泰州地区一次连续重度霾天气特征分析

郑炜+田鹏飞+周彬等

摘 要：利用地面自动站资料、探空资料、环境监测站污染物资料、美国NOAA极轨卫星资料、轨迹模式HYSPLIT4资料，对2013年12月2-8日连续性重度霾天气进行了综合分析。结果表明：安徽省中南部的秸秆焚烧是污染颗粒物的主要来源，配合持续时间较长时间的稳定天气形势，强逆温层的存在共同导致了此次连续性重度霾天气。

关键词：霾 污染物 逆温层

中图分类号：P426.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0113-04

霾是大量细微颗粒物均匀悬浮在大气中，其散射效应造成的大气混浊， 低水平能见度的一种天气现象。雾与霾常相伴随，可相互转化，白天为霾，夜间随着相对湿度上升，液滴增大转为雾。随着长三角地区化石能源的巨大消耗和机动车数量的急速增加，使得污染物排放总量不断增大，大量的污染物排放，导致了霾的出现和维持，其影响交通运输，还导致空气质量下降， 诱发呼吸道疾病，其对生活环境和健康问题的影响越来越受到关注。目前人为污染物排放所占比例越来越高，与天然污染物相比，人为污染物对于人体的危害性更大。人为污染物中含大量有毒有机物成分和某些对人体有严重危害的重金属成分，对人体可能造成严重的危害[1-3]。

2013，霾几乎席卷大半个中国，许多城市重度“沦陷”，平均霾日创记录；多地橙色、红色预警不断，PM2.5增至700、1000，爆表的“霾”纪录，令人震惊。泰州地处长三角，是霾发生的“重灾区”之一。近年来， 随着国民经济和城市化进程的快速发展， 工业耗煤量、废气排放量、建筑工地扬尘量和机动车拥有量等不断增加，霾天气急剧增多，已成为城市主要灾害之一。2000以来泰州霾天气各不相同，总体呈增加趋势，2006年后增加更加显著，进入2013年泰州市霾天气月平均达到了17 d，仅有7、8、9三月灰霾天气都不超过10 d。12月，霾天气更是大面积爆发，2～8日出现了持续一周的严重污染雾霾天气，对人民群众的生活造成了极大的影响。

国内关于雾的研究很多，近年来随着霾天气的爆发性增多，社会关注度增大，许多关于霾的研究也逐渐开展起来。广东吴兑对雾和霾都做过深入的观测研究，他提出了雾霾可以相互转化，雾与霾的区分标准，深入研究了霾的观测标准发现霾主要与人类活动排放的污染物密切相关[4]；胡亚旦等发现中国的霾天气主要分布在中东部和南部，西部和东北部地区相对较少，大中城市的霾较乡村明显偏多，"浊岛"现象明显[5]。俞剑蔚等研究一次重度污染天气过程时发现外部平流来的大气气溶胶对霾的形成起到了主要作用。大气气溶胶的输送通道主要在200～500m之间的大气高度层，水平风的辐合对霾的增强作用非常明显，辐合中心和严重霾区中心有较好的对应关系[6-8]。

该文试图通过探讨一次连续性重度霾天气发生、发展和消亡的的物理成因，并对诸多气象条件开展分析， 明确了各种气象条件对此次过程的作用和关系， 初步探明了过程的成因及其特征，希冀可为霾的预报提供一些参考依据。

1 资料来源

气象资料来自于2013年泰州国家气象基本站的逐小时地面观测资料、南京站探空资料、AQI及PM2.5资料来自于泰州市环保部门。利用美国NOAA轨迹模式HYSPLIT4分析此次霾天气污染物的输送，HYSPLIT4是一种欧拉和拉格朗日混合型的计算模式，包含多种物理过程，可以针对不同类型排放源，进行较完整的输送扩散和沉降过程模拟，并能够处理多种气象输入场，被广泛应用于大气污染物输送研究，同时利用NOAA-18极轨卫星的火点监测资料来判断污染物的来源。

2 过程概况

2013年12月2～8日我省了出现的一次大范围持续性霾天气，12月2日10时，中央气象台发布了霾黄色预警。江苏、安徽东部、上海、浙江东北部、河北中南部、天津、山东西北部等地空气污染气象条件达4～5级，局地可达6级，大部地区为中度霾。其中，江苏中南部、上海、河北中南部等地的部分地区出现重度霾。我省盐城、淮安、泰州和南通4座城市空气质量达到严重污染级别，上海、连云港、常州等12个城市空气质量持续达到重度污染级别。石家庄、临沂和邢台等7个城市空气质量达到严重污染级别。连东北地区的哈尔滨，空气质量也达到了达到重度污染级别。

