大气边界层（Planetary Boundary Layer，PBL）是地表与自由大气之间能量、动量、水汽和污染物交换的关键区域（车军辉等，2021），其结构与演变对天气气候、空气污染扩散及风能利用等具有重要影响（孙明燕和张述文，2023；李玲萍等，2024；王一颉和赵桂香，2024）。研究表明，霾污染过程通常伴随边界层高度降低、逆温层形成及下沉气流增强等特征，导致污染物在近地面持续累积（吴蒙等，2015；卿清涛等，2021；陈荣等，2023）。同时，气溶胶数浓度的垂直分布特征能够较好地反映边界层演变过程（李若羽等，2022）。边界层观测方面，传统探空手段受时空分辨率限制，难以捕捉边界层的快速演变。近年来，激光雷达、风廓线雷达和微波辐射计等遥感探测技术的发展，为边界层结构的高时空分辨率连续观测提供了有效手段（杨世昆等，2023；程楠等，2024；马伟强等，2025）。这些技术已广泛应用于各类天气过程的监测、预报和预警（邹倩等，2024；王文波等，2025；张德玉等，2025；张小娟等，2025），并在大气污染研究中得到广泛应用，如重污染天气形成机制（黄俊等，2019）、臭氧污染垂直结构特征（潘巧英等，2023）以及沙尘传输演变过程（张建涛等，2024）等。

边界层通风条件目前已成为环境与气象学交叉领域的重要研究方向，其核心反映边界层内大气水平输送能力。研究表明，边界层通风效率受大尺度动力学过程和边界层结构共同调控（Sinclair et al.，2010）。冷锋、对流活动及海陆风环流等多种中尺度天气系统也被证实会对边界层通风强度产生显著影响（Agustí-Panareda et al.，2005；Dacre et al.，2007）。此外，大气通风条件对细颗粒物（PM_2.5）质量浓度的长期变化具有显著影响（De Arruda Moreira et al.，2024）。上述研究不仅揭示了不同天气系统下边界层通风机制的多样性和复杂性，也表明大气通风能力与污染物扩散之间存在密切的物理联系。

河北省地处京津冀污染传输通道核心区域，受地形和气候条件共同影响，空气质量具有显著时空异质性。已有研究多集中于近地面气象因子或典型个例分析（李二杰等，2021；熊险平等，2022；陈瑞敏等，2024），对边界层通风量这一关键参数的时空变化特征及其与PM_2.5污染之间定量关系的研究仍相对不足（赵娜等，2024）。边界层通风量是指边界层内累积风速的大小，能表征边界层内风场对污染物的输出扩散能力（Pasch et al.，2011；刘建等，2015）。基于多源观测资料，系统分析河北省边界层通风量及其两个相关因子边界层高度和边界层内平均风速的时空变化特征，分析边界层通风量的主要制约因素，并揭示其与PM_2.5污染的关系，以期为区域大气污染防治提供科学依据。

使用2021年1月1日至2024年12月31日河北省10个气象站（图1）风廓线雷达小时平均数据，并同步获取对应站点的近地面气象观测数据及环境监测站数据。风廓线雷达均为航天新气象公司生产的CFL-06型L波段风廓线雷达，垂直分辨率在4 km高度以下为120 m，4 km以上为240 m，所有设备均符合中国气象局相关要求（全国气象仪器与观测方法标准化技术委员会，2021），并严格按照业务规范开展监控、巡检、标定和数据质量控制等工作，设备运行稳定，数据质量可靠。气象观测资料使用与风廓线雷达同站点的气象站数据，环境监测资料使用风廓线雷达站点所在市（县）的国控站或省控站数据，所有数据均经过质量控制。

边界层通风量是指边界层内累积风速的大小，其计算公式（刘建等，2015）为

$\mathrm{V}\mathrm{I}=\sum _{\mathit{i}=\mathrm{ }{\mathit{H}}_{\mathit{s}\mathit{f}\mathit{c}}}^{\mathit{i}={\mathit{H}}_{\mathit{p}\mathit{b}\mathit{l}}}{\mathit{V}}_{\mathit{i}}\times ({\mathit{H}}_{\mathit{i}}-{\mathit{H}}_{\mathit{i}-1})$

