青島地區霾污染天氣特征分析*

畢 瑋， 萬夫敬， 陸 雪， 張凱靜， 孫 萌， 高 山

(1. 青島市氣象局， 山東 青島 266003； 2. 青島市環境監測中心站， 山東 青島 266003； 3. 國家海洋局北海預報中心， 山東 青島 266061)

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青島地區霾污染天氣特征分析*

畢 瑋1， 萬夫敬1， 陸 雪1， 張凱靜1， 孫 萌2， 高 山3

(1. 青島市氣象局， 山東 青島 266003； 2. 青島市環境監測中心站， 山東 青島 266003； 3. 國家海洋局北海預報中心， 山東 青島 266061)

通過統計分析2003—2013年氣象觀測和環境空氣質量監測數據，給出了青島霾污染天氣的時空分布和邊界層特征。青島中度污染以上的霾污染天氣多發生在12月～次年1月，空氣質量指數(AQI)的日變化有明顯的“三峰”特征，城市灰霾帶位于市北區至李滄區、以及嶗山西側弱風區一帶。青島60%的霾污染天氣發生在500 hPa冷槽底或冷槽后部的大氣環流背景下，地面多對應高壓中心或鞍型場等均壓場形勢。當出現霾污染天氣時，邊界層逆溫厚度、強度與AQI變化有一定的正相關關系。青島地區吹陸風時污染物濃度高，海風時污染物濃度低。當陸風風速達到4.5 m/s以上，或持續海風時，對污染物有清潔擴散作用。

霾； 空氣污染； 時空分布； 環流形勢； 逆溫； 近地層風場

霾是大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的空氣混濁的現象，它能使遠處光亮物體微帶黃、紅色，使黑暗物體微帶藍色，屬于一種視程障礙天氣現象[1]。中國改革開放以來，在全球變化的大背景下，在城市群區域，人類活動使得組成霾的化學成分發生了重大變化，灰霾現象迅速增加，能見度惡化事件越來越多。原來大陸地區的霾主要與沙塵暴相關聯，是沙塵暴過程發展后期的天氣現象，而現在所謂的灰霾，特指由于人類活動增加導致的城市區域近地層大氣的氣溶膠污染現象。自然現象的霾每年只出現幾天，且強度不大，大多數能見度僅剛低于10 km。而近年來由于人類活動造成大氣污染的日數，在大城市區域達到100～200 d以上，強度也大大增加，能見度可以惡劣到1～2 km[2-3]。當霾發生時，往往氣團穩定，污染物不易擴散，能見度降低導致交通事故發生，而且嚴重的霾天氣還能誘發呼吸道等多種疾病，威脅人體健康，同時對氣候及生態環境也會造成較大危害[4-6]。在中國的一些地區，霾污染天氣已經成為一種較為嚴重的災害性天氣現象，霾的出現有著重要的環境意義和空氣質量指示意義[2,7]。

中國開展霾的相關研究已經十多年了，主要的研究區域集中在京津冀、長三角和珠三角地區[2]。青島地處山東半島南部沿海，常年海、陸風交替，氣象要素變化與霾污染天氣的關系十分復雜。以往對青島地區的大霧研究居多，而對霾天氣的特征知之甚少。本文通過統計分析2003—2013年氣象要素觀測資料和青島市區環境空氣質量數據，初步研究了青島地區霾污染天氣的時空分布特征、環流形勢和邊界層特征，為提高對青島地區霾污染天氣的認識，進一步研究霾污染天氣預報手段提供科學依據。

1 資料和方法

霾天氣資料來自青島市氣象臺提供的2003—2013年每日定時地面(02、08、14、20北京時)和高空(08、20北京時)氣象要素觀測、探測資料。根據地面氣象觀測資料，若當天有霾發生，則記為1個霾日，在日值的基礎上進行月、季、年的統計。

空氣質量資料來自青島市環境監測中心站提供的污染物濃度逐日、逐時資料，其中2003—2012年為青島市8個環境監測站(見圖1)的SO2、NO2、PM103種污染物的逐日平均濃度資料。2013年為青島市13個環境監測站(見圖1)的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O36種污染物的逐時濃度資料。

根據中國環境保護部2012年2月29日發布的最新《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》，對2003—2013年各污染物濃度進行空氣質量分指數(IAQI)計算，確定空氣質量指數、級別(見表1)和首要污染物。

污染物項目P的空氣質量分指數計算方法如下：

(其中“新”為2013年增加的新站點。New stations in 2013 marked with “新”.)

