吳 蒙,范紹佳*,吳 兌,2

(1.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510275；2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東 廣州 510080)

臺風(fēng)是發(fā)生在熱帶洋面上的一種強烈的暖性氣旋性渦旋,在臺風(fēng)前進(jìn)方向和前進(jìn)方向的側(cè)緣往往伴隨著明顯的、強烈的下沉氣流.當(dāng)臺風(fēng)逐漸接近陸地時,大范圍的下沉氣流會在陸地形成高壓均壓場.這種穩(wěn)定性的大氣結(jié)構(gòu)非常有利于污染物的積累,從而造成能見度惡化和空氣質(zhì)量下降,乃至出現(xiàn)灰霾天氣.灰霾天氣作為一種越來越引起人們關(guān)注的災(zāi)害性天氣,通常將之定義為由非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成的水平能見度小于 10km的視程障礙現(xiàn)象[1-2].

廣州位于珠江三角洲核心,是我國經(jīng)濟(jì)最活躍的前沿地區(qū)之一.珠江三角洲北靠南嶺,南面南海,特殊的地理環(huán)境使廣州常常受到臺風(fēng)過程的影響,臺風(fēng)臨近除了帶來高溫外,往往還會引起灰霾天氣.目前關(guān)于灰霾天氣氣象條件的研究已經(jīng)開展了許多卓有成效的工作,研究表明,城市地區(qū)污染物的排放和城市群之間的相互作用是灰霾天氣發(fā)生的重要因子[3-7],氣象條件是灰霾天氣出現(xiàn)與否的決定性控制條件[8-12].近地層輸送條件即地面流場與大氣污染物的擴(kuò)散稀釋密切相關(guān)[13-19].在廣州地區(qū),濕季出現(xiàn)的灰霾天氣多數(shù)與臺風(fēng)的影響密不可分,其中,登陸前中心位于粵東及福建以東海域的臺風(fēng)對珠江三角洲空氣質(zhì)量影響最為顯著[20-22],臺風(fēng)外圍下沉氣流會在珠江三角洲地區(qū)形成氣流停滯區(qū)和下沉逆溫,這些都會造成污染物的堆積[23-25].本文利用2006年7月的珠江三角洲邊界層觀測實驗得到的探空資料和珠江三角洲9個地面氣象站的地面觀測資料,探討了臺風(fēng)過程對廣州空氣質(zhì)量的影響,重點分析了臺風(fēng)影響下出現(xiàn)灰霾天氣時的邊界層特征.

1 資料與方法

2006年珠江三角洲邊界層觀測時間為7月7～13日和17～26日,觀測地點分別位于代表珠江三角洲邊緣的清遠(yuǎn)氣象局(簡稱清遠(yuǎn))、代表城市群的廣州市番禺區(qū)氣象局(簡稱番禺)和代表珠江口海岸的廣州南沙區(qū)萬傾沙鎮(zhèn)新墾(簡稱新墾).從濕季主導(dǎo)風(fēng)向來看,清遠(yuǎn)位于城市群下風(fēng)向,番禺處于城市群中心,新墾位于城市群上風(fēng)向,觀測點位置見圖1.

清遠(yuǎn)觀測點每天在北京時間07:00和19:00開展常規(guī)探空,采集間隔為 100m 的垂直風(fēng)溫資料.番禺和新墾觀測點均采用雙經(jīng)緯儀小球測風(fēng),經(jīng)緯儀在觀測前后都經(jīng)過了標(biāo)定;探空儀為北京大學(xué)地球物理系工廠生產(chǎn)的溫度單要素探空儀,探空儀在出廠前都經(jīng)過了嚴(yán)格的標(biāo)定.一般情況下,番禺和新墾觀測點在06:00,07:00,08:00,10:00,14:00,18:00,20:00和23:00會同步進(jìn)行7次觀測,其他時刻根據(jù)天氣條件和觀測需要也會添加加密觀測.其中,18～24日開展了加密觀測,新墾番禺均在正常觀測時次的基礎(chǔ)上增加了02:00、17:00和 19:00三個觀測時次.在觀測時,探空氣球升速約為100m/min,測風(fēng)讀數(shù)間隔為30s,溫度探空數(shù)據(jù)采集間隔為 5s,采用矢量法計算氣球高度和風(fēng)速、風(fēng)向.在分析中,將小球探空的風(fēng)場資料處理到50m的分辨率,溫度資料處理到10m的分辨率.

