遼寧一次大范圍霧霾天氣氣象條件分析

于亞薇，蘇 航，孟振雄，周春曉，辛艷輝

(1.遼寧省葫蘆島市氣象局，遼寧 葫蘆島 125000；2.遼寧省沈陽中心氣象臺，遼寧 沈陽 110166；3.遼寧省阜新市氣象局，遼寧 阜新 123000)

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遼寧一次大范圍霧霾天氣氣象條件分析

于亞薇1，蘇 航2，孟振雄1，周春曉1，辛艷輝3

(1.遼寧省葫蘆島市氣象局，遼寧 葫蘆島 125000；2.遼寧省沈陽中心氣象臺，遼寧 沈陽 110166；3.遼寧省阜新市氣象局，遼寧 阜新 123000)

2015年11月6—15日，遼寧省出現(xiàn)大范圍持續(xù)性霧霾天氣，局地出現(xiàn)嚴(yán)重霾。該文利用氣象觀測資料對此次霧霾天氣的成因進(jìn)行分析，結(jié)果表明：霧霾天氣過程中遼寧位于高空槽前受西南氣流影響，冷空氣勢力弱，地面處于穩(wěn)定少動的低壓系統(tǒng)后部，風(fēng)速較小，維持在2 m/s；大氣層結(jié)穩(wěn)定，逆溫頻率高且強(qiáng)度大，混合層高度低，不利于污染物的水平擴(kuò)散和垂直擴(kuò)散。

霾；垂直風(fēng)切變；逆溫層；秸稈焚燒

1 引言

隨著城市化進(jìn)程日益加快和工業(yè)化迅速發(fā)展，我國霾天氣逐漸增多，影響范圍逐漸增大，對交通出行、人體健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等都帶來了日益顯著的影響。2011年霧霾天氣入選中國十大天氣氣候事件[1]，2013年1—10月全國平均霧霾日為29.9 d，較常年同期增多10.3 d[2]。霧霾天氣已受到社會各界的廣泛關(guān)注，各方面學(xué)者開始對霧霾進(jìn)行長期、深入的研究，白先達(dá)等[3]對桂林霾天氣變化趨勢及天氣特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)霾天氣對應(yīng)的天氣形勢為高空平直西風(fēng)或弱高壓脊前環(huán)流控制，地面弱高壓或變形場；魏秀蘭等[4]對魯西南霾天氣進(jìn)行了個例分析，得出大氣層結(jié)穩(wěn)定，且低層存在逆溫層是霾形成的重要條件；饒曉琴等[5]對我國中東部一次大范圍霾進(jìn)行了分析，指出800 hPa以下層垂直速度、渦度和散度的絕對值較小，是霾維持的動力因子；吳珂等[6]對蘇州一次霧霾天氣進(jìn)行了分析，得出大氣水平和垂直輸送都較弱，導(dǎo)致大量污染物在近地面堆積，能見度較差。多數(shù)研究表明，高空平直的緯向環(huán)流、大氣層結(jié)的穩(wěn)定、逆溫層的存在和較小的風(fēng)速等是霧霾天氣發(fā)展和維持的重要條件，唐宜西等[7]、吳珊珊等[8]、劉麗偉等[9]。此外，鄒旭東等[10]對遼寧中部城市灰霾天氣進(jìn)行了數(shù)值模擬，找出了與霾天氣相匹配的天氣形勢場和物理量場。

目前，各地對霧霾成因的天氣分析越來越多，遼寧也一直致力于對霧霾天氣的預(yù)報研究上。2015年11月6—15日，遼寧省出現(xiàn)大范圍持續(xù)性霧霾天氣，是遼寧自2012年以來覆蓋面積最大、持續(xù)時間最長的一次重污染天氣。其中8日污染最強(qiáng)，全省均達(dá)到中度霾及以上等級，其中沈陽、鞍山、本溪、營口、遼陽、鐵嶺地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重霾。本文從氣象學(xué)角度對此次霧霾天氣的成因進(jìn)行分析，以期為遼寧省今后的霧霾預(yù)報提供一定的思路和參考。

