泰州地區一次連續重度霾天氣特征分析

鄭煒+田鵬飛+周彬等

摘 要：利用地面自動站資料、探空資料、環境監測站污染物資料、美國NOAA極軌衛星資料、軌跡模式HYSPLIT4資料，對2013年12月2-8日連續性重度霾天氣進行了綜合分析。結果表明：安徽省中南部的秸稈焚燒是污染顆粒物的主要來源，配合持續時間較長時間的穩定天氣形勢，強逆溫層的存在共同導致了此次連續性重度霾天氣。

關鍵詞：霾 污染物 逆溫層

中圖分類號：P426.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0113-04

霾是大量細微顆粒物均勻懸浮在大氣中，其散射效應造成的大氣混濁， 低水平能見度的一種天氣現象。霧與霾常相伴隨，可相互轉化，白天為霾，夜間隨著相對濕度上升，液滴增大轉為霧。隨著長三角地區化石能源的巨大消耗和機動車數量的急速增加，使得污染物排放總量不斷增大，大量的污染物排放，導致了霾的出現和維持，其影響交通運輸，還導致空氣質量下降， 誘發呼吸道疾病，其對生活環境和健康問題的影響越來越受到關注。目前人為污染物排放所占比例越來越高，與天然污染物相比，人為污染物對于人體的危害性更大。人為污染物中含大量有毒有機物成分和某些對人體有嚴重危害的重金屬成分，對人體可能造成嚴重的危害[1-3]。

2013，霾幾乎席卷大半個中國，許多城市重度“淪陷”，平均霾日創記錄；多地橙色、紅色預警不斷，PM2.5增至700、1000，爆表的“霾”紀錄，令人震驚。泰州地處長三角，是霾發生的“重災區”之一。近年來， 隨著國民經濟和城市化進程的快速發展， 工業耗煤量、廢氣排放量、建筑工地揚塵量和機動車擁有量等不斷增加，霾天氣急劇增多，已成為城市主要災害之一。2000以來泰州霾天氣各不相同，總體呈增加趨勢，2006年后增加更加顯著，進入2013年泰州市霾天氣月平均達到了17 d，僅有7、8、9三月灰霾天氣都不超過10 d。12月，霾天氣更是大面積爆發，2～8日出現了持續一周的嚴重污染霧霾天氣，對人民群眾的生活造成了極大的影響。

國內關于霧的研究很多，近年來隨著霾天氣的爆發性增多，社會關注度增大，許多關于霾的研究也逐漸開展起來。廣東吳兌對霧和霾都做過深入的觀測研究，他提出了霧霾可以相互轉化，霧與霾的區分標準，深入研究了霾的觀測標準發現霾主要與人類活動排放的污染物密切相關[4]；胡亞旦等發現中國的霾天氣主要分布在中東部和南部，西部和東北部地區相對較少，大中城市的霾較鄉村明顯偏多，"濁島"現象明顯[5]。俞劍蔚等研究一次重度污染天氣過程時發現外部平流來的大氣氣溶膠對霾的形成起到了主要作用。大氣氣溶膠的輸送通道主要在200～500m之間的大氣高度層，水平風的輻合對霾的增強作用非常明顯，輻合中心和嚴重霾區中心有較好的對應關系[6-8]。

該文試圖通過探討一次連續性重度霾天氣發生、發展和消亡的的物理成因，并對諸多氣象條件開展分析， 明確了各種氣象條件對此次過程的作用和關系， 初步探明了過程的成因及其特征，希冀可為霾的預報提供一些參考依據。

1 資料來源

氣象資料來自于2013年泰州國家氣象基本站的逐小時地面觀測資料、南京站探空資料、AQI及PM2.5資料來自于泰州市環保部門。利用美國NOAA軌跡模式HYSPLIT4分析此次霾天氣污染物的輸送，HYSPLIT4是一種歐拉和拉格朗日混合型的計算模式，包含多種物理過程，可以針對不同類型排放源，進行較完整的輸送擴散和沉降過程模擬，并能夠處理多種氣象輸入場，被廣泛應用于大氣污染物輸送研究，同時利用NOAA-18極軌衛星的火點監測資料來判斷污染物的來源。

