2020年江苏泰州一次持续性雾霾过程特征和成因分析

朱丽 张庆池 王琴 刘俊

(1 江苏省泰州市气象局，泰州 225300；2 中国气象局交通气象重点开放实验室，南京 210008；3 江苏省徐州市气象局，徐州 672700)

引言

雾是指近地层空气中悬浮的无数小水滴或小冰晶造成水平能见度不足1 km的天气现象，霾是大量极细微的干尘粒等均匀地悬浮在空中，使水平能见度小于10 km的空气普遍混浊的现象[1-2]。雾和霾常在冬季相伴发生或转换[3]，且持续时间较长，影响交通出行和人类身体健康。可见，进一步加强雾、霾过程的机理研究，提高雾和霾灾害的预报、预警能力，对保障国民经济平稳运行和人民生命财产安全有着十分重要的现实意义[4]。

目前已有一些学者对雾和霾的成因做了大量的分析，研究表明适当的环流背景、稳定的大气层结、适当的湿度、风速等是雾和霾形成或加强的重要条件[5-9]。曹伟华等[10]分析2009年北京一次持续雾霾过程指出，污染物浓度是影响能见度的主要因子，但当能见度小于1 km时，能见度变化更多受相对湿度影响。廖晓农等[2]分析指出北京不同季节形成雾-霾的气象条件不同。冬季弱的冷空气﹑边界层上层的冷平流和气流过山下沉增温有利于雾霾的维持；夏季气溶胶的区域输送﹑强的对流抑制﹑大的相对湿度是雾霾产生和维持的重要原因。刘梅等[11]对2013年1月江苏持续雾霾的原因和13—14日大雾的形成机制分析指出，中高纬环流平直、地面冷高压主体偏北是雾-霾持续的有利环流背景；近地面相对湿度大于85%，偏东风小于3 m·s-1，地面辐射降温和弱冷平流有利于雾霾持续并加强。张静等[12]分析2013年12月江苏一次雾霾持续原因发现，弱冷空气加强了近地层逆温，同时有利于上游污染物向本地输送，使雾-霾持续。夏凡和李昌义[7]利用模式对山东地区25次大雾个例进行预报试验发现，能见度对相对湿度的预报误差更敏感。此外，有研究指出秸秆焚烧，城市热岛，局地的地理环境因素，也有利于雾和霾的形成或加强[13-18]。

尽管关于雾和雾霾的预报已经有了一定的研究基础，但影响雾霾的因子较多，不同因子对雾-霾的形成影响程度不同，当形成雾或雾霾的动力、热力条件配合的不好时，预报具有一定的难度。江苏泰州地处长江中下游，地势平坦，水网密布，秋冬季雾或雾-霾频发[19-20]。目前关于泰州地区雾或雾-霾的分析较少，因此本文选取了工作中一次具有预报难度的个例进行研究。2020年1月12至15日泰州地区出现了一次持续的强雾-霾过程，与一般性的雾-霾过程不同的是此次近地层逆温并不明显，但强浓雾期间最小能见度低于50 m。因此本文针对此次过程雾-霾的演变特征，大气环流形势和形成原因进行了分析总结，以提升对本地雾-霾天气的预报和预警能力。

1 资料与方法

本文采用的资料主要包括NCEP 1°×1°逐6 h的全球再分析资料，江苏省地面常规观测站逐分钟、逐10 min的能见度资料和逐小时的风、温、海平面气压等气象要素资料，泰州环境监测站提供的空气质量指数和环境监测资料，美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)的全球同化系统(GDAS)资料[21]等。其中GDAS资料主要用于HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory)后向轨迹模式计算气团后向轨迹的气象场资料。

