鲁中地区2015-2016年冬春季两次持续性霾天气过程的综合对比分析
2021-05-25姚秀萍魏光龙
张 琴，姚秀萍，王 喜，荆 涛，魏光龙，贾 瑞
(1.淄博市气象局，山东 淄博 255048；2.中国气象局培训中心，北京 100081；3.泰州市气象局，江苏 泰州 225300)
引 言
霾是大量粒径为几微米以下的大气气溶胶粒子构成水平能见度小于10.0 km、空气普遍浑浊的天气现象[1]，其本质是细粒子污染[2]。霾发生时，大量的有害气体和颗粒物使空气质量下降，严重危害人体健康。近十年来，由于大气污染程度的加剧，霾出现频率迅速增加，并具有区域性、持久性的特点[3-5]。研究表明，在全球变暖的背景下，我国不仅城市区域的霾日显著增加，而且大范围区域性的霾日也呈现增加趋势[6]。霾，尤其是持续性霾，正逐渐成为中国东部城市群中一种常见的灾害性天气[7]。
霾的形成原因是很复杂的。穆穆等[8]指出，霾天气的发生和维持与气象条件密切相关。众多学者从大气层结稳定度、地面风速、湿度、逆温层等方面讨论了霾形成的重要气象条件[9-15]。如大气处于稳定状态，近地面风速小，污染物不易扩散等。然而，近年来，越来越多的学者认识到人为原因对霾的形成更加重要，大气中PM2.5或更小的微细颗粒物浓度的增加是形成霾天气的重要原因[16]。很多学者[17-19]从污染物积累、区域大气输送作用与大气颗粒物的污染水平和时空分布的关系等方面展开研究，得到了很多有意义的成果。气象-大气污染双向反馈机制对霾形成的作用越来越受到重视。
我国幅员辽阔，地形复杂，气候多样，特殊的地理环境和气候特征使不同地区、不同季节持续性霾的污染物特征、气象条件差异较大。鲁中地区包括济南、淄博、莱芜、泰安、潍坊5个地市，聚集多个工业城市，是霾污染的重灾区[20]。冬季和春季是鲁中地区霾的高发时段[21]。本文拟选取鲁中地区冬季和春季典型的霾个例，对霾形成的气象条件进行对比分析，并将卫星图像与气象因子、污染物传输路径相结合，探讨重度霾发生时气溶胶的垂直分布特征和原因。研究结果有助于深入认识冬春持续性霾的类型差异和影响因素。
1 资料和方法
本文选取了2015年12月和2016年3月发生在鲁中地区的两次持续性霾天气过程，持续时间分别为9天和6天。所用常规气象观测资料包括2015年12月17-25日、2016年3月14-19日5个国家级地面气象观测站(济南、淄博、莱芜、泰安、潍坊)(图1)的气象要素观测资料，以及华云升达气象科技有限公司生产的前向散射式能见度仪DNQ1观测得到的能见度观测资料；5个环境监测站(济南市监测站、淄博莆田园站、莱芜日升国际站、泰安电力学校站、潍坊环保局站)(图1)的大气PM10与PM2.5质量浓度数据。观测仪器为Thermo fisher 生产的采用β射线-光散射法的5030 D2WPCAAA颗粒物质量浓度监测仪；美国国家环境预报中心NCEP提供的全球1°×1°物理量场与海平面气压场的再分析资料。
图1 所选站点的地理位置
卫星资料来自美国国家航空航天局(NASA，https://www.nasa.gov/)的CALIPSO观测资料。气溶胶特性数据选用的是2015年12月23日02:00与2016年3月19日02:00的CALIPSO Level L1B激光雷达回波廓线及垂直特征廓线(vertical feature mask，VFM)产品。其中，激光雷达回波廓线产品提供了532 nm后向散射系数(total backscatter coefficient，β)，VFM产品提供了水平分辨率为333 m、垂直分辨率为30 m的气溶胶类型分类数据。其中，VFM数据集利用体积退偏比、532 nm后向散射系数、区域类型等雷达信号，将气溶胶分为城市工业区排放的包含大量黑碳的大陆污染型气溶胶、生物质燃烧所生成的烟尘型气溶胶，以及沙尘与生物质燃烧共同产生的污染沙尘型气溶胶等多种类型[22]。
