濮陽一次持續(xù)性霧霾天氣的階段性特征和維持機(jī)制

李改琴，唐 影，王 聰，杜麗婭，謝瓊娜

(濮陽市氣象局，河南 濮陽 457000)

引 言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快和工業(yè)的快速發(fā)展，我國主要城市的霧、霾天氣已經(jīng)不完全是自然現(xiàn)象。氣溶膠污染日趨嚴(yán)重，已成為霧、霾天氣發(fā)生頻率增大的主因[1]。多地持續(xù)性的霧霾天氣造成的空氣嚴(yán)重污染，已經(jīng)成為政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。特別是華北秋冬季不斷出現(xiàn)的連片長時(shí)間霧和霾，導(dǎo)致人們呼吸道疾病劇增，重大交通事故頻發(fā)，航班大面積延誤，城市形象受損。近幾年，針對霧霾天氣的傳播與擴(kuò)展機(jī)制研究已廣泛開展[2-4]。已有研究指出，華北平原連續(xù)性大霧有漸發(fā)性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)[5]，霧霾是大氣邊界層湍流運(yùn)動(dòng)及大氣污染等復(fù)雜過程的綜合結(jié)果[6]。穩(wěn)定的大氣環(huán)流背景場是霧、霾長時(shí)間維持的基礎(chǔ)[7-9]，水汽條件與邊界層逆溫是低能見度過程形成的必要條件[10-12]。霧、霾過程中，氣象要素的變化特征與污染物濃度有著密切的關(guān)系。曹偉華等[13]指出，相對濕度和PM2.5濃度是決定能見度大小的2個(gè)關(guān)鍵因子。張建忠等[14]對2014年京津冀4次重污染過程與氣象要素進(jìn)行分析后指出：相對濕度持續(xù)高于60%是出現(xiàn)重度污染并維持的重要指標(biāo),平均風(fēng)速小于2.0 m/s是污染物堆積的重要條件。

以上研究多側(cè)重于對霧霾過程的大氣環(huán)流特點(diǎn)、邊界層特征及與氣象要素的關(guān)系，針對長時(shí)間不同階段污染過程中霧霾形成的氣象條件、污染物特點(diǎn)的差異研究較少。2018年11月23日至12月3日，華北平原出現(xiàn)了長時(shí)間的霧霾天氣，是當(dāng)年秋、冬季以來覆蓋范圍最廣、持續(xù)時(shí)間最長、污染程度最重的一次過程[15]。本文以濮陽市污染過程為例，把此次霧霾污染過程分為3個(gè)階段進(jìn)行研究，揭示不同階段霧霾形成的主要?dú)庀筇卣鳌?/p>

1 數(shù)據(jù)與方法

本文采用NCEP/NCAR(2.5°×2.5°)再分析資料，分析過程期間500 hPa平均高度場、850 hPa平均溫度場特征及動(dòng)力條件；利用鄭州和邢臺(tái)站的高空探測資料，分析本次霧霾天氣的邊界層氣象要素垂直分布特征；利用濮陽站(35°42′N、115°02′E)的常規(guī)氣象觀測資料與濮陽市環(huán)境監(jiān)測站污染物濃度數(shù)據(jù)，研究地面氣象要素與PM2.5、PM10污染物濃度的關(guān)系。

本文霧的用語采用中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《霧的預(yù)報(bào)等級》(中國氣象局2011)，分五級：輕霧(1000 m≤能見度<10000 m)、大霧(500 m≤能見度<1000 m)、濃霧(200 m≤能見度<500 m)、強(qiáng)濃霧(50 m≤能見度<200 m)、特強(qiáng)濃霧(能見度<50 m)。霾的用語按照中國氣象局(2013年)霾預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，霾等級分為中度霾(能見度<2000 m，相對濕度>80%,75 μg/m3≤PM2.5<150 μg/m3)、重度霾(能見度<1000 m，相對濕度>80%，150 μg/m3≤PM2.5<500 μg/m3)、嚴(yán)重霾(能見度<1000 m,相對濕度>80%，500 μg/m3≤PM2.5<700 μg/m3)，分別對應(yīng)霾預(yù)警的黃色、橙色、紅色3級。污染程度根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633—2012)規(guī)定：空氣污染指數(shù)劃分為0-50、51-100、101-150、151-200、201-300和大于300共6檔，分別對應(yīng)一級優(yōu)，二級良，三級輕度污染，四級中度污染，五級重度污染，六級嚴(yán)重污染。

