染物的垂直输送,污染物持续累积,在11日污染达到最重。为更好地反映和理解本污染过程,统计了此次污染过程中污染来源地天津和石家庄两市的污染指数、首要污染物、空气质量级别和空气质量数据(表2)。

首要污染物可吸入颗粒物可吸入颗粒物可吸入颗粒物可吸入颗粒物可吸入颗粒物可吸入颗粒物可吸入颗粒物可吸入颗粒物可吸入颗粒物可吸入颗粒物可吸入颗粒物可吸入颗粒物

空气质量级别

!1!1!1 !2## 2!1

空气质量状况

良良轻微污染轻微污染轻微污染良良轻度污染重污染重污染中度重污染轻微污染

图5 2002年10月11日16时北京地区污染气团36h后向轨迹

减弱阶段36h的后向气流轨迹(图6)。

由图5可见,影响2002年11月8 13

日连续重

城市

日期2002年10月8日2002年10月9日

天津

2002年10月10日2002年10月11日2002年10月12日2002年10月13日2002年10月8日2002年10月9日

石家庄

2002年10月10日2002年10月11日2002年10月12日2002年10月13日

污染指数API

79891281131178799193307375252128

表2 污染过程期间天津和石家庄环境空气质量变化

从表2可知,污染过程中,天津和石家庄同样出现了不同程度的污染天气,且首要污染物与北京一

样均为可吸入颗粒物。其中,石家庄污染程度高于北京,且发生的时间相对较早(10月8日石家庄污

16气象与环境学报第26卷

染指数为99,接近轻微污染指数100),天津污染程度相对较轻。这与以上分析以及后向轨迹图7中所反映的污染轨迹来自南方的结论是一致的。

由图5的后向气流36h轨迹可以看出,13日到达中国北京地区的气流主要是来自于高层,起源于蒙古国,经中国内蒙古和河北北部到达北京地区。由于高纬地区空气相对比较干净,且风速较大,可以将汇聚于北京地区的污染物向南水平输送。同时,来自于高纬地区高层的冷空气带来冷平流,北京地区垂直方向大气层结间温差增大,污染物在垂直方向的输送、扩散变得活跃。该地区污染物浓度在12日逐渐减弱。13日由于华北地区降雨的出现,污染物浓度迅速降低,污染过程结束。

(4)污染过程后期,较强的西北气流和降水的出现是此次污染过程结束的直接原因。

参考文献

[1] 于淑秋,林学椿,徐祥德.北京市区大气污染的时空特

征[J].应用气象学报,2002,13(增刊):92-99.[2] 郝吉明,吴烨,傅立新,等.北京市机动车污染分担率的

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4 结论

(1)较强的海平面高压、均压场控制,导致北京

地区垂直大气层结稳定,不利于污染物垂直扩散,是此次大气污染过程的主要成因。

(2)北京地区西面、北面和东北面三面环山,导致近地面在弱的偏南气流控制下污染物不利于水平扩散,而在此形成了污染物的汇,是造成此次大气污染的地形条件。

(3)在区域高压场和均压场控制下,近地面弱的偏南气流从江苏、山东、河北和天津等地携带了大量的污染物向北京地区输送,是此次大气污染形成的区域污染因素。

ImpactingfactorsofaheavyairpollutionprocessinautumnoverBeijing

YANGSu ying ZHAOXiu yong LIUNing wei

(boratoryforAtmosphericPhysics&Environmen,tNanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2.StatePowerEnvironmentalProtectionResearchInstitute,Nanjing210031,China;

3.InstituteofAtmosphericEnvironmen,tChinaMeteorologicalAdministration,Shengyang110016,China)Abstract:AirpollutionhasbeenoneofthemainurbanenvironmentalproblemsinBeijingrecently.AheavyairpollutionprocesshappensonOctober8 13,2002inBeijing.WeatherconditionsandpollutanttransporttrajectoryofthisprocesswereanalyzedbyMICAPSsystemandHYSPLTmode.lTheresultsindicatethatthreedisadvantageousconditionsleadtothisheavyairpollution.Oneistheweatherconditions,namely,thestronghighpressureande qualpressureatsealevelmakeverticalatmosphericstratificationstableoverBeijing,whichisnotbenefittohori zontaldiffusionofairpollutants.Anotheristheterrain,namely,Beijingregionissurroundedbymountainsinthewestandthenorthaswellasthenortheas,twhichbecomesbarriertohorizontaldiffusionofairpollutantswhenthebreezecomesfromthesouth.Thelastistransportpathway,namely,lotsofairpollutantsaretakenfromJiangsuprovince,Shandongprovince,HebeiprovinceandTianjinregionbythesouthwardbreezeintoBeijingregion.Keywords:Beijing;Airpollutan;tWeatherconditions;Pollutantaccumulation

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