哈爾濱一次罕見持續霧霾天氣的成因及特征分析

歐娜音，王 文，柏金鳳

（1.哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱150028; 2.通河縣氣象局，黑龍江 通河150900；

3.綏化市氣象局，黑龍江 綏化152002）

1 引言

霧霾天氣已經成為一種新的氣象及環境災害性現象。2013年10月19-23日哈爾濱出現了持續時間和強度上屬歷史最強的霧霾天氣。 伴隨霧霾現象所發生的重度空氣污染和空氣質量問題， 不僅造成大氣能見度下降，還對社會經濟、特別是人體健康造成了重大影響，引起了公眾和各級政府的高度關注。 因此， 分析哈爾濱地區霧霾天氣形勢的時空變化特征以及相關氣象要素的演變規律， 對準確觀測和預報霧霾天氣、減少災害損失、保障交通安全和環境質量具有重要意義。

正常情況下，秋、冬季黑龍江省常受大陸冷高壓控制。 在這種天氣形勢下，(1)低層風的垂直切變小，在對流層低層風速偏小，近地面低空為靜風或微風，大氣穩定度加強，空氣水平擴散條件差；(2)天氣晴朗少云，有利于夜間的輻射降溫，通常在近地面形成逆溫層，抑制了空氣垂直向上的擴散，濃霧削弱了地面的短波輻射增溫， 有利于逆溫層的維持， 冬季12-2月哈爾濱市出現輻射逆溫的平均日數占總天數的80%以上；(3) 降溫的同時也增大了空氣的相對濕度，溫度露點差減小直到空氣達到飽和， 從而凝結形成霧。 這些氣象因子有利于強霧霾天氣的出現及其持續維持。 霧霾常常相伴而生，大范圍霧霾天氣一旦形成，在有利的天氣條件下可維持數日。

2013年入秋之后， 北方冷空氣活動不如常年頻繁，勢力也不強，但南方熱帶系統與常年比處于較強狀態，仍然對北方有一定的影響力，大氣環流處于南北對峙的形態，結果導致海上水汽不斷向北方輸送，形成大霧天氣，加之近地面逆溫、靜風等天氣條件和污染物排放，使得2013年黑龍江省霧霾天氣明顯偏多，哈爾濱也出現了范圍廣，程度重，持續時間長，歷史罕見的霧霾天氣。 其中，2013年10月19-23日發生的霧霾天氣最具有代表性。

2 霧和霾的主要特征及區別

霧是指在接近地球表面、 大氣中懸浮的由小水滴或冰晶組成的水汽凝結物， 是一種常見的天氣現象[1]。 當氣溫達到露點溫度時（或接近露點），空氣里的水蒸氣凝結生成霧。 無污染狀態下，霧的凝結核是由花粉、灰塵和可溶性鹽的微粒等物質組成的。 而出現污染狀況時， 凝結核還可能擴展為空氣中的污染物粒子。 霾又稱灰霾（煙霾），主要是人為因素造成的，由空氣中的有機碳氫化合物、硫酸鹽、硝酸鹽及灰塵等顆粒浮漂在一定空氣范圍， 使空氣中的能見度降低，空氣質量下降[2]。 有時也將霾分為干霾和濕霾。

一般來講， 霧和霾的區別主要在于水分含量的大小：水分含量達到90%以上的叫霧，水分含量低于80%的叫霾。 80%-90%之間的，是霧和霾的混合物[3]。

過去，對霾沒有分級標準。2006年中國氣象局發布的預警信號標準對霾分為黃色、 橙色二級預警，2013年中國氣象局根據空氣質量的PM2.5濃度與大氣能見度、相對濕度等氣象要素指標，對霾的預警分為三級，分別為黃色、橙色、紅色預警。