圖1 青島市環境空氣質量監測站分布圖
Fig.1 Distribution of ambient air quality monitoring stations in Qingdao

式中：IAQIp為污染物項目P的空氣質量分指數；Cp為污染物項目P的質量濃度值；BPHi為與Cp相近的污染物濃度限值的高位值；BPLo為與Cp相近的污染物濃度限值的低位值；IAQIHi為與BPHi對應的空氣質量分指數；IAQILo為與BPLo對應的空氣質量分指數。

空氣質量指數計算方法如下：

式中：IAQI為空氣質量分指數；n為污染物項目。當AQI>50時，IAQI最大的污染物即為首要污染物。

2 霾污染天氣的氣候特征

2.1 月變化

根據青島市的地面氣象觀測記錄顯示，2003—2013年青島共有487 d出現了霾，其中5月、10～12月是霾天氣的高發時期，1～4月的霾日數次之，而6～9月正值青島的夏季，霾天氣發生則相對較少(見圖2)。根據青島市環境監測中心站提供的空氣質量數據顯示，2003—2013年達到中度以上污染(AQI>150)的天數只有146 d，其中12月～次年1月是空氣污染最為嚴重的時期，6～10月幾乎沒有中度以上污染天氣出現(見圖2)。氣象觀測與空氣質量監測數據的差異是由于霾的氣象觀測記錄與判別環境空氣污染程度之間存在著標準規范上的差別而造成的。

表1 空氣質量指數和級別

圖2 2003—2013年青島霾日數和中度以上污染日數的逐月變化

根據中國氣象局2010年1月20日發布的《霾的觀測和預報等級》行業標準規定，當能見度小于10 km，排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現象造成的視程障礙，相對濕度小于80%時，即判識為霾。當相對濕度在80%～95%時，按照地面氣象觀測規范規定的描述或大氣成分指標進一步判識。當大氣成分監測站PM2.5的濃度超過75 μg/m3(IAQIPM2.5>100)，也可作為判識霾的參考依據?？梢婗驳臍庀笥^測記錄標準要比空氣污染達到中度污染以上的標準低，即當有霾天氣出現時，環境空氣質量不一定達到中度污染以上的程度，但空氣達到中度污染以上時，必定有霾的觀測記錄。據此，本文之后的研究將重點分析中度污染以上霾天氣的特征，并將中度污染以上的霾天氣簡稱為霾污染天氣。

2.2 日變化

霾在一天中的任何時候都可以出現，中國霾分布范圍最廣、強度最強的時段多集中在11時和14時[8]。通過分析2013年青島霾天氣的地面觀測資料和環境空氣質量逐時數據發現，青島地區環境空氣質量有明顯的日變化特征。市區出現污染較重、范圍較大的霾污染天氣多集中在10～13時、20時前后和4時前后(見圖3)，這3個時段的空氣質量往往較其他時段差，表現出明顯的“三峰”特征。根據多年的預報經驗，在沒有較強的天氣系統影響時，青島地區多在中午前后出現南北風向的轉換，而在入夜和凌晨前后地面風力也較弱，這可能是造成在這3個時段青島地區空氣質量較差的原因之一，在環境空氣質量日變化上就表現出了“三峰”特征。

圖3 2013年青島重污染日平均AQI變化

2.3 青島城市灰霾帶

通過統計分析2003—2013年青島8～13個監測站的空氣質量數據，發現青島地區造成空氣質量達中度污染以上等級的污染物主要為PM2.5和PM10。根據相應AQI數值，繪制出了青島地區環境空氣質量污染高發區分布圖，即青島城市灰霾帶(見圖4)。從圖4中可以看到，當PM10為首要污染物，造成環境空氣質量達到中度以上污染等級時，污染區域主要集中在青島市北區至李滄區的偏西部靠近膠州灣一帶，尤其在市北區南部和李滄西北部較重(見圖4(a))；當PM2.5為首要污染物，造成環境空氣質量達到中度以上污染等級時，污染區域主要集中在市北區北部至李滄區，而嶗山西側局地的PM2.5濃度也比較高，常達到嚴重污染的程度(見圖4(b))。

3 霾污染天氣的環流形勢特征

霾天氣是在一定的大尺度環流背景下發生發展的，通過對2003—2013年青島146 d的霾污染天氣環流形勢分析發現，青島地區的霾污染天氣多發生在地面為高壓中心或鞍型場控制的均壓場情況下。本文采用500 hPa環流背景進行歸納分類，將青島地區霾污染天氣環流形勢分為冷槽底/后部型、緯向型、橫槽型、西風槽型、南支槽型共5類。其中冷槽底/后部型產生的霾污染天氣最多,且持續時間長，青島有60%的霾污染天氣是在此種天氣形勢下出現的，而南支槽型的霾污染天氣最少，僅占2%。