式中：VI为边界层通风量，单位为m²·s^-1；H_i为边界层第i层高度，单位为m；V_i为第i层水平风速，单位为m·s^-1；H_pbl为对应时刻的大气边界层高度，单位为m；H_sfc为大气最低层高度，单位为m，风廓线雷达有效探测的最低高度为150 m，故文中H_sfc取150 m。不同高度层风速采用风廓线雷达探测的水平风速数据，边界层高度采用地面气象站资料，并利用罗氏法（杜川利等，2014）进行计算。针对罗氏法在河北地区的适用性，已有研究（庞杨等，2022；程楠等，2024）表明，该方法能够较好地确定河北及京津冀地区大气边界层高度。本文根据河北地区下垫面类型（乡村、城市）特征，选取相应的地表粗糙度参数（宁志远和刘厚凤，2017）。计算边界层高度所使用的低云量资料时间分辨率为3 h，因此最终获得的边界层通风量数据集时间分辨率同样为3 h。3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至次年2月为冬季。文中所用时间均为北京时。

分别计算10站边界层通风量的年均值、季节平均值、月均值和各时刻平均值，分析其时空分布特征。通过分级统计和相关系数分析边界层通风量与PM_2.5质量浓度的关系，其中张家口—承德（简称张承）地区3个站点采用Spearman相关系数、其余站点采用Pearson相关系数进行分析。采用等分位数划分法确定PM_2.5污染监测阈值，并检验阈值适用性。

由各站边界层通风量年平均值对比（表1）可知，河北北部的张家口张北、承德丰宁及沿海地区的沧州黄骅边界层通风量年均值较高，均超过8 000 m²·s^-1，石家庄年平均值最低，约为5 000 m²·s^-1，其次为秦皇岛卢龙和保定，2 a平均值分别为5 734、5 805 m²·s^-1。边界层高度的空间分布与边界层通风量总体较为一致，高值同样出现在张北和丰宁，低值主要出现在崇礼、保定、卢龙等地。边界层内平均风速（$\overline{\mathit{V}}$）高值主要出现在张北、唐山和沧州黄骅，低值出现在石家庄、崇礼和秦皇岛卢龙。进一步对比发现，边界层通风量较高的地区（如张北、丰宁、黄骅）通常具有较高的边界层高度和较大的边界层内平均风速；而太行山东麓和燕山南麓部分站点（如石家庄、保定、卢龙）3个要素整体均处于较低水平。多数站点中，边界层高度、边界层内平均风速和边界层通风量变化趋势一致，但部分站点存在差异，例如，崇礼边界层高度较低，但边界层通风量并非最低，可能与局地风速变化及复杂地形影响有关。综上，河北北部及沿海地区大气通风条件显著优于太行山东麓及燕山南麓，边界层高度和层内风速共同决定了边界层通风量的空间分布特征，但在复杂地形和局地环流影响下，二者可能存在不同步变化。

与2021年相比，2022年秦皇岛卢龙、邯郸成安、衡水冀州3站边界层通风量呈增加趋势。其中，衡水冀州增幅最大，为7.1%；秦皇岛卢龙增幅最小，为2.4%。其余7站边界层通风量均呈下降趋势，其中石家庄降幅最大，为16.7%；张家口崇礼降幅最小，为1.1%。总体而言，10站的边界层通风量年际变化幅度均小于20%，不同区域边界层通风条件存在一定年际差异。

进一步分析边界层通风量与边界层高度和边界层内平均风速的关系发现，张家口崇礼、承德丰宁、衡水冀州和邯郸成安4站边界层通风量与边界层高度变化趋势相反；其余6站二者变化趋势一致，但边界层通风量的变化幅度均大于边界层高度；与此同时，8站边界层通风量与边界层内平均风速变化趋势一致，表明边界层内平均风速对边界层通风量的影响更为显著。

