周之栩

(湖州市氣象局，浙江 湖州 313005)

浙北地區(qū)一次冷空氣過程中的灰霾天氣過程分析

周之栩

(湖州市氣象局，浙江 湖州 313005)

利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、中尺度自動(dòng)站資料、探空站資料和空氣污染資料，對(duì)2014年1月3-4日浙北地區(qū)的一次大范圍灰霾天氣過程進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明：冷空氣南下和中層高度的干燥暖舌影響，是這次灰霾天氣過程的天氣背景；冷空氣受到700 hPa干暖舌的抑制作用，侵入700 hPa以上高度的速度緩慢，導(dǎo)致地面雖然有較大風(fēng)速，但在中層形成的逆溫結(jié)構(gòu)，使得這次灰霾天氣過程能夠維持；發(fā)生霾時(shí)的混合層高度比輕霧高，大氣混合層高度的變化對(duì)霾的發(fā)展變化有較好的指示作用，可為霾的預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

霾;逆溫層;混合層高度

0 引 言

灰霾在大氣科學(xué)名詞被定義為：懸浮在空中肉眼無法分辨的大量微粒，使水平能見度小于10 km的天氣現(xiàn)象[1]?；姻膊粌H使大氣能見度下降，影響交通安全，而且對(duì)人體健康也有極大的影響。近年來, 隨著工業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，人類活動(dòng)向大氣中排放的污染物大量增加, 導(dǎo)致都市灰霾天氣急劇增多，灰霾問題也越來越引起各國(guó)政府和公眾的廣泛關(guān)注。近年來由于觀測(cè)手段的豐富和觀測(cè)技術(shù)的提高，很多學(xué)者通過不同的途徑對(duì)灰霾天氣作了分析研究。如吳兌等研究了珠三角地區(qū)大氣灰霾導(dǎo)致能見度下降的問題[2]；胡榮章等在化學(xué)成分分析的基礎(chǔ)上，利用灰霾與能見度的關(guān)系，數(shù)值模擬了南京地區(qū)能見度分布及灰霾天氣現(xiàn)象[3]；劉愛君等對(duì)廣州灰霾天氣的氣候特征進(jìn)行了分析[4]；童堯青等利用南京及其郊區(qū)氣象站的觀測(cè)資料，研究了南京地區(qū)霾天氣的氣象要素特征，并對(duì)其成因進(jìn)行了分析[5]；魏秀蘭等對(duì)魯西南霾天氣個(gè)例進(jìn)行了分析,上述研究加深了人們對(duì)霾的認(rèn)識(shí)[6]，研究[7-9]發(fā)現(xiàn), 灰霾往往出現(xiàn)在地面風(fēng)速較小的情況下，在受到冷空氣影響后, 隨著地面風(fēng)速的增大,大氣水平擴(kuò)散能力增強(qiáng), 灰霾天氣過程往往也隨之結(jié)束。2013年1月3—4日, 浙江省北部地區(qū)(杭州、嘉興、湖州,以下簡(jiǎn)稱浙北地區(qū))出現(xiàn)了一次大范圍灰霾天氣過程，3日下午, 冷空氣開始影響浙北地區(qū)，風(fēng)力加大，出現(xiàn)灰霾天氣的區(qū)域范圍隨冷空氣的影響發(fā)生變化,但出現(xiàn)灰霾天氣的站點(diǎn)數(shù)量仍然較多,在較大風(fēng)速情況下仍然有多個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)了灰霾天氣；同時(shí)在整個(gè)冷空氣影響過程中，出現(xiàn)灰霾天氣的站點(diǎn)數(shù)量基本沒有明顯的減少，這是本次天氣過程值得研究的地方。本文對(duì)這次灰霾天氣過程進(jìn)行了分析, 試圖探討本次過程的成因，希望為霾的預(yù)報(bào)提供一些參考依據(jù)。

