馬曉華，黃少妮，張科翔，徐娟娟

(陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

關(guān)中地區(qū)一次霾天氣過程分析

馬曉華，黃少妮，張科翔，徐娟娟

(陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

利用常規(guī)地面觀測資料及氣象探空資料，分析了2016年11月3—5日關(guān)中地區(qū)霾天氣過程，結(jié)果表明：高空500 hPa鋒區(qū)偏北，中緯度無明顯冷空氣活動(dòng)，850 hPa暖空氣控制，地面弱氣壓場是導(dǎo)致關(guān)中地區(qū)霾出現(xiàn)的主要天氣背景；近地層為正渦度平流，而925～850 hPa為負(fù)渦度平流是大范圍霾持續(xù)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)；霾出現(xiàn)前有暖干空氣向關(guān)中地區(qū)輸送，而逆溫層持續(xù)存在，是霾天氣持續(xù)的重要原因；氣壓場穩(wěn)定，風(fēng)速偏小，大氣混合層高度持續(xù)低于650 m，致使大氣水平和垂直交換能力弱，引發(fā)了此次霾天氣。霾出現(xiàn)前后氣象要素變化特征明顯，可為霾的預(yù)報(bào)提供重要參考。

霾天氣；環(huán)流形勢；渦度平流；總溫度平流；逆溫層；混合層高度

隨著我國城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，霾天氣越來越多，伴隨霾而來的重度空氣污染造成能見度下降，帶來交通安全隱患，對(duì)生態(tài)建設(shè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人們的生活和身體健康產(chǎn)生較大危害。霾及霾的預(yù)報(bào)預(yù)警越來越受到政府和公眾的高度關(guān)注。氣象及環(huán)保專家對(duì)霾的成因也有較多分析[1-4]，認(rèn)為霾的形成主要受污染排放和大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋能力影響。關(guān)中盆地位于陜西省中部，南依秦嶺，北靠北山，西窄東寬。關(guān)中盆地因獨(dú)特的地形特征[5]，受偏東風(fēng)影響，污染物易在盆地堆積而不利于擴(kuò)散，使得霾天氣發(fā)生頻率較高，因此有必要探討霾形成的氣象條件。本文選取2016年11月3—5日重度霾天氣過程，分析其形成的氣象原因，以期為霾天氣的預(yù)報(bào)提供參考。

1 天氣實(shí)況

2016年11月3—5日，陜西關(guān)中地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)了大范圍霾天氣，環(huán)境污染嚴(yán)重，首要污染物為PM2.5。從3—6日逐時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度變化圖(圖1)可以看出， PM2.5質(zhì)量濃度從08時(shí)開始逐漸增大，傍晚17—20時(shí)達(dá)到峰值，20—08時(shí)又迅速減小，08時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度為每日最低值。3 d的PM2.5質(zhì)量濃度最大值，渭南一直維持在300 μg/m3，西安維持在200～250 μg/m3，渭南、西安連續(xù)3 d空氣污染等級(jí)達(dá)到重度到嚴(yán)重污染，關(guān)中其它地區(qū)為中度污染。11月6日，全省出現(xiàn)了降水天氣，關(guān)中霾逐漸減弱。此次霾是入冬以來首次重污染天氣，且持續(xù)時(shí)間較長，影響范圍大，具有明顯的日變化特征。霾使得能見度極差，給關(guān)中道路交通、公路運(yùn)輸、電力部門、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來了嚴(yán)重影響。