圖1 2006年7月珠江三角洲大氣邊界層觀測布點示意Fig.1 Map of the observation stations during PRD ABL experiment in July 2006

資料處理時,采用干絕熱曲線法結(jié)合清遠(yuǎn)觀測點早晨8:00的溫度探空曲線來計算得到清遠(yuǎn)觀測點在觀測期間逐日的最大混合層高度.其中,最大混合層高度是指日間混合層厚度的最大值,它能夠表征污染物在鉛直方向稀釋、擴(kuò)散的最大范圍,是空氣污染潛勢預(yù)報的重要參數(shù).

參考吳兌等[1-2,11]的劃分標(biāo)準(zhǔn),定義灰霾天氣為日平均能見度小于 10km,同時日平均相對濕度小于 90%的事件.相應(yīng)的,能見度越低,空氣質(zhì)量越差,灰霾越嚴(yán)重.圖2為2006年7月廣州地區(qū)能見度和風(fēng)速隨時間變化情況.由圖2可見,在2006年7月廣州地區(qū)空氣質(zhì)量較好,能見度整體較高,只在16日和26日出現(xiàn)能見度小于10km的灰霾天氣,12日能見度也相對較低.在觀測期間,能見度較好時主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng),并且風(fēng)速較大;而能見度惡化的12日、16日和23～26日,主導(dǎo)風(fēng)向不明顯,風(fēng)向擺動十分劇烈,風(fēng)速也相對較小.根據(jù)臺風(fēng)資料,7月14日午后臺風(fēng)“碧利斯”在福建寧德登陸,7月25日下午臺風(fēng)“格美”在福建晉江登陸,結(jié)合圖2(a)可知,在臺風(fēng)過程中,珠江三角洲能見度均出現(xiàn)了不同程度的下降,甚至出現(xiàn)了灰霾天氣.

圖2 2006年7月廣州能見度及風(fēng)速隨時間變化Fig.2 Time series of visibility and wind during 1-31 July 2006 at Guangzhou station

臺風(fēng)“碧利斯”和“格美”都屬于典型的登陸前中心位于粵東及福建以東海域的臺風(fēng),其前進(jìn)方向西側(cè)的下沉氣流會對珠江三角洲產(chǎn)生了顯著的影響,進(jìn)而強烈影響到了廣州地區(qū)的空氣質(zhì)量.其中“格美”登陸地點較為靠近珠江三角洲,同時持續(xù)時間也更久,下文將對臺風(fēng)“格美”影響期間(2006年7月23～26日)珠江三角洲的邊界層特征進(jìn)行詳細(xì)的分析.

2 結(jié)果分析

2.1 天氣條件

圖3為2006年7月23～26日東亞地面天氣情況,臺風(fēng)“格美”于7月23日進(jìn)入我國沿海24h警戒區(qū),臺風(fēng)此時位于菲律賓以東洋面,副熱帶高壓位于小笠原群島附近海域,在臺風(fēng)西側(cè)下沉氣流的影響下,我國長江以南地區(qū)被大范圍均壓場所控制;24日“格美”進(jìn)一步靠近我國沿海,均壓場也進(jìn)一步北移,同時依然控制著華南大部分地區(qū);7月25日下午臺風(fēng)在福建晉江市登陸,并在26日減弱為熱帶低壓,副熱帶高壓發(fā)展到琉球群島以東海域.

圖4為2006年7月23～26日珠江三角洲地區(qū)地面風(fēng)場變化情況,可以看出,23日珠江三角洲南部主要為東風(fēng),北部則主要為西風(fēng),在兩股方向幾乎相反的氣流影響下,珠江三角洲中部被靜小風(fēng)控制;24日隨著臺風(fēng)的進(jìn)一步臨近,珠江三角洲西部轉(zhuǎn)為較強西北風(fēng),東部地區(qū)則主導(dǎo)風(fēng)向不明顯,并且大部分區(qū)域風(fēng)速小于 1m/s;25日珠江三角洲西部和中部地區(qū)被偏南風(fēng)和偏北風(fēng)分別控制,同時在番禺附近出現(xiàn)風(fēng)輻合區(qū),東部風(fēng)速依然較小,但是靜小風(fēng)區(qū)域也有所縮小;26日臺風(fēng)登陸后,整個珠江三角洲風(fēng)速迅速增大,大部分地區(qū)在 3m/s以上,風(fēng)向也較為一致,均為西南風(fēng).結(jié)合圖3可以看出,7月23～26日珠江三角洲地面風(fēng)場的變化情況與臺風(fēng)“格美”的位置變化是一致的.

