湖州市一次重度霧霾天氣過程的特征分析*

周之栩　向　華　吳　彬　張喜亮

(湖州市氣象局, 浙江 湖州313005)

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湖州市一次重度霧霾天氣過程的特征分析*

周之栩向華吳彬張喜亮

(湖州市氣象局, 浙江 湖州313005)

摘要：2015年1月22—26日湖州地區(qū)出現(xiàn)了一次嚴(yán)重的持續(xù)性霧霾天氣過程,嚴(yán)重影響了該地區(qū)人們的生活健康。借助空氣質(zhì)量AQI數(shù)據(jù)、地面氣象要素、探空站資料及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析了本次重污染過程的污染特征及其成因。結(jié)果表明：在弱高壓控制下,地面風(fēng)速較小,天氣條件靜穩(wěn),不利于污染物擴散,容易造成持續(xù)性重污染；中低層形成的逆溫結(jié)構(gòu),使得這次霧霾天氣過程能夠維持；來自北方的污染物輸入使本地空氣質(zhì)量狀況更加惡劣,同時衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)顯示此次污染為區(qū)域性污染；大氣混合層高度的變化對霧霾的發(fā)展變化有較好的指示作用,當(dāng)混合層高度較低時,污染物在低層容易積聚,更容易造成較強的污染,可為霧霾的預(yù)報提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：霾; 溫度層結(jié);衛(wèi)星遙感

0引言

霾也稱灰霾,是大量極細微的塵粒等均勻地浮游在空中,使能見度小于 10 km 的空氣普遍混濁的現(xiàn)象。隨著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展,工業(yè)的進步和城市化的加快,人類活動排放大量的污染物以及城市中心風(fēng)速減小,為大氣氣溶膠的低空積聚創(chuàng)造有利條件,導(dǎo)致霾天氣不斷增加,從而對交通安全、人體健康、氣候變化等造成了較大的威脅,近年來霾天氣越來越受到公眾和政府的關(guān)注。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。白志鵬等[1]對由于霧霾影響導(dǎo)致的城市光化學(xué)煙霧污染進行了研究；曹進冬[2]對全國50 a來的霧霾變化進行了研究,發(fā)現(xiàn)長三角地區(qū)和珠三角地區(qū)的霧霾變化數(shù)增加最快；饒曉琴等[3]對發(fā)生在我國中東部的一次大范圍霾天氣進行了分析,指出了此次霾天氣形成的環(huán)流特征和要素場特征；童堯青等[4]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,并對其成因進行了分析。這些研究分析了霧霾天氣的主要成因和天氣形勢,為霧霾的防治及應(yīng)急處理提供了理論依據(jù),也使霧霾的預(yù)報監(jiān)測成為可能。由于各地的氣候和地理環(huán)境存在一定差異,且大氣環(huán)流場背景不同,致使霧霾天氣產(chǎn)生的時間強度都有所不同。本文通過對湖州地區(qū)2015 年1月22—26日的一次重霧霾天氣過程進行分析,探討本次過程的成因及變化特征,希望為霧霾的預(yù)報提供一些參考依據(jù)。

1霧霾天氣過程概述

1.1霧霾天氣實況

2015年1月22日至26日湖州地區(qū)出現(xiàn)了一次重度霧霾天氣過程,首要污染物均為可吸入顆粒物PM2.5。22日0:00開始湖州能見度3.5 km左右,已是輕度霾天氣,隨后能見度逐漸降低,至6:00能見度已降至2 km以下,出現(xiàn)輕霧,隨后能見度回升,濕度減小,輕霧轉(zhuǎn)為重度霾,并一直維持至晚上20:00,21:00后,濕度逐漸上升至95%以上,重度霾轉(zhuǎn)為大霧天氣,大霧持續(xù)至23日11:00,隨著日間氣溫的逐步升高,濕度下降,大霧又重新轉(zhuǎn)為了重度霾天氣,并一直維持至24日2:00；24日3:00后,能見度繼續(xù)下降,濕度上升,重度霾轉(zhuǎn)為了大霧；14:00后,隨著濕度下降,能見度重新回到2 km以上,大霧轉(zhuǎn)為了重度霾并維持至25日1:00；2:00后霾天氣逐漸轉(zhuǎn)為輕霧,13:00后能見度逐漸上升至1 km以上,同時濕度也在80%左右,輕霧轉(zhuǎn)為嚴(yán)重霾,并維持至21:00；隨后濕度逐步增大,能見度進一步下降,嚴(yán)重霾轉(zhuǎn)為了大霧,大霧持續(xù)至26日13:00,隨后濕度下降,能見度回升,大霧消散,中度霾重現(xiàn)；27日后,隨著北方冷空氣的影響,湖州地區(qū)出現(xiàn)降雨,本次重霧霾過程逐漸減弱消失。

