引言

认清京津冀及周边地区大气重污染的天气气候成因，是制定大气污染防控措施、确保完成《大气污染防治行动计划》预期目标的关键。京津冀地区地形复杂，北面有燕山，西面有太行山，其山顶海拔高度均达1000~1500 m，且地势陡峭，成为京津冀平原地区的天然屏障，使京津冀平原地区具有独特的局地大气环流特征。近几年，京津冀地区秋冬季频频出现持续时间较长的重污染天气过程，地处太行山沿线的邯郸、邢台、石家庄和保定尤为严重。已有很多观测表明，在京津冀大气重污染发生期间，会出现一条沿太行山东麓和燕山南麓、自南向东北的“弓形”大气污染物输送通道。因此，为了提高对京津冀地区大气污染气象条件的预报能力，有必要对京津冀地区与大气污染扩散紧密相关的低空局地风场特征和变化规律进行深入的研究。

本世纪初以来，有关京津冀地区城市大气污染与低空风场变化关系的研究在不断增加。任阵海等(2004)根据3台激光雷达阵观测和地面同步粒子观测数据，对北京地区一次重污染过程进行了情景分析，指出京津冀地区存在两条大气输送带：一条位于燕山南麓，另一条位于河北太行山东麓; 由此推断，要改善北京市空气质量，必须治理两条输送汇所涉及地区的大气污染排放。徐祥德等(2004;2005)综合分析北京城市大气环境现场观测试验资料和MODIS卫星探测资料，发现北京城市重污染过程与南部周边城市群落排放源的相关显著，北京周边向南开口的“马蹄型”地形可能导致周边远距离输送污染物“滞留”效应，形成北京与南部周边排放源近似南北向带状影响域。杨旭等(2017)利用T-mode主成分分析法建立了2013—2015年京津冀地区冬季9种天气类型，其中以高压场、高压后部、鞍型场和冷锋前部等为代表的污染天气类型，多表现出高湿小风, 稳定能量大, 最大混合层厚度低等特点, 因而不利于污染物扩散; 污染过程期间的偏南风输送使得北部城市污染物浓度迅速升高。刘树华等(2008;2009)使用非静力中尺度模式MM5对京津冀地区复杂的山谷风、海陆风环流和城市热岛环流的耦合作用进行模拟研究分析，从2006年下半年和2007年上半年的4个季节中各自选取一段时间进行模拟，对京津冀地区的海陆风和山谷—平原风场的变化规律进行了讨论。结果表明，在弱天气系统控制下，京津冀地区大气边界层中可同时存在海陆风、山谷风和“城市热岛”环流，并具有明显的日变化特征，这三种环流的耦合在该地区西北部山地与平原交接地带形成一条大致沿地形等高线走向的风场辐合带，这条水平辐合带几乎长年存在。王自发等(2008)利用空气质量预报模式系统(NAQPMS)模拟了2006年8月北京及周边地区臭氧污染情况，并采用质量追踪法计算得到：来自保定的污染输送对北京影响最大，对北京市区和远郊的最大贡献率分别达到28.1%和59.5%。Miao et al(2015a;2015b;2015c;2016;2017a;2017b)应用数值模拟和观测资料分析的方法，对京津冀地区重污染天气的形成机理，及其与污染源排放、天气系统、季节、地理环境和地形作用下的局地大气环流以及大气边界层过程的关系进行了系统研究。游春华等(2006)通过分析ARPS模式数值模拟结果和京津冀地区50个地面气象站的观测资料，获得了2004年8月逐时低层大气流场，分析了京津冀地区夏季大气局地环流背景，表明京津冀地区夏季受海陆风、山谷风影响明显，山谷风的影响可覆盖到区域内的平原地区; 在这两个环流的影响下，研究区域主导风向出现更替。董芬等(2013)研究发现，大气污染受风向的转换的影响，有时可造成北京地区污染的“南北两重天”现象。马小会等(2017)采用北京的地面和高空观测资料、以及逐日大气成分监测数据，对2008年1月至2014年12月的重污染天气个例进行了统计分析，发现北京地区出现重污染天气时，500 hPa多为纬向环流，850 hPa为偏南暖平流，底层风速小且湿度大。

