天津區域霾過程統計特征及環流分型研究

吳 洋，孫樹鵬，趙雨馨，張嘉霖

(天津市津南區氣象局 天津300350)

0 引 言

自改革開放以來，由于中國經濟快速發展和城鎮化進程的不斷加快，大氣污染日趨嚴重[1-3]。霾不僅使大氣水平能見度降低，導致交通事故發生，而且由于霾的顆粒直徑小且吸附重金屬等污染物，對人體健康造成較大危害，其中灰霾的水平與心血管病人量呈正相關[4-6]。因此大量學者針對霾進行研究，研究表明霾的形成不僅受到人類活動的影響，還受到天氣要素及大氣環流的影響[7-9]，特別是范圍廣、強度大的霾，一般都會在一些特定的天氣形勢下發生[10-11]，環流場穩定、大氣層結穩定和地面風速小是造成天津典型空氣污染的主要氣象原因[12]。

針對霾天氣過程的大氣環流分型，國內很多學者都進行了研究，主要分為主觀大氣環流分型法和客觀大氣環流分型法。蔡子穎等[13-14]將 2014—2017年天津地區中度以上霾過程分為5種大氣環流類型，總結了2009—2016年天津地區易出現重污染天氣的4種地面形勢；戴竹君等[15]將江蘇秋冬季重度霾發生時的地面形勢分為均壓型、冷鋒前部型和低壓倒槽型。但這些分型方法均為主觀大氣環流分型方法，具有明顯的主觀性?？陀^分型方法可以避免主觀性造成的影響，比如 EOF和 PCA為代表的向量分析，但由于客觀分型法常依賴于原始資料，應用不同長度的氣象資料得到的分型結果不同，限制了在實際業務工作中的應用[16]。由于主、客觀環流分型法各有優缺點，學者們希望能定義一些客觀的標準，把主觀的分型方法客觀化，主、客觀方法結合起來?；?Lamb大氣環流分型[17]的 Jenkinson方法[18]，通過定義指數及分類標準將大氣環流分型客觀化，被廣泛應用于研究局地環流與氣候變化的聯系。

天津作為京津冀地區主要城市之一，近些年工業化造成的污染也日益嚴重，已成為霾天氣重災區之一。本文采用L-J分型法研究天津霾天氣與環流的關系，通過對 1998—2017年發生在天津地區的區域霾過程進行環流歸類，得出天津區域霾的主要形勢場類型及環流特征，從而提高對天津地區霾天氣的認識，對霾預報預警業務具有一定指導意義。

1 資料與方法

1.1 資料

本文研究使用的資料為美國環境預報中心(NCEP)提供的全球 1998—2017年日平均海平面氣壓場及高空風場和位勢高度場，格點分辨率為 2.5°×2.5°。地面氣象觀測資料來自天津市 9個國家一般氣象觀測站(薊州、寧河、武清、北辰、津南、東麗、靜海、大港、漢沽)和3個國家氣象觀測站(寶坻、西青、塘沽)地面一天3個時次(08、14和20時)的能見度、相對濕度、風向、風速和天氣現象等觀測資料。

1.2 方法

根據《QX/T 113—2010中華人民共和國氣象行業標準》和氣預函[2013]34號文件規定，本文排除降水、沙塵暴、浮塵、揚沙、吹雪、雪暴和煙幕等能導致能見度降低的情況，將日均能見度小于 10km、日均相對濕度小于 90%的情況記為一個霾日。按水平能見度大小，將霾分為4個等級，即輕微霾、輕度霾、中度霾和重度霾，水平能見度分別為5～10、3～5、2～3和 2km以下。當天津 12個觀測站點中超過 8個及以上站點出現霾日時，記為 1次天津地區區域霾日，并以任意一觀測站最高霾等級作為區域霾等級(圖1)。

圖1 Lamb-Jenkinson 分型方法的計算區域及16個差分格點的分布圖Fig.1 Computational domain of Lamb-Jenkinson classification and distribution of 16 differential grids points

本文采用 L-J分型法對天津地區的日平均海平面氣壓場進行客觀定量的環流分型。L-J方法是在設定的計算范圍內，每隔10個經度、5個緯度的網格上取 1個差分格點，共計 16個格點。本文以(117°E，39°N)為中心點，選取 100°～130°E、30°～50°N 為研究范圍。

在該研究范圍內，利用差分公式由 16個網格點的日平均海平面氣壓值計算中心點(117°E，39°N)的地轉風(u，v)和地轉渦度(uξ，vξ)，如式(1)～(6)所示。

其中，p為海平面氣壓值；α、1α和2α分別表示39°N、34°N 和 44°N；V 為地轉風，u、v分別為地轉風的西風分量和南風分量；ξ為總渦度，uξ為u的經向梯度，vξ為v的緯向梯度。