图2为2021—2022年10站边界层3个特征量的季节分布。10站边界层通风量均在春季达到最大值，而最小值出现季节存在区域差异。其中，石家庄和保定最小值出现在秋季，衡水出现在冬季，其余7站均出现在夏季。各站边界层通风量季节变化幅度存在明显差异，其中承德丰宁季节差异最大，春季最大值与夏季最小值相差6 630 m²·s^-1；唐山和黄骅次之，分别相差6 396 m²·s^-1和6 356 m²·s^-1；季节差异较小站点依次为崇礼（3 185 m²·s^-1）、石家庄（3 681 m²·s^-1）和保定（3 989 m²·s^-1）。衡水冀州季节分布最为均匀，按春、夏、秋、冬的顺序均匀递减。总体来看，河北省春季边界层通风条件最优，而通风条件较差的季节存在区域差异，大部分站点出现在夏季。季节变化幅度较大的区域主要集中于东部沿海地区，中部平原区域季节分布较为均匀。边界层高度与边界层通风量的季节变化趋势并不完全一致，秋冬季张北、秦皇岛卢龙、衡水冀州，以及夏秋季沧州黄骅的边界层高度与边界层通风量分布规律存在差异；其余站点二者季节变化趋势基本一致，但边界层通风量的季节变化幅度普遍大于边界层高度。进一步对比边界层通风量与平均风速，多数站点二者季节变化趋势一致，仅承德丰宁、唐山、沧州黄骅、邯郸成安秋冬季，以及保定、石家庄夏秋季出现趋势背离。上述对比表明，在季节尺度上边界层通风量并非单纯由边界层高度或风速其中某一项因子决定，二者趋势不一致的站点，反映出局地条件对通风能力存在显著调控作用。值得注意的是，部分站点冬季边界层高度高于夏秋季。已有研究（程楠等，2024）指出，边界层高度的季节特征受诊断算法与站点局地位置影响较大，该现象大概率源于罗氏法对部分气象要素的敏感性，以及研究时段特殊天气的干扰，但这一现象对边界层高度与边界层通风量之间的相对关系影响有限。

从各站点边界层通风量月际变化[图3（a）]来看，10个站点月均最大值均出现在5月。其中，张家口崇礼、秦皇岛卢龙和石家庄边界层通风量峰值为9 000~10 000 m²·s^-1，其余7站均超过10 000 m²·s^-1，最大值出现在张家口张北，达16 454 m²·s^-1；月平均最小值出现月份存在差异，其中承德丰宁、秦皇岛卢龙和邯郸成安出现在7月，其余7站出现在8月。秋冬季节，除张家口张北和承德丰宁外边界层通风量普遍维持在4 000~8 000 m²·s^-1。从月际变化幅度来看，沧州黄骅最大，月平均最大值与最小值相差10 103 m²·s^-1；唐山次之，差值为10 072 m²·s^-1。张家口崇礼变化幅度最小，为5 305 m²·s^-1；其次为承德丰宁，差值为5 688 m²·s^-1。总体而言，河北省5月边界层通风条件最好，7—8月最差；除张家口和承德地区外，其他区域秋冬季边界层通风量整体处于中等水平。东部沿海地区月际变化最明显，而张家口和承德地区月际变化相对平缓。

对比边界层高度月际变化特征[图3（b）]发现，张家口崇礼、承德丰宁、秦皇岛卢龙、保定和衡水冀州5站边界层高度最大值出现在4月，其余5站最大值出现在5月；张家口崇礼边界层高度最小值出现在1月，承德丰宁和秦皇岛卢龙最小值出现在7月，其余7站最小值出现在8月。图3（c）为边界层内平均风速逐月变化，10站边界层内平均风速最大值均出现在5月；秦皇岛卢龙、衡水和邯郸成安最小值出现在1月，保定最小值出现在2月，张家口张北和承德丰宁出现在7月，其余4站出现在8月。总体而言，4—5月是河北省边界层发展和风速增强的主要时段，反映出春季太阳辐射增强、热力湍流加强以及大气扩散条件改善的季节特征。河北省边界层特征月际变化呈现明显的季节同步性，同时表现出一定的区域差异。

