魯中地區2015-2016年冬春季兩次持續性霾天氣過程的綜合對比分析

張 琴，姚秀萍，王 喜，荊 濤，魏光龍，賈 瑞

(1.淄博市氣象局，山東 淄博 255048；2.中國氣象局培訓中心，北京 100081；3.泰州市氣象局，江蘇 泰州 225300)

引 言

霾是大量粒徑為幾微米以下的大氣氣溶膠粒子構成水平能見度小于10.0 km、空氣普遍渾濁的天氣現象[1]，其本質是細粒子污染[2]。霾發生時，大量的有害氣體和顆粒物使空氣質量下降，嚴重危害人體健康。近十年來，由于大氣污染程度的加劇，霾出現頻率迅速增加，并具有區域性、持久性的特點[3-5]。研究表明，在全球變暖的背景下，我國不僅城市區域的霾日顯著增加，而且大范圍區域性的霾日也呈現增加趨勢[6]。霾，尤其是持續性霾，正逐漸成為中國東部城市群中一種常見的災害性天氣[7]。

霾的形成原因是很復雜的。穆穆等[8]指出，霾天氣的發生和維持與氣象條件密切相關。眾多學者從大氣層結穩定度、地面風速、濕度、逆溫層等方面討論了霾形成的重要氣象條件[9-15]。如大氣處于穩定狀態，近地面風速小，污染物不易擴散等。然而，近年來，越來越多的學者認識到人為原因對霾的形成更加重要，大氣中PM2.5或更小的微細顆粒物濃度的增加是形成霾天氣的重要原因[16]。很多學者[17-19]從污染物積累、區域大氣輸送作用與大氣顆粒物的污染水平和時空分布的關系等方面展開研究，得到了很多有意義的成果。氣象-大氣污染雙向反饋機制對霾形成的作用越來越受到重視。

我國幅員遼闊，地形復雜，氣候多樣，特殊的地理環境和氣候特征使不同地區、不同季節持續性霾的污染物特征、氣象條件差異較大。魯中地區包括濟南、淄博、萊蕪、泰安、濰坊5個地市，聚集多個工業城市，是霾污染的重災區[20]。冬季和春季是魯中地區霾的高發時段[21]。本文擬選取魯中地區冬季和春季典型的霾個例，對霾形成的氣象條件進行對比分析，并將衛星圖像與氣象因子、污染物傳輸路徑相結合，探討重度霾發生時氣溶膠的垂直分布特征和原因。研究結果有助于深入認識冬春持續性霾的類型差異和影響因素。

1 資料和方法

本文選取了2015年12月和2016年3月發生在魯中地區的兩次持續性霾天氣過程，持續時間分別為9天和6天。所用常規氣象觀測資料包括2015年12月17-25日、2016年3月14-19日5個國家級地面氣象觀測站(濟南、淄博、萊蕪、泰安、濰坊)(圖1)的氣象要素觀測資料，以及華云升達氣象科技有限公司生產的前向散射式能見度儀DNQ1觀測得到的能見度觀測資料；5個環境監測站(濟南市監測站、淄博莆田園站、萊蕪日升國際站、泰安電力學校站、濰坊環保局站)(圖1)的大氣PM10與PM2.5質量濃度數據。觀測儀器為Thermo fisher 生產的采用β射線-光散射法的5030 D2WPCAAA顆粒物質量濃度監測儀；美國國家環境預報中心NCEP提供的全球1°×1°物理量場與海平面氣壓場的再分析資料。

