关中地区一次霾天气过程分析

2017-08-02马晓华黄少妮张科翔徐娟娟

陕西气象 2017年4期

关键词：逆温层平流关中地区

马晓华，黄少妮，张科翔，徐娟娟

(陕西省气象台，西安 710014)

关中地区一次霾天气过程分析

马晓华，黄少妮，张科翔，徐娟娟

(陕西省气象台，西安 710014)

利用常规地面观测资料及气象探空资料，分析了2016年11月3—5日关中地区霾天气过程，结果表明：高空500 hPa锋区偏北，中纬度无明显冷空气活动，850 hPa暖空气控制，地面弱气压场是导致关中地区霾出现的主要天气背景；近地层为正涡度平流，而925～850 hPa为负涡度平流是大范围霾持续的动力结构；霾出现前有暖干空气向关中地区输送，而逆温层持续存在，是霾天气持续的重要原因；气压场稳定，风速偏小，大气混合层高度持续低于650 m，致使大气水平和垂直交换能力弱，引发了此次霾天气。霾出现前后气象要素变化特征明显，可为霾的预报提供重要参考。

霾天气；环流形势；涡度平流；总温度平流；逆温层；混合层高度

随着我国城市化和工业化进程的加快，霾天气越来越多，伴随霾而来的重度空气污染造成能见度下降，带来交通安全隐患，对生态建设、社会经济发展、人们的生活和身体健康产生较大危害。霾及霾的预报预警越来越受到政府和公众的高度关注。气象及环保专家对霾的成因也有较多分析[1-4]，认为霾的形成主要受污染排放和大气对污染物的扩散稀释能力影响。关中盆地位于陕西省中部，南依秦岭，北靠北山，西窄东宽。关中盆地因独特的地形特征[5]，受偏东风影响，污染物易在盆地堆积而不利于扩散，使得霾天气发生频率较高，因此有必要探讨霾形成的气象条件。本文选取2016年11月3—5日重度霾天气过程，分析其形成的气象原因，以期为霾天气的预报提供参考。

1 天气实况

2016年11月3—5日，陕西关中地区连续出现了大范围霾天气，环境污染严重，首要污染物为PM2.5。从3—6日逐时PM2.5质量浓度变化图(图1)可以看出， PM2.5质量浓度从08时开始逐渐增大，傍晚17—20时达到峰值，20—08时又迅速减小，08时PM2.5质量浓度为每日最低值。3 d的PM2.5质量浓度最大值，渭南一直维持在300 μg/m3，西安维持在200～250 μg/m3，渭南、西安连续3 d空气污染等级达到重度到严重污染，关中其它地区为中度污染。11月6日，全省出现了降水天气，关中霾逐渐减弱。此次霾是入冬以来首次重污染天气，且持续时间较长，影响范围大，具有明显的日变化特征。霾使得能见度极差，给关中道路交通、公路运输、电力部门、农业生产等带来了严重影响。

图1 2016-11-03T08—06T23 PM2.5质量浓度逐时变化

2 环流形势

分析11月3—5日高低空环流形势演变发现，11月3日08时(图2),500 hPa欧亚中高纬度为宽广低值区，锋区偏北，冷空气位于巴尔喀什湖以西；中纬度环流较平直，河套地区无明显冷空气活动；低纬度副热带高压呈块状分布，主体位于广东、广西、贵州以南，陕西受偏西气流影响。低层850 hPa陕西关中地区处于副热带高压北侧的偏西南气流中，西安温度为12 ℃，明显高于周围其他测站。地面图上(图略)，河套地区等压线分布稀疏，气压场较弱。4日(图略)500 hPa高空槽引导冷空气缓慢东移到巴尔喀什湖附近，整个中纬度高度场呈纬向分布，关中地区仍以偏西气流为主；850 hPa上陕西中南部被西南气流控制，西安温度为13 ℃，仍高出周围测站5～6 ℃；925 hPa关中以偏西风为主。5日(图略)副热带高压势力明显减弱，控制范围缩小，位置南压，500 hPa高空槽携带冷空气继续东移南压到新疆中部；低层冷空气入侵到河西走廊，850 hPa西安温度为12 ℃；低层925 hPa有一支偏东气流影响陕西关中地区。6日08时(图略)500 hPa高空槽东移到新疆东部；700 hPa冷空气已东移南压到河套西部，同时自云贵高原经四川盆地到陕西有偏南风发展，西北风与偏南风在关中西部和陕南西部形成冷式切变线；850 hPa冷空气侵入到陕西关中、陕南西部，西安温度降到10 ℃；近地面925 hPa自东海经山东、河南到陕西关中地区的东路冷空气势力明显加强。20时西北路冷空气进一步东移南压，850 hPa西安温度降到6 ℃，受东路和西北路冷空气共同影响，陕西6日白天出现了降水天气，霾逐渐消散。

