德州市灰霾天氣特征及成因分析

胡雪紅 孫翠鳳 張 琳

(山東省德州市氣象局，山東 德州 253078）

灰霾是指懸浮在空中，肉眼無法分辨的大量微小塵粒、煙粒或鹽粒的集合體，使空氣混濁，水平能見度降至10km以下的一種天氣現象［1］。當灰霾濃度達到某一界限后，空氣質量一般較差。近年來，隨著人們生活水平的提高，城市化進程的加快，尤其是90年代末以來，空氣污染物排放增加，灰霾天氣劇增，引起了全社會對城市空氣質量的高度重視。有不少學者從不同角度對霧霾天氣特征進行分析［2－6］，宋娟等分析了江蘇省快速城市化進程對霧霾日時空變化的影響，鄭峰等對溫州地區霧霾氣候特征及其預報做了較詳細的分析，楊玉霞等分析了魯西北灰霾天氣特征及灰霾對日照時數的影響，而針對灰霾天氣產生的成因分析較少。

本文將著重1981年以來32年灰霾天氣分布特征入手，針對2007年6月10－12日德州出現的一次嚴重的灰霾天氣過程，進行動力學和物理量診斷分析，試圖探討灰霾天氣的發生、發展和消亡的成因，以期對灰霾天氣進行較準確的預報和預警。80年代指1981－1990年，依次類推。季節劃分為:冬季(12月－次年2月），春季(3月－5月），夏季(6月－8月），秋季(9月－11月）。

1 灰霾天氣分布特征

圖1 1981－2012年灰霾天氣年日數分布

統計1981－2012年32年以來灰霾分布(見圖1），2010年最多，為102天。從年代際變化分析，灰霾日數年際變化明顯，80年代灰霾天氣極少，僅0.6天/10a;90年代8.6天/10a，本年代末增加較快;2000年代以來呈現迅猛增多的趨勢，達到49.4天/10a，是90年代的5.7倍。分析32年以來的月平均分布看出，德州一年四季都有灰霾天氣出現，按季節分布，冬、春、夏、秋分別為6.3天、4.5天、4.7 天和4.1天，其中 1 月、6 月、12 月最多，月均大于2.3天;8、9 月份最少，月均 0.6 －0.7 天，其余月份 1 －2天。其中夏季的灰霾天數較多主要是6月份出現較多。由于1997年以前除個別年份外(1993－1994年），大部分年份僅0－2天，使得月均值較小。

2 灰霾天氣過程特點和天氣背景

2.1 灰霾天氣特點和空氣污染物監測分析

2007年6月10－12日在山東西北部、河北中南部持續出現大范圍的灰霾天氣，能見度最小時僅700 m，空氣渾濁，氣味刺鼻，眼睛酸澀。

通過對10－12日逐時空氣污染物監測分析發現(圖2），德州市的首要污染物是可吸入顆粒物(PM10），在11日10時－12日00時和12日11時－13日01時兩個時段內濃度值都大于0.251mg/m3(即污染指數大于201），其中11日13－17時和12日11－12時濃度值均大于0.421mg/m3(即污染指數大于300），屬重度污染。由此可見，這次出現的灰霾天氣導致空氣污染嚴重。

圖2 2007年6月10日13時－13日11時污染物濃度分布

2.2 天氣背景

2007年6月10日，在烏拉爾山和貝加爾湖地區為低槽區，兩個低槽之間為高壓脊(中阻塞型［7］），華北大部受暖性高壓脊控制。11日華北地區的高壓脊東移，高原東部到山東中部、長江以北到黃河流域為寬廣的弱槽區，氣壓場很弱，且沒有明顯的冷暖氣流活動;這種形勢維持到12日夜間。由于從低緯到高緯的大尺度天氣系統的穩定，寬廣的弱氣壓場為華北中南部地區霾天氣的發生提供了比較穩定的大氣環流條件。地面上，10－11日華北地區處于南高北低的形勢下，蒙古低壓沿高空引導氣流偏東方向移動，它的中南部地區位于高壓后部，氣壓梯度小，以偏南風為主，12日地面轉為偏東風，河套到魯西北沒有等壓線經過，說明氣壓場很弱，這有利于灰霾天氣的維持。13日伴隨一股冷空氣的擴散南下，持續三天的灰霾天氣結束。

3 霾天氣的氣象要素特征

3.1 地面要素特征分析

從10日13時－13日09時德州市的海平面氣壓、風速變化曲線(圖略）可以看到，逐時海平面氣壓較低，均在1 002－1 013 hPa間變化，氣壓梯度小，也決定了地面風速小，除了10日21時達3級(4.7m/s），其它時次風速均小于3級。水平風速直接影響大氣湍流的運動，風力強弱則影響空氣污染物的擴散速度，風速與污染物在空氣中的濃度成反比［8］。由于大氣的擴散能力弱，污染物不宜擴散，導致了強而持久的灰霾天氣。

