持續性霾天氣與大氣邊界層氣象條件的關系分析

楊雪艷 杜倩 慕秀香 張夢遠

摘要 利用地面氣象觀測資料以及氣象探空資料，從環流形勢特點、邊界層風速、逆溫強度、濕度垂直分布特征、混合層高度、通風系數等方面分析了2013年1月11～17日長春市持續霾天氣的氣象條件。結果發現，此次霾天氣發生在高空不斷有弱槽擾動、冷空氣總體較弱的天氣背景下，大氣邊界層逆溫強、風速偏小、濕度大、混合層高度持續<800 m、邊界層通風系數持續< 3 000 m²/s，致使大氣水平擴散能力和垂直交換能力弱，引發了此次持續霾天氣。

關鍵詞 霾;邊界層氣象條件;逆溫強度;混合層高度;通風系數

中圖分類號 S161 ?文獻標識碼

A ?文章編號 0517-6611（2015）03-240-04

Relationships between Long Time Haze Weather and Boundary Layer Meteorological Conditions

YANG Xueyan， DU Qian， MU Xiuxiang et al

（Jilin Province Meteorological Observatory， Changchun， Jilin 130062）

Abstract ?Using the surface meteorological observation data and the sounding data， the meteorological conditions during the long time haze weather in Changchun Jan.11-17， 2013 ?were analyzed from circulation situation， boundary layer wind speed， intensity of inversion， vertical humidity distribution， the mixed layer height， ventilation coefficient etc. The results indicated that the haze occurred in the condition of weak trough disturbances and weak cold air. Strong boundary layer inversion， low wind speed， high humidity and the mixed layer height lasts for less than 800 meters， the boundary layer ventilation coefficient lasts less than 3 000 m²/s， caused weak ability of atmospheric horizontal diffusion and vertical exchange， which lead to the persistent haze weather.

Key words ?Haze; The boundary layer meteorological conditions; The intensity of inversion; The mixed layer height; Ventilation coefficient

基金項目 中國氣象局小型業務建設項目“京津冀、長三角及珠三角環境氣象預報預警業務系統建設”。

作者簡介 楊雪艷（1969- ），女，吉林長春人，高級工程師，碩士，從事災害性天氣預報方法和氣象服務方法研究。

收稿日期 20141205

近年來霾天氣顯著增多，氣候變化綠皮書《應對氣候變化報告（2013）》指出，進入21世紀后，我國中東部地區連續霾過程站次數增加顯著。連續3 d、4 d、5 d、6 d的霾過程站次分別是20世紀平均值的2.8、2.9、3.0和3.1倍，其中持續時間越長的霾過程站次數增加越多。2013年我國平均霾日數為36 d，較常年偏多27 d，創52年來最多。霾天氣導致環境空氣質量惡化，對生態建設、社會經濟發展和人民生活均會產生較大危害^[1-3]。陳仁杰等分析指出PM₂.5進入肺部對局部組織有堵塞作用，可使局部支氣管的通氣功能下降，細支氣管和肺泡的換氣功能喪失;長期暴露于高濃度PM₂.5下，可引起人群中的心肺系統疾病死亡率顯著增加^[4]。因此霾以及霾的預報預警越來越受到各級政府和廣大公眾的高度關注。廣大專家學者對于霾的成因也有較多分析^[5-8]，總體來說，霾天氣形成主要受污染排放和大氣對污染物的擴散稀釋能力影響。污染源是造成空氣污染的根本原因，大氣對污染物的擴散能力是空氣污染的直接誘因。長春市地處我國東北地區，冬季需要采暖，由于燃煤取暖加劇了污染物的排放，因此一旦遇有靜穩天氣，就可能出現霾。近幾年長春市霾天氣增多，特別是2013年1月11～17日長春市出現了長達7 d的霾天氣，空氣質量有4 d達到嚴重污染級別，有3 d為重度污染，霾持續時間之長為歷史罕見。筆者重點分析此次長春市持續霾發生時的氣象條件，找出持續霾形成的氣象條件，為持續霾的預報預警提供參考。

1 資料和方法

研究選取了長春市環境監測站2013年1月11～17日逐日空氣質量觀測資料以及相應時段地面風速、氣溫、相對濕度、氣壓和高空溫度、風速等氣象觀測資料。

為研究霾與邊界層大氣特征的關系，計算了相應時段逆溫層高度、逆溫強度、混合層高度以及通風系數。逆溫層高度是指大氣逆溫層頂與底之間的垂直距離。逆溫強度是逆溫層內大氣溫度垂直遞減率，越大表示逆溫越強，越不利于大氣污染物擴散。逆溫層高度計算公式為th=H₁-H₂，其中H₁為逆溫層頂高度，H₂為逆溫層底高度;逆溫強度ITI=△T/th，其中△T為逆溫層頂減去逆溫層底溫度差，th為逆溫層厚度。混合層高度采用羅氏法計算^[9]，其計算公式為

