雾霾天气个例气象条件对比分析

雾霾天气个例气象条件对比分析
韩永清;孙兴池;李静;康桂红;刘畅
【摘要】应用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料和L波段探空资料从环流形势、扩散条件和边界层特征3个方面对2013年两次雾、霾天气个例进行对比分析,结果表明:500 hPa西北气流冷平流、地面弱风场、垂直速度呈弱上升-下沉的垂直分层特点和逆温是两次雾、霾天气出现和维持的共同特征.地面西北风、850 hPa
弱冷平流、近地层浅薄的接地逆温(100～200 m)和湿层与霾天气对应,地面偏东风、850 hPa暖平流、925 hPa以下深厚的悬浮逆温(400 m)和湿层与雾天气对应,霾
过程较雾过程逆温强度强,上升运动高度高.消散时雾较霾下沉运动中心高度低,强度弱;霾消散时接地逆温特征变化不大,雾消散时悬浮逆温有底部抬升和大气稳定层结
向中性层结转变的变化特征;但均有下沉气流接地、垂直风切变较强和高层低露点
干空气下传到地面的特点.%Based on conventional observational data,NECP 1° × 1 ° reanalysis data,and L-band sounding second data,two fog and haze cases occurred in 2013 are analyzed,including the circulation
situation,diffusion conditions,and boundary layer characteristics.The results are as follows:the northwest flow and cold advection at 500 hPa,weak wind on the ground,updraft-downdraft distribution for vertical velocity,and inversion were the common features when fog or haze occurred.North-west wind,cold advection at 850 hPa,shallow ground inversion (100 to 200 m),and thin wet layer corresponded with the haze.In contrast,east
wind,warm advection at 850 hPa,deep suspended inversion (400 m) beneath 925 hPa,and thick wet layer corresponded with fog.The height of updraft was higher and the average intensity of inversion was stronger
when the haze happened.The height of downdraft for the fog gone was lower and the intensity was weaker simultaneously.When the haze dissipated,the ground inversion almost had no change but for the
fog,there were changes:bottom-lifted suspension inversion and stable atmospheric stratification shifting to neutral.When the fog and haze disappeared,there were the following common features:downdrafts at upper levels reached at the ground;vertical wind shear increased and the dry air at upper levels with low dew point was transported to the ground.【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2017(045)001
【总页数】7页(P172-178)
【关键词】雾霾天气;垂直速度;逆温;露点
【作者】韩永清;孙兴池;李静;康桂红;刘畅
【作者单位】山东省气象台,济南250031;山东省气象台,济南250031;山东省气象台,济南250031;山东省气象台,济南250031;山东省气象台,济南250031
【正文语种】中文
【中图分类】P458
雾、霾天气加重空气污染程度，使空气浑浊[1]，刘晓曳等[2]提出当今我国主要城市的雾霾已经不完全是自然现象，气溶胶污染日趋严重已变成雾霾天气频发的主要因素，即在当前城市环境下，雾不仅是水滴和冰晶微粒，也是大量气溶胶粒子吸湿增长的结果[3]，雾-霾天气持续期间，污染物浓度逐渐升高并最终达到重污染的程
度[4]。

魏秀兰等[5]分析了鲁西南连续3天出现霾天气过程的原因，得出大气层结稳定且低层存在逆温层是霾形成的重要条件，这与雾发生时的气象条件类似[1,4,6]。

京津冀秋冬季的雾霾天气发生时，逆温层高度较低，下沉运动一般在逆温层以上[7]，逆温层越强、高度越低，则污染物浓度越大，对能见度的影响也越明显[8]。

雾、霾天气影响因子众多，驱动因素复杂，然而目前关于此类天气发生和消散时气象要素特征研究较少，远不能满足环境天气预报预警业务开展的需求。

2013年1月5—9日、1月28日至2月1日，山东发生两次雾、霾重污染天气
过程。

其中8日全省有10市达到重度污染，29日有14市、30日有13市达到重度污染，两次过程济南均达到严重污染水平。

1月5—9日以霾为主(以下简称霾过程)，能见度较好，仅每日早晨能见度在2～3 km，其他时段均超过3 km；1月
28日至2月1日(以下简称雾过程)能见度较差，以30—31日尤为严重，全省大
部地区能见度低于1 km，部分地区能见度低于200 m。

