天津區(qū)域霾過(guò)程統(tǒng)計(jì)特征及環(huán)流分型研究

吳 洋，孫樹鵬，趙雨馨，張嘉霖

(天津市津南區(qū)氣象局 天津300350)

0 引 言

自改革開放以來(lái)，由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，大氣污染日趨嚴(yán)重[1-3]。霾不僅使大氣水平能見度降低，導(dǎo)致交通事故發(fā)生，而且由于霾的顆粒直徑小且吸附重金屬等污染物，對(duì)人體健康造成較大危害，其中灰霾的水平與心血管病人量呈正相關(guān)[4-6]。因此大量學(xué)者針對(duì)霾進(jìn)行研究，研究表明霾的形成不僅受到人類活動(dòng)的影響，還受到天氣要素及大氣環(huán)流的影響[7-9]，特別是范圍廣、強(qiáng)度大的霾，一般都會(huì)在一些特定的天氣形勢(shì)下發(fā)生[10-11]，環(huán)流場(chǎng)穩(wěn)定、大氣層結(jié)穩(wěn)定和地面風(fēng)速小是造成天津典型空氣污染的主要?dú)庀笤騕12]。

針對(duì)霾天氣過(guò)程的大氣環(huán)流分型，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者都進(jìn)行了研究，主要分為主觀大氣環(huán)流分型法和客觀大氣環(huán)流分型法。蔡子穎等[13-14]將 2014—2017年天津地區(qū)中度以上霾過(guò)程分為5種大氣環(huán)流類型，總結(jié)了2009—2016年天津地區(qū)易出現(xiàn)重污染天氣的4種地面形勢(shì)；戴竹君等[15]將江蘇秋冬季重度霾發(fā)生時(shí)的地面形勢(shì)分為均壓型、冷鋒前部型和低壓倒槽型。但這些分型方法均為主觀大氣環(huán)流分型方法，具有明顯的主觀性?？陀^分型方法可以避免主觀性造成的影響，比如 EOF和 PCA為代表的向量分析，但由于客觀分型法常依賴于原始資料，應(yīng)用不同長(zhǎng)度的氣象資料得到的分型結(jié)果不同，限制了在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中的應(yīng)用[16]。由于主、客觀環(huán)流分型法各有優(yōu)缺點(diǎn)，學(xué)者們希望能定義一些客觀的標(biāo)準(zhǔn)，把主觀的分型方法客觀化，主、客觀方法結(jié)合起來(lái)?；?Lamb大氣環(huán)流分型[17]的 Jenkinson方法[18]，通過(guò)定義指數(shù)及分類標(biāo)準(zhǔn)將大氣環(huán)流分型客觀化，被廣泛應(yīng)用于研究局地環(huán)流與氣候變化的聯(lián)系。

天津作為京津冀地區(qū)主要城市之一，近些年工業(yè)化造成的污染也日益嚴(yán)重，已成為霾天氣重災(zāi)區(qū)之一。本文采用L-J分型法研究天津霾天氣與環(huán)流的關(guān)系，通過(guò)對(duì) 1998—2017年發(fā)生在天津地區(qū)的區(qū)域霾過(guò)程進(jìn)行環(huán)流歸類，得出天津區(qū)域霾的主要形勢(shì)場(chǎng)類型及環(huán)流特征，從而提高對(duì)天津地區(qū)霾天氣的認(rèn)識(shí)，對(duì)霾預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)具有一定指導(dǎo)意義。

1 資料與方法

1.1 資料

本文研究使用的資料為美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的全球 1998—2017年日平均海平面氣壓場(chǎng)及高空風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)，格點(diǎn)分辨率為 2.5°×2.5°。地面氣象觀測(cè)資料來(lái)自天津市 9個(gè)國(guó)家一般氣象觀測(cè)站(薊州、寧河、武清、北辰、津南、東麗、靜海、大港、漢沽)和3個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站(寶坻、西青、塘沽)地面一天3個(gè)時(shí)次(08、14和20時(shí))的能見度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速和天氣現(xiàn)象等觀測(cè)資料。

1.2 方法

根據(jù)《QX/T 113—2010中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》和氣預(yù)函[2013]34號(hào)文件規(guī)定，本文排除降水、沙塵暴、浮塵、揚(yáng)沙、吹雪、雪暴和煙幕等能導(dǎo)致能見度降低的情況，將日均能見度小于 10km、日均相對(duì)濕度小于 90%的情況記為一個(gè)霾日。按水平能見度大小，將霾分為4個(gè)等級(jí)，即輕微霾、輕度霾、中度霾和重度霾，水平能見度分別為5～10、3～5、2～3和 2km以下。當(dāng)天津 12個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)中超過(guò) 8個(gè)及以上站點(diǎn)出現(xiàn)霾日時(shí)，記為 1次天津地區(qū)區(qū)域霾日，并以任意一觀測(cè)站最高霾等級(jí)作為區(qū)域霾等級(jí)(圖1)。