1 霾天氣過程概述

1.1 霾和空氣污染監(jiān)測(cè)分析

2014年1月3日浙北地區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍霾天氣過程。3日08:00,浙北地區(qū)除5站為輕霧外，其余13站都為霾天氣。之后，隨著日間氣溫上升和人類活動(dòng)增多，輕霧逐漸消散，而霾開始增多。到了3日10:00，浙北地區(qū)全境已被霾影響，其中嘉興全境出現(xiàn)了能見度小于3 km的中度霾；3日14:00左右，冷空氣開始影響浙北地區(qū)，風(fēng)力增大，浙北地區(qū)能見度有所好轉(zhuǎn)，但全境的霾站個(gè)數(shù)沒有減少，這種情況持續(xù)到4日17:00，4月18:00起嘉興東部平湖、海鹽兩站轉(zhuǎn)為輕霧，其余仍為霾天氣，以后隨著氣溫降低，空氣濕度增大，至4日23:00全境轉(zhuǎn)為輕霧。

導(dǎo)致霾天氣的是大氣中的氣溶膠顆粒，因此霾的形成與污染物排放密切相關(guān)。根據(jù)浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平臺(tái)1月3—4日發(fā)布的杭嘉湖城市每日空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，杭州和嘉興的空氣污染指數(shù)均在150～250之間, 屬中度或重度污染，湖州的空氣污染指數(shù)達(dá)200～260之間，屬于重度或嚴(yán)重污染，3地的首要污染物均為可吸入顆粒物PM2.5。從影響范圍和影響時(shí)間上看, 是2013—2014年冬季浙江省最嚴(yán)重的灰霾天氣過程之一。

1.2 天氣背景

從1月3日08:00時(shí)500 hPa天氣圖(圖1)上可以看到,在東北至山東有一大槽維持，同時(shí)在在112°E附近有一短波槽活動(dòng)，浙江處于槽前的西南偏西氣流控制；700 hPa高空槽在115°E附近，浙江受偏西氣流影響，配合溫度場(chǎng)來看, 在云貴高原以東存在一個(gè)暖中心, 有一條干燥的暖舌從暖中心延伸到浙北地區(qū)；在850 hPa圖上, 我國(guó)中東部地區(qū)均為溫度脊控制，高空槽由東北穿過江蘇直至安徽并逐漸東移南壓，地面圖上位于我國(guó)北方的弱冷空氣前鋒到達(dá)東北、內(nèi)蒙古一線，我國(guó)中東部地區(qū)為均壓場(chǎng)或弱高壓控制，氣壓梯度小，水平風(fēng)速弱，不利于污染物的水平擴(kuò)散，天氣形勢(shì)有利于大范圍灰霾發(fā)生。

圖1 2014年1月3日08時(shí)500 hPa環(huán)流圖

3日下午16:00左右，冷空氣開始影響浙北地區(qū)，4日08:00, 500hPa圖上，浙北地區(qū)仍為偏西風(fēng)控制，850 hPa和700 hPa天氣圖上，浙北已轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，但700hPa的干暖舌仍然存在，暖平流不斷向浙北地區(qū)輸送，這種情況一直維持到4日20:00以后；地面圖上，浙北風(fēng)力加大，部分地區(qū)的地面最大風(fēng)力達(dá)到6～7 m/s，全境霾天氣有所緩解，但霾站個(gè)數(shù)沒有減少，4日14:00以后，隨著冷空氣勢(shì)力逐漸減弱，浙北地區(qū)風(fēng)力減小，能見度重新轉(zhuǎn)差，霾又逐漸加重。

綜上所述, 本次冷空氣過程雖然使得地面風(fēng)力加大，但由于中層干暖舌的存在，使得中層始終有暖平流向浙北地區(qū)輸送，抑制了冷空氣向700 hPa以上的侵入，是這次冷空氣大范圍灰霾天氣能夠持續(xù)的重要因素。

2 灰霾天氣的氣象要素特征

2.1 地面要素特征分析

隨著現(xiàn)代觀測(cè)手段的發(fā)展，中尺度自動(dòng)站觀測(cè)的氣象要素多且時(shí)間分辨率高, 在3—4日的持續(xù)灰霾天氣過程中, 能夠連續(xù)觀測(cè)到灰霾和相關(guān)氣象要素的變化。本文以杭州、嘉興、湖州3站的氣象要素平均值來分析這次灰霾天氣過程中浙北地區(qū)地面氣象要素的變化特征。

