持續(xù)性霾天氣與大氣邊界層氣象條件的關(guān)系分析

楊雪艷 杜倩 慕秀香 張夢(mèng)遠(yuǎn)

摘要 利用地面氣象觀測(cè)資料以及氣象探空資料，從環(huán)流形勢(shì)特點(diǎn)、邊界層風(fēng)速、逆溫強(qiáng)度、濕度垂直分布特征、混合層高度、通風(fēng)系數(shù)等方面分析了2013年1月11～17日長(zhǎng)春市持續(xù)霾天氣的氣象條件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此次霾天氣發(fā)生在高空不斷有弱槽擾動(dòng)、冷空氣總體較弱的天氣背景下，大氣邊界層逆溫強(qiáng)、風(fēng)速偏小、濕度大、混合層高度持續(xù)<800 m、邊界層通風(fēng)系數(shù)持續(xù)< 3 000 m²/s，致使大氣水平擴(kuò)散能力和垂直交換能力弱，引發(fā)了此次持續(xù)霾天氣。

關(guān)鍵詞 霾;邊界層氣象條件;逆溫強(qiáng)度;混合層高度;通風(fēng)系數(shù)

中圖分類號(hào) S161 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A ?文章編號(hào) 0517-6611（2015）03-240-04

Relationships between Long Time Haze Weather and Boundary Layer Meteorological Conditions

YANG Xueyan， DU Qian， MU Xiuxiang et al

（Jilin Province Meteorological Observatory， Changchun， Jilin 130062）

Abstract ?Using the surface meteorological observation data and the sounding data， the meteorological conditions during the long time haze weather in Changchun Jan.11-17， 2013 ?were analyzed from circulation situation， boundary layer wind speed， intensity of inversion， vertical humidity distribution， the mixed layer height， ventilation coefficient etc. The results indicated that the haze occurred in the condition of weak trough disturbances and weak cold air. Strong boundary layer inversion， low wind speed， high humidity and the mixed layer height lasts for less than 800 meters， the boundary layer ventilation coefficient lasts less than 3 000 m²/s， caused weak ability of atmospheric horizontal diffusion and vertical exchange， which lead to the persistent haze weather.

Key words ?Haze; The boundary layer meteorological conditions; The intensity of inversion; The mixed layer height; Ventilation coefficient

基金項(xiàng)目 中國(guó)氣象局小型業(yè)務(wù)建設(shè)項(xiàng)目“京津冀、長(zhǎng)三角及珠三角環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)”。

作者簡(jiǎn)介 楊雪艷（1969- ），女，吉林長(zhǎng)春人，高級(jí)工程師，碩士，從事災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)方法和氣象服務(wù)方法研究。

收稿日期 20141205

近年來(lái)霾天氣顯著增多，氣候變化綠皮書《應(yīng)對(duì)氣候變化報(bào)告（2013）》指出，進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)中東部地區(qū)連續(xù)霾過(guò)程站次數(shù)增加顯著。連續(xù)3 d、4 d、5 d、6 d的霾過(guò)程站次分別是20世紀(jì)平均值的2.8、2.9、3.0和3.1倍，其中持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)的霾過(guò)程站次數(shù)增加越多。2013年我國(guó)平均霾日數(shù)為36 d，較常年偏多27 d，創(chuàng)52年來(lái)最多。霾天氣導(dǎo)致環(huán)境空氣質(zhì)量惡化，對(duì)生態(tài)建設(shè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活均會(huì)產(chǎn)生較大危害^[1-3]。陳仁杰等分析指出PM₂.5進(jìn)入肺部對(duì)局部組織有堵塞作用，可使局部支氣管的通氣功能下降，細(xì)支氣管和肺泡的換氣功能喪失;長(zhǎng)期暴露于高濃度PM₂.5下，可引起人群中的心肺系統(tǒng)疾病死亡率顯著增加^[4]。因此霾以及霾的預(yù)報(bào)預(yù)警越來(lái)越受到各級(jí)政府和廣大公眾的高度關(guān)注。廣大專家學(xué)者對(duì)于霾的成因也有較多分析^[5-8]，總體來(lái)說(shuō)，霾天氣形成主要受污染排放和大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋能力影響。污染源是造成空氣污染的根本原因，大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散能力是空氣污染的直接誘因。長(zhǎng)春市地處我國(guó)東北地區(qū)，冬季需要采暖，由于燃煤取暖加劇了污染物的排放，因此一旦遇有靜穩(wěn)天氣，就可能出現(xiàn)霾。近幾年長(zhǎng)春市霾天氣增多，特別是2013年1月11～17日長(zhǎng)春市出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)7 d的霾天氣，空氣質(zhì)量有4 d達(dá)到嚴(yán)重污染級(jí)別，有3 d為重度污染，霾持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)為歷史罕見。筆者重點(diǎn)分析此次長(zhǎng)春市持續(xù)霾發(fā)生時(shí)的氣象條件，找出持續(xù)霾形成的氣象條件，為持續(xù)霾的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 資料和方法

