黑龍江省一次嚴(yán)重霾天氣特征及成因分析

張 宇，曲成軍，張 月，欒 晨

（黑龍江省氣象臺，哈爾濱150030）

0 引言

隨著中國社會城市化和工業(yè)化迅速發(fā)展，大氣中氣溶膠粒子濃度增加，中國的霧和霾天氣也逐漸增多，對人體健康、交通運(yùn)輸?shù)染斐蓢?yán)重影響。在中國逐漸國際化的今天，降低大氣污染和實現(xiàn)藍(lán)天工程是人們面臨的艱巨任務(wù)。因此，積極開展霧和霾天氣的成因分析及預(yù)報研究對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保護(hù)人民生命財產(chǎn)有重要意義。

近年來，很多專家學(xué)者在霧和霾的氣候特征、天氣學(xué)特點(diǎn)、物理生消機(jī)制和數(shù)值模擬等方面做了大量研究工作，并取得了一系列研究成果。如王麗萍等[1]討論了不同區(qū)域霧的月、年變化特征，分析了中國霧的地理分布；吳兌等[2]利用1951—2005年的資料，分析了中國大陸霾的時空變化特征；吳兌等[3-5]針對華南地區(qū)霧和霾的天氣學(xué)分析和生消物理機(jī)制做了大量研究；李子華等[6-9]、濮梅娟等[10-11]、嚴(yán)文蓮等[12-13]、劉端陽等[14]分別針對華東區(qū)霧的形成爆發(fā)和物理化學(xué)特征做了大量研究工作；曹偉華等[15]、蔡子穎等[16]、吳彬貴等[17]分別對華北霧霾和天氣過程的影響因子、邊界層特征和水汽輸送特征展開相關(guān)研究；程良曉等[18]、邢延峰等[19]的研究認(rèn)為秸稈焚燒與霾天氣有重要關(guān)系。

大量研究中關(guān)于持續(xù)性霧和霾的分析較少，2016年11月黑龍江省中南部地區(qū)發(fā)生大范圍持續(xù)性霧霾天氣，給交通和人體健康造成嚴(yán)重危害。因此，本研究針對這次持續(xù)性霧和霾天氣從環(huán)流背景、生消機(jī)制方面給予分析，以期從環(huán)流形勢和大氣邊界層特征方面探究持續(xù)性霧霾形成和增強(qiáng)條件，為霧霾預(yù)報提供一定思路和參考。

1 資料與方法

本研究利用的資料包括2016年11月1—6日MICAPS系統(tǒng)提供的黑龍江省84個站的常規(guī)地面資料、4個站的常規(guī)高空資料、51個環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)資料。其中，地面氣象觀測資料時間間隔為3 h，分別為02時、05時、08時、11時、14時、17時、20時、23時；高空資料時間間隔為12 h，分別為08時、20時；環(huán)境站點(diǎn)資料時間間隔為1 h。

霾天氣的顯著特征是能見度低，本研究分析霾天氣的能見度演變以及與污染物濃度演變的關(guān)系，分析本次過程的大氣環(huán)流特征和氣象要素變化特征，找出本次霾天氣發(fā)生、發(fā)展、消散的原因，利用后向軌跡方法，找到本次霾天氣的大氣污染物的源地。

2 天氣過程概述

2.1 天氣現(xiàn)象和污染監(jiān)測分析

2016年11月2日08時地面圖上可以看出（圖略），黑龍江省有4個站出現(xiàn)霾天氣，均出現(xiàn)在哈爾濱；2日20時，霾區(qū)域變大，黑龍江省共有10個站出現(xiàn)霾天氣，主要位于松嫩地區(qū)；3日08時，霾天氣減弱，黑龍江省北部地區(qū)出現(xiàn)小雪天氣；3日20時，霾天氣再次加強(qiáng)，黑龍江省共有12站出現(xiàn)霾天氣；4日08時，霾天氣區(qū)域變大，共出現(xiàn)22站，之后開始持續(xù)，主要位于松嫩平原地區(qū)，南部霾，北部輕霧；5日開始減弱，6日白天徹底消散。

