李茜++蔣凱++胡淑蘭

摘 要：基于1981—2014年的NCEP/NACAR及陜西氣象站的相關(guān)氣象要素的日值資料，分析了造成2014年2月陜西關(guān)中地區(qū)持續(xù)霾天氣的氣象條件。結(jié)果表明：2014年2月陜西地區(qū)上空大氣環(huán)流場(chǎng)表現(xiàn)為對(duì)流層低層出現(xiàn)了南風(fēng)，風(fēng)速較小，并且伴隨有來(lái)自南方的暖濕氣流，導(dǎo)致污染物在陜西關(guān)中地區(qū)聚集；而對(duì)流層大氣的垂直分布表現(xiàn)為隨著高度的升高風(fēng)速減小，同時(shí)對(duì)流層中低層的呈現(xiàn)顯著的逆溫層。在霾區(qū)域內(nèi)，表面風(fēng)速和水平風(fēng)垂直切變是通過(guò)對(duì)污染物在水平方向上向區(qū)域外的輸送和在垂直方向上輸送產(chǎn)生的動(dòng)力作用。熱力作用主要表現(xiàn)在假相當(dāng)位溫垂直差和近地面溫度露點(diǎn)差越小，K指數(shù)、A指數(shù)越大，對(duì)流層中低層大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性和近地面層逆溫增強(qiáng)，導(dǎo)致霾天氣增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：關(guān)中地區(qū) 持續(xù)霾天氣 氣象條件 2014年2月

中圖分類號(hào)：P932 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（c）-0133-04

霾是一種大氣污染狀態(tài)，由于霾天氣發(fā)生時(shí)大氣能見(jiàn)度降低，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及人民生活產(chǎn)生重要的影響；同時(shí)，霾天氣發(fā)生時(shí)大氣氣溶膠聚集在大氣近地層，使得大氣污染增強(qiáng)，空氣質(zhì)量下降，會(huì)對(duì)人體健康造成一定的危害。霾受季節(jié)影響顯著，以冬季最多，春季最少；2001年以來(lái)霾日數(shù)顯著增長(zhǎng)[1]。關(guān)于中國(guó)霾天氣的發(fā)生與氣象因子之間的聯(lián)系，已有的研究一方面集中在如前所述的霾長(zhǎng)期變化趨勢(shì)與氣象因子變化趨勢(shì)之間的關(guān)系，另一方面集中在局地氣象條件與霧生消演變過(guò)程及與霾天氣的聯(lián)系[2-4]。

陜西近年來(lái)霾頻頻發(fā)生，特別是以西安為中心的陜西關(guān)中城市群，已成為全國(guó)大氣污染較為嚴(yán)重的地區(qū)之一[5-7]。關(guān)于關(guān)中地區(qū)嚴(yán)重霾的發(fā)生、維持，雖然已經(jīng)有不少探討分析，但大都是統(tǒng)計(jì)分析霾的特征，針對(duì)該區(qū)域持續(xù)霾天氣的氣象因子分析還相對(duì)較少。2014年2月陜西關(guān)中地區(qū)霾天氣具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)生范圍廣和強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)。該文基于此次霾天氣過(guò)程，來(lái)分析其氣象條件的變化，不僅考慮大氣環(huán)流背景場(chǎng)對(duì)持續(xù)霾天氣的影響，也考慮氣象動(dòng)力和熱力因子對(duì)持續(xù)霾天氣演變過(guò)程的作用。

1 資料和方法

1.1 資料

該文使用的資料主要包括：（1）NCEP/NACAR日平均再分析數(shù)據(jù)，時(shí)間：1981—2014年2月1日～28日，水平分辨率：2.5°×2.5°，垂直分辨率：17層；（2）陜西省98個(gè)臺(tái)站2014年2月1日—28日逐日風(fēng)速和能見(jiàn)度資料。

1.2 方法

該文在分析陜西關(guān)中地區(qū)的相關(guān)變量時(shí)，對(duì)該區(qū)域（106°E～111°E，33°N～35°N）的變量進(jìn)行了區(qū)域平均。使用的氣候要素均值，均為1981—2010年30年平均值。

