滨州市一次持续性雾霾天气过程分析

何瑞琦

滨州市一次持续性雾霾天气过程分析

何瑞琦

滨州市气象局, 山东 滨州 256600

本文利用常规气象资料、章丘探空资料、济南站微波辐射计探测资料和NCEP再分析资料对2015年12月19~24日滨州市一次持续性雾霾天气的环流背景、气象要素和气团轨迹综合分析。结果表明：500 hPa中高纬为平直的纬向环流，冷空气较弱，大气层结稳定少动是这次持续雾霾过程的环流背景；PM2.5浓度与能见度和地面风速呈显著地相关关系；这次雾霾过程中大气层结的显著特征是出现逆温层；影响滨州的外来污染物输送路径主要有3条。

持续雾霾; 重污染; 逆温; 后向轨迹模拟

随着我国工业化和城市化的快速发展，霾天气越来越多的出现在人们的视线中。雾霾中的可吸入物质会影响人体的身体健康和心理健康，雾霾造成的的低能见度事件频发，社会公众对雾霾的关注度越来越高，相应的研究也越来越多。于庚康[1]等分析了江苏地区一次连续性雾霾天气过程中混合层高度与AQI的相关关系；刘梅[2]等对2013年1月13~14日江苏省大雾形成机制进行研究，分析了雾霾持续和增强的影响因子；刘丽伟[3]等研究了京津冀地区一次雾霾过程中PM2.5、SO2和NO2日平均浓度的变化情况；陈渤黎[4]等对常州地区一次雾霾天气过程中颗粒物浓度变化进行分析，得出SO2、NO2和O3等污染物爆发性增长，是霾过程爆发的内因；朱义青[5]等对临沂市一次持续性雾霾天气过程做后向轨迹模拟分析，发现京津一带污染物输送对本地污染物浓度上升有重要影响；花丛[6]等分析了2013年1~2月华北典型雾霾天气过程中边界层气象要素垂直结构及逆温层特征。

滨州市地处黄河三角洲腹地，随着社会经济的快速发展，环境问题日益突出，霾天气频发，因此，研究滨州地区雾霾问题有重要的意义。本文选取了2015年12月19~24日滨州市一次持续性雾霾天气进行研究，由于持续时间长，污染程度严重，是滨州市近10年以来比较典型的一次重污染天气过程，具有一定的代表性。本文从环流形势、气象要素和气团轨迹等方面对这次雾霾天气进行综合分析，以期为重污染天气预报提供参考。

1 资料和方法

文中天气形势资料来源于美国国家环境预报中心（National Centers Environmental Predi- ction，NCEP）提供的全球再分析（Final Operational Global Analysis，FNL）资料。常规气象要素资料来自滨州市气象观测站。滨州市环保局在滨城区共设立6个空气质量监测站。本研究所选取数据的站点为第二水厂监测站，考虑其距离滨州市气象观测站距离最近，采集的大气成分数据与滨州市气象观测站的气象要素最为匹配。所收集的资料中出现了部分数值为9999的无效数据和缺测数据，研究过程中将这些数据进行剔除。

2 雾霾概况

2015年12月19~24日滨州市连续6 d空气质量达重度污染或严重污染。空气质量指数（AQI）通过概念性指数值形式，可以直观地反映城市短期空气质量状况和变化趋势。根据滨州市空气质量监测数据显示，19~24日影响滨州的首要污染物为PM2.5，19日20时滨州市AQI值为215，为中度污染（四级），20~23日AQI值整体呈快速上升趋势，到23日14时AQI值飙升至462，达到严重污染（六级），24日白天随着较强冷空气的到来，AQI指数开始明显下降，空气质量逐渐好转。

3 气象条件特征分析

3.1 环流形势分析

2015年12月18日20时（北京时，下同），500 hPa欧亚中高纬是“两槽一脊”的天气形势（图1a），山东处于暖脊控制下，在河套西部有弱的西风槽，19日白天西风槽东移减弱，中纬度环流拉平，直到23日我市500 hPa基本都处于纬向偏西气流中，冷空气势力较弱，大气处于静稳状态。850 hPa为弱的反气旋环流（图1b），下沉气流不利于污染物的垂直向上运动，污染物得以在边界层积累，稳定的大气层结为雾霾天气的出现和维持提供了有力的条件。24日冷空气随西风槽东移南下，我市转为槽后西北气流控制，天气状况得到好转。