研究選取了長(zhǎng)春市環(huán)境監(jiān)測(cè)站2013年1月11～17日逐日空氣質(zhì)量觀測(cè)資料以及相應(yīng)時(shí)段地面風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、氣壓和高空溫度、風(fēng)速等氣象觀測(cè)資料。

為研究霾與邊界層大氣特征的關(guān)系，計(jì)算了相應(yīng)時(shí)段逆溫層高度、逆溫強(qiáng)度、混合層高度以及通風(fēng)系數(shù)。逆溫層高度是指大氣逆溫層頂與底之間的垂直距離。逆溫強(qiáng)度是逆溫層內(nèi)大氣溫度垂直遞減率，越大表示逆溫越強(qiáng)，越不利于大氣污染物擴(kuò)散。逆溫層高度計(jì)算公式為th=H₁-H₂，其中H₁為逆溫層頂高度，H₂為逆溫層底高度;逆溫強(qiáng)度ITI=△T/th，其中△T為逆溫層頂減去逆溫層底溫度差，th為逆溫層厚度?；旌蠈痈叨炔捎昧_氏法計(jì)算^[9]，其計(jì)算公式為

H=1216（6-P）（T-Td）+0.169P（uz+0.257）12fln（z/z₀），式中，T為地面氣溫，Td為露點(diǎn)溫度，單位為K;uz為z高度處的平均風(fēng)速，單位m/s;z₀為地面粗糙度，單位m;f為柯氏參數(shù)，單位s^-1，f=2Ωsinφ，其中Ω為地轉(zhuǎn)角速度，φ為地理緯度;P 為帕斯圭爾穩(wěn)定度級(jí)別（大氣穩(wěn)定度級(jí)別為A～F 時(shí)，P值依次為1～6）。

2 霾天氣實(shí)況

2013年1月11～17日長(zhǎng)春市出現(xiàn)了持續(xù)的霾天氣，首要污染物為PM₂.5，期間PM₂.5日平均濃度在173 ～375 μg/m³，空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）均在200以上，最大達(dá)417，12～15日空氣質(zhì)量等級(jí)均為6級(jí)，連續(xù)4 d為嚴(yán)重污染級(jí)別，11、16～17日為重度污染（表1）。

表1 2013年1月11～17日長(zhǎng)春市空氣質(zhì)量

日期PM₂.5日平均濃度

μg/m³AQI指數(shù)空氣質(zhì)

量等級(jí)

01-111842345

01-123544036

01-132823326

01-143403906

01-153754176

01-162452955

01-171732235

3 持續(xù)霾與大氣邊界層氣象條件的關(guān)系分析

大氣對(duì)污染物的稀釋、擴(kuò)散能力與邊界層氣象條件密切相關(guān)，氣象條件如風(fēng)速、降水、溫度、濕度以及通風(fēng)系數(shù)、逆溫強(qiáng)度、逆溫層高度等對(duì)污染物的擴(kuò)散、分布、稀釋、遷移、轉(zhuǎn)化等均會(huì)產(chǎn)生影響。

