濮阳一次持续性雾霾天气的阶段性特征和维持机制

李改琴，唐 影，王 聪，杜丽娅，谢琼娜

(濮阳市气象局，河南 濮阳 457000)

引 言

随着我国城市化进程的加快和工业的快速发展，我国主要城市的雾、霾天气已经不完全是自然现象。气溶胶污染日趋严重，已成为雾、霾天气发生频率增大的主因[1]。多地持续性的雾霾天气造成的空气严重污染，已经成为政府和公众关注的焦点。特别是华北秋冬季不断出现的连片长时间雾和霾，导致人们呼吸道疾病剧增，重大交通事故频发，航班大面积延误，城市形象受损。近几年，针对雾霾天气的传播与扩展机制研究已广泛开展[2-4]。已有研究指出，华北平原连续性大雾有渐发性、稳定性等特点[5]，雾霾是大气边界层湍流运动及大气污染等复杂过程的综合结果[6]。稳定的大气环流背景场是雾、霾长时间维持的基础[7-9]，水汽条件与边界层逆温是低能见度过程形成的必要条件[10-12]。雾、霾过程中，气象要素的变化特征与污染物浓度有着密切的关系。曹伟华等[13]指出，相对湿度和PM2.5浓度是决定能见度大小的2个关键因子。张建忠等[14]对2014年京津冀4次重污染过程与气象要素进行分析后指出：相对湿度持续高于60%是出现重度污染并维持的重要指标,平均风速小于2.0 m/s是污染物堆积的重要条件。

以上研究多侧重于对雾霾过程的大气环流特点、边界层特征及与气象要素的关系，针对长时间不同阶段污染过程中雾霾形成的气象条件、污染物特点的差异研究较少。2018年11月23日至12月3日，华北平原出现了长时间的雾霾天气，是当年秋、冬季以来覆盖范围最广、持续时间最长、污染程度最重的一次过程[15]。本文以濮阳市污染过程为例，把此次雾霾污染过程分为3个阶段进行研究，揭示不同阶段雾霾形成的主要气象特征。

1 数据与方法

本文采用NCEP/NCAR(2.5°×2.5°)再分析资料，分析过程期间500 hPa平均高度场、850 hPa平均温度场特征及动力条件；利用郑州和邢台站的高空探测资料，分析本次雾霾天气的边界层气象要素垂直分布特征；利用濮阳站(35°42′N、115°02′E)的常规气象观测资料与濮阳市环境监测站污染物浓度数据，研究地面气象要素与PM2.5、PM10污染物浓度的关系。

本文雾的用语采用中华人民共和国国家标准《雾的预报等级》(中国气象局2011)，分五级：轻雾(1000 m≤能见度<10000 m)、大雾(500 m≤能见度<1000 m)、浓雾(200 m≤能见度<500 m)、强浓雾(50 m≤能见度<200 m)、特强浓雾(能见度<50 m)。霾的用语按照中国气象局(2013年)霾预警标准，霾等级分为中度霾(能见度<2000 m，相对湿度>80%,75 μg/m3≤PM2.5<150 μg/m3)、重度霾(能见度<1000 m，相对湿度>80%，150 μg/m3≤PM2.5<500 μg/m3)、严重霾(能见度<1000 m,相对湿度>80%，500 μg/m3≤PM2.5<700 μg/m3)，分别对应霾预警的黄色、橙色、红色3级。污染程度根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633—2012)规定：空气污染指数划分为0-50、51-100、101-150、151-200、201-300和大于300共6档，分别对应一级优，二级良，三级轻度污染，四级中度污染，五级重度污染，六级严重污染。

2 天气过程概况

2018年11月23日—12月3日，华北平原出现了长时间的雾霾天气(图1)，其中河北中南部、河南北部和山东西北部雾霾天气尤其严重。本次过程可分为3个阶段：前期为11月23夜间到26日夜间的大雾和重度霾(用P1表示)，中期为11月27夜间到30日的重度霾和轻雾(用P2表示)，后期为12月1-3日的大雾和重度霾(用P3表示)。自23日开始，华北大部地区出现了轻雾，河南东北部、山东西北部出现了霾，个别站还出现了毛毛雨，能见度2～7 km。24日凌晨能见度开始明显下降，华北中南部出现能见度小于1 km的大雾(图1a)，鲁西齐河站能见度降到0 km，聊城还产生了小雪，白天大雾逐渐消失，霾持续，夜晚重新加强。25日凌晨的大雾更强、范围更广，华北南部和河南北部出现能见度≤100 m的大雾，鲁西局部出现毛毛雨(图1b)。26日05-08时，大雾增强，达到顶峰(图1c)，华北中南部出现大片能见度不足100 m的大雾。27日凌晨相比25日、26日大雾范围缩小，强度有所减弱(图1d)，白天逐渐减弱，霾持续，夜晚也没有再次形成大雾，而是维持霾天气。28日08时霾伴随轻雾(图1e)持续到29日08时，此时华北中东部开始出现轻雾，并伴有个别站的毛毛雨或小雪。30日夜里华北开始出现大范围的轻雾。1日白天轻雾伴随个别站毛毛雨，夜里华北南部、河南开始出现小雨天气。2日08时河南北部、山东全省出现小雨，河北省开始出现大雾(图1f)，11时，降水停止，华北大雾增强，最小能见度达到200 m，到20时，河南东北部的范县能见度接近0 m，夜间大雾维持。3日08时大雾开始减弱，华北中南部能见度0.7～1.0 km。随着强冷空气南下，3日14时，影响华北的大雾天气消失，霾持续，20时持续多日的雾霾天气结束。