为追踪污染来源，利用美国大气海洋局(NOAA)开发的HYSPLIT4.8轨迹模式，定性分析了霾天气污染物的传输途径。HYSPLIT4.8是一种欧拉和拉格朗日混合型的计算模式，包含多种物理过程，可针对不同类型排放源进行较完整的输送扩散和沉降过程模拟，被广泛应用于大气污染物输送研究[23]。
2 持续性霾天气现象的演变过程
冬季持续性霾天气的个例(图2a)发生于2015年12月17-25日。17日08:00-12:00，能见度由27 km迅速下降至7 km，之后回升至15 km，波动较大，AQI在50-100浮动。18日10:00-22日07:00，能见度逐步下降至5 km以下，AQI持续增加，霾天气加强发展，达到重度污染(200
春季持续性霾天气的个例(图2b)出现在2016年3月14-19日，能见度演变呈阶梯状。14日12:00-15:00，能见度由23 km迅速降低到7 km以下。15日00:00-17日07:00，能见度维持在7～10 km，为轻度霾，AQI维持在200以下。17日14:00-19日07:00，能见度进一步下降到5 km以下，AQI飙升至200以上。18日与19日夜间共有10个时次为重度霾，有4个时次达到严重污染级别。18日22:00后，能见度迅速增大，AQI下降，霾消散。
可以看出，两次霾过程均持续6天以上，重度霾时达到严重污染级别；能见度与AQI的演变大体上呈负相关关系(相关系数分别为-0.76，-0.61)，且具有规律的日变化特征(图2c、d)。不同的是，冬季个例重度霾较春季的持续时间更长，污染更严重。冬季个例能见度与AQI呈逐步变化的过程，而春季个例的演变呈现阶梯状变化。
图2 冬(a、c)、春(b、d)季个例5站平均能见度与AQI时间演变(a、b)及能见度日变化(c、d)
3 地面气象要素和颗粒物浓度的变化
由冬季个例地面风速和相对湿度可看出(图略),2015年12月25日20:00前，地面风速维持在2 m·s-1的小风状态，有利于地面污染物的积累。相对湿度日变化明显，极大值出现在20:00左右，极小值出现在08:00左右，与能见度呈反向变化。22-25日夜间相对湿度达到80%以上，较高的相对湿度条件下，气溶胶粒子吸湿增长，有利于霾的维持和发展[24]。对比图2可以看出：一方面，22日相对湿度较弱的日变化与持续较低的能见度相对应；另一方面，25日,AQI迅速下降时，由于相对湿度仍然维持较高的水平，能见度并未迅速增大。通过计算，冬季个例相对湿度与能见度相关系数为-0.62，说明高相对湿度有利于霾的维持和发展。春季个例(图略)地面风速为3～4 m·s-1左右，与能见度变化较为一致，且风速大于冬季的，这可能是春季霾强度弱于冬季个例的原因之一。相对湿度与能见度的相关系数为-0.59，相对湿度与能见度呈明显的反相关关系。
冬季个例(图略)中，PM2.5和PM10的平均浓度为241.5 μg·m-3和379.8 μg·m-3。22日07 时前，PM值处于缓慢积累的阶段。至22日07时左右，PM2.5与PM10浓度分别迅速增加至500 μg·m-3和700 μg·m-3，达到重度霾的水平。PM2.5/PM10的比值在0.5以上，说明细颗粒物含量较多。春季个例(图略)中，PM2.5和PM10的平均浓度分别为123.9 μg·m-3和214.8 μg·m-3。进入重度霾阶段时，PM2.5与PM10浓度分别达到400 μg·m-3和500 μg·m-3以上。PM2.5/PM10与能见度呈明显的反向变化，说明细颗粒物对重度霾的贡献更大。
4 持续性霾的成因分析
4.1 环流场异常特征
下面采用合成分析的方法讨论冬春季持续性霾期间高低层的环流背景，以期找出霾发生时大气环流形势的异同。