2 雾霾实况分析

2020年1月12—15日白天江苏全省大部分地区都经历了一次持续时间较长的雾-霾天气过程，此次过程一个明显的特点是雾和霾现象交替。泰州地区12日早晨、12日夜里至13日早晨、13日夜里至14日早晨均出现了大雾天气(图1)，其中12日夜里至13日早晨出现了强浓雾天气，持续时间长达18 h。分析泰州市5个观测站能见度的逐日最小能见度(图2)可见，12日泰州站的能见度最低，达48 m，出现在22：27。13日早晨，全市大部分地区能见度在50 m以下，泰州站仅37 m，兴化站38 m，姜堰站34 m。14日凌晨，泰州市能见度较13日有所升高，但依旧小于1000 m，局部小于500 m，最低能见度出现在泰州站，为377 m，出现时间为00：33。15日早晨泰州市能见度均在1000 m以上，兴化站能见度最低，为1143 m。白天，随着气温升高，相对湿度减小，大雾消散，全市大气混浊，雾过程转为霾过程，12—14日霾过程期间能见度在2 km以内，15日傍晚霾消散。

图1 2020年1月12—15日泰州站逐10 min最小能见度

图2 2020年1月12日(a),13日(b),14日(c),15日(d)江苏省最小能见度

分析泰州市2020年1月11—15日的城市空气质量指数(AQI，Air Quality Index)、PM2.5和PM10浓度的逐时演变特征(图3)可见，空气质量指数随时间总体呈现先上升，然后维持，最后下降的特征，期间具有多个峰值。11日白天泰州市的空气质量指数逐渐上升，至18：00全市开始出现轻度污染。12—14日白天为此次污染过程的主要影响时段，期间空气质量指数演变具有一定的日变化特征，即白天空气质量指数呈现上升趋势，傍晚至次日清晨呈下降趋势，白天空气质量指数大于夜晚，部分时刻达到重度污染，其中13日16：00为此次过程中污染程度最严重的时刻，空气质量指数达258。15日10：00后空气质量指数逐渐递减，至18：00空气质量再次达优，一次污染过程结束。

图3 2020年1月12—15日泰州市AQI、PM2.5和PM10质量浓度逐时变化

分析环境站监测的污染物质量浓度演变特征可见，此次过程主要污染物为PM2.5和PM10。分指数计算结果表明，PM2.5为首要污染物。PM10与PM2.5的演变规律较为一致，11—12日白天开始上升，12日夜里至14日两者的质量浓度维持一个较高水平，15日逐渐下降至正常水平。PM2.5和PM10浓度的演变规律说明，此次的污染气团中同时存在PM2.5和PM10，且气团稳定少动。

综合能见度、空气质量指数、PM2.5和PM10浓度的演变特征分析可见，2020年1月12—15日为一次典型的雾-霾过程，且该次过程具有阶段性特征[10]。由雾转为霾后，PM2.5和PM10浓度、空气质量指数均呈现上升趋势，一般在18：00前后达到一天的最大值；由霾转为雾后，PM2.5和PM10浓度、空气质量指数呈现逐渐下降的趋势。霾期间的PM2.5和PM10浓度、空气质量指数相较于雾期间略高一些，这与大雾期间造成的湿沉降有一定关系[22-23]。

3 成因分析

3.1 环流背景分析

从500 hPa环流形势来看，2020年1月9—11日泰州市多受中纬度锋区上的偏西气流影响，锋区上多短波活动，故多阴雨天气，这为雾-霾的出现提供了较好的基础湿度。12日08：00(图4a)亚州上空高纬度地区为稳定的两槽一脊，脊位于贝加尔湖地区，槽位于西西伯利亚和鄂霍茨克海至我国东北一带，鄂霍茨克海地区的槽未来将影响我市。中纬度地区为一长波槽脊，我市主要受长波槽后西北气流控制。受高纬度地区脊前槽后冷平流的影响，鄂霍茨克海一带的槽向南加深。至13日08：00(图4b)，贝加尔湖处的脊已位于蒙古东部至我国东北北部一带，鄂霍茨克海处的槽则压在我国东北东部至华北北部，呈东北西南走向。脊处冷平流，未来脊将减弱南退，槽处无明显温度平流。至14日08：00(图4c)，贝加尔湖脊崩溃，鄂霍茨克海槽底部与中纬度长波槽相接，槽向南加深至山东半岛一带。南北槽相接，加大了槽的经向度，有利于引导高纬度冷空气南下。由于我市主要受槽底影响，故冷空气对我市的影响偏弱。至15日08：00(图4d)，槽已移至日本海一带，我市转受短波槽影响。