圖1 2016-11-03T08—06T23 PM2.5質(zhì)量濃度逐時(shí)變化

2 環(huán)流形勢

分析11月3—5日高低空環(huán)流形勢演變發(fā)現(xiàn)，11月3日08時(shí)(圖2),500 hPa歐亞中高緯度為寬廣低值區(qū)，鋒區(qū)偏北，冷空氣位于巴爾喀什湖以西；中緯度環(huán)流較平直，河套地區(qū)無明顯冷空氣活動(dòng)；低緯度副熱帶高壓呈塊狀分布，主體位于廣東、廣西、貴州以南，陜西受偏西氣流影響。低層850 hPa陜西關(guān)中地區(qū)處于副熱帶高壓北側(cè)的偏西南氣流中，西安溫度為12 ℃，明顯高于周圍其他測站。地面圖上(圖略)，河套地區(qū)等壓線分布稀疏，氣壓場較弱。4日(圖略)500 hPa高空槽引導(dǎo)冷空氣緩慢東移到巴爾喀什湖附近，整個(gè)中緯度高度場呈緯向分布，關(guān)中地區(qū)仍以偏西氣流為主；850 hPa上陜西中南部被西南氣流控制，西安溫度為13 ℃，仍高出周圍測站5～6 ℃；925 hPa關(guān)中以偏西風(fēng)為主。5日(圖略)副熱帶高壓勢力明顯減弱，控制范圍縮小，位置南壓，500 hPa高空槽攜帶冷空氣繼續(xù)東移南壓到新疆中部；低層冷空氣入侵到河西走廊，850 hPa西安溫度為12 ℃；低層925 hPa有一支偏東氣流影響陜西關(guān)中地區(qū)。6日08時(shí)(圖略)500 hPa高空槽東移到新疆東部；700 hPa冷空氣已東移南壓到河套西部，同時(shí)自云貴高原經(jīng)四川盆地到陜西有偏南風(fēng)發(fā)展，西北風(fēng)與偏南風(fēng)在關(guān)中西部和陜南西部形成冷式切變線；850 hPa冷空氣侵入到陜西關(guān)中、陜南西部，西安溫度降到10 ℃；近地面925 hPa自東海經(jīng)山東、河南到陜西關(guān)中地區(qū)的東路冷空氣勢力明顯加強(qiáng)。20時(shí)西北路冷空氣進(jìn)一步東移南壓，850 hPa西安溫度降到6 ℃，受東路和西北路冷空氣共同影響，陜西6日白天出現(xiàn)了降水天氣，霾逐漸消散。

圖2 2016-11-03T08 500 hPa高度場 (單位為dagpm)及850 hPa風(fēng)場

3 形成條件和維持機(jī)制

3.1 動(dòng)力條件

渦度平流是由于渦度水平分布不均勻而引起的渦度局地變化。渦度平流隨高度的變化，反映了地面低值系統(tǒng)的發(fā)展演變，從而判斷近地層輻合上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱[6]。分析霾出現(xiàn)前后各層渦度平流變化發(fā)現(xiàn)，在霾天氣出現(xiàn)的當(dāng)日早上，關(guān)中地區(qū)925 hPa以下渦度平流為正值(圖3a)，存在弱上升運(yùn)動(dòng)，可以將近地層的顆粒物帶到一定高度，形成一定厚度的霾層。925～850 hPa渦度平流為-10×10-5s-2，存在下沉運(yùn)動(dòng)，可將低空的顆粒物帶到近地面，從而有利于霾天氣的穩(wěn)定維持[5]。這種近地面層弱上升運(yùn)動(dòng)、850～925 hPa下沉運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)到5日白天(圖略)。5日夜間925 hPa以下渦度平流為負(fù)值, 925～850 hPa出現(xiàn)了10×10-5s-2的正值中心(圖3b)。此時(shí)低層濕度迅速增加(圖略)，925～850 hPa上升運(yùn)動(dòng)可將低層的水汽帶到空中，大氣邊界層濕度增加，6日關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)了弱降水及能見度較低的霧,霾明顯減弱。

圖3 2016年11月渦度平流垂直剖面圖(單位為10-5 s-2；a 03日08時(shí)；b 05日20時(shí))

3.2 熱力條件

總溫度平流是綜合性物理量，不僅能反映暖濕空氣的活動(dòng)，而且在一定意義上可以反映地形的影響[6]。分析各層逐日總溫度平流，發(fā)現(xiàn)850 hPa總溫度平流有代表意義。關(guān)中地區(qū)霾出現(xiàn)前(圖略)，有暖干平流從貝加爾湖經(jīng)蒙古到河套向陜西關(guān)中地區(qū)輸送。在霾出現(xiàn)期間，從東北—華北—關(guān)中存在一支暖干平流輸送，關(guān)中地區(qū)的總溫度平流基本維持在 0～5 ℃/s；5日08時(shí)，關(guān)中地區(qū)總溫度平流為-4～-2 ℃/s；20時(shí)，陜西北部出現(xiàn)了中心強(qiáng)度為-20 ℃/s的總溫度平流中心，即有強(qiáng)烈的降溫出現(xiàn)，有利于近地層空氣的下沉運(yùn)動(dòng)。隨著下沉運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，霾迅速消散。