2 過程概況

2013年12月2～8日我省了出現的一次大范圍持續性霾天氣，12月2日10時，中央氣象臺發布了霾黃色預警。江蘇、安徽東部、上海、浙江東北部、河北中南部、天津、山東西北部等地空氣污染氣象條件達4～5級，局地可達6級，大部地區為中度霾。其中，江蘇中南部、上海、河北中南部等地的部分地區出現重度霾。我省鹽城、淮安、泰州和南通4座城市空氣質量達到嚴重污染級別，上海、連云港、常州等12個城市空氣質量持續達到重度污染級別。石家莊、臨沂和邢臺等7個城市空氣質量達到嚴重污染級別。連東北地區的哈爾濱，空氣質量也達到了達到重度污染級別。

泰州從2～8日空氣質量持續了一周的重度到嚴重污染，AQI（空氣質量指數）普遍超過200的重度污染值，2～6日均為嚴重污染，其中12月5日AQI達到了416的頂峰，PM2.5濃度更是“爆表”，超過了500 ug/m3。 此次連續重度霾事件首要污染物為細顆粒物PM2.5，由圖1也可發現PM2.5的濃度值與AQI的值有很好的對應，可見高濃度的細顆粒氣溶膠粒子為霾的形成也提供了有利條件。6日有弱冷空氣擴散影響，7日污染稍有下降，但仍保持著中度污染的程度，8日再度回到重度污染，隨著8日后期較強冷空氣的南下，霾才逐漸消散。

3 氣象條件特征分析

3.1 環流背景

13年12月2～8日期間我國上空中緯度高層環流形勢比較平穩，以緯向氣流為主，多受西北或偏西氣流影響，冷空氣勢力相對較弱。高層形勢穩定，期間無降水過程，有助于污染持續。海平面氣壓場上我省基本處在氣壓梯度小，水平風速弱的均壓場控制當中，寬廣的弱氣壓場為霾天氣的發生提供了比較穩定的大氣環流條件，非常不利于中低層污染物的輸送擴散。由此可見大尺度上穩定少變的天氣形勢此次大范圍持續重度霾天氣的重要背景。

3.2 大氣層結

大量研究結果表明，近地層出現逆溫，會導致污染物無法向上輸送，只得在下部聚集，造成空氣質量惡化和能見度下降，有利于霾的形成維持[9]。此次過程由地面至高層均為一致的下沉氣流，有利于大氣的穩定，易于形成逆溫層，導致污染物不斷聚集，圖2分別為12月2日08時與5日08時南京站的溫度探空曲線。2日08時近地層存在強逆溫層，逆溫強度達到3.5 ℃/100m，但是其逆溫層相對淺薄，只有800 m，逆溫層頂位于950 hPa附近。而5日08時逆溫強度為1.5 ℃/100m，其逆溫層較厚，達到1.5公里，存在多層逆溫，最大逆溫層頂位于在850 hPa附近。可見逆溫強度雖然越強，大氣越穩定，但是逆溫層厚度也是不可忽視的影響因子，厚度越厚，垂直結構越穩定，減弱了大氣湍流交換和熱力對流，阻礙了污染物質向上擴散稀釋，導致在低空污染物不斷積累，造成污染濃度的持續升高，有利于霾的維持。endprint

3.3 能見度

由于霧和霾形成的天氣形勢較一致，所以霾在早晚的時候往往會轉化為霧，在滿足能見度的情況下，主要以相對濕度來區分霧和霾[10]。2～8日，全市能見度基本在5公里以下，能見度小于1 km時，相對濕度大于90%為霧，80%到90%之間為霧霾混合物，但是以霾為主，小于80%為霾。由圖中可見相對濕度在前夜間到清晨時間段基本大于90%，這段時間主要為霧，其中4日、5日早晨出現了濃霧，能見度不足50 m。其他時間段基本是霾或霧霾混合體。由相對濕度與能見度的比對來看，大的相對濕度基本對應低的能見度。白天濕度降低，但能見度仍維持在4Km以下。霾天氣出現期間相對濕度呈下降趨勢，與能見度變化趨勢相反，且呈反位相。霾和霧在觀測中容易混淆，而且二者在一定條件下能相互轉化。

3.4 風力條件

從海平面氣壓和2 m風速的變化曲線圖可見，海平面氣壓均在1004～1012 hPa范圍變化，為典型的弱高壓。4～5日污染最嚴重時氣壓要明顯高于其他幾日，可能氣壓略增強，更有利于形成逆溫。高壓氣壓梯度小，決定了水平風速也較小，靜風的情況占了1/3，其余大部分在2m/s以下，風速與污染物在空氣中的濃度成反比，可見這種弱高壓是非常不利于污染物的輸送擴散的。此次過程還發現出現頻率最高的是西北風，其次是東南風，東北風和西南風出現較少。