圖3 2006年7月23～26日地面天氣變化Fig.3 Weather maps during 23-26 July 2006

圖4 2006年7月23～26日02:00珠江三角洲地面風(fēng)場Fig.4 Wind fields at 02:00over PRD during 23-26 July 2006

通過以上分析可知,當(dāng)臺風(fēng)從粵東至福建沿海登陸我國時,臺風(fēng)西側(cè)強烈的下沉運動會使得珠江三角洲被均壓場所控制,地面水平風(fēng)速較小,往往表現(xiàn)為靜小風(fēng),在區(qū)域內(nèi)污染物難以擴(kuò)散.而臺風(fēng)登陸后,臺風(fēng)環(huán)流上升運動伴隨著大風(fēng)降水能夠迅速的清除大氣污染物.

2.2 垂直風(fēng)場特征

圖5為2006年7月23～26日新墾觀測點的風(fēng)廓線變化情況.從圖5可見,在臺風(fēng)登陸前新墾風(fēng)廓線在高度500m和1000m處存在明顯的風(fēng)切變區(qū),從而將整個風(fēng)廓線分隔為3層結(jié)構(gòu),不同層次白天和夜間的風(fēng)速風(fēng)向有著顯著的差異.23日的風(fēng)廓線低層(500m以下)存在明顯的海陸風(fēng)環(huán)流,白天陸風(fēng)與系統(tǒng)風(fēng)相抵消使得低層風(fēng)速非常小,底層小風(fēng)持續(xù)到 14:00左右;隨著陸地持續(xù)加熱,23日17:00起海風(fēng)逐漸增強,西南風(fēng)逐漸較大,海風(fēng)的影響高度在23:00達(dá)到最大高度500m左右;23日06:00中層(500～1000m)在海風(fēng)回流作用下,風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),17:00在陸風(fēng)回流的作用下風(fēng)向開始逐漸轉(zhuǎn)換為東北風(fēng);在1000m以上的高層,受海陸風(fēng)局地環(huán)流影響較小,主要為較強偏東風(fēng).

24日新墾低層主要為西北風(fēng)并且一直持續(xù)到20:00,風(fēng)速也較小,中層06:00～14:00時主要為北風(fēng),17:00起則逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng),風(fēng)速也逐漸增大;高層風(fēng)向 14:00起由東風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng).25日臺風(fēng)逐漸臨近附近沿海,風(fēng)的三層垂直結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞,整個邊界層內(nèi)風(fēng)向主要是北風(fēng)和西北風(fēng),在下午18:00臺風(fēng)登陸后風(fēng)速迅速增大并轉(zhuǎn)為西北偏西風(fēng),大風(fēng)一直持續(xù)到26日.其中,從24日起隨著風(fēng)場的轉(zhuǎn)變海陸風(fēng)等局地環(huán)流已難以再分辨出.

圖5 2006年7月23～26日新墾觀測點風(fēng)廓線Fig.5 Wind profiles at Xinken station during 23-26 July 2006

圖6為2006年7月23～26日新墾觀測點每個觀測時刻氣球軌跡變化情況.從氣球軌跡上可以看出,23日新墾06:00,07:00,08:00氣球軌跡比較平直,沒有出現(xiàn)風(fēng)向的反轉(zhuǎn),17:00,18:00,19:00,20:00有著顯著的上下兩層相反的氣流,存在明顯的海陸風(fēng)環(huán)流;24日氣球在低層向東漂移,高層則逐漸往南偏;25日隨著臺風(fēng)逐漸臨近陸地,不同時刻氣球漂移軌跡呈現(xiàn)逆時針旋轉(zhuǎn),18:00以后氣球軌跡十分平直,說明風(fēng)向隨高度幾乎沒有劇烈擺動;26日風(fēng)速較大,風(fēng)向穩(wěn)定,氣球軌跡向東南方向漂移,漂移距離較遠(yuǎn).總之,當(dāng)新墾受到海陸風(fēng)影響時,不同觀測時刻的氣球軌跡之間會出現(xiàn)順時針的偏轉(zhuǎn),這與海陸風(fēng)的理論研究是一致的;而隨著臺風(fēng)影響的加強,不同觀測時刻之間的氣球軌跡會出現(xiàn)逆時針的偏轉(zhuǎn),這是由于臺風(fēng)是一個逆時針旋轉(zhuǎn)的渦旋.

