大气污染与气象条件关系密切.高污染一般出现在近低层空气流动性较差的阶段 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]}，而且稳定层结这种与大气热力结构有关的条件也非常重要^{[15,16,17,18,19,20]}.当大气处于稳定状态时，通常会有逆温层或等温层，底层气块受到某种强迫后上升达到逆温层或等温层底时，就会因存在负浮力或正浮力减小而开始减速，并可能最终不能顺利通过稳定层.这样，逆温层或等温层就对底层空气的垂直上升运动起到了“抑制”作用.由于污染物主要聚集在地面附近，上述“抑制”作用实际上也限制了污染物向空中扩散.因此，稳定层结是一种由大气热力学特征决定的不利于污染物垂直扩散的条件.上述不利于污染物扩散的气象条件通常出现在特定的环流背景下.地面形势主要有均压场、鞍型场、高压控制、高压底部、高压后部、冷锋低压等几类；高空则多为平直的西风气流、暖高压脊、西太平洋副高边缘等^{[3,15,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]}.当台风或热带低压靠近时，其中心环流的近周边和远周边气流也有利于污染物的积累^[21,26].此外，华北地区的污染还可以发生在槽后脊前^[32].然而，目前关于污染环流型的研究多侧重于揭示其中的统计规律，对于在某种大气环流背景下污染产生的机制也限于对“静稳”等热力条件的讨论，却很少涉及大气在垂直方向上的动力作用.

研究表明，整层的偏北风特别是近地面层明显的北风是北京地区重要的空气污染清除条件^{[24,27,34,35,36,37,38]}.当近地层北风增大时，不仅改善了水平扩散条件，而且与北风相伴的、接地的下沉运动也会破坏之前的稳定层结.由于目前业务数值天气预报模式输出的主要是标准等压面产品，垂直分辨率较低，特别是边界层内的信息非常少，而且模式对于边界层以上高度的位势高度和风等的预报准确性高于地面，因此预报人员习惯于根据500-850 hPa层次内有偏北风、 850 hPa受下沉区控制来预测近地面层的扩散条件.然而，在实际预报中发现，当数值模式准确地预报了上述气象条件时，有时空气质量预报仍然有很大偏差.究其原因是高空的北风和下沉运动并没有到达近地层，地面的扩散条件未改善，从而导致污染物浓度仍然维持在较高的水平，这是一类发生在高空偏北风背景下的污染.统计表明，2005年以来北京地区此类重污染占9.7%.本研究遴选了发生在2013年3月的典型个例，利用常规气象观测资料、NCEP再分析资料和地面PM_2.5浓度监测结果通过分析细颗粒物浓度增长过程中对流层中下层垂直速度、散度等的垂直结构，揭示了环境大气的动力作用对污染物积累的作用，并且讨论了这种动力因素形成的机制.最后，给出了高空偏北气流背景下高污染过程形成机制的概念模型.本研究表明加强对大气垂直动力结构的分析、进一步丰富数值模式对流层中下层特别是边界层的预报信息，将有助于提高空气质量预报的准确性. 1 个例与资料 1.1 个例

遴选个例的标准：北京地区500 hPa为偏北气流控制，而且北风区至少向下伸展到700 hPa以下，近地面层则是偏南风或者风速小于2 m ·s^-1的弱风，上述形势维持48 h以上. 其间，地面PM_2.5最大日均浓度超过115 μg ·m^-3，小时平均浓度峰值超过200 μg ·m^-3.本研究普查了2005年以来PM_2.5日均浓度和气象资料，其中符合上述标准的污染过程共14个(49 d)，本研究将出现在2013年3月13-15日的污染过程作为主要分析对象. 1.2 资料

考虑到温湿风廓线的分辨率，本研究采用6 h间隔、水平分辨率为1°、垂直分辨率为25-50 hPa的NCEP再分析资料、地面观测和气象探空等资料来研究相关的气象条件，并取116°E,40°N格点代表北京.由于此次污染事件主要发生在平原地区，因此选择了海淀区的宝联、朝阳、大兴这3个监测站为代表考察细颗粒物浓度.对比分析表明，3个监测站PM_2.5小时平均浓度变化趋势一致，浓度值相近.为了与NCEP再分析资料格点匹配，本研究选择大兴站的细颗粒物浓度表征污染的程度和演变情况. 2 污染过程的大气动力结构及形成机制 2.1 污染物浓度的演变特征

污染过程主要发生在2013年3月13日入夜以后(图 1).13日20:00-14日02:00细颗粒物浓度在6 h内增加了50 μg ·m^-3左右，最大小时平均浓度接近100 μg ·m^-3. PM_2.5浓度的第二个峰值出现在14日14:00，为116 μg ·m^-3.14日20:00后，浓度迅速上升，并在15日14:00达到最高值267 μg ·m^-3. 15日14:00-20:00浓度下降. 可将此次高污染过程细颗粒物浓度的演变特点概括为：呈波动式上升，中后期陡增；有3个峰值，最后一个峰值也是浓度的最大值.