本文利用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料和L波段探空资料对两次雾、霾天气个例从环流形势、扩散条件和边界层特征3方面进行对比分析，旨在加深对此类天气的认识，为雾霾
天气的预报和污染治理提供一定思路和参考。

2013年1月5—9日霾过程中，500 hPa(图1a，彩页)在乌拉尔山地区为高压脊，库页岛地区为冷涡，山东处在槽后西北气流冷平流中，850 hPa(图1c，彩页)为西北气流弱冷平流。

从图1b、d(彩页)看，1月28日至2月1日雾过程中亚洲中高
纬地区一直维持纬向环流，500 hPa山东处在槽后西北偏西气流、弱冷平流中，
但850 hPa位于槽前西南暖湿空气中。

从海平面气压场来看，两次过程均为弱气
压场控制，霾过程(图1e,彩页)中地面一直处于西西伯利亚冷高压前部，虽不断有
弱冷空气扩散下来，但气压梯度弱,以西北风为主；雾过程(图1f,彩页)中，27日山东处在冷高压底部，以偏东风为主，随着冷高压的东移，28—31日山东处在高压后部的弱气压场内，虽有风向的转换，但均为小风速，偏东风仍为出现频次最多的
风向。

因此，500 hPa西北气流冷平流、地面弱风场是两次过程共同的环流特征。

不同的是，霾过程地面为西北风，850 hPa为弱冷平流；雾过程地面以偏东风为主，850 hPa为暖平流。

两次过程济南污染指数都很高，主要污染物均为PM10，且PM2.5与PM10具有相似结果(图略)，因此选取济南(54823)作为代表做地面气象要素与PM10浓度的对比分析。

从图2可以看出，两次过程中，当PM10浓度超过250 μg·m-3时，
地面风速多在1～2 m·s-1之间。

不同的是，霾过程地面相对湿度在30%～80%
之间，能见度超过3 km，露点温度较低，一般在-12～-7 ℃；雾过程地面相对湿度多在80%以上，能见度低于2 km，露点温度一般在-2～2 ℃。

当PM10浓度
低于250 μg·m-3，霾彻底消散时风速变化不大，仍然维持2～3 m·s-1，地面露
点温度却由-6.6 ℃急剧降至-17.3 ℃；雾彻底消散时风速增大到4 m·s-1，地面露点温度由0 ℃降至-8 ℃。

因此，1～2 m·s-1的小风速是两次过程维持的重要条件，雾、霾过程多伴有重污染，消散时均伴有地面露点温度的急剧下降，降幅可达
8 ℃，但地面风速的增大并不显著。

对两次过程分别沿117°E、37°N(济南附近)做垂直速度和风速的垂直时间剖面图(图3)，可以看出，霾(图3a)维持时，低层存在上升运动和下沉运动的分界线，一般在700 hPa 以上为下沉运动，800 hPa以下为弱上升运动(小于2×10-3 hPa·s-1)。

2013年1月6日白天下沉运动延伸至900 hPa，同时整层西到西北风发展，对应天气形势上有高空槽迅速移过山东，地面为弱冷高压，风向为北风，造成6
日白天济南PM10浓度减小，对缓解空气污染起了一定作用。

但由于冷空气过后
低层迅速转为上升运动，霾污染过程仍然维持。

7日夜间也有一股弱冷空气影响，但这次冷空气主要表现为高空弱槽移过，下沉运动和西北风均没有到达地面，因此没有起到对霾及污染消散的作用。

9日冷空气影响到达地面，从高层到低层贯彻的下沉运动增强且下沉到地面，下沉运动中心在500 hPa,强度达5×10-3hPa·s-1，
高空干洁空气下沉到地面，在地面风扩散作用和干洁空气稀释作用的双重影响下，霾天气结束。

雾维持时(图3b)垂直速度同样有明显分层现象：一般在800 hPa以
上为下沉运动，900 hPa以下为弱上升运动(小于2×10—3hPa·s—1)。

2013年1月29—30日白天，900 hPa以下均为偏南风，800 hPa以上各层为西到西北风，30日下午至31日白天雾和污染最严重时偏南风抬升至700 hPa，30日20：00
高空有弱槽影响，但下沉气流和西北风仅到达700 hPa，冷空气实力不能影响到
地面使得地面弱风场和对流层低层的逆温得以维持，雾污染维持甚至加重。

