锦州市一次持续性雾－霾过程转化影响因子研究

2019-07-22娄芳蕾温舟史虹婷白雪张翠艳杨桂娟

湖北农业科学 2019年11期

娄芳蕾　温舟　史虹婷　白雪　张翠艳　杨桂娟

摘要：利用常規气象资料、污染物监测资料以及高空气象探空资料对2016年12月17—22日在辽宁省锦州市出现的一次持续性雾-霾天气过程的高低空环流形势、地面气象资料特征、空气污染物浓度以及大气边界层稳定度进行了分析，以期揭示该次雾-霾过程的转化机理。结果表明，高空纬向型环流配合地面均压场是形成雾-霾天气的先决条件。相对湿度变化是雾-霾天气转化条件，当空气未达到饱和时，随着湿度增长，污染物吸湿增长，霾过程加剧;空气饱和时，污染物粒子活化形成雾滴，完成霾转化为雾的过程。近地面风速小、较强的逆温层是雾-霾天气的维持因素，混合层厚度与污染物浓度呈负相关，混合层厚度越小，污染物浓度越高，能见度越差;能见度变化和污染物浓度变化都滞后于混合层厚度变化，并且霾发生时混合层厚度大于雾发生时混合层厚度。通过分析V-3θ图中的滚流效应可知，雾转化为霾时，逆滚流转变为顺滚流。

关键词：雾-霾;混合层厚度;V-3θ图;罗氏法;国标法;锦州市

中图分类号：P426.4;P427.2 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）11-0047-09

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.11.012 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on phase characteristics of a persistent fog and haze process

and its influencing factors in Jinzhou city

LOU Fang-lei，WEN Zhou，SHI Hong-ting，BAI Xue，ZHANG Cui-yan，YANG Gui-juan

（Jinzhou Meteorological Bureau，Jinzhou 121000，Liaoning，China）

Abstract： To reveal the transformation mechanism of fog and haze process， the level of air circulation， meteorological elements， concentrations of air contaminants and characteristics of atmospheric boundary layer of a persistent fog and haze process in Jinzhou city of Liaoning province from December 17 to 22， 2016， were analyzed using the conventional meteorological observation data， pollution monitoring data and the sounding data. The results indicate that zonal circulation situation and the steady boundary layer are favorable for haze to occur in terms of circulation features. The change of relative humidity is the transformation condition of fog-haze weather. When the air is not saturated， with the growth of humidity， pollutants increases， and the haze process intensifies; when the air is saturated， pollutant particles are activated to form fog droplets， completing the process of haze transformation into fog. A strong inversion layer and the stable atmosphere keep the haze. Thickness of mixed layer is a negative correlation with pollutant concentrations， the thinner the thickness of mixed layer is， the higher the pollutant concentrations are， and the visibility will be worse. At the same time， the change of the visibility and pollutant concentrations lagged behind the thickness of the mixed layer， and the thickness of the mixed layer of haze was larger than the fog was generated. By analyzing the tumble effect in the V-3θ diagram， anti-clockwise turns into clockwise when fog turns into haze.

Key words： fog and haze; the thickness of mixed layer; V-3θ diagram; Nozaki method; national standard method; Jinzhou city

霾也称为灰霾，是指悬浮在大气中大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，使得空气混浊，水平能见度降到10 km以下的一种天气现象[1，2]。当空气中的凝结核增长时，水汽进一步凝结，这样霾就会演变成雾。而雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的小凝结物，常呈乳白色，使水平能见度小于1 km的天气现象[3]。随着社会经济的发展与进步，人口的不断增长以及社会流动产生大量的颗粒物使得低能见度天气频繁发生。汽车尾气、工业耗能、垃圾以及秸秆的燃烧等排放的二氧化硫、氮氧化物以及可吸入颗粒物是造成雾-霾天气的主要组成部分，给人体健康、交通出行、大气环境都带来不良的影响。京津冀地区、长三角地区、四川盆地以及华中地区是中国雾-霾天气频发地区，但东北地区在近年来也出现严重的雾-霾天气并有上升趋势。东北地区雾-霾成因与中东部地区有所不同，东北地区地处平原区，气候、地形条件良好，但受城市小气候变化与大气污染物排放量增加等因素的共同影响，仍出现长时间雾-霾天气[4]。