图1 2018年11月24日-12月2日08时雾霾分布图(a)11月24日，(b)11月25日，(c)11月26日，(d)11月27日，(e)11月28日，(f)12月2日；为濮阳站，画线区为大雾天气笼罩区

整个过程造成了严重污染天气，污染带由北至南逐渐传输扩散，濮阳全市持续重度污染，部分时段达到严重污染。日变化较明显，下午污染程度略减弱，夜间污染又加重。P1阶段的25日10时AQI达到峰值306，为严重污染水平；P2阶段，AQI 值超过200的时段达48 h，其中有14 h AQI超过300，达到重度到严重污染水平，PM10和 PM2.5峰值分别为 604 μg/m3和267 μg/m3；P3阶段，PM2.5的浓度大部分时段位于200 μg/m3以上，最大为290 μg/m3(2日18时)，达到严重污染水平。

3 天气背景场分析

稳定的大气环流形势为雾霾重污染天气提供了有利的大气环境场[16]。雾霾期间，高空以纬向环流为主，冷空气势力偏弱，地面主要受弱冷高压或均压场控制，有利于华北地区静稳天气的形成[17]。为了研究此次过程中的大尺度环流背景场特征，制作了P1到P2阶段的500 hPa平均高度场、850 hPa平均温度场和海平面平均气压场。

从500 hPa平均高度场(图2a)可以看出，欧亚高空为纬向环流，华北处于蒙古弱脊前西西北气流中，纬向环流长时间维持导致冷空气活动偏弱，暖空气较活跃。从850 hPa平均温度场(图2b)上可以看出，华北处于暖温脊控制中，低层暖平流的存在，不但有利于地面弱冷气团的变性减弱，使系统内风速减小，而且有利于低层逆温层的形成，从而阻碍大气的垂直扩散。稳定层结和低空逆温层的存在是雾霾天气发生的必要条件[18]。海平面平均气压场上(图2c),我国大陆为弱冷高压控制，华北处于弱冷高压控制的均压场中，低层弱的水平风场为雾霾的发生发展提供了有利的环流背景场[19]。总之，高低空环流形势的配置均有利于边界层内雾霾天气的形成和维持。P3阶段，环流形势开始调整(图略)，随着巴湖较强冷槽的东移南压，华北上空的高压脊东移，华北处在槽前脊后西南气流里，水汽条件转好，中低层850 hPa受槽前暖湿空气控制，地面处在锋前均压场中。2日，受低槽东移影响，华北南部产生了弱降水天气，导致污染颗粒物的吸湿增长，雾霾天气加重。到3日夜间，伴随较强冷空气南下，此次持续多日的雾霾天气逐渐结束。

图2 2018年11月23-30日的500 hPa平均高度场(a)、850hPa平均温度场(b)和海平面平均气压场(c)

4 边界层要素特征分析

大雾是发生在边界层的天气现象。稳定层结(逆温层)是生成大雾的重要条件之一。雾层一般在逆温层以下[20]，稳定的逆温层长期维持是连续性大雾的主要特征。霾天气造成的严重污染期间，对流层内中低层大气扩散能力差，大气层结持续稳定，逆温层持续时间长、强度大，有利于污染物在低层的积累和霾的持续[21]。此次过程逆温层特征非常明显，且P1阶段大雾和霾形成时，强逆温层在900 hPa以下的贴地高度，日变化大；P2阶段霾形成时，较强逆温层位于900-850 hPa的中低层，出现双层逆温和悬垂逆温，贴地逆温较弱，日变化不明显；P3阶段逆温较弱，但是湿层深厚，导致低能见度大雾和霾天气的发生。

