山東濟寧地區(qū)一次持續(xù)霧霾天氣診斷分析

張熙　 馬麗　 李 芳等

摘要 運用常規(guī)探空資料、NCEP再分析資料，從天氣形勢、水汽條件、動力條件、溫度層結、空氣質(zhì)量等方面，對2013年1月12～16日濟寧地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)的大范圍霧霾天氣進行診斷分析。結果表明，此次持續(xù)大霧發(fā)生在脊前西北氣流控制的緯向環(huán)流形勢下，西風環(huán)流平直，整個華北地區(qū)均處在高壓的前部，山東地區(qū)氣壓梯度力小，有利于大霧的發(fā)生和維持；濕度場有“上干下濕”的穩(wěn)定層結；低層暖中心使系統(tǒng)內(nèi)風速減小， 同時也有利于近地面逆溫和低空逆溫的形成；空氣污染物對大霧形成或維持具有顯著的促進作用。

關鍵詞 濟寧地區(qū)；大霧；天氣形勢；物理量場；診斷分析

中圖分類號 S161.6 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）08-02414-03

Diagnosis Analysis of a Continuous Fog Haze Weather in Jining Region， Shandong Province

ZHANG Xi et al （Jining Meteorological Bureau， Jining， Shandong 272000）

Abstract By using conventional sounding data， NCEP reanalysis data， from weather situation analysis， moisture conditions， dynamic conditions， temperature stratification， air quality， etc.， the diagnosis analysis of a continuous fog haze weather in Jining Region during Jan. 12-16th， 2013 was conducted. The results showed that under zonal circulation continued fog this situation occurred before the ridge northwest flow control， straight westerly circulation throughout northern China are at the front of the pressure， the pressure gradient force is small in Shandong Province， which is conducive to large fog occurrence and maintenance； humidity field of "wet on dry" stable stratification； low layer warm center not only reduce the wind speed within system， but also conducive to the formation of near-surface temperature inversion and low-level inversion； air pollutants have significant promotion effect on fog formation or maintenance.

Key words Jining； Dense fog； Weather situation； Physical quantity field； Diagnosis analysis

2013年1月12～16日，濟寧地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)了大范圍的霧霾天氣，其中12和14日最為嚴重，大霧最強時能見度不足50 m，這次霧霾天氣分布范圍廣、濃度大、持續(xù)時間長，在歷史上較為罕見。連續(xù)大霧不僅給人民生活和身體健康帶來較大影響， 而且致使多條高速公路或國道被迫關閉， 機場進出航班延誤或取消， 大批旅客滯留， 造成較大的經(jīng)濟損失。

這次大霧過程12日早晨開始，13日較輕、14日較重，14日全天能見度均不足1 km。從14日10：00可見光云圖（圖略）可以看出，14日霧霾天氣發(fā)生時霧區(qū)范圍較大且能見度均較低，濟寧大部地區(qū)實況能見度均小于50 m。筆者在此運用常規(guī)探空資料、NCEP再分析資料，從天氣形勢、水汽條件、動力條件、溫度層結等方面對此次持續(xù)的大范圍霧霾天氣進行診斷分析。

1 大霧持續(xù)期間環(huán)流形勢分析

1.1 高空環(huán)流形勢 從1月 12～16 日連續(xù)性大霧過程 500 hPa平均高度場（圖1）可以看出， 亞洲中高緯為弱的一槽一脊， 淺槽位于里海和巴爾客什湖之間， 新疆以東為一弱脊， 大霧持續(xù)期間我國北方地區(qū)受偏西到西北氣流控制，緯向環(huán)流平直，不斷有小槽攜帶弱冷空氣東移南下，風速較小，而與其配合的濕度場則表現(xiàn)為上干下濕，且由于干冷空氣活動較弱，近地面濕層不容易下降，因此這種高空槽不會產(chǎn)生降水或伴有低云，有利于近地層逆溫的形成和維持，這種相對穩(wěn)定的高低空形勢對大氣層結的穩(wěn)定和大霧的形成與維持均非常有利。此次過程當中11～16日共有3次低槽影響，出現(xiàn)時間分別為11日白天到夜間、12日夜間到13日白天和15日白天到夜間，在16日夜間之后有較強冷空氣南下，持續(xù)大霧天氣影響減弱。