许多学者也对雾-霾天气污染源、形成机制、转换因素等进行了分析。吴兑[5]探讨了各地对霾观测标准不统一的情况，认为相对湿度小于80%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是由霾造成的;相对湿度大于90%是由雾造成的;相对湿度在80%～90%是雾和霾的混合物。刘丽伟等[6]运用了HYSPLIT模式追踪京津冀地区雾-霾天气气团过去72 h经过的路径，分析出雾-霾天气过程形成的污染因素。王扬锋等[7]运用几种常见的曲线方程分别对能见度与颗粒物进行拟合，选取拟合效果最佳的曲线方程，从而找到能见度变化与颗粒物之间的关系。孟晓艳等[8]在研究雾-霾频发成因中运用了温差-风速法，计算了大气稳定度，结果表明地面风速小、相对湿度高、大气层结稳定是雾-霾频发的一种重要因素。朱佳雷等[9]、唐宜西等[10]分别对江苏省和北京市雾-霾天气特征以及气象要素特征进行了分析。齐少群等[11]表示农业秸秆焚烧所释放的气体和颗粒物是中国东北地区秋季雾-霾灾害周期性集中暴发的重要原因。邢江月等[12]对辽宁省境内能见度小于1 000 m雾的时空分布特征进行了分析，总结得出大雾发生的高值区为黄海北部沿岸至辽宁东部山区一带和锦州-盘锦-阜新一带，而霾的高发区为沈阳市及其附近地区以及锦州市及其附近地区。锦州市则成为雾-霾两者公共的高发区。

锦州市处于辽宁省西部且临近渤海，一方面当受偏南风影响时，由于海陆热力作用容易出现大雾天气;另一方面由于附近地形要素影响污染物扩散以及每年进入冬季的取暖期，容易出现霾。因此，研究锦州市雾-霾特征以及其规律对雾-霾的防御有一定的帮助。本研究选取2016年12月17—22日锦州市出现持续性雾-霾天气过程，对其高低空环流形势、地面气象资料特征、空气污染物浓度以及大气边界层稳定度进行分析，同时利用湿度条件以及V-3θ图中的滚流效应，探讨雾和霾之间相互转化的机理，以期为锦州市雾霾天气的预报提供一定的依据。

1 资料与方法

1.1 资料选取

数据选取了2016年12月17—22日锦州气象站逐小时的地面观测资料、MICAPS数据和取自于锦州市高空中每天2次（8：00和20：00）的探空资料。污染物的逐小时浓度数据和空气质量指数来自锦州市环保监测站5个站点，分别为南山、开发区、百股街道、天安街道、北湖公园。

1.2 方法介绍

罗氏法是一种用地面气象资料估算混合层厚度的方法。该方法认为大气混合层是由热力和机械湍流共同作用的结果，且边界层上部大气运动状况与地面气象参数间有一定的联系[13]。具体公式：

L=（6-P）（t-td）+

由于地面观测资料里面没有温度露点差值，所以用相对湿度表示温度露点差。

u==10lgu=-

整理得：

L=-+

式中，L为混合层厚度;P为帕斯奎尔稳定度级别，分为A至F，值为1～6;Uz为Z厚度处所观测的平均风速;Z0为地面粗糙度，根据不同区域地面的平坦粗糙情况及城市大小来取值，在乡村取0.03～0.20 m，在市区取0.8～2.0 m;f为地转参数;a、b为水汽压参数，取a=7.5、b=237.3;u为相对湿度;t为地面气温;td为露点温度。其中，P由国标法计算。

根据国标法[14]，首先计算出观测时刻的太阳高度角h0。

h0=arcsin[sinφsinδ+cosφcosδcos（15T+λ-300）]

式中，φ为观测点的纬度，λ为观测点的经度，T为观测进行时的北京时间，δ为太阳赤纬。

δ=0.372 3-0.758cos？兹0+23.256 7sin？兹0+0.365 6

cos2？兹0+0.114 9sin2？兹0+0.020 1cos3？兹0-0.171 2sin3？兹0

式中？兹0=2πT/365.242 2

T=N-{79.676 4+0.242 2×（年份-1958）-int[（年份-1958）/4]}

式中，N为一年中日期序数，依次为0，1，2，…，364。

然后根据表1、表2确定大气稳定度等级。

按照《霾的观测和预报等级》（QX/T 113-2010），劃分雾和霾的标准是：排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍，能见度小于10 km，空气相对湿度≥95%的天气现象判别为雾;能见度小于10 km，相对湿度小于80%的判识为霾;能见度小于10 km，相对湿度80%～95%时，若PM2.5质量浓度大于75 μg/m3则定义为霾，若PM2.5质量浓度不大于75 μg/m3则定义为雾[15]。

