2014年2月關(guān)中地區(qū)持續(xù)霾天氣分析

李茜++蔣凱++胡淑蘭

摘 要：基于1981—2014年的NCEP/NACAR及陜西氣象站的相關(guān)氣象要素的日值資料，分析了造成2014年2月陜西關(guān)中地區(qū)持續(xù)霾天氣的氣象條件。結(jié)果表明：2014年2月陜西地區(qū)上空大氣環(huán)流場表現(xiàn)為對流層低層出現(xiàn)了南風(fēng)，風(fēng)速較小，并且伴隨有來自南方的暖濕氣流，導(dǎo)致污染物在陜西關(guān)中地區(qū)聚集；而對流層大氣的垂直分布表現(xiàn)為隨著高度的升高風(fēng)速減小，同時對流層中低層的呈現(xiàn)顯著的逆溫層。在霾區(qū)域內(nèi)，表面風(fēng)速和水平風(fēng)垂直切變是通過對污染物在水平方向上向區(qū)域外的輸送和在垂直方向上輸送產(chǎn)生的動力作用。熱力作用主要表現(xiàn)在假相當(dāng)位溫垂直差和近地面溫度露點(diǎn)差越小，K指數(shù)、A指數(shù)越大，對流層中低層大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性和近地面層逆溫增強(qiáng)，導(dǎo)致霾天氣增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：關(guān)中地區(qū) 持續(xù)霾天氣 氣象條件 2014年2月

中圖分類號：P932 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0133-04

霾是一種大氣污染狀態(tài)，由于霾天氣發(fā)生時大氣能見度降低，對社會經(jīng)濟(jì)以及人民生活產(chǎn)生重要的影響；同時，霾天氣發(fā)生時大氣氣溶膠聚集在大氣近地層，使得大氣污染增強(qiáng)，空氣質(zhì)量下降，會對人體健康造成一定的危害。霾受季節(jié)影響顯著，以冬季最多，春季最少；2001年以來霾日數(shù)顯著增長[1]。關(guān)于中國霾天氣的發(fā)生與氣象因子之間的聯(lián)系，已有的研究一方面集中在如前所述的霾長期變化趨勢與氣象因子變化趨勢之間的關(guān)系，另一方面集中在局地氣象條件與霧生消演變過程及與霾天氣的聯(lián)系[2-4]。

陜西近年來霾頻頻發(fā)生，特別是以西安為中心的陜西關(guān)中城市群，已成為全國大氣污染較為嚴(yán)重的地區(qū)之一[5-7]。關(guān)于關(guān)中地區(qū)嚴(yán)重霾的發(fā)生、維持，雖然已經(jīng)有不少探討分析，但大都是統(tǒng)計(jì)分析霾的特征，針對該區(qū)域持續(xù)霾天氣的氣象因子分析還相對較少。2014年2月陜西關(guān)中地區(qū)霾天氣具有持續(xù)時間長，發(fā)生范圍廣和強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)。該文基于此次霾天氣過程，來分析其氣象條件的變化，不僅考慮大氣環(huán)流背景場對持續(xù)霾天氣的影響，也考慮氣象動力和熱力因子對持續(xù)霾天氣演變過程的作用。

1 資料和方法

1.1 資料

該文使用的資料主要包括：（1）NCEP/NACAR日平均再分析數(shù)據(jù)，時間：1981—2014年2月1日～28日，水平分辨率：2.5°×2.5°，垂直分辨率：17層；（2）陜西省98個臺站2014年2月1日—28日逐日風(fēng)速和能見度資料。

1.2 方法

該文在分析陜西關(guān)中地區(qū)的相關(guān)變量時，對該區(qū)域（106°E～111°E，33°N～35°N）的變量進(jìn)行了區(qū)域平均。使用的氣候要素均值，均為1981—2010年30年平均值。

500 hPa與850 hPa的水平風(fēng)垂直切變：

W= （1）

文中使用了兩個表征大氣熱力溫度的常用指數(shù)K指數(shù)和A指數(shù)[8]。

K=（T850-T500）-（T700-Td700） （2）

A=（T850-T500）-[（T850-Td850）+（T700-Td700）+（T500-Td500）] （3）

式中，T500，T700，T850分別表示500 hPa，700 hPa和850 hPa的氣溫；Td500，Td700，Td850分別表示500 hPa，700 hPa和850 hPa的露點(diǎn)溫度。在天氣業(yè)務(wù)中常用K指數(shù)和A指數(shù)來判斷大氣層結(jié)穩(wěn)定性，即該指數(shù)的數(shù)值越大，則大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。K指數(shù)和A指數(shù)均考慮了中低層大氣的垂直溫度梯度，主要的區(qū)別在于K指數(shù)僅考慮了700 hPa一層的水汽飽和度，而A指數(shù)在判別大氣層結(jié)穩(wěn)定度時，同時也考慮了整個中低層大氣（500 hPa，700 hPa和850 hPa）的水汽飽和程度。