泰州从2～8日空气质量持续了一周的重度到严重污染，AQI（空气质量指数）普遍超过200的重度污染值，2～6日均为严重污染，其中12月5日AQI达到了416的顶峰，PM2.5浓度更是“爆表”，超过了500 ug/m3。 此次连续重度霾事件首要污染物为细颗粒物PM2.5，由图1也可发现PM2.5的浓度值与AQI的值有很好的对应，可见高浓度的细颗粒气溶胶粒子为霾的形成也提供了有利条件。6日有弱冷空气扩散影响，7日污染稍有下降，但仍保持着中度污染的程度，8日再度回到重度污染，随着8日后期较强冷空气的南下，霾才逐渐消散。

3 气象条件特征分析

3.1 环流背景

13年12月2～8日期间我国上空中纬度高层环流形势比较平稳，以纬向气流为主，多受西北或偏西气流影响，冷空气势力相对较弱。高层形势稳定，期间无降水过程，有助于污染持续。海平面气压场上我省基本处在气压梯度小，水平风速弱的均压场控制当中，宽广的弱气压场为霾天气的发生提供了比较稳定的大气环流条件，非常不利于中低层污染物的输送扩散。由此可见大尺度上稳定少变的天气形势此次大范围持续重度霾天气的重要背景。

3.2 大气层结

大量研究结果表明，近地层出现逆温，会导致污染物无法向上输送，只得在下部聚集，造成空气质量恶化和能见度下降，有利于霾的形成维持[9]。此次过程由地面至高层均为一致的下沉气流，有利于大气的稳定，易于形成逆温层，导致污染物不断聚集，图2分别为12月2日08时与5日08时南京站的温度探空曲线。2日08时近地层存在强逆温层，逆温强度达到3.5 ℃/100m，但是其逆温层相对浅薄，只有800 m，逆温层顶位于950 hPa附近。而5日08时逆温强度为1.5 ℃/100m，其逆温层较厚，达到1.5公里，存在多层逆温，最大逆温层顶位于在850 hPa附近。可见逆温强度虽然越强，大气越稳定，但是逆温层厚度也是不可忽视的影响因子，厚度越厚，垂直结构越稳定，减弱了大气湍流交换和热力对流，阻碍了污染物质向上扩散稀释，导致在低空污染物不断积累，造成污染浓度的持续升高，有利于霾的维持。endprint

3.3 能见度

由于雾和霾形成的天气形势较一致，所以霾在早晚的时候往往会转化为雾，在满足能见度的情况下，主要以相对湿度来区分雾和霾[10]。2～8日，全市能见度基本在5公里以下，能见度小于1 km时，相对湿度大于90%为雾，80%到90%之间为雾霾混合物，但是以霾为主，小于80%为霾。由图中可见相对湿度在前夜间到清晨时间段基本大于90%，这段时间主要为雾，其中4日、5日早晨出现了浓雾，能见度不足50 m。其他时间段基本是霾或雾霾混合体。由相对湿度与能见度的比对来看，大的相对湿度基本对应低的能见度。白天湿度降低，但能见度仍维持在4Km以下。霾天气出现期间相对湿度呈下降趋势，与能见度变化趋势相反，且呈反位相。霾和雾在观测中容易混淆，而且二者在一定条件下能相互转化。

3.4 风力条件

从海平面气压和2 m风速的变化曲线图可见，海平面气压均在1004～1012 hPa范围变化，为典型的弱高压。4～5日污染最严重时气压要明显高于其他几日，可能气压略增强，更有利于形成逆温。高压气压梯度小，决定了水平风速也较小，静风的情况占了1/3，其余大部分在2m/s以下，风速与污染物在空气中的浓度成反比，可见这种弱高压是非常不利于污染物的输送扩散的。此次过程还发现出现频率最高的是西北风，其次是东南风，东北风和西南风出现较少。

3.5 后向轨迹

从美国极轨卫星NOAA-18在12月2到3日的火点监测资料中发现：污染源生成附近在安徽南部有大量密集的火点，经调查为安徽农民的秸秆焚烧。通过轨迹分析了2～5日高层500及300 m、低层100 m的气团后向轨迹，发现造成污染的气团主要来自我市西南面，也就是安徽的中南部，与火点位置有着高度一致。可见此次污染源主要来自安徽南部地区，以及气团途经地，也就是安徽中部，进入我省之后结合稳定的气象条件，共同导致了此次连续性重度霾的天气。

