秦云苗,張衛(wèi)中, 郭立平,閆利霞, 黃浩杰

(1.河北省廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；2.河北省霸州市氣象局，河北 霸州 065700)

引 言

由于霾天氣造成的低能見(jiàn)度事件，不但影響人類(lèi)的身體健康，對(duì)各類(lèi)交通也有極大影響，因此對(duì)此類(lèi)低能見(jiàn)度事件的成因進(jìn)行深入的研究有重要意義。我國(guó)科研工作者從多方面對(duì)霾進(jìn)行了廣泛研究[1～5]，其中對(duì)霾天氣的天氣形勢(shì)及氣象要素等宏觀特征研究較多。城市霧霾、大氣污染等現(xiàn)象與城市大氣邊界層中物理過(guò)程息息相關(guān)，因此近年來(lái)城市邊界層的湍流統(tǒng)計(jì)規(guī)律研究成為科研人員關(guān)注的對(duì)象[6-7]。20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)在西北干旱地區(qū)、青藏高原地區(qū)和長(zhǎng)江三角洲地區(qū)進(jìn)行湍流觀測(cè)研究，取得了很多成果[8～16]。由于城市環(huán)境的復(fù)雜性及近地層觀測(cè)儀器的限制，目前對(duì)城市下墊面的湍流特征了解比較少，一些研究主要集中在北京[17]、南京[18～20]等大城市，中小城市鮮有此方面的研究。

本文選取2016～2017年達(dá)到霾標(biāo)準(zhǔn)時(shí)次的湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各級(jí)霾湍流特征量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而加強(qiáng)對(duì)廊坊市霾過(guò)程湍流輸送規(guī)律的客觀認(rèn)識(shí)，為城市環(huán)境變化和大氣污染物的輸送、擴(kuò)散治理提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)促進(jìn)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 觀測(cè)儀器及數(shù)據(jù)處理

本文中湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自廊坊市國(guó)家氣象觀測(cè)站觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)(39.5°N，116.7°E,海拔高度13.7m)，下墊面為草地，儀器距地高度3m，站點(diǎn)地理位置基本反映郊區(qū)地表特點(diǎn)。觀測(cè)采用UTA-2型超聲風(fēng)速溫度儀，可測(cè)量U、V、W三維風(fēng)速分量，風(fēng)速分辨率：0.01m/s，風(fēng)速量程：0～40m/s。儀器采樣頻率設(shè)置為20Hz。其中U、V、W在三維直角坐標(biāo)下，分別表示：南北方向的分量(從南到北為正)，東西方向的分量(從東到西為正)和垂直方向的分量(從下到上為正)。

參考李敏娜[21]等的方法，以10min為樣本長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)脈動(dòng)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，流程包括：剔除不合理值和明顯錯(cuò)誤的野點(diǎn)(以3倍方差作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))，整體平均，自然坐標(biāo)系下的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)[21]，使儀器所測(cè)U與主風(fēng)向一致。計(jì)算出的湍流統(tǒng)計(jì)特征量主要有：風(fēng)速脈動(dòng)量σ，湍流強(qiáng)度I，湍流動(dòng)能ETK和平均動(dòng)能E。計(jì)算公式如下：

風(fēng)速脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差：

湍流強(qiáng)度：

湍流動(dòng)能：

平均動(dòng)能：

根據(jù)QXT113-2010《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》[22]，對(duì)2016～2017年廊坊市氣象站能見(jiàn)度資料及廊坊市環(huán)保部門(mén)PM2.5資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到符合霾標(biāo)準(zhǔn)時(shí)次為4 080次，根據(jù)能見(jiàn)度將其分為輕微、輕度、中度和重度4個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度分別為5.0～10.0 km、3.0～<5.0 km、2.0～<3.0 km和<2.0 km。在實(shí)際業(yè)務(wù)中，根據(jù)霾發(fā)生時(shí)的風(fēng)速特征，將霾分為三種類(lèi)型：(1)靜穩(wěn)型霾：霾發(fā)生時(shí)的小時(shí)極大風(fēng)速均為5級(jí)以下，天氣形勢(shì)穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的冷空氣活動(dòng)；(2)混合型霾：霾發(fā)生時(shí)小時(shí)極大風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)5級(jí)，但一天內(nèi)不足5h，這一類(lèi)型的霾主要表現(xiàn)為前期天氣形勢(shì)穩(wěn)定，但隨著冷空氣入侵，風(fēng)速加大，但能見(jiàn)度尚未好轉(zhuǎn)；(3)風(fēng)霾：霾發(fā)生時(shí)小時(shí)極大風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)5級(jí)，且一天內(nèi)達(dá)到或超過(guò)5h。其中靜穩(wěn)霾中輕微、輕度、中度及重度霾的比例分別為：15.7%、18.0%、34.3%、32.0%，混合型霾中各級(jí)霾的比例分別為4.6%、10.2%、39.4%、45.8%，風(fēng)霾中各級(jí)霾的比例分別為10.0%、42.9%、30.0%、17.1%。

