白龍，蘇兆達(dá)，梁岱云

（南寧市氣象局，南寧 530029）

南寧市一次中度霾天氣過程成因分析

白龍，蘇兆達(dá)，梁岱云

（南寧市氣象局，南寧 530029）

利用南寧城區(qū)地面觀測站的常規(guī)觀測數(shù)據(jù)、歐洲中期天氣預(yù)報中心ECMWF的ERA-Interim再分析資料、以及南寧全市逐日環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，對一次中等霾天氣過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明：此次霾過程主要是由地面受冷高壓控制導(dǎo)致長時間段無降水而引起的，在無有利擴(kuò)散條件的情況下，PM2.5的濃度呈線性增長趨勢，當(dāng)空氣質(zhì)量達(dá)到中度污染時，就可能出現(xiàn)霾；較弱的低層風(fēng)和近地面逆溫層都能夠加大PM2.5的堆積速度；在無降水但低層和地面風(fēng)速有一定加大的情況下，PM2.5濃度只是浮動維持在某一數(shù)值，而不是呈現(xiàn)明顯下降的趨勢；中雨及以上的降水天氣過程能夠快速地降低空氣中的PM2.5，結(jié)束霾天氣過程。

霾；AQI指數(shù)；空氣質(zhì)量

引言

霾作為一種最近幾年公眾關(guān)注度極大的天氣現(xiàn)象，也越來越受到預(yù)報員的重視［1-5］。在預(yù)報業(yè)務(wù)當(dāng)中，這兩年來氣象局不僅規(guī)范了霾天氣的預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)［6-8］，還對霾預(yù)警信號的發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重新調(diào)整，而且新增了與霾密切相關(guān)的空氣污染氣象條件預(yù)報業(yè)務(wù)。張人禾［9］等通過對2013年1月中國東部持續(xù)性強(qiáng)霧霾天氣產(chǎn)生的氣象條件分析表明：霧霾天氣區(qū)域內(nèi)的表面風(fēng)速及其上空對流層中低層的水平風(fēng)垂直切變對霧霾天氣過程具有動力影響，二者偏小（大）時霧霾天氣偏強(qiáng)（弱）；對流層中低層的層結(jié)不穩(wěn)定性以及近地面層的逆溫狀況和溫度露點(diǎn)差對霧霾天氣的演變可以產(chǎn)生熱力影響，層結(jié)不穩(wěn)定性和逆溫偏大（?。┮约皽囟嚷饵c(diǎn)差偏小（大）時霧霾天氣偏強(qiáng)（弱）。廖國蓮等［10］對近50年廣西霾的時空變化分析表明：廣西霾天氣主要發(fā)生在秋冬季，主要城市及周邊地區(qū)霾日多，除空氣污染外，近50年風(fēng)速呈下降趨勢可能導(dǎo)致更多的霾天氣。大量研究表明［11-15］，霾天氣的發(fā)生與能見度、相對濕度、風(fēng)、氣壓、等氣象要素密切相關(guān)。本文選取了南寧市一次霾天氣過程，除了利用常規(guī)的氣象資料，還結(jié)合了環(huán)保局的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)對這一過程進(jìn)行分析，總結(jié)出南寧市較為嚴(yán)重的霾天氣的發(fā)展、維持、消散三個階段的氣象特征，為更進(jìn)一步的灰霾和空氣污染氣象條件預(yù)報提供基礎(chǔ)。

1 資料和方法

本文使用的資料包括南寧城區(qū)地面觀測站的天氣現(xiàn)象、能見度、相對濕度、風(fēng)、氣壓、雨量、日照等常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，歐洲中期天氣預(yù)報中心ECMWF的ERA-Interim再分析資料，以及包含了平均PM2.5濃度、AQI指數(shù)、首要污染物、空氣質(zhì)量指數(shù)等級等要素的南寧全市逐日環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。在霾過程的分析總結(jié)中，首先結(jié)合氣象資料的霾觀測數(shù)據(jù)及環(huán)保資料的空氣質(zhì)量等級數(shù)據(jù)對整個霾天氣過程的各個發(fā)展階段進(jìn)行劃分，之后再通過對各階段的天氣形勢特征和氣象要素情況進(jìn)行分析，最終總結(jié)出可在實際預(yù)報業(yè)務(wù)上進(jìn)行使用的相關(guān)結(jié)論。