3.5 后向軌跡

從美國極軌衛星NOAA-18在12月2到3日的火點監測資料中發現：污染源生成附近在安徽南部有大量密集的火點，經調查為安徽農民的秸稈焚燒。通過軌跡分析了2～5日高層500及300 m、低層100 m的氣團后向軌跡，發現造成污染的氣團主要來自我市西南面，也就是安徽的中南部，與火點位置有著高度一致。可見此次污染源主要來自安徽南部地區，以及氣團途經地，也就是安徽中部，進入我省之后結合穩定的氣象條件，共同導致了此次連續性重度霾的天氣。

4 結語

（1）高層緯向環流，地面弱高壓控制，穩定少變的天氣形勢此次大范圍持續重度霾天氣的重要背景。

（2）高濃度的氣溶膠粒子為霾的形成也提供了有利條件。

（3）逆溫強度雖然越強，大氣越穩定，逆溫層厚度也是不可忽視的影響因子，厚度越厚，垂直結構越穩定，越有利于霾的維持。

（4）霾天氣出現期間相對濕度呈下降趨勢，與能見度變化趨勢相反，且呈反位相。

（5）此次污染來源還是安徽省中南部的秸稈焚燒，再加上穩定的氣象條件，共同導致了此次連續性重度霾的天氣。

參考文獻

[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] 吳兌.霾與霧的識別和資料分析處理[J].環境化學，2008，27（3）：328-330.

[3] 孫霞，銀燕，孫玉穩，等.石家莊地區春季晴、霾天氣溶膠觀測研究[J].中國環境科學，2011，31（5）：705-713.

[4] 吳兌，吳曉京，朱小祥.霧和霾[M].北京：氣象出版社，2009.

[5] 胡亞楠，周自江.中國霾天氣的氣候特征分析[J].氣象，2009，35（7）：74-78.

[6] 俞劍蔚，孫燕，張備，等.江蘇沿江一次重霾天氣成因分析[J].氣象科學，2009，29（5）：664-669.

[7] 王艷，柴發合，劉厚鳳，等.長江三角洲地區大氣污染物水平輸送場特征分析[J].環境科學研究，2008，21（1）：22-29.

[8] 吳兌，廖國蓮，鄧雪嬌，等.珠江三角洲霾天氣的近地層輸送條件研究[J].應用氣象學報，2008，19（1）：1-9.

[9] 朱佳雷，王體健，邢莉，等.江蘇省一次重霾污染天氣的特征和機理分析[J].中國環境科學，2011，31（12）：1943-1950.

[10] 吳兌.霧與霾的區分及灰霾天氣預警建議[J].廣東氣象，2004（4）.endprint

3.3 能見度

由于霧和霾形成的天氣形勢較一致，所以霾在早晚的時候往往會轉化為霧，在滿足能見度的情況下，主要以相對濕度來區分霧和霾[10]。2～8日，全市能見度基本在5公里以下，能見度小于1 km時，相對濕度大于90%為霧，80%到90%之間為霧霾混合物，但是以霾為主，小于80%為霾。由圖中可見相對濕度在前夜間到清晨時間段基本大于90%，這段時間主要為霧，其中4日、5日早晨出現了濃霧，能見度不足50 m。其他時間段基本是霾或霧霾混合體。由相對濕度與能見度的比對來看，大的相對濕度基本對應低的能見度。白天濕度降低，但能見度仍維持在4Km以下。霾天氣出現期間相對濕度呈下降趨勢，與能見度變化趨勢相反，且呈反位相。霾和霧在觀測中容易混淆，而且二者在一定條件下能相互轉化。

3.4 風力條件

從海平面氣壓和2 m風速的變化曲線圖可見，海平面氣壓均在1004～1012 hPa范圍變化，為典型的弱高壓。4～5日污染最嚴重時氣壓要明顯高于其他幾日，可能氣壓略增強，更有利于形成逆溫。高壓氣壓梯度小，決定了水平風速也較小，靜風的情況占了1/3，其余大部分在2m/s以下，風速與污染物在空氣中的濃度成反比，可見這種弱高壓是非常不利于污染物的輸送擴散的。此次過程還發現出現頻率最高的是西北風，其次是東南風，東北風和西南風出現較少。