2 結(jié)果分析

2.1 霾的風(fēng)速脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差(σ)特征分析

2.1.1 不同級(jí)別霾風(fēng)速脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差(σ)特征

對(duì)2016～2017年廊坊市各級(jí)別霾日風(fēng)速脈動(dòng)值進(jìn)行計(jì)算和分析，結(jié)果表明(表1)，輕微霾南北、東西和垂直方向上平均風(fēng)速脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差σu、σv、σw分別為0.404 3m/s、0.411 9m/s和0.223 9m/s；輕度霾各方向分別為0.370 9m/s、0.375 7m/s和0.204 5m/s；中度霾各方向分別為0.317m/s、0.331 5m/s和0.179m/s；重度霾各方向分別為0.244 4m/s、0.266 5m/s和0.137 1m/s。由此可見(jiàn)，隨霾程度的加重各方向風(fēng)速脈動(dòng)值逐漸接近各方向平均值。將各方向風(fēng)速脈動(dòng)值分為0.01～0.1 m/s、0.1～1.0 m/s、1.0～2.5 m/s三個(gè)量級(jí)，以南北方向?yàn)槔治霭l(fā)現(xiàn)重度霾時(shí)對(duì)應(yīng)此三個(gè)量級(jí)分別占比9.5%、90.3%和0.2%，中度霾則分別為8.1%、90.2%和1.7%，輕度霾則分別為5.8%、92.8%和1.4%，輕微霾則分別為5.2%、92.4%和2.4%。各級(jí)別霾時(shí)風(fēng)速脈動(dòng)值均主要集中在0.1～1.0 m/s，其次為0.01～0.1 m/s，以1.0～2.5 m/s出現(xiàn)最少。其余兩個(gè)方向分布情況與南北方向相似。

表1 2016～2017年廊坊市各級(jí)別霾風(fēng)速脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差分布情況Tab.1 Standard difference distribution of haze velocity fluctuation at different levels in Langfang City from 2016 to 2017 (m/s)

以南北方向?yàn)槔M(jìn)一步分析(表2),當(dāng)σu為0.01～0.1m/s時(shí)，輕微、輕度、中度及重度霾占比分別為：25.7%、30.3%、22.2%和21.8%；當(dāng)σu為0. 1～1.0m/s時(shí)，各級(jí)霾占比分別為：32.7%、34.8%、17.7%和14.8%；σu為1.0～2.5m/s時(shí)，各級(jí)霾占比分別為：49.2%、30.2%、19.0%和1.6%?？梢钥闯?，各個(gè)量級(jí)脈動(dòng)值中，均以重度霾出現(xiàn)機(jī)率為最小，輕度霾或輕微霾出現(xiàn)機(jī)率最高。其余方向的分布特征與南北方向大體一致，垂直方向σw為1.0～2.5m/s時(shí)，則是輕度和中度霾各占50%，輕微與重度霾未出現(xiàn)。

表2 2016～2017年廊坊市不同量級(jí)σu時(shí)各級(jí)別霾分布情況Tab.2 Distribution of haze at different levels of σu in Langfang City from 2016 to 2017 (%)

2.1.2 依據(jù)風(fēng)速分類(lèi)的霾風(fēng)速脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差(σ)特征