圖1 Lamb-Jenkinson 分型方法的計(jì)算區(qū)域及16個(gè)差分格點(diǎn)的分布圖Fig.1 Computational domain of Lamb-Jenkinson classification and distribution of 16 differential grids points

本文采用 L-J分型法對(duì)天津地區(qū)的日平均海平面氣壓場(chǎng)進(jìn)行客觀定量的環(huán)流分型。L-J方法是在設(shè)定的計(jì)算范圍內(nèi)，每隔10個(gè)經(jīng)度、5個(gè)緯度的網(wǎng)格上取 1個(gè)差分格點(diǎn)，共計(jì) 16個(gè)格點(diǎn)。本文以(117°E，39°N)為中心點(diǎn)，選取 100°～130°E、30°～50°N 為研究范圍。

在該研究范圍內(nèi)，利用差分公式由 16個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的日平均海平面氣壓值計(jì)算中心點(diǎn)(117°E，39°N)的地轉(zhuǎn)風(fēng)(u，v)和地轉(zhuǎn)渦度(uξ，vξ)，如式(1)～(6)所示。

其中，p為海平面氣壓值；α、1α和2α分別表示39°N、34°N 和 44°N；V 為地轉(zhuǎn)風(fēng)，u、v分別為地轉(zhuǎn)風(fēng)的西風(fēng)分量和南風(fēng)分量；ξ為總渦度，uξ為u的經(jīng)向梯度，vξ為v的緯向梯度。

2 結(jié)果分析

2.1 區(qū)域性霾日時(shí)間變化

利用天津市 12個(gè)氣象觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)1998—2017年天津地區(qū)區(qū)域性霾日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明1998—2017年共出現(xiàn)區(qū)域性霾日數(shù)1244d。如圖2a所示，1997—2015年區(qū)域性霾日數(shù)逐年增加，2015年區(qū)域性霾日數(shù)為 161d，2016—2017年區(qū)域性霾日數(shù)迅速減小，區(qū)域性霾日數(shù)分別為 55d、56d。

圖2 1998—2017年區(qū)域性霾日年和月變化Fig.2 Yearly and monthly variation of regional haze days from 1998 to 2017

圖3a為1998—2017年天津地區(qū)區(qū)域性輕微霾、輕度霾、中度霾和重度霾日數(shù)變化情況，從圖中可以看出 1998—2013年區(qū)域性輕微霾日數(shù)逐漸增加，2014年、2015年迅速減小。區(qū)域性輕度霾、中度霾和重度霾日數(shù)在1997—2011年均無(wú)明顯變化，2012年開始逐漸增加，2014年區(qū)域性中度霾日數(shù)達(dá)到最大，而區(qū)域性中度霾和重度霾日數(shù)繼續(xù)增加，2015年達(dá)到峰值，分別為42d和92d，2014年、2015年區(qū)域性中度霾和重度霾日數(shù)與區(qū)域性輕微霾日數(shù)變化趨勢(shì)相反。

1998—2017 年 4種標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域性霾日數(shù)月分布均呈現(xiàn)明顯的雙峰型，其中區(qū)域性輕微霾日數(shù)、輕度霾和中度霾日數(shù)變化趨勢(shì)與區(qū)域性霾日數(shù)月變化一致，雙峰均出現(xiàn)在6月、7月和10月到次年1月，而區(qū)域性重度霾日數(shù)雙峰分別出現(xiàn)在4月、11月。

圖3 1998—2017年4種標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域性霾日年和月變化Fig.3 Yearly and monthly variation of regional haze days with four standards from 1998 to 2017

2.2 Lamb-Jenkinson環(huán)流分型分析

本文采用L-J分型法對(duì)天津地區(qū)1998—2017年大氣環(huán)流進(jìn)行客觀分型，圖4給出了天津地區(qū)1998—2017年26種環(huán)流型的概率分布曲線圖，圖中可以看出有 10種環(huán)流型出現(xiàn)頻率超過(guò) 4%，分別為A型、NE型、E型、N型、C型、W 型、ANE型、NW型、AN型和SW型，占總數(shù)的76.63%；其余16種環(huán)流型出現(xiàn)的頻率占總數(shù)的23.37%。

圖4 1998—2017年天津地區(qū)各環(huán)流類型發(fā)生頻率Fig.4 Frequency of circulation types in Tianjin from 1998 to 2017