已有文献在研究近地层风矢量变化与大气污染的关系时，比较多的是采用对大气污染个例的气象站观测和雷达探测资料的分析(任阵海等，2004;苏福庆等，2004);也有研究采用气象站观测资料对一定范围和一段时间内的风矢量求和，以表示当地空气流动的累积效应(吴兑等，2014);随着数值模拟技术的发展，采用对大气污染个例的数值模拟分析也比较多(刘振鑫等，2012;孙兆彬等，2017;Miao et al, 2015d;何心河等，2016;刘香娥等，2016);刘树华等(2009)采用全年4个季节中各取一天数值模拟结果进行分析，得到京津冀水平风场的季节变化规律，指出京津冀风场辐合带的长年存在。还有研究采用HYSPLIT和CAMx模式直接通过数值模拟分析区域间大气污染物相互输送的贡献量(安俊岭等, 2012, 王喜全等，2011)。

迄今为止，已有的研究基本是采用对典型天气过程或典型时段的观测资料分析或数值模拟，更关注京津冀的环渤海经济区。本文考虑到京津冀南部大气重污染出现频率更高的特点，拟采用2007—2016年中尺度数值模拟数据和京津冀及周边地区的15个地面气象站观测资料，定义局地风场表征风速，分析局地大气环流的长期变化规律，重新认识京津冀平原地区局地风场的气候特征，尤其是太行山东麓和燕山南麓的“弓形”气流辐合带的成因，及其在大气重污染过程中的作用。

1 资料选取和研究方法

本文使用中国气象局风能资源数据库中的中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecast Model)近10年(2007—2016年)数值模拟数据，该数据由全球大气环流模式再分析资料CFSR提供初始场和边界条件，WRF模式设置及物理过程参数化方案选项如表 1。WRF模式的数值模拟采用两重网络嵌套，网格距分别为45、15 km(图 1)。其中，第一重网格覆盖东亚大陆和周围海域; 第二重网格覆盖整个中国。模式垂直方向分为36层，模式顶高50 hPa。数值模拟计算结果逐小时输出。

此外，本文选用了2007—2016年华北平原上北京、天津、唐山、石家庄、保定、邢台、邯郸、南宫(代表衡水)、沧州、以及河南安阳、濮阳、新乡、山东德州、济南、东营共15个地面气象站(图 2)的逐小时观测资料和中国环境监测总站的逐小时空气质量指数(AQI)监测值，统计分析京津冀平原及周边地区的低空局地大气环流特征，并对大气重污染个例进行分析。

为了研究京津冀平原地区低空局地大气环流的气候特征，本文对近10年(2007—2016年)WRF的数值模拟数据进行如下处理：第一步，计算选定高度层上每个网格点的水平风速日平均值u和v; 第二步，用逐小时水平风速u和v减去对应的日平均风速$ \bar u, \bar v$，得到可以体现日变化的逐小时风速距平值u′，v′; 第三步，逐一求出全天24 h的逐小时风速距平的10年平均值$\bar u' $和$\bar v' $。逐小时风速距平的10年平均值$\bar u' $和$\bar v' $可以体现低空局地风场的日变化特征。本文为论述方便起见，将逐小时风速距平的10年平均值$\bar u' $和$\bar v' $合成后的矢量风速，称为局地风场表征风速。采用气象站观测资料分析低空局地风场气候特征时，也采用同样的分析方法。

2 低层局地大气环流的气候特征 2.1 低层风场的气候特征

为了解京津冀平原地区低空局地风场的气候特征, 首先采用京津冀及周边地区15个气象站的近10年(2007—2016年)地面观测资料进行分析，图 3分别为北京、天津、保定、石家庄、邢台和南宫(代表衡水市)全年和秋冬季(当年10月至次年2月)风向玫瑰图(其他站点略)。可以看出，北京和保定位于太行山与燕山的连接处, 太行山北段和燕山山脉均为西南—东北走向，北京和保定气象站长年观测的主导风向为偏西南风和偏北风，与山脉走完基本一致，秋冬季西北风向频率有所增加; 天津的主导风向为偏西风和偏东风，这可能是山谷环流与海陆风环流综合作用的结果，秋冬季西北风向频率也明显增加; 沿太行山南段沿线城市石家庄、邢台和衡水(南宫)的主导风向为偏北风和偏南风，与太行山南段的山脉走向基本一致，石家庄市秋冬季西北风向频率明显增加。由此可见，除天津以外，所有气象站全年和秋冬季的主导风向均与山脉走向一直; 除南宫以外，秋冬季西北风向频率均有所增加。可以初步判断，京津冀平原上北京及以南地区主要受山谷风局地风场影响，秋冬季的冷空气活动造成了西北风向频率增加。