500 hPa與850 hPa的水平風(fēng)垂直切變：

W= （1）

文中使用了兩個(gè)表征大氣熱力溫度的常用指數(shù)K指數(shù)和A指數(shù)[8]。

K=（T850-T500）-（T700-Td700） （2）

A=（T850-T500）-[（T850-Td850）+（T700-Td700）+（T500-Td500）] （3）

式中，T500，T700，T850分別表示500 hPa，700 hPa和850 hPa的氣溫；Td500，Td700，Td850分別表示500 hPa，700 hPa和850 hPa的露點(diǎn)溫度。在天氣業(yè)務(wù)中常用K指數(shù)和A指數(shù)來(lái)判斷大氣層結(jié)穩(wěn)定性，即該指數(shù)的數(shù)值越大，則大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。K指數(shù)和A指數(shù)均考慮了中低層大氣的垂直溫度梯度，主要的區(qū)別在于K指數(shù)僅考慮了700 hPa一層的水汽飽和度，而A指數(shù)在判別大氣層結(jié)穩(wěn)定度時(shí)，同時(shí)也考慮了整個(gè)中低層大氣（500 hPa，700 hPa和850 hPa）的水汽飽和程度。

2 持續(xù)霾天氣的天氣氣候背景

2.1 2014年2月陜西氣候特征

從2014年2月陜西省霾日的空間分布可以看出（圖略），陜北的定邊、靖邊、橫山和綏德在2014年2月出現(xiàn)了10天以上的霾日，及陜南部分站點(diǎn)也出現(xiàn)了10天以上的霾日。2014年2月關(guān)中地區(qū)是出現(xiàn)霾日最多和最集中的地區(qū)；出現(xiàn)霾日最多的站點(diǎn)為韓城和彬縣，2月共出現(xiàn)了20天的霾日。尤其是2月18～28日關(guān)中地區(qū)持續(xù)大范圍霾天氣過(guò)程，涉及到關(guān)中和渭北46個(gè)縣中的28縣，共出現(xiàn)162縣日。其中重度霾85縣日，中度霾15縣日，輕度霾16縣日，輕微霾46縣日。西安市環(huán)保局發(fā)布2014年2月環(huán)境空氣質(zhì)量通報(bào)，優(yōu)良天數(shù)為1天，輕度污染6天，中度污染5天，重度污染6天，嚴(yán)重污染10天。在污染的27天中，26天的首要污染物為細(xì)顆粒物PM2.5一天的首要污染物為可吸入顆粒物PM10。2014年2月發(fā)生在陜西關(guān)中地區(qū)的霾天氣，具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大、影響范圍廣的特征。該文利用此次持續(xù)霾天氣過(guò)程的大氣環(huán)流背景場(chǎng)、對(duì)流層風(fēng)速和氣溫距平垂直分布特征分析氣象因子對(duì)霾過(guò)程的影響作用.

2.2 大氣環(huán)流背景場(chǎng)

首先，分析造成2014年2月陜西關(guān)中地區(qū)霾天氣的大氣環(huán)流背景場(chǎng)。圖1為500 hPa（對(duì)流層中層）和925 hPa（對(duì)流低層）的溫度、風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度的距平分布圖。在對(duì)流層低層925 hPa等壓面上，可以看到在中國(guó)東部有一個(gè)高壓中心，西部是低壓中心，與此對(duì)應(yīng)的在河套地區(qū)出現(xiàn)了南風(fēng)，風(fēng)速較小。在對(duì)流層中層500 hPa等壓面上，可以看到中緯度地區(qū)主要盛行西風(fēng)氣流，河套地區(qū)冷空氣強(qiáng)度偏弱，導(dǎo)致河套地區(qū)氣溫升高。筆者計(jì)算了2014年2月陜西省風(fēng)速距平的空間分布，可以看到除了陜北北部和陜南南部地區(qū)風(fēng)速為正距平，全省其他大部分地區(qū)均為負(fù)距平。也就是說(shuō)全省大部分地區(qū)的風(fēng)速較常年偏小。925 hPa等壓面上有來(lái)自南方的暖濕氣流，能夠?qū)⒏嗟乃斔偷胶犹椎貐^(qū)的上空，為持續(xù)霾天氣提供了有利的水汽條件，而且冷空氣活動(dòng)偏弱，更加利于大氣低層的污染物聚集，同時(shí)風(fēng)速偏弱，使得污染物無(wú)法向河套以外的地區(qū)輸送，導(dǎo)致了2014年2月陜西關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)的霾天氣。

