何瑞琦

濱州市一次持續(xù)性霧霾天氣過程分析

何瑞琦

濱州市氣象局, 山東 濱州 256600

本文利用常規(guī)氣象資料、章丘探空資料、濟(jì)南站微波輻射計(jì)探測(cè)資料和NCEP再分析資料對(duì)2015年12月19~24日濱州市一次持續(xù)性霧霾天氣的環(huán)流背景、氣象要素和氣團(tuán)軌跡綜合分析。結(jié)果表明：500 hPa中高緯為平直的緯向環(huán)流，冷空氣較弱，大氣層結(jié)穩(wěn)定少動(dòng)是這次持續(xù)霧霾過程的環(huán)流背景；PM2.5濃度與能見度和地面風(fēng)速呈顯著地相關(guān)關(guān)系；這次霧霾過程中大氣層結(jié)的顯著特征是出現(xiàn)逆溫層；影響濱州的外來污染物輸送路徑主要有3條。

持續(xù)霧霾; 重污染; 逆溫; 后向軌跡模擬

隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，霾天氣越來越多的出現(xiàn)在人們的視線中。霧霾中的可吸入物質(zhì)會(huì)影響人體的身體健康和心理健康，霧霾造成的的低能見度事件頻發(fā)，社會(huì)公眾對(duì)霧霾的關(guān)注度越來越高，相應(yīng)的研究也越來越多。于庚康[1]等分析了江蘇地區(qū)一次連續(xù)性霧霾天氣過程中混合層高度與AQI的相關(guān)關(guān)系；劉梅[2]等對(duì)2013年1月13~14日江蘇省大霧形成機(jī)制進(jìn)行研究，分析了霧霾持續(xù)和增強(qiáng)的影響因子；劉麗偉[3]等研究了京津冀地區(qū)一次霧霾過程中PM2.5、SO2和NO2日平均濃度的變化情況；陳渤黎[4]等對(duì)常州地區(qū)一次霧霾天氣過程中顆粒物濃度變化進(jìn)行分析，得出SO2、NO2和O3等污染物爆發(fā)性增長(zhǎng)，是霾過程爆發(fā)的內(nèi)因；朱義青[5]等對(duì)臨沂市一次持續(xù)性霧霾天氣過程做后向軌跡模擬分析，發(fā)現(xiàn)京津一帶污染物輸送對(duì)本地污染物濃度上升有重要影響；花叢[6]等分析了2013年1~2月華北典型霧霾天氣過程中邊界層氣象要素垂直結(jié)構(gòu)及逆溫層特征。

濱州市地處黃河三角洲腹地，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，霾天氣頻發(fā)，因此，研究濱州地區(qū)霧霾問題有重要的意義。本文選取了2015年12月19~24日濱州市一次持續(xù)性霧霾天氣進(jìn)行研究，由于持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，污染程度嚴(yán)重，是濱州市近10年以來比較典型的一次重污染天氣過程，具有一定的代表性。本文從環(huán)流形勢(shì)、氣象要素和氣團(tuán)軌跡等方面對(duì)這次霧霾天氣進(jìn)行綜合分析，以期為重污染天氣預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料和方法

文中天氣形勢(shì)資料來源于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers Environmental Predi- ction，NCEP）提供的全球再分析（Final Operational Global Analysis，F(xiàn)NL）資料。常規(guī)氣象要素資料來自濱州市氣象觀測(cè)站。濱州市環(huán)保局在濱城區(qū)共設(shè)立6個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站。本研究所選取數(shù)據(jù)的站點(diǎn)為第二水廠監(jiān)測(cè)站，考慮其距離濱州市氣象觀測(cè)站距離最近，采集的大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)與濱州市氣象觀測(cè)站的氣象要素最為匹配。所收集的資料中出現(xiàn)了部分?jǐn)?shù)值為9999的無效數(shù)據(jù)和缺測(cè)數(shù)據(jù)，研究過程中將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

2 霧霾概況

2015年12月19~24日濱州市連續(xù)6 d空氣質(zhì)量達(dá)重度污染或嚴(yán)重污染?？諝赓|(zhì)量指數(shù)（AQI）通過概念性指數(shù)值形式，可以直觀地反映城市短期空氣質(zhì)量狀況和變化趨勢(shì)。根據(jù)濱州市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，19~24日影響濱州的首要污染物為PM2.5，19日20時(shí)濱州市AQI值為215，為中度污染（四級(jí)），20~23日AQI值整體呈快速上升趨勢(shì)，到23日14時(shí)AQI值飆升至462，達(dá)到嚴(yán)重污染（六級(jí)），24日白天隨著較強(qiáng)冷空氣的到來，AQI指數(shù)開始明顯下降，空氣質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)。