圖1為2016～2017年廊坊市靜穩(wěn)霾、混合霾和風(fēng)霾不同方向風(fēng)速脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差σu、σv、σw平均值分布情況，靜穩(wěn)霾時(shí)各方向σu、σv、σw平均值分別為0.333 4m/s、0.342 5m/s 和0.185 5m/s；混合型霾σu、σv、σw平均值分別為0.520 5 m/s、0.531 m/s和0.282 6 m/s；風(fēng)霾σu、σv、σw平均值分別為0.867 m/s、0.870 2 m/s和0.484 1 m/s。可以看出，3種類(lèi)型霾水平方向σ值均大于垂直方向，各方向均以風(fēng)霾σ值為最大，以靜穩(wěn)霾σ值為最小，即隨著風(fēng)速脈動(dòng)量的增加，其霾的類(lèi)型由靜穩(wěn)型向混合型、進(jìn)而向風(fēng)霾演變。分析還發(fā)現(xiàn)，在輕微、輕度、中度和重度各級(jí)別霾中，風(fēng)速脈動(dòng)值均以風(fēng)霾為最大，混合霾次之，靜穩(wěn)霾為最小。

圖1 2016～2017年3種類(lèi)型霾天氣風(fēng)速脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差(σ)分布情況Fig.1 Distribution of standard deviation (σ) of wind velocity fluctuation in three types of haze weather from 2016 to 2017

2.2 霾的湍流強(qiáng)度(I)特征分析

湍流強(qiáng)度是描述風(fēng)速隨時(shí)間和空間變化程度的物理量，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度，是描述大氣湍流運(yùn)動(dòng)特性重要的特征量。以下文中Iu、Iv、Iw分別代表水平南北方向、水平東西方向及垂直方向的湍流強(qiáng)度值。

2.2.1 不同級(jí)別霾的湍流強(qiáng)度特征分析

對(duì)2016～2017年廊坊市各級(jí)別霾日的湍流強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和分析(表3)，結(jié)果表明輕微霾的Iu、Iv、Iw平均值分別為0.892 2、0.921 4和0.47；輕度霾Iu、Iv、Iw平均值分別為0.905、0.932 5和0.474 6；中度霾Iu、Iv、Iw平均值分別為0.888、0.931 9和0.455 3；重度霾Iu、Iv、Iw平均值分別為0.880 1、0.936 6和0.423 9。各級(jí)別霾均以東西方向上湍流強(qiáng)度最大，南北方向次之，垂直方向最小。在南北方向和垂直方向上，以重度霾的湍流強(qiáng)度為最小，中度霾次之，輕度霾最大；在東西方向上，則以輕微霾為最小，中度霾次之，而重度霾最大。

表3 2016～2017年廊坊市各級(jí)別霾湍流強(qiáng)度分布情況Tab.3 Distribution of haze turbulence intensity at different levels in Langfang City from 2016 to 2017

2.2.2 依據(jù)風(fēng)速分類(lèi)霾湍流強(qiáng)度(I)特征分析

圖2為2016～2017年廊坊市3種類(lèi)型霾不同方向湍流強(qiáng)度平均值分布情況，靜穩(wěn)霾時(shí)三個(gè)方向湍流強(qiáng)度平均值分別為0.899 2、0.935 9和0.463 9；混合型霾分別為0.832 1、0.859 9和0.437 1；風(fēng)霾分別為0.814 8、0.803 8和0.439 3?？梢钥闯?，3種類(lèi)型霾水平方向湍流強(qiáng)度均大于垂直方向，各方向均以靜穩(wěn)霾湍流強(qiáng)度為最大，水平方向以風(fēng)霾的湍流強(qiáng)度為最小，垂直方向則是混合霾為最小。分析還發(fā)現(xiàn)，輕微、輕度、中度和重度各級(jí)別霾中，靜穩(wěn)、混合和風(fēng)霾的湍流強(qiáng)度分布不盡相同，輕微霾中由大到小依次為靜穩(wěn)霾、混合霾和風(fēng)霾；輕度霾則以風(fēng)霾為最大，混合霾為最小；中度霾和重度霾均為混合霾為最大，風(fēng)霾最小。

圖2 2016～2017年3種類(lèi)型霾天氣湍流強(qiáng)度(I)分布情況Fig.2 Distribution of turbulence intensity (I) in three types of haze weather from 2016 to 2017