4 结语

（1）高层纬向环流，地面弱高压控制，稳定少变的天气形势此次大范围持续重度霾天气的重要背景。

（2）高浓度的气溶胶粒子为霾的形成也提供了有利条件。

（3）逆温强度虽然越强，大气越稳定，逆温层厚度也是不可忽视的影响因子，厚度越厚，垂直结构越稳定，越有利于霾的维持。

（4）霾天气出现期间相对湿度呈下降趋势，与能见度变化趋势相反，且呈反位相。

（5）此次污染来源还是安徽省中南部的秸秆焚烧，再加上稳定的气象条件，共同导致了此次连续性重度霾的天气。

参考文献

[1] 《大气科学辞典》编委会.大气科学辞典[M].北京：气象出版社，1994：408.

[2] 吴兑.霾与雾的识别和资料分析处理[J].环境化学，2008，27（3）：328-330.

[3] 孙霞，银燕，孙玉稳，等.石家庄地区春季晴、霾天气溶胶观测研究[J].中国环境科学，2011，31（5）：705-713.

[4] 吴兑，吴晓京，朱小祥.雾和霾[M].北京：气象出版社，2009.

[5] 胡亚楠，周自江.中国霾天气的气候特征分析[J].气象，2009，35（7）：74-78.

[6] 俞剑蔚，孙燕，张备，等.江苏沿江一次重霾天气成因分析[J].气象科学，2009，29（5）：664-669.

[7] 王艳，柴发合，刘厚凤，等.长江三角洲地区大气污染物水平输送场特征分析[J].环境科学研究，2008，21（1）：22-29.

[8] 吴兑，廖国莲，邓雪娇，等.珠江三角洲霾天气的近地层输送条件研究[J].应用气象学报，2008，19（1）：1-9.

[9] 朱佳雷，王体健，邢莉，等.江苏省一次重霾污染天气的特征和机理分析[J].中国环境科学，2011，31（12）：1943-1950.

[10] 吴兑.雾与霾的区分及灰霾天气预警建议[J].广东气象，2004（4）.endprint

3.3 能见度

由于雾和霾形成的天气形势较一致，所以霾在早晚的时候往往会转化为雾，在满足能见度的情况下，主要以相对湿度来区分雾和霾[10]。2～8日，全市能见度基本在5公里以下，能见度小于1 km时，相对湿度大于90%为雾，80%到90%之间为雾霾混合物，但是以霾为主，小于80%为霾。由图中可见相对湿度在前夜间到清晨时间段基本大于90%，这段时间主要为雾，其中4日、5日早晨出现了浓雾，能见度不足50 m。其他时间段基本是霾或雾霾混合体。由相对湿度与能见度的比对来看，大的相对湿度基本对应低的能见度。白天湿度降低，但能见度仍维持在4Km以下。霾天气出现期间相对湿度呈下降趋势，与能见度变化趋势相反，且呈反位相。霾和雾在观测中容易混淆，而且二者在一定条件下能相互转化。

3.4 风力条件

从海平面气压和2 m风速的变化曲线图可见，海平面气压均在1004～1012 hPa范围变化，为典型的弱高压。4～5日污染最严重时气压要明显高于其他几日，可能气压略增强，更有利于形成逆温。高压气压梯度小，决定了水平风速也较小，静风的情况占了1/3，其余大部分在2m/s以下，风速与污染物在空气中的浓度成反比，可见这种弱高压是非常不利于污染物的输送扩散的。此次过程还发现出现频率最高的是西北风，其次是东南风，东北风和西南风出现较少。

3.5 后向轨迹

从美国极轨卫星NOAA-18在12月2到3日的火点监测资料中发现：污染源生成附近在安徽南部有大量密集的火点，经调查为安徽农民的秸秆焚烧。通过轨迹分析了2～5日高层500及300 m、低层100 m的气团后向轨迹，发现造成污染的气团主要来自我市西南面，也就是安徽的中南部，与火点位置有着高度一致。可见此次污染源主要来自安徽南部地区，以及气团途经地，也就是安徽中部，进入我省之后结合稳定的气象条件，共同导致了此次连续性重度霾的天气。

4 结语

（1）高层纬向环流，地面弱高压控制，稳定少变的天气形势此次大范围持续重度霾天气的重要背景。

（2）高浓度的气溶胶粒子为霾的形成也提供了有利条件。

（3）逆温强度虽然越强，大气越稳定，逆温层厚度也是不可忽视的影响因子，厚度越厚，垂直结构越稳定，越有利于霾的维持。

（4）霾天气出现期间相对湿度呈下降趋势，与能见度变化趋势相反，且呈反位相。

（5）此次污染来源还是安徽省中南部的秸秆焚烧，再加上稳定的气象条件，共同导致了此次连续性重度霾的天气。

参考文献

[1] 《大气科学辞典》编委会.大气科学辞典[M].北京：气象出版社，1994：408.