3 氣象條件特征分析

3.1 環(huán)流形勢(shì)分析

2015年12月18日20時(shí)（北京時(shí)，下同），500 hPa歐亞中高緯是“兩槽一脊”的天氣形勢(shì)（圖1a），山東處于暖脊控制下，在河套西部有弱的西風(fēng)槽，19日白天西風(fēng)槽東移減弱，中緯度環(huán)流拉平，直到23日我市500 hPa基本都處于緯向偏西氣流中，冷空氣勢(shì)力較弱，大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài)。850 hPa為弱的反氣旋環(huán)流（圖1b），下沉氣流不利于污染物的垂直向上運(yùn)動(dòng)，污染物得以在邊界層積累，穩(wěn)定的大氣層結(jié)為霧霾天氣的出現(xiàn)和維持提供了有力的條件。24日冷空氣隨西風(fēng)槽東移南下，我市轉(zhuǎn)為槽后西北氣流控制，天氣狀況得到好轉(zhuǎn)。

圖 1 2015年12月18日20時(shí)500 hPa（a）和850 hPa（b）高度場(chǎng)

圖2為2015年12月19日、20~23日以及24日平均海平面氣壓場(chǎng)，表現(xiàn)了這次霧霾從發(fā)展到減弱的過程。18日20時(shí)在河北以北內(nèi)蒙古以西有一冷高壓主體（圖略），之后冷高壓南壓，19日魯西北近地面處于冷高壓底部偏南氣流中（圖2a），近地面偏南風(fēng)可將魯中地區(qū)的污染物向北輸送至濱州地區(qū)，導(dǎo)致濱州地區(qū)空氣質(zhì)量在19日迅速升級(jí)為中度污染。由20~23日平均海平面氣壓場(chǎng)可知（圖2b），山東全省處于均壓場(chǎng)中部，氣壓梯度較小，風(fēng)力較弱，大氣層結(jié)處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，有利于污染物的堆積，最終導(dǎo)致濱州市空氣質(zhì)量由19日的中度污染爆發(fā)性增長(zhǎng)至23日的嚴(yán)重污染。24日受較強(qiáng)冷空氣影響（圖2c），魯西北氣壓梯度明顯增強(qiáng)，東北風(fēng)增大，穩(wěn)定層結(jié)被破壞，稀釋了污染物濃度，空氣質(zhì)量得到明顯好轉(zhuǎn)。

圖 2 2015年12月19日（a）、12月20~23日（b）和24日（c）平均海平面氣壓場(chǎng)

3.2 地面能見度分析

霾和霧相同之處都是視程障礙物，能見度降低是其主要特征。2015年12月19日夜間至24日凌晨，整個(gè)濱州地區(qū)能見度一直低于10 km，整個(gè)過程持續(xù)了約6 d，其中能見度低于1 km的階段從23日下午一直持續(xù)到24日凌晨累計(jì)時(shí)間約為17 h。圖3分別給出了PM2.5濃度在不同時(shí)間與能見度的散點(diǎn)分布，從圖中可以看到，12月19日20時(shí)至24日凌晨能見度與PM2.5體現(xiàn)了較好的反向位變化關(guān)系。整個(gè)過程期間，PM2.5濃度總體呈上升趨勢(shì)，濃度都在100 μg·m-3以上。

3.3 相對(duì)濕度分析

圖4表明了相對(duì)濕度與PM2.5濃度之間的演變關(guān)系，相對(duì)濕度越大，PM2.5濃度也越大，顯然，PM2.5濃度與地面相對(duì)濕度有很好的的正相位變化關(guān)系，這是因?yàn)闅馊苣z粒子會(huì)隨著濕度而增長(zhǎng)，導(dǎo)致能見度下降和PM2.5濃度增大。在這次過程里，霧、霾的階段性特征不明顯，根據(jù)霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)規(guī)定，能見度低于10 km時(shí)，相對(duì)濕度低于80%時(shí)為霾，大于95%時(shí)為霧，介于80%和95%之間為霧霾混合。在這次過程中，相對(duì)濕度起伏較大，出現(xiàn)多次霧和霾相互轉(zhuǎn)換和交替的情況。

