浙北地區(qū)一次冷空氣過程中的灰霾天氣過程分析

周之栩

(湖州市氣象局，浙江 湖州 313005)

浙北地區(qū)一次冷空氣過程中的灰霾天氣過程分析

周之栩

(湖州市氣象局，浙江 湖州 313005)

利用常規(guī)氣象觀測資料、中尺度自動站資料、探空站資料和空氣污染資料，對2014年1月3-4日浙北地區(qū)的一次大范圍灰霾天氣過程進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明：冷空氣南下和中層高度的干燥暖舌影響，是這次灰霾天氣過程的天氣背景；冷空氣受到700 hPa干暖舌的抑制作用，侵入700 hPa以上高度的速度緩慢，導(dǎo)致地面雖然有較大風(fēng)速，但在中層形成的逆溫結(jié)構(gòu)，使得這次灰霾天氣過程能夠維持；發(fā)生霾時的混合層高度比輕霧高，大氣混合層高度的變化對霾的發(fā)展變化有較好的指示作用，可為霾的預(yù)報提供參考依據(jù)。

霾;逆溫層;混合層高度

0 引 言

灰霾在大氣科學(xué)名詞被定義為：懸浮在空中肉眼無法分辨的大量微粒，使水平能見度小于10 km的天氣現(xiàn)象[1]?；姻膊粌H使大氣能見度下降，影響交通安全，而且對人體健康也有極大的影響。近年來, 隨著工業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，人類活動向大氣中排放的污染物大量增加, 導(dǎo)致都市灰霾天氣急劇增多，灰霾問題也越來越引起各國政府和公眾的廣泛關(guān)注。近年來由于觀測手段的豐富和觀測技術(shù)的提高，很多學(xué)者通過不同的途徑對灰霾天氣作了分析研究。如吳兌等研究了珠三角地區(qū)大氣灰霾導(dǎo)致能見度下降的問題[2]；胡榮章等在化學(xué)成分分析的基礎(chǔ)上，利用灰霾與能見度的關(guān)系，數(shù)值模擬了南京地區(qū)能見度分布及灰霾天氣現(xiàn)象[3]；劉愛君等對廣州灰霾天氣的氣候特征進(jìn)行了分析[4]；童堯青等利用南京及其郊區(qū)氣象站的觀測資料，研究了南京地區(qū)霾天氣的氣象要素特征，并對其成因進(jìn)行了分析[5]；魏秀蘭等對魯西南霾天氣個例進(jìn)行了分析,上述研究加深了人們對霾的認(rèn)識[6]，研究[7-9]發(fā)現(xiàn), 灰霾往往出現(xiàn)在地面風(fēng)速較小的情況下，在受到冷空氣影響后, 隨著地面風(fēng)速的增大,大氣水平擴(kuò)散能力增強(qiáng), 灰霾天氣過程往往也隨之結(jié)束。2013年1月3—4日, 浙江省北部地區(qū)(杭州、嘉興、湖州,以下簡稱浙北地區(qū))出現(xiàn)了一次大范圍灰霾天氣過程，3日下午, 冷空氣開始影響浙北地區(qū)，風(fēng)力加大，出現(xiàn)灰霾天氣的區(qū)域范圍隨冷空氣的影響發(fā)生變化,但出現(xiàn)灰霾天氣的站點數(shù)量仍然較多,在較大風(fēng)速情況下仍然有多個站點出現(xiàn)了灰霾天氣；同時在整個冷空氣影響過程中，出現(xiàn)灰霾天氣的站點數(shù)量基本沒有明顯的減少，這是本次天氣過程值得研究的地方。本文對這次灰霾天氣過程進(jìn)行了分析, 試圖探討本次過程的成因，希望為霾的預(yù)報提供一些參考依據(jù)。

1 霾天氣過程概述

1.1 霾和空氣污染監(jiān)測分析

2014年1月3日浙北地區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍霾天氣過程。3日08:00,浙北地區(qū)除5站為輕霧外，其余13站都為霾天氣。之后，隨著日間氣溫上升和人類活動增多，輕霧逐漸消散，而霾開始增多。到了3日10:00，浙北地區(qū)全境已被霾影響，其中嘉興全境出現(xiàn)了能見度小于3 km的中度霾；3日14:00左右，冷空氣開始影響浙北地區(qū)，風(fēng)力增大，浙北地區(qū)能見度有所好轉(zhuǎn)，但全境的霾站個數(shù)沒有減少，這種情況持續(xù)到4日17:00，4月18:00起嘉興東部平湖、海鹽兩站轉(zhuǎn)為輕霧，其余仍為霾天氣，以后隨著氣溫降低，空氣濕度增大，至4日23:00全境轉(zhuǎn)為輕霧。

導(dǎo)致霾天氣的是大氣中的氣溶膠顆粒，因此霾的形成與污染物排放密切相關(guān)。根據(jù)浙江省環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計平臺1月3—4日發(fā)布的杭嘉湖城市每日空氣質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果表明，杭州和嘉興的空氣污染指數(shù)均在150～250之間, 屬中度或重度污染，湖州的空氣污染指數(shù)達(dá)200～260之間，屬于重度或嚴(yán)重污染，3地的首要污染物均為可吸入顆粒物PM2.5。從影響范圍和影響時間上看, 是2013—2014年冬季浙江省最嚴(yán)重的灰霾天氣過程之一。