3.1 持續(xù)霾發(fā)生的環(huán)流背景

3.1.1 高空環(huán)流形勢(shì)特征。從1月11～17日500 hPa高度距平及環(huán)流形勢(shì)圖上（圖1）可以看出，西伯利亞到貝加爾湖為正距平中心，中心強(qiáng)度達(dá)12 dagpm，我國(guó)西北、華北以及東北地區(qū)西部為正距平區(qū)，日本海到我國(guó)東北地區(qū)東部為負(fù)距平區(qū)，長(zhǎng)春市處于正、負(fù)距平交界處;期間歐亞大陸環(huán)流形勢(shì)較為穩(wěn)定，呈西高東低分布，從西西伯利亞到我國(guó)甘肅、內(nèi)蒙一帶維持一個(gè)強(qiáng)的高壓脊，在鄂霍次克海到日本列島中部有一個(gè)低壓中心，同時(shí)也是一個(gè)冷空氣中心，在中西伯利亞有一個(gè)弱低壓中心及冷空氣中心，長(zhǎng)春市主要處于高壓脊前，當(dāng)暖高壓脊略東移時(shí)，長(zhǎng)春市就處于暖空氣影響下，當(dāng)北部和東部冷空氣入侵高壓脊前部時(shí)，長(zhǎng)春市就受弱冷空氣影響。

霾天氣形成初期，正處于暖空氣影響下，11日低層氣溫較前期明顯回升，長(zhǎng)春市750～1 500 m內(nèi)升溫幅度平均達(dá)7.5 ℃，而地面由于夜間輻射降溫強(qiáng)，升溫較慢，使750 m以內(nèi)逆溫7 ℃，大氣層結(jié)異常穩(wěn)定。加之地面為倒槽低壓，氣

圖1 2013年1月11～17日500 hPa高度場(chǎng)（黑色等值線）及距平場(chǎng)（色斑圖）

壓梯度小，風(fēng)力小，濕度大，形成了靜穩(wěn)天氣，很不利于污染物稀釋和

擴(kuò)散，導(dǎo)致霾天氣形成。12～17日期間中西伯利亞冷空氣3次向西向南擴(kuò)散，致使在高壓脊前出現(xiàn)3次弱槽影響（圖2），但由于此間長(zhǎng)春市低層冷暖空氣勢(shì)力相近，冷空氣勢(shì)力弱，導(dǎo)致了霧霾的持續(xù);此間850 hPa溫度頻繁小幅度升降，溫度日變化在3 ℃以內(nèi)，如12日下降3 ℃，13日升高2 ℃，14日又下降3 ℃，15日升高1 ℃，16日又下降2 ℃，17日再升高1 ℃，沒有強(qiáng)冷空氣影響，因此靜穩(wěn)氣象條件持續(xù)，造成了持續(xù)霾。

注：黑色實(shí)線為等高線，紅色虛線為-44 ?℃等溫度線。

圖2 2013年1月12日（a）、13日（b）和15日（c）08：00 500 hPa高度環(huán)流形勢(shì)

3.1.2 地面影響系統(tǒng)。從地面影響系統(tǒng)（圖3）上看，11～12日為弱低壓影響，13日為高壓，14～17日為倒槽影響，長(zhǎng)春市氣壓梯度均比較小，因此地面風(fēng)一直較小。

3.2 霾與邊界層風(fēng)速的關(guān)系

此次持續(xù)霾發(fā)生期間（1月11～17日），長(zhǎng)春市地面平均風(fēng)速為1.7 m/s，比常年同期（3.0 m/s）減少43.3%，有5 d風(fēng)速<2.0 m/s，期間每日風(fēng)速均低于常年同期（圖4），且為2001年以來(lái)同期風(fēng)速最小的一年（圖5）;而同月空氣質(zhì)量較好的2～4日（空氣質(zhì)量為2級(jí)），平均風(fēng)速分別為3.5、3.5和5.0 m/s，明顯高于霾發(fā)生期間的地面風(fēng)速。從925 hPa風(fēng)速可以看出，925 hPa風(fēng)速也較小，11～17日925 hPa平均風(fēng)速為5.2 m/s?？梢?，近地層風(fēng)速小，空氣水平流動(dòng)弱，不利于污染物水平擴(kuò)散，造成了此次持續(xù)霾天氣。

