關中地區(qū)一次霾天氣過程分析

馬曉華，黃少妮，張科翔，徐娟娟

(陜西省氣象臺，西安 710014)

關中地區(qū)一次霾天氣過程分析

馬曉華，黃少妮，張科翔，徐娟娟

(陜西省氣象臺，西安 710014)

利用常規(guī)地面觀測資料及氣象探空資料，分析了2016年11月3—5日關中地區(qū)霾天氣過程，結果表明：高空500 hPa鋒區(qū)偏北，中緯度無明顯冷空氣活動，850 hPa暖空氣控制，地面弱氣壓場是導致關中地區(qū)霾出現(xiàn)的主要天氣背景；近地層為正渦度平流，而925～850 hPa為負渦度平流是大范圍霾持續(xù)的動力結構；霾出現(xiàn)前有暖干空氣向關中地區(qū)輸送，而逆溫層持續(xù)存在，是霾天氣持續(xù)的重要原因；氣壓場穩(wěn)定，風速偏小，大氣混合層高度持續(xù)低于650 m，致使大氣水平和垂直交換能力弱，引發(fā)了此次霾天氣。霾出現(xiàn)前后氣象要素變化特征明顯，可為霾的預報提供重要參考。

霾天氣；環(huán)流形勢；渦度平流；總溫度平流；逆溫層；混合層高度

隨著我國城市化和工業(yè)化進程的加快，霾天氣越來越多，伴隨霾而來的重度空氣污染造成能見度下降，帶來交通安全隱患，對生態(tài)建設、社會經(jīng)濟發(fā)展、人們的生活和身體健康產(chǎn)生較大危害。霾及霾的預報預警越來越受到政府和公眾的高度關注。氣象及環(huán)保專家對霾的成因也有較多分析[1-4]，認為霾的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。關中盆地位于陜西省中部，南依秦嶺，北靠北山，西窄東寬。關中盆地因獨特的地形特征[5]，受偏東風影響，污染物易在盆地堆積而不利于擴散，使得霾天氣發(fā)生頻率較高，因此有必要探討霾形成的氣象條件。本文選取2016年11月3—5日重度霾天氣過程，分析其形成的氣象原因，以期為霾天氣的預報提供參考。

1 天氣實況

2016年11月3—5日，陜西關中地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)了大范圍霾天氣，環(huán)境污染嚴重，首要污染物為PM2.5。從3—6日逐時PM2.5質量濃度變化圖(圖1)可以看出， PM2.5質量濃度從08時開始逐漸增大，傍晚17—20時達到峰值，20—08時又迅速減小，08時PM2.5質量濃度為每日最低值。3 d的PM2.5質量濃度最大值，渭南一直維持在300 μg/m3，西安維持在200～250 μg/m3，渭南、西安連續(xù)3 d空氣污染等級達到重度到嚴重污染，關中其它地區(qū)為中度污染。11月6日，全省出現(xiàn)了降水天氣，關中霾逐漸減弱。此次霾是入冬以來首次重污染天氣，且持續(xù)時間較長，影響范圍大，具有明顯的日變化特征。霾使得能見度極差，給關中道路交通、公路運輸、電力部門、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來了嚴重影響。