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[6] 俞剑蔚，孙燕，张备，等.江苏沿江一次重霾天气成因分析[J].气象科学，2009，29（5）：664-669.

[7] 王艳，柴发合，刘厚凤，等.长江三角洲地区大气污染物水平输送场特征分析[J].环境科学研究，2008，21（1）：22-29.

[8] 吴兑，廖国莲，邓雪娇，等.珠江三角洲霾天气的近地层输送条件研究[J].应用气象学报，2008，19（1）：1-9.

[9] 朱佳雷，王体健，邢莉，等.江苏省一次重霾污染天气的特征和机理分析[J].中国环境科学，2011，31（12）：1943-1950.

[10] 吴兑.雾与霾的区分及灰霾天气预警建议[J].广东气象，2004（4）.endprint

3.3 能见度

由于雾和霾形成的天气形势较一致，所以霾在早晚的时候往往会转化为雾，在满足能见度的情况下，主要以相对湿度来区分雾和霾[10]。2～8日，全市能见度基本在5公里以下，能见度小于1 km时，相对湿度大于90%为雾，80%到90%之间为雾霾混合物，但是以霾为主，小于80%为霾。由图中可见相对湿度在前夜间到清晨时间段基本大于90%，这段时间主要为雾，其中4日、5日早晨出现了浓雾，能见度不足50 m。其他时间段基本是霾或雾霾混合体。由相对湿度与能见度的比对来看，大的相对湿度基本对应低的能见度。白天湿度降低，但能见度仍维持在4Km以下。霾天气出现期间相对湿度呈下降趋势，与能见度变化趋势相反，且呈反位相。霾和雾在观测中容易混淆，而且二者在一定条件下能相互转化。

3.4 风力条件

从海平面气压和2 m风速的变化曲线图可见，海平面气压均在1004～1012 hPa范围变化，为典型的弱高压。4～5日污染最严重时气压要明显高于其他几日，可能气压略增强，更有利于形成逆温。高压气压梯度小，决定了水平风速也较小，静风的情况占了1/3，其余大部分在2m/s以下，风速与污染物在空气中的浓度成反比，可见这种弱高压是非常不利于污染物的输送扩散的。此次过程还发现出现频率最高的是西北风，其次是东南风，东北风和西南风出现较少。

3.5 后向轨迹

从美国极轨卫星NOAA-18在12月2到3日的火点监测资料中发现：污染源生成附近在安徽南部有大量密集的火点，经调查为安徽农民的秸秆焚烧。通过轨迹分析了2～5日高层500及300 m、低层100 m的气团后向轨迹，发现造成污染的气团主要来自我市西南面，也就是安徽的中南部，与火点位置有着高度一致。可见此次污染源主要来自安徽南部地区，以及气团途经地，也就是安徽中部，进入我省之后结合稳定的气象条件，共同导致了此次连续性重度霾的天气。

4 结语

（1）高层纬向环流，地面弱高压控制，稳定少变的天气形势此次大范围持续重度霾天气的重要背景。

（2）高浓度的气溶胶粒子为霾的形成也提供了有利条件。

（3）逆温强度虽然越强，大气越稳定，逆温层厚度也是不可忽视的影响因子，厚度越厚，垂直结构越稳定，越有利于霾的维持。

（4）霾天气出现期间相对湿度呈下降趋势，与能见度变化趋势相反，且呈反位相。

（5）此次污染来源还是安徽省中南部的秸秆焚烧，再加上稳定的气象条件，共同导致了此次连续性重度霾的天气。

参考文献

[1] 《大气科学辞典》编委会.大气科学辞典[M].北京：气象出版社，1994：408.

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[8] 吴兑，廖国莲，邓雪娇，等.珠江三角洲霾天气的近地层输送条件研究[J].应用气象学报，2008，19（1）：1-9.

[9] 朱佳雷，王体健，邢莉，等.江苏省一次重霾污染天气的特征和机理分析[J].中国环境科学，2011，31（12）：1943-1950.

[10] 吴兑.雾与霾的区分及灰霾天气预警建议[J].广东气象，2004（4）.endprint