史珺 趙玉潔

(天津市東麗區(qū)氣象局，天津 300300)

引言

當(dāng)前，霧霾天氣已經(jīng)成為城市重要?dú)庀鬄?zāi)害之一。在霧霾天氣過(guò)程中，主要有霧、輕霧和霾3種天氣現(xiàn)象交替出現(xiàn)，一定條件下，霧、輕霧和霾之間存在相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范(2003)》，霧定義為大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能見(jiàn)度小于1.0 km。輕霧定義為微小水滴或已濕的吸濕性質(zhì)粒所構(gòu)成的灰白色的稀薄霧幕，使水平能見(jiàn)度大于等于1.0 km至小于10.0 km。霾定義為大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10.0 km的空氣普遍渾濁現(xiàn)象。霧霾天氣的出現(xiàn)一方面與人類活動(dòng)密切相關(guān)，當(dāng)人類活動(dòng)向大氣排放污染物濃度超過(guò)大氣自凈能力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致霧霾現(xiàn)象出現(xiàn)；另一方面也需要特定的氣象條件。

近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)形成霧霾的氣候?qū)W及天氣學(xué)特征等都做了大量的研究工作。霧霾天氣出現(xiàn)、維持和消散受到大氣擴(kuò)散能力的影響，與局地氣溶膠條件和氣象條件密切相關(guān)[1-4]，特別是與地面天氣形勢(shì)密切相關(guān)[5-9]。此外，霧霾過(guò)程產(chǎn)生和維持也會(huì)受到邊界層結(jié)構(gòu)的影響[10]，城市熱島效應(yīng)對(duì)霧霾產(chǎn)生和分布也有著重要影響[11-12]。但是目前對(duì)于霧霾天氣現(xiàn)象中，霧、輕霧和霾不同階段的影響因子以及霧霾過(guò)程中污染物回流時(shí)氣象要素變化特征的分析還相對(duì)較少。

東麗區(qū)位于天津市的中東部地區(qū)，處于市區(qū)和濱海新區(qū)的交界處，同時(shí)受到城市熱島效應(yīng)和渤海灣海陸風(fēng)的影響，具有獨(dú)特的氣候特征和氣象條件。鑒于此，選取2019年1月10—14日天津市東麗區(qū)出現(xiàn)的一次持續(xù)性霧霾天氣過(guò)程進(jìn)行研究，分析了霧霾天氣過(guò)程的階段性特征和各階段的主要?dú)庀笥绊懸蜃?，并?duì)霧霾階段性消散和生成變化特點(diǎn)進(jìn)行研究，以期為今后霧霾的預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料與方法

常規(guī)氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于天津市氣象信息中心和天津市東麗區(qū)氣象局，包括地面能見(jiàn)度、相對(duì)濕度和風(fēng)向風(fēng)速。天氣形勢(shì)分析數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象局。PM2.5濃度資料來(lái)自天津市環(huán)境氣象中心東麗區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)使用熱電RP1405F監(jiān)測(cè)儀，采用的方法為震蕩天平法。

2 結(jié)果分析

2.1 天氣概況

2019年1月10—14日華北地區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍霧霾天氣過(guò)程，其中12日早上、12日夜間到13日早上，天津地區(qū)出現(xiàn)大范圍霧天氣。13日11時(shí)左右受一股弱冷空氣影響，12—16時(shí)天津市北部和中部部分地區(qū)空氣質(zhì)量短暫恢復(fù)良好水平，之后霧霾再度出現(xiàn)。14日夜間受冷空氣南下影響，華北地區(qū)霧霾天氣徹底消散。

2.2 環(huán)流背景和天氣形勢(shì)

1月9日夜間開始，華北地區(qū)高空環(huán)流轉(zhuǎn)平，850 hPa以偏西氣流為主，在華北中南部形成低壓槽區(qū)，地面受弱高壓場(chǎng)控制，靜穩(wěn)天氣建立(圖1a)。從11日夜間到13日早上，華北地區(qū)850 hPa一直處于暖脊控制，導(dǎo)致中層大氣增溫明顯，為逆溫層出現(xiàn)創(chuàng)造良好條件，地面維持穩(wěn)定均壓場(chǎng)(圖1b至圖1d)，部分時(shí)間段天津地區(qū)出現(xiàn)明顯的霧天氣。13日上午開始，一股弱冷空氣影響天津中北部部分地區(qū)，風(fēng)力增大，污染物逐漸消散，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。13日下午隨著弱冷空氣減弱，地面逐漸轉(zhuǎn)為弱高壓控制(圖1e)，天津地區(qū)再次被霧霾天氣占據(jù)。14日白天上游的貝湖地區(qū)出現(xiàn)明顯冷高壓，但天津地區(qū)由于受弱高壓和穩(wěn)定層結(jié)影響，霧霾天氣仍然維持。14日夜間冷高壓到達(dá)天津地區(qū)，氣壓梯度增強(qiáng)，風(fēng)向轉(zhuǎn)變，風(fēng)速明顯增大，霧霾逐漸消散(圖1f)。