1.2空氣質(zhì)量監(jiān)測分析

圖1為1月22—26日污染期間AQI逐小時的變化圖。如圖所示：從22—26日湖州的空氣質(zhì)量狀況基本都在中度污染以上,其中23日5:00—26日16:00一直維持在重度污染以上；25日13:00至21:00空氣質(zhì)量最差,達到了嚴(yán)重污染。從圖1還可發(fā)現(xiàn)：除25日外,每日大致在18:00—20:00AQI指數(shù)達到低值；凌晨的濃度則逐漸升高,9:00—11:00為峰值區(qū)間。25日10:00開始,AQI指數(shù)迅速上升,至13:00超過300,達嚴(yán)重污染,隨后繼續(xù)攀升,至17:00達峰值333,并在其后的4 h內(nèi)維持在300以上。這是2015年湖州市年初最嚴(yán)重的一次霾污染過程,市氣象臺連續(xù)4 d發(fā)布了霾橙色預(yù)警信號。

圖1　2015年1月22—26日AQI逐小時變化圖

2天氣形勢與主要氣象因子變化

2014年1月21日,我國中東部地區(qū)受北方冷空氣影響,大部分地區(qū)被干冷空氣控制,隨著冷高壓東移入海,勢力逐漸減弱,中東部大部區(qū)域轉(zhuǎn)而被變性弱高壓所控制,近地層濕度逐漸增加,為霧霾的形成創(chuàng)造了有利條件。

從1月22日08時的地面天氣形勢上看(圖2a),華東區(qū)域受弱冷高壓影響,湖州地區(qū)天氣晴朗,近地面盛行偏北氣流,08時的能見度為1.1 km,相對濕度為90%,風(fēng)速2.1 m/s,天氣現(xiàn)象為霾,天氣形勢穩(wěn)定,污染物已經(jīng)開始沉積。由于風(fēng)力微弱,使得輸送擴散能力弱,容易造成近地層污染物的進一步堆積。從22日08時850 hPa高空天氣形勢圖上也可看到(圖略),湖州及周邊地區(qū)主要受弱高壓脊影響,本地上空垂直方向上為下沉氣流,使得垂直方向上的污染物難擴散,逐漸累積,另外地面基本為靜穩(wěn)天氣,已堆積的污染物在水平方向的擴散能力較弱,進一步導(dǎo)致顆粒物濃度上升,加劇了污染現(xiàn)象。由1月25日08時的地面天氣形勢圖(圖2b)可見,華東地區(qū)受地面倒槽影響,處于弱輻合區(qū),同時風(fēng)力0.4 m/s,風(fēng)向為西北風(fēng),大氣擴散條件非常差,不利的氣象條件造成污染物持續(xù)累積,已經(jīng)累積多日的污染物在弱輻合氣流的匯聚下進一步堆積,污染情況再次加??；隨著低壓倒槽的東移,槽后的偏北風(fēng)也將江蘇、安徽等地的污染物帶到了本地,至25日13:00,AQI指數(shù)突破了300,17:00終于達到了高峰,AQI達到了333；27日后受冷暖氣流共同影響,風(fēng)力加大,同時出現(xiàn)了明顯降水,影響湖州地區(qū)的這一嚴(yán)重霧霾過程逐漸消散。

圖2a　1月22日地面08時天氣圖

圖2b　1月25日地面08時天氣圖

3大氣層結(jié)特征分析

近地層垂直方向上出現(xiàn)的逆溫,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[5,6]。由于湖州沒有探空資料,本文利用杭州市的探空資料進行分析。圖3為杭州市2015年1月22日08時(a)、23日08時(b)、25日08時(c)、26日08時(d)溫度探空曲線。由圖可知,從22—26日,近地面層(1 km以下)都存在著逆溫層,且具有連續(xù)性。由于逆溫層的存在,近地層的污染物在近地面累積,污染程度不斷加大；值得注意的是,23日08時4 km處出現(xiàn)了逆溫層,近地層的逆溫向上延伸,并且逆溫強度進一步增大,25日08時逆溫層拓展到了5 km左右,由于近地面的空氣垂直運動不活躍,高空逆溫的建立使得污染物無法在垂直方向上擴散,加劇了污染物的堆積。結(jié)合圖1中25日13：00—21：00的AQI超高值分析,正是由于中高層逆溫現(xiàn)象的出現(xiàn),導(dǎo)致污染物不斷沉積,無法擴散,形成了嚴(yán)重的污染；26日后隨著低層逆溫層(1 km以下)的消失,污染程度也有所減弱。