從10日13時－13日09時德州市的相對濕度和溫度變化曲線(圖略）可以看出，近三天相對濕度＜70%，在重度污染期間，相對濕度只有37－50%，11日14時溫度28.2℃，比10 日和 12 日的 33.9℃和 29.2℃都偏低;灰霾天氣出現期間相對濕度呈上升趨勢變化，而溫度呈下降趨勢變化，且二者呈反位相。灰霾天氣的出現，導致大氣氣溶膠增加，進而造成日照減少［9］，溫度也相應偏低。

3.2 大氣層結特征分析

大量研究［10、11］表明，有逆溫層存在，可使污染物在地面上停滯積聚，加劇空氣污染的程度，近地層出現逆溫還有利于霧霾的形成。對10－12日灰霾天氣發生地區的邢臺、北京兩個站的探空資料進行分析，10日08時邢臺的逆溫層位于980－930 hPa，11日08時逆溫層抬升到900 hPa，γ=5/100(℃/m）(即每上升100米氣溫上升5℃），12日逆溫層較11日減弱，逆溫層頂也降低到920 hPa，;10日08時北京近地層存在兩個逆溫層，一個位于950－920 hPa，另一個位于820－800 hPa，11日逆溫層減弱，僅在920－900 hPa存在一個較薄的逆溫層，12日逆溫層增厚，但較11日減弱。從以上分析可以看出，這三天邢臺、北京兩站的近地層逆溫層都表現為10日、12日較弱，11日最強，這與首要污染物的逐時分布特征一致，逆溫層增強，大氣更加穩定，更有利于灰霾天氣的加強和維持，由于最大逆溫層頂在900 hPa附近，且γ=5/100(℃/m），污染物無法向上輸送而只能在其下部聚集，造成空氣質量嚴重惡化;邢臺站的逆溫層比北京的要強，這與高低空環流形勢的配置密切相關，也與灰霾天氣的分布情況一致，即河北中南部和德州市的霾天氣比北京附近的要強。

4 灰霾天氣物理量診斷分析

通過對10－12日物理量場進行診斷分析，了解本次過程大氣低層的氣流變化情況，進而探討灰霾天氣的發生、發展和消亡過程。

10日08時－12日08時，灰霾發生地區的1 000 hPa、925 hPa的垂直速度幾乎為0，850 hPa的垂直速度為3－10 Pa·s－1，這表明近地層上升運動很弱，動力條件較差，不利于污染物擴散，導致灰霾天氣持續時間較長。

10日08－20時，霾區1 000 hPa、925 hPa的渦度、散度值很小，在0 －0.8 s－1，850 hPa 為負渦度、正散度，為下沉運動區，阻止近地層污染物向上擴散;11日1000 hPa的渦度、散度值仍很小，925 hPa為下沉運動區，而850 hPa趨于無輻散層，也就是說，下沉運動區更低，混合層高度也下降，污染物在近地面堆積，濃度升高，灰霾加強。12日1 000 hPa、925 hPa為正渦度、負散度，為上升運動區，850 hPa渦度、散度值較小，即近地面的上升運動有利于污染物向上輸送，濃度降低，灰霾天氣強度減弱。

以上分析表明，嚴重灰霾天氣發生時，垂直上升運動很弱，近地面處于負渦度、正散度的下沉運動區;當灰霾天氣減弱時，近地面又將處于正渦度、負散度的上升運動區。

5 小結

1981－2012年32年間，德州市的灰霾天氣分布差別很大，80年代到90年代中期，灰霾天氣僅0.6/10a，90年代末開始迅速增多，2000年代達49.4天/10 a。冬季灰霾天數多于其余季節，1月、6月、12月出現天數多于其他月份;這次發生的灰霾天氣導致空氣污染嚴重。灰霾天氣發生期間，高空環流形勢穩定，氣壓梯度小，地面風力小于3級、大氣的擴散能力弱，污染物不宜擴散;逐時相對濕度呈上升趨勢，而溫度呈下降趨勢，且二者呈反位相;灰霾天氣的出現，導致大氣氣溶膠增加，進而造成日照減少，溫度也相應偏低。灰霾天氣發生過程中，垂直上升運動很弱，近地面處于負渦度、正散度的下沉運動區;減弱時反之。逆溫層強且逆溫層頂位于900hPa，污染物在垂直方向不宜擴散，造成了較高濃度的污染。

致謝:感謝德州市環保局提供2007年6月10－13日的逐時空氣污染資料。

［1］《大氣科學辭典》編委會.大氣科學辭典［M］.北京:氣象出版社，1994:408.

［2］宋娟，程婷，謝志清，等.江蘇省快速城市化進程對霧霾日時空變化的影響［J］.氣象科技，2012，(3）:275－281.

［3］鄭峰，顏瓊丹，吳賢篤，等.溫州地區霧霾氣候特征及其預報［J］.氣象科技，2011，(6）:791 －795.

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