2000—2014 年東北高緯地區(qū)霾環(huán)境參數分析

齊海超，張桂華，齊 鐸，曲成軍

（1.黑龍江省氣象災害防御技術中心，黑龍江 哈爾濱150030；2.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150030）

探空觀測資料歷史序列長、垂直層次多，是高空大氣信息的可靠來源，但在局地性較強的天氣過程，如霧、霾及強對流天氣的分析中探空資料的時空分辨率遠遠不能滿足需要。探空資料一般常作為再分析資料及遙感資料適用性的評估標準。遙感資料空間覆蓋率高，但時間序列較短，且要素一般需要經過反演處理，才能進行對比應用。隨著資料同化技術的提高，大氣再分析資料兼具遙感觀測資料覆蓋面廣的特點及探空資料時間序列長的優(yōu)勢，成為科學研究及業(yè)務應用的主要選擇。再分析資料來源于同化多種常規(guī)及非常規(guī)觀測的數值模式背景場資料，數值模式、同化方法及觀測3 方面的誤差都能成為再分析資料誤差的來源[1-5]。因此，使用再分析資料做統(tǒng)計和診斷研究前，有必要對其描述大氣真實狀態(tài)準確程度的能力進行對比評估。

對于NCEP 再分析資料的不同要素在東亞和中國區(qū)域的適用性評估已有不少研究。風場方面，施曉輝等[6]對NCEP/NCAR 資料在中國區(qū)域高空風速場可信度進行評估中發(fā)現，東部地區(qū)可信度高于西部。趙佳瑩等[7]對NCEP/NCAR、ERA 以及MERRA 三種再分析資料在中國地區(qū)的表現進行對比發(fā)現，NCEP/NCAR 適用性較好，特別是在對流層中、低層表現最好。溫度方面，趙天保等[8-9]在研究中發(fā)現NCEP 再分析資料能夠反映中國區(qū)域溫度場時空分布特征，特別是在東部地區(qū)可信度更高，再分析資料的月平均溫度略低于實況觀測，夏季和年平均與實況基本一致，冬季差距相對較大。支星等[10]對溫度再分析資料的表現進行評估發(fā)現，溫度再分析資料在中國東北地區(qū)對流層低層表現好于高層。郭艷君等[11]對多種再分析資料中的氣溫與探空資料對比分析發(fā)現，多種再分析資料的氣溫在對流層表現為普遍偏低的特點。對濕度場的相關研究表明中國區(qū)域再分析資料的比濕和相對濕度較探空資料普遍偏高，且隨高度增加偏差增大，其中春秋季偏差較夏季顯著，不同的再分析資料之間的差異很小，評估結論基本一致[12-13]。位勢高度場的研究表明再分析資料的位勢高度場在數值上普遍低于探空資料，NCEP/NCAR資料與探空資料更為接近，500 hPa 與850 hPa 上再分析資料與探空資料差異較小，特別是20 世紀70年代以后，NCEP/NCAR 資料在中國北方地區(qū)表現更好[14-16]。

對于再分析資料適用性的研究，主要在氣候尺度上探討其在長期變化趨勢的表現，對在天氣尺度上的表現分析的不多。黑龍江省地處東北高緯度地區(qū)，21 世紀以來，霾有加重的趨勢。對邊界層氣象條件的分析是預報霾發(fā)生與否的關鍵[17-25]。過去的分析主要依賴于探空資料，但黑龍江省探空站點稀疏，全省僅有4 個探空站。霾的局地性較強，資料空間分辨率不足嚴重制約著相關的研究和業(yè)務的開展。再分析資料在時空分辨率上能夠彌補探空資料不足的缺陷，但是再分析資料可靠與否，通過再分析資料得到的環(huán)境氣象條件與探空資料得到的結果是否一致，還有待于討論。因此，本文對比2000—2014 年黑龍江省內霾過程對應探空資料和NCEP 再分析資料統(tǒng)計的環(huán)境氣象條件，在了解霾發(fā)生環(huán)境氣象條件特點的同時，討論再分析資料的代表性。

1 資料和方法

霾的選擇標準為，天氣現象觀測記錄為霧、霾或煙幕，能見度低于10 km，相對濕度低于80%的站點觀測記錄。

選取2000—2014 年黑龍江省有高空觀測的嫩江（50557）、齊齊哈爾（50745）、伊春（50774）、哈爾濱（50953）等4 個代表站的02、08、14 時以及20 時地面觀測資料及08 時高空觀測資料，對霾發(fā)生時的能見度及當天08 時的500 hPa 與850 hPa 水平風垂直切變、近地面風速、850 hPa 與1000 hPa 假相當位溫垂直差、K 指數、A 指數、逆溫強度、混合層高度、理查森數Ri、擴散系數等環(huán)境指數進行統(tǒng)計。

