2013年10月2日至10日石家庄地区发生了一次典型的重污染过程，由中国监测站发布的数据显示，污染过程中石家庄小时PM_2.5浓度值高达644 μg · m^-3.污染过程期间，台风“菲特”和“丹娜丝”相继登陆我国，台风生成及入侵我国大陆后，大陆环境背景场中添加了一个台风系统，改变了我国大气环境中气压场及流场的分布特征，进而影响我国大气环境质量.石家庄位于太行山前和华北平原两大地貌的交接位置，这种半山半平原的特殊地理特征形成了该地区的气候特点如地方性山谷风明显、冬季大气层结稳定等，进而影响石家庄的大气环境质量(李国翠等，2006；杜吴鹏等，2010；白鹤鸣，2013).任阵海等通过研究发现，大气环境质量常常显示过程性特征(任阵海等，2004a)；稳定的大陆高压脊影响的、持续的背风坡下沉气流，持续的逆温层和干洁的暖空气盖是造成重污染过程的大型尺度风环境背景场(任阵海等，2004b)；大气边界层内稳定的高压均压场和稳定的低压均压场是形成我国中尺度乃至大尺度重污染的主要气压系统(任阵海等，2005).苏福庆(2004b)提出在特殊地形及中纬度天气形势背景条件下形成的太行山、燕山山前平原低压汇聚带是华北地区边界层输送汇流场的重要污染气候特征，它对这一地区的环境质量有显著影响.陈朝晖和程水源(2009)的研究表明台风系统是夏秋季节重要天气型，其外层下沉气流区，常出现污染物高质量浓度.

Chang等(2011)分析了台湾南部台风过程中一次空气污染事件，Cheng等(2014)研究了台湾中部臭氧浓度与台风外围气流的关系.研究指出，台风系统北上转向过程中，台风低压仍有大范围的来自高气压系统的气流汇入补偿，并在大陆范围出现高压均压场，具有明显的下沉气流特征，有利于出现大范围污染物的累积，造成重污染天气(陈朝晖等，2010，Chen et al.,2008;Wei et al.,2011).吴兑等分析了珠江三角洲灰霾天气的成因，研究发现，2003年10月底至11月初，珠江三角洲空气质量恶劣事件的成因主要与台风在周边地区活动，形成该地区持续性下沉气流，使得混合层被明显挤压变薄有关(吴兑等，2006)；珠江三角洲2004—2005年严重霾天气过程出现在每年12月至次年4月，清洁对照过程出现在台风直接影响或冷空气活动频繁的季节(吴兑等，2008).吴蒙等(2013)研究台风过程的珠江三角洲边界层特征及其对空气质量的影响，重点分析了台风下沉气流影响导致灰霾天气期间的边界层结构，结果表明，台风外围的下沉气流会对珠江三角洲地区的空气质量产生强烈影响.王喜全等(2009)利用北京地区空气质量监测资料和NCEP再分析资料，分析了北京地区PM₁₀污染过程与天气形势和天气系统的关系.特别是通过对海平面气压场和西太平洋热带气旋路径的分析，发现西太平洋热带气旋路径对北京地区PM₁₀污染的发生具有预示作用.

石家庄地区重污染不仅受太行山中部山坳特殊地形影响，而且还与太行山汇聚带系统、多尺度汇聚系统和远距离污染源有关(苏福庆等，2004a).石家庄地区地形复杂，三面环山，有利于污染物积累，是重污染多发区.然而目前对石家庄重污染过程研究尚少，特别是缺少台风、大陆高压以及副热带高压系统综合影响的重污染研究.本研究拟采用WRF(Weather Research and Forecast)模式模拟污染过程中的气象背景场，结合污染过程中PM_2.5资料和气象资料对一次重污染过程的积累、形成和消散过程进行分析，为石家庄等山坳地区的污染防控提供一定的参考.

石家庄2013年10月2日至10日的PM_2.5污染数据来自中国环境监测站；WRF模拟采用的气象数据来自美国国家预报中心网站的全球NCEP数据，分辨率为1°×1°，每6 h 1次；气象要素实测数据来自中国气象局观测数据.

