吳文華

(洛陽(yáng)市氣象局，河南 洛陽(yáng) 471000)

孟州一次霧霾天氣的成因及影響

吳文華

(洛陽(yáng)市氣象局，河南 洛陽(yáng) 471000)

本文利用地面、探空觀測(cè)資料，對(duì)孟州一次典型霧霾天氣的成因進(jìn)行分析，一是天氣條件，二是人類(lèi)工業(yè)活動(dòng)。在霧霾發(fā)生、發(fā)展及消散過(guò)程中，較低的地面氣壓梯度和風(fēng)速是形成霧霾的有利條件，氣壓梯度的增加、水平風(fēng)速的增大則利于霧霾的消散；低層大氣濕度增加、逆溫層加強(qiáng)利于霧霾的發(fā)生、發(fā)展，反之，利于霧霾的減弱、消散。人類(lèi)工業(yè)活動(dòng)以及汽車(chē)尾氣等產(chǎn)生的PM2.5/10濃度的大小是霧霾成因的關(guān)鍵因子，對(duì)其有效治理能夠減輕霧霾的嚴(yán)重程度。

霧霾天氣；影響因子；PM2.5/10

霧霾是霧和霾的統(tǒng)稱，霾是一種大量微小塵粒、煙?；螓}粒等均勻地浮游在空中，使空氣混濁，水平能見(jiàn)度小于10 km的天氣現(xiàn)象，能使遠(yuǎn)處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍(lán)色[1]。當(dāng)水汽凝結(jié)加劇、空氣濕度增大時(shí)，霾就會(huì)轉(zhuǎn)化為霧。霧霾天氣是一種大氣污染狀態(tài)，是對(duì)大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的籠統(tǒng)表述，尤其是PM2.5被認(rèn)為是造成霧霾天氣的“元兇”。霧霾天氣最直接表現(xiàn)為水平能見(jiàn)度的下降，能見(jiàn)度的演變規(guī)律能夠較為直觀和準(zhǔn)確地反映霧霾的嚴(yán)重程度[2-5]。

污染物的濃度不僅與排放源有關(guān)，還與污染物的遷移、擴(kuò)散和沉降有關(guān)，而這些又取決于天氣形勢(shì)的變化。在不同氣象條件下,同一污染源的排放所造成的地面污染物濃度可相差幾倍甚至幾十倍,這主要是由于大氣對(duì)污染物的稀釋擴(kuò)散能力隨著氣象條件的不同而發(fā)生巨大變化[6]。通過(guò)對(duì)各地霧霾天氣的氣象特征分析，結(jié)果表明：靜止的高壓系統(tǒng)下產(chǎn)生下沉氣流和相對(duì)穩(wěn)定的天氣，伴隨著小風(fēng)或靜風(fēng)，混合層高度低，在邊界層強(qiáng)逆溫的情況下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的灰霾天氣[6-10]。環(huán)境濕度和細(xì)顆粒物也是影響霧霾的重要因素[11-13],細(xì)顆粒物和水蒸氣同時(shí)積累的天氣最有利于霧霾的形成。

孟州地處中原重工業(yè)聚集區(qū)，工業(yè)排放、汽車(chē)尾氣、建筑揚(yáng)塵、垃圾秸稈焚燒等形成了灰霾的源頭，使得大氣中布滿粉塵顆粒。冬季受寒冷的西伯利亞高壓控制，相對(duì)寒冷而穩(wěn)定的大氣形成了有利于霧霾存在的天氣條件。2015年12月5-14日豫西地區(qū)發(fā)生一次嚴(yán)重的霧霾天氣過(guò)程。在霧霾爆發(fā)后，當(dāng)?shù)卣扇×舜竺娣e的工廠禁排、大型建筑工地停工、交通管制和禁止焚燒秸稈等有效措施。因此，研究孟州氣象要素變化規(guī)律，對(duì)于掌握本地霧霾天氣成因有重要意義。

1 霧霾天氣過(guò)程概述

2015年12月5日17:00至14日08:30，孟州地區(qū)能見(jiàn)度低于10 km，出現(xiàn)重度霧霾天氣。筆者選取這次霧霾天氣過(guò)程來(lái)進(jìn)行研究，其能見(jiàn)度隨時(shí)間演變過(guò)程曲線如圖1所示。這次霧霾天氣過(guò)程可分為三個(gè)階段：第一階段為霧霾天氣形成發(fā)生階段，時(shí)間為5日17:00-6日21:30，能見(jiàn)度變化范圍為3～10 km；第二階段為發(fā)展加強(qiáng)階段，時(shí)間為6日21:30-11日13:00，能見(jiàn)度變化范圍為0～3 km；第三階段為減弱消亡階段，時(shí)間為11日13:00-14日08:30，能見(jiàn)度變化范圍為3～10 km。筆者對(duì)霧霾發(fā)展加強(qiáng)和減弱消亡這兩個(gè)重要階段進(jìn)行成因分析，得出霧霾發(fā)展、消亡的成因，以期對(duì)霧霾的預(yù)報(bào)、預(yù)防有一定的借鑒作用。