選取位于松嫩平原的齊齊哈爾、大慶、哈爾濱3個站點(diǎn)進(jìn)行下一步分析。如圖1所示，11月2日開始，哈爾濱、齊齊哈爾、大慶能見度夜間明顯降低，2日夜間大慶能見度降到3.6 km、哈爾濱7 km、齊齊哈爾16 km，午后能見度轉(zhuǎn)好。3日20時開始，能見度開始明顯下降，5日08時以后能見度有小幅回升，6日08時以后能見度明顯升高。其中哈爾濱最低能見度為1 km，出現(xiàn)在4日17時；大慶最低能見度為0.4 km，出現(xiàn)在4日20時；齊齊哈爾最低能見度0.9 km，出現(xiàn)在4日23時。所以，3日20時—5日08時為最強(qiáng)時段。

從2016年11月2日00時—7日00時哈爾濱、齊齊哈爾、大慶地區(qū)PM2.5、PM10濃度逐小時變化曲線（圖略）可見，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化趨勢基本一致，4日18時開始，PM2.5與PM10質(zhì)量濃度快速累積上升，至4日夜間到達(dá)高位，哈爾濱、齊齊哈爾、大慶PM2.5峰值濃度分別為 1349、397、1140 μg/m3，齊齊哈爾、大慶PM10峰值濃度分別為419、1370 μg/m3。高質(zhì)量濃度持續(xù)至5日下午開始回落。因此，本次霾天氣過程主要是一次在不利氣象條件下形成的高濃度顆粒物污染事件。從SO2、NO2和CO體積濃度的變化曲線上看出，4—5日SO2、NO2和CO體積濃度均明顯上升，由于SO2、NOx等一次氣態(tài)污染物通過均相或非均相的氧化反應(yīng)可以形成消光性較高的硫酸鹽、硝酸鹽等吸濕性顆粒物[20]，因此這些氣態(tài)污染物質(zhì)量濃度的明顯上升，也成為此次霾加重，能見度惡化的原因之一[21]。

2.2 環(huán)流特征

圖1 能見度隨時間變化曲線

本次霾天氣過程中，黑龍江省500 hPa上主要受平直的西風(fēng)氣流影響，東西伯利亞地區(qū)有弱冷空氣活動（圖略）。850 hPa上為西南氣流控制，等溫線密集區(qū)位于黑龍江省南部地區(qū)，有利于黑龍江省南部地區(qū)增濕、增暖，地面為弱高壓場或鞍型場控制，且2016年11月4日之后，隨著蒙古低壓的發(fā)展，使得黑龍江省松嫩平原地區(qū)的倒槽維持，不利于污染物的擴(kuò)散，對霾的形成和維持比較有利。5日開始，東西部利亞冷高壓發(fā)展加強(qiáng)，黑龍江省松嫩平原轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，霾天氣開始減弱，6日冷高壓徹底移入黑龍江省，持續(xù)多日的霾天氣徹底結(jié)束。

3 氣象要素特征

3.1 濕度

圖2為11月2日08時—6日08時哈爾濱、齊齊哈爾850 hPa溫度和溫度露點(diǎn)差時序圖。嚴(yán)重霾天氣開始前，850 hPa溫度均明顯升高，2日20時—3日20時齊齊哈爾升高6℃、哈爾濱升高8℃。低層溫度的升高，有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定的建立，有利于降低混合層高度，從而不利于大氣污染物的擴(kuò)散，使得霾天氣得以加重。溫度升高的同時，850 hPa溫度露點(diǎn)差明顯下降，2個站的最低值分別為1.2和2.1，濕度近飽和。低層濕度的升高，有利于大氣污染物的吸濕增長[22]，使得大氣污染物濃度增加、霾天氣加重。

圖2 11月2日08時—6日08時哈爾濱、齊齊哈爾850 hPa溫度和溫度露點(diǎn)差時序圖

3.2 溫度層結(jié)

