辽宁一次大范围雾霾天气气象条件分析

于亚薇，苏 航，孟振雄，周春晓，辛艳辉

(1.辽宁省葫芦岛市气象局，辽宁 葫芦岛 125000；2.辽宁省沈阳中心气象台，辽宁 沈阳 110166；3.辽宁省阜新市气象局，辽宁 阜新 123000)



辽宁一次大范围雾霾天气气象条件分析

于亚薇1，苏 航2，孟振雄1，周春晓1，辛艳辉3

(1.辽宁省葫芦岛市气象局，辽宁 葫芦岛 125000；2.辽宁省沈阳中心气象台，辽宁 沈阳 110166；3.辽宁省阜新市气象局，辽宁 阜新 123000)

2015年11月6—15日，辽宁省出现大范围持续性雾霾天气，局地出现严重霾。该文利用气象观测资料对此次雾霾天气的成因进行分析，结果表明：雾霾天气过程中辽宁位于高空槽前受西南气流影响，冷空气势力弱，地面处于稳定少动的低压系统后部，风速较小，维持在2 m/s；大气层结稳定，逆温频率高且强度大，混合层高度低，不利于污染物的水平扩散和垂直扩散。

霾；垂直风切变；逆温层；秸秆焚烧

1 引言

随着城市化进程日益加快和工业化迅速发展，我国霾天气逐渐增多，影响范围逐渐增大，对交通出行、人体健康、工农业生产等都带来了日益显著的影响。2011年雾霾天气入选中国十大天气气候事件[1]，2013年1—10月全国平均雾霾日为29.9 d，较常年同期增多10.3 d[2]。雾霾天气已受到社会各界的广泛关注，各方面学者开始对雾霾进行长期、深入的研究，白先达等[3]对桂林霾天气变化趋势及天气特征进行了研究，发现霾天气对应的天气形势为高空平直西风或弱高压脊前环流控制，地面弱高压或变形场；魏秀兰等[4]对鲁西南霾天气进行了个例分析，得出大气层结稳定，且低层存在逆温层是霾形成的重要条件；饶晓琴等[5]对我国中东部一次大范围霾进行了分析，指出800 hPa以下层垂直速度、涡度和散度的绝对值较小，是霾维持的动力因子；吴珂等[6]对苏州一次雾霾天气进行了分析，得出大气水平和垂直输送都较弱，导致大量污染物在近地面堆积，能见度较差。多数研究表明，高空平直的纬向环流、大气层结的稳定、逆温层的存在和较小的风速等是雾霾天气发展和维持的重要条件，唐宜西等[7]、吴珊珊等[8]、刘丽伟等[9]。此外，邹旭东等[10]对辽宁中部城市灰霾天气进行了数值模拟，找出了与霾天气相匹配的天气形势场和物理量场。

目前，各地对雾霾成因的天气分析越来越多，辽宁也一直致力于对雾霾天气的预报研究上。2015年11月6—15日，辽宁省出现大范围持续性雾霾天气，是辽宁自2012年以来覆盖面积最大、持续时间最长的一次重污染天气。其中8日污染最强，全省均达到中度霾及以上等级，其中沈阳、鞍山、本溪、营口、辽阳、铁岭地区出现严重霾。本文从气象学角度对此次雾霾天气的成因进行分析，以期为辽宁省今后的雾霾预报提供一定的思路和参考。

2 资料

利用Micaps高低空、地面观测资料、探空资料来分析此次霾天气过程中的气象要素。经过对比分析，得出本次霾污染得以发展和维持的重要气象条件。

3 结果分析

3.1 天气过程简介

本次雾霾天气正值辽宁省冬季取暖和东北地区焚烧秸秆的时节，大范围的燃煤和焚烧秸秆使得辽宁省PM2.5等空气污染物大量增加，为空气污染源的扩大孕育了温床。2015年11月6—15日，辽宁省陆续出现中度霾到重度霾天气，局部地区出现严重霾污染。其中，8日污染达到最强，全省均达到中度霾及以上等级，沈阳、鞍山、本溪、营口、辽阳、铁岭地区出现严重霾，大连、抚顺、丹东、盘锦地区出现重度霾。11日夜间、12日夜间、13日夜间全省以雾为主，15日雾霾逐渐消散。

3.2 污染源分析

卫星遥感监测显示，11月6—7日黑龙江、吉林省出现大量焚烧秸秆产生的火点(图2中的红色点)，辽宁省焚烧现象相对较少。同时，东北地区出现连续的偏北风，风力在3级以下，有利于秸秆焚烧产生的污染物向辽宁省输送。11月6—9日，哈尔滨、长春、沈阳、蓬莱4个城市自北向南先后出现PM2.5浓度峰值，表明污染物随偏北风输入辽宁省。