圖3　杭州市2015年1月22日08時(a)、23日08時(b)、25日08時(c)、26日08時(d)探空曲線圖

綜上可見,近地面的逆溫層(1 km以下)限制了人類活動排放產(chǎn)生的污染物的擴散；2 km及以上高度逆溫層的出現(xiàn),導(dǎo)致近地層的污染物向上擴散受阻,從而累積成一個較厚的氣溶膠層,致使持續(xù)性的污染天氣。

4氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)空間分布

AQI等空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和地面氣象資料可表征湖州市2015年1月22日開始的這次重污染過程,而利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以進一步從全局尺度探究該過程中氣溶膠空間分布特征。圖4為長三角地區(qū)2015年1月22日、1月24日、1月25日和1月26日的MODISAOD空間分布情況(23日數(shù)據(jù)缺失)。由圖4可見,湖州市氣溶膠厚度在22日已開始出現(xiàn)沉積,AOD最大為0.3左右；24日有所升高,AOD達0.6左右,25日為高值區(qū),AOD達到1.2以上,結(jié)合污染過程的空氣質(zhì)量的變化狀況,該日也是污染情況最嚴(yán)重的時候,同時可以看出24—25日污染物從北往南輸入的趨勢,26日AOD值明顯下降,污染情況明顯緩解。

(a. 1月22日,b. 1月24日,c. 1月25日,d. 1月26日)圖4　污染期間長三角地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度

5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到的高度,是影響污染物擴散的重要參數(shù)。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[7]。計算公式如下：

(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[8],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5是應(yīng)用羅氏法計算的湖州市2015年1月22日00時到26日23時的混合層高度變化圖。

圖5　2015年1月22—26日混合層高度逐小時變化圖

如圖5可見,22日0:00湖州的混合層高度在3000 m以上,已出現(xiàn)了輕度霾天氣,隨后混合層高度迅速下降,輕度霾也逐漸轉(zhuǎn)為輕霧天氣,但是持續(xù)時間并不長,6:00后混合層高度迅速回升,至12:00已經(jīng)達到3000 m左右,輕霧天氣也迅速的轉(zhuǎn)為了重度霾,隨后混合層高度維持在1000 m以上,19:00后混合層高度回落至1000 m以下,至22:00已達270 m,重度霾也轉(zhuǎn)為大霧,并持續(xù)至23日11:00(參見圖3b,杭州925 hPa以下有一明顯的逆溫層,有利于污染物在邊界層內(nèi)積聚),期間混合層的高度始終維持在300 m以下,23日11:00后混合層高度又開始回升,在17:00達到2000 m以上,大霧也重新轉(zhuǎn)為了重度霾；在隨后的24—26日的霧霾轉(zhuǎn)換過程中,混合層高度也同步出現(xiàn)了相應(yīng)的變化趨勢,即：當(dāng)混合層高度高于1000 m時,容易出現(xiàn)霾；低于500 m時,霾天氣就容易轉(zhuǎn)為輕霧,低于300 m時,輕霧就容易轉(zhuǎn)為大霧天氣。較低的混合層高度有利于低層水汽積聚, 促進霧的形成和發(fā)展。

從圖5還可發(fā)現(xiàn)：除25日外(該日由于北方冷空氣影響造成輸入性污染,影響了混合層高度的變化特征),混合層高度每日大致在12:00—16:00達到峰值；4:00—10:00為低值,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。該趨勢和AQI逐時變化圖(圖1)呈反相關(guān),這也解釋了AQI指數(shù)的日變化原因。

6結(jié)語

1)地面受弱高壓脊控制,風(fēng)速較小,天氣條件靜穩(wěn),并在中低層形成逆溫層,均有利于污染物的堆積,是霧霾形成維持的基本條件。

2)利用MODISAOD數(shù)據(jù)從空間尺度探究了氣溶膠的分布特征。研究表明,由于污染物從北往南的逐漸輸入,造成了湖州地區(qū)的重霧霾污染天氣。

3)發(fā)生霾時的混合層高度比霧高,大氣混合層高度的變化對霧霾的發(fā)展變化有較好的指示作用,可為霧霾的預(yù)報提供參考依據(jù)。當(dāng)混合層高度低于500 m時,霾天氣就容易轉(zhuǎn)為輕霧,當(dāng)混合層高度低于300 m時,輕霧就容易轉(zhuǎn)為大霧天氣。

4)混合層高度變化對空氣污染強度的變化也有參考意義。當(dāng)混合層高度較低時,污染物在低層容易積聚,更容易造成較強的污染,反之亦然。

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[1]白志鵬,蔡斌彬,董海燕,等.灰霾的健康效應(yīng)[J].環(huán)境污染與防治,2006,28(3):198-201.

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收稿日期：2015-05-13

*基金項目：湖州市科技局一般科研項目(湖州市大氣污染擴散能力及影響因子研究2015GY29)資助