2000—2014 年东北高纬地区霾环境参数分析

齐海超，张桂华，齐 铎，曲成军

（1.黑龙江省气象灾害防御技术中心，黑龙江 哈尔滨150030；2.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨150030）

探空观测资料历史序列长、垂直层次多，是高空大气信息的可靠来源，但在局地性较强的天气过程，如雾、霾及强对流天气的分析中探空资料的时空分辨率远远不能满足需要。探空资料一般常作为再分析资料及遥感资料适用性的评估标准。遥感资料空间覆盖率高，但时间序列较短，且要素一般需要经过反演处理，才能进行对比应用。随着资料同化技术的提高，大气再分析资料兼具遥感观测资料覆盖面广的特点及探空资料时间序列长的优势，成为科学研究及业务应用的主要选择。再分析资料来源于同化多种常规及非常规观测的数值模式背景场资料，数值模式、同化方法及观测3 方面的误差都能成为再分析资料误差的来源[1-5]。因此，使用再分析资料做统计和诊断研究前，有必要对其描述大气真实状态准确程度的能力进行对比评估。

对于NCEP 再分析资料的不同要素在东亚和中国区域的适用性评估已有不少研究。风场方面，施晓辉等[6]对NCEP/NCAR 资料在中国区域高空风速场可信度进行评估中发现，东部地区可信度高于西部。赵佳莹等[7]对NCEP/NCAR、ERA 以及MERRA 三种再分析资料在中国地区的表现进行对比发现，NCEP/NCAR 适用性较好，特别是在对流层中、低层表现最好。温度方面，赵天保等[8-9]在研究中发现NCEP 再分析资料能够反映中国区域温度场时空分布特征，特别是在东部地区可信度更高，再分析资料的月平均温度略低于实况观测，夏季和年平均与实况基本一致，冬季差距相对较大。支星等[10]对温度再分析资料的表现进行评估发现，温度再分析资料在中国东北地区对流层低层表现好于高层。郭艳君等[11]对多种再分析资料中的气温与探空资料对比分析发现，多种再分析资料的气温在对流层表现为普遍偏低的特点。对湿度场的相关研究表明中国区域再分析资料的比湿和相对湿度较探空资料普遍偏高，且随高度增加偏差增大，其中春秋季偏差较夏季显著，不同的再分析资料之间的差异很小，评估结论基本一致[12-13]。位势高度场的研究表明再分析资料的位势高度场在数值上普遍低于探空资料，NCEP/NCAR资料与探空资料更为接近，500 hPa 与850 hPa 上再分析资料与探空资料差异较小，特别是20 世纪70年代以后，NCEP/NCAR 资料在中国北方地区表现更好[14-16]。

对于再分析资料适用性的研究，主要在气候尺度上探讨其在长期变化趋势的表现，对在天气尺度上的表现分析的不多。黑龙江省地处东北高纬度地区，21 世纪以来，霾有加重的趋势。对边界层气象条件的分析是预报霾发生与否的关键[17-25]。过去的分析主要依赖于探空资料，但黑龙江省探空站点稀疏，全省仅有4 个探空站。霾的局地性较强，资料空间分辨率不足严重制约着相关的研究和业务的开展。再分析资料在时空分辨率上能够弥补探空资料不足的缺陷，但是再分析资料可靠与否，通过再分析资料得到的环境气象条件与探空资料得到的结果是否一致，还有待于讨论。因此，本文对比2000—2014 年黑龙江省内霾过程对应探空资料和NCEP 再分析资料统计的环境气象条件，在了解霾发生环境气象条件特点的同时，讨论再分析资料的代表性。

1 资料和方法

霾的选择标准为，天气现象观测记录为雾、霾或烟幕，能见度低于10 km，相对湿度低于80%的站点观测记录。

选取2000—2014 年黑龙江省有高空观测的嫩江（50557）、齐齐哈尔（50745）、伊春（50774）、哈尔滨（50953）等4 个代表站的02、08、14 时以及20 时地面观测资料及08 时高空观测资料，对霾发生时的能见度及当天08 时的500 hPa 与850 hPa 水平风垂直切变、近地面风速、850 hPa 与1000 hPa 假相当位温垂直差、K 指数、A 指数、逆温强度、混合层高度、理查森数Ri、扩散系数等环境指数进行统计。