图1 11月5—8日东北地区秸秆燃烧产生污染物输送Fig.1 The northeast region straw combustion pollutants delivery from November 5th to 8th

图2 11月6—9日沈阳地区离子浓度实时分布Fig.2 Shenyang ion concentration distribution in real time from November 6th to 9th

3.3 天气形势场分析

3.3.1 环流背景分析 11月7日08时500 hPa高空图上，贝湖北部有一高压脊，辽宁受脊下偏西气流影响，无冷空气入侵，8日08时贝湖北部高压脊向北挺进，贝湖南部经河套地区—四川东南部有一低压槽，辽宁受槽前西南气流影响，迎来大范围雨雪天气。中低纬温度槽略落后于高度槽，表明有弱冷空气注入。850 hPa风场较弱，不利于污染物水平扩散。地面图上，在东西伯利亚有一闭合的高压中心，在朝鲜半岛与日本南部有一闭合的低压中心，辽宁位于低压后部，无明显冷空气活动，且高压系统与低压系统稳定少动，辽宁受静稳天气影响。在辽宁东部与吉林南部有弱的风向辐合，风速较小，维持在2 m/s，有利于水汽在底层积聚。

13日20时，500 hPa高空图上高空冷涡位于西伯利亚地区，辽宁受冷涡底部西南气流影响。地面上在东亚地区逐渐形成鞍型场，辽宁位于鞍型场中间，形势场较弱，有利于雾霾的再次加重。

3.3.2 高空垂直风分析 5日08时，925 hPa以下辽宁、吉林两省以偏北风或东北风为主，风速较大达16～20 m/s，6日风略有减弱，但依然可达10～12 m/s(图略)。6—14日辽宁中部、北部850 hPa、925 hPa风速均较小(见图4，以沈阳站为代表进行说明)，整体上在6 m/s以下，地面风速较小，持续在2 m/s左右，不利于近地面污染物水平扩散。来自吉林的秸秆焚烧造成的烟雾在此大量堆积。1 000 hPa上虽有10 m/s的偏北风，但风速很快下降到6 m/s。10日850 hPa风速加大，空气污染有所减弱，12日开始辽宁低空转为偏南风控制，偏南风携带暖湿空气，利于大雾天气的形成。

图3 11月8日各层形势场(a：500 hPa高度场、b：850 hPa高度场、c：08时海平面气压场、d：20时海平面气压场)Fig.3 The layers situation field on November 8th (a height field at 500 hPa、b height field at 850 hPa、c sea level pressure at 08∶00,d sea level pressure at 20∶00)

图4 11月6—15日沈阳站高空风垂直分布图Fig.4 Vertical distribution of high-altitude wind in Shenyang station from November 6th to 15th

3.4 逆温层特征分析

图5 11月6—15日08时沈阳站温度垂直分布图Fig.5 Vertical temperature profile in Shenyang station at 08∶00 from November 6th to 15th

当高空有逆温层时，特别是850 hPa以下有逆温时，大气的垂直湍流运动受到逆温层的抑制，垂直运动难以发展，大气垂直方向上的扩散能力减弱，污染物无法向上扩散，大量积累于近地层，为空气污染的维持提供了有利的条件。在11月6—15日沈阳站的温度垂直分布图上可看出，6—13日08时沈阳站在850 hPa以下均存在明显逆温层，6—8日850 hPa附近温度均高于0 ℃，12—13日850 hPa附近温度均高于2 ℃，无明显冷空气注入，14日开始逆温消失。8日与10日温度随高度少变，表明大气处于稳定状态。

从11月8日沈阳站08时探空图上可知，沈阳站在925～850 hPa之间、850～700 hPa之间、700～600 hPa之间各存在一个逆温层，在925 hPa有一个3 ℃左右的迅速升温，利于污染物堆积。逆温层顶高3 300 km左右，逆温层厚度超过2 km，逆温层越厚，大气越稳定，越能有效阻止污染物向高空扩散，使得近地面的污染物浓度不断积累增大。由于7—8日辽宁正被大范围雨雪天气所控制，空气中水汽含量较高，由探空图上亦可见，在距地面0.5～2.5 km之间存在显著湿层，露点温度曲线与温度曲线基本重合，说明空气基本达到饱和，但降水较弱，加之气流的水平运动与垂直运动均受到阻碍，污染物无法得到很好的扩散，故雨水对污染物非但不能起到湿清除作用，反而因为吸湿增长原理，加重了大气污染。对比锦州站和丹东站的探空图，锦州站在925～850 hPa之间有一个逆温层，在700～600 hPa之间有一个逆温层，但是湿层的厚度是距地面1～3.3 km处，且空气的饱和程度比沈阳站要低。丹东站在850～700 hPa之间存在逆温层，空气饱和程度亦不及沈阳地区。说明近地面逆温层与湿区的较好配合，对污染物的形成和维持十分有利。