2 结果与分析

2.1 雾-霾过程介绍

2016年12月17—22日，锦州市出现入冬以来首次持续性雾-霾天气，17日午后至夜间锦州市出现轻度霾，随后出现轻雾逐渐增强到浓雾，18日白天转为重度霾，污染达到最强，至19日夜间以中度霾为主，20日凌晨出现轻雾并伴有微量降雪，于白天转为轻度到中度霾，21日转为轻度霾，整个过程趋于结束，此次过程出现了多次雾-霾相互转化的情况（表3）。

参考《国家环境空气质量标准（GB 3095-2012）》，根据锦州市环境监测站提供的资料，统计此次雾-霾过程的空气质量指数、空气质量类别。从表4可以看出，整个过程中空气质量指数（AQI）均大于100，其中17日、20日、21日为中度污染，19日为重度污染，18日空气质量最差，AQI值为313，达到严重污染。21日锦州地区空气质量指数减小，22日空气质量为优，此次污染过程结束。

分析能见度（图1）可以看出，从17日21：00开始能见度小于1 km，并持续到18日10：00（过程1），能见度最小出现在17日23：00，为352 m，第二次能见度波谷出现在20日1：00—13：00（过程2），但能见度略偏高于过程1。对应时间段的污染物浓度也是雾-霾过程的峰值，两个过程中PM10的浓度超过400 μg/m3，过程1中PM10与PM2.5浓度约是17日白天的3倍，但过程2约是19日白天的2倍;18日13：00至19日15：00，能见度有所好转的时段内，污染物浓度有所下降，但还是处于严重污染，并且污染物浓度的波峰滞后于能见度的波谷。由此可见，污染物浓度加剧是导致雾-霾天气能见度下降原因之一。污染物浓度突然增加一方面是由于气溶胶数密度增加，另一方面可能是由于气溶胶吸湿增长造成的质量增加[16]。过程1中，污染物浓度突然加劇但相对湿度变化不大，说明由于外来污染物向锦州市输送导致的。过程2中19日23：00由于有弱冷空气南下给锦州市区带来微量降雪，相对湿度增加30%，因此该阶段污染物剧增是与本地污染物吸湿增长有关。NO2和SO2的浓度比PM10和PM2.5偏小，NO2浓度峰值一般在8：00—9：00以及17：00—20：00，可能与上下班交通工具排放污染物有关。

2.2 雾-霾天气过程分析

2.2.1 环流形势分析雾-霾形成初期，500 hPa天气图（图略）上辽宁省位于平直的西风带中，不断有浅槽东移，但形势稳定没有明显的平流。此时近地面风速较小伴有较强逆温，随后锦州市开始出现轻雾天气，随着湿度加剧，在夜间形成大雾天气。19日8：00辽宁地区出现短波槽，但快速东移。随后20日夜间开始受高压脊影响以及偏北气流控制，风速加大，使得污染物扩散条件转好，此次过程趋于结束。

由17日20：00地面环流形势（图2a）可知，锦州市处于均压场，地面受偏南风控制，偏南风给锦州市带来充足的水汽。18日5：00（图2b）锦州市西北部的高压系统缓慢东移，转为弱偏北风控制，使得锦州市本地湿度减小;8：00低压系统南移至锦州市，使其受弱低压场控制，并且地面风场有辐合线，同时由于地形影响因素，污染物在锦州市汇聚，使得18日污染程度达到最严重阶段。19日20：00（图2c）锦州市处于高压前部，配合高空槽出现短暂的降雪过程，但是降雪并没有有效清除污染物。随后锦州市一直受均压场控制，以轻度到中度霾为主。21日8：00（图2d）冷高压系统南下侵入锦州市，在偏北风的作用下，污染物得到有效清除，此次过程结束。

整个过程中，有短波槽过境，弱的波动有利于地面均压场形成，使得夜间辐射冷却加强，有利于逆温层的维持。总之，高空稳定的环流形势以及地面稳定少动的气压场为此次雾-霾过程提供了有利的条件。