将探空观测算得的气象指标与NECP 1°×1°分辨率的FNL 逐6 h 再分析资料在相应站点位置统计的气象指标进行对比，分析再分析资料的可靠性和代表性，考察用再分析资料替代站点观测资料的可行性。因此，对于环境指数的统计同时采用NECP的FNL 逐6 h 再分析资料进行计算。

2 黑龙江省霾气象条件分析

对2000—2014 年各代表站在霾发生时的多个气象条件进行统计，并与霾发生时的能见度进行相关， 选择其中相关程度超过90%置信度检验的500 hPa 与850 hPa 水平风垂直切变（以下简称“风切变”）、A 指数、K 指数、850 hPa 与925 hPa 假相当位温垂直差、逆温强度、混合层高度、理查森数Ri、扩散系数、近地面风速等9 个环境参数进一步分析，并统计得到各站霾发生时各环境参数的相应阈值。其中，近地层风速、风切变是与动力条件有关的参数，理查森数Ri 和扩散系数是动力、热力综合参数，而其他的指数均代表与热力性质有关的环境参数。同时，将站点探空观测参数与再分析资料计算的环境参数进行对比，分析再分析资料的代表性。

2.1 动力条件

对动力因子与能见度求相关，无论是再分析资料还是站点观测资料，计算得到的风切变、近地面风速与能见度均表现为显著的正相关，分别通过0.1和0.05 的显著性水平检验。从风切变的分布（图1a）可知，90%的霾都发生在风切变低于21～24 m/s 的情况下。

从霾发生时各站近地面风速分布看（图1b），各站的风速都＜6 m/s，其中嫩江、伊春、哈尔滨3 站有90%的霾个例都发生在地面风速≤3 m/s 的条件下。

图1 2000—2014 年黑龙江省代表站霾发生时动力条件分布的箱线图

从风切变和近地面风速分布特点上看，动力因子的分布表现频数分布高峰向低值一侧偏移，动力因子值较低的范围霾发生次数更多。从2 个因子的再分析资料和站点观测资料实际分布可知，2 种资料的分布范围基本一致。特别是风切变，90%、50%、10%及最小值几乎完全一致，近地面风速中除齐齐哈尔站90%分位值中站点资料风速值为9 m/s，再分析资料为6.4 m/s，偏差略大以外，其他几乎保持一致。另外，计算了2 种资料的相关性，相关系数都能通过0.01 以上的显著性水平检验。因此，对于动力因子而言，再分析资料完全能代替站点观测资料进行分析。

2.2 热力条件

大气动力因子与污染物的水平扩散关系密切，影响霾的产生与维持，而热力因子表征大气稳定度，影响污染物在垂直方向的输送，本节重点分析热力因子在霾生消中的作用。从统计结果上看，K 指数和A 指数与能见度表现为显著的负相关，相关系数能通过0.1 的显著性水平检验。这种相关关系表明，稳定度越高，越容易有能见度较低的霾发生。根据K指数和A 指数阈值的统计结果（图2a、2b），90%的霾发生在K 指数＜30 ℃、A 指数＜20 ℃这个范围内，这2 个稳定度范围一般低于对流天气发生的阈值范围。逆温强度与假相当位温差与能见度之间表现为，显著性水平超过0.01 和0.1 的显著负相关。即逆温越强、假相当位温差越大，能见度越低，霾越重。因此，根据二者的阈值（图2c、2d），考虑在低层逆温强度＞-0.9 ℃/100 m、假相当位温差＞-2 ℃的情况下有利于霾的发生。从混合层高度的统计上看（图2e），霾发生时混合层高度几乎都在1000 m 以下。从混合层高度与能见度的关系上看，二者表现出显著的正相关关系（显著性水平高于0.05），混合层高度越低越不利于污染物扩散，有利于霾维持。