之前介紹了造成關(guān)中地區(qū)持續(xù)霾天氣的大氣環(huán)流背景，接著再進(jìn)一步分析大氣的垂直分布特征。圖2為2014年2月陜西平均風(fēng)速距平和溫度距平隨高度的變化。從圖2（a）可以看出，在對(duì)流層中低層水平風(fēng)速呈現(xiàn)顯著的減弱趨勢(shì)，表現(xiàn)為隨著高度的升高風(fēng)速減小的趨勢(shì)，而在400 hPa以上對(duì)流層高層，風(fēng)速隨高度升高而增大。從圖2（b）可以看出，在整個(gè)對(duì)流層內(nèi)幾乎為一致的增暖，尤其以對(duì)流層中低層的逆溫最為明顯。這種對(duì)流層存在的逆溫層異常會(huì)使得大氣變得穩(wěn)定。這些大氣背景場(chǎng)均有利于持續(xù)霾天氣的發(fā)展和維持。

3 持續(xù)霾天氣的氣象條件分析

3.1 動(dòng)力作用

2014年2月陜西省關(guān)中地區(qū)地表平均風(fēng)速和500 hPa與850 hPa水平風(fēng)垂直切變（圖3）具有較好的一致性，在2月4日，風(fēng)速與水平風(fēng)垂直切變均為該月的最大值。同時(shí)，分別計(jì)算了他們與關(guān)中地區(qū)日平均能見(jiàn)度的相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.7和0.37，顯著性均超過(guò)了0.05的信度水平。即當(dāng)能見(jiàn)度偏高（偏低）時(shí)，風(fēng)速與水平風(fēng)垂直切變的變化也是偏大（偏?。?。表面風(fēng)速和能見(jiàn)度的正相關(guān)關(guān)系表明在有霾天氣的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)表面風(fēng)速偏小的時(shí)候，向區(qū)域外輸送污染物偏弱，有利于霾的維持，導(dǎo)致能見(jiàn)度偏低，反之亦然，表面風(fēng)速偏大的時(shí)候，能見(jiàn)度變大。而500 hPa與850 hPa水平風(fēng)垂直切變和能見(jiàn)度的正相關(guān)關(guān)系表明當(dāng)水平風(fēng)垂直切變變大的時(shí)候，在有霾天氣的區(qū)域上空的對(duì)流層中低層垂直混合增強(qiáng)，有利于污染物向高空擴(kuò)散，使近地面的霾減弱，能見(jiàn)度變大。因此，霾區(qū)域內(nèi)的表面風(fēng)速和其上空的對(duì)流層中低層水平風(fēng)垂直切變對(duì)霾天氣的影響體現(xiàn)在其水平方向和垂直方向上的動(dòng)力作用。

3.2 熱力作用

筆者計(jì)算了2014年2月關(guān)中區(qū)域850 hPa與1 000 hPa假相當(dāng)位溫垂直差、K指數(shù)、A指數(shù)和925 hPa溫度露點(diǎn)差，并且分別計(jì)算了他們與關(guān)中區(qū)域逐日平均能見(jiàn)度的相關(guān)系數(shù)，分別為0.28、-0.35、-0.37和0.4。其中，850 hPa與1 000 hPa假相當(dāng)位溫垂直差與能見(jiàn)度的相關(guān)性較差，其余三個(gè)指數(shù)的顯著性均超過(guò)了0.1的信度水平?？梢钥闯黾傧喈?dāng)位溫垂直差和近地面溫度露點(diǎn)差與能見(jiàn)度呈現(xiàn)正相關(guān)，而K指數(shù)、A指數(shù)與能見(jiàn)度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。同時(shí)，850 hPa與1 000 hPa假相當(dāng)位溫垂直差、K指數(shù)、A指數(shù)都可以代表大氣對(duì)流層中低層濕空氣的層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)。即當(dāng)假相當(dāng)位溫垂直差和近地面溫度露點(diǎn)差越?。ù螅r(shí)候，K指數(shù)、A指數(shù)越大（?。r(shí)候，對(duì)流層中低層大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性和近地面層逆溫增強(qiáng)（減弱）時(shí)，導(dǎo)致霾天氣增強(qiáng)（減弱）。近地面溫度露點(diǎn)差代表近地面空氣飽和程度，當(dāng)露點(diǎn)差越小，說(shuō)明空氣中的水汽越接近于飽和，使得空氣中的水汽凝結(jié)而形成霧，從而降低了能見(jiàn)度，這些因素都有利于霾天氣的維持。霾天氣中的顆粒物和水滴使地面的凈短波輻射通量減弱，使表面溫度降低，也可以導(dǎo)致近地面層逆溫的增強(qiáng)[9]。