3.3 逆溫層的作用

逆溫強(qiáng)度是大氣層結(jié)穩(wěn)定度的重要指標(biāo)[7]。從溫度場的垂直分布(表1)可以看出，關(guān)中霾持續(xù)期間，08時(shí)和20時(shí)關(guān)中上空均有逆溫層存在。逆溫層可達(dá)850 hPa，較為深厚，且逆溫強(qiáng)度08時(shí)大于20時(shí)。逆溫層的存在使低層形成一暖區(qū)，這種下冷濕上暖干的大氣垂直分布有利于大氣顆粒物和水汽在近地面層聚集，阻止近地面的水汽和污染物向上擴(kuò)散，從而形成一定厚度的持續(xù)性霾天氣，且逆溫層越厚，霾持續(xù)時(shí)間越長。5日20時(shí)隨著冷空氣的南下，逆溫層遭到破壞，霾天氣減弱。

表1 2016-11-03—06涇河站天氣現(xiàn)象及 850 hPa溫度與地面溫度差

4 氣象要素特征

4.1 氣壓及風(fēng)場

霾出現(xiàn)前，關(guān)中地區(qū)地面氣壓場呈減弱趨勢(圖4)，24 h負(fù)變壓，有偏南風(fēng)發(fā)展，暖平流加強(qiáng)。霾出現(xiàn)且持續(xù)期間，關(guān)中地區(qū)受地面弱高壓區(qū)中的均壓場控制，一直維持風(fēng)速較小或靜風(fēng)狀態(tài)，有利于污染物的聚集，利于區(qū)域性霾天氣的形成。大氣處于穩(wěn)定狀態(tài),污染物在大氣中的擴(kuò)散速率較小,且范圍狹窄,有利于霾的積累。隨著較強(qiáng)冷空氣影響，氣壓場明顯升高，風(fēng)速增大，霾逐漸擴(kuò)散消失。

圖4 2016-11-02T20—06T20涇河站氣壓及風(fēng)速變化

4.2 混合層高度

有研究表明，大氣混合層高度是影響空氣質(zhì)量的重要因素[8]。大氣混合層高度與空氣質(zhì)量存在明顯反相關(guān)。根據(jù)羅氏法[9]，取關(guān)中地區(qū)地面粗糙度為0.2 m，使用2 min平均風(fēng)速觀測值及一天8次溫度露點(diǎn)差平均值計(jì)算霾天氣期間混合層的高度(以涇河站為例)。

11月3—5日，涇河上空大氣混合層高度(圖5)偏低，持續(xù)低于650 m，平均為 633.7 m，3日混合層高度最低為 586 m。涇河空氣質(zhì)量AQI指數(shù)日平均為227，為重度污染。從圖5可以看出，混合層高度和AQI 指數(shù)存在反比關(guān)系，當(dāng)大氣混合層高度較低時(shí)，大氣湍流交換能力較弱，使得近地面污染物不易向高空擴(kuò)散，污染加重。

圖5 2016年11月涇河站混合層 高度與日平均AQI指數(shù)對(duì)比

5 小結(jié)

(1)霾天氣持續(xù)期間，500 hPa 高緯度為典型的寬廣低值區(qū)，鋒區(qū)偏北；中緯度環(huán)流平直，受低緯副熱帶高壓阻擋，冷空氣不易南下，勢力較弱。850 hPa關(guān)中地區(qū)溫度明顯偏高，對(duì)應(yīng)地面圖上，河套地區(qū)氣壓梯度較小。

(2)動(dòng)力診斷表明，近地層弱上升運(yùn)動(dòng)有利于顆粒物的積聚，從而形成霾。熱力診斷表明，霾出現(xiàn)前或出現(xiàn)時(shí)，有暖干平流輸送；隨著強(qiáng)冷平流的輸入，霾天氣結(jié)束。逆溫層的持續(xù)存在，有利于顆粒物在近地層積聚，從而有利于霾的形成和持續(xù)，隨著逆溫層的破壞，霾逐漸消散。

(3)霾出現(xiàn)前后氣壓場及風(fēng)場等均有明顯的變化特征，可為霾天氣預(yù)報(bào)提供參考?；旌蠈痈叨纫部勺鰹轭A(yù)報(bào)霾的指標(biāo)之一，大氣混合層高度越低，大氣湍流交換能力越弱，越不利于霾的消散。

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1006-4354(2017)04-0010-04

2017-01-10

馬曉華(1986—)，女，陜西寶雞人，碩士，工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)理論及方法研究。

陜西省氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)(2016Y-3)“關(guān)中盆地持續(xù)性重污染天氣過程氣象特征分析”

P458.11

A

馬曉華，黃少妮，張科翔，等. 關(guān)中地區(qū)一次霾天氣過程分析[J].陜西氣象，2017(4)：10-13.