2 天氣過程概況

2018年11月23日—12月3日，華北平原出現(xiàn)了長時(shí)間的霧霾天氣(圖1)，其中河北中南部、河南北部和山東西北部霧霾天氣尤其嚴(yán)重。本次過程可分為3個(gè)階段：前期為11月23夜間到26日夜間的大霧和重度霾(用P1表示)，中期為11月27夜間到30日的重度霾和輕霧(用P2表示)，后期為12月1-3日的大霧和重度霾(用P3表示)。自23日開始，華北大部地區(qū)出現(xiàn)了輕霧，河南東北部、山東西北部出現(xiàn)了霾，個(gè)別站還出現(xiàn)了毛毛雨，能見度2～7 km。24日凌晨能見度開始明顯下降，華北中南部出現(xiàn)能見度小于1 km的大霧(圖1a)，魯西齊河站能見度降到0 km，聊城還產(chǎn)生了小雪，白天大霧逐漸消失，霾持續(xù)，夜晚重新加強(qiáng)。25日凌晨的大霧更強(qiáng)、范圍更廣，華北南部和河南北部出現(xiàn)能見度≤100 m的大霧，魯西局部出現(xiàn)毛毛雨(圖1b)。26日05-08時(shí)，大霧增強(qiáng)，達(dá)到頂峰(圖1c)，華北中南部出現(xiàn)大片能見度不足100 m的大霧。27日凌晨相比25日、26日大霧范圍縮小，強(qiáng)度有所減弱(圖1d)，白天逐漸減弱，霾持續(xù)，夜晚也沒有再次形成大霧，而是維持霾天氣。28日08時(shí)霾伴隨輕霧(圖1e)持續(xù)到29日08時(shí)，此時(shí)華北中東部開始出現(xiàn)輕霧，并伴有個(gè)別站的毛毛雨或小雪。30日夜里華北開始出現(xiàn)大范圍的輕霧。1日白天輕霧伴隨個(gè)別站毛毛雨，夜里華北南部、河南開始出現(xiàn)小雨天氣。2日08時(shí)河南北部、山東全省出現(xiàn)小雨，河北省開始出現(xiàn)大霧(圖1f)，11時(shí)，降水停止，華北大霧增強(qiáng)，最小能見度達(dá)到200 m，到20時(shí)，河南東北部的范縣能見度接近0 m，夜間大霧維持。3日08時(shí)大霧開始減弱，華北中南部能見度0.7～1.0 km。隨著強(qiáng)冷空氣南下，3日14時(shí)，影響華北的大霧天氣消失，霾持續(xù)，20時(shí)持續(xù)多日的霧霾天氣結(jié)束。

圖1 2018年11月24日-12月2日08時(shí)霧霾分布圖(a)11月24日，(b)11月25日，(c)11月26日，(d)11月27日，(e)11月28日，(f)12月2日；為濮陽站，畫線區(qū)為大霧天氣籠罩區(qū)

整個(gè)過程造成了嚴(yán)重污染天氣，污染帶由北至南逐漸傳輸擴(kuò)散，濮陽全市持續(xù)重度污染，部分時(shí)段達(dá)到嚴(yán)重污染。日變化較明顯，下午污染程度略減弱，夜間污染又加重。P1階段的25日10時(shí)AQI達(dá)到峰值306，為嚴(yán)重污染水平；P2階段，AQI 值超過200的時(shí)段達(dá)48 h，其中有14 h AQI超過300，達(dá)到重度到嚴(yán)重污染水平，PM10和 PM2.5峰值分別為 604 μg/m3和267 μg/m3；P3階段，PM2.5的濃度大部分時(shí)段位于200 μg/m3以上，最大為290 μg/m3(2日18時(shí))，達(dá)到嚴(yán)重污染水平。