氣壓?jiǎn)挝粸閔Pa圖1 2019年1月9日(a)、10日(b)、11日(c)、12日(d)、13日(e)、14日(f)20時(shí)海平面氣壓分布Fig.1 Spatial distribution of sea level pressure field at 20:00 on January 9 (a),January 10 (b),January 11 (c), January 12 (d),January 13 (e),and January 14 (f),2019

2.3 地面氣象條件

由圖2可知，本次霧霾天氣過(guò)程具有明顯的階段性特征。10日08時(shí)開始能見(jiàn)度下降，相對(duì)濕度增加，風(fēng)速減小，有霧霾天氣出現(xiàn)。12日08—10時(shí)，12日23時(shí)至13日09時(shí)有霧出現(xiàn)，其余大部分時(shí)間輕霧和霾交替出現(xiàn)。13日11時(shí)開始風(fēng)力增加，能見(jiàn)度明顯上升，14時(shí)能見(jiàn)度上升到30000 m，17時(shí)能見(jiàn)度下降到2820 m。14日21時(shí)之后風(fēng)力明顯增大，相對(duì)濕度迅速減小，霧霾逐漸消散。整個(gè)霧霾持續(xù)期間，霾多發(fā)生在白天，輕霧多在傍晚形成，夜間加重。

研究表明[13]，近地面風(fēng)速較大時(shí)，湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，不利于建立靜穩(wěn)條件，而完全靜風(fēng)條件又導(dǎo)致近地面湍流運(yùn)動(dòng)較弱，使水汽無(wú)法向上擴(kuò)散，不利于霧的出現(xiàn)。因此，一定強(qiáng)度風(fēng)速是霧霾形成和發(fā)展的有利因素。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)霧霾出現(xiàn)期間，風(fēng)速基本保持在0.5—3.5 m·s-1之間，沒(méi)有靜風(fēng)出現(xiàn)。霧霾維持階段的風(fēng)向基本以南到西南風(fēng)為主，13日下午和14日夜間霧霾消散階段，風(fēng)向則呈現(xiàn)西北風(fēng)(圖3)。一定數(shù)值范圍的小風(fēng)速和偏南風(fēng)為整個(gè)霧霾天氣過(guò)程形成提供相對(duì)穩(wěn)定且水平輸送較小的氣象條件。

圖2 2019年1月10日08時(shí)至15日08時(shí)東麗區(qū)能見(jiàn)度(a)、相對(duì)濕度(b)和風(fēng)速(c)變化Fig.2 Time variations of visibility (a),relative humidity (b),and wind speed (c) in Dongli District from 08:00 on January 10 to 08:00 on January 15,2019

單位為m·s-1圖3 2019年1月10日(a)、11日(b)、12日(c)、13日(d)、14日(e)和15日(f)東麗區(qū)玫瑰風(fēng)向圖Fig.3 Wind direction rose maps in Dongli District on January 10 (a),January 11 (b),January 12 (c),January 13 (d),January 14 (e),and January 15 (f),2019

為了更好地研究風(fēng)速和相對(duì)濕度在不同階段對(duì)能見(jiàn)度的影響，分別對(duì)霧、輕霧和霾階段的能見(jiàn)度與風(fēng)速和相對(duì)濕度分別進(jìn)行相關(guān)性分析(表1)。在霾和輕霧階段，能見(jiàn)度與相對(duì)濕度均呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相對(duì)濕度越大，能見(jiàn)度越低；能見(jiàn)度與風(fēng)速呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速越小，能見(jiàn)度越低，其中霾階段為極顯著相關(guān)，輕霧階段為顯著相關(guān)。在這兩個(gè)階段的能見(jiàn)度與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)明顯大于能見(jiàn)度與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明能見(jiàn)度更易受到相對(duì)濕度的影響。在霧階段，能見(jiàn)度與相對(duì)濕度和風(fēng)速均呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且能見(jiàn)度與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)明顯大于其與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明在此階段能見(jiàn)度更易受到風(fēng)速的影響。霧階段風(fēng)速均在2 m·s-1以內(nèi)，在此范圍內(nèi)風(fēng)速適當(dāng)增大，有利于能見(jiàn)度進(jìn)一步下降，這與前人研究結(jié)論[14-15]不同。這是由于在霧階段相對(duì)濕度基本達(dá)到飽和時(shí)，在一定小風(fēng)速內(nèi)，當(dāng)風(fēng)速有所增大時(shí)，反而更有利于吸濕性氣溶膠在小范圍內(nèi)輸送吸濕增長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致能見(jiàn)度下降。

表1 霧霾出現(xiàn)時(shí)期不同階段能見(jiàn)度與相對(duì)濕度、風(fēng)速相關(guān)性Table 1 Correlations of visibility with relative humidity and wind speed at different stages during the fog and haze weather process