圖4 青島環境空氣質量污染高發區分布圖

冷槽底/后部型在500 hPa中高緯度環流表現為多波動特征，東北地區為冷渦控制，貝湖附近為高壓脊區，槽底部的環流較為平直，盛行一支西風氣流。青島上空常受到脊前下滑的小淺槽影響，中低層伴有弱切變或位于槽后，冷鋒后部的冷高壓緩慢南移，地面風力較弱，為偏北風或南北風交替(見圖5)。緯向型在500hPa歐亞高緯度為一近似東西走向的大極渦，環流平直，經向度不大，在西風上有小槽脊不斷東移；地面氣壓場較弱，風力較小。小槽不論尺度還是槽前風速相對西風槽型都小，南支系統較弱，東部地區地面為均壓場,大氣層結穩定,有利于霾的產生發展。橫槽型在500 hPa中高緯度環流為寬廣的冷槽區，青島上空為橫槽前偏西氣流，環流平直，西風風力在30 m/s左右，過槽時高空風力可達40 m/s；中層受槽底或槽后脊前西到西北風氣流影響；地面位于冷鋒前或位于均壓場區，地面弱偏北風或南北風交替，風力不大，一般不超過4 m/s。西風槽型的主體冷空氣路徑偏北，500 hPa中緯度環流較為平直，上游有小槽分裂東移，形成較為明顯的中支槽，青島處在槽前西南氣流控制下。南支槽型在500 hPa歐亞高緯度為寬廣的低值區，中高緯度是兩槽一脊緯向環流型，即兩個平淺的長波槽之間為一弱長波脊，南支槽前弱偏南氣流與中緯度槽前偏南氣流在東部沿海匯集，中支槽與南支槽逐漸同位相疊加后，緩慢地向東移動，東部地區地面為均壓場或弱冷鋒前部，大氣層結穩定，有利于霾的產生。

圖5 冷槽底/后部型霾污染天氣模型示意圖

4 霾污染天氣的邊界層特征

霾污染天氣發生時，污染物主要集中在大氣邊界層中，因此污染物的滯留與擴散無疑與邊界層特征有著密切的聯系。

4.1 逆溫層

根據青島環境監測中心站空氣質量數據，2013年1月青島有12 d出現了重污染天氣。以2013年1月4～9日為例，通過繪制溫度、露點溫度探空曲線和水平風場的垂直分布，可以看出，當霾污染天氣發生時對應著逆溫的存在，同時溫度和露點溫度呈現“喇叭口”形狀，下濕上干，有利于污染物在近地層滯留，不易擴散(見圖6(a))。霾污染天氣發生時，水平風速的垂直變化較小，說明垂直湍流擴散作用弱，不利于污染物向高空擴散。同時，在逆溫層，水平風向的垂直切變明顯，風向自低空向高空順轉，說明在逆溫層有暖平流，對逆溫有加強作用，大氣層結趨于穩定，亦有利于污染物的滯留。進一步分析連續霾污染天氣過程發生時逆溫的逐日變化，可以看出逆溫層呈現先加強后減弱的狀態，而在灰霾消散的次日，整層出現明顯的降溫，證明了冷空氣的侵襲是灰霾消散的有力武器(見圖6(b))。

利用青島探空數據，分別計算1 500 m以下的強度最強逆溫層、厚度最厚逆溫層與第一層逆溫層，發現第一層逆溫層與強度最強逆溫層厚度普遍較薄，不具有滯留灰霾污染物的代表性，因此選取厚度最厚逆溫層作為研究對象，進一步分析其出現的高度、強度與空氣質量指數(AQI)的關系。由圖7可以看出，穩定的逆溫層是連續多天出現霾污染天氣的充分不必要條件。例如1月5～8日，28～30日，連續多日的重污染對應著穩定的逆溫層。同時可以看到，逆溫層較高時，不需很強逆溫強度即可達到霾污染天氣維持的條件，但當逆溫層較低時，需要較強的逆溫強度維持逆溫，才對應霾污染天氣的出現。例如1月5～8日、19日、24日，逆溫層較高，但強度不大；28～30日，逆溫層較低，強度較大；12日、14～15日逆溫層高度、強度適中。另外，通過對比逆溫層高度、強度與AQI的逐時對應關系發現，逆溫層高度、強度與AQI變化趨勢一致，呈正相關關系，個別時刻會提前或滯后12 h，但總體趨勢對應較好(圖略)。