2 結(jié)果和討論

2.1 灰霾天氣過程的階段劃分

2.1.1 灰霾天氣過程定義及劃分標(biāo)準(zhǔn)

為了更細(xì)致地對灰霾天氣發(fā)展過程進(jìn)行研究，同時也便于對多個過程進(jìn)行對比分析，需要制訂一個能夠表征一次完整的灰霾天氣發(fā)展?fàn)顟B(tài)及灰霾嚴(yán)重程度的標(biāo)準(zhǔn)。

習(xí)慣上以代表地面站觀測到霾現(xiàn)象的與否作為灰霾過程的選取標(biāo)準(zhǔn)，以過程中出現(xiàn)的最低能見度作為灰霾嚴(yán)重程度的考量標(biāo)準(zhǔn)［16-17］。對于南寧市而言，這樣的標(biāo)準(zhǔn)不是很符合實際情況。首先南寧城區(qū)地面站位于主城區(qū)的邊緣的小山之上，離江邊較近且靠近植被茂盛的風(fēng)景區(qū)，所觀測到的能見度不能很好的代表大部主城區(qū)的情況。其次能見度的觀測受人為因素影響較大，且一天只有白天的三次定時觀測，難以清楚地表征連續(xù)的能見度變化情況。再者造成南寧市灰霾天氣的主要污染物為PM2.5，能見度的遠(yuǎn)近并不一定準(zhǔn)確地反映PM2.5的濃度大小。

為了更好的表征灰霾天氣過程的起止時段和嚴(yán)重程度，本文引入了南寧市全市的日平均空氣質(zhì)量指數(shù)和PM2.5濃度作為輔助參考數(shù)據(jù)。由于灰霾的出現(xiàn)主要是空氣中的固體污染物不斷累積直到達(dá)到霾觀測標(biāo)準(zhǔn)，而灰霾的消散則是污染物得到沉降或擴(kuò)散直到低于標(biāo)準(zhǔn)值［18-20］。本文將滿足出現(xiàn)人工觀測有霾天氣現(xiàn)象或首要污染物為細(xì)顆粒物（PM2.5）且空氣質(zhì)量指數(shù)等級大于等于中度污染（AQI＞150）其中之一以上條件的日子定義為霾日。而一次完整的灰霾天氣過程則定義為：兩個空氣質(zhì)量指數(shù)級別為優(yōu)或良（AQI＜=100）的不連續(xù)日之間的時段內(nèi)，如出現(xiàn)一天以上霾日，則這段時間稱為一次完整的灰霾天氣過程，該次過程的灰霾嚴(yán)重程度以最大日均PM2.5濃度表征?；姻策^程的階段劃分標(biāo)準(zhǔn)為：將過程的第一天至霾日前一天稱為前期發(fā)展階段；出現(xiàn)的第一個至最后一個霾日稱為持續(xù)影響階段；最后一個霾日的后一天至過程結(jié)束前一天稱為后期消散階段。

2.1.2 所選灰霾過程個例簡述

根據(jù)上述灰霾過程的定義，2013年11月29日空氣質(zhì)量等級為良，其后的下一個空氣質(zhì)量為優(yōu)或良的日期為2013年12月14日，而12月4日空氣質(zhì)量為中度污染，從5日到13日空氣質(zhì)量都為中度污染或重度污染并且觀測到了霾現(xiàn)象，因此定義2013年11月30日至12月13日為一次完整的灰霾天氣過程。整個過程的是否觀測到霾現(xiàn)象、日均PM2.5濃度、空氣質(zhì)量等級等情況如表一所示。過程中的較大日均PM2.5出現(xiàn)在12月7日至9日，數(shù)值分別為154μg·m-3、151μg·m-3、152μg·m-3。而這三天中的日最小能見度記錄分別為7000m、6000m和4000m。根據(jù)修訂后的霾觀測規(guī)范和預(yù)警信號標(biāo)準(zhǔn)，12月9日達(dá)到了霾黃色預(yù)警信號發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)為出現(xiàn)了中度霾，因此本次過程為一次中度霾過程。