圖1 所選站點的地理位置

衛星資料來自美國國家航空航天局(NASA，https://www.nasa.gov/)的CALIPSO觀測資料。氣溶膠特性數據選用的是2015年12月23日02:00與2016年3月19日02:00的CALIPSO Level L1B激光雷達回波廓線及垂直特征廓線(vertical feature mask，VFM)產品。其中，激光雷達回波廓線產品提供了532 nm后向散射系數(total backscatter coefficient，β)，VFM產品提供了水平分辨率為333 m、垂直分辨率為30 m的氣溶膠類型分類數據。其中，VFM數據集利用體積退偏比、532 nm后向散射系數、區域類型等雷達信號，將氣溶膠分為城市工業區排放的包含大量黑碳的大陸污染型氣溶膠、生物質燃燒所生成的煙塵型氣溶膠，以及沙塵與生物質燃燒共同產生的污染沙塵型氣溶膠等多種類型[22]。

為追蹤污染來源，利用美國大氣海洋局(NOAA)開發的HYSPLIT4.8軌跡模式，定性分析了霾天氣污染物的傳輸途徑。HYSPLIT4.8是一種歐拉和拉格朗日混合型的計算模式，包含多種物理過程，可針對不同類型排放源進行較完整的輸送擴散和沉降過程模擬，被廣泛應用于大氣污染物輸送研究[23]。

2 持續性霾天氣現象的演變過程

冬季持續性霾天氣的個例(圖2a)發生于2015年12月17-25日。17日08:00-12:00，能見度由27 km迅速下降至7 km，之后回升至15 km，波動較大，AQI在50-100浮動。18日10:00-22日07:00，能見度逐步下降至5 km以下，AQI持續增加，霾天氣加強發展，達到重度污染(200300)級別。26日04:00后，能見度迅速回升至20 km，AQI減小至50，霾天氣逐漸結束。

春季持續性霾天氣的個例(圖2b)出現在2016年3月14-19日，能見度演變呈階梯狀。14日12:00-15:00，能見度由23 km迅速降低到7 km以下。15日00:00-17日07:00，能見度維持在7～10 km，為輕度霾，AQI維持在200以下。17日14:00-19日07:00，能見度進一步下降到5 km以下，AQI飆升至200以上。18日與19日夜間共有10個時次為重度霾，有4個時次達到嚴重污染級別。18日22:00后，能見度迅速增大，AQI下降，霾消散。

可以看出，兩次霾過程均持續6天以上，重度霾時達到嚴重污染級別；能見度與AQI的演變大體上呈負相關關系(相關系數分別為-0.76，-0.61)，且具有規律的日變化特征(圖2c、d)。不同的是，冬季個例重度霾較春季的持續時間更長，污染更嚴重。冬季個例能見度與AQI呈逐步變化的過程，而春季個例的演變呈現階梯狀變化。

圖2 冬(a、c)、春(b、d)季個例5站平均能見度與AQI時間演變(a、b)及能見度日變化(c、d)

3 地面氣象要素和顆粒物濃度的變化

由冬季個例地面風速和相對濕度可看出(圖略),2015年12月25日20:00前，地面風速維持在2 m·s-1的小風狀態，有利于地面污染物的積累。相對濕度日變化明顯，極大值出現在20:00左右，極小值出現在08:00左右，與能見度呈反向變化。22-25日夜間相對濕度達到80%以上，較高的相對濕度條件下，氣溶膠粒子吸濕增長，有利于霾的維持和發展[24]。對比圖2可以看出：一方面，22日相對濕度較弱的日變化與持續較低的能見度相對應；另一方面，25日,AQI迅速下降時，由于相對濕度仍然維持較高的水平，能見度并未迅速增大。通過計算，冬季個例相對濕度與能見度相關系數為-0.62，說明高相對濕度有利于霾的維持和發展。春季個例(圖略)地面風速為3～4 m·s-1左右，與能見度變化較為一致，且風速大于冬季的，這可能是春季霾強度弱于冬季個例的原因之一。相對濕度與能見度的相關系數為-0.59，相對濕度與能見度呈明顯的反相關關系。