图 1 2015年12月18日20时500 hPa（a）和850 hPa（b）高度场

图2为2015年12月19日、20~23日以及24日平均海平面气压场，表现了这次雾霾从发展到减弱的过程。18日20时在河北以北内蒙古以西有一冷高压主体（图略），之后冷高压南压，19日鲁西北近地面处于冷高压底部偏南气流中（图2a），近地面偏南风可将鲁中地区的污染物向北输送至滨州地区，导致滨州地区空气质量在19日迅速升级为中度污染。由20~23日平均海平面气压场可知（图2b），山东全省处于均压场中部，气压梯度较小，风力较弱，大气层结处于较稳定的状态，有利于污染物的堆积，最终导致滨州市空气质量由19日的中度污染爆发性增长至23日的严重污染。24日受较强冷空气影响（图2c），鲁西北气压梯度明显增强，东北风增大，稳定层结被破坏，稀释了污染物浓度，空气质量得到明显好转。

图 2 2015年12月19日（a）、12月20~23日（b）和24日（c）平均海平面气压场

3.2 地面能见度分析

霾和雾相同之处都是视程障碍物，能见度降低是其主要特征。2015年12月19日夜间至24日凌晨，整个滨州地区能见度一直低于10 km，整个过程持续了约6 d，其中能见度低于1 km的阶段从23日下午一直持续到24日凌晨累计时间约为17 h。图3分别给出了PM2.5浓度在不同时间与能见度的散点分布，从图中可以看到，12月19日20时至24日凌晨能见度与PM2.5体现了较好的反向位变化关系。整个过程期间，PM2.5浓度总体呈上升趋势，浓度都在100 μg·m-3以上。

3.3 相对湿度分析

图4表明了相对湿度与PM2.5浓度之间的演变关系，相对湿度越大，PM2.5浓度也越大，显然，PM2.5浓度与地面相对湿度有很好的的正相位变化关系，这是因为气溶胶粒子会随着湿度而增长，导致能见度下降和PM2.5浓度增大。在这次过程里，雾、霾的阶段性特征不明显，根据霾的观测和预报等级规定，能见度低于10 km时，相对湿度低于80%时为霾，大于95%时为雾，介于80%和95%之间为雾霾混合。在这次过程中，相对湿度起伏较大，出现多次雾和霾相互转换和交替的情况。

图 3 2015年12月19日20时~24日02时第二水厂观测站附近能见度与PM2．5浓度相关性

图 4 2015年12月19日20时~24日02时第二水厂观测站附近相对湿度与PM2.5浓度相关性

3.4 地面风场分析

图5给出了地面风场与PM2.5浓度之间的相关性分析，二者呈明显的负相位关系。近地层风速长期处于微扰动状态有利于雾霾的形成和维持。在这次过程中，平均风速都在1.5 m·s-1以下，满足静小风条件，弱风或静风条件为本次雾霾过程的持续形成提供一定的条件。在雾霾过程期间，地面主导风向为偏东风和西南风，风力基本都是1级或以下。偏东风主要出现在前期，且风速基本都在1 m/s左右，风力相对较小；西南风主要集中21~23日，风力也相对较小，平均风速在1 m/s左右，较小风速有利于污染物在局地不断积累，同时西南风有利于水汽的输送，为雾形成和维持提供水汽条件。

3.5 大气层结分析

在这次雾霾天气过程中，大气层结稳定度对雾霾的形成和维持起着至关重要的作用，而逆温层又是判断大气稳定度的重要标准，逆温层可使大气层稳定，不利于湍流交换和热力对流，阻碍污染物和水汽向上运动，有利于污染物和水汽在近地面积累，使污染物浓度不断增大，霾天气得以产生和维持。因为滨州站无探空资料，采用济南站的微波辐射计观测资料进行研究，选取19~23日08时前后30 min温度平均值绘制温度垂直廓线（图6），逆温层高度均在250 m以下，位于1000~925 hPa之间，出现贴地逆温层。在污染最严重的23日，逆温层最厚，达到250 m，百米内逆温达到2.5 ℃，对应的PM2.5浓度迅速飙升，达到此次过程的最高值，同时能见度明显下降，达到此次过程的最低值，有利于霾的形成。在24日冷空气到来之前，下沉气流在近地面形成逆温层，像一个“暖盖”一样阻止下层污染物向上输送，使污染物长时间在下层堆积。同时，近地层的静小风形成的微弱扰动使水汽饱和逆温层扩展到一定高度，为低层大气气溶胶凝结核吸湿增长提供了充足的水汽，有利于形成大雾。24日随着冷空气的到来，风速加强，逆温层被破坏，能见度转好，雾霾逐渐消散。