根據(jù)上述灰霾過程各階段的劃分標(biāo)準(zhǔn)，11月30日至12月3日為此次灰霾過程的前期發(fā)展階段，12 月4日至12月13日為持續(xù)影響階段，由于13日至14日空氣質(zhì)量直接由中度污染轉(zhuǎn)為良，因此過程的灰霾消散速度較快，后期消散階段較短，不足一天。從表一可見，前期發(fā)展階段雖然未觀測到霾現(xiàn)象，但PM2.5濃度都在75μg·m-3以上，并且為逐日遞增的趨勢。到了4日，雖然在觀測記錄中尚未出現(xiàn)霾現(xiàn)象，但PM2.5濃度已達(dá)到了135μg·m-3，形成了中度污染。5日起至過程結(jié)束，雖然空氣質(zhì)量等級有所浮動，既有連續(xù)三天達(dá)重度污染，也有其中一天略有好轉(zhuǎn)為輕度污染，但都觀測到了霾現(xiàn)象，日最小能見度記錄也都低于8000m。

表1 灰霾過程相關(guān)情況

2.2 天氣形勢特征及氣象要素情況

在此次灰霾過程發(fā)生之前，南寧受多股南下冷空氣的影響，特別是11月27日的一股較強(qiáng)冷空氣造成了全市大部中雨局部大雨的降水過程 （圖1）。冷空氣引起的較大近地面風(fēng)速以及所帶來的持續(xù)性降水使得南寧市的空氣質(zhì)量一直維持在良等級。到了11月29日，冷空氣引起的降水過程趨于結(jié)束，南寧城區(qū)日降水量為0.1mm，雖然空氣質(zhì)量等級仍為良，但PM2.5濃度已比前一天有明顯上升。

圖1 2013年11月27日冷空氣過程的850hPa形勢場及南寧市降水情況

11月30日至12月3日的灰霾過程發(fā)展前期，整個廣西區(qū)域地面受冷高壓控制，吹弱的偏北風(fēng)。低層由偏北氣流轉(zhuǎn)為受弱的西南氣流影響 （圖2）。南寧城區(qū)天氣基本為晴天，日總?cè)照諘r數(shù)在9個小時左右。較為穩(wěn)定的大氣環(huán)流形勢和弱的近地面風(fēng)使得PM2.5得到堆積，形成逐日上升的趨勢。12月 4日08時，雖然有一股較弱冷空氣從東路影響廣西，850hPa和925hPa都轉(zhuǎn)為東北風(fēng)。但低層的東北風(fēng)風(fēng)速較弱，小于4m.s-1，且弱冷空氣引起地面降溫使得925hPa的氣溫比地面氣溫高2°C左右。弱的冷空氣和近地面逆溫層使得4日的PM2.5濃度上升速度加快，空氣質(zhì)量由輕度污染變成了中度污染。