圖1 2016-11-03T08—06T23 PM2.5質量濃度逐時變化

2 環(huán)流形勢

分析11月3—5日高低空環(huán)流形勢演變發(fā)現(xiàn)，11月3日08時(圖2),500 hPa歐亞中高緯度為寬廣低值區(qū)，鋒區(qū)偏北，冷空氣位于巴爾喀什湖以西；中緯度環(huán)流較平直，河套地區(qū)無明顯冷空氣活動；低緯度副熱帶高壓呈塊狀分布，主體位于廣東、廣西、貴州以南，陜西受偏西氣流影響。低層850 hPa陜西關中地區(qū)處于副熱帶高壓北側的偏西南氣流中，西安溫度為12 ℃，明顯高于周圍其他測站。地面圖上(圖略)，河套地區(qū)等壓線分布稀疏，氣壓場較弱。4日(圖略)500 hPa高空槽引導冷空氣緩慢東移到巴爾喀什湖附近，整個中緯度高度場呈緯向分布，關中地區(qū)仍以偏西氣流為主；850 hPa上陜西中南部被西南氣流控制，西安溫度為13 ℃，仍高出周圍測站5～6 ℃；925 hPa關中以偏西風為主。5日(圖略)副熱帶高壓勢力明顯減弱，控制范圍縮小，位置南壓，500 hPa高空槽攜帶冷空氣繼續(xù)東移南壓到新疆中部；低層冷空氣入侵到河西走廊，850 hPa西安溫度為12 ℃；低層925 hPa有一支偏東氣流影響陜西關中地區(qū)。6日08時(圖略)500 hPa高空槽東移到新疆東部；700 hPa冷空氣已東移南壓到河套西部，同時自云貴高原經(jīng)四川盆地到陜西有偏南風發(fā)展，西北風與偏南風在關中西部和陜南西部形成冷式切變線；850 hPa冷空氣侵入到陜西關中、陜南西部，西安溫度降到10 ℃；近地面925 hPa自東海經(jīng)山東、河南到陜西關中地區(qū)的東路冷空氣勢力明顯加強。20時西北路冷空氣進一步東移南壓，850 hPa西安溫度降到6 ℃，受東路和西北路冷空氣共同影響，陜西6日白天出現(xiàn)了降水天氣，霾逐漸消散。

圖2 2016-11-03T08 500 hPa高度場 (單位為dagpm)及850 hPa風場

3 形成條件和維持機制

3.1 動力條件

渦度平流是由于渦度水平分布不均勻而引起的渦度局地變化。渦度平流隨高度的變化，反映了地面低值系統(tǒng)的發(fā)展演變，從而判斷近地層輻合上升運動的強弱[6]。分析霾出現(xiàn)前后各層渦度平流變化發(fā)現(xiàn)，在霾天氣出現(xiàn)的當日早上，關中地區(qū)925 hPa以下渦度平流為正值(圖3a)，存在弱上升運動，可以將近地層的顆粒物帶到一定高度，形成一定厚度的霾層。925～850 hPa渦度平流為-10×10-5s-2，存在下沉運動，可將低空的顆粒物帶到近地面，從而有利于霾天氣的穩(wěn)定維持[5]。這種近地面層弱上升運動、850～925 hPa下沉運動一直持續(xù)到5日白天(圖略)。5日夜間925 hPa以下渦度平流為負值, 925～850 hPa出現(xiàn)了10×10-5s-2的正值中心(圖3b)。此時低層濕度迅速增加(圖略)，925～850 hPa上升運動可將低層的水汽帶到空中，大氣邊界層濕度增加，6日關中地區(qū)出現(xiàn)了弱降水及能見度較低的霧,霾明顯減弱。

圖3 2016年11月渦度平流垂直剖面圖(單位為10-5 s-2；a 03日08時；b 05日20時)

3.2 熱力條件

總溫度平流是綜合性物理量，不僅能反映暖濕空氣的活動，而且在一定意義上可以反映地形的影響[6]。分析各層逐日總溫度平流，發(fā)現(xiàn)850 hPa總溫度平流有代表意義。關中地區(qū)霾出現(xiàn)前(圖略)，有暖干平流從貝加爾湖經(jīng)蒙古到河套向陜西關中地區(qū)輸送。在霾出現(xiàn)期間，從東北—華北—關中存在一支暖干平流輸送，關中地區(qū)的總溫度平流基本維持在 0～5 ℃/s；5日08時，關中地區(qū)總溫度平流為-4～-2 ℃/s；20時，陜西北部出現(xiàn)了中心強度為-20 ℃/s的總溫度平流中心，即有強烈的降溫出現(xiàn)，有利于近地層空氣的下沉運動。隨著下沉運動的增強，霾迅速消散。

