胡雪紅 孫翠鳳 張 琳

(山東省德州市氣象局，山東 德州 253078）

灰霾是指懸浮在空中，肉眼無(wú)法分辨的大量微小塵粒、煙?；螓}粒的集合體，使空氣混濁，水平能見(jiàn)度降至10km以下的一種天氣現(xiàn)象［1］。當(dāng)灰霾濃度達(dá)到某一界限后，空氣質(zhì)量一般較差。近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，城市化進(jìn)程的加快，尤其是90年代末以來(lái)，空氣污染物排放增加，灰霾天氣劇增，引起了全社會(huì)對(duì)城市空氣質(zhì)量的高度重視。有不少學(xué)者從不同角度對(duì)霧霾天氣特征進(jìn)行分析［2－6］，宋娟等分析了江蘇省快速城市化進(jìn)程對(duì)霧霾日時(shí)空變化的影響，鄭峰等對(duì)溫州地區(qū)霧霾氣候特征及其預(yù)報(bào)做了較詳細(xì)的分析，楊玉霞等分析了魯西北灰霾天氣特征及灰霾對(duì)日照時(shí)數(shù)的影響，而針對(duì)灰霾天氣產(chǎn)生的成因分析較少。

本文將著重1981年以來(lái)32年灰霾天氣分布特征入手，針對(duì)2007年6月10－12日德州出現(xiàn)的一次嚴(yán)重的灰霾天氣過(guò)程，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和物理量診斷分析，試圖探討灰霾天氣的發(fā)生、發(fā)展和消亡的成因，以期對(duì)灰霾天氣進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和預(yù)警。80年代指1981－1990年，依次類(lèi)推。季節(jié)劃分為:冬季(12月－次年2月），春季(3月－5月），夏季(6月－8月），秋季(9月－11月）。

1 灰霾天氣分布特征

圖1 1981－2012年灰霾天氣年日數(shù)分布

統(tǒng)計(jì)1981－2012年32年以來(lái)灰霾分布(見(jiàn)圖1），2010年最多，為102天。從年代際變化分析，灰霾日數(shù)年際變化明顯，80年代灰霾天氣極少，僅0.6天/10a;90年代8.6天/10a，本年代末增加較快;2000年代以來(lái)呈現(xiàn)迅猛增多的趨勢(shì)，達(dá)到49.4天/10a，是90年代的5.7倍。分析32年以來(lái)的月平均分布看出，德州一年四季都有灰霾天氣出現(xiàn)，按季節(jié)分布，冬、春、夏、秋分別為6.3天、4.5天、4.7 天和4.1天，其中 1 月、6 月、12 月最多，月均大于2.3天;8、9 月份最少，月均 0.6 －0.7 天，其余月份 1 －2天。其中夏季的灰霾天數(shù)較多主要是6月份出現(xiàn)較多。由于1997年以前除個(gè)別年份外(1993－1994年），大部分年份僅0－2天，使得月均值較小。

2 灰霾天氣過(guò)程特點(diǎn)和天氣背景

2.1 灰霾天氣特點(diǎn)和空氣污染物監(jiān)測(cè)分析

2007年6月10－12日在山東西北部、河北中南部持續(xù)出現(xiàn)大范圍的灰霾天氣，能見(jiàn)度最小時(shí)僅700 m，空氣渾濁，氣味刺鼻，眼睛酸澀。

通過(guò)對(duì)10－12日逐時(shí)空氣污染物監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)(圖2），德州市的首要污染物是可吸入顆粒物(PM10），在11日10時(shí)－12日00時(shí)和12日11時(shí)－13日01時(shí)兩個(gè)時(shí)段內(nèi)濃度值都大于0.251mg/m3(即污染指數(shù)大于201），其中11日13－17時(shí)和12日11－12時(shí)濃度值均大于0.421mg/m3(即污染指數(shù)大于300），屬重度污染。由此可見(jiàn)，這次出現(xiàn)的灰霾天氣導(dǎo)致空氣污染嚴(yán)重。