图2 2000—2014 年黑龙江省代表站霾发生时热力条件分布的箱线图

从再分析资料和探空资料的统计结果对比上看，2 种不同资料统计结果差别不大，特别是逆温强度和混合层高度，分布特征几乎完全一致，两种资料统计结果间的相关系数也都超过0.001 的显著性水平检验。另外，K 指数、A 指数以及假相当位温差的各个分位值的差别也都很小，特别是后面阈值统计中用到的K 指数的90%分位值、A 指数的90%分位值以及假相当位温差的10%分位值，探空统计与再分析资料的结果都一致，两资料之间的相关系数的置信度也高于99.9%。因此，再分析资料能很好的表征代表站的热力条件分布特点。

2.3 动力、热力综合条件

扩散系数与理查森数这两个综合指数与能见度的相关关系同样显著。

扩散系数是混合层高度与地表风速的简单乘积，和二者各自与能见度的关系基本相同，都是扩散系数越低越有利于霾的维持（图3a）。

理查森数与能见度的关系能通过0.01 的显著性水平检验，且表现为负相关关系，理查森数越大，大气的动力和热力综合稳定程度越高。经验表明，当＞0.25 时则表示大气稳定，不利于垂直扩散混合[26]。从Ri 的阈值分析结果上看（图3b），4 个代表站在霾发生时，其Ri 指数大多在0.3 以上，不利于污染物的垂直扩散，有利于霾产生和维持。

图3 2000—2014 年黑龙江省代表站霾发生时动力、热力综合条件分布的箱线图

从2 种资料的分布特点上看，探空资料和再分析资料的结果至少有90%以上是比较一致的，极端值的偏差大多也在30%以下。2 种资料计算结果间的相关系数也很高，能通过0.001 的显著性水平检验。因此，用再分析资料代替探空资料，对于动力、热力混合条件的分析也是比较可行的。

3 霾环境参数阈值

根据各个参数与能见度的关系及其对霾生消的影响，去掉10%分位的极端值，得到东北高纬度地区霾发生时几个环境参数的最可能阈值见表1。

表1 2000—2014 年黑龙江省代表站霾发生时环境参数阈值

风切变＜21 m/s，地表风速＞6 m/s， 理查森数＞0.3，逆温强度＞-0.9 ℃/100 m，假相当位温垂直差＞-3 K，混合层高度低于1000 m 的稳定大气背景下有利于东北高纬度地区霾的产生与维持。

4 结论

利用NECP 的FNL 逐6 h 再分析资料和黑龙江省嫩江、齐齐哈尔、伊春和哈尔滨等4 个代表站的观测资料，对2000—2014 年霾发生的典型气象条件进行统计及对比。得到以下结论：

（1）对霾发生时有关气象条件进行统计，选择与能见度相关程度超过90%置信度检验的9 个环境参数进行分析。结果表明：风切变＜21 m/s，地表风速在6 m/s 以下，理查森数＞0.3，逆温强度＞-0.9 ℃/100 m，假相当位温垂直差＞-3 K，混合层高度低于1000 m，K 指数和A 指数低于对流天气发生时的经验阈值的情况下，大气垂直和水平方向都不利于污染物扩散，有利于霾的产生与维持。

（2）在统计霾的气象条件分布特征的同时，对比站点资料与再分析资料之间的差异。两种资料对应各要素在极端值以外的分布基本一致，其中逆温指数、理查森数、混合层高度、扩散系数在所有分位上都保持一致，一致度最高。另外，从相关系数分析上可以看出，9 个指数用两种资料计算结果的相关关系都能通过0.001 以上的显著性水平检验。再分析资料可以代替站点观测资料进行环境参数分布和阈值的统计分析。

通过对探空资料和再分析资料的分析，对不同等级霾发生时主要环境条件的阈值范围有一定的认识和了解，为进一步对霾进行客观预报提供了一定的参考依据。但是统计结果中仍存在很多的问题：环境条件对于霾生消的具体影响仍不明确，其中哪些环境指数是主导因素还有待于进一步研究。下一步打算针对上述问题展开具体的分析和研究，通过诊断分析和模式模拟进一步了解环境条件对于霾生消的作用机理。