1.2 天氣背景

從1月3日08:00時500 hPa天氣圖(圖1)上可以看到,在東北至山東有一大槽維持，同時在在112°E附近有一短波槽活動，浙江處于槽前的西南偏西氣流控制；700 hPa高空槽在115°E附近，浙江受偏西氣流影響，配合溫度場來看, 在云貴高原以東存在一個暖中心, 有一條干燥的暖舌從暖中心延伸到浙北地區(qū)；在850 hPa圖上, 我國中東部地區(qū)均為溫度脊控制，高空槽由東北穿過江蘇直至安徽并逐漸東移南壓，地面圖上位于我國北方的弱冷空氣前鋒到達(dá)東北、內(nèi)蒙古一線，我國中東部地區(qū)為均壓場或弱高壓控制，氣壓梯度小，水平風(fēng)速弱，不利于污染物的水平擴(kuò)散，天氣形勢有利于大范圍灰霾發(fā)生。

圖1 2014年1月3日08時500 hPa環(huán)流圖

3日下午16:00左右，冷空氣開始影響浙北地區(qū)，4日08:00, 500hPa圖上，浙北地區(qū)仍為偏西風(fēng)控制，850 hPa和700 hPa天氣圖上，浙北已轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，但700hPa的干暖舌仍然存在，暖平流不斷向浙北地區(qū)輸送，這種情況一直維持到4日20:00以后；地面圖上，浙北風(fēng)力加大，部分地區(qū)的地面最大風(fēng)力達(dá)到6～7 m/s，全境霾天氣有所緩解，但霾站個數(shù)沒有減少，4日14:00以后，隨著冷空氣勢力逐漸減弱，浙北地區(qū)風(fēng)力減小，能見度重新轉(zhuǎn)差，霾又逐漸加重。

綜上所述, 本次冷空氣過程雖然使得地面風(fēng)力加大，但由于中層干暖舌的存在，使得中層始終有暖平流向浙北地區(qū)輸送，抑制了冷空氣向700 hPa以上的侵入，是這次冷空氣大范圍灰霾天氣能夠持續(xù)的重要因素。

2 灰霾天氣的氣象要素特征

2.1 地面要素特征分析

隨著現(xiàn)代觀測手段的發(fā)展，中尺度自動站觀測的氣象要素多且時間分辨率高, 在3—4日的持續(xù)灰霾天氣過程中, 能夠連續(xù)觀測到灰霾和相關(guān)氣象要素的變化。本文以杭州、嘉興、湖州3站的氣象要素平均值來分析這次灰霾天氣過程中浙北地區(qū)地面氣象要素的變化特征。

日期時次圖2 杭嘉湖3站2014年1月3日08:00—4日20:00杭嘉湖逐時平均風(fēng)速、平均3 h變壓及平均24 h變壓曲線圖

圖2是2014年1月3日08:00到4日20:00杭嘉湖逐時平均風(fēng)速、平均3 h變壓及平均24 h變壓曲線圖。由圖可見，3日12:00之前，浙北地區(qū)的氣壓變化很小，風(fēng)力也不大，這與饒曉琴等提出的“小的風(fēng)速有利于污染物的聚集，降低大氣能見度，形成灰霾”[10]的觀點非常一致。3日14:00后，隨著冷空氣的逐漸南下影響浙北地區(qū)，氣壓持續(xù)增大，風(fēng)力也開始增強(qiáng)。3日20:00的3 h變壓達(dá)到2.1 hPa，24 h變壓也達(dá)到4.0 hPa, 風(fēng)速增加到6 m/s(4級)，浙北地區(qū)有15個站點在出現(xiàn)灰霾天氣時的風(fēng)力達(dá)到3～4級；其中，湖州站8.7 m/s(5級)為最大；4日2:00, 氣壓繼續(xù)增大，風(fēng)力持續(xù)上升，但仍有12個站點在3～4級的風(fēng)力下出現(xiàn)灰霾天氣, 以德清站(湖州)的7.6 m/s(4級)最大；此后的4日2:00-17:00，浙北地區(qū)在有霾天氣影響的情況下，始終有超過9站的風(fēng)力維持在3～4級以上，在存在如此之大的地面風(fēng)速的情況下，整個浙北地區(qū)仍維持大范圍的灰霾天氣，與“冷空氣影響灰霾區(qū)域后會導(dǎo)致灰霾消散的觀點”[9]較不一致。