2 結果分析

2.1 區域性霾日時間變化

利用天津市 12個氣象觀測站觀測數據對1998—2017年天津地區區域性霾日數進行統計，結果表明1998—2017年共出現區域性霾日數1244d。如圖2a所示，1997—2015年區域性霾日數逐年增加，2015年區域性霾日數為 161d，2016—2017年區域性霾日數迅速減小，區域性霾日數分別為 55d、56d。

圖2 1998—2017年區域性霾日年和月變化Fig.2 Yearly and monthly variation of regional haze days from 1998 to 2017

圖3a為1998—2017年天津地區區域性輕微霾、輕度霾、中度霾和重度霾日數變化情況，從圖中可以看出 1998—2013年區域性輕微霾日數逐漸增加，2014年、2015年迅速減小。區域性輕度霾、中度霾和重度霾日數在1997—2011年均無明顯變化，2012年開始逐漸增加，2014年區域性中度霾日數達到最大，而區域性中度霾和重度霾日數繼續增加，2015年達到峰值，分別為42d和92d，2014年、2015年區域性中度霾和重度霾日數與區域性輕微霾日數變化趨勢相反。

1998—2017 年 4種標準區域性霾日數月分布均呈現明顯的雙峰型，其中區域性輕微霾日數、輕度霾和中度霾日數變化趨勢與區域性霾日數月變化一致，雙峰均出現在6月、7月和10月到次年1月，而區域性重度霾日數雙峰分別出現在4月、11月。

圖3 1998—2017年4種標準區域性霾日年和月變化Fig.3 Yearly and monthly variation of regional haze days with four standards from 1998 to 2017

2.2 Lamb-Jenkinson環流分型分析

本文采用L-J分型法對天津地區1998—2017年大氣環流進行客觀分型，圖4給出了天津地區1998—2017年26種環流型的概率分布曲線圖，圖中可以看出有 10種環流型出現頻率超過 4%，分別為A型、NE型、E型、N型、C型、W 型、ANE型、NW型、AN型和SW型，占總數的76.63%；其余16種環流型出現的頻率占總數的23.37%。

圖4 1998—2017年天津地區各環流類型發生頻率Fig.4 Frequency of circulation types in Tianjin from 1998 to 2017

圖5為1998—2017年天津地區各環流類型下出現區域霾的頻率，從圖中可以看出天津區域霾天氣下出現頻率最高的環流類型分別為：A型、NE型、C型、W型、E型、N型、NW型、SW型、ANE型。通過與天津地區各環流類型發生頻率對比發現，天津區域性霾天氣下AN型環流所占比例明顯下降，所占比例僅為2.97%。A型、NE型、E型、N型和ANE型所占比例也略有下降，而C型、W型、NW型和SW型所占比略有上升。

圖5 1998—2017年天津地區各環流類型下發生區域霾頻率Fig.5 Regional haze frequency in each circulation type in Tianjin from 1998 to 2017

對出現區域性霾頻率較高的 9種環流類型進行霾等級標準分類(圖6)，可以發現 ANE型發生區域性輕微霾的頻率最高，占其出現區域霾的 50%，而C型、W型和SW型發生區域性輕微霾的頻率較低，均在40%以下，其中SW型最低。C型發生區域性輕度霾的頻率最高為30.25%，而N型和NW型發生頻率較低，分別為 19.77%和 17.11%，其余各環流型發生區域性輕度霾的頻率均在 20%以上。各環流類型發生區域性中度霾的頻率相當，均在 17%～27%之間。區域性重度霾發生頻率最高的環流型為 SW 型，發生頻率為 24.66%，而NE型、E型和ANE型發生區域性重度霾的頻率均較低，分別為 6.15%、9.38%和 10%，其余環流型發生區域性重度霾的頻率均在10%～20%之間。

圖6 9種環流型出現不同標準區域性霾日的頻率Fig.6 Frequency of regional haze days with different standards in 9 circulation types

圖7 天津地區出現區域性霾時 26類環流形勢出現區域性重度霾日的概率Fig.7 Probability of regional severe haze days for twenty-six circulation types when occurring regional haze in Tianjin

重度霾對人類生產、生活及健康具有重要影響，因此本文對天津地區出現區域性霾時26類環流形勢中出現區域性重度霾的概率進行分類統計。如圖7所示，天津出現區域性霾頻率較高的9種環流類型出現重度霾的概率也較高，占 78.14%。其中，A 型、C型、W 型和 SW 型環流出現區域性重度霾概率最高，分別為11.26%、10.6%、12.58%和11.92%。