2.2.2 气象要素分析图3是锦州站能见度与气压、相对湿度、风速逐小时变化。其中湿度条件和污染物浓度变化是影响此次过程中能见度的因素。气压呈上升趋势，但是整个过程中气压梯度小说明大气状态稳定，水平和垂直运动均弱，所以有利于水汽和污染物堆积。21日午后冷空气南下，气压值升高到1 026 hPa，在17日夜间到18日上午能见度均小于1 km，说明了夜间辐射降温有利于水汽的凝结，促使雾的形成。

水汽条件是雾和霾转换的关键因子。白天笼罩在地形上的霾在夜晚因降温造成的饱和形成辐射雾[17]。相对湿度的增大有利于悬浮在空气中的污染物吸湿性增长，当空气饱和时，霾吸湿转化为雾。能见度与相对湿度呈负相关。17日夜间开始湿度加大，锦州市出现轻雾并逐渐发展为大雾天气。18日白天到19日夜间大部分时间相对湿度都小于85%，空气中饱和度不够，难以形成雾，所以多以霾为主。

风场是影响雾-霾过程的因素之一，影响着污染物水平输送与清除。经统计，近几年影响锦州市雾-霾发生的主要风向是西南风以及东北风，风速与污染物扩散呈正相关。此次雾-霾天气过程中，地面风速与能见度呈正相关。19日夜间由于辽宁省南部地区低层偏南风气流作用下使得湿度加大。在整个过程中风速都小于2.5 m/s，并且霾发生时的风速要大于雾发生时的风速。当雾发生时多为偏南风，有利于水汽从海面向陆地输送，而霾发生时风向则不确定。

2.2.3 边界层稳定度

1）逆温层与混合层厚度。逆温层对污染物在垂直方向上的稀释与扩散起到了抑制作用，使得污染物浓度急剧升高，一定程度上导致霾的出现。逆温层的存在抑制大气的垂直运动，所以逆温的存在加重了大气污染。此次过程选取锦州站的探空资料进行分析。由图4可知，在污染期间内，锦州市的近地面存在着显著的逆温层，且具有连续性。16日20：00近地面已经存在逆温层，但近地面湿度条件较差，此时大雾还没形成。17日20：00（图4a），近地面至 1 000 hPa处湿度条件极好，同时1 000 hPa以上有较强逆温，此时锦州市开始出现轻雾天气，随着夜间湿度增加，雾浓度加强，成为此次过程中雾影响最严重阶段;18日8：00（图4b）和20：00（图4c），逆温强度也很大，可见，此时污染物已经开始累积，结合图2解释了18日出现中度霾污染的原因;19日8：00（图4d），925 hPa以下湿度较好，但没有逆温存在，925 hPa之上存在一定的逆温，污染物也随逆温上升到高空，PM2.5浓度下降，19日20：00（图4e）1 km以下出现了多次逆温，1～2 km处也有显著逆温，由此可见，近地面垂直运动不剧烈，高空的逆温使污染物无法垂直扩散，从而加剧污染物堆积。20日是锦州市PM2.5浓度最大的时段，全天以中度到重度霾为主;至21日8：00（图4f），锦州站逆温层高度上升，逆温强度减弱，此时能见度及污染物浓度都开始好转。

大气混合层厚度是反映污染物在铅直方向扩散的重要参数，也是影响大气污染物扩散的主要气象因子之一。在不同的气象条件下，同一个大气污染源排放的污染物在大气中的扩散能力是不同的。大气混合层厚度越大，就越有利于污染物的扩散和稀释[10]。所以如果能够计算出锦州市本地雾霾过程中混合层厚度（高度），则可为污染物预报提供依据。根据总云量/低云量、地面风速以及太阳高度角查表1得出17—21日锦州市大气稳定度的等级如表5所示。

选取2016年12月17—21日锦州观测站2：00、8：00、14：00、20：00观测的温度、相对湿度、10 m风速，计算出混合层厚度并进行分析（图5）。此过程中混合层厚度出现多次波峰波谷，其变化与污染物浓度变化趋势一致，从整个过程来看混合层厚度下降，污染物开始堆积，但是在发生雾时候污染物浓度虽有升高但是变化不大，且混合层厚度达到整个过程的最低。当混合层厚度加大，说明垂直湍流加强，利于污染物扩散，污染物浓度下降。结果表明，大雾天气发生时混合层厚度要小于霾天气发生时。污染物浓度变化滞后于混合层厚度，是由于混合层厚度减小，导致污染物不能扩散，污染物浓度升高，所以污染物浓度变化要滞后于混合层厚度。

