孟州一次霧霾天氣的成因及影響

吳文華

(洛陽市氣象局，河南 洛陽 471000)

孟州一次霧霾天氣的成因及影響

吳文華

(洛陽市氣象局，河南 洛陽 471000)

本文利用地面、探空觀測資料，對孟州一次典型霧霾天氣的成因進行分析，一是天氣條件，二是人類工業活動。在霧霾發生、發展及消散過程中，較低的地面氣壓梯度和風速是形成霧霾的有利條件，氣壓梯度的增加、水平風速的增大則利于霧霾的消散；低層大氣濕度增加、逆溫層加強利于霧霾的發生、發展，反之，利于霧霾的減弱、消散。人類工業活動以及汽車尾氣等產生的PM2.5/10濃度的大小是霧霾成因的關鍵因子，對其有效治理能夠減輕霧霾的嚴重程度。

霧霾天氣；影響因子；PM2.5/10

霧霾是霧和霾的統稱，霾是一種大量微小塵粒、煙粒或鹽粒等均勻地浮游在空中，使空氣混濁，水平能見度小于10 km的天氣現象，能使遠處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍色[1]。當水汽凝結加劇、空氣濕度增大時，霾就會轉化為霧。霧霾天氣是一種大氣污染狀態，是對大氣中各種懸浮顆粒物含量超標的籠統表述，尤其是PM2.5被認為是造成霧霾天氣的“元兇”。霧霾天氣最直接表現為水平能見度的下降，能見度的演變規律能夠較為直觀和準確地反映霧霾的嚴重程度[2-5]。

污染物的濃度不僅與排放源有關，還與污染物的遷移、擴散和沉降有關，而這些又取決于天氣形勢的變化。在不同氣象條件下,同一污染源的排放所造成的地面污染物濃度可相差幾倍甚至幾十倍,這主要是由于大氣對污染物的稀釋擴散能力隨著氣象條件的不同而發生巨大變化[6]。通過對各地霧霾天氣的氣象特征分析，結果表明：靜止的高壓系統下產生下沉氣流和相對穩定的天氣，伴隨著小風或靜風，混合層高度低，在邊界層強逆溫的情況下會出現嚴重的灰霾天氣[6-10]。環境濕度和細顆粒物也是影響霧霾的重要因素[11-13],細顆粒物和水蒸氣同時積累的天氣最有利于霧霾的形成。

孟州地處中原重工業聚集區，工業排放、汽車尾氣、建筑揚塵、垃圾秸稈焚燒等形成了灰霾的源頭，使得大氣中布滿粉塵顆粒。冬季受寒冷的西伯利亞高壓控制，相對寒冷而穩定的大氣形成了有利于霧霾存在的天氣條件。2015年12月5-14日豫西地區發生一次嚴重的霧霾天氣過程。在霧霾爆發后，當地政府采取了大面積的工廠禁排、大型建筑工地停工、交通管制和禁止焚燒秸稈等有效措施。因此，研究孟州氣象要素變化規律，對于掌握本地霧霾天氣成因有重要意義。

1 霧霾天氣過程概述

2015年12月5日17:00至14日08:30，孟州地區能見度低于10 km，出現重度霧霾天氣。筆者選取這次霧霾天氣過程來進行研究，其能見度隨時間演變過程曲線如圖1所示。這次霧霾天氣過程可分為三個階段：第一階段為霧霾天氣形成發生階段，時間為5日17:00-6日21:30，能見度變化范圍為3～10 km；第二階段為發展加強階段，時間為6日21:30-11日13:00，能見度變化范圍為0～3 km；第三階段為減弱消亡階段，時間為11日13:00-14日08:30，能見度變化范圍為3～10 km。筆者對霧霾發展加強和減弱消亡這兩個重要階段進行成因分析，得出霧霾發展、消亡的成因，以期對霧霾的預報、預防有一定的借鑒作用。

圖1 霧霾天氣能見度隨時間的演變過程曲線

2 成因分析

2.1 天氣形勢

圖2給出了12月9日08時、10日20時地面氣壓場、風場合成圖。由圖a可知，孟州地區東部受東海高壓控制，西部受低壓控制；從氣壓等值線分布可知，孟州地區氣壓梯度小，不利于對流發生、發展；從風場可以看到孟州地區處于小于2 m/s的微風或靜風區域，與其較低的氣壓梯度相一致。此種配置下，大氣易處于準靜止狀態，不利于水汽或者霧的擴散，不利于霾的擴散，是形成持續性霧霾天氣的有利形勢。由圖b可以看出，孟州地區北部受蒙古深厚的冷高壓控制，氣壓梯度大，利于對流的發生發展；且孟州地區受穩定的東北風控制，受東北寒冷氣流影響，天氣形勢逐漸轉好，霧霾逐漸消散。

圖2 2015年12月9日08時、10日20時地面氣壓場、風場圖

2.2 各影響因子相關性分析

根據天氣學原理相關知識可知，大氣的相對濕度是影響大霧形成的重要因素之一，筆者首先從孟州地區相對濕度方面論述霧霾天氣成因。圖3給出了2015年12月9日08時、10日20時1 000 Hpa相對濕度場的填充圖。由圖a可知，我國東部沿海以西大部地區處于高濕區（相對濕度RH≥75%）控制，孟州地區相對濕度更是大于等于85%。高濕的大氣環境、有利的天氣形勢，是大霧形成的主要原因。從天氣實況可知，此時正是大霧發展最為強盛的時期。由圖b可知，10日20時孟州場區大氣濕度明顯降低，為50%～70%，結合前文分析的有利于大霧消散的天氣形勢，此時大霧開始減弱、消散。