太行山东麓和燕山南麓的山体坡度较大，容易形成背风“死水”区，北京、保定、石家庄、邢台等燕山、太行山沿线城市的地面风速会因此而偏小。石家庄和邢台的全年静风频率达到9%和3%，风速小于或等于1.0 m·s^-1的小风风速频率分别为25%和26%。为了深入了解京津冀南部平原地区地面大气污染输送的气候特征，在近10年的风速地面观测资料中，剔除风速 < 1.5 m·s^-1的数据后，绘制全年和秋冬季的风向玫瑰图(图 4)。可以看出，无论是在全年还是秋冬季，太行山北段与燕山连接处的北京和保定地区的主导风向依然是西南和东北，与山脉走向一致; 太行山南段沿线的石家庄、邢台、南宫、安阳、新乡和濮阳的主导风向依然是偏南和偏北、与山脉走向一致。

在大气重污染频发的采暖季(11月至次年2月)，小风和静风出现频率最高的是石家庄，达到42%;最低的是河南新乡，达到20%。保定气象站小风和静风出现频率34%;偏南风频率12%、平均风速为1.82 m·s^-1; 偏北风频率为12%、平均风速为2.32 m·s^-1。邢台气象站小风和静风出现频率34%;偏南风频率为13%、平均风速为2.23 m·s^-1; 偏北风频率为18%、平均风速为3.29 m·s^-1。燕山和太行山沿线城市的静风和小风频率高，说明这一地区采暖季的大气通风扩散条件较差，如果大气污染物过度排放，容易引起污染物局地累积、导致重污染过程发生。此外，主导风向与山脉走向一致，太行山和燕山沿线城市之间就具有相互输送大气污染物的条件。

为了解太行山和燕山沿线地区不同高度上的风速空间分布规律，本文采用WRF模式近10年(2007—2016年)数值模拟数据，分析了燕山和太行山沿线城市北京、保定、石家庄、邢台以及衡水的100和1500 m高度的风向频率分布(图 5)。从图 5不难发现，100 m高度上各城市的风向频率分布与山脉走向高度相关，如保定主导风向西南和东北、石家庄主导风向西北西和东南，都是沿着其左侧的山脉走向; 邢台和衡水除了太行山走向的主风向以外，偏西风频率也较高，推断是山谷风的作用; 北京被燕山包围成一个向东南开口的“马蹄型”，因此100 m高度上主导风向是南风和东北风。在达到太行山和燕山顶部左右的1500 m高度上，除石家庄以外，其他城市的风向频率分布都非常相似，东南、东和东北的风向频率明显增加，不再与地形走向相关。此外，从10、500和1500 m不同高度层的年平均风速分布(图 6)可以看出，在100和500 m高度上，太行山北段东侧的平原地区存在明显的低风速区，这里正好处于西北冷空气经过太行山后形成的背风“死水”区; 高度上升到1500 m时，太行山南段东侧和南侧平原上空的平均风速相对较低，就是说太行山对西北冷空气活动的影响也还存在。综上所述，太行山和燕山的地形阻挡作用，使京津冀平原1500 m以下的风场分布特征较其上层有很大的差别。

从图 6c还可以看出，山东西部地区1500 m高度上的年平均风速低于500 m高度上的年平均风速。为此，分别对邢台和衡水两地10年平均风速和温度的垂直分布日变化进行分析(图 7，图 8)。可以看出，白天，温度随高度单调下降，风速随高度单调增加; 夜间存在明显的逆温层，在稳定的边界层内平均风速随高度迅速增加，风速最大值出现高度在300~400 m，之后风速随高度呈减小的变化趋势，在达到大约1500 m高度以后，风速随高度呈线性增加; 总体平均后的风速仍然在300~400 m高度出现最大值。因此，由于大气边界层高度的日变化存在，1500 m高度上的长年平均风速就有可能比500 m高度上的长年平均风速低。