3 天氣背景場分析

穩(wěn)定的大氣環(huán)流形勢為霧霾重污染天氣提供了有利的大氣環(huán)境場[16]。霧霾期間，高空以緯向環(huán)流為主，冷空氣勢力偏弱，地面主要受弱冷高壓或均壓場控制，有利于華北地區(qū)靜穩(wěn)天氣的形成[17]。為了研究此次過程中的大尺度環(huán)流背景場特征，制作了P1到P2階段的500 hPa平均高度場、850 hPa平均溫度場和海平面平均氣壓場。

從500 hPa平均高度場(圖2a)可以看出，歐亞高空為緯向環(huán)流，華北處于蒙古弱脊前西西北氣流中，緯向環(huán)流長時(shí)間維持導(dǎo)致冷空氣活動(dòng)偏弱，暖空氣較活躍。從850 hPa平均溫度場(圖2b)上可以看出，華北處于暖溫脊控制中，低層暖平流的存在，不但有利于地面弱冷氣團(tuán)的變性減弱，使系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)速減小，而且有利于低層逆溫層的形成，從而阻礙大氣的垂直擴(kuò)散。穩(wěn)定層結(jié)和低空逆溫層的存在是霧霾天氣發(fā)生的必要條件[18]。海平面平均氣壓場上(圖2c),我國大陸為弱冷高壓控制，華北處于弱冷高壓控制的均壓場中，低層弱的水平風(fēng)場為霧霾的發(fā)生發(fā)展提供了有利的環(huán)流背景場[19]?？傊?，高低空環(huán)流形勢的配置均有利于邊界層內(nèi)霧霾天氣的形成和維持。P3階段，環(huán)流形勢開始調(diào)整(圖略)，隨著巴湖較強(qiáng)冷槽的東移南壓，華北上空的高壓脊東移，華北處在槽前脊后西南氣流里，水汽條件轉(zhuǎn)好，中低層850 hPa受槽前暖濕空氣控制，地面處在鋒前均壓場中。2日，受低槽東移影響，華北南部產(chǎn)生了弱降水天氣，導(dǎo)致污染顆粒物的吸濕增長，霧霾天氣加重。到3日夜間，伴隨較強(qiáng)冷空氣南下，此次持續(xù)多日的霧霾天氣逐漸結(jié)束。

圖2 2018年11月23-30日的500 hPa平均高度場(a)、850hPa平均溫度場(b)和海平面平均氣壓場(c)

4 邊界層要素特征分析

大霧是發(fā)生在邊界層的天氣現(xiàn)象。穩(wěn)定層結(jié)(逆溫層)是生成大霧的重要條件之一。霧層一般在逆溫層以下[20]，穩(wěn)定的逆溫層長期維持是連續(xù)性大霧的主要特征。霾天氣造成的嚴(yán)重污染期間，對流層內(nèi)中低層大氣擴(kuò)散能力差，大氣層結(jié)持續(xù)穩(wěn)定，逆溫層持續(xù)時(shí)間長、強(qiáng)度大，有利于污染物在低層的積累和霾的持續(xù)[21]。此次過程逆溫層特征非常明顯，且P1階段大霧和霾形成時(shí)，強(qiáng)逆溫層在900 hPa以下的貼地高度，日變化大；P2階段霾形成時(shí)，較強(qiáng)逆溫層位于900-850 hPa的中低層，出現(xiàn)雙層逆溫和懸垂逆溫，貼地逆溫較弱，日變化不明顯；P3階段逆溫較弱，但是濕層深厚，導(dǎo)致低能見度大霧和霾天氣的發(fā)生。