(a. 1月4日20時溫度、露點溫度和水平風的垂直變化；b. 1月4～9日08時溫度的垂直變化。a. Vertical variation of temperature, dew-point temperature and wind at 4th 20LT; b. Vertical variation of temperature from 4th 08LT to 9th 08LT.)圖6 2013年1月4～9日探空曲線圖

(粉色條帶表示逆溫層形成高度及厚度；藍色實線表示逆溫層強度；灰色陰影區代表重污染發生的時段。Pink belt: inversion height and thickness; Blue line: inversion intensity; Grey shadow: heavy air pollution days.)

圖7 2013年1月逆溫層高度與逆溫強度的日變化

Fig.7 Diurnal variation of inversion height and intensity in January， 2013

4.2 近地層風場

青島地處山東半島南部沿海，常年南北風交替出現，西北風即為內陸吹來的陸風，東南風為黃海海上吹來的海風。本文采用17方位風向(含靜風)統計分析了2003—2013年不同風向風速情況下，青島地區污染物濃度的變化[9]。

當地面流場為南風到東風時，PM2.5、PM10、SO2、NO24種污染物的濃度都偏低。當地面流場為北風到西風時，上述4種污染物的濃度都偏高(見圖8)。對于霾污染天氣來說，首要污染物主要是PM2.5和PM10，說明海風時污染物濃度低，陸風時污染物濃度高，特別是PM2.5的特征表現尤為明顯(見圖8(a))。而東北風和西南風的情況較為復雜。青島的東北部為煙臺和威海兩市，均為山東半島沿海城市。當地面流場為東北風時，煙威地區為來自黃海北部的海風，青島受到經過煙威地區海風的影響，PM2.5濃度并不高，但其他三種污染物的濃度與西北風流場的情況區別不大。當地面為西南風流場時，青島受到來自魯西南和河南一帶的陸風影響，污染物濃度較高，與西北風流場的情況類似?？梢?，近地層輸送對青島本地污染物濃度的變化有較明顯的影響，內陸地區污染物會隨著地面流場輸送至青島地區，導致青島局地污染物濃度的增大。

(單位mg/m3，a. PM2.5；b. PM10；c. SO2；d. NO2)圖8 各風向污染物濃度玫瑰圖

進一步分析風向風速與空氣質量指數的逐時變化發現，當陸風風速在4.5 m/s以下時，風速越小，空氣質量指數越高，說明靜小風使得污染物堆積不易擴散；當陸風風速在4.5 m/s以上時，風速越大，空氣質量指數越低，說明北大風對污染物的擴散作用明顯，利于大氣清潔。而對于海風來說，不論風速大小，都比陸風更利于污染物的擴散，當陸風轉海風后，空氣質量指數等級可以下降一到兩級，空氣質量明顯好轉，這應該是海上吹來的大氣比較潔凈的緣故。當南風風速增大時，空氣質量指數會進一步下降，但下降幅度并不大，AQI基本維持在100以下，是優良的等級(見圖9)。

(紅色曲線為AQI；藍色曲線為風速；箭頭為風向。Red line: AQI; Blue line: Wind speed; Arrow: wind direction.)圖9 風向風速與空氣質量指數的逐時變化

利用青島一百多部自動氣象站的風速數據，繪制霾污染天氣時的平均水平風速分布圖，發現出現重度霾污染天氣時的日平均風速基本都小于3 m/s。在李滄區到市北區一帶，以及嶗山西側是弱風區(見圖10)，這一區域基本對應了青島城市灰霾帶的位置，進一步說明了低風速是導致污染物堆積而難以擴散流出的原因之一，霾污染天氣與靜小風過程有密切聯系[10-12]。

(·為青島13個環境空氣質量監測站位置?！ositions of ambient air quality monitoring stations in Qingdao.)圖10 2013年23天重污染日平均水平風速場

5 結論

本文通過統計分析2003—2013年氣象要素觀測資料和青島市區環境空氣質量數據，初步分析了青島市區霾污染天氣的時空分布特征、環流形勢和邊界層特征。

(1)12月至次年1月是青島霾污染天氣的高發期，絕大多數中度污染以上的霾天氣都發生在這一階段。青島環境空氣質量也有明顯的“三峰”日變化特征，即市區出現污染較重、范圍較大的霾天氣多集中在10～13時、20時前后和4時前后。