圖2 2007年6月10日13時(shí)－13日11時(shí)污染物濃度分布

2.2 天氣背景

2007年6月10日，在烏拉爾山和貝加爾湖地區(qū)為低槽區(qū)，兩個(gè)低槽之間為高壓脊(中阻塞型［7］），華北大部受暖性高壓脊控制。11日華北地區(qū)的高壓脊東移，高原東部到山東中部、長(zhǎng)江以北到黃河流域?yàn)閷拸V的弱槽區(qū)，氣壓場(chǎng)很弱，且沒(méi)有明顯的冷暖氣流活動(dòng);這種形勢(shì)維持到12日夜間。由于從低緯到高緯的大尺度天氣系統(tǒng)的穩(wěn)定，寬廣的弱氣壓場(chǎng)為華北中南部地區(qū)霾天氣的發(fā)生提供了比較穩(wěn)定的大氣環(huán)流條件。地面上，10－11日華北地區(qū)處于南高北低的形勢(shì)下，蒙古低壓沿高空引導(dǎo)氣流偏東方向移動(dòng)，它的中南部地區(qū)位于高壓后部，氣壓梯度小，以偏南風(fēng)為主，12日地面轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，河套到魯西北沒(méi)有等壓線經(jīng)過(guò)，說(shuō)明氣壓場(chǎng)很弱，這有利于灰霾天氣的維持。13日伴隨一股冷空氣的擴(kuò)散南下，持續(xù)三天的灰霾天氣結(jié)束。

3 霾天氣的氣象要素特征

3.1 地面要素特征分析

從10日13時(shí)－13日09時(shí)德州市的海平面氣壓、風(fēng)速變化曲線(圖略）可以看到，逐時(shí)海平面氣壓較低，均在1 002－1 013 hPa間變化，氣壓梯度小，也決定了地面風(fēng)速小，除了10日21時(shí)達(dá)3級(jí)(4.7m/s），其它時(shí)次風(fēng)速均小于3級(jí)。水平風(fēng)速直接影響大氣湍流的運(yùn)動(dòng)，風(fēng)力強(qiáng)弱則影響空氣污染物的擴(kuò)散速度，風(fēng)速與污染物在空氣中的濃度成反比［8］。由于大氣的擴(kuò)散能力弱，污染物不宜擴(kuò)散，導(dǎo)致了強(qiáng)而持久的灰霾天氣。

從10日13時(shí)－13日09時(shí)德州市的相對(duì)濕度和溫度變化曲線(圖略）可以看出，近三天相對(duì)濕度＜70%，在重度污染期間，相對(duì)濕度只有37－50%，11日14時(shí)溫度28.2℃，比10 日和 12 日的 33.9℃和 29.2℃都偏低;灰霾天氣出現(xiàn)期間相對(duì)濕度呈上升趨勢(shì)變化，而溫度呈下降趨勢(shì)變化，且二者呈反位相。灰霾天氣的出現(xiàn)，導(dǎo)致大氣氣溶膠增加，進(jìn)而造成日照減少［9］，溫度也相應(yīng)偏低。

3.2 大氣層結(jié)特征分析

大量研究［10、11］表明，有逆溫層存在，可使污染物在地面上停滯積聚，加劇空氣污染的程度，近地層出現(xiàn)逆溫還有利于霧霾的形成。對(duì)10－12日灰霾天氣發(fā)生地區(qū)的邢臺(tái)、北京兩個(gè)站的探空資料進(jìn)行分析，10日08時(shí)邢臺(tái)的逆溫層位于980－930 hPa，11日08時(shí)逆溫層抬升到900 hPa，γ=5/100(℃/m）(即每上升100米氣溫上升5℃），12日逆溫層較11日減弱，逆溫層頂也降低到920 hPa，;10日08時(shí)北京近地層存在兩個(gè)逆溫層，一個(gè)位于950－920 hPa，另一個(gè)位于820－800 hPa，11日逆溫層減弱，僅在920－900 hPa存在一個(gè)較薄的逆溫層，12日逆溫層增厚，但較11日減弱。從以上分析可以看出，這三天邢臺(tái)、北京兩站的近地層逆溫層都表現(xiàn)為10日、12日較弱，11日最強(qiáng)，這與首要污染物的逐時(shí)分布特征一致，逆溫層增強(qiáng)，大氣更加穩(wěn)定，更有利于灰霾天氣的加強(qiáng)和維持，由于最大逆溫層頂在900 hPa附近，且γ=5/100(℃/m），污染物無(wú)法向上輸送而只能在其下部聚集，造成空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化;邢臺(tái)站的逆溫層比北京的要強(qiáng)，這與高低空環(huán)流形勢(shì)的配置密切相關(guān)，也與灰霾天氣的分布情況一致，即河北中南部和德州市的霾天氣比北京附近的要強(qiáng)。

4 灰霾天氣物理量診斷分析

通過(guò)對(duì)10－12日物理量場(chǎng)進(jìn)行診斷分析，了解本次過(guò)程大氣低層的氣流變化情況，進(jìn)而探討灰霾天氣的發(fā)生、發(fā)展和消亡過(guò)程。

10日08時(shí)－12日08時(shí)，灰霾發(fā)生地區(qū)的1 000 hPa、925 hPa的垂直速度幾乎為0，850 hPa的垂直速度為3－10 Pa·s－1，這表明近地層上升運(yùn)動(dòng)很弱，動(dòng)力條件較差，不利于污染物擴(kuò)散，導(dǎo)致灰霾天氣持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