2 資料

利用Micaps高低空、地面觀測資料、探空資料來分析此次霾天氣過程中的氣象要素。經(jīng)過對比分析，得出本次霾污染得以發(fā)展和維持的重要?dú)庀髼l件。

3 結(jié)果分析

3.1 天氣過程簡介

本次霧霾天氣正值遼寧省冬季取暖和東北地區(qū)焚燒秸稈的時節(jié)，大范圍的燃煤和焚燒秸稈使得遼寧省PM2.5等空氣污染物大量增加，為空氣污染源的擴(kuò)大孕育了溫床。2015年11月6—15日，遼寧省陸續(xù)出現(xiàn)中度霾到重度霾天氣，局部地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重霾污染。其中，8日污染達(dá)到最強(qiáng)，全省均達(dá)到中度霾及以上等級，沈陽、鞍山、本溪、營口、遼陽、鐵嶺地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重霾，大連、撫順、丹東、盤錦地區(qū)出現(xiàn)重度霾。11日夜間、12日夜間、13日夜間全省以霧為主，15日霧霾逐漸消散。

3.2 污染源分析

衛(wèi)星遙感監(jiān)測顯示，11月6—7日黑龍江、吉林省出現(xiàn)大量焚燒秸稈產(chǎn)生的火點(diǎn)(圖2中的紅色點(diǎn))，遼寧省焚燒現(xiàn)象相對較少。同時，東北地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)的偏北風(fēng)，風(fēng)力在3級以下，有利于秸稈焚燒產(chǎn)生的污染物向遼寧省輸送。11月6—9日，哈爾濱、長春、沈陽、蓬萊4個城市自北向南先后出現(xiàn)PM2.5濃度峰值，表明污染物隨偏北風(fēng)輸入遼寧省。

圖1 11月5—8日東北地區(qū)秸稈燃燒產(chǎn)生污染物輸送Fig.1 The northeast region straw combustion pollutants delivery from November 5th to 8th

圖2 11月6—9日沈陽地區(qū)離子濃度實(shí)時分布Fig.2 Shenyang ion concentration distribution in real time from November 6th to 9th

3.3 天氣形勢場分析

3.3.1 環(huán)流背景分析 11月7日08時500 hPa高空圖上，貝湖北部有一高壓脊，遼寧受脊下偏西氣流影響，無冷空氣入侵，8日08時貝湖北部高壓脊向北挺進(jìn)，貝湖南部經(jīng)河套地區(qū)—四川東南部有一低壓槽，遼寧受槽前西南氣流影響，迎來大范圍雨雪天氣。中低緯溫度槽略落后于高度槽，表明有弱冷空氣注入。850 hPa風(fēng)場較弱，不利于污染物水平擴(kuò)散。地面圖上，在東西伯利亞有一閉合的高壓中心，在朝鮮半島與日本南部有一閉合的低壓中心，遼寧位于低壓后部，無明顯冷空氣活動，且高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)穩(wěn)定少動，遼寧受靜穩(wěn)天氣影響。在遼寧東部與吉林南部有弱的風(fēng)向輻合，風(fēng)速較小，維持在2 m/s，有利于水汽在底層積聚。

13日20時，500 hPa高空圖上高空冷渦位于西伯利亞地區(qū)，遼寧受冷渦底部西南氣流影響。地面上在東亞地區(qū)逐漸形成鞍型場，遼寧位于鞍型場中間，形勢場較弱，有利于霧霾的再次加重。

3.3.2 高空垂直風(fēng)分析 5日08時，925 hPa以下遼寧、吉林兩省以偏北風(fēng)或東北風(fēng)為主，風(fēng)速較大達(dá)16～20 m/s，6日風(fēng)略有減弱，但依然可達(dá)10～12 m/s(圖略)。6—14日遼寧中部、北部850 hPa、925 hPa風(fēng)速均較小(見圖4，以沈陽站為代表進(jìn)行說明)，整體上在6 m/s以下，地面風(fēng)速較小，持續(xù)在2 m/s左右，不利于近地面污染物水平擴(kuò)散。來自吉林的秸稈焚燒造成的煙霧在此大量堆積。1 000 hPa上雖有10 m/s的偏北風(fēng)，但風(fēng)速很快下降到6 m/s。10日850 hPa風(fēng)速加大，空氣污染有所減弱，12日開始遼寧低空轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)控制，偏南風(fēng)攜帶暖濕空氣，利于大霧天氣的形成。

