珠三角地區典型濃霧和灰霾天氣過程氣象條件對比研究

劉暢，彭端，杜堯東，張羽，羅曉玲

1. 廣東省氣候中心，廣東 廣州 510640；2. 肇慶市氣象局，廣東 肇慶 526060

在大量土地被工業化利用、植被減少、交通工具迅猛增加、鄉鎮企業工廠蓬勃發展的情況下，珠三角地區大氣污染物排放量急劇上升，霧霾事件頻發（吳蒙等，2014；鄧濤等，2014；劉建等，2015）。霧、霾天氣中的污染物主要是氣溶膠粒子，其中包含有硫化物、碳氫化合物、氮化物、重金屬、放射性物質等，此外還存在某些毒性氣體，如一氧化碳等。這些粒子進入支氣管、肺部會危害人體健康，引起鼻炎、哮喘、支氣管炎，誘發肺癌或心血管病，嚴重危害人體的健康（Tie et al.，2009；潘銘，2013；劉蔚琴等，2015；劉謙等，2016）。珠三角地區經濟發達，航空海陸交通網絡密布，伴隨霧、霾出現的低能見度天氣也給交通造成較大的影響，霧、霾天氣也已成為影響高速公路、機場交通和海洋運輸安全的重要因素，嚴重威脅生命安全，造成直接或間接的經濟損失（伍紅雨等，2011）。據統計，由霧霾造成的經濟損失與其他災害性天氣（龍卷、臺風等）造成的經濟損失不相上下（穆泉等，2013）。

珠三角地區霧、霾多發這一現象已引起國內外學者的廣泛關注（Menon et al.，2002；Ma et al.，2016；張小曳等，2013；王振波等，2015；吳健生等，2017；蔣超等，2018；葉延瓊等，2019），相關方面的研究也已取得了大量成果。Tao et al.（2009）分析了廣州霧霾過程的化學特征，結果表明硫酸鹽是影響光散射和能見度的主要物質；Wang et al.（2017）探討了氣象條件對珠三角地區的氣溶膠濃度的影響，結果表明在一定條件下氣象條件有助于污染顆粒物的增濕和凝結；Ming et al.（2018）研究了 2001－2016年華南地區氣溶膠的時空變化特征，結果表明華南中部為氣溶膠光學厚度（AOD）高值區。鄧雪嬌等（2007）分析了南嶺山地濃霧的邊界層特征，得到云霧中的微物理過程與能見度有密切關系；吳兌（2012）指出灰霾天氣的形成，大氣污染物排放是內因，環境氣象條件是外因，而廣東溫暖、濕潤的氣候條件極有利于空氣中的污染物粒子吸濕長大，形成灰霾天氣；岳巖裕等（2013）對湛江地區沿岸海霧發生時的氣象條件邊界層特征進行歸納分析，得出霧過程中地面以偏東風為主，高空以偏東、偏南風為主；梁碧玲等（2017）研究了邊界層內不同高度風速風向對深圳市灰霾天氣的影響，研究發現秋冬季400－1500 m層風速與灰霾天氣關系最密切；吳蒙等（2017）對珠三角地區灰霾天氣流場進行歸納分類，研究表明珠三角地區灰霾天氣流場可分為冷氣團型、暖氣團型和臺風型3種。以往研究多為單獨分析霧或者霾的發生發展機制，在業務預報預警中對霧和霾的區分也存在著較大的不確定性，但關于濃霧、灰霾天氣發生發展的氣象特征對比的研究較少，遠不能滿足環境天氣預報預警業務開展的需求。

本文應用常規地面氣象觀測資料、中國氣象局廣州番禺大氣成分站觀測數據和 NCEP/NCAR的1°×1°再分析資料，根據濃霧、灰霾過程發生的持續時間、影響程度和范圍，從2015－2017年這3年間發生在珠三角地區的所有霧、霾天氣過程中分別選擇2017年3月10日－12日和2016年3月29日－4月3日的典型濃霧、灰霾過程（持續時間長，影響程度大、范圍廣），從環流形勢、地面氣象要素特征和邊界層特征等方面對兩次過程進行對比分析，研究結果可為霧、霾天氣的預報和污染治理提供一定思路和參考依據。