2.2 局地山谷风环流特征

从上述基于气象站观测资料的统计分析可以推断，太行山沿线的局地山谷风环流作用比较明显。为此，以下采用WRF近10年中尺度数值模拟数据，进一步分析京津冀平原及周边地区的逐小时局地风场表征风速的变化特征。

图 9是距地面100 m高度上2007—2016年1月间隔3 h的平均局地风场表征风速分布。从图中可以看出，京津冀平原地区在山谷风和海陆风的共同作用下, 风向呈顺时针旋转的日变化特征。00—09时，燕山南麓和太行山东麓一直维持着由山体吹向平原的山风，受其影响，京津冀平原地区局地风场表征风速总体是北风，有利于大气污染的扩散; 09—12时，太行山东麓迅速转变为由平原吹向山体的谷风，燕山南麓尚处于山风向谷风的转换中，主要是东南风; 15时燕山南麓完全转为谷风; 18时，太行山和燕山沿线的平原地区均呈现出非常明显的谷风; 21时，太行山和燕山沿线的平原地区出现了一条南起河南安阳、北至唐山的气流输送通道; 次日00时，谷风又开始顺时针向山风转变。从局地风场表征风速的日变化特征可以得到，冬季15时到夜间，由于太行山和燕山顶部的海拔达到1000~1500 m，且燕山南麓和太行山北麓的坡度均较大，从平原吹向山体的谷风遇山后转向，形成了沿太行山和燕山、从南到东北的“弓形”气流输送通道。因此，京津冀南部城市的大气污染物具有被向北输送的条件。

图 10a~10c分别是北京、保定和邢台2000 m以下2007—2016年1月逐小时平均局地风场表征风速的变化，可以看出，在1000 m以下的各个高度层上都存在明显的山谷风环流，且表现出顺时针转向的变化规律。12时前后、也是混合层高度达到一天中最高时段，山风向谷风转换，风速相对较小; 午后到日落前，混合层高度维持在最高的高度，1000 m以下各层都是南或东南向的谷风，风速相对较大; 日落后到半夜，稳定边界层形成，高度较低，风速变小，风向渐渐由谷风顺时针向山风转变; 后半夜至次日10时左右，基本上维持北或西北向的山风。由此说明，太行山和燕山沿线平原地区的山谷风环流的影响范围在距地面1000 m以内的大气边界层内。

从距地面100 m高度上2007—2016年7月的局地风场表征风速逐小时分布变化(图 11)可以看出，夏季京津冀平原地区近地层的风向变化同样是顺时针旋转的日变化特征; 由于夏季海陆风作用加强，局地风场明显表现出山谷风与海陆风的综合作用，整个京津冀及周边平原地区的局地风场表征风速变化同步性非常高; 气流输送通道的维持时间与冬季差别较大。03时(图 11b)太行山东麓和燕山南麓都呈现出明显的山风，与京津冀及周边平原地区盛行的南风汇聚出一条南起河南安阳、北至河北唐山的一条沿太行山和燕山山脉走向的气流输送通道; 之后，风向顺时针逐渐转动，直到15时(图 11f)完全转换成谷风; 18时(图 11g)沿太行山和燕山山脉走向、自南向东北的气流输送通道再次形成，这条通道一直维持到次日03时。

为了验证京津冀平原地区存在的局地风场顺时针转向变化特征的合理性，本文采用2007—2016年地面气象站的观测数据统计分析1月和7月逐小时局地风场表征风速(图 12)。从图 12可以明显地看出，1月除石家庄以外，北京、保定、邢台、邯郸和河南安阳的局地风场表征风速都具有呈顺时针转向的日变化特征，山谷风变换的时间与数值模拟结果基本一致。石家庄位于太行山南段与北段交界处向西伸进的凹槽中，午后的山风与谷风的转换突然，其他时间的局地风场表征风速变化基本是逆时针转向的，这与图 9中相应位置上的风速变化也是一致的。7月，图 12中所有气象站的局地风场表征风速的变化非常一致，都具有顺时针转向的日变化特征。