日期時(shí)次圖2 杭嘉湖3站2014年1月3日08:00—4日20:00杭嘉湖逐時(shí)平均風(fēng)速、平均3 h變壓及平均24 h變壓曲線圖

圖2是2014年1月3日08:00到4日20:00杭嘉湖逐時(shí)平均風(fēng)速、平均3 h變壓及平均24 h變壓曲線圖。由圖可見，3日12:00之前，浙北地區(qū)的氣壓變化很小，風(fēng)力也不大，這與饒曉琴等提出的“小的風(fēng)速有利于污染物的聚集，降低大氣能見度，形成灰霾”[10]的觀點(diǎn)非常一致。3日14:00后，隨著冷空氣的逐漸南下影響浙北地區(qū)，氣壓持續(xù)增大，風(fēng)力也開始增強(qiáng)。3日20:00的3 h變壓達(dá)到2.1 hPa，24 h變壓也達(dá)到4.0 hPa, 風(fēng)速增加到6 m/s(4級(jí))，浙北地區(qū)有15個(gè)站點(diǎn)在出現(xiàn)灰霾天氣時(shí)的風(fēng)力達(dá)到3～4級(jí)；其中，湖州站8.7 m/s(5級(jí))為最大；4日2:00, 氣壓繼續(xù)增大，風(fēng)力持續(xù)上升，但仍有12個(gè)站點(diǎn)在3～4級(jí)的風(fēng)力下出現(xiàn)灰霾天氣, 以德清站(湖州)的7.6 m/s(4級(jí))最大；此后的4日2:00-17:00，浙北地區(qū)在有霾天氣影響的情況下，始終有超過9站的風(fēng)力維持在3～4級(jí)以上，在存在如此之大的地面風(fēng)速的情況下，整個(gè)浙北地區(qū)仍維持大范圍的灰霾天氣，與“冷空氣影響灰霾區(qū)域后會(huì)導(dǎo)致灰霾消散的觀點(diǎn)”[9]較不一致。

2.2 大氣層結(jié)特征分析

研究[11,12]表明，近地層出現(xiàn)逆溫，可使污染物在地面上停滯積聚，加劇空氣污染的程度， 有利于霧霾天氣的形成。從杭州市1月3日08:00、20:00及4日08:00的探空資料中可見(圖3a、3b)，3日08: 00杭州近地面存在一個(gè)逆溫層， 最高逆溫層頂較低，在925 hPa以下，有利于污染物在邊界層內(nèi)積聚，此時(shí)杭州地面為霾天氣，同時(shí)受700 hPa干暖舌影響，700～600 hPa之間也有逆溫層存在；20:00地面冷空氣已經(jīng)開始影響杭州，700 hPa已轉(zhuǎn)為偏北氣流，但受700 hPa干暖舌的抑制作用，700～600 hPa之間的逆溫層仍然維持，使得冷空氣只影響到700 hPa 以下高度，700 hPa以上高度仍以偏西南氣流為主，近地面仍有逆溫層維持，但強(qiáng)度有所減弱，大氣湍流交換和熱力對(duì)流仍然較弱，不利于污染物擴(kuò)散，因此霾持續(xù)，但強(qiáng)度有所減弱；4日08:00，冷空氣仍未侵入700 hPa 以上高空，同時(shí)600～925 hPa轉(zhuǎn)為逆溫層， 近地面層的逆溫也開始加強(qiáng)，灰霾天氣持續(xù)，強(qiáng)度加強(qiáng)。

圖3 杭州2014年1月3日0時(shí)(a)20時(shí)(b)4日08時(shí)(c)探空曲線圖

杭州的大氣層結(jié)分析表明，在這次灰霾天氣過程中，雖然近地面層的逆溫層較為淺薄，但由于冷空氣受到700 hPa 干暖舌的抑制作用，侵入700 hPa以上高度的速度緩慢，導(dǎo)致地面雖然有較大風(fēng)速，但也形成低層偏冷、中層偏暖的逆溫層結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致大范圍灰霾天氣能夠持續(xù)。

