畢 瑋， 萬夫敬， 陸 雪， 張凱靜， 孫 萌， 高 山

(1. 青島市氣象局， 山東 青島 266003； 2. 青島市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站， 山東 青島 266003； 3. 國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心， 山東 青島 266061)

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青島地區(qū)霾污染天氣特征分析*

畢 瑋1， 萬夫敬1， 陸 雪1， 張凱靜1， 孫 萌2， 高 山3

(1. 青島市氣象局， 山東 青島 266003； 2. 青島市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站， 山東 青島 266003； 3. 國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心， 山東 青島 266061)

通過統(tǒng)計(jì)分析2003—2013年氣象觀測(cè)和環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，給出了青島霾污染天氣的時(shí)空分布和邊界層特征。青島中度污染以上的霾污染天氣多發(fā)生在12月～次年1月，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的日變化有明顯的“三峰”特征，城市灰霾帶位于市北區(qū)至李滄區(qū)、以及嶗山西側(cè)弱風(fēng)區(qū)一帶。青島60%的霾污染天氣發(fā)生在500 hPa冷槽底或冷槽后部的大氣環(huán)流背景下，地面多對(duì)應(yīng)高壓中心或鞍型場等均壓場形勢(shì)。當(dāng)出現(xiàn)霾污染天氣時(shí)，邊界層逆溫厚度、強(qiáng)度與AQI變化有一定的正相關(guān)關(guān)系。青島地區(qū)吹陸風(fēng)時(shí)污染物濃度高，海風(fēng)時(shí)污染物濃度低。當(dāng)陸風(fēng)風(fēng)速達(dá)到4.5 m/s以上，或持續(xù)海風(fēng)時(shí)，對(duì)污染物有清潔擴(kuò)散作用。

霾； 空氣污染； 時(shí)空分布； 環(huán)流形勢(shì)； 逆溫； 近地層風(fēng)場

霾是大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的空氣混濁的現(xiàn)象，它能使遠(yuǎn)處光亮物體微帶黃、紅色，使黑暗物體微帶藍(lán)色，屬于一種視程障礙天氣現(xiàn)象[1]。中國改革開放以來，在全球變化的大背景下，在城市群區(qū)域，人類活動(dòng)使得組成霾的化學(xué)成分發(fā)生了重大變化，灰霾現(xiàn)象迅速增加，能見度惡化事件越來越多。原來大陸地區(qū)的霾主要與沙塵暴相關(guān)聯(lián)，是沙塵暴過程發(fā)展后期的天氣現(xiàn)象，而現(xiàn)在所謂的灰霾，特指由于人類活動(dòng)增加導(dǎo)致的城市區(qū)域近地層大氣的氣溶膠污染現(xiàn)象。自然現(xiàn)象的霾每年只出現(xiàn)幾天，且強(qiáng)度不大，大多數(shù)能見度僅剛低于10 km。而近年來由于人類活動(dòng)造成大氣污染的日數(shù)，在大城市區(qū)域達(dá)到100～200 d以上，強(qiáng)度也大大增加，能見度可以惡劣到1～2 km[2-3]。當(dāng)霾發(fā)生時(shí)，往往氣團(tuán)穩(wěn)定，污染物不易擴(kuò)散，能見度降低導(dǎo)致交通事故發(fā)生，而且嚴(yán)重的霾天氣還能誘發(fā)呼吸道等多種疾病，威脅人體健康，同時(shí)對(duì)氣候及生態(tài)環(huán)境也會(huì)造成較大危害[4-6]。在中國的一些地區(qū)，霾污染天氣已經(jīng)成為一種較為嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，霾的出現(xiàn)有著重要的環(huán)境意義和空氣質(zhì)量指示意義[2,7]。

中國開展霾的相關(guān)研究已經(jīng)十多年了，主要的研究區(qū)域集中在京津冀、長三角和珠三角地區(qū)[2]。青島地處山東半島南部沿海，常年海、陸風(fēng)交替，氣象要素變化與霾污染天氣的關(guān)系十分復(fù)雜。以往對(duì)青島地區(qū)的大霧研究居多，而對(duì)霾天氣的特征知之甚少。本文通過統(tǒng)計(jì)分析2003—2013年氣象要素觀測(cè)資料和青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，初步研究了青島地區(qū)霾污染天氣的時(shí)空分布特征、環(huán)流形勢(shì)和邊界層特征，為提高對(duì)青島地區(qū)霾污染天氣的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步研究霾污染天氣預(yù)報(bào)手段提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