事实上，京津冀地区低空大气环流运动是天气背景与局地风场叠加的结果。在高压或均压场等大气稳定天气条件下，山谷风环流就会起主导作用，虽然风向转换的时间与具体天气背景条件有关，但由于太行山和燕山沿线地区山谷风环流本身所具有的顺时针转向的内在动力，很容易形成自南向东北的“弓形”气流输送通道，这条气流输送通道在冬季大约持续3 h左右，而在夏季可持续达9 h。此外，冬季午后至晚间盛行谷风时，如果有较高的大气污染排放，由于山体的阻挡，污染物容易在山前累积，因此污染浓度会增高; 夏季同样的情况会发生在后半夜。

2.3 大气重污染过程中局地大气环流作用的个例分析

为了分析太行山和燕山沿线地区局地山谷风环流在大气重污染天气过程中的作用，本文选取了2016年12月30日至2017年1月7日北京地区的跨年度大气重污染个例进行研究。造成此次大气重污染的天气形势主要是：京津冀地区500 hPa高空图上一直维持着纬向的平直等压线; 850 hPa上华东地区有一个高压稳定少动，京津冀地区处于高压的西北部，受均压场控制，高压后部的南风气流可伸展到河北南部，因此河北南部一直有较弱的偏南风; 京津冀地区北部850 hPa上有时有浅低压槽活动，势力较弱且持续时间短，不足以彻底清除大气污染物; 直到1月7日，500 hPa上有一个低压槽自西向东移动，并不断加强，使北京地区的大气污染物在8日03时得以彻底清除(图 13)。

在北京地区大气重污染过程开始之前的12月29日00时，太行山沿线城市邯郸、邢台、石家庄和保定的空气质量均为重度污染，空气质量指数(air quality index, AQI)分别为259、248、299和269;北京和天津空气质量均为优，AQI分别是24和39。29日08时850 hPa上一个小高压系统自西北向东南移动，是京津冀南部地区的风向由北风转为南风，造成南部的大气污染物向北输送到保定，成为此次重污染过程的前奏。从03—15时的地面气象站观测风速和城市空气质量监测数据来看，邯郸地面平均风速达3.1 m·s^-1，AQI下降246，大气污染物向北输送到邢台; 邢台此时段内的地面平均风速为4.0 m·s^-1，AQI仅下降77，因为有来自邯郸的污染输送; 保定的AQI增加了130，空气质量由重污染转差为严重污染，此时地面平均风速1.2 m·s^-1，向外输送污染物的能力不强; 北京和天津的AQI分别增加43和50，空气质量由优转为良; 石家庄位于太行山南段与北段的交接处、且向西凹进，因此偏离了沿太行山从南向北的气流输送通道，风向略向西偏转，因此AQI变化不大(图 14，图 15)。

29日17时至30日00时，西北方向850 hPa上又一个小高压形成，京津冀南部平原处于鞍形气压场的控制下，南风减弱到2.1 m·s^-1左右，邢台和邯郸AQI开始增加; 保定由于不再有南来的污染物输送，但仍然有西南—东北向的局地山谷风环流将本地污染物送出，尤其是17—19时地面风速在1.4~2.4 m·s^-1，对大气污染物有一定的输送作用，因此8个小时之内AQI大幅度降低了322，空气质量由严重污染缓解到中度污染; 北京在此期间由于来自保定的污染物输送和谷风转为山风，使大气污染物在燕山南侧汇集，加之日落后大气稳定边界层形成、混合层高度较低，导致了不利扩散条件，最终AQI由75迅速升至322，空气质量由良好跃变为严重污染，北京地区跨年度大气重污染过程由此开始。

