天津区域霾过程统计特征及环流分型研究

吴 洋，孙树鹏，赵雨馨，张嘉霖

(天津市津南区气象局 天津300350)

0 引 言

自改革开放以来，由于中国经济快速发展和城镇化进程的不断加快，大气污染日趋严重[1-3]。霾不仅使大气水平能见度降低，导致交通事故发生，而且由于霾的颗粒直径小且吸附重金属等污染物，对人体健康造成较大危害，其中灰霾的水平与心血管病人量呈正相关[4-6]。因此大量学者针对霾进行研究，研究表明霾的形成不仅受到人类活动的影响，还受到天气要素及大气环流的影响[7-9]，特别是范围广、强度大的霾，一般都会在一些特定的天气形势下发生[10-11]，环流场稳定、大气层结稳定和地面风速小是造成天津典型空气污染的主要气象原因[12]。

针对霾天气过程的大气环流分型，国内很多学者都进行了研究，主要分为主观大气环流分型法和客观大气环流分型法。蔡子颖等[13-14]将 2014—2017年天津地区中度以上霾过程分为5种大气环流类型，总结了2009—2016年天津地区易出现重污染天气的4种地面形势；戴竹君等[15]将江苏秋冬季重度霾发生时的地面形势分为均压型、冷锋前部型和低压倒槽型。但这些分型方法均为主观大气环流分型方法，具有明显的主观性。客观分型方法可以避免主观性造成的影响，比如 EOF和 PCA为代表的向量分析，但由于客观分型法常依赖于原始资料，应用不同长度的气象资料得到的分型结果不同，限制了在实际业务工作中的应用[16]。由于主、客观环流分型法各有优缺点，学者们希望能定义一些客观的标准，把主观的分型方法客观化，主、客观方法结合起来。基于 Lamb大气环流分型[17]的 Jenkinson方法[18]，通过定义指数及分类标准将大气环流分型客观化，被广泛应用于研究局地环流与气候变化的联系。

天津作为京津冀地区主要城市之一，近些年工业化造成的污染也日益严重，已成为霾天气重灾区之一。本文采用L-J分型法研究天津霾天气与环流的关系，通过对 1998—2017年发生在天津地区的区域霾过程进行环流归类，得出天津区域霾的主要形势场类型及环流特征，从而提高对天津地区霾天气的认识，对霾预报预警业务具有一定指导意义。

1 资料与方法

1.1 资料

本文研究使用的资料为美国环境预报中心(NCEP)提供的全球 1998—2017年日平均海平面气压场及高空风场和位势高度场，格点分辨率为 2.5°×2.5°。地面气象观测资料来自天津市 9个国家一般气象观测站(蓟州、宁河、武清、北辰、津南、东丽、静海、大港、汉沽)和3个国家气象观测站(宝坻、西青、塘沽)地面一天3个时次(08、14和20时)的能见度、相对湿度、风向、风速和天气现象等观测资料。

1.2 方法

根据《QX/T 113—2010中华人民共和国气象行业标准》和气预函[2013]34号文件规定，本文排除降水、沙尘暴、浮尘、扬沙、吹雪、雪暴和烟幕等能导致能见度降低的情况，将日均能见度小于 10km、日均相对湿度小于 90%的情况记为一个霾日。按水平能见度大小，将霾分为4个等级，即轻微霾、轻度霾、中度霾和重度霾，水平能见度分别为5～10、3～5、2～3和 2km以下。当天津 12个观测站点中超过 8个及以上站点出现霾日时，记为 1次天津地区区域霾日，并以任意一观测站最高霾等级作为区域霾等级(图1)。

图1 Lamb-Jenkinson 分型方法的计算区域及16个差分格点的分布图Fig.1 Computational domain of Lamb-Jenkinson classification and distribution of 16 differential grids points

本文采用 L-J分型法对天津地区的日平均海平面气压场进行客观定量的环流分型。L-J方法是在设定的计算范围内，每隔10个经度、5个纬度的网格上取 1个差分格点，共计 16个格点。本文以(117°E，39°N)为中心点，选取 100°～130°E、30°～50°N 为研究范围。

在该研究范围内，利用差分公式由 16个网格点的日平均海平面气压值计算中心点(117°E，39°N)的地转风(u，v)和地转涡度(uξ，vξ)，如式(1)～(6)所示。

其中，p为海平面气压值；α、1α和2α分别表示39°N、34°N 和 44°N；V 为地转风，u、v分别为地转风的西风分量和南风分量；ξ为总涡度，uξ为u的经向梯度，vξ为v的纬向梯度。