冬季個例(圖略)中，PM2.5和PM10的平均濃度為241.5 μg·m-3和379.8 μg·m-3。22日07 時前，PM值處于緩慢積累的階段。至22日07時左右，PM2.5與PM10濃度分別迅速增加至500 μg·m-3和700 μg·m-3，達到重度霾的水平。PM2.5/PM10的比值在0.5以上，說明細顆粒物含量較多。春季個例(圖略)中，PM2.5和PM10的平均濃度分別為123.9 μg·m-3和214.8 μg·m-3。進入重度霾階段時，PM2.5與PM10濃度分別達到400 μg·m-3和500 μg·m-3以上。PM2.5/PM10與能見度呈明顯的反向變化，說明細顆粒物對重度霾的貢獻更大。

4 持續性霾的成因分析

4.1 環流場異常特征

下面采用合成分析的方法討論冬春季持續性霾期間高低層的環流背景，以期找出霾發生時大氣環流形勢的異同。

冬季個例中(圖3a)，500 hPa位勢高度距平場上顯示，中高緯貝加爾湖以西為負距平，以東為正距平，說明環流經向度比常年的小，東亞大槽偏弱。受東亞地區正高壓異常的影響，魯中地區出現南風，不利于槽后冷空氣南下。35°N附近出現橫向的風速負距平帶，魯中地區風速較常年偏弱，位于溫度正距平區，氣溫較常年偏高。在對流層低層925 hPa(圖3b)，中緯度地區中國大陸對應位勢高度為負距平，而海洋上對應位勢高度為正距平，海洋上的氣壓高于陸地，表明東亞冬季風偏弱。魯中東部沿海較強的偏南風，為霾的發生帶來有利的暖濕條件。從圖3(a)、(b)中也可以看出，整個中國東部及日本沿海的大片區域，中低層均對應著風速負距平和溫度正距平。由熱成風關系，這種中低層的氣溫偏高減弱了南北經向溫度梯度，造成緯向風垂直梯度的減小，從而減弱大氣的斜壓不穩定，抑制天氣尺度擾動的發展，同時也會減弱對流層中低層大氣的垂直混合[25]，從而為霾天氣創造了穩定度條件。

春季個例中(圖3c)，東亞中高緯是強的位勢高度正距平區，說明貝加爾湖附近的高壓脊強度較常年的偏強，范圍異常北伸，阻斷了源于極渦冷空氣東移南下帶來的影響。東亞大槽所在位置40°N附近為位勢高度正距平，在高低緯度55°N附近和25°N附近,分別對應負距平，說明東亞大槽在魯中地區所在的緯度附近偏弱。受貝加爾湖高壓脊和東亞大槽異常的影響，魯中地區出現了偏東風異常，非常不利于冷空氣的南下。受其影響，魯中地區處于風場負距平和溫度正距平區，風場較常年偏弱，氣溫較常年偏高。925 hPa上(圖3d)，海上氣壓高于陸地的，魯中地區出現偏南風，為霾提供了暖濕空氣。同時，魯中地區對應風場負距平和溫度的正距平，風速偏弱，氣溫偏高。與冬季個例一致，春季個例的發生也伴隨著中國大部分地區中低層溫度的升高，抑制天氣尺度擾動的發展。

圖3 2015年12月19-25日(a、b)2016年3月15-20日(c、d)500 hPa(a、c)、925 hPa(b、d)位勢高度(陰影)距平、全風速(黑色實線)距平、溫度(藍色虛線)距平、風場(箭頭)距平