图4为2021—2022年10站边界层通风量、边界层高度、边界层内平均风速及PM_2.5质量浓度的日变化。2021—2022年河北边界层通风量10站均呈明显单峰型日变化特征，峰值普遍出现在14：00左右，谷值多出现在05：00左右；小时平均最大值出现在张家口张北，为18 689 m²·s^-1，其次为承德丰宁（18 608 m²·s^-1）和唐山（15 139 m²·s^-1）；最小值出现在秦皇岛卢龙，为1 737 m²·s^-1，其次为张家口崇礼（1 758 m²·s^-1）和保定（2 686 m²·s^-1）。从日变化幅度来看，承德丰宁边界层通风量日变化幅度最大，达14 606 m²·s^-1；张家口张北和张家口崇礼次之，分别为13 173、12 404 m²·s^-1；石家庄日变化幅度最小，为5 336 m²·s^-1，其次为邯郸成安（6 966 m²·s^-1）和沧州黄骅（8 741 m²·s^-1）。综上，河北省各区域边界层通风量日变化规律总体一致，表现为午后高，夜间低。从空间分布看，张承区域整体通风条件较好，而太行山东麓和燕山南麓一带相对较弱；北部山区日变化幅度最大，中南部平原地区日变化相对平缓。

对比边界层高度与边界层内平均风速发现，两者高、低值出现时段基本一致。这主要由于在无强天气系统影响时，边界层高度与边界层内平均风速的日变化均与大气层结演变紧密相关。夜间稳定边界层内大气层结稳定，湍流活动较弱，边界层高度较低，边界层内平均风速也相应减小；午后随着太阳辐射增强，湍流混合作用加强，对流发展，边界层高度明显抬升，同时湍流混合作用增强了边界层内能量输送，使边界层内平均风速增大。因此，边界层高度与边界层内平均风速的日变化趋势与边界层通风量基本一致，均表现为午后高、夜间低，反映出日循环过程中湍流混合作用对边界层结构及动力条件的共同影响。PM_2.5质量浓度呈现夜间高、午后低的日变化特征，与边界层通风量、边界层高度及边界层内平均风速的日变化趋势基本相反。这表明PM_2.5质量浓度的日变化与边界层结构及动力输送条件密切相关。在边界层高度抬升、风速增大时段，垂直扩散和水平输送能力增强，有利于污染物稀释和扩散；而在边界层高度较低、风速较小的时段，污染物更易在近地层累积。

参考相关标准（生态环境部和国家市场监督管理总局，2026），本文将PM_2.5小时平均质量浓度（ρ_PM2.5）分为3级：ρ_PM2.5≤75 μg·m^-3空气质量优良、75 μg·m^-3<ρ_PM2.5≤150 μg·m^-3为轻中度污染、ρ_PM2.5>150 μg·m^-3为重度及以上污染，当发生轻中度以上污染时即为PM_2.5质量浓度超标。统计各污染等级对应的边界层通风量分布特征（图5）。各站边界层通风量分布特征存在明显的空间差异。河北北部张家口张北、崇礼和承德丰宁等站点边界层通风量分布范围较宽，表明该区域不同污染过程中通风条件变化幅度较大；相比之下，保定、石家庄和邯郸成安等中南部站点边界层通风量分布相对集中。总体来看，除张家口和承德部分站点外，其余站点随着PM_2.5污染等级升高，边界层通风量整体呈下降趋势。这与河北中南部地区秋冬季静稳天气条件下的污染特征基本一致：静稳天气背景下，边界层通风能力减弱，垂直扩散和水平输送能力下降，污染物更易在近地面累积（赵娜等，2017）。进一步分析发现（表略），河北北部张承地区PM_2.5质量浓度超标事件中沙尘影响占比较高，张北、崇礼、丰宁3地沙尘天气造成的PM_2.5质量浓度超标事件分别占各站全部PM_2.5质量浓度超标事件的68.5%、69.8%和43.6%，且相关过程主要集中于春季。这表明该区域PM_2.5污染与河北中南部地区存在明显不同的形成机制。沙尘过程通常伴随较强的大尺度天气系统和较大的近地面风速，边界层通风能力也相应增强。因此，张承地区部分PM_2.5高质量浓度过程可能表现为PM_2.5质量浓度升高与边界层通风量增大同步出现，这与中南部地区静稳天气条件下低通风、污染物累积的特征形成明显对比。