2.3 環流分析

通過討論可以看出天津出現區域性霾日時，A 型、NE型、C 型、W 型、E型、N 型、NW 型、SW 型、ANE型環流出現概率均較高，并且 A 型、C型、W 型和 SW 型環流出現區域性重度霾日概率較高。因此，分析A型、C型、W型和SW型環流對今后天津地區區域性重度霾預報分析具有指導作用。

通過 A型大氣環流(圖8)可以看出，500hPa為明顯的西風氣流，700hPa在貝加爾湖附近存在弱脊，我國青海南部等地存在一槽，天津地區主要受偏

西氣流影響。850hPa天津地區位于高壓外圍，受偏西風影響，地面受大陸高壓控制，等壓線稀疏，風力微弱。由于天津地區受高空偏西氣流影響，500hPa槽脊較弱不利于冷空氣東移南下，配合地面弱氣壓場容易形成天津地區區域性霧霾天氣。

圖8 A型平均位勢高度場和平均海平面氣壓場(圖a、b、c 單位：gpm；圖d單位：hPa)Fig.8 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type A(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

圖9 C型平均位勢高度場和平均海平面氣壓場(圖a、b、c 單位：gpm；圖d單位：hPa)Fig.9 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type C(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

圖10 W型平均位勢高度場和平均海平面氣壓場(圖a、b、c 單位：gpm；圖d單位：hPa)Fig.10 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type W(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

圖11 SW型平均位勢高度場和平均海平面氣壓場(圖a、b、c 單位：gpm；圖d單位：hPa)Fig.11 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type SW(Figures a,b and c Unit：gpm；Figure d Unit：hPa)

C型大氣環流(圖9)500hPa存在淺薄的一脊一槽，脊位于我國新疆北部，槽位于貝加爾湖以西地區，天津地區受偏西氣流影響；700hPa同樣存在淺薄的一脊一槽，但槽脊經向度略有加大，位置略偏東，脊在貝加爾湖地區，槽位于我國東北地區以西；850hPa位于東北至河套地區槽明顯加深，天津地區受槽前西南氣流控制；地面受弱低壓影響，等壓線稀疏，風力較弱。500hPa的淺薄槽脊不利于冷空氣東移南下影響天津地區，850hPa西南氣流有利于將低層污染物向天津地區輸送，地面風力較弱，有利于污染物向天津地區輸送累計，形成重度霾日天氣。

W 型大氣環流(圖10)500hPa為平直的西風氣流，700hPa存在淺薄槽脊，但天津地區仍受偏西氣流影響；850hPa存在一脊一槽，脊位于貝加爾湖，槽位于我國東北與蒙古國交界處，天津地區受西南氣流影響；地面位于低壓底部，受偏西風影響。

SW型500hPa大氣環流(圖11)與W型500hPa大氣環流類似，均為平直的西風氣流；700hPa存在淺薄槽脊，但天津地區仍受偏西氣流影響；850hPa天津地區位于槽前受西南氣流影響，地面位于低壓前部，受西南風影響。天津地區高空受平直西風氣流影響，不利于冷空東移南下，低層及地面西南氣流影響有利于將華北中南部污染物向本地區輸送，易形成重度污染。

3 結論與討論

本文首先統計天津地區區域性霾日，并利用 L-J分型法對1998—2017年天津地區區域性霾天氣下的大氣環流進行客觀分型，研究結果表明：

①1998—2017年天津區域性霾日數先增加后減小，2015年達最大值。輕微、輕度、中度和重度霾日數均為先增加后減小，天津區域性霾日數、輕微、輕度、中度和重度霾日數的月分布均呈雙峰型。

②利用L-J分型法對天津1998—2017年大氣環流進行客觀分型發現，A 型、NE型、E型、N 型、C型、W型、ANE型、NW型、AN型和SW型出現頻率較高，占總數的 76.63%。而區域霾日下出現頻率最高的環流類型分別為 A 型、NE型、C型、W 型、E型、N型、NW型、SW型、ANE型。

③對出現區域性霾日頻率較高的 9種環流類型進行霾等級標準分類發現，ANE型發生區域性輕微霾的頻率最高，SW 型最低。C型發生區域性輕度霾的頻率最高，而 N型和 NW 型發生頻率較低。各環流類型發生區域性中度霾的頻率相當。區域性重度霾發生頻率最高的環流型為 SW 型，而 NE型、E型和 ANE型發生區域性重度霾的頻率均較低。A型、C型、W 型和 SW 型環流出現區域性重度霾日概率最高。

④A型、W型和SW型500hPa環流均為平直氣流，A型地面受大陸高壓控制，W 型地面位于低壓底部受偏西風影響，SW 型地面位于低壓前部受西南風影響，風力均較弱；而 C型 500hPa環流存在淺薄的一脊一槽，地面受弱低壓影響，風力較弱，均易形成重度污染。