2.2 大氣層結(jié)特征分析

研究[11,12]表明，近地層出現(xiàn)逆溫，可使污染物在地面上停滯積聚，加劇空氣污染的程度， 有利于霧霾天氣的形成。從杭州市1月3日08:00、20:00及4日08:00的探空資料中可見(圖3a、3b)，3日08: 00杭州近地面存在一個逆溫層， 最高逆溫層頂較低，在925 hPa以下，有利于污染物在邊界層內(nèi)積聚，此時杭州地面為霾天氣，同時受700 hPa干暖舌影響，700～600 hPa之間也有逆溫層存在；20:00地面冷空氣已經(jīng)開始影響杭州，700 hPa已轉(zhuǎn)為偏北氣流，但受700 hPa干暖舌的抑制作用，700～600 hPa之間的逆溫層仍然維持，使得冷空氣只影響到700 hPa 以下高度，700 hPa以上高度仍以偏西南氣流為主，近地面仍有逆溫層維持，但強(qiáng)度有所減弱，大氣湍流交換和熱力對流仍然較弱，不利于污染物擴(kuò)散，因此霾持續(xù)，但強(qiáng)度有所減弱；4日08:00，冷空氣仍未侵入700 hPa 以上高空，同時600～925 hPa轉(zhuǎn)為逆溫層， 近地面層的逆溫也開始加強(qiáng)，灰霾天氣持續(xù)，強(qiáng)度加強(qiáng)。

圖3 杭州2014年1月3日0時(a)20時(b)4日08時(c)探空曲線圖

杭州的大氣層結(jié)分析表明，在這次灰霾天氣過程中，雖然近地面層的逆溫層較為淺薄，但由于冷空氣受到700 hPa 干暖舌的抑制作用，侵入700 hPa以上高度的速度緩慢，導(dǎo)致地面雖然有較大風(fēng)速，但也形成低層偏冷、中層偏暖的逆溫層結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致大范圍灰霾天氣能夠持續(xù)。

3 灰霾天氣混合層高度分析

混合層高度表征污染物在垂直方向被熱力對流與動力湍流輸送所能達(dá)到的高度，是影響污染物擴(kuò)散的重要參數(shù)。當(dāng)混合層高度較低時，污染物在垂直方向的混合輸送受到限制，易造成較高濃度的污染。計算混合層高度常用方法為羅氏法，它是Nozaki 等人1973年提出的一種利用地面氣象資料估算混合層高度的方法[13]。計算公式如下：

(1)

(1)式中，h為混合層高度，T-Td為溫度露點差，P為Pasquill穩(wěn)定度級別[14]，Uz為高度Z處的平均風(fēng)速，Z0為地表粗糙度，f為地轉(zhuǎn)參數(shù)。圖4是應(yīng)用羅氏法計算的杭州、嘉興、湖州3站2014年1月3日08時到4日20時的混合層高度變化圖。

圖4 杭嘉湖3站2014年1月3日08時—4日20時混合層變化圖

如圖4可見，3日8:00杭州、湖州的混合層高度在1 km左右，兩站為霾天氣(參見圖3a，杭州925 hPa以下有一逆溫層，有利于污染物在邊界層內(nèi)積聚)，嘉興的混合層高度在500 m左右，為輕霧控制；隨后3站的混合層高度逐步抬高，隨著水汽、污染物向上擴(kuò)散稀釋，嘉興的輕霧也逐漸轉(zhuǎn)為霾天氣；3日14:00左右，近地面開始受到冷空氣的影響, 但混合層高度變化不大，基本維持在1.5～2.0 km之間，整個浙北地區(qū)仍為霾天氣影響；3日20:00至4日14:00，3站的混合層高度基本維持在1.0～1.5 km，浙北地區(qū)能見度有所好轉(zhuǎn)，但全境的霾站個數(shù)沒有減少(參見圖3b、3c，雖然地面冷空氣已經(jīng)開始影響浙北地區(qū)，但受700 hPa干暖舌的抑制作用，700～600 hPa之間的逆溫層始終存在，對混合層的維持非常有利)；4日14:00以后，隨著地面風(fēng)力的逐漸減小，3站的混合層高度也是逐步降低，地面能見度也出現(xiàn)了同步的下降，至4日19—20時，當(dāng)湖州、嘉興的混合層高度達(dá)到500 m左右時，兩站又轉(zhuǎn)為了輕霧天氣，當(dāng)混合層高度降低時，有利于低層水汽積聚, 促進(jìn)霧的形成和發(fā)展。

4 結(jié) 語

1)冷空氣南下和中低層的干燥暖舌影響，是這次灰霾天氣過程發(fā)生的天氣形勢背景。

2)冷空氣受到700 hPa干暖舌的抑制，侵入700 hPa以上高度的速度緩慢，雖然地面有較大

風(fēng)速，但在中層形成的逆溫結(jié)構(gòu)，有效地阻止污染物的垂直輸送，使大氣中的顆粒物在混合層內(nèi)堆積，導(dǎo)致了大范圍的灰霾天氣過程出現(xiàn)、維持。

3)發(fā)生霾時的混合層高度比輕霧高，大氣混合層高度的變化對霾的發(fā)展變化有較好的指示作用，可為霾的預(yù)報提供參考依據(jù)；同時當(dāng)混合層高度低于500 m時，霾天氣是否就容易轉(zhuǎn)為霧天及混合層高度超過2 km時，是否霾天氣就逐步消失，都值得我們進(jìn)一步探討分析。

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2014-06-30