图 1显示了本次石家庄污染过程的PM_2.5浓度演变曲线，由图可知，石家庄连续8天PM_2.5日均质量浓度超过75 μg · m^-3，10月2日至5日PM_2.5日均浓度呈现上升趋势，3日、4日和5日PM_2.5增量分别是151、35、131 μg · m^-3，5日PM_2.5日均浓度达到最高值425 μg · m^-3.6日和7日PM_2.5质量浓度呈现下降趋势，日减量分别是165和77 μg · m^-3，但8日和9日PM_2.5质量浓度呈现再上升趋势，日增量分别是20和146 μg · m^-3，9日PM_2.5日均浓度达到高值349 μg · m^-3.10日PM_2.5浓度日减量是293 μg · m^-3，PM_2.5日均质量浓度达到最低值56 μg · m^-3.根据污染过程中PM_2.5浓度变化特征，将此空气污染过程分为4个阶段：第1个阶段是PM_2.5质量浓度上升阶段，持续时间为3 d(10月2—5日)，5日PM_2.5日均浓度达到最高值；第2个阶段是PM_2.5质量浓度下降阶段，持续时间为2 d(10月6—7日)；第3个阶段是PM_2.5质量浓度再上升阶段，持续时间为2 d(10月8—9日)；第4个阶段是PM_2.5质量浓度下降阶段，持续时间仅为1 d(10月10日)，PM_2.5质量浓度日减量最多的1 d，10日PM_2.5日均质量浓度达到最低值.

图 1(Figure.1)

图 1 2013年10月2日至10日石家庄PM2.5浓度日均值 Figure.1 Daily average PM2.5 concentrations in Shijiazhuang during October 2 to 10，2013

夏秋季节台风及其气象背景场是影响我国环境质量背景的主要天气类型(陈朝晖和程水源，2009)，台风“菲特”是2013年太平洋台风季节中第23个被命名的热带气旋，热带气旋是形成在热带或副热带洋面上，具有有组织的对流和确定的气旋性地面风环流的非锋面性的天气尺度系统.图 2是台风“菲特”和“丹娜丝”路径图，“菲特”于9月30日20时在菲律宾以东洋面生成，10月4日17时加强为强台风，7日凌晨1时15分在福建省福鼎市登陆，登陆时中心最大风速达42 m · s^-1(如图 2a路径图中红色所示).台风“丹娜丝”是2013年第24号热带风暴，于10月4日14时在西北太平洋洋面上生成，7日8时加强为超强台风，9日2时减弱为热带风暴，风速减弱为20 m · s^-1以下(如图 2b路径图中蓝色所示).

台风“菲特”属于登陆填塞类台风，此类台风以9月和6月出现较多，台风起始场500百帕高空图上，东欧和亚洲东岸分别为长波脊或阻高，两脊之间有两个低槽，分别在巴尔喀什湖和蒙古东部，两槽之间有一浅脊，位于新疆地区；由于亚洲东岸阻高的存在，使其南部洋面上的一环副高稳定，势力较强；此时台风处于副高东南方，向西北方向移动.当台风登陆闽粤后，蒙古东部低槽已移到华东沿海，使台风处于该低槽后部和自新疆东移的高脊前部而趋于填塞.台风北上期间增长了大陆边界层均压系统的滞留日数，有利污染物的累积，增大污染过程的峰值和增多超标污染日数，在台风外层区域常出现区域性重污染现象(曹钢锋，1988).台风“丹娜丝”属于近海北上转向台风，在台风起始场500百帕高空图上，西太平洋副高在日本南部，台风在副高操纵下，向西北方向移动，西风带为明显的径向环流.亚欧大陆为三脊两槽，长坡脊分别位于西欧、西西伯利亚、库页岛，长波槽在乌拉尔山和我国东部.由于西风带上游径向环流加强，我国东部低槽加深并缓慢东移，促使鄂霍次克海高压脊和副高东移，台风便在副高西侧及低槽前部偏南气流操纵下，自华东沿海海面北上转向，经对马海峡进入日本海(曹钢锋，1988).由图 2知，这是两个前后衔接的台风系统，对我国大气环境质量有持续性影响，使大陆污染物浓度累积，污染加重.

图 2(Figure.2)

图 2 台风路径图 Figure.2 Images of typhoon tracks

采用WRF(Weather Research and Forecast)模式对该次空气污染过程的气象背景场进行数值模拟，为分析污染过程提供详细的气象资料，弥补气象观测资料的不足，有助于污染过程的诊断分析.模拟区域采用Lambert 投影坐标系，中心经纬度是北纬38.03°和东经114.48°.采用两层网格嵌套，第一层覆盖台风影响的中国地区，分辨率是27 km，网格是105×124；第二层覆盖石家庄地区，分辨率是9 km，网格为61×61.WRF模式物理过程采用Lin等.微物理方案，Kain-Fritisch(new Eta)积分方案，Dudhia云辐射方案和4层土壤方案.模式的初始条件、侧边界条件及海表面温度均采用NCEP再分析资料，整个模拟是持续模拟，积分时间2013年10月1日00 时—11日00时(世界时)，共积分10 d，每1 h输出1次模式结果，污染过程选取的气象要素时间是10月2日00时—11日00时(北京时).