圖3 11月8日各層形勢場(a：500 hPa高度場、b：850 hPa高度場、c：08時海平面氣壓場、d：20時海平面氣壓場)Fig.3 The layers situation field on November 8th (a height field at 500 hPa、b height field at 850 hPa、c sea level pressure at 08∶00,d sea level pressure at 20∶00)

圖4 11月6—15日沈陽站高空風(fēng)垂直分布圖Fig.4 Vertical distribution of high-altitude wind in Shenyang station from November 6th to 15th

3.4 逆溫層特征分析

圖5 11月6—15日08時沈陽站溫度垂直分布圖Fig.5 Vertical temperature profile in Shenyang station at 08∶00 from November 6th to 15th

當(dāng)高空有逆溫層時，特別是850 hPa以下有逆溫時，大氣的垂直湍流運(yùn)動受到逆溫層的抑制，垂直運(yùn)動難以發(fā)展，大氣垂直方向上的擴(kuò)散能力減弱，污染物無法向上擴(kuò)散，大量積累于近地層，為空氣污染的維持提供了有利的條件。在11月6—15日沈陽站的溫度垂直分布圖上可看出，6—13日08時沈陽站在850 hPa以下均存在明顯逆溫層，6—8日850 hPa附近溫度均高于0 ℃，12—13日850 hPa附近溫度均高于2 ℃，無明顯冷空氣注入，14日開始逆溫消失。8日與10日溫度隨高度少變，表明大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)。

從11月8日沈陽站08時探空圖上可知，沈陽站在925～850 hPa之間、850～700 hPa之間、700～600 hPa之間各存在一個逆溫層，在925 hPa有一個3 ℃左右的迅速升溫，利于污染物堆積。逆溫層頂高3 300 km左右，逆溫層厚度超過2 km，逆溫層越厚，大氣越穩(wěn)定，越能有效阻止污染物向高空擴(kuò)散，使得近地面的污染物濃度不斷積累增大。由于7—8日遼寧正被大范圍雨雪天氣所控制，空氣中水汽含量較高，由探空圖上亦可見，在距地面0.5～2.5 km之間存在顯著濕層，露點(diǎn)溫度曲線與溫度曲線基本重合，說明空氣基本達(dá)到飽和，但降水較弱，加之氣流的水平運(yùn)動與垂直運(yùn)動均受到阻礙，污染物無法得到很好的擴(kuò)散，故雨水對污染物非但不能起到濕清除作用，反而因?yàn)槲鼭裨鲩L原理，加重了大氣污染。對比錦州站和丹東站的探空圖，錦州站在925～850 hPa之間有一個逆溫層，在700～600 hPa之間有一個逆溫層，但是濕層的厚度是距地面1～3.3 km處，且空氣的飽和程度比沈陽站要低。丹東站在850～700 hPa之間存在逆溫層，空氣飽和程度亦不及沈陽地區(qū)。說明近地面逆溫層與濕區(qū)的較好配合，對污染物的形成和維持十分有利。

圖6 11月8日08時探空圖(a沈陽、b錦州)Fig.6 The sounding diagram At 8∶00 on November 8th (a Shenyang、b Jinzhou)

3.5 混合層特征分析

混合層高度不僅是影響大氣污染物擴(kuò)散的主要?dú)庀笠蜃?，而且也反映了污染物在垂直方向擴(kuò)散的程度[11]，因此研究混合層高度變化特征對于研究霧霾天氣發(fā)展變化尤為重要。本文采用羅氏法[12]來計(jì)算沈陽地區(qū)混合層高度。公式如下：