1 資料和方法

1.1 資料介紹

研究所用數據為（圖1）：（1）廣東珠三角地區24個國家自動氣象站逐時觀測數據，包括能見度、氣溫、相對濕度、風向風速、降水等，觀測資料均經過均一化處理；（2）中國氣象局廣州番禺大氣成分站逐時PM2.5濃度觀測數據，該監測站點位于廣州市番禺區南村鎮大鎮崗的山頂，是番禺第一高峰，海拔141 m，周圍無明顯工業污染源；由于地處珠三角洲腹地，可在一定程度上代表珠三角經濟圈大氣成分均勻混合的平均特征；（3）NCEP/NCAR一天4次的再分析資料，分別為北京時間02：00、08：00、14：00、20：00，水平分辨率為 1°×1°，該資料主要用于提取垂直方向上高空各層高度場數據、邊界層高度數據、風速風向、溫度和相對濕度等數據。NCEP/NCAR再分析數據集是由美國氣象環境預報中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）聯合制作的，他們采用了當今最先進的全球資料同化系統和完善的數據庫，對各種來源（地面、船舶、無線電探空、測風氣球、飛機、衛星等）的觀測資料進行質量控制和同化處理，獲得了一套完整的再分析資料集，它不僅包含的要素多，范圍廣，而且延伸的時段長，是一個綜合的數據集。

進行資料處理時，依據《地面氣象觀測業務技術規定(2016版)》，定義能見度≥1 km，相對濕度≥90%時為霧；能見度≤10 km，相對濕度＜90%時記為霾。研究分析中出現的時間均為北京時間。

圖1 珠三角地區24個國家自動氣象站和廣州番禺大氣成分站的站點分布Fig. 1 Distribution of 24 national automatic weather stations and Guangzhou Panyu atmospheric composition station in Pearl River Delta Region

1.2 方法介紹

1.2.1 皮爾遜（Pearson）相關系數

皮爾遜（Pearson）相關系數是描述兩個隨機變量線性相關的統計量，一般簡稱為相關系數或者點相關系數，用r來表示，具體計算公式如下（魏鳳英，1999）：

其中 xi，yi為樣本量為 n的變量，x ，分別是兩個變量的平均值。

據統計學中大樣本定理（王梓坤，1976），樣本量大于30才有統計意義。當樣本量較小時，計算所得相關系數可能會與總體相關系數偏離甚遠。這時，可以計算無偏相關系數r*加以校正，公式如下：

1.2.2 相關性檢驗

對于兩個變量的線性關系是否顯著，必須進行統計檢驗，本研究采用t檢驗對樣本量為n的兩個變量的相關系數r進行顯著性檢驗，具體公式如下（魏鳳英，1999）：

遵從自由度為n-2的t分布，給定顯著性水平，查t分布表，計算所得t值大于查表所得值則認為相關系數是顯著的。

圖2 珠三角主要城市濃霧過程能見度（a）和灰霾過程能見度（b）、廣州番禺大氣成分站PM2.5濃度（c）隨時間變化Fig. 2 Temporal variations of visibility during dense fog process (a), visibility (b) and PM2.5 concentration (c) at Guangzhou Panyu atmospheric composition station of the haze process in major cities of PRD

2 結果與分析

2.1 實況描述

選取的珠三角地區典型濃霧過程發生在 2017年3月10－12日（以下簡稱濃霧過程），期間超過13個自動氣象站持續3 d測得大霧天氣，肇慶、佛山、中山、惠州等地出現能見度小于500 m濃霧天氣，且維持數小時。此次過程低能見度時段多出現在夜間至次日凌晨，霧在午后有一個短暫消散（圖2a）。

2016年3月29日－4月3日珠三角地區出現大范圍灰霾天氣過程（以下簡稱灰霾過程），這次過程廣州番禺大氣成分站測得 PM2.5濃度最高達186.0 μg·m-3，嚴重超過國家標準。根據能見度（V）定義灰霾天氣級別（輕微灰霾天氣：5 km≤V＜10 km；輕度灰霾天氣：3 km≤V＜5 km；中度灰霾天氣：2 km≤V＜3 km的灰霾日；重度灰霾天氣：V＜2 km），由圖2b和圖2c可知，29日20：00之后能見度開始持續降低，灰霾天氣出現并逐漸加重，至 30日08：00，珠三角主要城市平均能見度降至5.1 km。30日 08：00－1日 08：00，珠三角主要城市 PM2.5濃度均高于75.0 μg·m-3，持續處于中度或重度灰霾天氣中，能見度在夜間和凌晨降至最低值，31日06：00惠州能見度僅為700 m。3日之后受高空槽和冷空氣影響，廣東省出現降水，本次灰霾過程結束。灰霾過程期間能見度與 PM2.5濃度有較大的負相關性，相關系數達-0.63。