圖 3 2015年12月19日20時(shí)~24日02時(shí)第二水廠觀測(cè)站附近能見度與PM2．5濃度相關(guān)性

圖 4 2015年12月19日20時(shí)~24日02時(shí)第二水廠觀測(cè)站附近相對(duì)濕度與PM2.5濃度相關(guān)性

3.4 地面風(fēng)場(chǎng)分析

圖5給出了地面風(fēng)場(chǎng)與PM2.5濃度之間的相關(guān)性分析，二者呈明顯的負(fù)相位關(guān)系。近地層風(fēng)速長(zhǎng)期處于微擾動(dòng)狀態(tài)有利于霧霾的形成和維持。在這次過程中，平均風(fēng)速都在1.5 m·s-1以下，滿足靜小風(fēng)條件，弱風(fēng)或靜風(fēng)條件為本次霧霾過程的持續(xù)形成提供一定的條件。在霧霾過程期間，地面主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠珫|風(fēng)和西南風(fēng)，風(fēng)力基本都是1級(jí)或以下。偏東風(fēng)主要出現(xiàn)在前期，且風(fēng)速基本都在1 m/s左右，風(fēng)力相對(duì)較??；西南風(fēng)主要集中21~23日，風(fēng)力也相對(duì)較小，平均風(fēng)速在1 m/s左右，較小風(fēng)速有利于污染物在局地不斷積累，同時(shí)西南風(fēng)有利于水汽的輸送，為霧形成和維持提供水汽條件。

3.5 大氣層結(jié)分析

在這次霧霾天氣過程中，大氣層結(jié)穩(wěn)定度對(duì)霧霾的形成和維持起著至關(guān)重要的作用，而逆溫層又是判斷大氣穩(wěn)定度的重要標(biāo)準(zhǔn)，逆溫層可使大氣層穩(wěn)定，不利于湍流交換和熱力對(duì)流，阻礙污染物和水汽向上運(yùn)動(dòng)，有利于污染物和水汽在近地面積累，使污染物濃度不斷增大，霾天氣得以產(chǎn)生和維持。因?yàn)闉I州站無探空資料，采用濟(jì)南站的微波輻射計(jì)觀測(cè)資料進(jìn)行研究，選取19~23日08時(shí)前后30 min溫度平均值繪制溫度垂直廓線（圖6），逆溫層高度均在250 m以下，位于1000~925 hPa之間，出現(xiàn)貼地逆溫層。在污染最嚴(yán)重的23日，逆溫層最厚，達(dá)到250 m，百米內(nèi)逆溫達(dá)到2.5 ℃，對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度迅速飆升，達(dá)到此次過程的最高值，同時(shí)能見度明顯下降，達(dá)到此次過程的最低值，有利于霾的形成。在24日冷空氣到來之前，下沉氣流在近地面形成逆溫層，像一個(gè)“暖蓋”一樣阻止下層污染物向上輸送，使污染物長(zhǎng)時(shí)間在下層堆積。同時(shí)，近地層的靜小風(fēng)形成的微弱擾動(dòng)使水汽飽和逆溫層擴(kuò)展到一定高度，為低層大氣氣溶膠凝結(jié)核吸濕增長(zhǎng)提供了充足的水汽，有利于形成大霧。24日隨著冷空氣的到來，風(fēng)速加強(qiáng)，逆溫層被破壞，能見度轉(zhuǎn)好，霧霾逐漸消散。

圖 5 2015年12月19日20時(shí)~24日02時(shí)第二水廠觀測(cè)站附近小時(shí)平均風(fēng)速與PM2.5濃度相關(guān)性

圖 6 2015年12月19~23日08時(shí)濟(jì)南站溫度垂直廓線圖

4 氣流軌跡分析

利用NOAA HYSPLIT模式對(duì)這次霧霾天氣中氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行后向48 h軌跡模擬（圖7），以追蹤到達(dá)濱州的氣團(tuán)過去48 h的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析不同高度上的污染物氣團(tuán)來源。模式主要輸入?yún)?shù)：以濱州市氣象觀測(cè)站（118°0′E，37°22′N）為參考點(diǎn)，選取300 m、500 m和1000 m 3個(gè)高度層，考慮氣團(tuán)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)過程中性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生改變，因此后向軌跡模擬總運(yùn)行時(shí)間設(shè)為48 h；時(shí)間終點(diǎn)設(shè)為12月24日02時(shí)?？梢钥闯?，濱州污染物來源不只是當(dāng)?shù)匚廴驹斐傻模?00 m和1000 m污染物主要來自上游內(nèi)蒙古西，兩條軌跡基本重合，都是從內(nèi)蒙古西向東南方向移動(dòng)，經(jīng)渤海灣后折向?yàn)I州市，300 m污染物主要來自于陜西北部，三個(gè)不同高度的氣團(tuán)軌跡都經(jīng)過上游河北地區(qū)并在渤海灣折向，由于前期河北一帶已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的霧霾天氣，經(jīng)過河北的氣團(tuán)向南折向進(jìn)入濱州市后，勢(shì)必會(huì)造成當(dāng)?shù)氐奈廴疚餄舛润E升，導(dǎo)致濱州市的空氣質(zhì)量明顯降低，PM2.5濃度顯著增大。氣團(tuán)經(jīng)過渤海灣，在移動(dòng)中攜帶大量水汽進(jìn)入濱州，為這次過程中霧的發(fā)展和維持提供了水汽條件，因此濱州市污染物濃度上升除了本地能源燃燒、工礦企業(yè)排放以及交通運(yùn)輸外，來自河北地區(qū)的污染物輸送以及來自北部的水汽保證也是兩個(gè)重要因素。