表2为2021—2022年河北省10站边界层通风量、边界层高度与近地面PM_2.5质量浓度的相关性统计结果。除张承地区站点和衡水冀州夏季外，各站各季节边界层通风量与PM_2.5质量浓度的相关系数均为负值。上述正相关样本的相关系数绝对值总体较小，且部分未通过显著性检验。其中，张承地区春季边界层通风量与PM_2.5质量浓度呈正相关，且通过α=0.05的显著性检验。结合该区域春季PM_2.5质量浓度超标事件中沙尘影响占比较高的统计特征，表明大风沙尘过程可能对该时段PM_2.5质量浓度升高具有一定影响，但二者相关性总体较弱。衡水冀州夏季边界层通风量与PM_2.5质量浓度同样呈正相关，可能与强对流天气伴随的扬沙、浮尘过程有关。其余站点边界层通风量与PM_2.5质量浓度的相关系数总体为负，表明通风能力降低与近地面PM_2.5质量浓度升高具有一定对应关系，但多数站点相关系数绝对值较小，以弱负相关为主。全年尺度上，张北和崇礼边界层通风量与PM_2.5质量浓度的相关系数未通过显著性检验，丰宁呈弱正相关，其余站点全年均以弱负相关为主。综合来看，张承地区站点春季PM_2.5质量浓度变化可能较易受到大风沙尘过程影响，而其他区域PM_2.5质量浓度变化与静稳条件下污染物累积具有一定联系。边界层高度与PM_2.5质量浓度相关系数的符号变化总体与边界层通风量一致，但相关性强度存在一定差异。在边界层通风量与PM_2.5质量浓度呈正相关的样本中，边界层通风量与PM_2.5质量浓度的相关系数整体略高于边界层高度与PM_2.5质量浓度的相关系数；在边界层通风量与PM_2.5质量浓度呈负相关的样本中，多数站点边界层高度与PM_2.5质量浓度的负相关程度略高于边界层通风量。上述结果表明，沙尘扰动情景下，边界层通风量与PM_2.5质量浓度的相关性相对更强；而静稳条件下的污染物累积过程中，边界层高度与PM_2.5质量浓度的相关性更强，表明边界层高度对近地面PM_2.5质量浓度变化具有更强指示作用。

基于2021—2022年秋冬季（9月至次年2月）10站08：00、14：00和20：00的观测资料，按照边界层通风量从小到大的顺序将样本等分为10个区间，分别统计各区间内PM_2.5小时质量浓度超过75 μg·m³的比例，结果如表3所示。08：00共有3 280个样本，其中PM_2.5小时质量浓度超过75 μg·m³的样本数为516个，PM_2.5质量浓度超标比例为15.7%；当边界层通风量位于27~351 m²·s^-1区间时PM_2.5小时质量浓度超标比例最大，为27.7%；当边界层通风量位于603~900 m²·s^-1区间时，超标比例次高，为20.7%。说明PM_2.5质量浓度超标比例并非随边界层通风量减小而单调增加，而是存在相对有利于PM_2.5质量浓度升高的边界层通风量范围。当边界层通风量增大至2 247~3 213 m²·s^-1区间时，超标比例开始低于全部样本的平均值；随着边界层通风量进一步增大，超标比例总体呈下降趋势。14：00共有3 280个样本，整体PM_2.5小时质量浓度超标比例为9.9%。当边界层通风量低于20 000 m²·s^-1时，随着边界层通风量减小，PM_2.5小时质量浓度超标比例整体呈升高趋势；当边界层通风量位于7 791~9 909 m²·s^-1区间时，超标比例开始低于全部样本的平均值。当边界层通风量超过20 277 m²·s^-1时，超标比例出现小幅上升，这可能与大风条件下沙尘输送导致PM_2.5质量浓度升高有关。20：00共有3 250个样本，PM_2.5小时质量浓度超标比例为16.7%。当边界层通风量位于3 117~4 260 m²·s^-1区间时，超标比例开始低于平均值；随着边界层通风量进一步增大，超标比例均低于整体平均。