霾天氣資料來自青島市氣象臺(tái)提供的2003—2013年每日定時(shí)地面(02、08、14、20北京時(shí))和高空(08、20北京時(shí))氣象要素觀測(cè)、探測(cè)資料。根據(jù)地面氣象觀測(cè)資料，若當(dāng)天有霾發(fā)生，則記為1個(gè)霾日，在日值的基礎(chǔ)上進(jìn)行月、季、年的統(tǒng)計(jì)。

空氣質(zhì)量資料來自青島市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站提供的污染物濃度逐日、逐時(shí)資料，其中2003—2012年為青島市8個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站(見圖1)的SO2、NO2、PM103種污染物的逐日平均濃度資料。2013年為青島市13個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站(見圖1)的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O36種污染物的逐時(shí)濃度資料。

根據(jù)中國環(huán)境保護(hù)部2012年2月29日發(fā)布的最新《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》，對(duì)2003—2013年各污染物濃度進(jìn)行空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)計(jì)算，確定空氣質(zhì)量指數(shù)、級(jí)別(見表1)和首要污染物。

污染物項(xiàng)目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)計(jì)算方法如下：

(其中“新”為2013年增加的新站點(diǎn)。New stations in 2013 marked with “新”.)

圖1 青島市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站分布圖
Fig.1 Distribution of ambient air quality monitoring stations in Qingdao

式中：IAQIp為污染物項(xiàng)目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)；Cp為污染物項(xiàng)目P的質(zhì)量濃度值；BPHi為與Cp相近的污染物濃度限值的高位值；BPLo為與Cp相近的污染物濃度限值的低位值；IAQIHi為與BPHi對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；IAQILo為與BPLo對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)。

空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法如下：

式中：IAQI為空氣質(zhì)量分指數(shù)；n為污染物項(xiàng)目。當(dāng)AQI>50時(shí)，IAQI最大的污染物即為首要污染物。

2 霾污染天氣的氣候特征

2.1 月變化

根據(jù)青島市的地面氣象觀測(cè)記錄顯示，2003—2013年青島共有487 d出現(xiàn)了霾，其中5月、10～12月是霾天氣的高發(fā)時(shí)期，1～4月的霾日數(shù)次之，而6～9月正值青島的夏季，霾天氣發(fā)生則相對(duì)較少(見圖2)。根據(jù)青島市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站提供的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)顯示，2003—2013年達(dá)到中度以上污染(AQI>150)的天數(shù)只有146 d，其中12月～次年1月是空氣污染最為嚴(yán)重的時(shí)期，6～10月幾乎沒有中度以上污染天氣出現(xiàn)(見圖2)。氣象觀測(cè)與空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差異是由于霾的氣象觀測(cè)記錄與判別環(huán)境空氣污染程度之間存在著標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范上的差別而造成的。

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)和級(jí)別

圖2 2003—2013年青島霾日數(shù)和中度以上污染日數(shù)的逐月變化

根據(jù)中國氣象局2010年1月20日發(fā)布的《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)能見度小于10 km，排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙，相對(duì)濕度小于80%時(shí)，即判識(shí)為霾。當(dāng)相對(duì)濕度在80%～95%時(shí)，按照地面氣象觀測(cè)規(guī)范規(guī)定的描述或大氣成分指標(biāo)進(jìn)一步判識(shí)。當(dāng)大氣成分監(jiān)測(cè)站PM2.5的濃度超過75 μg/m3(IAQIPM2.5>100)，也可作為判識(shí)霾的參考依據(jù)?？梢婗驳臍庀笥^測(cè)記錄標(biāo)準(zhǔn)要比空氣污染達(dá)到中度污染以上的標(biāo)準(zhǔn)低，即當(dāng)有霾天氣出現(xiàn)時(shí)，環(huán)境空氣質(zhì)量不一定達(dá)到中度污染以上的程度，但空氣達(dá)到中度污染以上時(shí)，必定有霾的觀測(cè)記錄。據(jù)此，本文之后的研究將重點(diǎn)分析中度污染以上霾天氣的特征，并將中度污染以上的霾天氣簡稱為霾污染天氣。