2.2.3 不同季節(jié)3種類(lèi)型霾的湍流強(qiáng)度分布情況

圖3為2016～2017年不同季節(jié)3種類(lèi)型霾時(shí)的湍流強(qiáng)度平均值分布情況，可以看出，夏季湍流強(qiáng)度為最大，南北方向以風(fēng)霾為最大，混合霾其次，靜穩(wěn)霾最小，東西方向和垂直方向均為混合霾最大，靜穩(wěn)霾其次，風(fēng)霾最小；秋季湍流強(qiáng)度為一年中次大，3個(gè)方向由大到小均為：靜穩(wěn)霾、混合霾和風(fēng)霾；冬季未出現(xiàn)風(fēng)霾，3個(gè)方向均為混合霾大于靜穩(wěn)霾；春季3個(gè)方向由大至小均為靜穩(wěn)霾、風(fēng)霾和混合霾。

圖3 2016～2017年不同季節(jié)3種類(lèi)型霾天氣湍流強(qiáng)度(I)分布情況Fig.3 Distribution of turbulence intensity (I) of three types of haze weather in different seasons from 2016 to 2017

2.3 霾的湍流動(dòng)能(ETK)特征分析

湍流動(dòng)能是微氣象學(xué)中的一個(gè)重要變量，以ETK表征湍流擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱，其強(qiáng)度變化與霾的形成發(fā)展有直接關(guān)系。

2.3.1 不同級(jí)別霾湍流動(dòng)能特征

圖4為2016～2017年廊坊市各級(jí)別霾湍流動(dòng)能(ETK)分布情況，數(shù)據(jù)表明，輕微霾湍流動(dòng)能平均為0.290 7m2/s2，輕度霾為0.226 4m2/s2、中度霾為0.171 8m2/s2，重度霾為0.104 2m2/s2。由此可見(jiàn)，隨霾程度的加重湍流動(dòng)能為逐漸減小的趨勢(shì)。將湍流動(dòng)能分為0.001～0.01m2/s2、0.01～1.0m2/s2、1.0～2.5m2/s2及2.5～5.0m2/s2四個(gè)量級(jí)，發(fā)現(xiàn)輕微霾時(shí)對(duì)應(yīng)此四個(gè)量級(jí)分別占比2.6%、93.9%、3.2%和0.3%，輕度霾則分別為3.1%、95.7%、1.1%和0.1%，中度霾則分別為3.4%、95.2%、1.4%和0%，重度霾則只出現(xiàn)了0.001～0.01m2/s2、0.01～1.0m2/s2，分別為4.2%和95.8%。各級(jí)別霾時(shí)湍流動(dòng)能均主要集中在0.01～1.0m2/s2，其次為0.001～0.01m2/s2和1.0～2.5m2/s2。

圖4 2016～2017年廊坊市各級(jí)別霾湍流動(dòng)能分布情況Fig.4 Energy Distribution of Haze Turbulence at Different Levels in Langfang City from 2016 to 2017

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)(表4)，當(dāng)ETK為0.001～0.01m2/s2時(shí)，輕微、輕度、中度及重度霾占比分別為：27.2%、33.6%、19.2%和20.0%；當(dāng)ETK為0.01～1.0m2/s2時(shí)，各級(jí)霾占比分別為：32.1%、34.7%、18.0%和15.2%；ETK為1.0～2.5m2/s2時(shí)，各級(jí)霾占比分別為：62.1%、22.7%、15.2%和0.0%；ETK為2.5～5.0m2/s2時(shí)，各級(jí)霾占比分別為：66.7%、33.37%、0.0%和0.0%。在各量級(jí)湍流動(dòng)能中，除0.001～0.01m2/s2以中度霾占比最少，重度霾次少外，其它均以重度霾占比最少，中度霾占比次少，其中1.0～2.5m2/s2及2.5～5.0m2/s2中度和重度霾占比均為0.0%。ETK為0.001～0.01m2/s2、0.01～1.0m2/s2均為輕度霾占比最高，輕微霾次高，ETK為1.0～2.5m2/s2及2.5～5.0m2/s2時(shí)，則是輕微霾占比最高，輕度霾次高。

表4 不同量級(jí)湍流動(dòng)能出現(xiàn)時(shí)各級(jí)別霾的分布情況Tab.4 Distribution of haze at different levels of turbulence energy (%)