圖3 2015年12月9日08時、10日20時1 000 Hpa相對濕度場

圖4給出洛陽觀測站12月4日-15日PM10、PM2.5濃度隨時間變化曲線。由圖可知，PM10、PM2.5變化趨于一致，且其趨勢與圖1能見度變化趨勢幾乎相反。5-6日能見度快速降低時，PM2.5/10濃度在快速升高，7-10日能見度維持在很低水平（0～3 km）時，PM2.5/10濃度逐漸升高到200～670 ug/m3，尤其是7-9日，PM2.5/10濃度維持在很高的水平，這為霧霾天氣的劇烈發展、演變提供了有利的條件。由于工廠限排、交通管制等措施的實施，大氣中各種粒徑的粒子數減小，10日PM2.5/10濃度開始下降，與前文分析的關于10日起天氣形勢轉好、對流發生、寒潮南下造成大霧減弱消散是相互對應的：大霧減小，霾在減弱，霧霾逐漸消退。這充分說明PM2.5/10濃度是造成霧霾發生、發展、消亡的重要影響因子之一。

圖4 2015年12月4日-15日PM10、PM2.5濃度（ug/m3）隨時間變化曲線

表1 孟州地區能見度與各影響因子間線性相關系數表

本文選定的影響因子包括地面氣壓、地面氣溫、相對濕度、風速、PM2.5濃度和PM10濃度，通過計算這些因子與能見度之間的相關系數，來分析其與能見度的關系。表1給出了孟州地區能見度與各影響因子間線性相關系數，表中*表示顯著性水平小于0.05，其余表示顯著性水平小于0.000 1。由相關系數可以看出，地面氣壓、地面風速與能見度之間存在正相關關系，其中風速與其相關性較為明顯，可以解釋為風速越大，風對霧霾的擴散作用越明顯，能見度越大；而地面氣壓越高，地面氣壓梯度越大，氣壓梯度力產生的地轉風越大，能見度越高。相對濕度、PM2.5/10濃度與能見度成顯著的負相關關系，相對濕度越高，越有利于大霧的形成，造成能見度降低；PM2.5/10濃度越高，有利于霾的形成，同樣造成能見度的減小；相對濕度、PM2.5/10濃度同時偏高，會形成嚴重的霧霾天氣，進一步影響能見度。氣溫與能見度存在負相關關系，但是沒有通過顯著性檢驗，說明氣溫對能見度的影響比較小，本文不予分析。

2.3 逆溫層結構特征分析

逆溫是對流層中出現的氣溫隨高度增加而升高的現象，冬季低層大氣出現逆溫，容易造成大氣層“頭重腳輕”，使得原本易引發對流的大氣變得較為穩定，空氣中的霧、霾不容易擴散，往往使霧霾天氣加重。12月9日08時鄭州探空站的TlogP圖(圖略)可看出，低層大氣（地面至750 hPa）風速極小，接近無風或靜風，750～900 hPa之間存在明顯的逆溫層，即溫度隨高度的增加而升高；等飽和比濕線在650～900 hPa之間與濕絕熱線非常接近，濕度較大，接近飽和；同時，等飽和比濕線與濕絕熱線之間形成正不穩定能量，正不穩定能量極小，低層大氣處于準靜止狀態，不易發生對流，霧霾將發展加強。由10日20時TlogP圖（圖略）可知，低層大氣風速開始增大，達到10 m/s；低層逆溫層減弱，等飽和比濕線遠離濕絕熱線，氣塊濕度較小；等飽和比濕線與濕絕熱線之間形成的正不穩定能量增大，低層大氣發生對流交換，霧霾減弱、消散。

3 結論

本文針對2015年12月5日-15日發生在孟州地區的霧霾天氣過程進行了成因分析，指出在有利的天氣形勢下，即孟州地區大氣處于準靜止條件下，地面氣壓、風速、低層大氣濕度、PM2.5/10濃度以及低層大氣逆溫等因素的改變是本次霧霾形成、發展和消散的主要影響因子。

本文利用大量的觀測資料，通過定性和定量分析，對一次典型的霧霾天氣進行成因分析，揭示了霧霾的發生、發展以及消散的影響因子，為有效預防和規避霧霾天氣提供很好的借鑒作用。由于篇幅和數據資料獲取的限制，本文并未對孟州地區霧霾天氣的氣候特征進行研究，也沒有對氣溶膠輻射特性及如何影響消光系數等方面進行深入探討，這部分內容將在今后的工作中進行詳細的研究、論述。

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14 黃嘉佑.氣象統計分析與預報方法[M].北京：氣象出版社，2000.

Causes and Effects of Misty Weather in Mengzhou

Wu Wenhua
(Luoyang Meteorological Bureau, Luoyan 471000, China)

This paper analyzes the causes of a typical fog and haze in Mengzhou by using ground and sounding data. First,the weather conditions, and the two is human industrial activities. In the haze occurrence, development and dissipation process, low surface pressure gradient and wind speed are favorable conditions for the formation of haze, increasing the level of wind speed increases, the pressure gradient is conducive to haze dissipated; low air humidity increases, the inversion layer to strengthen the haze occurrence and development, on the other hand, in favor of haze weakened, dissipation. The concentration of PM2.5/10 produced by human industrial activities and automobile exhaust gas is the key factor of haze formation, and the effective treatment can reduce the severity of fog and haze.

fog and haze; influence factors; PM2.5/10

X513

A

1008-9500(2017)06-0123-04

2017-03-26

吳文華（1990-），女，河南濮陽人，助理工程師，研究方向：短期天氣預報。