3.3 霾發(fā)生時(shí)溫度的垂直結(jié)構(gòu)特征

一般來(lái)說(shuō)，大氣對(duì)流層內(nèi)溫度隨高度遞減，即底層暖上層冷，有利于地面氣流上升，底層空氣中的污染物可以向上擴(kuò)散。但在某些特殊情況下，高層氣溫反而高于低層氣溫，這種現(xiàn)象稱之為逆溫。逆溫層的物理特征是下冷上暖、氣體狀態(tài)穩(wěn)定，對(duì)氣體上下對(duì)流有抑制作用，不利于大氣污染物的擴(kuò)散，逆溫厚度越厚，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，造成的污染越嚴(yán)重。

趙桂香等對(duì)1994 年11月發(fā)生在山西省的持續(xù)性霧霾天氣過(guò)程進(jìn)行分析表明，850 ?hPa 以下相對(duì)濕度的變化是判斷霧霾天氣形成的基本條件; 而逆溫層的持續(xù)存在是霧霾天氣持續(xù)的重要原因; 濕度差異和逆溫強(qiáng)度差異可作為判斷大范圍霧霾天氣的指標(biāo)^[10]。王

注：a.11日08：00;b.13日08：00;c.15日08：00;d.17日08：00。

圖3 2013年1月11～17日地面氣壓場(chǎng)

麗研究表明霧霾天氣對(duì)應(yīng)著低空逆溫^[11]。經(jīng)分析（圖6），此次持續(xù)性霧霾發(fā)生期間，1 500 m高度以內(nèi)溫度隨高度升高，即存在逆溫層，1 500 m高空與地面逆溫平均達(dá)-6.4 ?℃，逆溫層厚度平均達(dá)1 500 m，逆溫強(qiáng)度平均達(dá)0.43 ?℃/100m，13日最強(qiáng)，達(dá)0.71 ℃/100m，且每天均有逆溫存在，說(shuō)明這些天長(zhǎng)春市逆溫層深厚，因此嚴(yán)重抑制了空氣中污染物的擴(kuò)散。

圖4 2013年1月11～17日長(zhǎng)春市日平均風(fēng)速與常年同期對(duì)比

圖5 2001～2013年逐年1月11～17日長(zhǎng)春市平均風(fēng)速

圖6 2013年1月1～17日溫度垂直分布

圖7 2013年1月11～17日相對(duì)濕度與常年同期對(duì)比

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2015年

3.4 霾與邊界層濕度的關(guān)系 濕度大，污染物粒子膨脹并互相碰并吸附，會(huì)使污染物增大，更不利于污染物稀釋。這次霾發(fā)生期間濕度垂直分布是上干下濕，地面到750 m附近濕度大，特別是地面平均相對(duì)濕度為74.6%，比常年同期高8.6%，且每一天均高于常年同期（圖7）。而1 500～3 000 m濕度迅速減小，3 000 m附近相對(duì)濕度僅為37%。

3.5 霾與混合層高度的關(guān)系

大氣邊界層中性或不穩(wěn)定時(shí)，由于動(dòng)力或熱力湍流的作用，邊界層內(nèi)上下層之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)量或熱量交換，通常把出現(xiàn)這一現(xiàn)象的層稱為混合層。葉堤等研究表明月平均混合層厚度和月平均空氣質(zhì)量指數(shù)（API）呈顯著負(fù)相關(guān)^[12];楊靜等分析烏魯木齊混合層高度與空氣污染發(fā)現(xiàn)，混合層高度與API相關(guān)系數(shù)為-0.95，表明大氣混合層高度是影響空氣質(zhì)量的重要因素^[13]。