2.2 環流形勢分析

霧、霾天氣的發生發展往往與天氣背景的環流形勢有密切關系，穩定的環流形勢有利于霧、霾的維持發展（韓永清等，2017）。圖3給出了高層500 hPa等壓面上的等高線分布情況。兩次過程中 500 hPa環流場上珠三角地區均處于弱高壓脊控制的西風氣流或平直西風環流中。從濃霧過程500 hPa環流場（圖3a、b）可以看到，10日08：00中國高緯地區有一個弱的高壓脊東移，珠三角地區處于西風帶平直緯向環流中；至12日08：00，在青藏高原有一個淺槽，隨著淺槽東移，此次過程結束。灰霾過程500 hPa環流場與濃霧過程基本一致（圖3c、d），29日08：00－31日08：00低緯588線西伸，廣東省處于西風帶平直緯向環流中；1日08：00 588線東退，環流形勢的調整使得能見度在1日白天有一個緩慢的增大過程，伴隨灰霾天氣有一個短暫消散；2日08：00－3 日 08：00，588 線繼續控制南海，環流形勢重新歸于穩定，2日和3日能見度重新降至5 km左右；3日之后，在低緯廣東省西邊有個淺槽緩慢東移，受弱冷空氣影響此次灰霾天氣過程結束。

在兩次過程的中低層環流場中（圖未展示），珠三角地區均處于高壓底部的均壓場中，等值線疏散，氣壓梯度小，近地層（1000 hPa）風速較小，有利于霧、霾天氣的維持，伴隨地面弱冷空氣滲透，近地面風速增大，出現零星降水，霧、霾消散。

2.3 地面氣象要素特征

濃霧過程中，能見度與各氣象要素的相關性大小依次為風速、相對濕度和氣溫，相關系數分別為0.33、-0.22和0.12（表1）。氣溫隨時間緩慢升高，與能見度呈較弱的正相關；9日20：00－12日凌晨，相對濕度均達99%以上，大部分時段相對濕度達到100%，大氣中水汽飽和是形成這次大霧天氣的重要原因；平均風速大小在1.5 m·s-1左右，風速較小；整個過程中，風向有一個從偏北風向偏東風的轉變。13日08：00之后，相對濕度降低，風速增大，此次大霧過程結束（圖4）。

表1 2次過程（濃霧、灰霾）地面氣象要素與能見度的相關系數及置信水平Table 1 Coefficient and confidence level between ground meteorological elements and visibility in two processes(dense fog and haze)

圖3 濃霧過程（a、b）和灰霾過程（c、d）500 hPa位勢高度場Fig. 3 Geopotential height of dense fog (a, b) and haze processes (c, d) at 500 hPa

圖4 濃霧過程廣州站能見度、氣溫、相對濕度、風向、風速、降水隨時間變化Fig. 4 Temporal variations of visibility, temperature, relative humidity, wind direction, wind speed and precipitation at Guangzhou Station during dense fog process

灰霾過程中，各氣象要素與能見度的相關系數均高于濃霧過程，相關性由小到大依次為相對濕度、風速和氣溫（表 1）。能見度在上午 08：00之后開始增大，下午15：00左右開始降低，在夜間和次日早晨降至最低，與此同時，氣溫存在較明顯的日變化。從相對濕度來看，大部分時段低于90%，部分時段相對濕度低至60%以下。從風速風向的變化看到，整個過程主要分為兩個階段，31日08：00之前，風速大小為1 m·s-1左右，主導風向是偏南風，3日08：00之后，風速增大，但均小于3 m·s-1，風向轉為偏東風（圖5）。

兩次過程綜合比較來看，濃霧和灰霾過程能見度均與相對濕度呈負相關，與風速和氣溫呈正相關，濃霧過程與3個氣象要素的相關性均較小，與風速的相關性更大，其次是相對濕度，而灰霾過程中濕度和能見度的相關系數最大，達-0.77，其次是風速和氣溫，相關系數分別為0.57和0.42。另外，濃霧過程地面風向主要為偏東風；相對濕度和風速大小是影響濃霧天氣的重要氣象條件，相對濕度的減小是濃霧天氣消散的主要原因；灰霾過程地面主導風向為偏南風和偏東風；能見度與各氣象要素均有較強的相關性，風速增大和降水是灰霾天氣消散的主要氣象條件。

圖5 灰霾過程廣州站能見度、氣溫、相對濕度、風向、風速、降水隨時間變化Fig. 5 Temporal variations of visibility, temperature, relative humidity, wind direction, wind speed and precipitation at Guangzhou Station during haze process