4.2 動力作用

上述分析結果表明，兩次霾過程發生在不同的環流背景下。下面利用1000-500 hPa位勢高度場和海平面氣壓場來具體分析其動力成因。

圖4為魯中地區(118°E、36°N)相對濕度、風場隨時間的演變。可以看出，冬季霾持續期間，魯中地區上空共有3次短波槽脊過境(圖4a)。其中，19日與22日短波脊過境前地面濕度的增大對應著霾的進一步加強。結合逐日500 hPa位勢高度場和海平面氣壓場，19日(圖5a)，500 hPa魯中所在緯度環流有弱波動，朝鮮半島附近存在弱高壓脊，地面上對應高壓中心，其后側的東南風為魯中地區帶來暖濕氣流。22日(圖5b)，500 hPa環流更為平直，層結穩定度進一步加強。日本以西的高壓脊對應地面高壓，魯中位于高壓西南側均壓區內。一方面，較小的風力有利于本地污染物的積累；另一方面，高壓穩定維持48 h，其底部的偏東氣流將海上的暖濕空氣不斷輸送到魯中地區，地面濕度持續增大，使22日能見度維持在3 km以下。26日(圖5c)，500 hPa環流經向度加大，西伯利亞高壓脊加強，魯中地區位于蒙古高壓南部，地面等壓線密集，地面風速增大，稀釋了污染物，霾過程結束。

由圖4(b)可看出，春季個例高空共有兩槽一脊過境。15-17日(圖5d、e)，500 hPa環流平直，經向度小，為霾的發生和加強提供了穩定度條件。東亞大槽位于日本以東，魯中一直位于槽后的地面高壓后部的均壓區，盛行東南風，為魯中地區持續帶來水汽，在900 hPa以下形成厚的濕度層，有利于霾天氣的加強。17日20時后，蒙古地區形成的地面高壓不斷加強南壓，華北地區地面盛行北風，與日本附近的高壓后部的偏南風形成輻合線，并不斷南壓，有利于魯中及附近地區污染物的積累，細顆粒物比例增大。由圖4(b)可見，18日00時，900 hPa以下南風轉北風,為輻合線過境的時間，魯中地區PM濃度迅速增大，達到重度霾標準。20日(圖5f)，環流經向度加大，冷空氣南下，蒙古高壓中心南壓，地面風速增大，霾過程結束。

圖5 500 hPa位勢高度(黑色實線)、海平面氣壓(紅色虛線)、10 m風場(箭頭)

4.3 熱力作用

逆溫層的存在可以使大氣處于穩定狀態，有利于霾天氣的形成和維持。為了清楚地表示兩次過程中逆溫層的分布狀況及其成因，本文計算了逆溫層和溫度平流的分布。冬季個例中(圖6a)，重度霾期間逆溫層多呈兩層分布，一層位于850 hPa附近，一層位于近地層。霾過程前期(17-18日)由于天氣晴好，且能見度較高，太陽輻射對地表的加熱作用導致地表附近出現了較強的逆溫結構。近地層大氣層結穩定，對霾的形成非常有利。在穩定維持階段，20-24日短波槽過境時，槽前出現暖平流，對應出現的逆溫中心分別位于700-850 hPa。由于云量較多，大大削弱了地面輻射降溫作用，近地層逆溫較弱。24-25日，逆溫層出現在夜間的近地面。這是由于云量減少，夜間地面輻射降溫，導致與空中溫差的增大所致，而白天逆溫消失源于地面的快速升溫。此時，污染物濃度急劇增大，重度霾發生。26日，地面出現冷鋒，975 hPa出現強度大于6×10-4K·s-1的冷平流，冷空氣下沉，霾消散。可見，地面輻射降溫、暖平流引發的邊界層上的增溫,是此次過程逆溫層發生和維持的主要機制。當逆溫層出現在近地面時，污染物濃度一般較高，逆溫層升高時，污染物濃度一般較低。這與寥曉農等[26]的研究結果一致。

圖6 冬季(a)、春季(b)個例沿118°E、36°N的溫度平流(陰影)、逆溫(等值線)隨時間的演變

春季個例中(圖6b)，3月15日與17日出現暖平流，但強度較小，未在空中形成明顯的逆溫層。逆溫層均維持在900 hPa以下，以近地面逆溫為主，日變化明顯。18日前，900 hPa附近暖平流明顯，導致夜間地面與空中的溫差增大，逆溫較強，有利于霾的發生和維持。18日后，魯中地區出現整層弱冷平流，逆溫明顯減弱，即影響霾的熱力因子作用減弱，輻合線的維持可能是重度霾發展的主導因素。