WRF气象模式模拟结果与实际监测值的吻合程度采用标准化平均偏差(NMB)、标准化平均误差(NME)以及均方根误差(RMSE)评估(EPA，2007)，定义如下：

式中，C_m为模拟值，C₀为观测值.以上统计量中，NMB反映模拟值与监测值的平均偏离程度，NME反应模拟值与监测的平均绝对误差，RMSE反应模拟值与监测值的偏离程度，3个统计量越接近0表明模拟效果越好.本文选取地面2 m温度(T2)和10 m风速(WSP10)来评估WRF对气象要素的模拟效果，结果如图 3所示，其中选取时间是2013年10月2至10日，每天取8个时刻的数值，总共选取72个数值，表 1为相关统计量指标.从总体上而言，WRF模式对气象要素的模拟效果较好，可较为准确的模拟出T2和地面10 m风速随时间的变化趋势以及峰值分布.WRF模式对温度和风速的模拟中以温度最为准确，NMB、NME和RMSE均在较小的范围内，对风速模拟存在一定的不准确性，误差控制在可接受范围内.

图 3(Figure.3)

图 3 2013年10月2至10日石家庄监测数据与WRF模拟结果时间序列比较(a. 2 m气温模拟值与监测值对比; b.10 m风速模拟值与监测值对比) Figure.3 Comparison of monitoring data and WRF simulation data on October 2 to 10，2013 in Shijiazhuang

表 1(Table 1)

表 1 2 m气温(T2)和10 m风速(WSP10)模拟与观测的比较 Table 1 Comparison of T2 and WSP10 between monitoring data and WRF simulation data

表 1 2 m气温(T2)和10 m风速(WSP10)模拟与观测的比较 Table 1 Comparison of T2 and WSP10 between monitoring data and WRF simulation data 变量 NMB NME RMSE T2 -4.66% 8.40% 1.92 WSP10 30% 45.25% 0.98

图 4是PM_2.5质量浓度上升阶段(10月2—5日)对应的海平面气压场图，气压值是实测值.此期间内海平面气压场为“菲特”台风系统背景场，沿副热带高压系统南侧向西移动，大陆高压受阻挡.由图 4a和4b知，10月2日和3日石家庄位于大陆高压均压场控制区，是造成污染物日累积量增大的主要天气型(陈朝晖等，2007).由于台风“菲特”和“丹娜丝”向大陆靠近(图 2)，大陆高压均压系统持续存在，石家庄地区风速显著减小(图 3)，从5 m · s^-1减小至0 m · s^-1，导致石家庄地区这两天PM_2.5浓度呈现明显增加趋势.由图 4c知，10月4日石家庄地区受副热带高压均压场控制，不利于空气中PM_2.5的稀释和扩散，造成较高浓度的PM_2.5积累.如图 4d所示，10月5日“菲特”台风移进台湾东部(图 2a)，“菲特”台风系统位于副热带高压系统南部，阻挡其南下，石家庄地区位于副热带高压后部，图 3显示10月5至9日台风登陆过程中(图 2)，石家庄地区出现显著的静稳天气，3 h最大风速在3 m · s^-1以下，利于污染物浓度上升.显然，10月2至5日污染物浓度的持续增大，是台风背景场大陆高压与副高相继影响的结果.

图 4(Figure.4)

图 4 2013年10月2—5日海平面气压(单位：hPa) Figure.4 Sea level pressure during October 2 to 5，2013(Unit: hPa)

图 5是WRF模拟的10月5日21时(北京时间)的海平面气压场、风场和800 hPa垂直速度.由图知，台风北部是偏东气流，太行山地区是偏南气流，有明显下沉气流，受副热带高压系统偏东南暖湿气流输送、积聚影响，石家庄地区PM_2.5污染物浓度徒增，上升到峰值.