H=1216（6-P）（T-Td）+0.169P（uz+0.257）12fln（z/z₀），式中，T為地面氣溫，Td為露點溫度，單位為K;uz為z高度處的平均風速，單位m/s;z₀為地面粗糙度，單位m;f為柯氏參數，單位s^-1，f=2Ωsinφ，其中Ω為地轉角速度，φ為地理緯度;P 為帕斯圭爾穩定度級別（大氣穩定度級別為A～F 時，P值依次為1～6）。

2 霾天氣實況

2013年1月11～17日長春市出現了持續的霾天氣，首要污染物為PM₂.5，期間PM₂.5日平均濃度在173 ～375 μg/m³，空氣質量指數（AQI）均在200以上，最大達417，12～15日空氣質量等級均為6級，連續4 d為嚴重污染級別，11、16～17日為重度污染（表1）。

表1 2013年1月11～17日長春市空氣質量

日期PM₂.5日平均濃度

μg/m³AQI指數空氣質

量等級

01-111842345

01-123544036

01-132823326

01-143403906

01-153754176

01-162452955

01-171732235

3 持續霾與大氣邊界層氣象條件的關系分析

大氣對污染物的稀釋、擴散能力與邊界層氣象條件密切相關，氣象條件如風速、降水、溫度、濕度以及通風系數、逆溫強度、逆溫層高度等對污染物的擴散、分布、稀釋、遷移、轉化等均會產生影響。

3.1 持續霾發生的環流背景

3.1.1 高空環流形勢特征。從1月11～17日500 hPa高度距平及環流形勢圖上（圖1）可以看出，西伯利亞到貝加爾湖為正距平中心，中心強度達12 dagpm，我國西北、華北以及東北地區西部為正距平區，日本海到我國東北地區東部為負距平區，長春市處于正、負距平交界處;期間歐亞大陸環流形勢較為穩定，呈西高東低分布，從西西伯利亞到我國甘肅、內蒙一帶維持一個強的高壓脊，在鄂霍次克海到日本列島中部有一個低壓中心，同時也是一個冷空氣中心，在中西伯利亞有一個弱低壓中心及冷空氣中心，長春市主要處于高壓脊前，當暖高壓脊略東移時，長春市就處于暖空氣影響下，當北部和東部冷空氣入侵高壓脊前部時，長春市就受弱冷空氣影響。

霾天氣形成初期，正處于暖空氣影響下，11日低層氣溫較前期明顯回升，長春市750～1 500 m內升溫幅度平均達7.5 ℃，而地面由于夜間輻射降溫強，升溫較慢，使750 m以內逆溫7 ℃，大氣層結異常穩定。加之地面為倒槽低壓，氣

圖1 2013年1月11～17日500 hPa高度場（黑色等值線）及距平場（色斑圖）

壓梯度小，風力小，濕度大，形成了靜穩天氣，很不利于污染物稀釋和

擴散，導致霾天氣形成。12～17日期間中西伯利亞冷空氣3次向西向南擴散，致使在高壓脊前出現3次弱槽影響（圖2），但由于此間長春市低層冷暖空氣勢力相近，冷空氣勢力弱，導致了霧霾的持續;此間850 hPa溫度頻繁小幅度升降，溫度日變化在3 ℃以內，如12日下降3 ℃，13日升高2 ℃，14日又下降3 ℃，15日升高1 ℃，16日又下降2 ℃，17日再升高1 ℃，沒有強冷空氣影響，因此靜穩氣象條件持續，造成了持續霾。

注：黑色實線為等高線，紅色虛線為-44 ?℃等溫度線。

圖2 2013年1月12日（a）、13日（b）和15日（c）08：00 500 hPa高度環流形勢

3.1.2 地面影響系統。從地面影響系統（圖3）上看，11～12日為弱低壓影響，13日為高壓，14～17日為倒槽影響，長春市氣壓梯度均比較小，因此地面風一直較小。

3.2 霾與邊界層風速的關系

此次持續霾發生期間（1月11～17日），長春市地面平均風速為1.7 m/s，比常年同期（3.0 m/s）減少43.3%，有5 d風速<2.0 m/s，期間每日風速均低于常年同期（圖4），且為2001年以來同期風速最小的一年（圖5）;而同月空氣質量較好的2～4日（空氣質量為2級），平均風速分別為3.5、3.5和5.0 m/s，明顯高于霾發生期間的地面風速。從925 hPa風速可以看出，925 hPa風速也較小，11～17日925 hPa平均風速為5.2 m/s。可見，近地層風速小，空氣水平流動弱，不利于污染物水平擴散，造成了此次持續霾天氣。

3.3 霾發生時溫度的垂直結構特征

一般來說，大氣對流層內溫度隨高度遞減，即底層暖上層冷，有利于地面氣流上升，底層空氣中的污染物可以向上擴散。但在某些特殊情況下，高層氣溫反而高于低層氣溫，這種現象稱之為逆溫。逆溫層的物理特征是下冷上暖、氣體狀態穩定，對氣體上下對流有抑制作用，不利于大氣污染物的擴散，逆溫厚度越厚，持續時間越長，造成的污染越嚴重。