2月1日08：00 700 hPa以下各层风转为东北风后，与高空冷空气对应的强下沉运动并未到达地面，900 hPa以下仍有上升运动，使得悬浮逆温仍然维持，雾和污染开
始减轻但并未完全消散，1日20：00，下沉运动接地，中心在800 hPa,强度达
4×10—3 hPa·s—1，雾污染彻底消散。

总之，两次过程维持时，从地面到对流层低层，垂直速度均呈弱上升-下沉的垂直
分层特点，上升运动高度雾过程在900 hPa,霾过程在800 hPa,上升运动强度均小于2×10—3hPa·s—1。

消散时，雾较霾下沉运动中心高度偏低，强度稍弱，但下沉气流均到达地面。

L波段探空系统能够连续自动测定高空气压、气温、湿度和风等要素，垂直分层密，可获取较为详细的边界层探测数据，为了解大气边界层状况提供了方便。

下面以济南探空站为例，对两次雾、霾天气个例的边界层特征进行分析。

霾维持时一直存在逆温层，且以接地逆温为主，其高度均在1000 hPa以下，逆温厚度一般在100～200 m，平均强度为3 ℃·100 m-1，逆温强度较强但逆温层浅薄。

霾消散时接地逆温仍存在，且强度和厚度未发生显著变化。

推测原因为接地逆温的存在与大气辐射降温有关，冬季夜间低层大气降温快，地面降温慢，白天太阳升起后地面升温快，低层大气升温慢，造成冬季早晨和夜间易造成接地逆温。

由于仅有20：00和08：00的探空资料，无法对中间时次进行详细分析，文献[9]指出，
具有辐射逆温性质的近地面层逆温在地面迅速升温后会消失，因此接地逆温仅为不利于扩散的充分条件，在此次霾天气中不起决定作用。

3.1.2 霾强盛和消散时段相对湿度、露点温度和风的垂直廓线
下面对霾强盛和消散时段(2013年1月8—9日)进行分析。

当空气中水汽较多时，某些吸湿性强的干气溶胶粒子(硫酸盐、硝酸盐、铵盐和部分可溶性有机气溶胶)会吸水、长大，在我国华北区域的观测发现吸湿后的气溶胶粒子粒径会增大20%～60%。

气溶胶粒子的这种吸湿二次增长特性会使污染物浓度虚高，能见度变差[10]。

相对湿度廓线(图4a)表明，8日08:00地面相对湿度最高，随着高度的升高相对湿度减小，100 m的相对湿度小于50%，至8日20:00，400 m以下的相对湿度均在80%左右，其中，300～400 m超过80%，湿层较为深厚，使得气溶胶粒子吸湿增长造成PM10浓度激增至832 μg·m-3，能见度下降到7 km。

9日08：00
地面相对湿度与8日20：00接近，但超过70%的湿层仅延伸至50 m，PM10浓度开始减小，能见度仍然维持7 km，9日20：00地面相对湿度降至50%，
PM10浓度仅150 μg·m-3，能见度超过15 km，霾污染天气彻底消散。

8日20：00到9日20：00霾污染消散时，近地面层先于地面空气相对湿度减小，湿层变
薄而后整层变干。

露点温度廓线(图5a，彩页)与相对湿度廓线呈现一致的变化特征：8日20：00近地面层露点温度升高，大气增湿，8日20：00到9日20：00，中高层低露点温度的干冷空气下传到地面，地面露点温度急剧下降，大气变干，相对湿度减小。

风矢量的变化(图4c)也在一定程度上解释了污染物强度的变
化特征。

8日08：00，400 m以下风速小于3 m·s-1，近地层垂直风切变较小，
仅为0.0075 s-1，8日20：00近地层转为一致的偏东风，至200 m风速增加到
7 m·s-1，垂直风切变达到0.015 s-1，较强的风切变虽然加强了边界层内上下空
气层间的湍流混合，但在偏东风的作用下地面湿度增大，湿层变厚，污染物受吸湿增长的影响仍然出现了急剧升高的变化特征。

9日08：00—20：00，地面偏东风
风速减小，但仍然存在较强的垂直风切变，强度达0.02 s-1，在下沉运动和较强垂直风切变的双重作用下，高空低露点的干冷空气下传到地面(图5a,彩页)，霾污染彻底消散。