圖1 霧霾天氣能見(jiàn)度隨時(shí)間的演變過(guò)程曲線

2 成因分析

2.1 天氣形勢(shì)

圖2給出了12月9日08時(shí)、10日20時(shí)地面氣壓場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)合成圖。由圖a可知，孟州地區(qū)東部受東海高壓控制，西部受低壓控制；從氣壓等值線分布可知，孟州地區(qū)氣壓梯度小，不利于對(duì)流發(fā)生、發(fā)展；從風(fēng)場(chǎng)可以看到孟州地區(qū)處于小于2 m/s的微風(fēng)或靜風(fēng)區(qū)域，與其較低的氣壓梯度相一致。此種配置下，大氣易處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，不利于水汽或者霧的擴(kuò)散，不利于霾的擴(kuò)散，是形成持續(xù)性霧霾天氣的有利形勢(shì)。由圖b可以看出，孟州地區(qū)北部受蒙古深厚的冷高壓控制，氣壓梯度大，利于對(duì)流的發(fā)生發(fā)展；且孟州地區(qū)受穩(wěn)定的東北風(fēng)控制，受東北寒冷氣流影響，天氣形勢(shì)逐漸轉(zhuǎn)好，霧霾逐漸消散。

圖2 2015年12月9日08時(shí)、10日20時(shí)地面氣壓場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)圖

2.2 各影響因子相關(guān)性分析

根據(jù)天氣學(xué)原理相關(guān)知識(shí)可知，大氣的相對(duì)濕度是影響大霧形成的重要因素之一，筆者首先從孟州地區(qū)相對(duì)濕度方面論述霧霾天氣成因。圖3給出了2015年12月9日08時(shí)、10日20時(shí)1 000 Hpa相對(duì)濕度場(chǎng)的填充圖。由圖a可知，我國(guó)東部沿海以西大部地區(qū)處于高濕區(qū)（相對(duì)濕度RH≥75%）控制，孟州地區(qū)相對(duì)濕度更是大于等于85%。高濕的大氣環(huán)境、有利的天氣形勢(shì)，是大霧形成的主要原因。從天氣實(shí)況可知，此時(shí)正是大霧發(fā)展最為強(qiáng)盛的時(shí)期。由圖b可知，10日20時(shí)孟州場(chǎng)區(qū)大氣濕度明顯降低，為50%～70%，結(jié)合前文分析的有利于大霧消散的天氣形勢(shì)，此時(shí)大霧開(kāi)始減弱、消散。

圖3 2015年12月9日08時(shí)、10日20時(shí)1 000 Hpa相對(duì)濕度場(chǎng)

圖4給出洛陽(yáng)觀測(cè)站12月4日-15日PM10、PM2.5濃度隨時(shí)間變化曲線。由圖可知，PM10、PM2.5變化趨于一致，且其趨勢(shì)與圖1能見(jiàn)度變化趨勢(shì)幾乎相反。5-6日能見(jiàn)度快速降低時(shí)，PM2.5/10濃度在快速升高，7-10日能見(jiàn)度維持在很低水平（0～3 km）時(shí)，PM2.5/10濃度逐漸升高到200～670 ug/m3，尤其是7-9日，PM2.5/10濃度維持在很高的水平，這為霧霾天氣的劇烈發(fā)展、演變提供了有利的條件。由于工廠限排、交通管制等措施的實(shí)施，大氣中各種粒徑的粒子數(shù)減小，10日PM2.5/10濃度開(kāi)始下降，與前文分析的關(guān)于10日起天氣形勢(shì)轉(zhuǎn)好、對(duì)流發(fā)生、寒潮南下造成大霧減弱消散是相互對(duì)應(yīng)的：大霧減小，霾在減弱，霧霾逐漸消退。這充分說(shuō)明PM2.5/10濃度是造成霧霾發(fā)生、發(fā)展、消亡的重要影響因子之一。