图4 2020年1月12日(a),13日(b),14日(c),15日(d)08:00 500 hPa风场(矢量，单位：m·s-1)，位势高度场(黑色等值线，单位：dagpm)，温度场(红色等值线，单位：℃)

从地面形势图上看，12日08：00(图5a)阿尔泰山至萨彦岭一带有冷空气堆积，形成冷高压，冷高压前部不断有弱冷空气向东北、华北地区扩散。华北至江淮一带主要受均压场控制，不利于本地污染物的扩散。结合全国空气质量指数分布图来看，此时重污染区主要集中在华北西部和黄淮西部，江苏地区为轻度污染(图6a)。至13日20：00(图5b)，阿尔泰至萨彦岭一带的冷高压已分裂为两个中心，中心位于内蒙古河套地区的冷高压前沿压在华北南部，未来将影响我省。此时污染物仍主要集中在华北西部、黄淮、江淮地区和江南北部地区，污染程度均加重，大部分地区达重度污染和严重污染(图6b)。大气重污染区呈带状分布，基本与地面冷锋前部均压区相对应，这与程念亮等(2013)[24]研究结论一致。尽管此时有弱冷空气向南渗透，但由于冷空气势力弱，风速小，不利于北方的污染气团过境，导致霾过程持续[25]。14日14：00(图5c)冷锋压在长江一带，我市基本位于冷锋后。黄淮和江淮地区污染程度减轻，转为轻度污染，重污染地区集中在江苏长江以南(图6c)。对应泰州市空气质量演变图上，此时我市空气污染指数明显下降。这主要是由于此次过程期间，污染物聚集在锋前，冷锋过境后，污染气团随之过境。此外冷锋过境伴随较强的偏北风，空气扩散条件转好，有利于本地污染物的扩散。15日08：00(图5d)泰州市位于高压底部，受弱冷空气影响，全市降温5～6 ℃。在近地面偏东风的作用下，泰州市空气质量提升，加上20：00后降水的湿清除作用[26]，全市霾过程结束，江苏东部沿海一带空气质量基本上介于优良之间(图6d)。

图5 2020年1月12日08：00(a),13日20：00(b),14日14：00(c)和15日08：00(d)海平面风场(矢量，单位：m·s-1)，气压场(等值线，单位：hPa)

图6 2020年1月12日08：00(a),13日20：00(b),14日14：00(c),15日20：00(d)AQI(Air Quality Index)空间分布(AQI：101～150为轻度污染，151～200为中度污染，201～300为重度污染，301～500为严重污染)

综合以上分析可见，此次雾-霾过程发生在一次东路冷空气来临之前。雾-霾前期华北至江淮一带长时间受冷高压前的均压场控制，使得污染物在华北至江淮一带积累。由于江苏一带缺乏短波槽引导高纬度锋区上的槽南下，泰州地区长期受均压场控制，这为本地雾-霾的形成提供了有利的天气形势。