從表2可知，霧霾出現(xiàn)期間，PM2.5的濃度與能見(jiàn)度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是由于空氣中PM2.5濃度上升后，對(duì)于視覺(jué)出現(xiàn)阻礙，進(jìn)而導(dǎo)致能見(jiàn)度下降。此外，風(fēng)速和PM2.5的濃度同樣具有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速越小，污染物擴(kuò)散速度越慢，PM2.5濃度越高。而PM2.5濃度與相對(duì)濕度呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相對(duì)濕度增加有利于親水性氣溶膠吸濕增長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致PM2.5濃度升高。

表2 霧霾出現(xiàn)時(shí)期PM2.5濃度與能見(jiàn)度、風(fēng)速和相對(duì)濕度的相關(guān)性Table 2 Correlations of PM2.5 concentration with visibility,wind speed,and relative humidity during the fog and haze weather process

2.4 污染物回流階段氣象要素變化特征

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，13日11—17時(shí)能見(jiàn)度出現(xiàn)逐漸上升又快速下降的變化。11—14時(shí)能見(jiàn)度從3973 m逐漸上升至30000 m，而16—17時(shí)能見(jiàn)度從30000 m迅速下降至2820 m。

對(duì)比16：10—16：30各氣象要素變化可以發(fā)現(xiàn)(表3)，截至到16：19能見(jiàn)度一直穩(wěn)定維持在30000 m，16：20下降到19445 m，16：21迅速下降到3958 m，1 min下降79.65%，之后能見(jiàn)度穩(wěn)定維持在4000 m以下。對(duì)比同時(shí)段的各種氣象要素發(fā)現(xiàn)，在能見(jiàn)度開始下降的前后一段時(shí)間，風(fēng)速和濕度變化不大，但是16：20之前風(fēng)向一直為偏北風(fēng)，16：21轉(zhuǎn)為西南風(fēng)并穩(wěn)定維持。對(duì)比周邊地區(qū)能見(jiàn)度(圖4)，16：20位于東麗區(qū)偏北方向的各地區(qū)能見(jiàn)度數(shù)值大部分在10000 m以上，而偏南方向的各地區(qū)能見(jiàn)度數(shù)值均在7000 m以下，有霧霾天氣出現(xiàn)。當(dāng)東麗區(qū)風(fēng)向由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)之后，南部的污染物迅速擴(kuò)散到本地，導(dǎo)致本地區(qū)能見(jiàn)度迅速下降。

表3 2019年1月13日16：10—16：30東麗區(qū)各氣象要素的變化Table 3 Variations of meteorological elements in Dongli District from 16:10 to 16:30 on January 13,2019

圖4 2019年1月13日16：20天津市能見(jiàn)度空間分布Fig 4 Spatial distribution of visibility at 16:20 on January 13,2019 in Tianjin

綜上所述，氣象條件的變化對(duì)能見(jiàn)度的變化具有重要作用，尤其是當(dāng)區(qū)域污染源相對(duì)穩(wěn)定的條件下，風(fēng)向變化對(duì)污染過(guò)程的累積和擴(kuò)散起到了決定性作用。

3 結(jié)論與討論

(1)霧霾期間，高空以穩(wěn)定西風(fēng)環(huán)流為主，對(duì)應(yīng)地面弱氣壓場(chǎng)且水平風(fēng)速較小，為霧霾天氣提供了穩(wěn)定的環(huán)流背景場(chǎng)。850 hPa受到暖脊控制，使中層產(chǎn)生逆溫層并維持，抑制大氣垂直運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致污染物在低層停滯積累，使得霧霾天氣得以維持和發(fā)展。

(2)較小的風(fēng)速、偏南風(fēng)以及較大相對(duì)濕度是霧霾天氣過(guò)程形成和發(fā)展的有利條件。本次霧霾天氣過(guò)程具有明顯的階段性特征。霾和輕霧維持階段，相對(duì)濕度對(duì)能見(jiàn)度的影響更大。霧階段，風(fēng)速對(duì)能見(jiàn)度的影響更大，在一定小風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)速適當(dāng)增大有利于能見(jiàn)度的降低。PM2.5濃度與能見(jiàn)度、風(fēng)速呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

(3)在日常天氣預(yù)報(bào)預(yù)警工作中需要關(guān)注周邊地區(qū)的霧霾天氣和能見(jiàn)度的變化。當(dāng)其他氣象條件穩(wěn)定、周邊地區(qū)存在低能見(jiàn)度現(xiàn)象時(shí)，風(fēng)向的轉(zhuǎn)變成為決定本地能見(jiàn)度變化的關(guān)鍵性因素。一旦污染物高濃度地區(qū)成為本地區(qū)的上風(fēng)區(qū)，本地能見(jiàn)度將迅速下降。