圖6 2006年7月23～26日新墾觀測點氣球軌跡Fig.6 Balloons trajectory at Xinken station during 23-26 July 2006

綜合以上分析可知,在臺風(fēng)登陸前,垂直風(fēng)場的存現(xiàn)明顯的 3層結(jié)構(gòu),不同層次隨時間均會有風(fēng)向的轉(zhuǎn)變;受臺風(fēng)外圍下沉氣流影響,新墾800m 以下存在明顯的靜小風(fēng)層,而且海陸風(fēng)活動明顯;隨著臺風(fēng)逐漸臨近陸地,主導(dǎo)風(fēng)向會逐漸偏轉(zhuǎn),但是風(fēng)速依然較小.靜小風(fēng)的存在使得擴(kuò)散條件較差,不利于污染物的擴(kuò)散,風(fēng)切變在陸風(fēng)向海風(fēng)轉(zhuǎn)換期間出現(xiàn),增加了靜小風(fēng)的出現(xiàn)頻率,使得污染物進(jìn)一步堆積.陸風(fēng)與系統(tǒng)風(fēng)相抵消進(jìn)一步惡化了擴(kuò)散條件,而且海風(fēng)在深入陸地后會大幅減弱,有可能將其他地區(qū)污染物搬運至城市群而無法繼續(xù)擴(kuò)散出去.

2.3 垂直溫度特征

圖7為2006年7月23～26日清遠(yuǎn)觀測點的溫度廓線變化情況,可以看出,受下沉增溫作用,23日20時低層氣溫較高,逆溫層出現(xiàn)在200m左右;24日08:00逆溫高度在500m左右,20:00低層劇烈增溫,超絕熱現(xiàn)象明顯;25日08:00逆溫層出現(xiàn)200m高度,20:00逆溫出現(xiàn)在300m高度,26日臺風(fēng)登陸后逆溫小時,氣溫迅速下降.

在臺風(fēng)登陸前,臺風(fēng)外圍下沉氣流的絕熱加壓作用使得珠江三角洲地區(qū)空氣增溫,濕度減少.同時會在200～500m左右高度出現(xiàn)逆溫層,這種穩(wěn)定性的層結(jié)結(jié)構(gòu)非常有利于污染物的累積和增加.

圖7 2006年7月23～26日清遠(yuǎn)觀測點溫度廓線Fig.7 Temperature profiles at Qingyuan station during 23-26 July 2006

圖8 2006年7月清遠(yuǎn)觀測點最大混合層高度Fig.8 The maximum mixing layer height at Qingyuan station during 23-26 July 2006

2.4 最大混合層高度

圖8為2006年7月清遠(yuǎn)觀測點的最大混合層高度變化情況,可以看出在 15～17日和 26～27日清遠(yuǎn)最大混合層高度出現(xiàn) 2個谷值區(qū),這與能見度的谷值區(qū)恰好也是吻合的(圖 1a),也是臺風(fēng)“碧利斯”和“格美”的存在期間.受臺風(fēng)過程影響,清遠(yuǎn)最大混合層高度在 27日達(dá)到最低值,僅為300多米.在臺風(fēng)下沉氣流影響下,污染物會由高層向下輸送[24],而較低的邊界層高度阻止了近地面的水汽和污染物向高層擴(kuò)散,使之大量聚集在邊界層內(nèi),加劇了大氣污染.

3 結(jié)論

3.1 臺風(fēng)中心位于粵東及福建以東的海域的臺風(fēng)會對廣州地區(qū)空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響的,其西側(cè)的下沉氣流能夠強烈作用于珠江三角洲地區(qū).

3.2 在臺風(fēng)外圍下沉氣流影響下,珠江三角洲地區(qū)被穩(wěn)定的均壓場控制,同時地面風(fēng)場多表現(xiàn)為靜小風(fēng),污染物難以擴(kuò)散.

3.3 在臺風(fēng)過程影響下的灰霾天氣中,珠江三角洲邊界層內(nèi)風(fēng)速較小,風(fēng)向轉(zhuǎn)換頻繁,能夠分辨出清晰的海陸風(fēng),影響高度接近 500m,夜間海風(fēng)可能會將污染物輸送回城市.

3.4 在臺風(fēng)登陸前,臺風(fēng)外圍氣流下沉增溫十分顯著,逆溫層出現(xiàn)在 200～500m之間,有利于污染聚集.

3.5 在臺風(fēng)過程影響下,珠江三角洲最大混合層高度迅速降低,甚至低至 500m以下,使得污染物聚集在邊界層內(nèi),最終爆發(fā)灰霾天氣.