將探空觀測算得的氣象指標與NECP 1°×1°分辨率的FNL 逐6 h 再分析資料在相應站點位置統(tǒng)計的氣象指標進行對比，分析再分析資料的可靠性和代表性，考察用再分析資料替代站點觀測資料的可行性。因此，對于環(huán)境指數的統(tǒng)計同時采用NECP的FNL 逐6 h 再分析資料進行計算。

2 黑龍江省霾氣象條件分析

對2000—2014 年各代表站在霾發(fā)生時的多個氣象條件進行統(tǒng)計，并與霾發(fā)生時的能見度進行相關， 選擇其中相關程度超過90%置信度檢驗的500 hPa 與850 hPa 水平風垂直切變（以下簡稱“風切變”）、A 指數、K 指數、850 hPa 與925 hPa 假相當位溫垂直差、逆溫強度、混合層高度、理查森數Ri、擴散系數、近地面風速等9 個環(huán)境參數進一步分析，并統(tǒng)計得到各站霾發(fā)生時各環(huán)境參數的相應閾值。其中，近地層風速、風切變是與動力條件有關的參數，理查森數Ri 和擴散系數是動力、熱力綜合參數，而其他的指數均代表與熱力性質有關的環(huán)境參數。同時，將站點探空觀測參數與再分析資料計算的環(huán)境參數進行對比，分析再分析資料的代表性。

2.1 動力條件

對動力因子與能見度求相關，無論是再分析資料還是站點觀測資料，計算得到的風切變、近地面風速與能見度均表現為顯著的正相關，分別通過0.1和0.05 的顯著性水平檢驗。從風切變的分布（圖1a）可知，90%的霾都發(fā)生在風切變低于21～24 m/s 的情況下。

從霾發(fā)生時各站近地面風速分布看（圖1b），各站的風速都＜6 m/s，其中嫩江、伊春、哈爾濱3 站有90%的霾個例都發(fā)生在地面風速≤3 m/s 的條件下。

圖1 2000—2014 年黑龍江省代表站霾發(fā)生時動力條件分布的箱線圖

從風切變和近地面風速分布特點上看，動力因子的分布表現頻數分布高峰向低值一側偏移，動力因子值較低的范圍霾發(fā)生次數更多。從2 個因子的再分析資料和站點觀測資料實際分布可知，2 種資料的分布范圍基本一致。特別是風切變，90%、50%、10%及最小值幾乎完全一致，近地面風速中除齊齊哈爾站90%分位值中站點資料風速值為9 m/s，再分析資料為6.4 m/s，偏差略大以外，其他幾乎保持一致。另外，計算了2 種資料的相關性，相關系數都能通過0.01 以上的顯著性水平檢驗。因此，對于動力因子而言，再分析資料完全能代替站點觀測資料進行分析。

2.2 熱力條件

大氣動力因子與污染物的水平擴散關系密切，影響霾的產生與維持，而熱力因子表征大氣穩(wěn)定度，影響污染物在垂直方向的輸送，本節(jié)重點分析熱力因子在霾生消中的作用。從統(tǒng)計結果上看，K 指數和A 指數與能見度表現為顯著的負相關，相關系數能通過0.1 的顯著性水平檢驗。這種相關關系表明，穩(wěn)定度越高，越容易有能見度較低的霾發(fā)生。根據K指數和A 指數閾值的統(tǒng)計結果（圖2a、2b），90%的霾發(fā)生在K 指數＜30 ℃、A 指數＜20 ℃這個范圍內，這2 個穩(wěn)定度范圍一般低于對流天氣發(fā)生的閾值范圍。逆溫強度與假相當位溫差與能見度之間表現為，顯著性水平超過0.01 和0.1 的顯著負相關。即逆溫越強、假相當位溫差越大，能見度越低，霾越重。因此，根據二者的閾值（圖2c、2d），考慮在低層逆溫強度＞-0.9 ℃/100 m、假相當位溫差＞-2 ℃的情況下有利于霾的發(fā)生。從混合層高度的統(tǒng)計上看（圖2e），霾發(fā)生時混合層高度幾乎都在1000 m 以下。從混合層高度與能見度的關系上看，二者表現出顯著的正相關關系（顯著性水平高于0.05），混合層高度越低越不利于污染物擴散，有利于霾維持。