本文利用离濮阳较近的邢台站同期探空资料，得到每日08时的近地面逆温强度和湿层厚度(见表1)，本文贴地逆温强度是指近地面1007-900 hPa的逆温值大小，悬垂逆温强度是指900-850 hPa的逆温值大小。近地面湿层厚度是指相对湿度≥80%的层结达到的高度。由表1可看出，P1阶段近地面层存在强的贴地逆温，24日逆温强度5.8 ℃，25日的6.8 ℃，26日的达到10.4 ℃。逆温抑制底层水汽向上扩散，有利于雾的形成和发展维持[22]。2018年11月25日夜间到26日凌晨，濮阳出现强浓雾和特强浓雾。逆温层的锅盖效应同样抑制颗粒物的垂直扩散，使颗粒物浓度迅速增加且维持。25日10时AQI达到峰值(306)，为严重污染程度。可见，逆温强度、污染物浓度和大雾强度有较好的一致性。P2阶段，受西北弱干冷空气影响，风力有所增大，贴地逆温减弱，850 hPa以下出现双层逆温，贴地逆温层强度≤3 ℃，但900-850 hPa有较强悬垂逆温层。28日08时贴地逆温强度2.8 ℃，悬垂逆温强度3.2 ℃，20时达到6.4 ℃。30日08时贴地逆温强度3.0 ℃，悬垂逆温强度达到7.6 ℃。此阶段污染物主要来自北方输送的较大颗粒物，污染物在双层逆温层内聚集，出现了重度霾天气，PM10浓度明显升高，峰值达到624 μg/m3，远大于PM2.5的值(267 μg/m3)，AQI的值超过200的时段达48 h，长期处于重度污染水平。P3阶段虽然贴地逆温层强度弱，小于等于3 ℃，但是受暖湿气流影响，近地面湿层厚度较大，相对湿度大于80%的湿层最高达到3800 m，为气溶胶粒子的吸湿增长提供了一定的水汽条件，促进了大雾和霾的又一次形成。因此逆温层的强度和湿层厚度都与雾霾的形成和维持呈正相关。

表1 2018年11月23日-12月3日08时邢台探空站逆温层和湿层厚度特征

从26-30日郑州和邢台的探空曲线(图3)也可以看出：华北中高空均为西北气流控制，且整层干燥，有利于近地面夜间的辐射降温，形成冷的下垫面。26日低层为弱西南风。暖湿西南气流流经冷下垫面，再经夜间地面辐射冷却，易形成逆温和雾。26日08时贴地最强逆温达到10 ℃以上(图3a，3b)，厚度达到近1 km。深厚的逆温层增强了近地面的静稳程度，加上浅薄的地面湿层，造成26日凌晨的强浓雾和重度污染天气。雾霾过程与大气垂直温度梯度变化有非常大的关系。贴地逆温层消失，悬垂逆温层增强，有利于雾霾形成[23]。28日、30日中低层为西北风或偏西风，贴地逆温较弱，强逆温层位于900 hPa到850 hPa高度之间，属于悬垂逆温。28日20时悬垂逆温强度达到6.4 ℃，30日08时达到7.6 ℃(图3c，3d)，污染物在逆温层下大量积聚，天气以霾为主，并伴有轻雾，污染严重。

图3 2018年11月26日08时郑州(a)及邢台(b)探空和28日20时(c)、30日08时(d)邢台探空

以上分析可以看出，边界层逆温是此次持续雾霾天气的重要特征。第一阶段强的贴地逆温有利于大雾的形成，第二阶段双层逆温和较强的悬垂逆温有利于霾的形成和维持，第三阶段边界层逆温虽然较弱，但湿层较厚，同样有利于大雾的形成。

5 地面气象要素特征分析

这次雾霾过程3个子过程的地面要素特征和污染状况存在显著的差异。从濮阳站11月23日00时-12月4日00时逐3 h的能见度、气压、气温和露点温度、相对湿度、风速、PM2.5和PM10浓度时间序列图上可以看出(图4)：P1阶段，海平面气压变化幅度小，弱的气压变化决定了地面风速较小，白天因受太阳辐射的影响，风速稍大，而夜间风速均在2 m/s以下，弱水平风场决定了大气水平扩散能力差，不利于污染物稀释扩散。温度、湿度呈现明显的日变化，夜里到凌晨温度持续下降，相对湿度升高到90%以上，空气接近或达到饱和，能见度降低，出现浓雾和霾。白天随着气温的回升，相对湿度降低，能见度转好，雾减弱，但是霾变化不大，霾受相对湿度减小的影响较小，此间PM2.5与PM10的浓度接近，基本都大于200 μg/m3，空气维持重度污染状态。P2阶段受两次持续时间较短的弱冷空气影响，海平面气压在27日中午和29日中午有两次脉冲式升高，平均风速略增强，风向多为偏北风，有利于北方污染物向本地的输送。本地PM10的浓度大于300 μg/m3，高于PM2.5的浓度,27日16时PM10浓度达最大，为624 μg/m3。其余时间风速逐渐降低，相对湿度开始增加，逆温层发展。其间，大颗粒污染物PM10浓度的两次峰值前，均有污染物输送过程，表现为风力的增大。