本文利用離濮陽較近的邢臺(tái)站同期探空資料，得到每日08時(shí)的近地面逆溫強(qiáng)度和濕層厚度(見表1)，本文貼地逆溫強(qiáng)度是指近地面1007-900 hPa的逆溫值大小，懸垂逆溫強(qiáng)度是指900-850 hPa的逆溫值大小。近地面濕層厚度是指相對濕度≥80%的層結(jié)達(dá)到的高度。由表1可看出，P1階段近地面層存在強(qiáng)的貼地逆溫，24日逆溫強(qiáng)度5.8 ℃，25日的6.8 ℃，26日的達(dá)到10.4 ℃。逆溫抑制底層水汽向上擴(kuò)散，有利于霧的形成和發(fā)展維持[22]。2018年11月25日夜間到26日凌晨，濮陽出現(xiàn)強(qiáng)濃霧和特強(qiáng)濃霧。逆溫層的鍋蓋效應(yīng)同樣抑制顆粒物的垂直擴(kuò)散，使顆粒物濃度迅速增加且維持。25日10時(shí)AQI達(dá)到峰值(306)，為嚴(yán)重污染程度?？梢?，逆溫強(qiáng)度、污染物濃度和大霧強(qiáng)度有較好的一致性。P2階段，受西北弱干冷空氣影響，風(fēng)力有所增大，貼地逆溫減弱，850 hPa以下出現(xiàn)雙層逆溫，貼地逆溫層強(qiáng)度≤3 ℃，但900-850 hPa有較強(qiáng)懸垂逆溫層。28日08時(shí)貼地逆溫強(qiáng)度2.8 ℃，懸垂逆溫強(qiáng)度3.2 ℃，20時(shí)達(dá)到6.4 ℃。30日08時(shí)貼地逆溫強(qiáng)度3.0 ℃，懸垂逆溫強(qiáng)度達(dá)到7.6 ℃。此階段污染物主要來自北方輸送的較大顆粒物，污染物在雙層逆溫層內(nèi)聚集，出現(xiàn)了重度霾天氣，PM10濃度明顯升高，峰值達(dá)到624 μg/m3，遠(yuǎn)大于PM2.5的值(267 μg/m3)，AQI的值超過200的時(shí)段達(dá)48 h，長期處于重度污染水平。P3階段雖然貼地逆溫層強(qiáng)度弱，小于等于3 ℃，但是受暖濕氣流影響，近地面濕層厚度較大，相對濕度大于80%的濕層最高達(dá)到3800 m，為氣溶膠粒子的吸濕增長提供了一定的水汽條件，促進(jìn)了大霧和霾的又一次形成。因此逆溫層的強(qiáng)度和濕層厚度都與霧霾的形成和維持呈正相關(guān)。

表1 2018年11月23日-12月3日08時(shí)邢臺(tái)探空站逆溫層和濕層厚度特征

從26-30日鄭州和邢臺(tái)的探空曲線(圖3)也可以看出：華北中高空均為西北氣流控制，且整層干燥，有利于近地面夜間的輻射降溫，形成冷的下墊面。26日低層為弱西南風(fēng)。暖濕西南氣流流經(jīng)冷下墊面，再經(jīng)夜間地面輻射冷卻，易形成逆溫和霧。26日08時(shí)貼地最強(qiáng)逆溫達(dá)到10 ℃以上(圖3a，3b)，厚度達(dá)到近1 km。深厚的逆溫層增強(qiáng)了近地面的靜穩(wěn)程度，加上淺薄的地面濕層，造成26日凌晨的強(qiáng)濃霧和重度污染天氣。霧霾過程與大氣垂直溫度梯度變化有非常大的關(guān)系。貼地逆溫層消失，懸垂逆溫層增強(qiáng)，有利于霧霾形成[23]。28日、30日中低層為西北風(fēng)或偏西風(fēng)，貼地逆溫較弱，強(qiáng)逆溫層位于900 hPa到850 hPa高度之間，屬于懸垂逆溫。28日20時(shí)懸垂逆溫強(qiáng)度達(dá)到6.4 ℃，30日08時(shí)達(dá)到7.6 ℃(圖3c，3d)，污染物在逆溫層下大量積聚，天氣以霾為主，并伴有輕霧，污染嚴(yán)重。

