通遼市霾天氣時(shí)空分布特征及氣象條件統(tǒng)計(jì)分析

萬(wàn) 宇

通遼市氣象局，內(nèi)蒙古通遼 028000

0 引言

霾是一種大量極細(xì)微的干塵粒子均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的空氣普遍渾濁的天氣現(xiàn)象[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，霾日發(fā)生頻率呈現(xiàn)增多趨勢(shì)。

近年來(lái)，多名專家和學(xué)者對(duì)內(nèi)蒙古各個(gè)地區(qū)的霾進(jìn)行了相關(guān)研究。江靖[2]等對(duì)呼和浩特市、包頭市的預(yù)報(bào)指標(biāo)進(jìn)行了檢驗(yàn)和修訂；張秀英[3]、孫紅斌[4]等研究了氣象要素對(duì)烏海市灰霾天氣的影響分析及分析了烏海市的氣候特征；謝子楊等[5]分析了烏蘭察布市霾日數(shù)時(shí)空變化規(guī)律及其影響因素；王海山[6]分析了通遼地區(qū)霧霾的氣候特征。對(duì)比已有研究可知，目前著眼于通遼市霾天氣特征的研究較少。本文采用日均值法對(duì)通遼市1981—2015年10個(gè)國(guó)家觀測(cè)站的霾日數(shù)進(jìn)行重建，并對(duì)2013—2015年10個(gè)霾天氣過程進(jìn)行研究，統(tǒng)計(jì)出霾天氣發(fā)生時(shí)和消散時(shí)的統(tǒng)計(jì)特征。

1 資料與方法

1.1 研究資料

研究所用資料包括：1981—2015年通遼市國(guó)家氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括天氣現(xiàn)象、水平能見度、相對(duì)濕度及風(fēng)向風(fēng)速等；2013-2015年MICAPS高空、地面及物理量場(chǎng)等資料。

1.2 研究方法

中國(guó)地面氣象觀測(cè)規(guī)范經(jīng)過4次修訂完善，于2007年10月1日發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]。同樣，霾的觀測(cè)定義也由于認(rèn)識(shí)程度及觀測(cè)技術(shù)的提高而有所改變，特別是2010年以來(lái)，對(duì)霾的觀測(cè)規(guī)定經(jīng)過了較多調(diào)整，因此，霾的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一性[8]。吳兌等[9]指出，由于觀測(cè)業(yè)務(wù)中區(qū)分霾的判據(jù)較混亂，缺乏一致性，因此統(tǒng)計(jì)霾的長(zhǎng)期氣候資料時(shí)，不能直接使用天氣現(xiàn)象記錄，需要統(tǒng)一定量標(biāo)準(zhǔn)。

由于觀測(cè)員對(duì)霾記錄規(guī)定的理解偏差或臺(tái)站習(xí)慣性記錄，通遼市霾的觀測(cè)記錄也存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、準(zhǔn)確性不高等問題；同時(shí)，環(huán)境監(jiān)測(cè)站的PM2.5和PM10顆粒物濃度數(shù)據(jù)僅有通遼市科爾沁區(qū)3個(gè)觀測(cè)站統(tǒng)計(jì)，環(huán)境監(jiān)測(cè)站空間分布無(wú)法滿足研究需要。因此要了解通遼霾日數(shù)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，需采用氣象上的統(tǒng)計(jì)方法。常見的霾日統(tǒng)計(jì)方法有3種：?jiǎn)未沃捣?、日均值法?4時(shí)值法。吳兌等[9]通過比較發(fā)現(xiàn)日均值法更多地顯示長(zhǎng)時(shí)間大范圍的霾天氣過程，因此建議在討論霾的氣候特征時(shí)采取日均值方法，即：氣象要素的觀測(cè)數(shù)據(jù)取平均，能見度＜10.0 km，相對(duì)濕度＜80%，排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙霧、吹雪和雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙；氣象要素中，任一時(shí)次能見度＜10.0 km，且80%≤相對(duì)濕度＜90%，同時(shí)出現(xiàn)霾或輕霧等天氣現(xiàn)象。滿足上述任一條件，即定義該日為霾日。

2 時(shí)空分布特征

2.1 年變化特征

統(tǒng)計(jì)表明，結(jié)合1981—2015年35年霾日數(shù)的年變化（圖1）可以看出，霾日數(shù)整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，1981—2012年霾日數(shù)不足10 d，為平穩(wěn)變化期，其中1996年、2004—2006年無(wú)霾日數(shù)；2013年為過渡期，霾日數(shù)為24 d；2014和2015年霾日數(shù)驟增至100多d，為上升期，2014年達(dá)到最大值，為152 d。

