南通地區1次大范圍持續性霧霾天氣機制分析

繆燕 張樹民 吳彩霞 陳鐵

摘 要：2013年1月，我國南通地區出現了1次大范圍的霧霾天氣，并持續了4d時間，最低能見度僅30m，空氣中含有大量的可吸入顆粒物，對社會的影響比較嚴重。該文運用NECP再分析資料，結合南通地區地面觀測數據以及環境監測中心提供的PM2.5含量資料，從地面氣象要素、溫度平流、水汽條件、動力條件、逆溫層以及可吸入顆粒物含量影響等方面對霧霾天氣的發生發展進行了分析。結果表明：南通地區此次霧霾天氣形成的機制比較復雜，冷暖平流交替影響，在霧持續過程中，近地層暖濕平流的輸入、淺層抬升、水汽弱輻合以及對流層中下部的“干暖蓋”，有利于飽和濕空氣的凝結以及逆溫層的維持，而高低空一致的垂直上升運動和高空的干冷平流是霧消散的主要因素。

關鍵詞：霧霾;PM2.5;逆溫層;溫度平流;垂直速度

中圖分類號 X513 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）（02-03）-0134-04

Analysis of a Large-scale Persistent Haze Weather Mechanism in Nantong Area

Miao Yan et al.

（Nantong Meteorological Bureau， Nantong226000， China）

Abstract： in January 2013， there was a large-scale haze in Nantong area of China， which lasted for 4 days. The minimum visibility was only 30 meters. There were a lot of inhalable particles in the air， which had a serious impact on the society. Based on the NECP reanalysis data， combined with the surface observation data of Nantong area and the PM2.5 content provided by the environmental monitoring center， this paper analyzes the occurrence and development of haze weather from the aspects of surface meteorological elements， temperature advection， water vapor conditions， dynamic conditions， inversion layer and the influence of the content of inhalable particles. The results show that the formation mechanism of the haze in Nantong area is complex， and the cold and warm advection alternate. In the process of fog persistence， the input of the warm and wet advection in the near ground layer， the shallow uplift， the weak convergence of water vapor and the "dry and warm cover" in the middle and lower troposphere are conducive to the condensation of the saturated wet air and the maintenance of the inversion layer， while the consistent vertical rise movement in the high and low altitude and the dry and cold advection in the high altitude It is the main factor of fog dissipation.

Key words： Haze; PM2.5; Lnversion layer; Temperature advection; Vertical velocity

霧霾是指懸浮在近地層大氣中的大量微細水滴或冰晶、可吸入顆粒物的可見集合體[1]。近年來，隨著我國社會經濟的發展，霧霾對社會生產和人們生活造成的不良影響日益嚴重。國內外有關霧的研究很多，從20世紀80年代至今，科研工作者利用地面觀測、小球探空、模式模擬等觀測研究手段對霧霾的發生規律、生消過程進行了細致的研究[1-6]。南通地區地處長江中下游，瀕臨南黃海，水汽豐沛，是霧霾多發地區，且該地區人口密集、經濟發達，持續性霧天氣所造成的社會經濟影響相對突出，但對霧霾生消的環流特征和物理機制仍缺乏系統的認識。為此，本研究以2013年冬季1月12—16日南通霧霾天氣為例，利用NECP2.5*2.5再分析資料，分析了霧過程中高度場、溫度平流場、水汽場及大氣層結結構的演變過程，尋找霧霾生消規律、能量平衡、污染物積聚和擴散規律，研究南通霧霾天氣生成觸發和維持過程的機理。

1 天氣實況和形勢背景

2013年1月，南通地區共出現了11次霧霾天氣，主要集中在1月12—16日，以及1月23日以后，因影響范圍廣、持續時間長，且空氣中可吸入顆粒物含量較高，對當地社會的影響較大，引起了社會各界的廣泛關注。本文主要以1月上旬的持續性大霧為例進行分析，12—16日南通全市大部分地區長時間籠罩在霧霾天氣下，13—15日最低能見度均在500m以下，持續時間最長、能見度最低的霧霾天氣出現在12日夜間至13日上午（持續18h）、13日夜間至14日早晨（持續12h），最低能見度僅30m（圖1）。能見度最低的時段（13—14日）南通都是受濃霧的影響，從水汽條件看，12—16日有大霧發生時地面相對濕度維持在80%以上，且溫度露點差小于等于2℃。