2.2 日變化

霾在一天中的任何時(shí)候都可以出現(xiàn)，中國霾分布范圍最廣、強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)段多集中在11時(shí)和14時(shí)[8]。通過分析2013年青島霾天氣的地面觀測(cè)資料和環(huán)境空氣質(zhì)量逐時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，青島地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量有明顯的日變化特征。市區(qū)出現(xiàn)污染較重、范圍較大的霾污染天氣多集中在10～13時(shí)、20時(shí)前后和4時(shí)前后(見圖3)，這3個(gè)時(shí)段的空氣質(zhì)量往往較其他時(shí)段差，表現(xiàn)出明顯的“三峰”特征。根據(jù)多年的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，在沒有較強(qiáng)的天氣系統(tǒng)影響時(shí)，青島地區(qū)多在中午前后出現(xiàn)南北風(fēng)向的轉(zhuǎn)換，而在入夜和凌晨前后地面風(fēng)力也較弱，這可能是造成在這3個(gè)時(shí)段青島地區(qū)空氣質(zhì)量較差的原因之一，在環(huán)境空氣質(zhì)量日變化上就表現(xiàn)出了“三峰”特征。

圖3 2013年青島重污染日平均AQI變化

2.3 青島城市灰霾帶

通過統(tǒng)計(jì)分析2003—2013年青島8～13個(gè)監(jiān)測(cè)站的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)青島地區(qū)造成空氣質(zhì)量達(dá)中度污染以上等級(jí)的污染物主要為PM2.5和PM10。根據(jù)相應(yīng)AQI數(shù)值，繪制出了青島地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量污染高發(fā)區(qū)分布圖，即青島城市灰霾帶(見圖4)。從圖4中可以看到，當(dāng)PM10為首要污染物，造成環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)到中度以上污染等級(jí)時(shí)，污染區(qū)域主要集中在青島市北區(qū)至李滄區(qū)的偏西部靠近膠州灣一帶，尤其在市北區(qū)南部和李滄西北部較重(見圖4(a))；當(dāng)PM2.5為首要污染物，造成環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)到中度以上污染等級(jí)時(shí)，污染區(qū)域主要集中在市北區(qū)北部至李滄區(qū)，而嶗山西側(cè)局地的PM2.5濃度也比較高，常達(dá)到嚴(yán)重污染的程度(見圖4(b))。

3 霾污染天氣的環(huán)流形勢(shì)特征

霾天氣是在一定的大尺度環(huán)流背景下發(fā)生發(fā)展的，通過對(duì)2003—2013年青島146 d的霾污染天氣環(huán)流形勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，青島地區(qū)的霾污染天氣多發(fā)生在地面為高壓中心或鞍型場控制的均壓場情況下。本文采用500 hPa環(huán)流背景進(jìn)行歸納分類，將青島地區(qū)霾污染天氣環(huán)流形勢(shì)分為冷槽底/后部型、緯向型、橫槽型、西風(fēng)槽型、南支槽型共5類。其中冷槽底/后部型產(chǎn)生的霾污染天氣最多,且持續(xù)時(shí)間長，青島有60%的霾污染天氣是在此種天氣形勢(shì)下出現(xiàn)的，而南支槽型的霾污染天氣最少，僅占2%。