2.3.2 依據(jù)風(fēng)速分類(lèi)的霾湍流動(dòng)能特征

圖5為2016～2017年3種類(lèi)型霾湍流動(dòng)能平均值分布情況，靜穩(wěn)霾湍流動(dòng)能平均值為0.188 9m2/s2，其中最大值為2.116 1m2/s2，最小值為0.003 4m2/s2；混合型霾湍流動(dòng)能平均值為0.447 9m2/s2，其中最大值為2.380 6m2/s2，最小值為0.010 2m2/s2；風(fēng)霾湍流動(dòng)能平均值為1.104 5m2/s2，其中最大值為5.006 7m2/s2，最小值為0.038 7m2/s2。可以看出，三種類(lèi)型的霾中，風(fēng)霾湍流動(dòng)能平均值為最大，其次為混合霾，靜穩(wěn)型霾湍流動(dòng)能為最小，這種分布特點(diǎn)與霾的成因不同有關(guān)，靜穩(wěn)霾時(shí)風(fēng)速較小，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，有時(shí)甚至有逆溫層存在[23]，使湍流動(dòng)能得到抑制。而風(fēng)霾時(shí)一般均有冷空氣過(guò)境，從而使風(fēng)速持續(xù)較大?；旌霄矂t介于以上二者之間，通常前期為靜穩(wěn)形勢(shì)，大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，湍流減弱，后期隨天氣系統(tǒng)改變，冷空氣過(guò)境，風(fēng)速加大使湍流得到發(fā)展。另分析發(fā)現(xiàn)，靜穩(wěn)、混合和風(fēng)3種類(lèi)型霾在各量級(jí)湍流動(dòng)能中的分配也主要集中在0.01～1.0m2/s2，其中混合、風(fēng)霾中未出現(xiàn)0.001～0.01m2/s2這一級(jí)別，靜穩(wěn)和混合霾則未出現(xiàn)2.5～5.0m2/s2。

圖5 2016～2017年3種類(lèi)型霾天氣湍流動(dòng)能分布情況Fig.5 Distribution of turbulent energyin three types of haze weather from 2016 to 2017

2.3.3 不同季節(jié)3種類(lèi)型霾的湍流動(dòng)能分布情況

大氣中的湍流按其成因可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是因熱力因素引起的稱(chēng)為熱力湍流，一類(lèi)是在風(fēng)力作用下由于地面摩擦、地形起伏而引起的為動(dòng)力湍流。分別對(duì)靜穩(wěn)霾、混合霾及風(fēng)霾不同量級(jí)湍流動(dòng)能對(duì)應(yīng)的氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，隨著霾的湍流動(dòng)能級(jí)別升高，其平均氣溫也為升高的趨勢(shì)，以靜穩(wěn)霾為例，當(dāng)湍流強(qiáng)度為0.001～0.01m2/s2時(shí)，其平均氣溫為2.3℃,湍流強(qiáng)度為0.01～0.1m2/s2時(shí)，平均氣溫為4.2℃，湍流強(qiáng)度為0.1～1.0m2/s2時(shí)平均氣溫為13.2℃,湍流強(qiáng)度為1.0～5.0m2/s2時(shí)平均氣溫為17.0℃，可以看出，溫度的升高利于湍流動(dòng)能的增強(qiáng)。

對(duì)2016～2017年不同季節(jié)3種類(lèi)型霾的湍流動(dòng)能平均值分布情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖6)，四季中均以靜穩(wěn)霾時(shí)湍流動(dòng)能為最小，混合霾居中，春、夏、秋季均以風(fēng)霾的湍流動(dòng)能為最大，冬季未出現(xiàn)風(fēng)霾。靜穩(wěn)霾ETK季節(jié)分布如下：冬季平均值為0.124 6m2/s2，春季為0.267 2m2/s2，夏季為0.285 96m2/s2，秋季為0.189 9m2/s2，靜穩(wěn)霾夏季ETK為最大，然后依次為春季、秋季、冬季，這主要是因?yàn)殪o穩(wěn)霾時(shí)動(dòng)力湍流較小，而熱力湍流貢獻(xiàn)相對(duì)較大，夏季氣溫較其它季節(jié)都明顯偏高，故而使得夏季的湍流動(dòng)能為最大。混合型霾ETK季節(jié)分布則以春季為最大，然后依次為：秋季、冬季、夏季。風(fēng)霾ETK以春季為最大，然后依次為秋季、夏季。風(fēng)霾動(dòng)力湍流占居主導(dǎo)地位，廊坊市春季風(fēng)速較秋、夏均明顯偏大，故而使得春季時(shí)的湍流動(dòng)能為最大，秋季次之，夏季最小。而混合型霾動(dòng)力湍流較熱力湍流也偏大，故而也以春季湍流動(dòng)能為最大，秋季略大于冬季，夏季最小。