2 持續(xù)霾天氣的天氣氣候背景

2.1 2014年2月陜西氣候特征

從2014年2月陜西省霾日的空間分布可以看出（圖略），陜北的定邊、靖邊、橫山和綏德在2014年2月出現(xiàn)了10天以上的霾日，及陜南部分站點(diǎn)也出現(xiàn)了10天以上的霾日。2014年2月關(guān)中地區(qū)是出現(xiàn)霾日最多和最集中的地區(qū)；出現(xiàn)霾日最多的站點(diǎn)為韓城和彬縣，2月共出現(xiàn)了20天的霾日。尤其是2月18～28日關(guān)中地區(qū)持續(xù)大范圍霾天氣過程，涉及到關(guān)中和渭北46個縣中的28縣，共出現(xiàn)162縣日。其中重度霾85縣日，中度霾15縣日，輕度霾16縣日，輕微霾46縣日。西安市環(huán)保局發(fā)布2014年2月環(huán)境空氣質(zhì)量通報，優(yōu)良天數(shù)為1天，輕度污染6天，中度污染5天，重度污染6天，嚴(yán)重污染10天。在污染的27天中，26天的首要污染物為細(xì)顆粒物PM2.5一天的首要污染物為可吸入顆粒物PM10。2014年2月發(fā)生在陜西關(guān)中地區(qū)的霾天氣，具有持續(xù)時間長、強(qiáng)度大、影響范圍廣的特征。該文利用此次持續(xù)霾天氣過程的大氣環(huán)流背景場、對流層風(fēng)速和氣溫距平垂直分布特征分析氣象因子對霾過程的影響作用.

2.2 大氣環(huán)流背景場

首先，分析造成2014年2月陜西關(guān)中地區(qū)霾天氣的大氣環(huán)流背景場。圖1為500 hPa（對流層中層）和925 hPa（對流低層）的溫度、風(fēng)場和位勢高度的距平分布圖。在對流層低層925 hPa等壓面上，可以看到在中國東部有一個高壓中心，西部是低壓中心，與此對應(yīng)的在河套地區(qū)出現(xiàn)了南風(fēng)，風(fēng)速較小。在對流層中層500 hPa等壓面上，可以看到中緯度地區(qū)主要盛行西風(fēng)氣流，河套地區(qū)冷空氣強(qiáng)度偏弱，導(dǎo)致河套地區(qū)氣溫升高。筆者計(jì)算了2014年2月陜西省風(fēng)速距平的空間分布，可以看到除了陜北北部和陜南南部地區(qū)風(fēng)速為正距平，全省其他大部分地區(qū)均為負(fù)距平。也就是說全省大部分地區(qū)的風(fēng)速較常年偏小。925 hPa等壓面上有來自南方的暖濕氣流，能夠?qū)⒏嗟乃斔偷胶犹椎貐^(qū)的上空，為持續(xù)霾天氣提供了有利的水汽條件，而且冷空氣活動偏弱，更加利于大氣低層的污染物聚集，同時風(fēng)速偏弱，使得污染物無法向河套以外的地區(qū)輸送，導(dǎo)致了2014年2月陜西關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)的霾天氣。

之前介紹了造成關(guān)中地區(qū)持續(xù)霾天氣的大氣環(huán)流背景，接著再進(jìn)一步分析大氣的垂直分布特征。圖2為2014年2月陜西平均風(fēng)速距平和溫度距平隨高度的變化。從圖2（a）可以看出，在對流層中低層水平風(fēng)速呈現(xiàn)顯著的減弱趨勢，表現(xiàn)為隨著高度的升高風(fēng)速減小的趨勢，而在400 hPa以上對流層高層，風(fēng)速隨高度升高而增大。從圖2（b）可以看出，在整個對流層內(nèi)幾乎為一致的增暖，尤其以對流層中低層的逆溫最為明顯。這種對流層存在的逆溫層異常會使得大氣變得穩(wěn)定。這些大氣背景場均有利于持續(xù)霾天氣的發(fā)展和維持。