此次大范圍、長時間的霧霾天氣由冷暖空氣交替影響，天氣形勢多變。根據高空的大尺度天氣系統，可以將此次大霧天氣分為以下3個部分：

1月11日后期至13日前期，高空西南氣流控制，地面上有暖性低值系統沿西安-鄭州-山東北部一線移動，南通處于低渦左前側的西南暖濕氣流中，地面空氣潮濕，風速小于3級，南通全市生成了最低能見度小于200m的平流霧。13日上午南通地區出現暖區降水，空氣中的水汽和可吸入顆粒物被雨滴拖曳下墜，中高層的濕度驟然下降，能見度迅速轉好，達4000m以上。

13日后期高空低槽從江蘇東部入海，地面冷鋒南下過境，南通地區在冷平流和夜間輻射降溫的共同作用下，不僅加強了近地面的穩定層結，而且加速了近地面水汽的飽和速度，使霧體快速發展。西太平洋熱帶氣旋東北向移動，其螺旋云帶給本地區從海面上帶來的大量水汽，給大霧的維持和加強提供了條件。14日10時，暖氣團重新活躍起來，濕度減小至60%～70%，能見度開始轉好。

14日夜里到15日前期，受西風帶系統的影響，高低空一致的西南暖濕氣流，南通地區出現了霧霾天氣，但能見度較13日和14日優，持續時間僅6h左右，屬于地面鋒前霧。冷鋒過境后，能見度迅速轉好。15日夜間，在冷平流和輻射降溫的影響下，又重新形成了霧體，且空氣中污染物含量增加，使得霧霾天氣一直持續到16日早晨晴空以后。

2 物理量分析

2.1 地面要素 圖3是1月12—16日地面能見度、相對濕度、溫度露點差以及地面10min平均風速的趨勢變化。從圖3可以看出，地面相對濕度在80%以上有利于大霧的發生發展;溫度露點差與能見度呈正相關，溫度露點差越小，能見度越低，其差值低于2℃時，有利于大霧的形成。另外，風速較小也是大霧能夠長時間維持的原因之一。

2.2 溫度平流 圖4是12—16日溫度平流的時間剖面圖，12∶02—13∶08，13∶14—14∶14，14∶20—15∶08，15∶14—16∶08，這4個時段冷暖平流交替影響，使形成這次持續性霧霾天氣的成因機制一直在變化。如果以每天的14時為日界，13日、15日的霧霾天氣多因暖平流引起，歸為平流霧或鋒前霧;14日、16日的大霧主要因冷平流和夜間輻射造成的地面降溫引起的，為混合性霧。根據圖4分析，13日和14日300～500hPa溫度平流的絕對值（≥50℃/s），與15日和16日的溫度平流中心的絕對值（≥20°C/s）相比，差值在2倍以上，這也正對應了13、14日的長時間的強濃霧。

2.2 水汽條件 充足的水汽條件是產生霧霾必不可少的。從圖5可以看出，整個12—16日地面相對濕度基本都維持在80%以上，在13、14日凌晨達到90%左右，接近飽和，同時地面能見度也降到最低（≤200m）。

從圖6相對濕度的垂直剖面看，12日夜間到13日上午從近地面到高空400hPa相對濕度都維持在70%以上，使這個階段的大霧持續了長達18h，并且平均能見度在500m以下。13日上午天空出現小雨后，高空的水汽降落到地面，濕層高度迅速降低。

13日22時到14日09時大霧持續了12h，最低能見度低于100m，但925hPa以上相對濕度小于40%，只有近地面在80%以上。這表明，近地面80%以上的相對濕度就有利于大霧的形成;濕層發展的高度越高，促使大霧維持的時間越長。

2.3 動力條件 垂直運動是影響溫度層結發展變化的重要因子之一，即不同高度上垂直運動不同，氣塊升降過程中，增溫和降溫的多少也不相同。在不考慮水汽相變時，對于穩定大氣整層抬升后，將使氣層的穩定性減弱，而整層大氣下沉增溫有利于增強逆溫的強度從而將使氣層的穩定性增強。從圖7可以看出，12日后期地面低值系統活動、15日冷鋒鋒面過境時，高低空有一致的垂直上升運動，穩定層結遭到破壞，持續性霧霾天氣出現了暫時中斷。13—14日南通地區925hPa以下有淺層抬升，垂直上升速度在5m/s以下，850hPa以上有穩定的下沉運動，這是大霧發展和維持的重要原因之一[2]。這2日除13日上午因降水能見度恢復到1000m以上，整個南通市霧霾持續了30h以上。從垂直速度中心強度來看，下沉氣流的垂直速度極值發生在14日08時500hPa達到了50m/s，這也是能見度最低的時段。