圖6 2016～2017年不同季節(jié)3種類(lèi)型霾天氣湍流動(dòng)能分布情況Fig.6 Distribution of turbulent energy in three types of haze weather in different seasons from 2016 to 2017

2.4 霾的平均動(dòng)能(E)特征分析

2.4.1 不同級(jí)別霾的平均動(dòng)能特征

圖7為2016～2017年廊坊市各級(jí)別霾平均動(dòng)能分布情況，結(jié)果表明，輕微霾平均動(dòng)能平均為0.366 5m2/s2，輕度霾為0.281 2m2/s2、中度霾為0.237 2m2/s2，重度霾為0.170 3m2/s2?？梢钥闯觯S著霾嚴(yán)重程度的增加，平均動(dòng)能呈逐漸減小的趨勢(shì)。進(jìn)一步將平均動(dòng)能分為0.001～0.01m2/s2、0.01～1.0m2/s2、1.0～5.0m2/s23個(gè)量級(jí)，發(fā)現(xiàn)輕微霾時(shí)對(duì)應(yīng)此3個(gè)量級(jí)分別占比1.0%、90.1%、8.9%，輕度霾則分別為1.3%、93.1%、5.6%，中度霾則分別為1.0%、95.7%、3.3%，重度霾則分別為1.3%、97.2%、1.5%。各級(jí)別霾的湍流動(dòng)能均主要集中在0.01～1.0m2/s2，其次為1.0～5.0m2/s2，最少的為0.001～0.01m2/s2。

圖7 2016～2017年廊坊市各級(jí)別霾平均動(dòng)能分布情況Fig.7 Average kinetic energy distribution of haze at different levels in Langfang City from 2016 to 2017

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)(表5)，當(dāng)E為0.001～0.01m2/s2時(shí)，輕微、輕度、中度及重度霾占比分別為：27.3%、40.9%、13.6%和18.2%；E為0.01～1.0m2/s2時(shí)，各級(jí)霾占比分別為：32.1%、35.2%、16.7%和16.0%；E為1.0～5.0m2/s2時(shí)，各級(jí)霾占比分別為：52.5%、34.4%、9.5%和3.6%。在各量級(jí)平均動(dòng)能中，0.001～0.01m2/s2和0.01～1.0m2/s2以輕度霾占比最高，輕微霾次之，中度霾為最少。1.0～5.0m2/s2則是以輕微霾占比最高，輕度霾次之，重度霾最少。

2.4.2 依據(jù)風(fēng)速分類(lèi)的各類(lèi)型霾平均動(dòng)能特征

圖8為2016～2017年3種類(lèi)型霾的平均動(dòng)能分布情，靜穩(wěn)霾平均動(dòng)能平均值為0.251m2/s2，其中最大值為3.507 6m2/s2，最小值為0.005 8m2/s2；混合型霾平均動(dòng)能平均值為0.602 4m2/s2，其中最大值為3.784m2/s2，最小值為0.008 9m2/s2；風(fēng)霾平均動(dòng)能平均值為1.056 7m2/s2，其中最大值為4.047 7m2/s2，最小值為0.049 1m2/s2。

表5 不同量級(jí)平均動(dòng)能出現(xiàn)時(shí)各級(jí)別霾的分布情況Tab.5 Distribution of haze at different levels with average kinetic energy (%)

可以看出，3種類(lèi)型的霾中，風(fēng)霾平均動(dòng)能為最大，其次為混合霾，靜穩(wěn)霾最小，這種分布特點(diǎn)是由于平均動(dòng)能與風(fēng)速有直接關(guān)系，靜穩(wěn)霾時(shí)一般風(fēng)速較小，故平均動(dòng)能較小。而風(fēng)霾時(shí)一般均有冷空氣過(guò)境，風(fēng)速持續(xù)較大，使得平均動(dòng)能也比較大。混合霾則介于以上二者之間，通常前期為靜穩(wěn)形勢(shì)，后期冷空氣過(guò)境，風(fēng)速加大使平均動(dòng)能增大。