3.2 气象要素分析

雾和霾主要集中在边界层内，因此850 hPa以下的温度场、湿度场、风场特征对雾和霾的发生、发展极为重要[27]。分析12—15日的2 m相对湿度(图7a)发现，12日03：00—12：00，12日18：00至13日14：00，13日19：00至14日09：00泰州站的相对湿度均在90%以上，15日早晨仅个别时刻相对湿度大于90%，这与大雾出现时段基本对应。大雾消散后，除14和15日中午前后外，泰州站的相对湿度仍可达80%以上。温度露点差与相对湿度呈现较好的反相关关系，大雾出现时段，温度露点差在0.5 ℃以内。从10 m风场上可以看出(图7b)，风速具有一定的日变化，白天风速大于夜间。此外，大雾出现时段风速均在1 m·s-1以内，风向以西到西北风居多，其中13日全天的风速均在1 m·s-1以内。15日之后，风速增大，最大可达4 m·s-1左右，风向以东到东南风为主。东到东南风来自海洋，有利于从海洋输送清洁大气，并将江苏的污染物向下游输送。从地面气压的逐时演变图来看(图7c)，12、13日海平面气压有一定的日变化特征，14日海平面气压在日变化的基础上叠加有升高的趋势，这说明此时有冷空气慢慢向我市渗透，冷空气强度较弱。14日20：00至15日10：00海平面气压达到最大值并持续，这段时间与冷锋过境相对应，冷锋后的冷高压过境后，气压明显下降。18：00起受弱天气系统影响产生降水，海平面气压较为平稳。

图7 2020年1月12—15日泰州站气象要素变化：(a)2 m相对湿度和温度露点差,(b)10 m风速和风向,(c)海平面气压和逐小时降水量

从泰州站2 m～1000 hPa温差随时间的变化(图8a)可以看出，大雾期间泰州市2 m～1000 hPa无逆温，但温差在1 ℃以内；霾过程期间2 m～1000 hPa温差达2 ℃左右。从泰州站边界层温度的时间演变(图8b)看，12日14：00至13日08：00，925至800 hPa之间存在弱逆温或等温的温度层结分布，此时段对应雾的增强阶段，说明边界层逆温有利于雾加强。从边界层内相对湿度随时间的演变(图8c)看，12日14：00至14日20：00，925～800 hPa存在明显的湿度大值带，雾和霾过程期间，此大湿区一直维持。垂直速度随时间的演变特征上(图8d)，12—15日白天中低层垂直运动均较弱，近地层垂直运动速度近似为零，有利于稳定层结的维持。

图8 泰州站2 m～1000 hPa温差(a)，温度(b)，相对湿度(c)，垂直速度(d)随时间-高度变化

分析温度平流的垂直剖面图9可以看出，12日02：00泰州市上空700 hPa以下均为冷平流，高层冷平流强度强于低层，有利于大气稳定性减弱，故12日早晨大雾持续时间较短。13日02：00 900 hPa以上有较强的暖平流，中低层的暖平流使得大气层结稳定度增强，故13日雾和霾达到过程最强。14日02：00，受冷空气向南扩散影响，中低层均为冷平流，与13日相比大气稳定度降低，雾和霾减轻。15日02：00，大气低层有弱的暖平流，有利于稳定性的增强。但15日风速增加明显，大气扩散条件转好，未出现雾，白天随着风速增加，霾也逐渐消失。这说明风速对雾、霾的形成也具有重要作用。

图9 2020年1月12日(a),13日(b),14日(c),15日(d)02：00沿32.31°N温度平流的垂直剖面

综合以上分析可见，此次过程2 m～1000 hPa并未出现逆温，但近地层90%以上的相对湿度，925～800 hPa湿区，近地面风速维持在1 m·s-1以内，弱的垂直运动为此次大雾天气的发生提供了较好的条件。13日边界层逆温以及900 hPa以上暖平流是此次雾加强的关键因子。白天太阳辐射增强，相对湿度减小，但大于80%，近地面风速较小，大气污染物扩散条件较差，加上上游污染物的输送，故雾转为霾[28]。

3.3 气团后向轨迹特征分析

为了进一步分析此次霾过程的大气污染源特征，以泰州站(32.31 °N，119.54 °E)作为模拟的起始点，利用HYSPLIT后向轨迹模式模拟该次雾-霾事件气团的运动轨迹。由于大气污染物主要集中在低层[29]，故模拟了10—16日每天20：00位于50 m高度处气团72 h的后向运动轨迹。由图10a可见，12—14日气团主要来自东北、华北和黄淮北部地区500 m以下的高空。气团的源地正是大气的重污染地区，有利于将上游的大气污染物携带下来[30, 31]。10、11日，15、16日泰州地区大气较为清洁，气团主要由东北东部地区1000 m以上高空输送而来，且气团的运动速度也较12—14日加快。期间气团经过渤海、黄海，有利于清洁气团中的大气污染物。故10、11日，15、16日泰州地区空气质量较好。