在此次京津冀地区大气重污染过程中，12月30—31日和1月3—4日明显地表现出高压控制下大气稳定的天气背景条件与局地山谷风环流的综合效应(图 16)。12月30—31日和1月3日的局地环流特征类似，受850 hPa华东地区高压后部向北输送的气流影响，河北南部和中部一直维持着较弱的南风。夜间到早晨大约08时，太行山北段沿线西北风向的山风与京津冀平原上的南风气流形成对势，在河北中部平原造成空气停滞区，使大气污染物在山前平原聚集，保定和石家庄AQI增加; 北京地区周边顺“马蹄型”山地而下的山风，在北京与天津的交界地带形成空气滞留区，因此北京地区AQI下降，天津AQI上升。午后至夜间，山风转为谷风，与河北中部和南部原有南风气流汇合，使京津冀平原全部盛行偏南风; 如此造成了大气污染物在山前堆积，沿太行山和燕山的城市北京、保定、石家庄、邢台的AQI均呈上升的变化趋势。1月4日夜间到早晨，850 hPa上京津冀地区受均压场控制，平原地区以静风为主，北京、保定、邢台和邯郸在山风的作用下，空气质量均有好转; 午后受东北方向低压槽的影响，京津冀平原地区以东风和东北风为主，加上沿太行山和燕山的山风顺时针转向谷风，形成了自东北向西南沿山脉走向的气流通道，北京和石家庄均由于周边“马蹄型”地形使气流灌入，因此AQI增加，而保定和天津AQI都有小幅降低，邯郸AQI由于邢台大气污染物随气流的输入而有所增加。综上所述，12月30—31日和1月3—4日，北京地区在山谷环流和混合层高度日变化的共同作用下，夜间到早上AQI下降，午后到晚上AQI增加，这个变化幅度可以达到150~200。事实上，这其中还包括排放源强的变化，凌晨以及傍晚至夜间供暖污染排放会增加，日间供暖会降低，上下班时间交通污染排放增加等等。

通过对2016年12月30日至2017年1月7日北京地区跨年重污染个例的分析表明，在均压场控制的天气形势下，北京地区的山谷风环流作用使空气质量在夜间到早晨有所好转、午后又重新转差。此外，午后在山风转向谷风的过程中，容易在太行山南段的东麓处形成南北向的气流辐合带，在太行山北段和燕山东南侧形成西南—东北走向的气流辐合带。在这样的局地山谷风环流作用下，发现保定向北京、北京向天津有大气污染输送，邢台与邯郸之间有大气污染输送。

3 结论与讨论

本文采用2007—2016年中国气象局风能资源数据库中的中尺度数值模拟数据和京津冀及周边地区15个地面气象站的观测资料，定义了局地风场表征风速，用以研究在太行山和燕山山谷风环流日变化影响下的京津冀地区局地风场的气候特征，分析其可能对区域内大气污染输送的影响。通过对2016年12月30日至2017年1月7日北京地区跨年大气重污染个例的分析，研究京津冀地区天气系统与局地山谷风环流的综合作用对城市大气污染的影响。得到结论如下：

(1) 京津冀平原地区的低层大气运动取决于天气系统和局地大气环流的共同作用。太行山和燕山沿线地区受山谷风环流的影响，地面至1 km高度的大气边界层内长年盛行偏北风和偏南风。

(2) 太行山和燕山沿线局地山谷风环流本身呈顺时针转动的日变化特征(图 17)，夜间至早晨谷风转向山风，午后至夜间山风转向谷风; 冬季午后至晚间盛行谷风时，受山体的阻挡，污染物容易在山前累积，导致污染浓度增高; 夏季同样的情况会发生在后半夜。

(3) 在谷风转为山风的阶段，容易形成沿太行山东麓和燕山南麓、自南向东北的“弓形”气流输送通道。1月“弓形”气流通道于21时左右形成，持续时间约3 h(图 17), 12时虽然从太行山和燕山沿线的风向上看有一致的偏南风, 但是风速很小, 不足以构成气流通道; 7月“弓形”气流通道于18时左右形成，持续时间约9 h。

由于太行山和燕山沿线平原地区经常有气流辐合带和自南向东北的“弓形”气流输送通道出现，容易使大气污染物在山前堆积，或将河北南部的大气污染物向北输送。因此，加强太行山和燕山沿线城市的大气污染治理和排放源监测、合理规划大气污染源布局，是京津冀地区大气污染防治的关键措施之一。