圖4 青島環(huán)境空氣質(zhì)量污染高發(fā)區(qū)分布圖

冷槽底/后部型在500 hPa中高緯度環(huán)流表現(xiàn)為多波動(dòng)特征，東北地區(qū)為冷渦控制，貝湖附近為高壓脊區(qū)，槽底部的環(huán)流較為平直，盛行一支西風(fēng)氣流。青島上空常受到脊前下滑的小淺槽影響，中低層伴有弱切變或位于槽后，冷鋒后部的冷高壓緩慢南移，地面風(fēng)力較弱，為偏北風(fēng)或南北風(fēng)交替(見圖5)。緯向型在500hPa歐亞高緯度為一近似東西走向的大極渦，環(huán)流平直，經(jīng)向度不大，在西風(fēng)上有小槽脊不斷東移；地面氣壓場較弱，風(fēng)力較小。小槽不論尺度還是槽前風(fēng)速相對(duì)西風(fēng)槽型都小，南支系統(tǒng)較弱，東部地區(qū)地面為均壓場,大氣層結(jié)穩(wěn)定,有利于霾的產(chǎn)生發(fā)展。橫槽型在500 hPa中高緯度環(huán)流為寬廣的冷槽區(qū)，青島上空為橫槽前偏西氣流，環(huán)流平直，西風(fēng)風(fēng)力在30 m/s左右，過槽時(shí)高空風(fēng)力可達(dá)40 m/s；中層受槽底或槽后脊前西到西北風(fēng)氣流影響；地面位于冷鋒前或位于均壓場區(qū)，地面弱偏北風(fēng)或南北風(fēng)交替，風(fēng)力不大，一般不超過4 m/s。西風(fēng)槽型的主體冷空氣路徑偏北，500 hPa中緯度環(huán)流較為平直，上游有小槽分裂東移，形成較為明顯的中支槽，青島處在槽前西南氣流控制下。南支槽型在500 hPa歐亞高緯度為寬廣的低值區(qū)，中高緯度是兩槽一脊緯向環(huán)流型，即兩個(gè)平淺的長波槽之間為一弱長波脊，南支槽前弱偏南氣流與中緯度槽前偏南氣流在東部沿海匯集，中支槽與南支槽逐漸同位相疊加后，緩慢地向東移動(dòng)，東部地區(qū)地面為均壓場或弱冷鋒前部，大氣層結(jié)穩(wěn)定，有利于霾的產(chǎn)生。

圖5 冷槽底/后部型霾污染天氣模型示意圖

4 霾污染天氣的邊界層特征

霾污染天氣發(fā)生時(shí)，污染物主要集中在大氣邊界層中，因此污染物的滯留與擴(kuò)散無疑與邊界層特征有著密切的聯(lián)系。

4.1 逆溫層

根據(jù)青島環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，2013年1月青島有12 d出現(xiàn)了重污染天氣。以2013年1月4～9日為例，通過繪制溫度、露點(diǎn)溫度探空曲線和水平風(fēng)場的垂直分布，可以看出，當(dāng)霾污染天氣發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)著逆溫的存在，同時(shí)溫度和露點(diǎn)溫度呈現(xiàn)“喇叭口”形狀，下濕上干，有利于污染物在近地層滯留，不易擴(kuò)散(見圖6(a))。霾污染天氣發(fā)生時(shí)，水平風(fēng)速的垂直變化較小，說明垂直湍流擴(kuò)散作用弱，不利于污染物向高空擴(kuò)散。同時(shí)，在逆溫層，水平風(fēng)向的垂直切變明顯，風(fēng)向自低空向高空順轉(zhuǎn)，說明在逆溫層有暖平流，對(duì)逆溫有加強(qiáng)作用，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，亦有利于污染物的滯留。進(jìn)一步分析連續(xù)霾污染天氣過程發(fā)生時(shí)逆溫的逐日變化，可以看出逆溫層呈現(xiàn)先加強(qiáng)后減弱的狀態(tài)，而在灰霾消散的次日，整層出現(xiàn)明顯的降溫，證明了冷空氣的侵襲是灰霾消散的有力武器(見圖6(b))。

利用青島探空數(shù)據(jù)，分別計(jì)算1 500 m以下的強(qiáng)度最強(qiáng)逆溫層、厚度最厚逆溫層與第一層逆溫層，發(fā)現(xiàn)第一層逆溫層與強(qiáng)度最強(qiáng)逆溫層厚度普遍較薄，不具有滯留灰霾污染物的代表性，因此選取厚度最厚逆溫層作為研究對(duì)象，進(jìn)一步分析其出現(xiàn)的高度、強(qiáng)度與空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的關(guān)系。由圖7可以看出，穩(wěn)定的逆溫層是連續(xù)多天出現(xiàn)霾污染天氣的充分不必要條件。例如1月5～8日，28～30日，連續(xù)多日的重污染對(duì)應(yīng)著穩(wěn)定的逆溫層。同時(shí)可以看到，逆溫層較高時(shí)，不需很強(qiáng)逆溫強(qiáng)度即可達(dá)到霾污染天氣維持的條件，但當(dāng)逆溫層較低時(shí)，需要較強(qiáng)的逆溫強(qiáng)度維持逆溫，才對(duì)應(yīng)霾污染天氣的出現(xiàn)。例如1月5～8日、19日、24日，逆溫層較高，但強(qiáng)度不大；28～30日，逆溫層較低，強(qiáng)度較大；12日、14～15日逆溫層高度、強(qiáng)度適中。另外，通過對(duì)比逆溫層高度、強(qiáng)度與AQI的逐時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，逆溫層高度、強(qiáng)度與AQI變化趨勢(shì)一致，呈正相關(guān)關(guān)系，個(gè)別時(shí)刻會(huì)提前或滯后12 h，但總體趨勢(shì)對(duì)應(yīng)較好(圖略)。