3 環流形勢分析

圖1 10月20日20時哈爾濱地區(a)850 hPa 高空實況和（b）地面實況形勢

圖2 10月21日20時哈爾濱地區(a)850 hPa 高空實況和(b)地面實況形勢

從2013年10月19日20時850 hPa 高 空圖上可以看出（圖略），哈爾濱始終是在貝加爾湖大槽前的弱西南氣流當中，等高線稀疏，高空風力較小。 從溫度曲線上看，哈爾濱處在0-4 ℃之間的暖空氣中，而地面處于偏南氣流的弱高壓控制中，等壓線稀疏，地面風力也較小。 20日20時850 hPa 高空圖中貝加爾湖處的槽加強成低渦，低渦中心東移至蒙古東部，此時哈爾濱離此低渦還較遠，哈爾濱等高線稀疏，風力仍較小。 高空溫度曲線仍維持在0-4 ℃之間的暖空氣中，而地面仍然無明顯變化，中心偏東但等壓線稀疏，風力較小（圖1）。21日20時850 hPa 高空圖上可以看出，中心位于蒙古國的低渦南壓加強，外圍進入內蒙東部，此時高空哈爾濱影響不大，溫度雖處在0-4 ℃，但有所北抬，導致高空溫度有所升高，加強了逆溫層的厚度。 而地面形勢上可以看到隨著內蒙東部低壓的加強，哈爾濱所處的弱高壓也有所加強，等壓線加強，風速加大，但程度對霧霾的擴散起不到明顯作用（圖2）。 22日20時的850 hPa 高空圖可看出（圖略），雖中心位于內蒙東部的低壓中心減弱，但哈爾濱上空的弱高壓有所加強，使得高空風力加大，但溫度曲線仍控制在0-4 ℃之間， 造成高空溫度仍被暖空氣控制中，逆溫維持存在。 但此時的地面形勢可看出哈爾濱處于低壓前部，等壓線密度加強，風力開始加大，有利于霧霾天氣的減弱。

23日08時850 hPa 高空實況可以看出（圖略），哈爾濱處于低渦前部，受暖式切變的影響，哈爾濱即將產生降水，對霧霾天氣的減弱有利。 另外，從850 hPa 溫度曲線看出， 哈爾濱雖然仍處于0-4 ℃線之間，但4 ℃溫度曲線已下壓到朝鮮中部，說明有冷空氣進入哈爾濱，破壞了穩定的溫度形勢，逆溫層厚度減弱。 而地面等壓線密集，風力加大，對霧霾天氣的擴散有利。

4 逆溫層

在大氣環流相對穩定時期，大氣層結穩定，近地層空氣流動（風速）很小，大氣會形成上暖下冷的“逆溫層”。 逆溫層中較暖而輕的空氣位于較冷而重的空氣上面,形成一種極其穩定的空氣層,籠罩在近地層的上空,嚴重地阻礙著空氣的對流運動。 對流運動受阻導致近地層空氣中的各種有害氣體, 如汽車尾氣、煙塵以及水汽等， 只能飄浮在逆溫層下面的空氣層中,無法向上向外擴散，有利于云霧的形成，導致能見度降低， 甚至由于空氣中的污染物不能及時向大氣中擴散，造成大氣污染加重[4]。 灰霾還誘發鼻炎、支氣管炎、佝僂病等多種疾病，危害人體健康。 大量研究結果表明,近地層出現逆溫有利于霧霾的形成。

19日20時-23日12時逆溫差都在4 ℃以上，最大逆溫差值為7 ℃。而逆溫層厚度基本都在200 m以上，最大厚度為973 m。 逆溫差和逆溫層厚度也反映了逆溫層的強度。 另外，逆溫差變化規律雖然不是太明顯， 但基本可以與逆溫層厚度變化特點共同總結為08時的數值大于20時的數值。 因此，可以說明08時的逆溫差和逆溫層厚度大于20時的逆溫差和逆溫層厚度， 也能說明08時的逆溫層強度大于20時。

5 氣象要素特征

5.1 相對濕度和能見度特征

從相對濕度逐小時變化看，雖有高有低，但通過圖3 中能見度與相對濕度逐小時對比分析， 可知19日11時-20日17時哈爾濱基本屬于霾天氣， 但從20日17時-23日00時的相對濕度數值看基本都接近100%，這個時刻的相對濕度與能見度對比可得出此時刻屬于霧霾混合物持續存在， 地面污染物濃度累積升高， 持續嚴重大霧災害與持續累積高污染疊加，使得霾天氣加重。 23日00時隨著相對濕度的減小，能見度趨于好轉。