雾维持时无接地逆温配合，但925 hPa以下均存在悬浮逆温，且悬浮逆温底部一般在250～550 m之间，平均逆温厚度400 m，平均逆温强度为1.2 ℃·hm -1。

虽然雾过程较霾过程逆温强度弱，但深厚的逆温层结有利于大雾天气的维持。

雾消散时925 hPa以下仍存在悬浮逆温，悬浮逆温底高增至650 m，温差变为0 ℃，即大气有由稳定层结向中性层结转变的趋势。

雾污染强盛和消散时段(2013年1月30日至2月1日)地面相对湿度均在92%以上，从湿度廓线(图4b)上看，超过90%的湿层延伸至300 m以上，贴地湿层的顶部与悬浮逆温层底基本对应，稳定层结抑制了空气的垂直运动，减少了湿层和干层之间的水汽交换，对雾的维持起到重要作用。

2月1日20：00，地面相对湿度低于80%，近地面层超过90%的湿层消失，雾消散。

露点温度廓线(图5b，彩页)显示出露点温度先升高后降低的变化趋势，对大气的增湿、变干有较好的指示意义，雾消散时也存在高层低露点温度干冷空气下传到地面的特征。

从风的垂直廓线上看(图4d)，该时段低层风速的增加十分缓慢，300 m以下风速均小于3 m·s-1，垂直风切变仅为0.003 s-1，较弱的垂直风切变有利于湿层的稳定。

2月1日20：00，从地面向上风速逐渐增大，在200 m达到9 m·s-1的极值，垂直风切变达到0.025 s-1 ，增大的风切变加速了干湿空气间的水汽交换，雾消散。

总之，近地层浅薄的接地逆温(厚度100～200 m)与霾过程对应，925 hPa以下深厚的悬浮逆温(厚度400 m)与雾过程对应，此次霾过程逆温强度为3 ℃·hm -1，较雾过程(1.2 ℃·hm -1)强。

霾消散时接地逆温强度和厚度特征变化不大，雾消散时悬浮逆温有底部抬升和大气稳定层结向中性层结转变的变化特征。

雾较重时湿层
深厚(超过300 m)，垂直风切变小，仅为0.003 s-1，消散时相对湿度减小，湿层消失，垂直风切变增大至0.025 s-1；霾较重时湿层浅薄(低于100 m)，消散时近地面层先于地面相对湿度减小，垂直风切变达0.02 s-1，两次过程消散时均有高层低露点干空气下传到地面的现象。

经过对比分析2013年的两次雾、霾天气个例，可得结论如下：
(1)500 hPa西北气流冷平流、地面弱风场是雾、霾天气出现和维持的共同环流特征。

霾过程中地面西北风，850 hPa弱冷平流；雾过程中地面偏东风，850 hPa 暖平流。

(2)1～2 m·s-1的小风速是雾、霾维持的重要条件，雾、霾过程多伴有重污染，消散时均伴有地面露点温度的急剧下降，降幅可达8 ℃。

(3)两次过程维持时，从地面到对流层低层，垂直速度呈弱上升-下沉的垂直分层特点，上升运动高度雾过程在900 hPa,霾过程在800 hPa,上升运动强度均小于
2×10—3hPa·s—1。

消散时，雾较霾下沉运动中心高度偏低，强度稍弱，但下沉气流均到达地面。

(4)近地层浅薄的接地逆温(100～200 m)与此次霾过程对应，925 hPa以下深厚的悬浮逆温(400 m)与此次雾过程对应，霾过程逆温强度较雾过程强。

霾消散时接地逆温强度和厚度特征变化不大，雾消散时悬浮逆温有底部抬升和大气稳定层结向中性层结转变的变化特征。

(5)雾较重时湿层深厚(超过300 m)，垂直风切变小，消散时垂直风切变增大至0.025 s-1；霾较重时湿层浅薄(低于100 m)，消散时近地面层先于地面相对湿度减小，垂直风切变达0.02 s-1。

两次过程消散时均有高层低露点干空气下传到地面的现象。

需要指出的是，本文仅针对两次雾、霾天气个例进行分析，部分结论有一定的局限
性，希望在未来的工作中可以增加个例数量，从而对特征量进行统计分析，得到可在业务中应用的指标量。