混合層高度存在日變化特征，即夜間低，中午前后高;文中所指混合層高度為當(dāng)日日平均混合層高度，即02：00、08：00、14：00、20：00 4個(gè)時(shí)次混合層高度的平均。

此次持續(xù)霾發(fā)生期間，長(zhǎng)春市上空大氣混合層高度偏低，平均混合層高度為641 m，最低為363 m。從9～18日混合層高度和空氣質(zhì)量AQI指數(shù)圖上（圖8）可以看出，混合層高度和空氣質(zhì)量AQI指數(shù)存在反比關(guān)系，混合層高度越低空氣質(zhì)量AQI指數(shù)越高，空氣污染越重。9、10日混合層高度在830～870 m，AQI指數(shù)低于200，11日混合層高下降至724 m，AQI指數(shù)達(dá)234，開始出現(xiàn)重度污染天氣;12日混合層高度下降至363 m，當(dāng)日AQI指數(shù)達(dá)403，開始出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣;12～16日混合層高度均在800 m以下，AQI指數(shù)達(dá)295～417，均為嚴(yán)重污染天氣;17、18日混合層高度分別上升至917和1 100 m，而AQI指數(shù)下降至223和191。

圖8 2013年1月9～18日長(zhǎng)春市混合層高度及AQI指數(shù)對(duì)比

3.6 霾與通風(fēng)指數(shù)的關(guān)系 通風(fēng)系數(shù)是反映大氣邊界層內(nèi)通風(fēng)情況的物理量，值越小越不利于污染物擴(kuò)散。

此次持續(xù)霾發(fā)生期間，長(zhǎng)春市邊界層內(nèi)通風(fēng)系數(shù)較小。從9～18日邊界層通風(fēng)系數(shù)和空氣質(zhì)量AQI指數(shù)對(duì)比（圖9）可以看出，通風(fēng)系數(shù)越小空氣質(zhì)量AQI指數(shù)越高，空氣污染越重。9、10日邊界層通風(fēng)系數(shù)>3 000 m²/s，AQI指數(shù)低于200;11日通風(fēng)系數(shù)減小至2 500 m²/s以下，AQI指數(shù)上升，開始出現(xiàn)重度污染天氣;12～16日期間，通風(fēng)系數(shù)均在3 000 m²/s，AQI指數(shù)均高于200，特別是12和15日，通風(fēng)系數(shù)

很小，分別為780

和1 116 m²/s，而AQI指數(shù)分別達(dá)403和417;17日通風(fēng)系數(shù)

圖9 2013年1月9～18日長(zhǎng)春市通風(fēng)系數(shù)及AQI指數(shù)對(duì)比圖

增大，AQI指數(shù)開始大幅度降低，18日隨著通風(fēng)系數(shù)進(jìn)一步增大至6 000 m²/s以上， AQI指數(shù)下降至200以下。

4 結(jié)論

（1）高壓脊前不斷有弱槽擾動(dòng)，但冷空氣弱，小幅度冷暖變化頻繁，當(dāng)高空回暖時(shí)，由于地面夜間輻射降溫強(qiáng)，地面溫度仍然較低，致使大氣逆溫強(qiáng)，逆溫層厚;加之地面氣壓梯度小，導(dǎo)致持續(xù)靜穩(wěn)天氣。持續(xù)靜穩(wěn)天氣嚴(yán)重抑制了污染物的擴(kuò)散，引發(fā)了持續(xù)霾天氣。

（2）混合層高度持續(xù)低于800 m，大氣湍流交換能力持續(xù)偏弱，導(dǎo)致霾天氣持續(xù)。

（3）邊界層內(nèi)風(fēng)速小，通風(fēng)能力弱，通風(fēng)系數(shù)持續(xù)<3 000 m²/s，空氣水平流動(dòng)慢使污染物水平擴(kuò)散能力差，也是導(dǎo)致此次霾的重要原因。

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