圖3 2018年11月26日08時(shí)鄭州(a)及邢臺(tái)(b)探空和28日20時(shí)(c)、30日08時(shí)(d)邢臺(tái)探空

以上分析可以看出，邊界層逆溫是此次持續(xù)霧霾天氣的重要特征。第一階段強(qiáng)的貼地逆溫有利于大霧的形成，第二階段雙層逆溫和較強(qiáng)的懸垂逆溫有利于霾的形成和維持，第三階段邊界層逆溫雖然較弱，但濕層較厚，同樣有利于大霧的形成。

5 地面氣象要素特征分析

這次霧霾過程3個(gè)子過程的地面要素特征和污染狀況存在顯著的差異。從濮陽站11月23日00時(shí)-12月4日00時(shí)逐3 h的能見度、氣壓、氣溫和露點(diǎn)溫度、相對濕度、風(fēng)速、PM2.5和PM10濃度時(shí)間序列圖上可以看出(圖4)：P1階段，海平面氣壓變化幅度小，弱的氣壓變化決定了地面風(fēng)速較小，白天因受太陽輻射的影響，風(fēng)速稍大，而夜間風(fēng)速均在2 m/s以下，弱水平風(fēng)場決定了大氣水平擴(kuò)散能力差，不利于污染物稀釋擴(kuò)散。溫度、濕度呈現(xiàn)明顯的日變化，夜里到凌晨溫度持續(xù)下降，相對濕度升高到90%以上，空氣接近或達(dá)到飽和，能見度降低，出現(xiàn)濃霧和霾。白天隨著氣溫的回升，相對濕度降低，能見度轉(zhuǎn)好，霧減弱，但是霾變化不大，霾受相對濕度減小的影響較小，此間PM2.5與PM10的濃度接近，基本都大于200 μg/m3，空氣維持重度污染狀態(tài)。P2階段受兩次持續(xù)時(shí)間較短的弱冷空氣影響，海平面氣壓在27日中午和29日中午有兩次脈沖式升高，平均風(fēng)速略增強(qiáng)，風(fēng)向多為偏北風(fēng)，有利于北方污染物向本地的輸送。本地PM10的濃度大于300 μg/m3，高于PM2.5的濃度,27日16時(shí)PM10濃度達(dá)最大，為624 μg/m3。其余時(shí)間風(fēng)速逐漸降低，相對濕度開始增加，逆溫層發(fā)展。其間，大顆粒污染物PM10濃度的兩次峰值前，均有污染物輸送過程，表現(xiàn)為風(fēng)力的增大。

P3階段前期，由于華北處于槽前的西南氣流中，水汽輸送明顯，中低層濕度增大，地面位于弱冷高壓底部的偏東風(fēng)與偏北風(fēng)的匯合區(qū)，造成1日夜間到2日上午華北南部的弱降水天氣，并伴有霧，雨霧共存，能見度小于500 m。隨著降水的結(jié)束，能見度愈來愈低，2日20時(shí)能見度小于100 m，污染開始加重，PM2.5達(dá)到257 μg/m3。相對濕度的增高，不利于PM2.5濃度的降低[24]。因?yàn)榻邓菇貙铀S富，本區(qū)又處于鋒前均壓場，風(fēng)速小，大氣擴(kuò)散條件差，靜穩(wěn)的環(huán)境與高濕的大氣疊加，使污染物累積并進(jìn)一步吸濕增長，導(dǎo)致低能見度的霧霾天氣形成。3日下午開始隨著冷鋒后較強(qiáng)冷空氣的影響，風(fēng)速增大，相對濕度減小，地面氣壓升高，能見度明顯改善，持續(xù)多日的霧霾天氣逐漸結(jié)束。