2 结果分析

2.1 区域性霾日时间变化

利用天津市 12个气象观测站观测数据对1998—2017年天津地区区域性霾日数进行统计，结果表明1998—2017年共出现区域性霾日数1244d。如图2a所示，1997—2015年区域性霾日数逐年增加，2015年区域性霾日数为 161d，2016—2017年区域性霾日数迅速减小，区域性霾日数分别为 55d、56d。

图2 1998—2017年区域性霾日年和月变化Fig.2 Yearly and monthly variation of regional haze days from 1998 to 2017

图3a为1998—2017年天津地区区域性轻微霾、轻度霾、中度霾和重度霾日数变化情况，从图中可以看出 1998—2013年区域性轻微霾日数逐渐增加，2014年、2015年迅速减小。区域性轻度霾、中度霾和重度霾日数在1997—2011年均无明显变化，2012年开始逐渐增加，2014年区域性中度霾日数达到最大，而区域性中度霾和重度霾日数继续增加，2015年达到峰值，分别为42d和92d，2014年、2015年区域性中度霾和重度霾日数与区域性轻微霾日数变化趋势相反。

1998—2017 年 4种标准区域性霾日数月分布均呈现明显的双峰型，其中区域性轻微霾日数、轻度霾和中度霾日数变化趋势与区域性霾日数月变化一致，双峰均出现在6月、7月和10月到次年1月，而区域性重度霾日数双峰分别出现在4月、11月。

图3 1998—2017年4种标准区域性霾日年和月变化Fig.3 Yearly and monthly variation of regional haze days with four standards from 1998 to 2017

2.2 Lamb-Jenkinson环流分型分析

本文采用L-J分型法对天津地区1998—2017年大气环流进行客观分型，图4给出了天津地区1998—2017年26种环流型的概率分布曲线图，图中可以看出有 10种环流型出现频率超过 4%，分别为A型、NE型、E型、N型、C型、W 型、ANE型、NW型、AN型和SW型，占总数的76.63%；其余16种环流型出现的频率占总数的23.37%。

图4 1998—2017年天津地区各环流类型发生频率Fig.4 Frequency of circulation types in Tianjin from 1998 to 2017

图5为1998—2017年天津地区各环流类型下出现区域霾的频率，从图中可以看出天津区域霾天气下出现频率最高的环流类型分别为：A型、NE型、C型、W型、E型、N型、NW型、SW型、ANE型。通过与天津地区各环流类型发生频率对比发现，天津区域性霾天气下AN型环流所占比例明显下降，所占比例仅为2.97%。A型、NE型、E型、N型和ANE型所占比例也略有下降，而C型、W型、NW型和SW型所占比略有上升。

图5 1998—2017年天津地区各环流类型下发生区域霾频率Fig.5 Regional haze frequency in each circulation type in Tianjin from 1998 to 2017

对出现区域性霾频率较高的 9种环流类型进行霾等级标准分类(图6)，可以发现 ANE型发生区域性轻微霾的频率最高，占其出现区域霾的 50%，而C型、W型和SW型发生区域性轻微霾的频率较低，均在40%以下，其中SW型最低。C型发生区域性轻度霾的频率最高为30.25%，而N型和NW型发生频率较低，分别为 19.77%和 17.11%，其余各环流型发生区域性轻度霾的频率均在 20%以上。各环流类型发生区域性中度霾的频率相当，均在 17%～27%之间。区域性重度霾发生频率最高的环流型为 SW 型，发生频率为 24.66%，而NE型、E型和ANE型发生区域性重度霾的频率均较低，分别为 6.15%、9.38%和 10%，其余环流型发生区域性重度霾的频率均在10%～20%之间。

图6 9种环流型出现不同标准区域性霾日的频率Fig.6 Frequency of regional haze days with different standards in 9 circulation types

图7 天津地区出现区域性霾时 26类环流形势出现区域性重度霾日的概率Fig.7 Probability of regional severe haze days for twenty-six circulation types when occurring regional haze in Tianjin

重度霾对人类生产、生活及健康具有重要影响，因此本文对天津地区出现区域性霾时26类环流形势中出现区域性重度霾的概率进行分类统计。如图7所示，天津出现区域性霾频率较高的9种环流类型出现重度霾的概率也较高，占 78.14%。其中，A 型、C型、W 型和 SW 型环流出现区域性重度霾概率最高，分别为11.26%、10.6%、12.58%和11.92%。