冬季个例中(图3a)，500 hPa位势高度距平场上显示，中高纬贝加尔湖以西为负距平，以东为正距平，说明环流经向度比常年的小，东亚大槽偏弱。受东亚地区正高压异常的影响，鲁中地区出现南风，不利于槽后冷空气南下。35°N附近出现横向的风速负距平带，鲁中地区风速较常年偏弱，位于温度正距平区，气温较常年偏高。在对流层低层925 hPa(图3b)，中纬度地区中国大陆对应位势高度为负距平，而海洋上对应位势高度为正距平，海洋上的气压高于陆地，表明东亚冬季风偏弱。鲁中东部沿海较强的偏南风，为霾的发生带来有利的暖湿条件。从图3(a)、(b)中也可以看出，整个中国东部及日本沿海的大片区域，中低层均对应着风速负距平和温度正距平。由热成风关系，这种中低层的气温偏高减弱了南北经向温度梯度，造成纬向风垂直梯度的减小，从而减弱大气的斜压不稳定，抑制天气尺度扰动的发展，同时也会减弱对流层中低层大气的垂直混合[25]，从而为霾天气创造了稳定度条件。
春季个例中(图3c)，东亚中高纬是强的位势高度正距平区，说明贝加尔湖附近的高压脊强度较常年的偏强，范围异常北伸，阻断了源于极涡冷空气东移南下带来的影响。东亚大槽所在位置40°N附近为位势高度正距平，在高低纬度55°N附近和25°N附近,分别对应负距平，说明东亚大槽在鲁中地区所在的纬度附近偏弱。受贝加尔湖高压脊和东亚大槽异常的影响，鲁中地区出现了偏东风异常，非常不利于冷空气的南下。受其影响，鲁中地区处于风场负距平和温度正距平区，风场较常年偏弱，气温较常年偏高。925 hPa上(图3d)，海上气压高于陆地的，鲁中地区出现偏南风，为霾提供了暖湿空气。同时，鲁中地区对应风场负距平和温度的正距平，风速偏弱，气温偏高。与冬季个例一致，春季个例的发生也伴随着中国大部分地区中低层温度的升高，抑制天气尺度扰动的发展。
图3 2015年12月19-25日(a、b)2016年3月15-20日(c、d)500 hPa(a、c)、925 hPa(b、d)位势高度(阴影)距平、全风速(黑色实线)距平、温度(蓝色虚线)距平、风场(箭头)距平
4.2 动力作用
上述分析结果表明，两次霾过程发生在不同的环流背景下。下面利用1000-500 hPa位势高度场和海平面气压场来具体分析其动力成因。
图4为鲁中地区(118°E、36°N)相对湿度、风场随时间的演变。可以看出，冬季霾持续期间，鲁中地区上空共有3次短波槽脊过境(图4a)。其中，19日与22日短波脊过境前地面湿度的增大对应着霾的进一步加强。结合逐日500 hPa位势高度场和海平面气压场，19日(图5a)，500 hPa鲁中所在纬度环流有弱波动，朝鲜半岛附近存在弱高压脊，地面上对应高压中心，其后侧的东南风为鲁中地区带来暖湿气流。22日(图5b)，500 hPa环流更为平直，层结稳定度进一步加强。日本以西的高压脊对应地面高压，鲁中位于高压西南侧均压区内。一方面，较小的风力有利于本地污染物的积累；另一方面，高压稳定维持48 h，其底部的偏东气流将海上的暖湿空气不断输送到鲁中地区，地面湿度持续增大，使22日能见度维持在3 km以下。26日(图5c)，500 hPa环流经向度加大，西伯利亚高压脊加强，鲁中地区位于蒙古高压南部，地面等压线密集，地面风速增大，稀释了污染物，霾过程结束。
由图4(b)可看出，春季个例高空共有两槽一脊过境。15-17日(图5d、e)，500 hPa环流平直，经向度小，为霾的发生和加强提供了稳定度条件。东亚大槽位于日本以东，鲁中一直位于槽后的地面高压后部的均压区，盛行东南风，为鲁中地区持续带来水汽，在900 hPa以下形成厚的湿度层，有利于霾天气的加强。17日20时后，蒙古地区形成的地面高压不断加强南压，华北地区地面盛行北风，与日本附近的高压后部的偏南风形成辐合线，并不断南压，有利于鲁中及附近地区污染物的积累，细颗粒物比例增大。由图4(b)可见，18日00时，900 hPa以下南风转北风,为辐合线过境的时间，鲁中地区PM浓度迅速增大，达到重度霾标准。20日(图5f)，环流经向度加大，冷空气南下，蒙古高压中心南压，地面风速增大，霾过程结束。
图5 500 hPa位势高度(黑色实线)、海平面气压(红色虚线)、10 m风场(箭头)
4.3 热力作用