综合不同边界层通风量区间PM_2.5小时质量浓度超标比例及实际应用需求，选取超标比例高于全部样本平均值的边界层通风量区间作为参考，并兼顾监测应用的简便性，将秋冬季08：00、14：00和20：00的PM_2.5污染监测阈值分别确定为边界层通风量VI≤2 000 m²·s^-1、VI≤8 000 m²·s^-1和VI≤3 000 m²·s^-1，当对应时次VI达到上述阈值时，近地面PM_2.5小时质量浓度超过75 μg·m³的可能性高于该时次平均水平。

为验证上述监测阈值的适用性，使用2023—2024年秋冬季数据进行验证（图6）。针对PM_2.5日平均质量浓度超过75 μg·m^-3的污染日，统计各站点08：00、14：00和20：00 3个时次边界层通风量达到相应阈值的站次比例（其中张家口崇礼在检验时段内08：00未出现PM_2.5质量浓度超标的情况），定义为阈值符合率。结果表明，除少数站次外，多数情况下阈值符合率超过50%，其中21站次的符合率超过60%，14站次超过70%，7站次超过80%。10站在3个时次的平均符合率分别为70%（08：00）、73%（14：00）和60%（20：00）。上述结果表明，边界层通风量监测阈值对秋冬季PM_2.5超标过程具有较好的指示能力，其中08：00和14：00的平均符合率均超过70%，表明该阈值具有较好的实用性。

基于2021—2024年河北省10站风廓线雷达、地面常规气象观测及环境监测站PM_2.5浓度数据，利用统计相关分析、阈值判别及独立样本检验等方法，系统分析边界层通风量的时空演变特征、主要影响因子及其对PM_2.5污染的影响规律，构建了秋冬季不同时刻的边界层通风量PM_2.5污染判别阈值，得到以下主要结论。

（1）河北省边界层通风量空间分布总体呈现北高南低特征，张家口、承德地区整体较高，太行山东麓和燕山南麓地区相对较低。季节变化表现为春季最强、夏季最弱（大部分站点），日变化则呈现一致的午后单峰型特征。边界层通风量变化受大尺度环流及局地热力、动力条件共同影响，多数站点边界层通风量与边界层内平均风速的变化具有较好一致性，表明水平风速是影响边界层通风量的重要因素。

（2）河北省多数站点边界层通风量与PM_2.5质量浓度呈弱负相关，反映通风能力降低对近地面PM_2.5累积具有一定作用。张承地区春季边界层通风量与PM_2.5质量浓度呈正相关，且通过α=0.05的显著性检验，表明大风沙尘过程可能对张承地区春季PM_2.5质量浓度升高具有一定影响，但二者相关性总体较弱。

（3）基于2021—2022年秋冬季数据，建立了08：00、14：00和20：00 PM_2.5污染的边界层通风量监测阈值，分别为VI≤2 000 m²·s^-1、VI≤8 000 m²·s^-1和VI≤3 000 m²·s^-1。利用2023—2024年秋冬季独立数据进行验证，阈值对秋冬季PM_2.5超标过程具有较好指示能力，08：00和14：00的平均符合率超过70%，可为PM_2.5污染监测及精细化防控提供科学参考。