圖8 2016～2017年3種類(lèi)型霾天氣平均動(dòng)能(E)分布情況Fig.8 Average kinetic energy (E) distribution of three types of haze weather in 2016～2017

2.4.3 不同季節(jié)3種類(lèi)型霾的平均動(dòng)能分布情況

圖9為2016～2017年不同季節(jié)各類(lèi)型霾時(shí)的平均動(dòng)能平均值的分布情況，可以看出，四季中均以靜穩(wěn)霾時(shí)的平均動(dòng)能為最小，混合霾居中，春、夏、秋季均以風(fēng)霾的平均動(dòng)能為最大，冬季未出現(xiàn)風(fēng)霾。靜穩(wěn)霾E冬季平均值為0.228 8m2/s2，春季為0.375 6m2/s2，夏季為0.268 9m2/s2，秋季為0.206 4m2/s2，可知靜穩(wěn)霾E春季為最大，然后依次為夏季、冬季、秋季?；旌闲亡矔r(shí)E以春季為最大，然后依次為：秋季、冬季、夏季。風(fēng)霾時(shí)以秋季為最大，然后依次為春季、夏季。

圖9 2016～2017年不同季節(jié)3種類(lèi)型霾天氣平均動(dòng)能(E)分布情況Fig.9 Average kinetic energy (E) distribution of three types of haze weather in different seasons from 2016 to 2017

3 結(jié) 論

3.1 從輕微、輕度、中度和重度霾，隨著霾程度的加重各方向風(fēng)速脈動(dòng)值逐漸接近各方向平均值；各級(jí)別霾中風(fēng)速脈動(dòng)值均以風(fēng)霾為最大，混合霾次之，靜穩(wěn)霾為最小。

3.2 各級(jí)別霾均以東西方向上湍流強(qiáng)度最大，南北方向次之，垂直方向最??；輕微霾時(shí)湍流強(qiáng)度由大到小依次為靜穩(wěn)霾、混合霾和風(fēng)霾，輕度霾則以風(fēng)霾為最大，混合霾為最小，中度霾和重度霾均為混合霾為最大，風(fēng)霾最?。桓黝?lèi)型霾均以夏季湍流強(qiáng)度為最大，然后依次為秋季、冬季、春季。

3.3 隨霾嚴(yán)重程度的增加其湍流動(dòng)能逐漸減小，各級(jí)別霾時(shí)湍流動(dòng)能均主要集中在0.01～1.0m2/s2；風(fēng)霾湍流動(dòng)能平均值為最大，其次為混合霾，靜穩(wěn)型霾湍流動(dòng)能為最??；四季中均以靜穩(wěn)霾時(shí)湍流動(dòng)能為最小，混合霾居中，春、夏、秋季均以風(fēng)霾的湍流動(dòng)能為最大，冬季未出現(xiàn)風(fēng)霾。

3.4 隨著霾嚴(yán)重程度的增加，平均動(dòng)能呈逐漸減小的趨勢(shì)，各級(jí)別霾的湍流動(dòng)能均主要集中在0.01～1.0m2/s2；風(fēng)霾平均動(dòng)能為最大，其次為混合霾，靜穩(wěn)霾最?。凰募局芯造o穩(wěn)霾平均動(dòng)能最小，混合霾居中，春、夏、秋季均以風(fēng)霾最大。

3.5 將湍流動(dòng)能分為0.001～0.01m2/s2、0.01～1.0m2/s2、1.0～2.5m2/s2及2.5～5.0m2/s24個(gè)量級(jí)，輕微、輕度、中度及重度霾湍流動(dòng)能均主要集中在0.01～1.0m2/s2，其次為0.001～0.01m2/s2和1.0～2.5m2/s2。靜穩(wěn)、混合和風(fēng)3種類(lèi)型霾在各量級(jí)湍流動(dòng)能中的分配也主要集中在0.01～1.0m2/s2，其中混合、風(fēng)霾中未出現(xiàn)0.001～0.01m2/s2這一級(jí)別，靜穩(wěn)和混合霾則未出現(xiàn)2.5～5.0m2/s2。