逆温层的存在可以使大气处于稳定状态，有利于霾天气的形成和维持。为了清楚地表示两次过程中逆温层的分布状况及其成因，本文计算了逆温层和温度平流的分布。冬季个例中(图6a)，重度霾期间逆温层多呈两层分布，一层位于850 hPa附近，一层位于近地层。霾过程前期(17-18日)由于天气晴好，且能见度较高，太阳辐射对地表的加热作用导致地表附近出现了较强的逆温结构。近地层大气层结稳定，对霾的形成非常有利。在稳定维持阶段，20-24日短波槽过境时，槽前出现暖平流，对应出现的逆温中心分别位于700-850 hPa。由于云量较多，大大削弱了地面辐射降温作用，近地层逆温较弱。24-25日，逆温层出现在夜间的近地面。这是由于云量减少，夜间地面辐射降温，导致与空中温差的增大所致，而白天逆温消失源于地面的快速升温。此时，污染物浓度急剧增大，重度霾发生。26日，地面出现冷锋，975 hPa出现强度大于6×10-4K·s-1的冷平流，冷空气下沉，霾消散。可见，地面辐射降温、暖平流引发的边界层上的增温,是此次过程逆温层发生和维持的主要机制。当逆温层出现在近地面时，污染物浓度一般较高，逆温层升高时，污染物浓度一般较低。这与寥晓农等[26]的研究结果一致。
图6 冬季(a)、春季(b)个例沿118°E、36°N的温度平流(阴影)、逆温(等值线)随时间的演变
春季个例中(图6b)，3月15日与17日出现暖平流，但强度较小，未在空中形成明显的逆温层。逆温层均维持在900 hPa以下，以近地面逆温为主，日变化明显。18日前，900 hPa附近暖平流明显，导致夜间地面与空中的温差增大，逆温较强，有利于霾的发生和维持。18日后，鲁中地区出现整层弱冷平流，逆温明显减弱，即影响霾的热力因子作用减弱，辐合线的维持可能是重度霾发展的主导因素。
5 霾期间卫星图像及后向轨迹分析
CALIPSO卫星分别于2015年12月23日与2016年3月19日02:00经过鲁中上空，均为重度霾阶段。下面根据卫星图像及气象要素场，分析两个个例重度霾时气溶胶的垂直分布，并利用HYSPLIT后向轨迹模式对污染物的路径进行分析。
图7为CALIPSO测得的532 nm后向散射系数垂直廓线与垂直速度、相对湿度的叠加场(图7a、c)，以及气溶胶类型垂直剖面图(图7b、d)。冬季个例中，后向散射系数廓线(图7a)显示，鲁中地区自地表至3 km以内气溶胶粒子最为密集，其中，0.7-1.2 km有后向散射系数的带状大值区，中心值为5.0×10-2km-1·sr-1，0.7 km至近地面层后向散射系数大于1.5×10-3km-1·sr-1，存在高浓度的气溶胶粒子。结合气溶胶类型(图7b)和后向轨迹模式(起点为济南站)(图8a)，鲁中地区0.7 km以下主要为大陆污染型、污染沙尘型气溶胶，传输路径为潍坊、临沂到济南，主要为本地污染物的向西传输，且垂直方向上前期以贴地传输为主，之后转为弱抬升(图7a中 0.7 km以下为弱上升运动区)。0.7-1.2 km气溶胶类型为大陆污染型和污染沙尘型，与0.7 km以下类型基本一致，传输路径从青岛开始，一路向西经过日照、临沂、泰安，传输仍以贴地传输为主。与0.7 km以下不同的是，0.7-1.2 km传输路径从海上出发，带来充足的水汽，湿度较大(图7a中1.0 km左右存在相对湿度大值区)，粒子吸湿增长，导致气溶胶粒子浓度的显著增加。研究表明[27]，气团的运动高度越低，越容易受到近地面人为排放污染物的影响，从而导致气团内污染物浓度升高。因此，1.2 km以下的气溶胶粒子浓度值偏高与贴地传输有密切的关系。1.2 km以上，气溶胶类型以烟尘型为主，伴有部分污染沙尘型。传输路径为由陕西和河南交界出发，一路攀升至郑州，之后缓慢下沉。
图7 CALIPSO 532 nm总后向散射系数(阴影)、垂直速度(黑线)、相对湿度(白线)的叠加(a、c)及气溶胶类型垂直剖面(b、d)
图8 鲁中地区气团48 h HYSPLIT后向轨迹