图 1

Fig. 1

图 1 2013年3月13-15日PM2.5浓度时序 Fig. 1 Time series of the PM2.5 concentration from March 13 to 15,2013

高污染产生在高空偏北气流背景下(图 2).13日08:00亚欧中纬度地区为一槽一脊型，脊线在 85°E附近，槽控制着中国东北地区，北京上空为槽后西北气流. 14日08:00脊线东移到95°E，中国东北也脱离了高空槽的影响，东部大部分地区500 hPa都是西北风. 24 h后，110°E以东、40°-55°N范围内的环流形势没有明显改变. 700 hPa的位势高度分布和风场与500 hPa相近(图略).因此，在污染累积的过程中，700-500 hPa层次内盛行西北风.

图 2

Fig. 2

(a)2013年3月13日08:00； (b)2013年3月14日08:00； (c)2013年3月15日08:00；十字星指示北京的位置 图 2 500 hPa环流形势图 Fig. 2 Weather charts of 500 hPa

高空为深厚的西北气流一般出现在冷气团中，而在冷气团控制下的扩散条件通常良好，那么为何还会出现高污染呢？从北京上空水平风的垂直分布可知(图 3)，西北风只向下影响到800 hPa左右的高度，800-1 000 hPa基本上是偏南风或者为风速在1 m ·s^-1的东风和东北风. 因此，高空的西北风没有“接地”是本文分析的个例污染物浓度能够逐渐升高的重要环境气象因素，这是一类不同于以往研究成果的污染过程.

图 3

Fig. 3

图中等值线为全风速，单位：m ·s-1；风标指示风的来向图 3 2013年3月13日08:00-15日20:00北京上空水平风时间-气压图 Fig. 3 Time series of the wind in Beijing from 08:00 BLT on Mar. 13 to 20:00 BLT on Mar. 15,2013

为了分析西北风没有“接地”的原因，分别考察了500 hPa和700 hPa的温度(表 1).在500 hPa高度上，13日08:00-20:00温度降低了1.2 ℃，说明该期间有冷空气沿着西北气流南下.但是，700 hPa的温度波动却只有0.1 ℃，冷空气的影响已经很弱.此后，500 hPa的温度一直在上升，而且700 hPa也基本如此.从图 2可以看到，13日北京位于等高线的密集带边缘，还没有完全脱离冷空气的影响，而14日和15日120-130°E范围内的密集带已经移到45°N以北，北京从槽后转为脊前，说明西北气流的性质发生了转变.

表 1(Table 1)

表 1 2013年3月13日08:00-15日20:00北京500 hPa和700 hPa高度上的温度 /℃ Table 1 Temperature of 500 hPa and 700 hPa in Beijing from 08:00 BLT on Mar. 13 to 20:00 BLT on Mar. 15,2013/℃ 高度/hPa 13日08:00 13日14:00 13日20:00 14日02:00 14日08:00 14日14:00 14日20:00 15日02:00 15日08:00 15日14:00 15日20:00 500 -27.3 -28.2 -28.5 -28.1 -27.7 -27.1 -26.0 -23.8 -23.3 -21.9 -21.3 700 -11.2 -11.3 -10.2 -10.8 -10.1 -8.8 -8.4 -7.2 -7.9 -7.0 -6.1

表 1 2013年3月13日08:00-15日20:00北京500 hPa和700 hPa高度上的温度/℃ Table 1 Temperature of 500 hPa and 700 hPa in Beijing from 08:00 BLT on Mar. 13 to 20:00 BLT on Mar. 15,2013/℃

对2005年以来另外13个相似污染过程几个层次24 h变温平均值的分析表明(表 2)，边界层内只有1个个例为负变温，其余12个均是正变温，而且700 hPa和500 hPa也多为正变温.尽管个例9和个例10在对流层中上层都有明显的负变温，但是冷空气没有侵入到边界层内.因此，尽管高空是偏北风，但是由于高空西北气流不具有冷的特征或者对应的冷空气势力太弱不能侵入到对流层底层，才出现了高空是西北风而边界层内却是偏南风或弱风的情况，从而导致地面附近的细颗粒物能够逐渐累积并最终出现高污染.