5 霾期間衛星圖像及后向軌跡分析

CALIPSO衛星分別于2015年12月23日與2016年3月19日02:00經過魯中上空，均為重度霾階段。下面根據衛星圖像及氣象要素場，分析兩個個例重度霾時氣溶膠的垂直分布，并利用HYSPLIT后向軌跡模式對污染物的路徑進行分析。

圖7為CALIPSO測得的532 nm后向散射系數垂直廓線與垂直速度、相對濕度的疊加場(圖7a、c)，以及氣溶膠類型垂直剖面圖(圖7b、d)。冬季個例中，后向散射系數廓線(圖7a)顯示，魯中地區自地表至3 km以內氣溶膠粒子最為密集，其中，0.7-1.2 km有后向散射系數的帶狀大值區，中心值為5.0×10-2km-1·sr-1，0.7 km至近地面層后向散射系數大于1.5×10-3km-1·sr-1，存在高濃度的氣溶膠粒子。結合氣溶膠類型(圖7b)和后向軌跡模式(起點為濟南站)(圖8a)，魯中地區0.7 km以下主要為大陸污染型、污染沙塵型氣溶膠，傳輸路徑為濰坊、臨沂到濟南，主要為本地污染物的向西傳輸，且垂直方向上前期以貼地傳輸為主，之后轉為弱抬升(圖7a中 0.7 km以下為弱上升運動區)。0.7-1.2 km氣溶膠類型為大陸污染型和污染沙塵型，與0.7 km以下類型基本一致，傳輸路徑從青島開始，一路向西經過日照、臨沂、泰安，傳輸仍以貼地傳輸為主。與0.7 km以下不同的是，0.7-1.2 km傳輸路徑從海上出發，帶來充足的水汽，濕度較大(圖7a中1.0 km左右存在相對濕度大值區)，粒子吸濕增長，導致氣溶膠粒子濃度的顯著增加。研究表明[27]，氣團的運動高度越低，越容易受到近地面人為排放污染物的影響，從而導致氣團內污染物濃度升高。因此，1.2 km以下的氣溶膠粒子濃度值偏高與貼地傳輸有密切的關系。1.2 km以上，氣溶膠類型以煙塵型為主，伴有部分污染沙塵型。傳輸路徑為由陜西和河南交界出發，一路攀升至鄭州，之后緩慢下沉。

圖7 CALIPSO 532 nm總后向散射系數(陰影)、垂直速度(黑線)、相對濕度(白線)的疊加(a、c)及氣溶膠類型垂直剖面(b、d)

圖8 魯中地區氣團48 h HYSPLIT后向軌跡

春季個例中，由后向散射系數廓線可以看出，魯中的主要氣溶膠粒子層高度明顯高于冬季的，達3.8 km左右。魯中北部污染氣團氣溶膠粒子層高度偏高，大值區主要集中在距地表2.5-3.5 km，南部污染氣團氣溶膠粒子層高度明顯較低，大值區集中在1.0至1.8 km處。魯中地區位于兩個污染氣團的交匯處，高低空均出現了污染層，高層位于2.0至2.5 km處，低層位于1.0至1.8 km處。其中低層污染更為嚴重，后向散射系數的中心值大于8.0×10-3km-1·sr-1。由垂直分類廓線(圖7d)可見，魯中3.0 km附近主要是沙塵型氣溶膠，傳輸路徑(圖8b)為從蒙古與內蒙古交界處1.5 km出發，途徑山西、京津冀地區，在魯中地區上升至3.0 km高度。2.5 km以下，氣溶膠類型為沙塵型和污染沙塵型，污染沙塵型占比更大。2.0 km高度路徑為由河北南部1.0 km出發，經魯北向上傳輸至魯中地區；1.0 km高度路徑為由江蘇中部自200 m高度附近出發至魯中地區1 km高度。