春季个例中，由后向散射系数廓线可以看出，鲁中的主要气溶胶粒子层高度明显高于冬季的，达3.8 km左右。鲁中北部污染气团气溶胶粒子层高度偏高，大值区主要集中在距地表2.5-3.5 km，南部污染气团气溶胶粒子层高度明显较低，大值区集中在1.0至1.8 km处。鲁中地区位于两个污染气团的交汇处，高低空均出现了污染层，高层位于2.0至2.5 km处，低层位于1.0至1.8 km处。其中低层污染更为严重，后向散射系数的中心值大于8.0×10-3km-1·sr-1。由垂直分类廓线(图7d)可见，鲁中3.0 km附近主要是沙尘型气溶胶，传输路径(图8b)为从蒙古与内蒙古交界处1.5 km出发，途径山西、京津冀地区，在鲁中地区上升至3.0 km高度。2.5 km以下，气溶胶类型为沙尘型和污染沙尘型，污染沙尘型占比更大。2.0 km高度路径为由河北南部1.0 km出发，经鲁北向上传输至鲁中地区；1.0 km高度路径为由江苏中部自200 m高度附近出发至鲁中地区1 km高度。
结合气象因子还可以看出，垂直方向上气溶胶粒子层的分布与垂直速度、相对湿度、逆温层等气象因子均有关系。气溶胶粒子浓度大值区,大体位于垂直速度零线以上(图7a、c)，下层气流的上升运动促使近地面污染气团抬升，上层气流的下沉运动使高层气流携带的污染物向下传输，共同构成高气溶胶粒子浓度污染层。另外，春季鲁中1.0 km以下的上升运动区强度大于冬季的，是造成春季个例地面气溶胶粒子浓度较小、高浓度气溶胶粒子层较高的一个可能原因。冬季个例中(图6a)，逆温层低，位于1.0 km左右，有效减少了1.2 km上下大气层气溶胶粒子的垂直混合，使1.2 km上层和下层污染物类型明显不同，且污染气团出现区域的相对湿度明显偏高，基本在50%以上。春季个例中(图6b)，逆温层偏弱，混合层高，3.0 km以下污染物类型相对均匀，且在沙尘气溶胶和来自西部干燥气流的影响下，污染区相对湿度小于冬季的，相比周围环境，高层污染气团内部更加干燥，低空污染气团内部相对湿度更大。可见，高层大气的传输及对流运动对高空及地面污染物的积累和扩散有至关重要的影响。垂直运动、湿度、逆温层等气象因子与污染物传输路径共同作用于气溶胶粒子的垂直分布，使气溶胶粒子层的高度与类型明显不同。
6 结 论
本文探讨了2015-2016年冬、春季两个持续性霾过程的演变、气象条件及重度霾时气溶胶分布及传输特征等，得到以下结论：
(1)两次霾过程持续时间达到6天以上，分别有3天和2天为重度霾，AQI最大值分别达到529和338，为严重污染级别。
(2)能见度与颗粒物浓度、风速、相对湿度的变化关系密切。冬春季霾过程相对湿度与能见度的相关系数分别为-0.62、-0.59，PM2.5的平均浓度分别为241.5 μg·m-3与123.9 μg·m-3，冬季个例PM2.5/PM10在0.5以上，说明细颗粒物贡献更大，春季个例中细颗粒物主要影响重度霾的发生。
(3)冬季东亚大槽偏弱，不利于槽后冷空气南侵，冬季风偏弱，低层出现偏南风异常。春季贝加尔湖高压脊异常偏强，阻挡了冷空气南下，日本附近的高压后部的西南风，为霾提供暖湿空气。
(4)两个个例对流层中层环流平直且多短波槽脊、地面为均压区。冬季环流更为平直，春季地面辐合线有利于污染物积聚；两个个例均存在明显逆温层，冬季逆温呈高低层分布，地面辐射降温、暖平流引发的增温是逆温层的形成机制，而春季逆温层出现在近地层，以地面辐射降温为主。
(5)冬季个例高浓度气溶胶粒子层位于1.0 km，1.2 km以下气溶胶类型为大陆污染型、污染沙尘型，以本地污染物的贴地传输为主；1.2 km以上以烟尘型为主，主要来自河南、郑州等地的外来传输。春季个例污染层位于1.5 km,3.0 km以下气溶胶类型为沙尘型和污染沙尘型，受河北、江苏等外来污染物传输和高层沙尘沉降的影响，污染物粒径大于冬季的；冬季上升运动弱、湿度大决定了冬季污染层高度偏低、强度大。低逆温层使1.2 km上下层污染物类型明显不同；春季上升运动强、湿度小造成污染层偏高、强度小。逆温层偏高且弱使污染物类型均匀。