圖1 2013年1月12～16日500 hPa平均位勢場

1.2 地面形勢及地面特征

1.2.1 地面海平面氣壓場。

從地面海平面氣壓場（圖略）分析來看，濟寧地區(qū)大霧持續(xù)期間，在蒙古東北側(cè)有一弱高壓維持，整個華北地區(qū)均處在高壓的前部，14日后，東北地區(qū)又有一高壓形成，山東地區(qū)氣壓場一直比較稀疏，山東地區(qū)當時風向以北風為主，且風力較小，這種風可以產(chǎn)生一定的湍流但又不會使水汽向上輸送得過高，只要夜間氣溫稍有下降， 就會使水汽凝結形成霧。16日20：00后，東北地區(qū)冷高壓壓下來，華北地區(qū)風力加大，大霧天氣逐漸減弱。

1.2.2 地面溫度露點差。

這次過程選擇了濟寧嘉祥站來分析地面的一些特征，從嘉祥站11日08：00～17日20：00大霧持續(xù)期間的地面氣象三線圖（圖略）可以看出，11日夜間至12日08：00，地面溫度露點差較小，均不大于2 ℃， 13日夜間至14日夜間地面溫度露點差也不大于2 ℃，這些時間內(nèi)近地面層大氣濕度較高。從嘉祥站的能見度直方圖上也能看出，在能見度較低的時段較小的溫度露點差均與之對應。在17日之后，由于北方冷空氣下來，近地層濕度減小，能見度出現(xiàn)了好轉(zhuǎn)。

2 大霧持續(xù)期間的溫濕場特征分析

2.1 TlogP

由于大霧形成與穩(wěn)定的大氣層結密切相關， 通過分析發(fā)現(xiàn)大霧持續(xù)期間低層風速較小，且濕度場為上干下濕的穩(wěn)定層結。 大霧期間有明顯的逆溫層存在（圖2），15日之前逆溫層高度較低，均在1 000 hPa以下，10、11日夜間從地面圖（圖略）看出，高空無云，可以分析12日08：00的逆溫層是由于輻射降溫形成的，12日早晨的大霧屬于輻射霧，消散較快。14日08：00～20：00觀測記錄天空狀況不明， 說明該時段內(nèi)大氣垂直能見度降低， 濕層增厚，由此可見，該時段形成逆溫層的主要原因是13日夜間開始蒙古冷高壓的前部的弱冷空氣沿東北路不斷南下影響濟寧市，低層有弱槽過境， 當處于槽后干冷空氣控制時因為空氣下沉造成絕熱增溫形成的。15、16日逆溫層高度升高至925 hPa附近，從觀測記錄上看，這2 d白天到夜間期間云量一直較多，在霧霾天氣方面其實并沒有出現(xiàn)50 m以下的大霧，17日08：00逆溫層變得很薄，逆溫幅度小于2 ℃，而大霧持續(xù)期間的12～16日的逆溫幅度均在3 ℃以上。 大霧持續(xù)期間不僅925 hPa以下有逆溫層，在850 hPa附近還均有一個逆溫的存在，在16日08：00這個逆溫升高至700 hPa附近，說明低空出現(xiàn)了逆溫，低空逆溫是處于槽后干冷空氣控制時空氣下沉造成絕熱增溫形成的， 近地面逆溫和低空逆溫同時存在， 表明大氣層結穩(wěn)定。近地面逆溫有利于近地面層穩(wěn)定度增大和水汽積累， 低空逆溫又在低空形成暖蓋， 它的存在表示系統(tǒng)穩(wěn)定， 且下沉氣流使近地面層水汽不易擴散而聚集， 有利于近地面層維持潮濕， 持續(xù)幾天出現(xiàn)大霧[1]。