3 持續(xù)霾天氣的氣象條件分析

3.1 動力作用

2014年2月陜西省關(guān)中地區(qū)地表平均風(fēng)速和500 hPa與850 hPa水平風(fēng)垂直切變（圖3）具有較好的一致性，在2月4日，風(fēng)速與水平風(fēng)垂直切變均為該月的最大值。同時，分別計(jì)算了他們與關(guān)中地區(qū)日平均能見度的相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.7和0.37，顯著性均超過了0.05的信度水平。即當(dāng)能見度偏高（偏低）時，風(fēng)速與水平風(fēng)垂直切變的變化也是偏大（偏小）。表面風(fēng)速和能見度的正相關(guān)關(guān)系表明在有霾天氣的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)表面風(fēng)速偏小的時候，向區(qū)域外輸送污染物偏弱，有利于霾的維持，導(dǎo)致能見度偏低，反之亦然，表面風(fēng)速偏大的時候，能見度變大。而500 hPa與850 hPa水平風(fēng)垂直切變和能見度的正相關(guān)關(guān)系表明當(dāng)水平風(fēng)垂直切變變大的時候，在有霾天氣的區(qū)域上空的對流層中低層垂直混合增強(qiáng)，有利于污染物向高空擴(kuò)散，使近地面的霾減弱，能見度變大。因此，霾區(qū)域內(nèi)的表面風(fēng)速和其上空的對流層中低層水平風(fēng)垂直切變對霾天氣的影響體現(xiàn)在其水平方向和垂直方向上的動力作用。

3.2 熱力作用

筆者計(jì)算了2014年2月關(guān)中區(qū)域850 hPa與1 000 hPa假相當(dāng)位溫垂直差、K指數(shù)、A指數(shù)和925 hPa溫度露點(diǎn)差，并且分別計(jì)算了他們與關(guān)中區(qū)域逐日平均能見度的相關(guān)系數(shù)，分別為0.28、-0.35、-0.37和0.4。其中，850 hPa與1 000 hPa假相當(dāng)位溫垂直差與能見度的相關(guān)性較差，其余三個指數(shù)的顯著性均超過了0.1的信度水平。可以看出假相當(dāng)位溫垂直差和近地面溫度露點(diǎn)差與能見度呈現(xiàn)正相關(guān)，而K指數(shù)、A指數(shù)與能見度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。同時，850 hPa與1 000 hPa假相當(dāng)位溫垂直差、K指數(shù)、A指數(shù)都可以代表大氣對流層中低層濕空氣的層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)。即當(dāng)假相當(dāng)位溫垂直差和近地面溫度露點(diǎn)差越?。ù螅r候，K指數(shù)、A指數(shù)越大（小）時候，對流層中低層大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性和近地面層逆溫增強(qiáng)（減弱）時，導(dǎo)致霾天氣增強(qiáng)（減弱）。近地面溫度露點(diǎn)差代表近地面空氣飽和程度，當(dāng)露點(diǎn)差越小，說明空氣中的水汽越接近于飽和，使得空氣中的水汽凝結(jié)而形成霧，從而降低了能見度，這些因素都有利于霾天氣的維持。霾天氣中的顆粒物和水滴使地面的凈短波輻射通量減弱，使表面溫度降低，也可以導(dǎo)致近地面層逆溫的增強(qiáng)[9]。

4 結(jié)論和討論

（1）2014年2月陜西關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的霾天氣過程，尤其以2月中下旬最為嚴(yán)重。造成此次關(guān)中地區(qū)持續(xù)霾天氣的大氣背景場主要表現(xiàn)為對流層低層出現(xiàn)了南風(fēng)，風(fēng)速較小，并且伴隨有來自南方的暖濕氣流，將更多的水汽輸送到河套地區(qū)上空，有利于大氣底層的污染物聚集。對流層大氣垂直分布表明，隨著高度的升高風(fēng)速減小，同時對流層中低層的呈現(xiàn)顯著的逆溫層。這些大氣背景場都是有利于持續(xù)霾天氣的發(fā)展和維持。

（2）霾區(qū)域內(nèi)的表面風(fēng)速和其上空的對流層中低層水平風(fēng)垂直切變對霾天氣的影響體現(xiàn)在其水平方向和垂直方向上的動力作用。當(dāng)表面風(fēng)速偏大的時候，向區(qū)域外輸送污染物偏強(qiáng)，不利于霾的維持，從而能見度偏高。而當(dāng)水平風(fēng)垂直切變變大的時候，在有霾天氣的區(qū)域上空的對流層中低層垂直混合偏強(qiáng)，有利于污染物向高空擴(kuò)散，在近地面附近的霾減弱，能見度變大。

（3）即當(dāng)假相當(dāng)位溫垂直差和近地面溫度露點(diǎn)差越?。ù螅r候，K指數(shù)、A指數(shù)越大（小）時候，對流層中低層大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性和近地面層逆溫增強(qiáng)（減弱）時，導(dǎo)致霾天氣增強(qiáng)（減弱）。

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