河北省边界层通风量时空特征及对PM2.5污染的影响

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2026-04-0703

干旱气象 ›› 2026, Vol. 44 ›› Issue (4): 703-713.DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639-2026-04-0703

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河北省边界层通风量时空特征及对PM_2.5污染的影响

赵娜¹^,²^,³(), 焦亚音³, 杨雨灵³, 赵玉广¹^,²^,³(), 卢西畅⁴^,⁵

¹ 中国气象局太行山—燕山暴雨野外科学试验基地，河北邢台 054000
² 河北省气象与现代经济重点实验室，河北石家庄 050021
³ 河北省气象灾害防御和环境气象中心，河北石家庄 050021
⁴ 河北饶阳国家气候观象台，河北饶阳 053900
⁵ 河北衡水市气象局，河北衡水 053000

收稿日期:2025-09-11 修回日期:2026-02-08 出版日期:2026-08-30 发布日期:2026-09-16
通讯作者: 赵玉广（1969—），男，河北辛集人，正高级工程师，主要从事环境气象预报技术研究。E-mail： zyg_9@163.com。
作者简介:赵娜（1983—），女，河北吴桥人，高级工程师，主要从事颗粒物和臭氧污染气象条件监测预报及模拟评估、重污染预报预警技术研究。E-mail： zhaona2307@126.com。
基金资助:
河北省自然科学基金项目(D2024304014);中国气象局创新发展专项(CXFZ2026J138)

Spatiotemporal characteristics of boundary layer ventilation in Hebei Province and its impact on PM_2.5 pollution

ZHAO Na¹^,²^,³(), JIAO Yayin³, YANG Yuling³, ZHAO Yuguang¹^,²^,³(), LU Xichang⁴^,⁵

¹ Taihang-Yanshan Mountains Field Research Station for Heavy Rainfall， CMA， Xingtai 054000， Hebei， China
² Hebei Key Laboratory of Meteorology and Modern Economy， Shijiazhuang 050021， China
³ Hebei Meteorological Disaster Prevention and Environment Meteorology Center， Shijiazhuang 050021， China
⁴ Raoyang National Climate Observatory of Hebei Province， Raoyang 053900， Hebei， China
⁵ Hengshui Meteorological Bureau of Hebei Province， Hengshui 053000， Hebei， China

Received:2025-09-11 Revised:2026-02-08 Online:2026-08-30 Published:2026-09-16

摘要/Abstract

摘要：

边界层通风量能够表征边界层内水平输送对污染物的扩散能力，是影响近地面污染物累积、传输与消散的重要因素。基于2021—2022年河北省10个站点风廓线雷达、地面气象和环境监测资料，系统分析边界层通风量的时空变化特征和主要影响因子及其与细颗粒物（PM_2.5）污染的关系。结果表明，河北省边界层通风量空间上总体呈“北高南低”分布特征，张家口—承德（简称张承）地区较高，太行山东麓和燕山南麓地区较低；时间上表现为春季最强、夏季最弱，日变化呈午后单峰型特征，且多数站点边界层通风量变化与边界层内平均风速具有较好一致性。张承地区春季PM_2.5质量浓度升高可能与大风沙尘过程有关。秋冬季，边界层通风量与PM_2.5质量浓度超标存在较好的对应关系，确定08：00、14：00和20：00边界层通风量监测阈值分别为2 000、8 000和3 000 m²·s^-1。利用2023—2024年独立资料验证表明，08：00和14：00边界层通风量阈值的平均符合率超过70%，表明所建立的阈值对秋冬季PM_2.5污染过程具有较好的指示能力。

关键词: 风廓线雷达, 边界层通风量, 时空分布, PM_2.5污染

Abstract:

Boundary layer ventilation (VI) can characterize the capacity of horizontal transport within the boundary layer to disperse pollutants, and is an important factor affecting the accumulation, transport, and dissipation of near-surface pollutants. Based on wind profiler radar, surface meteorological, and environmental monitoring data from 10 stations in Hebei Province during 2021-2022, the spatiotemporal variation characteristics and major influencing factors of VI and its relationship with fine particulate matter (PM_2.5) pollution are systematically analyzed. The results show that VI in Hebei Province generally exhibits a spatial pattern of “higher in the north and lower in the south”, with higher values in the Zhangjiakou-Chengde region and lower values in the areas along the eastern foothills of the Taihang Mountains and the southern foothills of the Yanshan Mountains. Temporally, VI is strongest in spring and weakest in summer, and exhibits a unimodal diurnal variation pattern with a peak in the afternoon. VI variations at most stations are generally consistent with the mean wind speed within the boundary layer. The increase in PM_2.5 mass concentrations in the Zhangjiakou-Chengde region during spring may be associated with strong winds and dust events. During autumn and winter, VI shows a good correspondence with PM_2.5 mass concentration exceedances, and the VI monitoring thresholds are determined as 2 000, 8 000, and 3 000 m²·s^-1 at 08:00, 14:00, and 20:00, respectively. Validation using independent data from 2023-2024 shows that the mean agreement rates of the thresholds at 08:00 and 14:00 exceed 70%, indicating that the established thresholds have good indicative capability for PM_2.5 pollution events during autumn and winter.

Key words: wind profiler radar, boundary layer ventilation, spatiotemporal distribution, PM_2.5pollution

中图分类号:

P423.1

赵娜, 焦亚音, 杨雨灵, 赵玉广, 卢西畅. 河北省边界层通风量时空特征及对PM_2.5污染的影响[J]. 干旱气象, 2026, 44(4): 703-713.

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图/表 9

图1 河北省地形及风廓线雷达站点分布

Fig.1 Topography and distribution of wind profile radar stations in Hebei Province

表1 河北省2021—2022年边界层通风量、边界层高度、边界层内平均风速年平均值及其2022年相对2021年的变化率

Tab.1 Annual mean values of boundary layer ventilation， boundary layer height and mean wind speed within the boundary layer in Hebei Province from 2021 to 2022 and their relative change rates of 2022 compared with 2021

站点	VI			H_pbl			$\overline{\mathit{V}}$
站点	2021年平均/（m²·s^-1）	2022年平均/（m²·s^-1）	变化率/%	2021年平均/m	2022年平均/m	变化率/%	2021年平均/（m·s^-1）	2022年平均/（m·s^-1）	变化率/%
张家口张北	10 814	9 978	-7.7	1 215	1 201	-1.1	7.7	7.7	0
张家口崇礼	5 849	5 784	-1.1	869	915	5.3	5.1	4.9	-4.4
承德丰宁	9 515	9 358	-1.7	1 231	1 260	2.4	5.9	5.8	-2.2
秦皇岛卢龙	5 667	5 801	2.4	921	938	1.8	5.1	5.4	4.6
唐山	8 305	7 942	-4.4	1 039	1 032	-0.7	7.2	6.9	-3.3
保定	6 147	5 462	-11.1	930	919	-1.2	5.7	5.6	-1.9
石家庄	5 687	4 739	-16.7	1 091	1 046	-4.1	4.5	3.9	-12.2
衡水冀州	6 781	7 262	7.1	1 034	987	-4.5	5.9	6.8	15.3
沧州黄骅	8 933	8 128	-9.0	1 147	1 125	-1.9	7.1	6.6	-7.2
邯郸成安	5 799	6 191	6.8	962	942	-2.1	6.4	6.1	-5.3

图2 河北省10个站点2021—2022年边界层通风量（a）、边界层高度（b）和边界层内平均风速（c）季节变化

Fig.2 Seasonal variation distribution of boundary layer ventilation （a）， boundary layer height （b） and mean wind speed within the boundary layer （c） at 10 stations in Hebei Province from 2021 to 2022

图3 河北省10个站点2021—2022年边界层通风量（a）、边界层高度（b）和边界层内平均风速（c）月变化

Fig.3 Intermonthly variation of boundary layer ventilation （a）， boundary layer height （b） and mean wind speed within the boundary layer （c） at 10 stations in Hebei Province from 2021 to 2022

图4 河北省10个站点2021—2022年边界层通风量（a）、边界层高度（b）、边界层内平均风速（c）及PM2.5质量浓度（d）日变化

Fig. 4 Diurnal variation of boundary layer ventilation (a), boundary layer height (b), mean wind speed within the boundary layer (c) and PM2.5 mass concentration (d) at 10 stations in Hebei Province from 2021 to 2022

图5 河北各站2021—2022年不同等级PM2.5质量浓度对应的边界层通风量箱线图

Fig.5 Boundary layer ventilation boxplots for various grades of PM2.5 mass concentration at each station in Hebei Province from 2021 to 2022