2.2 濕度場

從2013年1月12～16日（35°N、116°E）單點的濕度場隨時間的垂直剖面（圖3）可以看出，大霧持續(xù)期間，925 hPa以下均處在相對濕度很大區(qū)，均接近飽和，而中高層濕度較小，相對濕度場具有明顯的“上干下濕”的特征。一般而言， 一次連續(xù)性大霧過程有幾次短波槽活動， 這種“上干下濕”的高空槽有利于大霧的生成和維持， 其作用表現(xiàn)在兩方面：一方面700或850 hPa槽前暖平流的輸送有利于低層增溫， 而中高層較小的相對濕度使得天空云量少， 有利于近地層的輻射降溫， 從而容易形成低層的逆溫；另一方面 925 hPa 及以下槽前的暖濕氣流則有利于近地層濕度的增加；反過來講， 如果與高空槽配合的濕度場整層均很大， 將很可能會帶來降水天氣或云量增多， 穩(wěn)定層結將被破壞， 不利于大霧的生成與維持[2]。而此次過程中在大霧前期11日、12日夜間到13日白天和15日白天到夜間均有低槽過境，在低槽過境前，槽前的暖平流使近地面濕度加大；16日后中高層濕度增大，“上干下濕”層結破壞。

2.3 溫度場 連續(xù)性大霧發(fā)生時，華北平原 850 hPa 及以下層結通常為一暖脊或暖中心，低層暖性氣團的存在不僅有利于地面弱冷性氣團的變性減弱， 使系統(tǒng)內(nèi)風速減小， 同時也有利于低層逆溫的形成[3]，從圖4可以看出，在大霧持續(xù)期間925 hPa在華北地區(qū)有0～-4 ℃的弱暖脊存在。

圖4 2013年1月12～16日大霧過程中925 hPa溫度場平均

3 大霧持續(xù)期間風場分析

從（35°N、116°E）單點風場的高度時間剖面圖（圖5b）可以看出，11日白天有西北氣流影響，12～13日整層均在西到西南風的控制下，低層風速較小，僅為1～3 m/s，且950 hPa向上風隨高度逐漸增大，風向并無明顯改變，微風使輻散冷卻擴散到適當高度，并將水汽垂直向上輸送，有利于濕度層的堆積，由于地面觀測11日夜間至12日均為晴天，考慮12日早晨大霧為輻射霧，白天大霧有所緩解。13日夜間有一低槽過境，14日早晨為偏北氣流控制，隨后西南氣流控制，但低層風速仍然很小，不利于水汽的擴散，考慮14日早晨大霧仍為輻射降溫形成，在14日白天轉(zhuǎn)成西南氣流控制，且大霧全天維持，白天大霧為平流霧。15日又有槽移過之后時間整層轉(zhuǎn)為偏西到西北風控制，但低層風速較小，實況看出，15～16日濟寧地區(qū)，高空云量較多，且一直受輕霧影響，低能見度一直維持，17日后有較強冷空氣入侵，大霧天氣緩解。

4 空氣污染與霧霾天氣的關系

由圖6可見，在大霧持續(xù)期間，PM2.5的數(shù)值達到了重度污染的級別，霧霾最嚴重的14日，PM2.5的值高達425 μg/m3，由于穩(wěn)定的空氣層結不利于污染物的擴散，污染物產(chǎn)生堆積?？梢?，空氣污染對大霧形成或維持具有顯著的促進作用。

5 持續(xù)大霧預報著眼點

長期的緯向環(huán)流背景，若在此背景下出現(xiàn)了大霧，且環(huán)流形勢變化不大，往往可以以霧報霧，容易出現(xiàn)持續(xù)性霧霾天氣。持續(xù)大霧期間不斷移動來的短波槽“上干下濕”的層結，只有這種穩(wěn)定的形勢存在，大霧才能持續(xù)。強冷空氣的入侵是持續(xù)大霧結束的標志。強冷空氣的入侵往往破壞掉逆溫層，使大氣變得不再穩(wěn)定。當污染較為嚴重時，考慮大范圍霧霾天氣的出現(xiàn)。

6 總結

（1）此次大霧發(fā)生在脊前西北氣流控制的緯向大環(huán)流形勢下，西風環(huán)流平直，地面弱冷空氣影響，后期北方橫槽轉(zhuǎn)豎后冷空氣南下影響濟寧地區(qū)，中低層風速加大，穩(wěn)定層結破壞，大霧減弱或消散。

（2） “上干下濕”層結的持續(xù)是大霧長時間維持的因素，當近地面層濕度大、地面風速小、近地面又存在逆溫層的情況下， 霧會長時間維持。如果移動而來的短波槽整層濕度均較好，將造成云量增多，導致大霧減弱。

（3）空氣污染指數(shù)與霧霾天氣的發(fā)生有較好的相關性，