图 5 2015年12月19日20时~24日02时第二水厂观测站附近小时平均风速与PM2.5浓度相关性

图 6 2015年12月19~23日08时济南站温度垂直廓线图

4 气流轨迹分析

利用NOAA HYSPLIT模式对这次雾霾天气中气团运动过程进行后向48 h轨迹模拟（图7），以追踪到达滨州的气团过去48 h的运动轨迹，分析不同高度上的污染物气团来源。模式主要输入参数：以滨州市气象观测站（118°0′E，37°22′N）为参考点，选取300 m、500 m和1000 m 3个高度层，考虑气团在长时间的运动过程中性质可能会发生改变，因此后向轨迹模拟总运行时间设为48 h；时间终点设为12月24日02时。可以看出，滨州污染物来源不只是当地污染造成的，500 m和1000 m污染物主要来自上游内蒙古西，两条轨迹基本重合，都是从内蒙古西向东南方向移动，经渤海湾后折向滨州市，300 m污染物主要来自于陕西北部，三个不同高度的气团轨迹都经过上游河北地区并在渤海湾折向，由于前期河北一带已经出现严重的雾霾天气，经过河北的气团向南折向进入滨州市后，势必会造成当地的污染物浓度骤升，导致滨州市的空气质量明显降低，PM2.5浓度显著增大。气团经过渤海湾，在移动中携带大量水汽进入滨州，为这次过程中雾的发展和维持提供了水汽条件，因此滨州市污染物浓度上升除了本地能源燃烧、工矿企业排放以及交通运输外，来自河北地区的污染物输送以及来自北部的水汽保证也是两个重要因素。

图 7 后向轨迹模拟

5 结论

通过对2015年12月19~24日滨州地区的一次连续性雾霾天气过程的形成机制进行分析，得出以下结论：

1）此次雾霾过程500 hPa中高纬度环流较平直，滨州处于偏西气流中，大气层结稳定少动；海平面气压场较弱，近地面风速较小，为雾霾过程提供了有利的气象条件。

2）在这次雾霾过程中，PM2.5浓度上升、相对湿度增大和地面静小风速为雾霾的形成和维持提供了有利条件。

3）逆温层能增强大气稳定度。连续出现的逆温层是造成这次雾霾过程的重要气象因素。从地面到925 hPa附近出现贴地逆温层，逆温层厚度较高，逆温强度明显，上暖下冷的“暖盖”结构阻碍了污染物和水汽向上扩散，有利于近地面大雾的生成和维持，易于近地面污染物的积累。

4）根据NOAA HYSPLIT模式分析得出，影响滨州地区的外来污染物来源主要有两条：一是来源于内蒙古西，二是来源于陕西北部，两条路径都经过河北一带和渤海湾，河北一带的污染物输送对此次雾霾过程有一定的贡献。

[1] 于庚康,王博妮,陈鹏,等.2013年初江苏连续性雾～霾天气的特征分析[J].气象,2015,41(5):622-629

[2] 刘梅,严文莲,张备,等.2013年1月江苏雾霾天气持续和增强机制分析[J].气象,2014,40(7):835-843

[3] 刘丽伟,李文才,尚可政,等.京津冀地区一次严重霾天气过程及其影响因素分析[J].气象与环境学报,2015,31(3):35-42

[4] 陈渤黎,雷正脆,吴建秋,等.常州地区一次持续性霾天气过程分析[J].气象与环境学报,2016,32(3):34-40

[5] 朱义青,胡顺起,曹张弛.临沂市一次持续性雾霾过程的阶段性成因分析[J].环境工程学报,2015,9(12):5979-5986

[6] 花丛,张碧辉,张恒德.2013年1~2月华北雾、霾天气边界层特征对比分析[J].气象,2015,41(9):1144-1151

Analysis of a Long-lasting Fog and Haze Event in Binzhou

HE Rui-qi

256600,

Using the conventional meteorological records, sounding data in Zhangqiu station, microwave radiometer observations in Ji’nan and the NCEP reanalysis data, a long-lasting fog and haze event was analyzed from its weather background, weather conditions and the sources of pollution which occurred in Binzhou from December 19 to 24, 2015. The findings are as follows: the zonal circulation in the middle-high latitude at 500 hPa was straight and the weak cold air were the weather situations of the long-lasting fog and haze event; the PM2.5concentration, the visibility and the surface wind were correlated; the most significant characteristic was the inversion of this fog and haze event; there were three main routs of the external pollution conveyor belt in this fog and haze event in Binzhou.

Long-lasting fog and haze; heavy pollution; inversion; backward trajectory

P458.3

A

1000-2324(2019)02-0255-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.018

2018-02-23

2018-03-15

何瑞琦(1986-),女,本科,助理工程师,主要从事中短期天气预报工作. E-mail:jinglh16@163.com