(a. 1月4日20時(shí)溫度、露點(diǎn)溫度和水平風(fēng)的垂直變化；b. 1月4～9日08時(shí)溫度的垂直變化。a. Vertical variation of temperature, dew-point temperature and wind at 4th 20LT; b. Vertical variation of temperature from 4th 08LT to 9th 08LT.)圖6 2013年1月4～9日探空曲線圖

(粉色條帶表示逆溫層形成高度及厚度；藍(lán)色實(shí)線表示逆溫層強(qiáng)度；灰色陰影區(qū)代表重污染發(fā)生的時(shí)段。Pink belt: inversion height and thickness; Blue line: inversion intensity; Grey shadow: heavy air pollution days.)

圖7 2013年1月逆溫層高度與逆溫強(qiáng)度的日變化

Fig.7 Diurnal variation of inversion height and intensity in January， 2013

4.2 近地層風(fēng)場

青島地處山東半島南部沿海，常年南北風(fēng)交替出現(xiàn)，西北風(fēng)即為內(nèi)陸吹來的陸風(fēng)，東南風(fēng)為黃海海上吹來的海風(fēng)。本文采用17方位風(fēng)向(含靜風(fēng))統(tǒng)計(jì)分析了2003—2013年不同風(fēng)向風(fēng)速情況下，青島地區(qū)污染物濃度的變化[9]。

當(dāng)?shù)孛媪鲌鰹槟巷L(fēng)到東風(fēng)時(shí)，PM2.5、PM10、SO2、NO24種污染物的濃度都偏低。當(dāng)?shù)孛媪鲌鰹楸憋L(fēng)到西風(fēng)時(shí)，上述4種污染物的濃度都偏高(見圖8)。對(duì)于霾污染天氣來說，首要污染物主要是PM2.5和PM10，說明海風(fēng)時(shí)污染物濃度低，陸風(fēng)時(shí)污染物濃度高，特別是PM2.5的特征表現(xiàn)尤為明顯(見圖8(a))。而東北風(fēng)和西南風(fēng)的情況較為復(fù)雜。青島的東北部為煙臺(tái)和威海兩市，均為山東半島沿海城市。當(dāng)?shù)孛媪鲌鰹闁|北風(fēng)時(shí)，煙威地區(qū)為來自黃海北部的海風(fēng)，青島受到經(jīng)過煙威地區(qū)海風(fēng)的影響，PM2.5濃度并不高，但其他三種污染物的濃度與西北風(fēng)流場的情況區(qū)別不大。當(dāng)?shù)孛鏋槲髂巷L(fēng)流場時(shí)，青島受到來自魯西南和河南一帶的陸風(fēng)影響，污染物濃度較高，與西北風(fēng)流場的情況類似?？梢?，近地層輸送對(duì)青島本地污染物濃度的變化有較明顯的影響，內(nèi)陸地區(qū)污染物會(huì)隨著地面流場輸送至青島地區(qū)，導(dǎo)致青島局地污染物濃度的增大。