2.4 逆溫層 逆溫層，相當于低層空氣上的暖干蓋，在其作用下，近地層空氣趨向更加潮濕，而其上面空氣趨向更加干暖，氣層變得更加穩定，氣流不容易向上抬升，從而有利于霧的維持和發展[3]。一般大霧生成時，近地層常有逆溫層。從圖9可以看出，12—16日08時均存在逆溫層，但逆溫層頂和溫度遞減率都不同。12日早晨逆溫層在925hpPa以下，大霧只持續7h;13日雖然大霧持續18h且能見度低于200m，但狀態曲線溫度的遞減率偏低，逆溫層頂在850hPa以下，相比較而言，14日早晨溫度的遞減率明顯較大，且逆溫層頂發展到850hPa以上，接近高空2000m，這也是14日雖然濕層淺薄，但霧霾仍能持續12h的原因之一。

14日夜間到15日08時逆溫層接近14日凌晨，在14日22時也出現了100m以下的濃霧，但15日02點地面相對濕度從90%減小到80%以下后，能見度恢復到1000m以上，隨后因冷鋒南下，破壞了穩定層結，霧層的厚度和強度也隨之減弱。

2.5 PM2.5與霧霾的相關性分析 取1月12日0點至16日20點空氣中PM2.5的含量，與地面能見度做相關性分析，結果表明，兩者之間呈顯著負相關，其相關性系數為-0.385，可信度達0.01以上。這說明，空氣中可吸入顆粒物含量越高，能見度越低。由圖9可見，在水汽、風速以及層結穩定度都滿足條件的情況下，空氣中PM2.5的含量高于0.200[mg?m]3時，有利于霧霾持續時間增長，濃度增強，并且白天PM2.5含量高對于能見度的影響要大于夜間。

然而，13日夜間里至14日上午10時，空氣中PM2.5的含量只有0.083～0.133[mg?m]3，但是能見度卻是圖9中曲線的谷值。說明PM2.5含量的高低不是大霧產生（≤1000m）的充分必要條件，兩者之間是相互影響相互制約的關系。當天氣形勢和地面各要素有利于大霧產生的條件下，若空氣中PM2.5含量高，首先它本身就會在一定程度上影響能見度，其次空氣中的可吸入顆粒物會促使空氣中的水汽碰撞加劇，加劇大霧的發展;當大霧產生時，地面層結穩定，風速小，近地層常伴有逆溫層，可吸入顆粒物不能有效的擴散，大霧加劇，持續時間增長。在這種情況下，一旦產生降水，空氣中的水汽和可吸入顆粒物得到沉降，能見度就會迅速轉好，例如13日中午前后。

3 結論與討論

（1）水汽、穩定層結、地面風速小是大霧產生和維持的基本條件。地面相對濕度≥80%，風速≤3級，地面溫度露點差≤2℃，有利于南通地區形成大霧。即使低層700～925hPa濕度條件差，近地面80%以上的相對濕度，就有利于大霧的形成，當達到90%以上時，最低能見度有可能低至200m以下。

（2）平流霧、輻射霧或者混合霧，霧的強度都與高空溫度平流的強度呈正比。當300～500hPa溫度平流絕對值達到50，霧的能見度極值在200m以下。

（3）地面有淺層抬升（垂直上升速度0～5m/s），配合高空的下沉氣流，是大霧發生發展的重要原因之一。高低空一致的上升氣流，會破壞層結穩定度，不利于大霧的發生發展。相反，整層大氣下沉增溫，有利于增強逆溫的強度，從而將使氣層的穩定性增強，如14日早晨08時前后，逆溫層高度被提升到2km左右，配合地面大于90%的相對濕度，最低能見度在100m以下。

（4）空氣中可吸入顆粒物含量越高，能見度越低，且白天PM2.5含量高低對于能見度的影響大于夜間。但PM2.5的含量對于大霧的發生和結束不起著決定性作用，兩者之間是相互影響、相互制約的關系。

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（責編：張宏民）