P3阶段前期，由于华北处于槽前的西南气流中，水汽输送明显，中低层湿度增大，地面位于弱冷高压底部的偏东风与偏北风的汇合区，造成1日夜间到2日上午华北南部的弱降水天气，并伴有雾，雨雾共存，能见度小于500 m。随着降水的结束，能见度愈来愈低，2日20时能见度小于100 m，污染开始加重，PM2.5达到257 μg/m3。相对湿度的增高，不利于PM2.5浓度的降低[24]。因为降水使近地层水汽丰富，本区又处于锋前均压场，风速小，大气扩散条件差，静稳的环境与高湿的大气叠加，使污染物累积并进一步吸湿增长，导致低能见度的雾霾天气形成。3日下午开始随着冷锋后较强冷空气的影响，风速增大，相对湿度减小，地面气压升高，能见度明显改善，持续多日的雾霾天气逐渐结束。

6 动力条件诊断

中低空下沉气流的存在，有助于近地层的弱风条件和稳定层结的建立[25]。本文应用NCEP/NCAR(2.5°×2.5°)产品资料，制作了此次过程濮阳上空(116°E、36°N)的涡度和散度垂直分布时序图(图5)。由图5可以看出，过程中850 hPa及以下高度，涡度和散度的绝对值都很小，且以负涡度、正的辐散下沉气流为主，说明大气层结稳定，有利于雾霾天气的生成和维持。另外，在P1和P3两段大雾严重阶段，800 hPa高度以下的低层存在弱的辐合辐散相间分布状况，最大散度绝对值为1.5×10-5s-1，说明大气边界层有微弱的湍流运动，有利于雾向上发展和维持，P2霾天气维持期间，环境为一致的弱辐散下沉气流。

图5 濮阳2018年11月25日-12月3日涡度垂直分布时序图(a)和散度垂直分布时序图(b)

从这次过程的近地面1000 hPa水平风场上可以看出(图6)，P1、P2、P3的3个阶段中，华北中东部存在辐合线，风速较小，有利于低层水汽和污染物的汇集，使雾霾天气加强和维持，26日凌晨出现的强浓雾和霾(图6a)、28日出现的重度霾(图6b)、2日出现的大雾和霾(图6c)，均在辐合线附近。另外，黄海上存在冷高压环流，高压底后部东南风吹向华北中东部，P1、P3阶段东西气流输送更明显，使当地湿度增加，同样有利于雾霾天气的形成。

图6 1000 hPa水平风场

7 结论和讨论

(1)这次持续多日的雾霾天气发生在高空纬向环流背景下，弱冷空气活动频繁，地面处于锋前均压场或锋后弱冷高压中，中低空受暖空气控制；后期高空受较强西风槽影响，槽前增暖增湿产生降水和雾霾天气，槽后强冷空气南下使过程结束。

(2)逆温层的强度和湿层厚度与雾霾天气的形成和维持呈正相关。前期和中期边界层内持续较强逆温层和双层逆温，锅盖效应抑制了水汽和污染物在垂直方向上的输送，是这次雾霾天气产生的重要原因之一；后期湿层深厚，雨后气溶胶粒子的聚集吸湿凝结增长，又一次导致大雾和重度霾天气。

(3)从动力条件看，中低层较弱的负涡度和辐散下沉气流，使近地面层结稳定、风速减小，抑制水汽和污染物的垂直扩散。

(4)近地面多个时段弱风辐合线的存在，造成水汽和污染物的聚集，为这次雾霾的发生、维持和加强提供了动力条件；同时大范围偏东风的存在为雾霾区提供了湿度条件。

这次大范围持续多日的雾霾天气过程，重污染天气贯穿始末。过程的3个阶段对重污染天气的贡献特征不同：前期近地面夜里到凌晨存在饱和湿层和强逆温层，出现强浓雾和重度霾；中期低层空气湿度较小，弱冷空气活动频繁，污染物受传输影响较大，边界层双层逆温和悬垂逆温，出现重度霾；后期湿层深厚，雨后气溶胶粒子的聚集吸湿凝结增长，导致浓雾和重度霾天气。因此，对于长时间雾霾过程，应该注意分析不同阶段的主要特征。另外，大雾期间，近地面大气辐合线的存在，是大雾增强和可能产生团雾的因素，需进一步深入研究。