2.4 邊界層特征

2.4.1 邊界層高度

邊界層高度為邊界層中湍流活動的高度，是表征大氣垂直擴散能力的一個重要參量，邊界層高度越低說明邊界層內垂直擴散能力越差。邊界層高度有較明顯的日變化特征，一般在早晨較低，在午后達到最高值。兩次過程邊界層高度與能見度均有較好的正相關性，其中濃霧過程中，能見度與邊界層高度相關系數達0.8，且通過0.05顯著性檢驗（圖6）；灰霾過程中，二者相關系數小于濃霧過程，僅為0.57，通過0.05顯著性檢驗（圖7）。

2.4.2 邊界層動力條件

2.4.2.1 水平風廓線

表面風和水平風垂直切變可以通過動力作用對濃霧天氣產生影響。圖8為廣州（113.14°，23.08°）上空水平風廓線隨時間的變化圖，從灰霾過程的風廓線圖可知，9日夜間至10日，近地層（1000－975 hPa）吹偏北風，風速均低于4 m·s-1，950 hPa以上吹偏南風。淺薄的弱北（冷）風鍥入南風（暖）下墊面或淺薄的弱南（暖）風鍥入北風（冷）下墊面都有助于霧的形成，但后者形成的霧更濃，且層結較為穩定也有利于濃霧的維持，在這種風場配置下，與廣州測站濃霧出現在9日夜間至10日上午有較好對應。13日08：00之后垂直方向一直吹偏南風，且風速較大，大霧隨之消散。灰霾天氣期間，底層主要吹偏南風，到上層開始轉為偏西風，主要發生切變的層次出現在 850 hPa左右，從地面一直到 850 hPa左右水平風速和垂直風切均較小，不利于污染物的水平動力輸送和垂直方向的動力擴散。4日08：00低層風速增大，隨后此次灰霾天氣過程結束。

圖6 濃霧過程廣州能見度與邊界層高度隨時間的變化Fig. 6 Temporal variations of visibility and boundary layer height in Guangzhou during dense fog process

圖7 灰霾過程廣州能見度與邊界層高度隨時間的變化Fig. 7 Temporal variations of visibility and boundary layer height in Guangzhou during haze process

圖8 濃霧過程（a）和灰霾過程（b）廣州上空水平風廓線隨時間的變化Fig. 8 Temporal variations of horizontal wind profiles over Guangzhou during dense fog (a) and haze process (b)

濃霧天氣在低層有一個較淺薄的小風速層（1000－950 hPa），而灰霾天氣的小風速層為近地面至850 hPa左右。垂直方向上的水平風向配置是濃霧天氣形成和維持的重要因素，而深厚的小風層是造成灰霾天氣的主要原因，近地層風速增大是濃霧和灰霾消散的重要前期信號。

2.4.2.2 垂直風速時間剖面圖

垂直上升運動也是影響大氣層結發展變化的重要因子之一。圖9給出兩次過程廣州上空垂直速度隨時間的變化。濃霧過程期間中低層為一致下沉氣流且垂直速度較小（0－0.04 m·s-1左右），大氣在垂直方向交換較弱，有利于穩定層結的維持和氣溶膠粒子的的聚集。13日之后，850 hPa左右開始出現上升運動，并隨時間向下伸展，穩定層結破壞，濃霧天氣消散。灰霾過程期間，中低層垂直速度與濃霧過程較為一致，基本無垂直方向的氣流交換，有利于污染顆粒的聚集，4月3日20：00之后，在近地面和800 hPa左右分別出現上升和下沉氣流的垂直速度大值區，使得上下層之間的氣流交換加強，有利于污染物的快速消散，灰霾天氣過程結束。

2.4.3 邊界層熱力條件

2.4.3.1 溫度垂直廓線

圖10為濃霧過程廣州溫度廓線變化圖，10日08：00在975－925 hPa出現逆溫層，珠三角地區開始出現大霧天氣，10日 08：00－11日 08：00，逆溫層持續，有利于濃霧天氣的發展維持，12日20：00邊界層中逆溫層消失，濃霧過程結束。灰霾過程在3月29日－4月2日，地面至1000 hPa的近地面層中，一直存在一個淺薄逆溫層，邊界層中其他層次逆溫不顯著，4月3日之后，近地層逆溫層消失，灰霾消散（圖11）。兩次過程均存在逆溫層，濃霧過程逆溫層出現在950 hPa附近，灰霾過程逆溫層出現在近地面附近，且濃霧過程逆溫層厚度大于灰霾過程。

圖9 濃霧過程（a）和灰霾過程（b）廣州上空垂直速度隨時間的變化Fig. 9 Temporal variations of vertical velocity over Guangzhou during dense fog (a) and haze process (b)