圖 7 后向軌跡模擬

5 結(jié)論

通過對(duì)2015年12月19~24日濱州地區(qū)的一次連續(xù)性霧霾天氣過程的形成機(jī)制進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）此次霧霾過程500 hPa中高緯度環(huán)流較平直，濱州處于偏西氣流中，大氣層結(jié)穩(wěn)定少動(dòng)；海平面氣壓場(chǎng)較弱，近地面風(fēng)速較小，為霧霾過程提供了有利的氣象條件。

2）在這次霧霾過程中，PM2.5濃度上升、相對(duì)濕度增大和地面靜小風(fēng)速為霧霾的形成和維持提供了有利條件。

3）逆溫層能增強(qiáng)大氣穩(wěn)定度。連續(xù)出現(xiàn)的逆溫層是造成這次霧霾過程的重要?dú)庀笠蛩亍牡孛娴?25 hPa附近出現(xiàn)貼地逆溫層，逆溫層厚度較高，逆溫強(qiáng)度明顯，上暖下冷的“暖蓋”結(jié)構(gòu)阻礙了污染物和水汽向上擴(kuò)散，有利于近地面大霧的生成和維持，易于近地面污染物的積累。

4）根據(jù)NOAA HYSPLIT模式分析得出，影響濱州地區(qū)的外來污染物來源主要有兩條：一是來源于內(nèi)蒙古西，二是來源于陜西北部，兩條路徑都經(jīng)過河北一帶和渤海灣，河北一帶的污染物輸送對(duì)此次霧霾過程有一定的貢獻(xiàn)。

[1] 于庚康,王博妮,陳鵬,等.2013年初江蘇連續(xù)性霧～霾天氣的特征分析[J].氣象,2015,41(5):622-629

[2] 劉梅,嚴(yán)文蓮,張備,等.2013年1月江蘇霧霾天氣持續(xù)和增強(qiáng)機(jī)制分析[J].氣象,2014,40(7):835-843

[3] 劉麗偉,李文才,尚可政,等.京津冀地區(qū)一次嚴(yán)重霾天氣過程及其影響因素分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2015,31(3):35-42

[4] 陳渤黎,雷正脆,吳建秋,等.常州地區(qū)一次持續(xù)性霾天氣過程分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2016,32(3):34-40

[5] 朱義青,胡順起,曹張弛.臨沂市一次持續(xù)性霧霾過程的階段性成因分析[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2015,9(12):5979-5986

[6] 花叢,張碧輝,張恒德.2013年1~2月華北霧、霾天氣邊界層特征對(duì)比分析[J].氣象,2015,41(9):1144-1151

Analysis of a Long-lasting Fog and Haze Event in Binzhou

HE Rui-qi

256600,

Using the conventional meteorological records, sounding data in Zhangqiu station, microwave radiometer observations in Ji’nan and the NCEP reanalysis data, a long-lasting fog and haze event was analyzed from its weather background, weather conditions and the sources of pollution which occurred in Binzhou from December 19 to 24, 2015. The findings are as follows: the zonal circulation in the middle-high latitude at 500 hPa was straight and the weak cold air were the weather situations of the long-lasting fog and haze event; the PM2.5concentration, the visibility and the surface wind were correlated; the most significant characteristic was the inversion of this fog and haze event; there were three main routs of the external pollution conveyor belt in this fog and haze event in Binzhou.

Long-lasting fog and haze; heavy pollution; inversion; backward trajectory

P458.3

A

1000-2324(2019)02-0255-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.018

2018-02-23

2018-03-15

何瑞琦(1986-),女,本科,助理工程師,主要從事中短期天氣預(yù)報(bào)工作. E-mail:jinglh16@163.com