圖1 1981—2015年通遼市霾日數(shù)的年變化

2.2 季變化特征

利用1981—2015年通遼市重建后霾日序列對(duì)霾日的季節(jié)變化特征進(jìn)行了分析，由圖2可知，一年四季均有霾發(fā)生，冬季為霾天氣最易發(fā)生的季節(jié)，共191 d；其次為夏季和秋季，分別是105和100 d；春季最少，為47 d。

2.3 月變化特征

一年之中各個(gè)月份都有霾天氣發(fā)生，發(fā)生日數(shù)最多的是1月，為85 d； 其次是12月，為50 d（圖3）。

2.4 空間分布特征

由圖2可知，通遼市霾日數(shù)空間分布不均勻，主要有2個(gè)大值區(qū)，一個(gè)位于通遼市東部的科左中旗，霾日數(shù)達(dá)103 d；另一個(gè)位于扎魯特—開魯—奈曼—庫(kù)倫一帶，霾日數(shù)分別達(dá)到82、76、78、97 d。

圖2 1981—2015年通遼市霾日數(shù)的空間分布

3 氣象條件分析

霾作為一種常見的災(zāi)害性天氣，當(dāng)它持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)生范圍廣時(shí)，大氣能見度低、大氣污染物堆積嚴(yán)重，不僅會(huì)導(dǎo)致交通擁堵，而且會(huì)引發(fā)呼吸系統(tǒng)、心血管等方面的疾病，因此準(zhǔn)確預(yù)報(bào)霾天氣過程具有重要意義。

此研究選取2013—2015年共10個(gè)霾天氣過程，對(duì)地面影響系統(tǒng)、氣象參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出霾天氣過程的氣象條件及氣象要素預(yù)報(bào)指標(biāo)。

3.1 天氣學(xué)模型

以地面天氣系統(tǒng)為指標(biāo)，將上述10例霾天氣過程進(jìn)行天氣學(xué)分型，共分為4種類型，即高壓控制類（圖3a）2例、高壓前部類（圖3b）3例、低壓控制類（圖3c）2例、冷鋒過境類（圖3d）3例。

圖3 通遼市霾天氣過程的地面形勢(shì)特征

高壓控制類：地面圖上，在40°N～50°N、110°E～130°E范圍內(nèi)通遼市受一閉合高壓控制，或者分裂成幾個(gè)中心，但通遼市均不在高壓中心處，而是位于高壓中心后部或前部的均壓場(chǎng)中。

高壓前部類：地面圖上，20°N～55°N、110°E～130°E范圍內(nèi)是一個(gè)大的高壓區(qū)，分裂為多個(gè)高壓中心，較強(qiáng)高壓中心含有兩根閉合等壓線，在2個(gè)高壓中心之間含有弱低壓區(qū)。

低壓控制類：地面圖上，在40°N～50°N、115°E～125°E范 圍 內(nèi) 通 遼市上空為低壓控制，且有一根閉合等壓線，低壓基本被高壓包圍，僅在東北側(cè)鄂霍次克海附近有低值區(qū)以外。

冷鋒過境類：地面圖上，通遼市上游有一冷鋒，通遼市處于冷鋒前部暖區(qū)中，以西南風(fēng)為主。冷鋒過境后，冷鋒后部西北氣流東移南下，風(fēng)速增加，霾過程結(jié)束。

3.2 氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

3.2.1 風(fēng)場(chǎng)由表1可知，霾天氣過程發(fā)生時(shí)與結(jié)束時(shí)，風(fēng)向多數(shù)以南風(fēng)為主，但是結(jié)束時(shí)的風(fēng)速明顯大于發(fā)生時(shí)。

表1 2013-2015年通遼市霾天氣過程概況

3.2.2 大氣層結(jié)逆溫層對(duì)對(duì)流有強(qiáng)烈的抑制作用，逆溫的存在阻擋了動(dòng)量下傳，造成大量水汽和氣溶膠粒子聚集在逆溫層下面，顆粒物吸濕增長(zhǎng)膨大，地面能見度降低，有利于形成霾[10]。分析10次過程中的850 hPa以下逆溫層強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)：幾乎每一次霾天氣的發(fā)生都有逆溫層存在，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)中。逆溫強(qiáng)度最大的是2015年12月8日霾天氣過程，逆溫強(qiáng)度達(dá)到11℃，其次為5℃～8℃，多數(shù)在1℃～3℃之間（圖4）。

圖4 通遼市霾天氣過程大氣層結(jié)特征

3.2.3 能見度能見度是指示霾天氣的重要指標(biāo)。10個(gè)案例中均存在霾天氣消散時(shí)的能見度大于霾天氣發(fā)生時(shí)（圖5）；并且有8個(gè)案例差值較大，最大的是第3個(gè)案例（2014年02月12—14日）。