此外，为清楚地认识霾发生期间不同高度气团的运动特征，选择50 m、500 m和1500 m 3个高度层，分别以12日20：00、13日20：00、14日20：00作为起始时间，模拟气团72 h的后向运动轨迹(图10b，c，d)[21，32]。9日20：00 1500 m高度的气团由新疆西部先下沉后上升，11日08：00到达内蒙古中部后再次下沉，经山西、河北、河南后于12日20：00影响泰州。500 m高度处的气团主要在山东、江苏一带活动最终影响泰州，该层气团的水平运动缓慢。50 m高度处的气团主要来自内蒙古中东部地区，经河北、山东到达泰州市。13和14日50 m高度处气团活动路径与12日50 m高度处气团相似，13日500 m高度处的气团与12日500 m高度处气团运动特征较为一致。这说明13日500 m以下气团稳定少动，14日50 m以下气团稳定，运动较弱，与12日影响泰州的气团几乎为同一气团。14日500 m和1500 m高度均有气团从东北中东部地区南下补充。

图10 泰州市2020年1月10—16日20：00 50 m高度(a)、1月12日(b)、13日(c)和14日(d)20：00气团72 h后向轨迹(图b、c、d中红线、蓝线、绿线分别代表50 m、500 m、1500 m高度的轨迹)

结合此时的大气污染分布可见，13日500 m以下气团源自污染较重的华北南部和黄淮地区，且稳定少动，加上此时相对湿度较高，有利于污染物的吸湿增长，加重了大气污染程度。14日50 m高度以下气团依旧停滞，但500 m高度以上有新的气团从2000 m以上的高空补充，且气团运动较之前加快，一定程度上有利于污染物的扩散，但由于近地层气团的停滞，该天依旧达到了中度污染级别。500 m和1500 m以上有清洁气团向下补充是此次霾污染过程结束的重要原因之一，此时正好对应冷空气扰动的下传，这与花丛等(2017)[29]利用风廓线雷达资料研究北京雾-霾扩散条件所得出的结论一致。

4 结论与讨论

2020年1月12—15日发生在江苏泰州的这次雾-霾过程影响时间较长，期间雾-霾现象交替。分析此次雾-霾过程的演变特征和形成原因可以发现：

(1)此次雾-霾过程具有日变化特征。霾期间的PM2.5和PM10浓度、空气质量指数相较于雾期间略高一些，这与大雾造成的湿沉降有一定关系。

(2)500 hPa槽或冷涡在120°E以东，且本地无明显短波槽引导冷空气南下时，易造成冷空气强度较弱，最终导致污染物在本地聚集。

(3)夜间至清晨90%以上的相对湿度，1 m·s-1以内的小风速，弱的垂直交换为雾的形成提供了较好的热、动力条件。太阳辐射增强后，相对湿度减弱为80%，近地面风速在2 m·s-1以内，加上上游污染物的输送，我市出现了霾天气。过程期间2 m～1000 hPa未出现明显逆温。13日900 hPa以上暖平流增强，边界层内出现逆温和90%以上的大湿区，故该天雾和霾均加强至最强。

(4)分析气团的后向轨迹特征发现，霾天气期间500 m以下气团稳定少动。14日20:00有新的气团从2000 m以上的高空补充，是14日傍晚霾减轻的原因之一。

对于预报员而言，当本地受东路弱冷空气影响时，需要关注上游是否有大量的污染物聚集。尽管有时未出现近地层逆温，但当近地层出现高相对湿度，弱风场交换时，易造成持续的雾-霾天气。此外，本次结论为一次过程的分析结果，在今后的工作中需要有更多的个例被分析，以总结出本地雾-霾预报的一般性指标。