6 動(dòng)力條件診斷

中低空下沉氣流的存在，有助于近地層的弱風(fēng)條件和穩(wěn)定層結(jié)的建立[25]。本文應(yīng)用NCEP/NCAR(2.5°×2.5°)產(chǎn)品資料，制作了此次過程濮陽上空(116°E、36°N)的渦度和散度垂直分布時(shí)序圖(圖5)。由圖5可以看出，過程中850 hPa及以下高度，渦度和散度的絕對值都很小，且以負(fù)渦度、正的輻散下沉氣流為主，說明大氣層結(jié)穩(wěn)定，有利于霧霾天氣的生成和維持。另外，在P1和P3兩段大霧嚴(yán)重階段，800 hPa高度以下的低層存在弱的輻合輻散相間分布狀況，最大散度絕對值為1.5×10-5s-1，說明大氣邊界層有微弱的湍流運(yùn)動(dòng)，有利于霧向上發(fā)展和維持，P2霾天氣維持期間，環(huán)境為一致的弱輻散下沉氣流。

圖5 濮陽2018年11月25日-12月3日渦度垂直分布時(shí)序圖(a)和散度垂直分布時(shí)序圖(b)

從這次過程的近地面1000 hPa水平風(fēng)場上可以看出(圖6)，P1、P2、P3的3個(gè)階段中，華北中東部存在輻合線，風(fēng)速較小，有利于低層水汽和污染物的匯集，使霧霾天氣加強(qiáng)和維持，26日凌晨出現(xiàn)的強(qiáng)濃霧和霾(圖6a)、28日出現(xiàn)的重度霾(圖6b)、2日出現(xiàn)的大霧和霾(圖6c)，均在輻合線附近。另外，黃海上存在冷高壓環(huán)流，高壓底后部東南風(fēng)吹向華北中東部，P1、P3階段東西氣流輸送更明顯，使當(dāng)?shù)貪穸仍黾?，同樣有利于霧霾天氣的形成。

圖6 1000 hPa水平風(fēng)場

7 結(jié)論和討論

(1)這次持續(xù)多日的霧霾天氣發(fā)生在高空緯向環(huán)流背景下，弱冷空氣活動(dòng)頻繁，地面處于鋒前均壓場或鋒后弱冷高壓中，中低空受暖空氣控制；后期高空受較強(qiáng)西風(fēng)槽影響，槽前增暖增濕產(chǎn)生降水和霧霾天氣，槽后強(qiáng)冷空氣南下使過程結(jié)束。

(2)逆溫層的強(qiáng)度和濕層厚度與霧霾天氣的形成和維持呈正相關(guān)。前期和中期邊界層內(nèi)持續(xù)較強(qiáng)逆溫層和雙層逆溫，鍋蓋效應(yīng)抑制了水汽和污染物在垂直方向上的輸送，是這次霧霾天氣產(chǎn)生的重要原因之一；后期濕層深厚，雨后氣溶膠粒子的聚集吸濕凝結(jié)增長，又一次導(dǎo)致大霧和重度霾天氣。

(3)從動(dòng)力條件看，中低層較弱的負(fù)渦度和輻散下沉氣流，使近地面層結(jié)穩(wěn)定、風(fēng)速減小，抑制水汽和污染物的垂直擴(kuò)散。

(4)近地面多個(gè)時(shí)段弱風(fēng)輻合線的存在，造成水汽和污染物的聚集，為這次霧霾的發(fā)生、維持和加強(qiáng)提供了動(dòng)力條件；同時(shí)大范圍偏東風(fēng)的存在為霧霾區(qū)提供了濕度條件。

這次大范圍持續(xù)多日的霧霾天氣過程，重污染天氣貫穿始末。過程的3個(gè)階段對重污染天氣的貢獻(xiàn)特征不同：前期近地面夜里到凌晨存在飽和濕層和強(qiáng)逆溫層，出現(xiàn)強(qiáng)濃霧和重度霾；中期低層空氣濕度較小，弱冷空氣活動(dòng)頻繁，污染物受傳輸影響較大，邊界層雙層逆溫和懸垂逆溫，出現(xiàn)重度霾；后期濕層深厚，雨后氣溶膠粒子的聚集吸濕凝結(jié)增長，導(dǎo)致濃霧和重度霾天氣。因此，對于長時(shí)間霧霾過程，應(yīng)該注意分析不同階段的主要特征。另外，大霧期間，近地面大氣輻合線的存在，是大霧增強(qiáng)和可能產(chǎn)生團(tuán)霧的因素，需進(jìn)一步深入研究。