趙桂香等對1994 年11月發生在山西省的持續性霧霾天氣過程進行分析表明，850 ?hPa 以下相對濕度的變化是判斷霧霾天氣形成的基本條件; 而逆溫層的持續存在是霧霾天氣持續的重要原因; 濕度差異和逆溫強度差異可作為判斷大范圍霧霾天氣的指標^[10]。王

注：a.11日08：00;b.13日08：00;c.15日08：00;d.17日08：00。

圖3 2013年1月11～17日地面氣壓場

麗研究表明霧霾天氣對應著低空逆溫^[11]。經分析（圖6），此次持續性霧霾發生期間，1 500 m高度以內溫度隨高度升高，即存在逆溫層，1 500 m高空與地面逆溫平均達-6.4 ?℃，逆溫層厚度平均達1 500 m，逆溫強度平均達0.43 ?℃/100m，13日最強，達0.71 ℃/100m，且每天均有逆溫存在，說明這些天長春市逆溫層深厚，因此嚴重抑制了空氣中污染物的擴散。

圖4 2013年1月11～17日長春市日平均風速與常年同期對比

圖5 2001～2013年逐年1月11～17日長春市平均風速

圖6 2013年1月1～17日溫度垂直分布

圖7 2013年1月11～17日相對濕度與常年同期對比

安徽農業科學 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2015年

3.4 霾與邊界層濕度的關系 濕度大，污染物粒子膨脹并互相碰并吸附，會使污染物增大，更不利于污染物稀釋。這次霾發生期間濕度垂直分布是上干下濕，地面到750 m附近濕度大，特別是地面平均相對濕度為74.6%，比常年同期高8.6%，且每一天均高于常年同期（圖7）。而1 500～3 000 m濕度迅速減小，3 000 m附近相對濕度僅為37%。

3.5 霾與混合層高度的關系

大氣邊界層中性或不穩定時，由于動力或熱力湍流的作用，邊界層內上下層之間產生強烈的動量或熱量交換，通常把出現這一現象的層稱為混合層。葉堤等研究表明月平均混合層厚度和月平均空氣質量指數（API）呈顯著負相關^[12];楊靜等分析烏魯木齊混合層高度與空氣污染發現，混合層高度與API相關系數為-0.95，表明大氣混合層高度是影響空氣質量的重要因素^[13]。

混合層高度存在日變化特征，即夜間低，中午前后高;文中所指混合層高度為當日日平均混合層高度，即02：00、08：00、14：00、20：00 4個時次混合層高度的平均。

此次持續霾發生期間，長春市上空大氣混合層高度偏低，平均混合層高度為641 m，最低為363 m。從9～18日混合層高度和空氣質量AQI指數圖上（圖8）可以看出，混合層高度和空氣質量AQI指數存在反比關系，混合層高度越低空氣質量AQI指數越高，空氣污染越重。9、10日混合層高度在830～870 m，AQI指數低于200，11日混合層高下降至724 m，AQI指數達234，開始出現重度污染天氣;12日混合層高度下降至363 m，當日AQI指數達403，開始出現嚴重污染天氣;12～16日混合層高度均在800 m以下，AQI指數達295～417，均為嚴重污染天氣;17、18日混合層高度分別上升至917和1 100 m，而AQI指數下降至223和191。

圖8 2013年1月9～18日長春市混合層高度及AQI指數對比

3.6 霾與通風指數的關系 通風系數是反映大氣邊界層內通風情況的物理量，值越小越不利于污染物擴散。

此次持續霾發生期間，長春市邊界層內通風系數較小。從9～18日邊界層通風系數和空氣質量AQI指數對比（圖9）可以看出，通風系數越小空氣質量AQI指數越高，空氣污染越重。9、10日邊界層通風系數>3 000 m²/s，AQI指數低于200;11日通風系數減小至2 500 m²/s以下，AQI指數上升，開始出現重度污染天氣;12～16日期間，通風系數均在3 000 m²/s，AQI指數均高于200，特別是12和15日，通風系數

很小，分別為780

和1 116 m²/s，而AQI指數分別達403和417;17日通風系數

圖9 2013年1月9～18日長春市通風系數及AQI指數對比圖

增大，AQI指數開始大幅度降低，18日隨著通風系數進一步增大至6 000 m²/s以上， AQI指數下降至200以下。

4 結論

（1）高壓脊前不斷有弱槽擾動，但冷空氣弱，小幅度冷暖變化頻繁，當高空回暖時，由于地面夜間輻射降溫強，地面溫度仍然較低，致使大氣逆溫強，逆溫層厚;加之地面氣壓梯度小，導致持續靜穩天氣。持續靜穩天氣嚴重抑制了污染物的擴散，引發了持續霾天氣。

（2）混合層高度持續低于800 m，大氣湍流交換能力持續偏弱，導致霾天氣持續。

（3）邊界層內風速小，通風能力弱，通風系數持續<3 000 m²/s，空氣水平流動慢使污染物水平擴散能力差，也是導致此次霾的重要原因。

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