圖4 2015年12月4日-15日PM10、PM2.5濃度（ug/m3）隨時(shí)間變化曲線

表1 孟州地區(qū)能見(jiàn)度與各影響因子間線性相關(guān)系數(shù)表

本文選定的影響因子包括地面氣壓、地面氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、PM2.5濃度和PM10濃度，通過(guò)計(jì)算這些因子與能見(jiàn)度之間的相關(guān)系數(shù)，來(lái)分析其與能見(jiàn)度的關(guān)系。表1給出了孟州地區(qū)能見(jiàn)度與各影響因子間線性相關(guān)系數(shù)，表中*表示顯著性水平小于0.05，其余表示顯著性水平小于0.000 1。由相關(guān)系數(shù)可以看出，地面氣壓、地面風(fēng)速與能見(jiàn)度之間存在正相關(guān)關(guān)系，其中風(fēng)速與其相關(guān)性較為明顯，可以解釋為風(fēng)速越大，風(fēng)對(duì)霧霾的擴(kuò)散作用越明顯，能見(jiàn)度越大；而地面氣壓越高，地面氣壓梯度越大，氣壓梯度力產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)風(fēng)越大，能見(jiàn)度越高。相對(duì)濕度、PM2.5/10濃度與能見(jiàn)度成顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相對(duì)濕度越高，越有利于大霧的形成，造成能見(jiàn)度降低；PM2.5/10濃度越高，有利于霾的形成，同樣造成能見(jiàn)度的減??；相對(duì)濕度、PM2.5/10濃度同時(shí)偏高，會(huì)形成嚴(yán)重的霧霾天氣，進(jìn)一步影響能見(jiàn)度。氣溫與能見(jiàn)度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明氣溫對(duì)能見(jiàn)度的影響比較小，本文不予分析。

2.3 逆溫層結(jié)構(gòu)特征分析

逆溫是對(duì)流層中出現(xiàn)的氣溫隨高度增加而升高的現(xiàn)象，冬季低層大氣出現(xiàn)逆溫，容易造成大氣層“頭重腳輕”，使得原本易引發(fā)對(duì)流的大氣變得較為穩(wěn)定，空氣中的霧、霾不容易擴(kuò)散，往往使霧霾天氣加重。12月9日08時(shí)鄭州探空站的TlogP圖(圖略)可看出，低層大氣（地面至750 hPa）風(fēng)速極小，接近無(wú)風(fēng)或靜風(fēng)，750～900 hPa之間存在明顯的逆溫層，即溫度隨高度的增加而升高；等飽和比濕線在650～900 hPa之間與濕絕熱線非常接近，濕度較大，接近飽和；同時(shí)，等飽和比濕線與濕絕熱線之間形成正不穩(wěn)定能量，正不穩(wěn)定能量極小，低層大氣處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，不易發(fā)生對(duì)流，霧霾將發(fā)展加強(qiáng)。由10日20時(shí)TlogP圖（圖略）可知，低層大氣風(fēng)速開(kāi)始增大，達(dá)到10 m/s；低層逆溫層減弱，等飽和比濕線遠(yuǎn)離濕絕熱線，氣塊濕度較??；等飽和比濕線與濕絕熱線之間形成的正不穩(wěn)定能量增大，低層大氣發(fā)生對(duì)流交換，霧霾減弱、消散。

3 結(jié)論

本文針對(duì)2015年12月5日-15日發(fā)生在孟州地區(qū)的霧霾天氣過(guò)程進(jìn)行了成因分析，指出在有利的天氣形勢(shì)下，即孟州地區(qū)大氣處于準(zhǔn)靜止條件下，地面氣壓、風(fēng)速、低層大氣濕度、PM2.5/10濃度以及低層大氣逆溫等因素的改變是本次霧霾形成、發(fā)展和消散的主要影響因子。

本文利用大量的觀測(cè)資料，通過(guò)定性和定量分析，對(duì)一次典型的霧霾天氣進(jìn)行成因分析，揭示了霧霾的發(fā)生、發(fā)展以及消散的影響因子，為有效預(yù)防和規(guī)避霧霾天氣提供很好的借鑒作用。由于篇幅和數(shù)據(jù)資料獲取的限制，本文并未對(duì)孟州地區(qū)霧霾天氣的氣候特征進(jìn)行研究，也沒(méi)有對(duì)氣溶膠輻射特性及如何影響消光系數(shù)等方面進(jìn)行深入探討，這部分內(nèi)容將在今后的工作中進(jìn)行詳細(xì)的研究、論述。

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Causes and Effects of Misty Weather in Mengzhou

Wu Wenhua
(Luoyang Meteorological Bureau, Luoyan 471000, China)

This paper analyzes the causes of a typical fog and haze in Mengzhou by using ground and sounding data. First,the weather conditions, and the two is human industrial activities. In the haze occurrence, development and dissipation process, low surface pressure gradient and wind speed are favorable conditions for the formation of haze, increasing the level of wind speed increases, the pressure gradient is conducive to haze dissipated; low air humidity increases, the inversion layer to strengthen the haze occurrence and development, on the other hand, in favor of haze weakened, dissipation. The concentration of PM2.5/10 produced by human industrial activities and automobile exhaust gas is the key factor of haze formation, and the effective treatment can reduce the severity of fog and haze.

fog and haze; influence factors; PM2.5/10

X513

A

1008-9500(2017)06-0123-04

2017-03-26

吳文華（1990-），女，河南濮陽(yáng)人，助理工程師，研究方向：短期天氣預(yù)報(bào)。