在4日起的灰霾過程持續(xù)影響階段的前幾天中，廣西一直受地面冷高壓控制。到了12月7日南寧市已經(jīng)連續(xù)7天基本無降水，PM2.5濃度一直以線性上升至整個灰霾過程的最大值154μg/m3，空氣質(zhì)量達(dá)到了重度污染等級。之后的8日和9日，地面由變性冷高壓控制轉(zhuǎn)為受中等強(qiáng)度冷空氣影響，850hPa和925hPa的平均風(fēng)力接近10m.s-1，地面日平均風(fēng)力分別為3m.s-1和2.4m.s-1，與過程前期發(fā)展階段的平均風(fēng)力相比增大了約1m.s-1。相對較大的低層和地面的風(fēng)速使得PM2.5的濃度停止了上升的趨勢，維持在150μg·m-3左右。但是由于這次冷空氣并未帶來明顯降水過程，空氣質(zhì)量依然為重度污染。12月10日至13日，850hPa轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，南寧有分散降水，這一時段隨仍觀測到霾現(xiàn)象，但PM2.5濃度已呈現(xiàn)浮動下降的趨勢，空氣質(zhì)量也由重度污染轉(zhuǎn)為中度污染。

圖2 2013年12月1日和3日850hPa、1000hPa形勢場（A：1日08時850hPa B：1日08時1000hPa C：3 日08時850hPa D：3日08時1000hPa）

12月14日，受高空槽和低層切變線的共同影響，廣西大部出現(xiàn)了中到大雨的天氣過程，PM2.5濃度由前一天的127μg·m-3急劇下降為64μg·m-3，空氣質(zhì)量直接由中度污染轉(zhuǎn)為良。15日全區(qū)降水仍為大部中雨以上，此時的PM2.5濃度已降至21μg·m-3，空氣質(zhì)量為優(yōu)。長達(dá)十幾天的灰霾天氣過程在一場中雨以上量級的降水過程中結(jié)束。

3 結(jié)論

（1）利用環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)中的PM2.5濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)，能夠更好地表征灰霾天氣的發(fā)展?fàn)顩r及嚴(yán)重程度。

（2）給出詳細(xì)灰霾天氣過程定義，并將整個過程劃分為前期發(fā)展、持續(xù)影響階段、后期消散三個發(fā)展階段，有利于標(biāo)準(zhǔn)化分析各個灰霾過程個例，從而更易于總結(jié)出導(dǎo)致灰霾發(fā)生和消散的共性。

（3）這次霾過程主要是由地面受冷高壓控制導(dǎo)致長時間段無降水而引起的。在無有利擴(kuò)散條件的情況下，PM2.5的濃度呈線性增長趨勢，當(dāng)其達(dá)到一定量級使得空氣質(zhì)量為中度污染時，能見度有很大可能會降低到滿足霾現(xiàn)象觀測標(biāo)準(zhǔn)。較弱的低層風(fēng)和近地面逆溫層都能夠加大PM2.5的堆積速度。

（4）在低層和地面風(fēng)速有一定加大但無降水的情況下，PM2.5濃度只是浮動維持在某一數(shù)值，而不是呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。

（5）一次中雨以上的降水天氣過程能夠快速地降低空氣中的PM2.5，結(jié)束霾天氣過程。

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Causative analysis on a moderate haze process of Nanning

Bai long Su zhaoda Liang daiyun
Nanning Municipal Meteorological Service，Nanning 530029

Based on the conventional observation data and the ERA-Interim reanalysis data and daily Nanning city's environmental monitoring data，a moderate haze process was analyzed.The results show that:this haze process caused by long-time control of the ground cold high，which led to a long period of no precipitation，in the absence of favorable diffusion conditions，the concentration of PM2.5 increases linearly，when air quality reaches moderate pollution level，it could occur haze；weak low-level winds and near-surface inversion layer can increase the deposition rate of PM2.5；in the absence of precipitation，but increasing of the ground wind speed，PM2.5 concentration just maintained at a certain value，instead of showing a clear downward trend；moderate and above rain can quickly reduce the PM2.5 in air and end the haze process.

Haze，PM2.5，AQI index，Air quality

P427.1+22

A

1673-8411（2015）04-0071-05

2015-03-16

廣西氣象局重點(diǎn)科研項目（桂氣科201302）、華南區(qū)域氣象中心科技攻關(guān)項目（GRMC2014M12）

白龍（1988-），男，廣西南寧人，助理工程師，主要從事中短期、短時天氣預(yù)報工作。