結合氣象因子還可以看出，垂直方向上氣溶膠粒子層的分布與垂直速度、相對濕度、逆溫層等氣象因子均有關系。氣溶膠粒子濃度大值區,大體位于垂直速度零線以上(圖7a、c)，下層氣流的上升運動促使近地面污染氣團抬升，上層氣流的下沉運動使高層氣流攜帶的污染物向下傳輸，共同構成高氣溶膠粒子濃度污染層。另外，春季魯中1.0 km以下的上升運動區強度大于冬季的，是造成春季個例地面氣溶膠粒子濃度較小、高濃度氣溶膠粒子層較高的一個可能原因。冬季個例中(圖6a)，逆溫層低，位于1.0 km左右，有效減少了1.2 km上下大氣層氣溶膠粒子的垂直混合，使1.2 km上層和下層污染物類型明顯不同，且污染氣團出現區域的相對濕度明顯偏高，基本在50%以上。春季個例中(圖6b)，逆溫層偏弱，混合層高，3.0 km以下污染物類型相對均勻，且在沙塵氣溶膠和來自西部干燥氣流的影響下，污染區相對濕度小于冬季的，相比周圍環境，高層污染氣團內部更加干燥，低空污染氣團內部相對濕度更大。可見，高層大氣的傳輸及對流運動對高空及地面污染物的積累和擴散有至關重要的影響。垂直運動、濕度、逆溫層等氣象因子與污染物傳輸路徑共同作用于氣溶膠粒子的垂直分布，使氣溶膠粒子層的高度與類型明顯不同。

6 結 論

本文探討了2015-2016年冬、春季兩個持續性霾過程的演變、氣象條件及重度霾時氣溶膠分布及傳輸特征等，得到以下結論：

(1)兩次霾過程持續時間達到6天以上，分別有3天和2天為重度霾，AQI最大值分別達到529和338，為嚴重污染級別。

(2)能見度與顆粒物濃度、風速、相對濕度的變化關系密切。冬春季霾過程相對濕度與能見度的相關系數分別為-0.62、-0.59，PM2.5的平均濃度分別為241.5 μg·m-3與123.9 μg·m-3，冬季個例PM2.5/PM10在0.5以上，說明細顆粒物貢獻更大，春季個例中細顆粒物主要影響重度霾的發生。

(3)冬季東亞大槽偏弱，不利于槽后冷空氣南侵，冬季風偏弱，低層出現偏南風異常。春季貝加爾湖高壓脊異常偏強，阻擋了冷空氣南下，日本附近的高壓后部的西南風，為霾提供暖濕空氣。

(4)兩個個例對流層中層環流平直且多短波槽脊、地面為均壓區。冬季環流更為平直，春季地面輻合線有利于污染物積聚；兩個個例均存在明顯逆溫層，冬季逆溫呈高低層分布，地面輻射降溫、暖平流引發的增溫是逆溫層的形成機制，而春季逆溫層出現在近地層，以地面輻射降溫為主。

(5)冬季個例高濃度氣溶膠粒子層位于1.0 km，1.2 km以下氣溶膠類型為大陸污染型、污染沙塵型，以本地污染物的貼地傳輸為主；1.2 km以上以煙塵型為主，主要來自河南、鄭州等地的外來傳輸。春季個例污染層位于1.5 km,3.0 km以下氣溶膠類型為沙塵型和污染沙塵型，受河北、江蘇等外來污染物傳輸和高層沙塵沉降的影響，污染物粒徑大于冬季的；冬季上升運動弱、濕度大決定了冬季污染層高度偏低、強度大。低逆溫層使1.2 km上下層污染物類型明顯不同；春季上升運動強、濕度小造成污染層偏高、強度小。逆溫層偏高且弱使污染物類型均勻。