根據(jù)以上方法，選取沈陽站11月4—16日每日08時地面氣象參數(shù)，計(jì)算沈陽地區(qū)逐日混合層高度，結(jié)果表明：霧霾天氣期間混合層高度持續(xù)偏低，維持在700 m以下，11月7日開始混合層高度逐日降低，16日霧霾天氣結(jié)束混合層高度升高。8—10日混合層高度低至300 m以下，內(nèi)部污染物很難在垂直方向上擴(kuò)散，因此空氣污染物主要集中在近地面300 m以下。污染最為嚴(yán)重的8日，混合層高度233 m，這也是當(dāng)日08時1 000 hPa風(fēng)速雖然在10 m/s，卻無法將污染物吹散的主要原因。12—14日早晨沈陽地區(qū)為大霧天氣，混合層高度在100 m左右，說明大霧天氣比霾天氣混合層高度還要低很多。

圖7 11月4—16日08時沈陽地區(qū)混合層高度Fig.7 Shenyang mixing layer height at 08∶00 from November 4th to 16th

3.6 物理機(jī)制分析

在沈陽站6—15日垂直速度剖面圖上可看出，925 hPa以下正、負(fù)垂直速度交替出現(xiàn)，垂直速度絕對值最大為1.4 Pa·s-1。渦度剖面圖上(圖略)，925 hPa以下以正渦度值居多，絕對值最大值為18×10-5s-1。散度剖面圖上(圖略)925 hPa以下有正有負(fù)，但絕對值依然偏小，最大絕對值為16×10-5s-1。由此可見對于垂直速度、渦度、散度來說，只要絕對值較小，大氣動力湍流交換能力弱，就有利于霧霾天氣維持。

4 結(jié)論與討論

①本次重污染受吉林秸稈焚燒影響，煙霧沿偏北風(fēng)吹向遼寧，到達(dá)遼寧中部、北部地區(qū)后，由于低層水平、垂直擴(kuò)散能力都較弱，因此在遼寧中部、北部形成了嚴(yán)重的霾污染。

②高空受西南氣流影響，地面為弱高壓場或穩(wěn)定少動的氣壓場，為本次大范圍霧霾過程提供了有利的天氣系統(tǒng)背景。近地面風(fēng)速小，是霾得以發(fā)展和維持的主要條件。深厚的逆溫層的持續(xù)存在，近地面逆溫層與顯著濕區(qū)的較好配合是本次霾天氣強(qiáng)烈發(fā)展和維持的重要條件。

③霧霾天氣出現(xiàn)時，混合層高度普遍小于300 m，大霧天氣比霾天氣混合層高度低很多，僅為100 m左右。盡管遼寧中部、北部地區(qū)(以沈陽站位代表)在8日08時1 000 hPa存在10 m/s的偏北風(fēng)，但由于混合層主要在1 000 hPa以下，故污染物無法得到有效擴(kuò)散。

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Weather conditions analysis of a wide range fog and haze in Liaoning

YU Yawei1,SU Hang2,MENG Zhenxiong1,ZHOU Chunxiao1,XIN Yanhui3

(1.Huludao Meteorological Bureau of Liaoning Province，Huludao 125000，China；2.Shenyang Central Meteorological Observatory of Liaoning Province，Shenyang 110166，China；3.Fuxin Meteorological Bureau of Liaoning Province, Fuxin 123000，China)

A wide range of persistent fog and haze, local severe haze happened in Liaoning from November 6thto 15th, 2015.The Causes of fog and haze were analyzed based on the meteorological observation data, sounding data. The results show that Liaoning is affected by southwest air before the upper trough during fog and haze process with weak cold air. It is stable and sedentary between high and low pressure systems on the ground with light wind maintained at 2 m/s. It has significant vertical wind shear between 925 hPa and 1 000 hPa.Atmospheric stratification stability, high-frequency and high-intensity inversion is not conducive to horizontal diffusion and vertical diffusion of pollutants.

haze; vertical wind shear; inversion layer; straw burning

1003-6598(2016)05-0046-05

2016-05-20

于亞薇(1985—)，女，工程師，主要從事中短期天氣預(yù)報、環(huán)境氣象預(yù)報工作，E-mail:2004011011@163.com。

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