图2 2016-11-03T08 500 hPa高度场 (单位为dagpm)及850 hPa风场

3 形成条件和维持机制

3.1 动力条件

涡度平流是由于涡度水平分布不均匀而引起的涡度局地变化。涡度平流随高度的变化，反映了地面低值系统的发展演变，从而判断近地层辐合上升运动的强弱[6]。分析霾出现前后各层涡度平流变化发现，在霾天气出现的当日早上，关中地区925 hPa以下涡度平流为正值(图3a)，存在弱上升运动，可以将近地层的颗粒物带到一定高度，形成一定厚度的霾层。925～850 hPa涡度平流为-10×10-5s-2，存在下沉运动，可将低空的颗粒物带到近地面，从而有利于霾天气的稳定维持[5]。这种近地面层弱上升运动、850～925 hPa下沉运动一直持续到5日白天(图略)。5日夜间925 hPa以下涡度平流为负值, 925～850 hPa出现了10×10-5s-2的正值中心(图3b)。此时低层湿度迅速增加(图略)，925～850 hPa上升运动可将低层的水汽带到空中，大气边界层湿度增加，6日关中地区出现了弱降水及能见度较低的雾,霾明显减弱。

图3 2016年11月涡度平流垂直剖面图(单位为10-5 s-2；a 03日08时；b 05日20时)

3.2 热力条件

总温度平流是综合性物理量，不仅能反映暖湿空气的活动，而且在一定意义上可以反映地形的影响[6]。分析各层逐日总温度平流，发现850 hPa总温度平流有代表意义。关中地区霾出现前(图略)，有暖干平流从贝加尔湖经蒙古到河套向陕西关中地区输送。在霾出现期间，从东北—华北—关中存在一支暖干平流输送，关中地区的总温度平流基本维持在 0～5 ℃/s；5日08时，关中地区总温度平流为-4～-2 ℃/s；20时，陕西北部出现了中心强度为-20 ℃/s的总温度平流中心，即有强烈的降温出现，有利于近地层空气的下沉运动。随着下沉运动的增强，霾迅速消散。

3.3 逆温层的作用

逆温强度是大气层结稳定度的重要指标[7]。从温度场的垂直分布(表1)可以看出，关中霾持续期间，08时和20时关中上空均有逆温层存在。逆温层可达850 hPa，较为深厚，且逆温强度08时大于20时。逆温层的存在使低层形成一暖区，这种下冷湿上暖干的大气垂直分布有利于大气颗粒物和水汽在近地面层聚集，阻止近地面的水汽和污染物向上扩散，从而形成一定厚度的持续性霾天气，且逆温层越厚，霾持续时间越长。5日20时随着冷空气的南下，逆温层遭到破坏，霾天气减弱。

表1 2016-11-03—06泾河站天气现象及 850 hPa温度与地面温度差

4 气象要素特征

4.1 气压及风场

霾出现前，关中地区地面气压场呈减弱趋势(图4)，24 h负变压，有偏南风发展，暖平流加强。霾出现且持续期间，关中地区受地面弱高压区中的均压场控制，一直维持风速较小或静风状态，有利于污染物的聚集，利于区域性霾天气的形成。大气处于稳定状态,污染物在大气中的扩散速率较小,且范围狭窄,有利于霾的积累。随着较强冷空气影响，气压场明显升高，风速增大，霾逐渐扩散消失。

图4 2016-11-02T20—06T20泾河站气压及风速变化

4.2 混合层高度

有研究表明，大气混合层高度是影响空气质量的重要因素[8]。大气混合层高度与空气质量存在明显反相关。根据罗氏法[9]，取关中地区地面粗糙度为0.2 m，使用2 min平均风速观测值及一天8次温度露点差平均值计算霾天气期间混合层的高度(以泾河站为例)。

11月3—5日，泾河上空大气混合层高度(图5)偏低，持续低于650 m，平均为 633.7 m，3日混合层高度最低为 586 m。泾河空气质量AQI指数日平均为227，为重度污染。从图5可以看出，混合层高度和AQI 指数存在反比关系，当大气混合层高度较低时，大气湍流交换能力较弱，使得近地面污染物不易向高空扩散，污染加重。