4 結(jié)論和討論

（1）2014年2月陜西關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的霾天氣過(guò)程，尤其以2月中下旬最為嚴(yán)重。造成此次關(guān)中地區(qū)持續(xù)霾天氣的大氣背景場(chǎng)主要表現(xiàn)為對(duì)流層低層出現(xiàn)了南風(fēng)，風(fēng)速較小，并且伴隨有來(lái)自南方的暖濕氣流，將更多的水汽輸送到河套地區(qū)上空，有利于大氣底層的污染物聚集。對(duì)流層大氣垂直分布表明，隨著高度的升高風(fēng)速減小，同時(shí)對(duì)流層中低層的呈現(xiàn)顯著的逆溫層。這些大氣背景場(chǎng)都是有利于持續(xù)霾天氣的發(fā)展和維持。

（2）霾區(qū)域內(nèi)的表面風(fēng)速和其上空的對(duì)流層中低層水平風(fēng)垂直切變對(duì)霾天氣的影響體現(xiàn)在其水平方向和垂直方向上的動(dòng)力作用。當(dāng)表面風(fēng)速偏大的時(shí)候，向區(qū)域外輸送污染物偏強(qiáng)，不利于霾的維持，從而能見(jiàn)度偏高。而當(dāng)水平風(fēng)垂直切變變大的時(shí)候，在有霾天氣的區(qū)域上空的對(duì)流層中低層垂直混合偏強(qiáng)，有利于污染物向高空擴(kuò)散，在近地面附近的霾減弱，能見(jiàn)度變大。

（3）即當(dāng)假相當(dāng)位溫垂直差和近地面溫度露點(diǎn)差越?。ù螅r(shí)候，K指數(shù)、A指數(shù)越大（?。r(shí)候，對(duì)流層中低層大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性和近地面層逆溫增強(qiáng)（減弱）時(shí)，導(dǎo)致霾天氣增強(qiáng)（減弱）。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫彧，馬振峰，牛濤，等.最近40年中國(guó)霧日數(shù)和霾日數(shù)的氣候變化特征[J].氣候與環(huán)境研究，2013（18）：397-406.

[2] 吳兌，吳曉京，李菲，等.1951—2005年中國(guó)大陸霾的時(shí)空變化[J].氣象學(xué)報(bào)，2010，68（5）：680-688.

[3] 胡亞旦，周自江.中國(guó)霾天氣的氣候特征分析[J].氣象， 2009，35（7）：73-78.

[4] 陳朝平，楊康權(quán)，馮良敏，等.四川盆地一次持續(xù)性霧霾天氣過(guò)程分析[J].高原山地氣象研究，2015，35（3）：73-77.

[5] 王珊，修天陽(yáng)，孫揚(yáng)，等.1960—2012年西安地區(qū)霧霾日數(shù)與氣象因素變化規(guī)律分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（1）： 19-26.

[6] 謝春玲，汪小田.西安霧霾現(xiàn)狀分析[J].資源環(huán)境，2014（8）：52-54.

[7] 孟妙志，盧曄，王仲文，等.2013年冬季寶雞重度霧霾污染分析[J].陜西氣象，2015（3）：48-52.

[8] 張人禾，李強(qiáng)，張若楠.2013年1月中國(guó)東部持續(xù)性強(qiáng)霧霾天氣產(chǎn)生的氣象條件分析[J].中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，2014，44（1）：27-36.

[9] Liu X，Xie X，Yin Z，et al.2011.A modeling study of the effects of aerosols on clouds and precipitation over East Asia[J].Theor Appl Climatol，2011（106）：343-354.