圖10 濃霧過程廣州上空溫度隨時間的變化Fig. 10 Temporal variations of temperature over Guangzhou during dense fog process

2.4.3.2 相對濕度時間剖面圖

圖12a為濃霧過程期間廣州上空相對濕度隨時間變化圖，濃霧天氣期間垂直方向1000－850 hPa相對濕度均大于95%，高濕度層厚度較厚，9日夜間至10日，1000 hPa左右濕度略小于95%，與低層吹北風相關，12日20：00之后，濕度層厚度變薄，850 h Pa左右開始出現相對濕度低值中心，霧過程結束。灰霾過程個例中，在嚴重和中度灰霾發生期間，底層（1000－900 hPa左右）相對濕度為70%－80%，4日 08：00低層相對濕度達 90%以上，且高濕度層厚度增大，這與期間開始出現降水有關，隨之灰霾天氣結束。通過以上對比分析發現，濃霧過程對濕度條件的要求較灰霾天氣更高。

圖11 灰霾過程廣州上空溫度隨時間的變化Fig. 11 Temporal variations of temperature over Guangzhou during haze process

圖12 濃霧過程（a）和灰霾過程（b）廣州相對濕度時間剖面圖Fig. 12 Relative humidity time-section over Guangzhou during dense fog (a) and haze process (b)

3 討論

選取的兩次個例中，霧、霾天氣的出現均具有較為穩定的環流背景場（韓永清等，2017；劉建等，2015；吳兌等，2014），珠三角地區高層（500 hPa）為緯向平直西風環流，地面受均壓場控制，等壓線稀疏，穩定的高低層環流配置極有利于霧、霾天氣過程的出現和維持，伴隨環流形勢調整，霧、霾消散，因此在做霧、霾的生成和消散預報時，穩定的環流背景場可作為重要的參考依據。在能見度與邊界層相對濕度的相關分析中，發現霧事件邊界層的濕度層厚度大，相對濕度高，即濃霧天氣對相對濕度要求高于灰霾天氣，這一點也與《地面氣象觀測業務技術規定(2016版)》中定義霧和霾時，兩者對相對濕度的要求相一致；另外，在能見度與地面相對濕度的相關性分析中，由于濃霧事件中整個時段相對濕度達到且持續維持在97%以上，大部分時段相對濕度達100%，濕度值達上限，變化幅度（3%）較小，因此與波動的能見度的相關關系較弱。但是在3月12日08：00相對濕度出現減小同時邊界層的濕度層開始變薄，霧隨即開始消散，因此得到相對濕度是影響濃霧天氣的重要氣象條件之一，地面相對濕度大小和邊界層濕度層厚度對霧的出現和消散預報具有一定的指示意義（孟金平等，2018；沈陽等，2017）。

在邊界層熱力、動力條件中，霧、霾過程的邊界層中均存在小風層、逆溫層和上升氣流（劉建等，2015；姚青等，2018），但逆溫層的位置存在差異，該結論可為霧、霾預報提供一定參考。另外，在邊界層熱力條件中，霧、霾主要的區別在于對地面和邊界層中相對濕度的要求不同，霧過程的相對濕度顯著高于霾過程。另外，本文選取個例的典型性主要是考慮其發生的持續性、影響程度和范圍而定，2017年3月10日－12日的濃霧個例和2016年3月29日－4月3日的灰霾個例是從2015－2017年發生所有典型濃霧和灰霾過程挑選，這兩個過程都是發生在珠三角地區、持續時間超過3 d及以上的大范圍造成嚴重影響的天氣過程，具有典型性和一定的代表性，盡管如此，本文的研究結論仍需多個例加以驗證。

4 結論

本文選取2017年3月10日－12日發生在珠三角地的典型濃霧和2016年3月29日－4月3日的灰霾天氣過程作為對比研究個例，利用珠三角地區常規氣象站資料、大氣成分站數據以及NCEP/NCAR再分析數據，通過對濃霧和灰霾發生發展過程中各氣象要素的相關分析和天氣學分析，得出霧、霾的形成一般均具備較為穩定的環流背景場；在地面和邊界層各氣象要素的討論中得到霧、霾過程中主要氣象條件的不同之處在于相對濕度要求的差異，霧一般要求邊界層具有較厚的濕度層和加大的相對濕度，而灰霾過程中風速增大和降水是灰霾天氣消散的主要氣象條件。另外，低層風速增大，出現上升氣流，逆溫層消失等，是霧、霾天氣開始消散的重要信號，該結論有助于為霧、霾預報預警業務提供科學參考價值。