图6 11月8日08时探空图(a沈阳、b锦州)Fig.6 The sounding diagram At 8∶00 on November 8th (a Shenyang、b Jinzhou)

3.5 混合层特征分析

混合层高度不仅是影响大气污染物扩散的主要气象因子，而且也反映了污染物在垂直方向扩散的程度[11]，因此研究混合层高度变化特征对于研究雾霾天气发展变化尤为重要。本文采用罗氏法[12]来计算沈阳地区混合层高度。公式如下：

根据以上方法，选取沈阳站11月4—16日每日08时地面气象参数，计算沈阳地区逐日混合层高度，结果表明：雾霾天气期间混合层高度持续偏低，维持在700 m以下，11月7日开始混合层高度逐日降低，16日雾霾天气结束混合层高度升高。8—10日混合层高度低至300 m以下，内部污染物很难在垂直方向上扩散，因此空气污染物主要集中在近地面300 m以下。污染最为严重的8日，混合层高度233 m，这也是当日08时1 000 hPa风速虽然在10 m/s，却无法将污染物吹散的主要原因。12—14日早晨沈阳地区为大雾天气，混合层高度在100 m左右，说明大雾天气比霾天气混合层高度还要低很多。

图7 11月4—16日08时沈阳地区混合层高度Fig.7 Shenyang mixing layer height at 08∶00 from November 4th to 16th

3.6 物理机制分析

在沈阳站6—15日垂直速度剖面图上可看出，925 hPa以下正、负垂直速度交替出现，垂直速度绝对值最大为1.4 Pa·s-1。涡度剖面图上(图略)，925 hPa以下以正涡度值居多，绝对值最大值为18×10-5s-1。散度剖面图上(图略)925 hPa以下有正有负，但绝对值依然偏小，最大绝对值为16×10-5s-1。由此可见对于垂直速度、涡度、散度来说，只要绝对值较小，大气动力湍流交换能力弱，就有利于雾霾天气维持。

4 结论与讨论

①本次重污染受吉林秸秆焚烧影响，烟雾沿偏北风吹向辽宁，到达辽宁中部、北部地区后，由于低层水平、垂直扩散能力都较弱，因此在辽宁中部、北部形成了严重的霾污染。

②高空受西南气流影响，地面为弱高压场或稳定少动的气压场，为本次大范围雾霾过程提供了有利的天气系统背景。近地面风速小，是霾得以发展和维持的主要条件。深厚的逆温层的持续存在，近地面逆温层与显著湿区的较好配合是本次霾天气强烈发展和维持的重要条件。

③雾霾天气出现时，混合层高度普遍小于300 m，大雾天气比霾天气混合层高度低很多，仅为100 m左右。尽管辽宁中部、北部地区(以沈阳站位代表)在8日08时1 000 hPa存在10 m/s的偏北风，但由于混合层主要在1 000 hPa以下，故污染物无法得到有效扩散。

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Weather conditions analysis of a wide range fog and haze in Liaoning

YU Yawei1,SU Hang2,MENG Zhenxiong1,ZHOU Chunxiao1,XIN Yanhui3

(1.Huludao Meteorological Bureau of Liaoning Province，Huludao 125000，China；2.Shenyang Central Meteorological Observatory of Liaoning Province，Shenyang 110166，China；3.Fuxin Meteorological Bureau of Liaoning Province, Fuxin 123000，China)

A wide range of persistent fog and haze, local severe haze happened in Liaoning from November 6thto 15th, 2015.The Causes of fog and haze were analyzed based on the meteorological observation data, sounding data. The results show that Liaoning is affected by southwest air before the upper trough during fog and haze process with weak cold air. It is stable and sedentary between high and low pressure systems on the ground with light wind maintained at 2 m/s. It has significant vertical wind shear between 925 hPa and 1 000 hPa.Atmospheric stratification stability, high-frequency and high-intensity inversion is not conducive to horizontal diffusion and vertical diffusion of pollutants.

haze; vertical wind shear; inversion layer; straw burning

1003-6598(2016)05-0046-05

2016-05-20

于亚薇(1985—)，女，工程师，主要从事中短期天气预报、环境气象预报工作，E-mail:2004011011@163.com。

P426.4

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