圖5為1998—2017年天津地區(qū)各環(huán)流類型下出現(xiàn)區(qū)域霾的頻率，從圖中可以看出天津區(qū)域霾天氣下出現(xiàn)頻率最高的環(huán)流類型分別為：A型、NE型、C型、W型、E型、N型、NW型、SW型、ANE型。通過(guò)與天津地區(qū)各環(huán)流類型發(fā)生頻率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，天津區(qū)域性霾天氣下AN型環(huán)流所占比例明顯下降，所占比例僅為2.97%。A型、NE型、E型、N型和ANE型所占比例也略有下降，而C型、W型、NW型和SW型所占比略有上升。

圖5 1998—2017年天津地區(qū)各環(huán)流類型下發(fā)生區(qū)域霾頻率Fig.5 Regional haze frequency in each circulation type in Tianjin from 1998 to 2017

對(duì)出現(xiàn)區(qū)域性霾頻率較高的 9種環(huán)流類型進(jìn)行霾等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分類(圖6)，可以發(fā)現(xiàn) ANE型發(fā)生區(qū)域性輕微霾的頻率最高，占其出現(xiàn)區(qū)域霾的 50%，而C型、W型和SW型發(fā)生區(qū)域性輕微霾的頻率較低，均在40%以下，其中SW型最低。C型發(fā)生區(qū)域性輕度霾的頻率最高為30.25%，而N型和NW型發(fā)生頻率較低，分別為 19.77%和 17.11%，其余各環(huán)流型發(fā)生區(qū)域性輕度霾的頻率均在 20%以上。各環(huán)流類型發(fā)生區(qū)域性中度霾的頻率相當(dāng)，均在 17%～27%之間。區(qū)域性重度霾發(fā)生頻率最高的環(huán)流型為 SW 型，發(fā)生頻率為 24.66%，而NE型、E型和ANE型發(fā)生區(qū)域性重度霾的頻率均較低，分別為 6.15%、9.38%和 10%，其余環(huán)流型發(fā)生區(qū)域性重度霾的頻率均在10%～20%之間。

圖6 9種環(huán)流型出現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域性霾日的頻率Fig.6 Frequency of regional haze days with different standards in 9 circulation types

圖7 天津地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性霾時(shí) 26類環(huán)流形勢(shì)出現(xiàn)區(qū)域性重度霾日的概率Fig.7 Probability of regional severe haze days for twenty-six circulation types when occurring regional haze in Tianjin

重度霾對(duì)人類生產(chǎn)、生活及健康具有重要影響，因此本文對(duì)天津地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性霾時(shí)26類環(huán)流形勢(shì)中出現(xiàn)區(qū)域性重度霾的概率進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。如圖7所示，天津出現(xiàn)區(qū)域性霾頻率較高的9種環(huán)流類型出現(xiàn)重度霾的概率也較高，占 78.14%。其中，A 型、C型、W 型和 SW 型環(huán)流出現(xiàn)區(qū)域性重度霾概率最高，分別為11.26%、10.6%、12.58%和11.92%。

2.3 環(huán)流分析

通過(guò)討論可以看出天津出現(xiàn)區(qū)域性霾日時(shí)，A 型、NE型、C 型、W 型、E型、N 型、NW 型、SW 型、ANE型環(huán)流出現(xiàn)概率均較高，并且 A 型、C型、W 型和 SW 型環(huán)流出現(xiàn)區(qū)域性重度霾日概率較高。因此，分析A型、C型、W型和SW型環(huán)流對(duì)今后天津地區(qū)區(qū)域性重度霾預(yù)報(bào)分析具有指導(dǎo)作用。

通過(guò) A型大氣環(huán)流(圖8)可以看出，500hPa為明顯的西風(fēng)氣流，700hPa在貝加爾湖附近存在弱脊，我國(guó)青海南部等地存在一槽，天津地區(qū)主要受偏

西氣流影響。850hPa天津地區(qū)位于高壓外圍，受偏西風(fēng)影響，地面受大陸高壓控制，等壓線稀疏，風(fēng)力微弱。由于天津地區(qū)受高空偏西氣流影響，500hPa槽脊較弱不利于冷空氣東移南下，配合地面弱氣壓場(chǎng)容易形成天津地區(qū)區(qū)域性霧霾天氣。

圖8 A型平均位勢(shì)高度場(chǎng)和平均海平面氣壓場(chǎng)(圖a、b、c 單位：gpm；圖d單位：hPa)Fig.8 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type A(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

圖9 C型平均位勢(shì)高度場(chǎng)和平均海平面氣壓場(chǎng)(圖a、b、c 單位：gpm；圖d單位：hPa)Fig.9 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type C(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