[1] 吳 兌.霾與霧的識別和資料分析處理 [J]. 環(huán)境化學(xué), 2008,27(3):327-330.

[2] 吳 兌.再論都市霾與霧的區(qū)別 [J]. 氣象, 2006,32(4):9215.

[3] 童堯青,銀 燕,錢 凌,等.南京地區(qū)霾天氣分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2007,27(5):584-588.

[4] 朱佳雷,王體健,邢 莉,等.江蘇省一次重霾污染天氣的特征和機(jī)理分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2011,31(12):1943-1950.

[5] 趙普生,徐曉峰,孟 偉,等.京津冀區(qū)域霾天氣特征 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2012,32(1):31-36.

[6] 段菁春,畢新慧,譚吉華,等.廣州灰霾期大氣顆粒物中多環(huán)芳烴粒徑的分布 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2006,26(1):6-10.

[7] 蔡彥楓,王體健,謝 旻,等.O3查算表的建立及其在區(qū)域空氣質(zhì)量模式中的應(yīng)用 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(7):871-878.

[8] 李穎敏,范紹佳,張人文.2008年秋季珠江三角洲污染氣象條件分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2011,31(10):1585-1591.

[9] 陳 燕,蔣維楣,郭文利,等.珠江三角洲地區(qū)城市群發(fā)展對局地大氣污染物擴(kuò)散的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2005,25(5):700-710.

[10] 鄭君瑜,張禮俊,鐘流舉.珠江三角洲大氣面源排放清單及空間分布特征 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(5):455-460.

[11] 黃 義,范紹佳.珠江三角洲城市群一次區(qū)域性污染過程氣象特征數(shù)值模擬 [J]. 中山大學(xué)研究生學(xué)刊(自然科學(xué)醫(yī)學(xué)版), 30(l):78-92.

[12] 陳訓(xùn)來,馮業(yè)榮,王安宇,等.珠江三角洲城市群灰霾天氣主要污染物的數(shù)值研究 [J]. 中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2007,46(4):103-107.

[13] 王淑蘭,張遠(yuǎn)航,鐘流舉,等.珠江三角洲城市間空氣污染的相互影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2005,25(2):133-137.

[14] Wu D, Tie X X, Deng X. Chemical characterizations of soluble aerosols in Southern China [J]. Chemosphere, 2006,64:749-757.

[15] 吳 兌,廖國蓮,鄧雪嬌,等.珠江三角洲霾天氣的近地層輸送條件研究 [J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報, 2008,19(1):1-9.

[16] 范紹佳,王安宇,樊 琦,等.珠江三角洲大氣邊界層特征及其概念模型 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2006,26(增刊):4-6.

[17] 范紹佳,王安宇,樊 琦,等.珠江三角洲大氣邊界層概念模型的建立及其應(yīng)用 [J]. 熱帶氣象學(xué)報, 2005,21(3):286-292.

[18] Ding A J, Wang T, Zhao M, et al. Simulation of sea-land breezes and a discussion of their implications on the transport of air pollution during a multi-day ozone episode in the Pearl River Delta of China[J]. Atmospheric Environment, 2004,38(39):6737-6750.

[19] 張 艷,余 琦,伏晴艷,等.長江三角洲區(qū)域輸送對上海市空氣質(zhì)量影響的特征分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(7):914-923.

[20] Feng Y R, Wang A Y, Wu D, et al. The influence of tropical cyclone Melor on PM10concentrations during an aerosol episode over the Pearl River Delta region of China: Numerical modeling versus observational analysis [J]. Atmospheric Environment,2007,41(21):4349-4365.

[21] Chen X L, Fan S J, Li J N, et al. Typical weather characteristics associated with air pollution in Hong Kong area [J]. Journal Of Tropical Meteorology, 2008,14(2):101-104.

[22] 吳 蒙,范紹佳,吳 兌,等.廣州地區(qū)灰霾與清潔天氣變化特征及影響因素分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2012,32(8):1409-1415.

[23] Wu D, Tie X X, Li C C, et al. An extremely low visibility event over the Guangzhou region: A case study [J]. Atmospheric Environment, 2005,39(35):6568-6577.

[24] Fan S J, Fan Q, Yu W, et al. Atmospheric boundary layer characteristics over the Pearl River Delta, China, during the summer of 2006: measurement and model results [J].Atmospheric Chemistry and Physics, 2011,11(13):6297-6310.

[25] 余 緯,羅栩羽,范紹佳,等.珠江三角洲一次重污染過程特征分析及數(shù)值模擬 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2011,24(6):645-653.