(2)首要污染物不同，青島城市灰霾帶的位置不同。當PM10為首要污染物時，中度污染以上程度的區域主要集中在青島市北區至李滄區的偏西部靠近膠州灣一帶，尤其在市北區南部和李滄西北部較重；當PM2.5為首要污染物時，中度污染以上程度的區域主要集中在市北區北部至李滄區，嶗山西側局地常達到嚴重污染的程度。

(3)青島地區霾污染天氣環流形勢可分為5類——冷槽底/后部型、緯向型、橫槽型、西風槽型、南支槽型。其中冷槽底/后部型產生的霾污染天氣最多,且持續時間長，占60%，而南支槽型的霾污染天氣最少，僅占2%。

(4)霾污染天氣對應著逆溫的存在，當逆溫層較高時，不需很強的逆溫強度即可使霾污染天氣維持，但當逆溫層較低時，則需要較強的逆溫強度才能有霾污染天氣出現。當霾污染天氣連續發生時，逆溫層先加強后減弱，逆溫層高度、強度與AQI呈正相關關系。霾污染天氣出現時，大氣層結多呈下濕上干狀態，且風速垂直變化較小，在逆溫處有風向的垂直切變。靜小風和冷空氣與霾污染天氣的生消關系密切。青島的弱風區與城市灰霾帶的位置基本對應，而在灰霾消散的次日，整層大氣常有明顯降溫。

(5)青島地區吹陸風時污染物濃度高，海風時污染物濃度低。當陸風風速在4.5 m/s以下時，風速越小，空氣質量指數越高；當陸風風速在4.5 m/s以上時，風速越大，空氣質量指數越低。重度霾污染天氣時的日平均風速基本都小于3 m/s。當陸風轉海風后，空氣質量明顯好轉，空氣質量指數等級可下降1～2級，使AQI基本維持在100以下。

根據上述特征，可以將冬季青島地區的霾污染天氣預報思路初步分為以下幾步。首先要明確天氣形勢的大背景，當500 hPa環流形勢為冷槽底/后部型，地面對應弱的氣壓梯度和風場時，就要考慮青島本地霾天氣出現的可能性。當青島探空曲線有明顯的逆溫表征，且逆溫有加強的趨勢時，要重點觀察逆溫層附近水平風的垂直切變。如果滿足上述特征指標，就要對霾天氣作出預報。另外，當地面北風有所增大時，要考慮地面風向和上游地區污染物濃度的實況，對外來輸送導致的本地空氣質量下降作出及時的預報。當北風持續增大或南風持續時，就要考慮霾天氣過程的結束。

致謝：感謝青島市氣象局馬艷正研高工對本文撰寫給予的指導和幫助。

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責任編輯 龐 旻

The Characteristics of Haze Pollution Days in Qingdao

BI Wei1, WAN Fu-Jing1, LU Xue1, ZHANG Kai-Jing1, SUN Meng2, GAO Shan3

(1. Qingdao Meteorological Bureau， Qingdao 266003, China; 2. Environmental Monitoring Center of Qingdao， Qingdao 266003， China; 3.North China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration, Qingdao 266000, China)

According to the meteorological observation data and ambient air quality data from 2003 to 2013, the temporal and spatial distribution characteristics of circulation situations and boundary layer in Qingdao are analyzed. The statistical results indicate the haze days with air pollution above 4-level generally appear from December to next January and the hourly variation of air quality index (AQI) shows “Three Peaks” pattern. Haze pollution areas of Qingdao include from Shibei district to Licang district and the west area of Laoshan Mountain. 60% haze pollution days appears on the bottom of cold trough at 500 hPa. As well as Qingdao located in the center of surface high pressure or saddle field. Inversion strength and thickness appear somewhat positive relationship with AQI during haze pollution days. Land breeze makes high pollutant density, while sea wind makes low one. Either north wind speed more than 4.5 m/s or lasting south wind could decrease pollutant and clean air.

haze; air pollution; temporal and spatial distribution; circulation situation; inversion; surface wind

山東省氣象局2013年氣象科學技術研究項目“青島地區霾天氣特征分析與統計預報方法研究”；青島市氣象局2014年氣象科學技術研究項目“青島霾污染天氣預報預警技術研究”資助

2014-08-03；

2014-11-26

畢 瑋(1981-)，女，碩士，工程師，主要從事短期天氣預報工作。E-mail: vvbw@163.com

P468.0+28

A

1672-5174(2015)05-011-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20140292