(單位mg/m3，a. PM2.5；b. PM10；c. SO2；d. NO2)圖8 各風(fēng)向污染物濃度玫瑰圖

進(jìn)一步分析風(fēng)向風(fēng)速與空氣質(zhì)量指數(shù)的逐時(shí)變化發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陸風(fēng)風(fēng)速在4.5 m/s以下時(shí)，風(fēng)速越小，空氣質(zhì)量指數(shù)越高，說明靜小風(fēng)使得污染物堆積不易擴(kuò)散；當(dāng)陸風(fēng)風(fēng)速在4.5 m/s以上時(shí)，風(fēng)速越大，空氣質(zhì)量指數(shù)越低，說明北大風(fēng)對(duì)污染物的擴(kuò)散作用明顯，利于大氣清潔。而對(duì)于海風(fēng)來說，不論風(fēng)速大小，都比陸風(fēng)更利于污染物的擴(kuò)散，當(dāng)陸風(fēng)轉(zhuǎn)海風(fēng)后，空氣質(zhì)量指數(shù)等級(jí)可以下降一到兩級(jí)，空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，這應(yīng)該是海上吹來的大氣比較潔凈的緣故。當(dāng)南風(fēng)風(fēng)速增大時(shí)，空氣質(zhì)量指數(shù)會(huì)進(jìn)一步下降，但下降幅度并不大，AQI基本維持在100以下，是優(yōu)良的等級(jí)(見圖9)。

(紅色曲線為AQI；藍(lán)色曲線為風(fēng)速；箭頭為風(fēng)向。Red line: AQI; Blue line: Wind speed; Arrow: wind direction.)圖9 風(fēng)向風(fēng)速與空氣質(zhì)量指數(shù)的逐時(shí)變化

利用青島一百多部自動(dòng)氣象站的風(fēng)速數(shù)據(jù)，繪制霾污染天氣時(shí)的平均水平風(fēng)速分布圖，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)重度霾污染天氣時(shí)的日平均風(fēng)速基本都小于3 m/s。在李滄區(qū)到市北區(qū)一帶，以及嶗山西側(cè)是弱風(fēng)區(qū)(見圖10)，這一區(qū)域基本對(duì)應(yīng)了青島城市灰霾帶的位置，進(jìn)一步說明了低風(fēng)速是導(dǎo)致污染物堆積而難以擴(kuò)散流出的原因之一，霾污染天氣與靜小風(fēng)過程有密切聯(lián)系[10-12]。

(·為青島13個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站位置?！ositions of ambient air quality monitoring stations in Qingdao.)圖10 2013年23天重污染日平均水平風(fēng)速場

5 結(jié)論

本文通過統(tǒng)計(jì)分析2003—2013年氣象要素觀測(cè)資料和青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，初步分析了青島市區(qū)霾污染天氣的時(shí)空分布特征、環(huán)流形勢(shì)和邊界層特征。

(1)12月至次年1月是青島霾污染天氣的高發(fā)期，絕大多數(shù)中度污染以上的霾天氣都發(fā)生在這一階段。青島環(huán)境空氣質(zhì)量也有明顯的“三峰”日變化特征，即市區(qū)出現(xiàn)污染較重、范圍較大的霾天氣多集中在10～13時(shí)、20時(shí)前后和4時(shí)前后。

(2)首要污染物不同，青島城市灰霾帶的位置不同。當(dāng)PM10為首要污染物時(shí)，中度污染以上程度的區(qū)域主要集中在青島市北區(qū)至李滄區(qū)的偏西部靠近膠州灣一帶，尤其在市北區(qū)南部和李滄西北部較重；當(dāng)PM2.5為首要污染物時(shí)，中度污染以上程度的區(qū)域主要集中在市北區(qū)北部至李滄區(qū)，嶗山西側(cè)局地常達(dá)到嚴(yán)重污染的程度。

(3)青島地區(qū)霾污染天氣環(huán)流形勢(shì)可分為5類——冷槽底/后部型、緯向型、橫槽型、西風(fēng)槽型、南支槽型。其中冷槽底/后部型產(chǎn)生的霾污染天氣最多,且持續(xù)時(shí)間長，占60%，而南支槽型的霾污染天氣最少，僅占2%。

(4)霾污染天氣對(duì)應(yīng)著逆溫的存在，當(dāng)逆溫層較高時(shí)，不需很強(qiáng)的逆溫強(qiáng)度即可使霾污染天氣維持，但當(dāng)逆溫層較低時(shí)，則需要較強(qiáng)的逆溫強(qiáng)度才能有霾污染天氣出現(xiàn)。當(dāng)霾污染天氣連續(xù)發(fā)生時(shí)，逆溫層先加強(qiáng)后減弱，逆溫層高度、強(qiáng)度與AQI呈正相關(guān)關(guān)系。霾污染天氣出現(xiàn)時(shí)，大氣層結(jié)多呈下濕上干狀態(tài)，且風(fēng)速垂直變化較小，在逆溫處有風(fēng)向的垂直切變。靜小風(fēng)和冷空氣與霾污染天氣的生消關(guān)系密切。青島的弱風(fēng)區(qū)與城市灰霾帶的位置基本對(duì)應(yīng)，而在灰霾消散的次日，整層大氣常有明顯降溫。