2）欧阳位温。T-logP图只能分析出热力和水汽条件，没有分析出动力条件，而V-3θ图反映了大气能量结构[18]，通过分析滚流效应来判断雾-霾的转化。V-3θ图上大雾特征主要有水汽饱和;存在逆温层;近地面层逆滚流，抑制对流运动，而霾则是顺滚流，有较弱的上升运动。下面就锦州站的V-3θ图进行分析。2016年12月16日20：00（图6a），1 000 hPa层以下为逆滚流，并且存在逆温，但此时空气并未饱和，仅能预示锦州地区可能出现雾;17日20：00（图6b），925 hPa以下θ曲线斜率都小于45°，说明该层为逆温层，同时大气极为稳定，未贴合地面，与地面有极小的一个高度，为顺滚流，有较弱的上升运动，结合此时能见度及污染物情况可以判断此时空气中为雾霾混合物，18日8：00（图6c），1 000 hPa以下为逆滚流，且有极强的逆温，说明此时空气中应以雾为主，而在500 hPa處可以发现有冷暖空气交汇，未来将可能出现中云，中云的出现将会减弱屋顶的辐射冷却，使雾逐渐减弱，而由于雾的减弱，霾相对会有一定的发展;至18日20：00（图6d），近地面仍有逆温，为逆滚流，但1 000～925 hPa层θ曲线向左发生折拐，说明有一定的上升运动，不利于形成雾，对霾的形成较为有利，且925～850 hPa附近仍有较强逆温，此层为顺滚流，对应此时锦州地区污染较重，空气中主要为霾;至19日8：00（图6e），700 hPa层向上有向左折拐，说明该层不稳定，同时500 hPa有冷空气侵入，逆温层也未贴近地面，未来24 h内可能出现降雪天气，而此时空气为此次过程中较好时段;至19日20：00（图6f），850 hPa以下逆温极强，且为顺滚流，此时污染物浓度也较大，出现较严重的霾;至20日20：00（图6g）850 hPa以下仍为逆温，顺滚流，但逆温层未贴近地面，霾仍然存在，同时300 hPa附近出现超低温层，预示未来将有冷空气，雾霾天气可能减弱;至21日8：00（图6h），地面风速加大，θ曲线高空有多处向左折拐，大气开始不稳定，雾霾天气趋近结束。

3 结论与展望

本研究利用常规气象资料、污染物监测资料以及高空气象探空资料对2016年12月17—22日锦州市出现一次持续性雾-霾天气过程的高低空环流形势、地面气象资料特征、空气污染物浓度以及大气边界层稳定度进行分析，得出以下结论：

1）纬向型配合地面鞍型场形成此次为期5 d的雾-霾过程，气压梯度小，风速小，使得污染物不能扩散，在锦州市聚集。污染物浓度和相对湿度的变化是决定能见度大小的关键因子，当相对湿度小于90%时，PM2.5浓度对能见度影响强于相对湿度;随着湿度增大，能见度降低，相对湿度对能见度的影响力加强，在雾-霾消散中，两者的作用相同。

2）逆温层的存在使污染物扩散起到了抑制作用，加重了大气污染。同时分析V-3θ图中滚流效应得出雾发生时有逆滚流效应，霾发生时有顺滚流效应。

3）利用国标法确定大气稳定度分类，稳定度类别对混合层厚度影响较大，是决定混合层厚度的最主要因子，再根据罗氏法计算出大气边界层内混合层厚度，分析出能见度和PM2.5浓度变化滞后于混合层厚度变化，在此次过程中发生雾-霾时大气层结处于稳定状态，大气湍流得不到发展，湍流能达到的高度愈低，混合层厚度就愈低，此时污染物不容易扩散只能在大气下层堆积，形成高浓度，造成危害。并且发生霾时厚度小于发生雾时厚度。

4）整个过程中污染物浓度出现两次暴发过程，过程1中污染物加剧是由于偏南风将污染物向锦州市输送，过程2中由于过程1的污染物没有消除，并且还因本地锅炉排放的污染物快速吸湿而加剧了污染物浓度。

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