2.3 环流分析

通过讨论可以看出天津出现区域性霾日时，A 型、NE型、C 型、W 型、E型、N 型、NW 型、SW 型、ANE型环流出现概率均较高，并且 A 型、C型、W 型和 SW 型环流出现区域性重度霾日概率较高。因此，分析A型、C型、W型和SW型环流对今后天津地区区域性重度霾预报分析具有指导作用。

通过 A型大气环流(图8)可以看出，500hPa为明显的西风气流，700hPa在贝加尔湖附近存在弱脊，我国青海南部等地存在一槽，天津地区主要受偏

西气流影响。850hPa天津地区位于高压外围，受偏西风影响，地面受大陆高压控制，等压线稀疏，风力微弱。由于天津地区受高空偏西气流影响，500hPa槽脊较弱不利于冷空气东移南下，配合地面弱气压场容易形成天津地区区域性雾霾天气。

图8 A型平均位势高度场和平均海平面气压场(图a、b、c 单位：gpm；图d单位：hPa)Fig.8 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type A(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

图9 C型平均位势高度场和平均海平面气压场(图a、b、c 单位：gpm；图d单位：hPa)Fig.9 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type C(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

图10 W型平均位势高度场和平均海平面气压场(图a、b、c 单位：gpm；图d单位：hPa)Fig.10 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type W(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

图11 SW型平均位势高度场和平均海平面气压场(图a、b、c 单位：gpm；图d单位：hPa)Fig.11 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type SW(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

C型大气环流(图9)500hPa存在浅薄的一脊一槽，脊位于我国新疆北部，槽位于贝加尔湖以西地区，天津地区受偏西气流影响；700hPa同样存在浅薄的一脊一槽，但槽脊经向度略有加大，位置略偏东，脊在贝加尔湖地区，槽位于我国东北地区以西；850hPa位于东北至河套地区槽明显加深，天津地区受槽前西南气流控制；地面受弱低压影响，等压线稀疏，风力较弱。500hPa的浅薄槽脊不利于冷空气东移南下影响天津地区，850hPa西南气流有利于将低层污染物向天津地区输送，地面风力较弱，有利于污染物向天津地区输送累计，形成重度霾日天气。

W 型大气环流(图10)500hPa为平直的西风气流，700hPa存在浅薄槽脊，但天津地区仍受偏西气流影响；850hPa存在一脊一槽，脊位于贝加尔湖，槽位于我国东北与蒙古国交界处，天津地区受西南气流影响；地面位于低压底部，受偏西风影响。

SW型500hPa大气环流(图11)与W型500hPa大气环流类似，均为平直的西风气流；700hPa存在浅薄槽脊，但天津地区仍受偏西气流影响；850hPa天津地区位于槽前受西南气流影响，地面位于低压前部，受西南风影响。天津地区高空受平直西风气流影响，不利于冷空东移南下，低层及地面西南气流影响有利于将华北中南部污染物向本地区输送，易形成重度污染。

3 结论与讨论

本文首先统计天津地区区域性霾日，并利用 L-J分型法对1998—2017年天津地区区域性霾天气下的大气环流进行客观分型，研究结果表明：

①1998—2017年天津区域性霾日数先增加后减小，2015年达最大值。轻微、轻度、中度和重度霾日数均为先增加后减小，天津区域性霾日数、轻微、轻度、中度和重度霾日数的月分布均呈双峰型。

②利用L-J分型法对天津1998—2017年大气环流进行客观分型发现，A 型、NE型、E型、N 型、C型、W型、ANE型、NW型、AN型和SW型出现频率较高，占总数的 76.63%。而区域霾日下出现频率最高的环流类型分别为 A 型、NE型、C型、W 型、E型、N型、NW型、SW型、ANE型。

③对出现区域性霾日频率较高的 9种环流类型进行霾等级标准分类发现，ANE型发生区域性轻微霾的频率最高，SW 型最低。C型发生区域性轻度霾的频率最高，而 N型和 NW 型发生频率较低。各环流类型发生区域性中度霾的频率相当。区域性重度霾发生频率最高的环流型为 SW 型，而 NE型、E型和 ANE型发生区域性重度霾的频率均较低。A型、C型、W 型和 SW 型环流出现区域性重度霾日概率最高。

④A型、W型和SW型500hPa环流均为平直气流，A型地面受大陆高压控制，W 型地面位于低压底部受偏西风影响，SW 型地面位于低压前部受西南风影响，风力均较弱；而 C型 500hPa环流存在浅薄的一脊一槽，地面受弱低压影响，风力较弱，均易形成重度污染。