图 5(Figure.5)

图 5 2013年10月05日21:00 WRF模拟气象背景场(a. 海平面气压场和风场; b. 800 hPa垂直速度分布) Figure.5 WRF simulation of meteorological background field at 21:00 on October 5，2013

由于石家庄没有气象探空站，故选取此污染过程中北京的气象探空数据为参考.通过温度和露点温度可以计算出相对湿度，2013年10月6日0时(世界时间)温度露点和相对湿度垂直廓线图如图 6所示.结果显示，此时刻气温和露点温度随高度变化曲线呈现喇叭口状分布，在1000、1800和2600 m左右是逆温层结，逆温层下的污染物储存能力较强，抑制污染物的扩散，有利于PM_2.5的累积(王跃等，2014)；0~500 m处相对湿度值是95%左右，为高湿度边界层，有利于大气中的气态前体物通过均相或非均相等湿驱动反应形成二次无机气溶胶，促进二氧化硫和二氧化氮在空气中转化成硫酸盐和硝酸盐，有利于PM_2.5颗粒物的二次转化生成，这是污染物持续积累的重要原因(Tai et al.,2012;Sun et al.,2013;郭利等，2011；郭勇涛等，2011).综上，10月5日，太行山地区出现污染物输送汇，形成以石家庄重污染为中心的区域污染区，5日22时石家庄 PM_2.5浓度值达最高值644 μg · m^-3.

图 6(Figure.6)

图 6 2013年10月6日00:00温度露点和相对湿度垂直廓线图(a. 温度露点垂直廓线图; b.相对湿度垂直廓线图) Figure.6 Vertical profiles of temperature，dew point and relative humidity at 00:00 on October 6，2013

10月6—7日，“菲特”台风逐渐减弱为热带低压，台风系统和副热带高压系统逐渐减弱，大陆高压系统前部锋区从贝加尔湖地区向南移动至我国华北地区，覆盖并影响石家庄地区，形成清除型大气环境背景场.因此，石家庄地区PM_2.5质量浓度呈现下降趋势，这两天日减量是242 μg · m^-3.

10月7日8时，台风“丹娜丝”加强为超强台风.8至9日，台风北上转向活动期间，对大陆高压有明显阻滞作用，大陆背景场为稳定高压控制；在台风的近周边和远周边的大陆高压系统都有明显的下沉气流，形成明显的大范围污染物的增量区；图 7是10月9日23时(北京时间)海平面气压场、风场和800 hPa垂直速度.由图可知，此时石家庄地区存在明显的下沉气流，不利于污染物的垂直输送，造成边界层污染物累积和滞留.台风外围东南气流进入石家庄地区，形成PM_2.5污染物湿累积，PM_2.5浓度再次上升至峰值.

图 7(Figure.7)

图 7 2013年10月09日23:00 WRF模拟气象背景场(a. 海平面气压场和风场; b. 800 hPa垂直速度分布) Figure.7 WRF simulation of meteorological background field at 23:00 on October 9，2013

10月10日台风“菲特”和台风“丹娜丝”系统逐渐消退，北方大陆高压向南移动.图 8是WRF模拟10月10日平均地面风场，石家庄区域气压梯度明显，在锋区控制背景下形成区域强偏北风传输，有利于PM_2.5污染物扩散.10日，石家庄地区PM_2.5浓度降低，日减量达到293 μg · m^-3，PM_2.5浓度低至56 μg · m^-3，本次重污染过程得到有效缓解.

显然，双台风“菲特”和台风“丹娜丝”及副高的进退，对西风带背景场系统东移南下滞留、台风外围偏东暖湿气流形成的二次湿驱动，及石家庄地区PM_2.5相邻两次高污染浓度峰值的形成有明显影响.

图 8(Figure.8)

图 8 2013年10月10日WRF模拟地面风场(单位：m · s-1) Figure.8 WRF simulation of ground surface wind field on October 10，2013(Unit: m · s-1)

1)石家庄PM_2.5质量浓度的上升和下降，相邻两次重污染过程的形成，与相继出现的台风“菲特”和“丹娜丝”移动、发展、登陆过程有关.

2)台风“菲特”和“丹娜丝”系统外围东南暖湿气流进入石家庄地区，且石家庄受逆温层和下沉气流影响，太行山地区利于形成二次湿驱动污染物积累带，导致石家庄地区PM_2.5浓度达到峰值并出现重污染事件.

3)台风“菲特”和“丹娜丝”系统与副热带高压系统同时向西移动，受台风系统的西进阻挡作用，副热带高压系统和大陆高压系统滞留，且西风带系统和移动路径偏北，是造成石家庄地区重污染过程的主要原因.