表1為2016年11月2—6日哈爾濱和齊齊哈爾地區(qū)逆溫層頂高度和逆溫強(qiáng)度，可以看出2個站一直存在逆溫，持續(xù)的逆溫層結(jié)不利于低層大氣污染物的擴(kuò)散，有利于大氣污染物的積累，是霾天氣得以持續(xù)的原因之一。2日夜間逆溫層頂降低或者逆溫層消失，有利于大氣污染物的垂直擴(kuò)散，也是2日夜間霾天氣短暫轉(zhuǎn)好的重要原因。4日2個站的逆溫層頂均升至925 hPa以上，逆溫強(qiáng)度均為1℃，逆溫層的增厚降低了大氣的擴(kuò)散能力，使得霾天氣加重。6日20時逆溫層破壞，持續(xù)多日的霾天氣徹底結(jié)束。

表1 2016年11月2—6日哈爾濱和齊齊哈爾地區(qū)逆溫層頂高度和逆溫強(qiáng)度

3.3 渦度平流

圖3為哈爾濱、齊齊哈爾2016年11月2—6日渦度平流時間垂直剖面圖，利用渦度平流隨高度的變化判斷近地層輻合上升運(yùn)動的強(qiáng)弱。2個站925 hPa高度以下渦度平流接近0，400 hPa以上渦度平流開始明顯增加，由此可見，垂直運(yùn)動強(qiáng)盛區(qū)位于對流層上層，低層垂直運(yùn)動弱，有利于霾天氣的維持和發(fā)展。其中，哈爾濱站4日對流層中低層有極弱的正渦度平流，產(chǎn)生弱的上升運(yùn)動，是霾天氣得以加重的原因之一。

3.4 后向軌跡分析

利用HYSPLIT模式，使用GDAS 0.5°×0.5°數(shù)據(jù)模擬哈爾濱、齊齊哈爾、大慶2016年11月4日08時72 h后向軌跡線和哈爾濱48 h后向軌跡概率。如圖4分析得出，100 m處氣團(tuán)源于本地且高度位于500～1000 m，可見本地氣團(tuán)略有所下沉，使得污染物在低層積累。500 m處氣團(tuán)哈爾濱、大慶源于黑龍江省南部地區(qū)，垂直變化較小，說明邊界層內(nèi)垂直運(yùn)動弱，有助于霾天氣的發(fā)展加強(qiáng)；而齊齊哈爾500 m的氣團(tuán)源于蒙古國東部地區(qū)，氣團(tuán)在南下東移過程中緩慢下沉，攜帶的顆粒物有所積累；同時，由于氣團(tuán)源地工業(yè)化小，也是本次霾天氣過程中齊齊哈爾相對較弱的原因之一。

圖3 哈爾濱(a)、齊齊哈爾(b)2016年11月2—6日渦度平流時間垂直剖面圖

圖4 Hysplit模擬的2016年11月4日08時哈爾濱、大慶、齊齊哈爾72 h后向軌跡

4 結(jié)論與討論

通過分析2016年11月1—6日黑龍江省一次霾天氣的環(huán)流背景、污染物濃度和能見度變化以及其他氣象要素的演變，發(fā)現(xiàn)此次黑龍江省霾天氣具有持續(xù)時間長、能見度低、大氣污染物濃度高的特征；較弱的天氣條件，包括弱的地面氣壓場、弱的中層冷暖空氣活動、弱的低壓倒槽，是本次霾天氣發(fā)生發(fā)展的重要原因，而冷高壓前部偏北氣流有利于霾天氣的消散。所以，弱的天氣條件預(yù)報，是預(yù)報霾天氣的關(guān)鍵。本研究首次利用后向軌跡法分析了黑龍江省霾天氣的污染物源地，表明本次霾天氣過程的大氣污染物主要源于本地。

本研究中的氣象條件都比較弱，觀測站點(diǎn)空間分布較稀疏，觀測時間間隔較大，所代表的氣象條件可能不夠精細(xì)。在以后的研究中，如果能有時空分辨率更高的觀測，可能有助于得到更加準(zhǔn)確的研究結(jié)果。