表 2(Table 2)

表 2 高空西北风下污染过程不同高度平均24 h变温 /℃ Table 2 The 24 hours average temperature variation at different heights in the typical pollution cases/℃ 高度/hPa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 500 -1.1 1.8 1.4 0.1 1.9 0.6 0.9 1.6 -1.5 -3.1 1.8 2.4 5.0 700 0.5 2.7 1.6 -0.9 1.1 1.2 0.0 1.4 -0.6 -2.5 1.2 1.6 4.3 850 1.0 -0.2 1.2 0.1 0.8 1.7 0.2 0.0 0.8 1.1 2.8 2.5 4.8 925 1.1 0.2 0.8 0.4 1.0 2.5 0.1 0.1 0.5 1.3 0.5 1.1 3.1

表 2 高空西北风下污染过程不同高度平均24 h变温 /℃Table 2 The 24 hours average temperature variation at different heights in the typical pollution cases/℃

地面长时间维持低于2 m ·s^-1的弱风是一种不利于污染物水平扩散的气象条件.在本研究分析的污染过程中，尽管PM_2.5浓度上升期间的有些时次地面风速的确较小，有利于污染物的累积，但是在14日14:00和15日14:00浓度出现峰值时地面的南风分别达到6 m ·s^-1和3 m ·s^-1(表 3)，说明在此次污染过程中地面扩散条件起了一定的作用，但是还应该有其他的影响因素.

表 3(Table 3)

表 3 2013年3月13日08:00-15日20:00北京观象台地面风速 Table 3 Surface wind speed at ancient observatory of Beijing from 08:00 BLT on Mar. 13 to 20:00 BLT on Mar. 15,2013 项目 13日08:00 13日14:00 13日20:00 14日02:00 14日08:00 14日14:00 14日20:00 15日02:00 15日08:00 15日14:00 15日20:00 风向 东北 东北 南 西南 东北 西南 西南 东南 东北 南 东南 风速/m ·s-1 4 3 2 2 2 6 2 1 1 3 1

表 3 2013年3月13日08:00-15日20:00北京观象台地面风速 Table 3 Surface wind speed at ancient observatory of Beijing from 08:00 BLT on Mar. 13 to 20:00 BLT on Mar. 15,2013

多数研究者认为逆温层的存在是阻止污染物垂直扩散的必要条件.此外，夏季在没有逆温层的情况下，当大气处于对流性稳定状态时，也会导致污染物在近地面层累积^[39].然而，本文分析的污染过程环境大气的垂直稳定性特征并不十分明显(图 4). 13-15日期间早晨08:00前后有逆温，但是持续时间短，与污染物浓度持续上升没有很好的对应关系，多数时段边界层内大气处于静力不稳定状态.而且，由于3月属于北京地区的春季，低层大气湿度小，与夏季有本质差别，因此讨论对流抑制能量没有意义.所以，基于经典的、由热力作用形成稳定层结导致污染加重的理论不能完全解释本文分析的污染个例.

图 4

Fig. 4

图中等值线单位：×10-2℃ ·hPa-1图 4 2013年3月13日-16日北京的dt/dp时间-气压图 Fig. 4 Time series variation of the vertical structure of temperature inversion in Beijing from Mar. 13 to 16,2013

对2013年3月13-16日垂直速度分布特征的分析表明，污染物浓度上升与垂直速度的分布有关(图 5). 13日14:00在790-660 hPa层内有一个下沉气流层，此后其下边界下降至880 hPa高度附近，并基本稳定.下沉气流层的上、下是上升运动，与发生在台风外围下沉气流中的高污染不同^[40].而且，14日02:00、14日14:00和15日14:00地面附近分别有上升速度中心，其中以15日14:00最强，达到-0.7 Pa ·s^-1. 上述3个时次也正是高污染过程PM_2.5浓度的峰值出现的时刻，而且浓度水平与上升运动的强度正相关.近地面层的上升运动则是由地面辐合产生的(图 6)，即浓度上升与地面气流辐合有关.

图 5

Fig. 5

图中负值表示上升，单位：Pa ·s-1 图 5 2013年3月13日-16日北京的垂直速度时间-气压 Fig. 5 Time series variation of the vertical velocity in Beijing from Mar. 13 to 16,2013

图 6

Fig. 6

图中负值表示辐合，单位：×10-5 s-1 图 6 2013年3月13日～16日北京的散度时间-气压 Fig. 6 Time series variation of the divergence in Beijing from Mar. 13 to 16,2013