(5)青島地區(qū)吹陸風(fēng)時(shí)污染物濃度高，海風(fēng)時(shí)污染物濃度低。當(dāng)陸風(fēng)風(fēng)速在4.5 m/s以下時(shí)，風(fēng)速越小，空氣質(zhì)量指數(shù)越高；當(dāng)陸風(fēng)風(fēng)速在4.5 m/s以上時(shí)，風(fēng)速越大，空氣質(zhì)量指數(shù)越低。重度霾污染天氣時(shí)的日平均風(fēng)速基本都小于3 m/s。當(dāng)陸風(fēng)轉(zhuǎn)海風(fēng)后，空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，空氣質(zhì)量指數(shù)等級(jí)可下降1～2級(jí)，使AQI基本維持在100以下。

根據(jù)上述特征，可以將冬季青島地區(qū)的霾污染天氣預(yù)報(bào)思路初步分為以下幾步。首先要明確天氣形勢(shì)的大背景，當(dāng)500 hPa環(huán)流形勢(shì)為冷槽底/后部型，地面對(duì)應(yīng)弱的氣壓梯度和風(fēng)場時(shí)，就要考慮青島本地霾天氣出現(xiàn)的可能性。當(dāng)青島探空曲線有明顯的逆溫表征，且逆溫有加強(qiáng)的趨勢(shì)時(shí)，要重點(diǎn)觀察逆溫層附近水平風(fēng)的垂直切變。如果滿足上述特征指標(biāo)，就要對(duì)霾天氣作出預(yù)報(bào)。另外，當(dāng)?shù)孛姹憋L(fēng)有所增大時(shí)，要考慮地面風(fēng)向和上游地區(qū)污染物濃度的實(shí)況，對(duì)外來輸送導(dǎo)致的本地空氣質(zhì)量下降作出及時(shí)的預(yù)報(bào)。當(dāng)北風(fēng)持續(xù)增大或南風(fēng)持續(xù)時(shí)，就要考慮霾天氣過程的結(jié)束。

致謝：感謝青島市氣象局馬艷正研高工對(duì)本文撰寫給予的指導(dǎo)和幫助。

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責(zé)任編輯 龐 旻

The Characteristics of Haze Pollution Days in Qingdao

BI Wei1, WAN Fu-Jing1, LU Xue1, ZHANG Kai-Jing1, SUN Meng2, GAO Shan3

(1. Qingdao Meteorological Bureau， Qingdao 266003, China; 2. Environmental Monitoring Center of Qingdao， Qingdao 266003， China; 3.North China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration, Qingdao 266000, China)

According to the meteorological observation data and ambient air quality data from 2003 to 2013, the temporal and spatial distribution characteristics of circulation situations and boundary layer in Qingdao are analyzed. The statistical results indicate the haze days with air pollution above 4-level generally appear from December to next January and the hourly variation of air quality index (AQI) shows “Three Peaks” pattern. Haze pollution areas of Qingdao include from Shibei district to Licang district and the west area of Laoshan Mountain. 60% haze pollution days appears on the bottom of cold trough at 500 hPa. As well as Qingdao located in the center of surface high pressure or saddle field. Inversion strength and thickness appear somewhat positive relationship with AQI during haze pollution days. Land breeze makes high pollutant density, while sea wind makes low one. Either north wind speed more than 4.5 m/s or lasting south wind could decrease pollutant and clean air.

haze; air pollution; temporal and spatial distribution; circulation situation; inversion; surface wind

山東省氣象局2013年氣象科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“青島地區(qū)霾天氣特征分析與統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法研究”；青島市氣象局2014年氣象科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“青島霾污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)研究”資助

2014-08-03；

2014-11-26

畢 瑋(1981-)，女，碩士，工程師，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作。E-mail: vvbw@163.com

P468.0+28

A

1672-5174(2015)05-011-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20140292