圖2 2000—2014 年黑龍江省代表站霾發(fā)生時熱力條件分布的箱線圖

從再分析資料和探空資料的統(tǒng)計結果對比上看，2 種不同資料統(tǒng)計結果差別不大，特別是逆溫強度和混合層高度，分布特征幾乎完全一致，兩種資料統(tǒng)計結果間的相關系數也都超過0.001 的顯著性水平檢驗。另外，K 指數、A 指數以及假相當位溫差的各個分位值的差別也都很小，特別是后面閾值統(tǒng)計中用到的K 指數的90%分位值、A 指數的90%分位值以及假相當位溫差的10%分位值，探空統(tǒng)計與再分析資料的結果都一致，兩資料之間的相關系數的置信度也高于99.9%。因此，再分析資料能很好的表征代表站的熱力條件分布特點。

2.3 動力、熱力綜合條件

擴散系數與理查森數這兩個綜合指數與能見度的相關關系同樣顯著。

擴散系數是混合層高度與地表風速的簡單乘積，和二者各自與能見度的關系基本相同，都是擴散系數越低越有利于霾的維持（圖3a）。

理查森數與能見度的關系能通過0.01 的顯著性水平檢驗，且表現為負相關關系，理查森數越大，大氣的動力和熱力綜合穩(wěn)定程度越高。經驗表明，當＞0.25 時則表示大氣穩(wěn)定，不利于垂直擴散混合[26]。從Ri 的閾值分析結果上看（圖3b），4 個代表站在霾發(fā)生時，其Ri 指數大多在0.3 以上，不利于污染物的垂直擴散，有利于霾產生和維持。

圖3 2000—2014 年黑龍江省代表站霾發(fā)生時動力、熱力綜合條件分布的箱線圖

從2 種資料的分布特點上看，探空資料和再分析資料的結果至少有90%以上是比較一致的，極端值的偏差大多也在30%以下。2 種資料計算結果間的相關系數也很高，能通過0.001 的顯著性水平檢驗。因此，用再分析資料代替探空資料，對于動力、熱力混合條件的分析也是比較可行的。

3 霾環(huán)境參數閾值

根據各個參數與能見度的關系及其對霾生消的影響，去掉10%分位的極端值，得到東北高緯度地區(qū)霾發(fā)生時幾個環(huán)境參數的最可能閾值見表1。

表1 2000—2014 年黑龍江省代表站霾發(fā)生時環(huán)境參數閾值

風切變＜21 m/s，地表風速＞6 m/s， 理查森數＞0.3，逆溫強度＞-0.9 ℃/100 m，假相當位溫垂直差＞-3 K，混合層高度低于1000 m 的穩(wěn)定大氣背景下有利于東北高緯度地區(qū)霾的產生與維持。

4 結論

利用NECP 的FNL 逐6 h 再分析資料和黑龍江省嫩江、齊齊哈爾、伊春和哈爾濱等4 個代表站的觀測資料，對2000—2014 年霾發(fā)生的典型氣象條件進行統(tǒng)計及對比。得到以下結論：

（1）對霾發(fā)生時有關氣象條件進行統(tǒng)計，選擇與能見度相關程度超過90%置信度檢驗的9 個環(huán)境參數進行分析。結果表明：風切變＜21 m/s，地表風速在6 m/s 以下，理查森數＞0.3，逆溫強度＞-0.9 ℃/100 m，假相當位溫垂直差＞-3 K，混合層高度低于1000 m，K 指數和A 指數低于對流天氣發(fā)生時的經驗閾值的情況下，大氣垂直和水平方向都不利于污染物擴散，有利于霾的產生與維持。

（2）在統(tǒng)計霾的氣象條件分布特征的同時，對比站點資料與再分析資料之間的差異。兩種資料對應各要素在極端值以外的分布基本一致，其中逆溫指數、理查森數、混合層高度、擴散系數在所有分位上都保持一致，一致度最高。另外，從相關系數分析上可以看出，9 個指數用兩種資料計算結果的相關關系都能通過0.001 以上的顯著性水平檢驗。再分析資料可以代替站點觀測資料進行環(huán)境參數分布和閾值的統(tǒng)計分析。

通過對探空資料和再分析資料的分析，對不同等級霾發(fā)生時主要環(huán)境條件的閾值范圍有一定的認識和了解，為進一步對霾進行客觀預報提供了一定的參考依據。但是統(tǒng)計結果中仍存在很多的問題：環(huán)境條件對于霾生消的具體影響仍不明確，其中哪些環(huán)境指數是主導因素還有待于進一步研究。下一步打算針對上述問題展開具體的分析和研究，通過診斷分析和模式模擬進一步了解環(huán)境條件對于霾生消的作用機理。