垂直速度和散度的上述分布导致污染物累积的主要原因在于：一般来讲，细颗粒物主要分布在近地面层^{[41,42,43,44]}，因此源自地面的上升气流会将它们送向空中，使得地面附近的浓度降低.在浓度一定的前提下，上升气流越深厚，则垂直扩散效果越好.而图 5中的下沉气流层起到了抑制底层上升气流向上伸展的作用，它将污染物“抑制”在大气的低层，而且在污染过程初期下沉层的下边界明显降低，大气的容量体积减小，导致单位体积内的污染物浓度增大.观测表明，13-16日北京周边也有污染，因此地面的气流辐合同时也是污染物的汇集，这就是细颗粒物浓度峰值与地面辐合有较好的对应关系的原因.此外，空中的下沉中心与近地面层的上升中心基本上是成对的(图 5)，即强的上升气流上空往往有强的下沉气流，该特点在15日14:00表现得最为清晰. 因此，尽管地面辐合加强导致上升速度加大，但是由于空中的下沉气流也同时加强，“压制力”加大，上升气流和下沉气流的这种动态平衡使得垂直速度的结构得以维持，从而有利于污染物的不断累积.15日20:00，下沉层消失，PM_2.5浓度降低.上述分析表明，垂直速度呈现分层结构和近地面层辐合加强等环境大气的动力作用是决定本研究的高污染过程细颗粒物浓度的关键气象因素. 2.4 导致垂直速度出现分层结构的机制讨论 通常，下沉气流与冷空气活动密切相关.但是，在本研究中下沉层维持期间700 hPa及以下并没有明显的冷空气活动，温度呈现上升趋势.而且，下沉层内有气流辐散(图 6)，在其上方750-600 hPa是一个辐合层.14日和15日的02:00-14:00分别有辐合中心，15日14:00在650 hPa高度上的辐合最强.根据质量连续定理，当某气层内出现辐合时就会导致空气的垂直运动，从而达到新的质量平衡.因此，790-660 hPa出现下沉层与其上方空气辐合有关. 15日 14:00下沉速度最大可能是650 hPa高度上辐合最强的结果.15日20:00以后散度的垂直分布特征发生了变化，辐合层从地面一直伸展到700 hPa，700 hPa以上则转为辐散，下沉层形成的条件不再存在.因此，垂直速度分层与冷暖空气活动没有密切的关系，而是空气动力作用的结果.

为了分析空中辐合形成的机制，计算了700-600 hPa北京以及上游两个格点(115°E,40°N和115°E,41°N)的平均风速(图 7).13-16日，尽管从温度变化中看不到冷空气活动的迹象，但是偏北气流中仍然有风速的脉动，它反映的是具有高动量的空气的运动特征.当空中风速出现脉动时，上游的风速会大于北京，于是明显的辐合就出现在每次风速的脉动之后.

图 7

Fig. 7

图 7 2013年3月13日-16日700-600 hPa层内平均风速时序 Fig. 7 Time series variation of the average wind speed between 700 hPa and 600 hPa from Mar. 13 to 16,2013

图 8

Fig. 8

图 8 偏北风背景下高污染形成机制概念模型 Fig. 8 Conceptual model of the pollution formation mechanism in the background of north flow

本研究针对发生在北京地区的一类不同于以往研究结果的污染过程展开了讨论.由于在污染物累积的过程中底层盛行偏南风，而河北省中南部是我国污染比较严重的地区之一，因此除环境大气的动力作用外，污染物的区域输送也可能是浓度上升的原因之一.然而，依靠观测资料分析却很难将两者的作用完全剥离，需要通过数值模拟试验来做进一步的研究.

4 结论
(1)2005年以来，北京地区的高污染日中产生在高空偏北风背景下的占9.7%.环境大气的动力作用是此类污染过程的关键影响因素.本研究表明，尽管在污染物累积的过程中没有明显的逆温层，但是对流层中下层空气的垂直运动呈现上升-下沉-上升、散度呈辐合-辐散-辐合的“分层”结构，中间的下沉气流层阻止了底层因空气辐合而不断累积的污染物的垂直向上扩散，其作用与逆温层类似.当该动力结构长时间维持并且下沉层底部高度呈现逐渐下降趋势，就为形成重污染创造了条件.

(2)空气垂直运动分层结构形成的机制之一在于高空的偏北风没有侵入边界层，近地面层维持偏南风或者小风.此种情况一般出现在冷空气势力弱或北京脱离冷空气影响转入高压脊前西北气流控制.地面-850 hPa为正变温是重要的预报判据.

(3)对污染物累积起着关键作用的下沉气流层也是大气动力作用的结果.在下沉层的上方是一个因风速脉动而形成的辐合层，根据质量连续原理空气的辐合必然产生垂直运动，因此下沉层的形成正是这种垂直运动的体现.