3.5 后向軌跡

從美國極軌衛星NOAA-18在12月2到3日的火點監測資料中發現：污染源生成附近在安徽南部有大量密集的火點，經調查為安徽農民的秸稈焚燒。通過軌跡分析了2～5日高層500及300 m、低層100 m的氣團后向軌跡，發現造成污染的氣團主要來自我市西南面，也就是安徽的中南部，與火點位置有著高度一致。可見此次污染源主要來自安徽南部地區，以及氣團途經地，也就是安徽中部，進入我省之后結合穩定的氣象條件，共同導致了此次連續性重度霾的天氣。

4 結語

（1）高層緯向環流，地面弱高壓控制，穩定少變的天氣形勢此次大范圍持續重度霾天氣的重要背景。

（2）高濃度的氣溶膠粒子為霾的形成也提供了有利條件。

（3）逆溫強度雖然越強，大氣越穩定，逆溫層厚度也是不可忽視的影響因子，厚度越厚，垂直結構越穩定，越有利于霾的維持。

（4）霾天氣出現期間相對濕度呈下降趨勢，與能見度變化趨勢相反，且呈反位相。

（5）此次污染來源還是安徽省中南部的秸稈焚燒，再加上穩定的氣象條件，共同導致了此次連續性重度霾的天氣。

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[10] 吳兌.霧與霾的區分及灰霾天氣預警建議[J].廣東氣象，2004（4）.endprint

3.3 能見度

由于霧和霾形成的天氣形勢較一致，所以霾在早晚的時候往往會轉化為霧，在滿足能見度的情況下，主要以相對濕度來區分霧和霾[10]。2～8日，全市能見度基本在5公里以下，能見度小于1 km時，相對濕度大于90%為霧，80%到90%之間為霧霾混合物，但是以霾為主，小于80%為霾。由圖中可見相對濕度在前夜間到清晨時間段基本大于90%，這段時間主要為霧，其中4日、5日早晨出現了濃霧，能見度不足50 m。其他時間段基本是霾或霧霾混合體。由相對濕度與能見度的比對來看，大的相對濕度基本對應低的能見度。白天濕度降低，但能見度仍維持在4Km以下。霾天氣出現期間相對濕度呈下降趨勢，與能見度變化趨勢相反，且呈反位相。霾和霧在觀測中容易混淆，而且二者在一定條件下能相互轉化。

3.4 風力條件

從海平面氣壓和2 m風速的變化曲線圖可見，海平面氣壓均在1004～1012 hPa范圍變化，為典型的弱高壓。4～5日污染最嚴重時氣壓要明顯高于其他幾日，可能氣壓略增強，更有利于形成逆溫。高壓氣壓梯度小，決定了水平風速也較小，靜風的情況占了1/3，其余大部分在2m/s以下，風速與污染物在空氣中的濃度成反比，可見這種弱高壓是非常不利于污染物的輸送擴散的。此次過程還發現出現頻率最高的是西北風，其次是東南風，東北風和西南風出現較少。

3.5 后向軌跡

從美國極軌衛星NOAA-18在12月2到3日的火點監測資料中發現：污染源生成附近在安徽南部有大量密集的火點，經調查為安徽農民的秸稈焚燒。通過軌跡分析了2～5日高層500及300 m、低層100 m的氣團后向軌跡，發現造成污染的氣團主要來自我市西南面，也就是安徽的中南部，與火點位置有著高度一致。可見此次污染源主要來自安徽南部地區，以及氣團途經地，也就是安徽中部，進入我省之后結合穩定的氣象條件，共同導致了此次連續性重度霾的天氣。

4 結語

（1）高層緯向環流，地面弱高壓控制，穩定少變的天氣形勢此次大范圍持續重度霾天氣的重要背景。

（2）高濃度的氣溶膠粒子為霾的形成也提供了有利條件。

（3）逆溫強度雖然越強，大氣越穩定，逆溫層厚度也是不可忽視的影響因子，厚度越厚，垂直結構越穩定，越有利于霾的維持。

（4）霾天氣出現期間相對濕度呈下降趨勢，與能見度變化趨勢相反，且呈反位相。

（5）此次污染來源還是安徽省中南部的秸稈焚燒，再加上穩定的氣象條件，共同導致了此次連續性重度霾的天氣。

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[10] 吳兌.霧與霾的區分及灰霾天氣預警建議[J].廣東氣象，2004（4）.endprint