圖3 2013年10月18-24日哈爾濱能見度和相對濕度

5.2 氣壓

當大氣處于穩定狀態時,污染物在大氣中的擴散速率小,范圍狹窄,否則反之[5]。 從氣壓變化實況上看（圖略）， 哈爾濱本站氣壓在19日00時-23日00時一直處于平穩狀態，沒有垂直和水平方向上的流動，因此不利于霧霾天氣的擴散。

5.3 風速

一直維持風速較小或靜風狀態， 是典型的靜穩天氣， 導致污染物的持續積累和霾天氣的形成和發展[6]。 2013年18日風速是緩慢減弱，19日17時開始出現靜風，20日風速白天屬1級以下的風。 21日全天靜風。霧霾天氣從這個因素上考慮無法減弱。22日白天有2級以下的風傍晚減小，哈爾濱從23日凌晨風速開始加大，霧霾天氣減弱。

5.4 干球溫度

由于霧霾天氣的加強使得21日00時-23日06時溫度偏低。 白天霧霾天氣厚度太強,很難使溫度上升,以致于相對濕度持續在大值范圍內。 23日霧霾天氣減弱，溫度回升。

5.5 PM10 與PM2.5 的變化特征

霧霾是空氣污染和氣象因素共同作用的結果,霧霾天氣發生時,大氣能見度下降,大氣中的顆粒物特別是細顆粒物（PM2.5）是導致能見度降低的主要因素。

圖4 2013年10月18-24日哈爾濱PM10 與PM2.5 值

從圖4 中的PM10與PM2.5變化看出，對應以上氣象要素PM10與PM2.5變化明顯。 當霧霾天氣加重時，PM10與PM2.5值加大，說明氣象條件與大氣污染有極大的關系，23日隨著風速加大， 霧霾天氣的減弱，污染物指數也降低。 因此，環境污染的防治需要環保和氣象部門的密切合作。

6 結論

（1）高空850 hPa 形勢的穩定維持，暖空氣控制；地面回流穩定，處于弱高壓控制，是導致大范圍霧霾天氣持續出現的主要背景。

（2）逆溫層的存在，是霧霾天氣持續的最主要原因之一。 逆溫差和逆溫層厚度反應逆溫層的強度，且08時的逆溫層強度大于20時。

（3）相對濕度的增大，氣壓的穩定，風速的減小，溫度的降低等氣象因子有利于強霧霾天氣的出現及其維持。 隨著冷空氣的侵入、降水的產生，風力的加大，逆溫的破壞、溫度的回升都能有利于霧霾濃度減弱或消散。

（4）當霧霾天氣加重時，PM10與PM2.5值加大，說明氣象條件與大氣污染有極大的關系。 大氣污染的預測是減輕污染危害的重要條件。 但氣象因子影響大氣污染的同時， 反過來大氣污染也會對天氣和氣候產生影響。 只有對二者之間的相互作用有了深入的科學認識，才可能取得較好的預報效果。

[1]成都氣象學院.氣象學[M].北京:農業出版社,1980.

[2]李東海，何彩霞.淺談霧霾天氣的識別及預警策略[J]. 安徽農學通報,2011,17(18).

[3]趙俊平,李亞軍.如何積極有效地防御霧霾天氣[J].科學之友，2009,2(5):102-103.

[4]王潤清, 霧霾天氣氣象學定義及預防措施[J].現代農業科技, 2012,7: 44.

[5]杜榮光,齊冰,郭惠惠,等.杭州市大氣逆溫特征及對空氣污染物濃度的影響[J].氣象與環境學報,2011,27(4):49-53.

[6]唐宜西,張小玲,熊亞軍,等.北京一次持續霾天氣過程氣象特征分析[J].氣象與環境學報，2013,29(5):12-19.