表2 河北省10个站点2021—2022年边界层通风量、边界层高度与近地面PM2.5质量浓度的相关系数

Tab.2 Correlation coefficients of boundary layer ventilation and boundary layer height with near-surface PM2.5 mass concentration at 10 stations in Hebei Province from 2021 to 2022

站点	VI与PM_2.5质量浓度的相关系数					H_pbl与PM_2.5质量浓度的相关系数
站点	全年	春季	夏季	秋季	冬季	全年	春季	夏季	秋季	冬季
张家口张北	0.06	0.11*	0.10	0.05	-0.06	0.02	0.05*	-0.09**	-0.15**	-0.08**
张家口崇礼	0.01	0.03*	0.02	0.05*	0.03	0.02	0.02*	-0.07*	-0.14**	-0.04
承德丰宁	0.08**	0.11**	0.14**	0.08**	0.05	-0.22**	-0.16**	-0.06*	-0.28**	-0.45*
秦皇岛卢龙	-0.20*	-0.19*	-0.15*	-0.33*	-0.31*	-0.28**	-0.29**	-0.20**	-0.41**	-0.39**
唐山	-0.16**	-0.20**	-0.04*	-0.32*	-0.25*	-0.22**	-0.29**	-0.06*	-0.38**	-0.38**
保定	-0.17*	-0.21*	-0.10*	-0.25*	-0.24*	-0.23**	-0.26**	-0.12**	-0.31**	-0.31**
石家庄	-0.17*	-0.17*	-0.13*	-0.25*	-0.30*	-0.19**	-0.19**	-0.15**	-0.27**	-0.36**
衡水冀州	-0.12**	-0.11*	0.10**	-0.23**	-0.27*	-0.16**	-0.17**	0.08**	-0.28**	-0.35**
沧州黄骅	-0.18*	-0.17*	-0.04*	-0.29*	-0.24*	-0.27**	-0.29**	-0.15**	-0.37**	-0.32**
邯郸成安	-0.15**	-0.10**	-0.15*	-0.24**	-0.30*	-0.18**	-0.13**	-0.12**	-0.24**	-0.33**

表3 2021—2022年秋冬季河北省10站3个时次不同边界层通风量区间对应的PM2.5小时质量浓度超标比例

Tab.3 Proportion of hourly PM2.5 mass concentrations exceeding 75 μg·m-3 within different boundary layer ventilation intervals at 10 stations in Hebei Province at three observation times during autumn and winter of 2021-2022

08：00		14：00		20：00
VI区间/（m²·s^-1）	超标比例/%	VI区间/（m²·s^-1）	超标比例/%	VI区间/（m²·s^-1）	超标比例/%
平均值	15.7	平均值	9.9	平均值	16.7
[27，351）	27.7	（0，2 505）	29.6	（0，588）	25.2
[351，603）	17.7	[2 505，4 086）	17.4	[588，1 071）	22.8
[603，900）	20.7	[4 086，5 901）	15.2	[1 071，1 575）	20.3
[900，1 236）	18.3	[5 901，7 791）	12.5	[1 575，2 274）	18.8
[1 236，1 677）	15.5	[7 791，9 909）	7.6	[2 274，3 117）	20.9
[1 677，2 247）	17.4	[9 909，12 648）	7.0	[3 117，4 260）	15.7
[2 247，3 213）	14.0	[12 648，16 104）	2.4	[4 260，5 883）	14.5
[3 213，4 866）	13.1	[16 104，20 277）	0.9	[5 883，8 148）	15.4
[4 866，8 850）	8.5	[20277，27822）	1.2	[8 148，13 065）	9.2
≥8 850	4.0	≥27 822	1.5	≥13 065	4.3

图6 2023—2024年秋冬季河北省10站PM2.5污染日中3个时次阈值符合率

Fig.6 Proportion of stations with boundary layer ventilation reaching the thresholds at three observation times on PM2.5 pollution days in Hebei Province during autumn and winter of 2023-2024

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河北省边界层通风量时空特征及对PM_2.5污染的影响

Spatiotemporal characteristics of boundary layer ventilation in Hebei Province and its impact on PM_2.5 pollution

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河北省边界层通风量时空特征及对PM2.5污染的影响

Spatiotemporal characteristics of boundary layer ventilation in Hebei Province and its impact on PM2.5 pollution

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河北省边界层通风量时空特征及对PM_2.5污染的影响

Spatiotemporal characteristics of boundary layer ventilation in Hebei Province and its impact on PM_2.5 pollution