3 灰霾天氣混合層高度分析

混合層高度表征污染物在垂直方向被熱力對(duì)流與動(dòng)力湍流輸送所能達(dá)到的高度，是影響污染物擴(kuò)散的重要參數(shù)。當(dāng)混合層高度較低時(shí)，污染物在垂直方向的混合輸送受到限制，易造成較高濃度的污染。計(jì)算混合層高度常用方法為羅氏法，它是Nozaki 等人1973年提出的一種利用地面氣象資料估算混合層高度的方法[13]。計(jì)算公式如下：

(1)

(1)式中，h為混合層高度，T-Td為溫度露點(diǎn)差，P為Pasquill穩(wěn)定度級(jí)別[14]，Uz為高度Z處的平均風(fēng)速，Z0為地表粗糙度，f為地轉(zhuǎn)參數(shù)。圖4是應(yīng)用羅氏法計(jì)算的杭州、嘉興、湖州3站2014年1月3日08時(shí)到4日20時(shí)的混合層高度變化圖。

圖4 杭嘉湖3站2014年1月3日08時(shí)—4日20時(shí)混合層變化圖

如圖4可見，3日8:00杭州、湖州的混合層高度在1 km左右，兩站為霾天氣(參見圖3a，杭州925 hPa以下有一逆溫層，有利于污染物在邊界層內(nèi)積聚)，嘉興的混合層高度在500 m左右，為輕霧控制；隨后3站的混合層高度逐步抬高，隨著水汽、污染物向上擴(kuò)散稀釋，嘉興的輕霧也逐漸轉(zhuǎn)為霾天氣；3日14:00左右，近地面開始受到冷空氣的影響, 但混合層高度變化不大，基本維持在1.5～2.0 km之間，整個(gè)浙北地區(qū)仍為霾天氣影響；3日20:00至4日14:00，3站的混合層高度基本維持在1.0～1.5 km，浙北地區(qū)能見度有所好轉(zhuǎn)，但全境的霾站個(gè)數(shù)沒有減少(參見圖3b、3c，雖然地面冷空氣已經(jīng)開始影響浙北地區(qū)，但受700 hPa干暖舌的抑制作用，700～600 hPa之間的逆溫層始終存在，對(duì)混合層的維持非常有利)；4日14:00以后，隨著地面風(fēng)力的逐漸減小，3站的混合層高度也是逐步降低，地面能見度也出現(xiàn)了同步的下降，至4日19—20時(shí)，當(dāng)湖州、嘉興的混合層高度達(dá)到500 m左右時(shí)，兩站又轉(zhuǎn)為了輕霧天氣，當(dāng)混合層高度降低時(shí)，有利于低層水汽積聚, 促進(jìn)霧的形成和發(fā)展。

4 結(jié) 語

1)冷空氣南下和中低層的干燥暖舌影響，是這次灰霾天氣過程發(fā)生的天氣形勢(shì)背景。

2)冷空氣受到700 hPa干暖舌的抑制，侵入700 hPa以上高度的速度緩慢，雖然地面有較大

風(fēng)速，但在中層形成的逆溫結(jié)構(gòu)，有效地阻止污染物的垂直輸送，使大氣中的顆粒物在混合層內(nèi)堆積，導(dǎo)致了大范圍的灰霾天氣過程出現(xiàn)、維持。

3)發(fā)生霾時(shí)的混合層高度比輕霧高，大氣混合層高度的變化對(duì)霾的發(fā)展變化有較好的指示作用，可為霾的預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)；同時(shí)當(dāng)混合層高度低于500 m時(shí)，霾天氣是否就容易轉(zhuǎn)為霧天及混合層高度超過2 km時(shí)，是否霾天氣就逐步消失，都值得我們進(jìn)一步探討分析。

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2014-06-30