3.3 逆溫層的作用

逆溫強度是大氣層結穩(wěn)定度的重要指標[7]。從溫度場的垂直分布(表1)可以看出，關中霾持續(xù)期間，08時和20時關中上空均有逆溫層存在。逆溫層可達850 hPa，較為深厚，且逆溫強度08時大于20時。逆溫層的存在使低層形成一暖區(qū)，這種下冷濕上暖干的大氣垂直分布有利于大氣顆粒物和水汽在近地面層聚集，阻止近地面的水汽和污染物向上擴散，從而形成一定厚度的持續(xù)性霾天氣，且逆溫層越厚，霾持續(xù)時間越長。5日20時隨著冷空氣的南下，逆溫層遭到破壞，霾天氣減弱。

表1 2016-11-03—06涇河站天氣現(xiàn)象及 850 hPa溫度與地面溫度差

4 氣象要素特征

4.1 氣壓及風場

霾出現(xiàn)前，關中地區(qū)地面氣壓場呈減弱趨勢(圖4)，24 h負變壓，有偏南風發(fā)展，暖平流加強。霾出現(xiàn)且持續(xù)期間，關中地區(qū)受地面弱高壓區(qū)中的均壓場控制，一直維持風速較小或靜風狀態(tài)，有利于污染物的聚集，利于區(qū)域性霾天氣的形成。大氣處于穩(wěn)定狀態(tài),污染物在大氣中的擴散速率較小,且范圍狹窄,有利于霾的積累。隨著較強冷空氣影響，氣壓場明顯升高，風速增大，霾逐漸擴散消失。

圖4 2016-11-02T20—06T20涇河站氣壓及風速變化

4.2 混合層高度

有研究表明，大氣混合層高度是影響空氣質量的重要因素[8]。大氣混合層高度與空氣質量存在明顯反相關。根據(jù)羅氏法[9]，取關中地區(qū)地面粗糙度為0.2 m，使用2 min平均風速觀測值及一天8次溫度露點差平均值計算霾天氣期間混合層的高度(以涇河站為例)。

11月3—5日，涇河上空大氣混合層高度(圖5)偏低，持續(xù)低于650 m，平均為 633.7 m，3日混合層高度最低為 586 m。涇河空氣質量AQI指數(shù)日平均為227，為重度污染。從圖5可以看出，混合層高度和AQI 指數(shù)存在反比關系，當大氣混合層高度較低時，大氣湍流交換能力較弱，使得近地面污染物不易向高空擴散，污染加重。

圖5 2016年11月涇河站混合層 高度與日平均AQI指數(shù)對比

5 小結

(1)霾天氣持續(xù)期間，500 hPa 高緯度為典型的寬廣低值區(qū)，鋒區(qū)偏北；中緯度環(huán)流平直，受低緯副熱帶高壓阻擋，冷空氣不易南下，勢力較弱。850 hPa關中地區(qū)溫度明顯偏高，對應地面圖上，河套地區(qū)氣壓梯度較小。

(2)動力診斷表明，近地層弱上升運動有利于顆粒物的積聚，從而形成霾。熱力診斷表明，霾出現(xiàn)前或出現(xiàn)時，有暖干平流輸送；隨著強冷平流的輸入，霾天氣結束。逆溫層的持續(xù)存在，有利于顆粒物在近地層積聚，從而有利于霾的形成和持續(xù)，隨著逆溫層的破壞，霾逐漸消散。

(3)霾出現(xiàn)前后氣壓場及風場等均有明顯的變化特征，可為霾天氣預報提供參考。混合層高度也可做為預報霾的指標之一，大氣混合層高度越低，大氣湍流交換能力越弱，越不利于霾的消散。

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1006-4354(2017)04-0010-04

2017-01-10

馬曉華(1986—)，女，陜西寶雞人，碩士，工程師，主要從事天氣預報理論及方法研究。

陜西省氣象局預報員專項(2016Y-3)“關中盆地持續(xù)性重污染天氣過程氣象特征分析”

P458.11

A

馬曉華，黃少妮，張科翔，等. 關中地區(qū)一次霾天氣過程分析[J].陜西氣象，2017(4)：10-13.