圖5 通遼市霾天氣過程能見度特征

3.2.4 相對(duì)濕度由圖6可知，10個(gè)案例中有8例過程，霾天氣消散時(shí)的相對(duì)濕度小于霾天氣發(fā)生時(shí)的相對(duì)濕度，相對(duì)濕度較大有利于空氣污染物的堆積。

圖6 通遼市霾天氣過程相對(duì)濕度特征

3.2.5 垂直速度垂直速度也是表征大氣穩(wěn)定狀態(tài)的物理量。通過對(duì)10個(gè)個(gè)例的分析（圖7），可以發(fā)現(xiàn)，大范圍持續(xù)性霾過程嚴(yán)重發(fā)生期間，大氣處于弱上升—下沉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而霾天氣消散時(shí)垂直速度增大，易使上下層空氣流動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)量下傳，有助于污染物的擴(kuò)散。

4 預(yù)報(bào)指標(biāo)

4.1 霾天氣發(fā)生時(shí)的預(yù)報(bào)指標(biāo)

（1）首先，500 hPa環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)以平直的偏西或西北氣流最多，其次為弱脊或弱槽，溫壓場(chǎng)配置較一致，槽脊處于穩(wěn)定狀態(tài)中。

（2）絕大多數(shù)情況下，850 hPa有暖脊控制，以暖平流為主。霾天氣發(fā)生前，850 hPa以暖平流為主，地面增溫明顯。

（3）在探空?qǐng)D上，850 hPa至近地面層有逆溫層存在時(shí)，有利于霾天氣的發(fā)生，特別是當(dāng)逆溫強(qiáng)度比較大時(shí)，霾天氣持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

（4）地面上處于弱氣壓場(chǎng)、均壓場(chǎng)或者冷鋒前部暖區(qū)中。

（5）地面上盛行風(fēng)向的上游，若有霾發(fā)生，那么由于污染物的輸送，也會(huì)導(dǎo)致當(dāng)?shù)伥蔡鞖獾陌l(fā)生。

（6）地形作用。通遼市地處大興安嶺南麓，地勢(shì)西高東低，西北部為山區(qū)，東南部為平原或沙地，當(dāng)我國(guó)東北區(qū)有霾出現(xiàn)并且地面盛行偏東風(fēng)時(shí)，通遼市將出現(xiàn)霾天氣過程。

4.2 霾天氣消散時(shí)的預(yù)報(bào)指標(biāo)

（1）當(dāng)500 hPa風(fēng)速增大時(shí)，高空有動(dòng)量下傳，湍流加強(qiáng)，近地面風(fēng)力隨之增大，對(duì)重度霾緩解有一定指示意義。

（2）當(dāng)850 hPa溫度場(chǎng)轉(zhuǎn)為脊后控制時(shí)，以冷平流為主，有利于霾天氣的消散。

（3）當(dāng)逆溫層減弱或消失時(shí)，霾天氣過程結(jié)束。

（4）當(dāng)?shù)孛嬗绊懴到y(tǒng)轉(zhuǎn)為高壓前部或者冷鋒后部時(shí)，風(fēng)向轉(zhuǎn)變，風(fēng)速增大，霾天氣過程結(jié)束。

5 結(jié)論

（1）霾天氣發(fā)生時(shí)，通遼市高空以平直緯向環(huán)流為主，地面為弱氣壓場(chǎng)控制，屬于典型的靜穩(wěn)天氣，不利于污染物擴(kuò)散和稀釋。邊界層結(jié)構(gòu)和地面氣象要素表現(xiàn)為大氣層結(jié)穩(wěn)定、風(fēng)速小、相對(duì)濕度較大、逆溫頻率高強(qiáng)度大，邊界層內(nèi)大氣擴(kuò)散能力差，易導(dǎo)致污染物在低層的持續(xù)積累和霾的形成。

（2）由于通遼周邊地區(qū)污染物排放量大，在相對(duì)穩(wěn)定的天氣條件下，受地形阻擋作用和城市局地環(huán)流的影響，通遼本地污染物和區(qū)域污染物輸送共同作用，造成通遼地區(qū)污染物濃度快速增長(zhǎng)并持續(xù)偏高，形成持續(xù)的霾天氣。

（3）霾天氣的形成和消散是非常復(fù)雜的過程，其形成和時(shí)空分布演變受多種因素的影響，復(fù)雜的物理化學(xué)機(jī)制更需要深入研究，以提高霾預(yù)報(bào)預(yù)警和污染治理防控的技術(shù)能力。

圖7 通遼市霾天氣過程垂直速度特征