圖10 W型平均位勢(shì)高度場(chǎng)和平均海平面氣壓場(chǎng)(圖a、b、c 單位：gpm；圖d單位：hPa)Fig.10 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type W(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

圖11 SW型平均位勢(shì)高度場(chǎng)和平均海平面氣壓場(chǎng)(圖a、b、c 單位：gpm；圖d單位：hPa)Fig.11 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type SW(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

C型大氣環(huán)流(圖9)500hPa存在淺薄的一脊一槽，脊位于我國(guó)新疆北部，槽位于貝加爾湖以西地區(qū)，天津地區(qū)受偏西氣流影響；700hPa同樣存在淺薄的一脊一槽，但槽脊經(jīng)向度略有加大，位置略偏東，脊在貝加爾湖地區(qū)，槽位于我國(guó)東北地區(qū)以西；850hPa位于東北至河套地區(qū)槽明顯加深，天津地區(qū)受槽前西南氣流控制；地面受弱低壓影響，等壓線稀疏，風(fēng)力較弱。500hPa的淺薄槽脊不利于冷空氣東移南下影響天津地區(qū)，850hPa西南氣流有利于將低層污染物向天津地區(qū)輸送，地面風(fēng)力較弱，有利于污染物向天津地區(qū)輸送累計(jì)，形成重度霾日天氣。

W 型大氣環(huán)流(圖10)500hPa為平直的西風(fēng)氣流，700hPa存在淺薄槽脊，但天津地區(qū)仍受偏西氣流影響；850hPa存在一脊一槽，脊位于貝加爾湖，槽位于我國(guó)東北與蒙古國(guó)交界處，天津地區(qū)受西南氣流影響；地面位于低壓底部，受偏西風(fēng)影響。

SW型500hPa大氣環(huán)流(圖11)與W型500hPa大氣環(huán)流類似，均為平直的西風(fēng)氣流；700hPa存在淺薄槽脊，但天津地區(qū)仍受偏西氣流影響；850hPa天津地區(qū)位于槽前受西南氣流影響，地面位于低壓前部，受西南風(fēng)影響。天津地區(qū)高空受平直西風(fēng)氣流影響，不利于冷空東移南下，低層及地面西南氣流影響有利于將華北中南部污染物向本地區(qū)輸送，易形成重度污染。

3 結(jié)論與討論

本文首先統(tǒng)計(jì)天津地區(qū)區(qū)域性霾日，并利用 L-J分型法對(duì)1998—2017年天津地區(qū)區(qū)域性霾天氣下的大氣環(huán)流進(jìn)行客觀分型，研究結(jié)果表明：

①1998—2017年天津區(qū)域性霾日數(shù)先增加后減小，2015年達(dá)最大值。輕微、輕度、中度和重度霾日數(shù)均為先增加后減小，天津區(qū)域性霾日數(shù)、輕微、輕度、中度和重度霾日數(shù)的月分布均呈雙峰型。

②利用L-J分型法對(duì)天津1998—2017年大氣環(huán)流進(jìn)行客觀分型發(fā)現(xiàn)，A 型、NE型、E型、N 型、C型、W型、ANE型、NW型、AN型和SW型出現(xiàn)頻率較高，占總數(shù)的 76.63%。而區(qū)域霾日下出現(xiàn)頻率最高的環(huán)流類型分別為 A 型、NE型、C型、W 型、E型、N型、NW型、SW型、ANE型。

③對(duì)出現(xiàn)區(qū)域性霾日頻率較高的 9種環(huán)流類型進(jìn)行霾等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分類發(fā)現(xiàn)，ANE型發(fā)生區(qū)域性輕微霾的頻率最高，SW 型最低。C型發(fā)生區(qū)域性輕度霾的頻率最高，而 N型和 NW 型發(fā)生頻率較低。各環(huán)流類型發(fā)生區(qū)域性中度霾的頻率相當(dāng)。區(qū)域性重度霾發(fā)生頻率最高的環(huán)流型為 SW 型，而 NE型、E型和 ANE型發(fā)生區(qū)域性重度霾的頻率均較低。A型、C型、W 型和 SW 型環(huán)流出現(xiàn)區(qū)域性重度霾日概率最高。

④A型、W型和SW型500hPa環(huán)流均為平直氣流，A型地面受大陸高壓控制，W 型地面位于低壓底部受偏西風(fēng)影響，SW 型地面位于低壓前部受西南風(fēng)影響，風(fēng)力均較弱；而 C型 500hPa環(huán)流存在淺薄的一脊一槽，地面受弱低壓影響，風(fēng)力較弱，均易形成重度污染。