10日08－20時(shí)，霾區(qū)1 000 hPa、925 hPa的渦度、散度值很小，在0 －0.8 s－1，850 hPa 為負(fù)渦度、正散度，為下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，阻止近地層污染物向上擴(kuò)散;11日1000 hPa的渦度、散度值仍很小，925 hPa為下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，而850 hPa趨于無(wú)輻散層，也就是說(shuō)，下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)更低，混合層高度也下降，污染物在近地面堆積，濃度升高，灰霾加強(qiáng)。12日1 000 hPa、925 hPa為正渦度、負(fù)散度，為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，850 hPa渦度、散度值較小，即近地面的上升運(yùn)動(dòng)有利于污染物向上輸送，濃度降低，灰霾天氣強(qiáng)度減弱。

以上分析表明，嚴(yán)重灰霾天氣發(fā)生時(shí)，垂直上升運(yùn)動(dòng)很弱，近地面處于負(fù)渦度、正散度的下沉運(yùn)動(dòng)區(qū);當(dāng)灰霾天氣減弱時(shí)，近地面又將處于正渦度、負(fù)散度的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。

5 小結(jié)

1981－2012年32年間，德州市的灰霾天氣分布差別很大，80年代到90年代中期，灰霾天氣僅0.6/10a，90年代末開(kāi)始迅速增多，2000年代達(dá)49.4天/10 a。冬季灰霾天數(shù)多于其余季節(jié)，1月、6月、12月出現(xiàn)天數(shù)多于其他月份;這次發(fā)生的灰霾天氣導(dǎo)致空氣污染嚴(yán)重?；姻蔡鞖獍l(fā)生期間，高空環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，氣壓梯度小，地面風(fēng)力小于3級(jí)、大氣的擴(kuò)散能力弱，污染物不宜擴(kuò)散;逐時(shí)相對(duì)濕度呈上升趨勢(shì)，而溫度呈下降趨勢(shì)，且二者呈反位相;灰霾天氣的出現(xiàn)，導(dǎo)致大氣氣溶膠增加，進(jìn)而造成日照減少，溫度也相應(yīng)偏低?；姻蔡鞖獍l(fā)生過(guò)程中，垂直上升運(yùn)動(dòng)很弱，近地面處于負(fù)渦度、正散度的下沉運(yùn)動(dòng)區(qū);減弱時(shí)反之。逆溫層強(qiáng)且逆溫層頂位于900hPa，污染物在垂直方向不宜擴(kuò)散，造成了較高濃度的污染。

致謝:感謝德州市環(huán)保局提供2007年6月10－13日的逐時(shí)空氣污染資料。

［1］《大氣科學(xué)辭典》編委會(huì).大氣科學(xué)辭典［M］.北京:氣象出版社，1994:408.

［2］宋娟，程婷，謝志清，等.江蘇省快速城市化進(jìn)程對(duì)霧霾日時(shí)空變化的影響［J］.氣象科技，2012，(3）:275－281.

［3］鄭峰，顏瓊丹，吳賢篤，等.溫州地區(qū)霧霾氣候特征及其預(yù)報(bào)［J］.氣象科技，2011，(6）:791 －795.

［4］吳慶梅，張勝軍.一次霧霾天氣過(guò)程的污染影響因子分析［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2010，(1）:12 －16.

［5］葉光營(yíng)，吳毅偉，劉必桔.福州區(qū)域霧霾天氣時(shí)空分布特征分析［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，(10）:114－119

［6］楊玉霞，代玉田，胡雪紅.魯西北灰霾天氣特征及影響因素分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39:9053 －9054，9103.

［7］周寧芳，李峰，饒曉琴，等.2006年冬半年我國(guó)霾天氣特征分析［J］.氣象，2008，34(6）:85.

［8］張書(shū)余.醫(yī)療氣象預(yù)報(bào)基礎(chǔ)［M］.北京:氣象出版社，1999:49.

［9］石惠蘭，王新堂，邵志勇，等.魯西北52年日照變化特征及原因［J］.氣象，2007，33(2）:93.

［10］徐懷剛，鄧北勝，周小剛，等.霧對(duì)城市邊界層和城市環(huán)境的影響［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2002，13(增刊）:170 －176.

［11］范紹佳，王安宇，樊琦，等.珠江三角洲大氣邊界層概念模型的建立及其應(yīng)用［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2005，21(3）:286 －292.

［12］沈覺(jué)成.大氣環(huán)境評(píng)價(jià)［M〗.北京:氣象出版社，1989:137.

［13］國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T3201－91），制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992:15 －18，附錄 B，附錄 E.