2014年2月關中地區持續霾天氣分析

李茜++蔣凱++胡淑蘭

摘 要：基于1981—2014年的NCEP/NACAR及陜西氣象站的相關氣象要素的日值資料，分析了造成2014年2月陜西關中地區持續霾天氣的氣象條件。結果表明：2014年2月陜西地區上空大氣環流場表現為對流層低層出現了南風，風速較小，并且伴隨有來自南方的暖濕氣流，導致污染物在陜西關中地區聚集；而對流層大氣的垂直分布表現為隨著高度的升高風速減小，同時對流層中低層的呈現顯著的逆溫層。在霾區域內，表面風速和水平風垂直切變是通過對污染物在水平方向上向區域外的輸送和在垂直方向上輸送產生的動力作用。熱力作用主要表現在假相當位溫垂直差和近地面溫度露點差越小，K指數、A指數越大，對流層中低層大氣層結的不穩定性和近地面層逆溫增強，導致霾天氣增強。

關鍵詞：關中地區 持續霾天氣 氣象條件 2014年2月

中圖分類號：P932 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0133-04

霾是一種大氣污染狀態，由于霾天氣發生時大氣能見度降低，對社會經濟以及人民生活產生重要的影響；同時，霾天氣發生時大氣氣溶膠聚集在大氣近地層，使得大氣污染增強，空氣質量下降，會對人體健康造成一定的危害。霾受季節影響顯著，以冬季最多，春季最少；2001年以來霾日數顯著增長[1]。關于中國霾天氣的發生與氣象因子之間的聯系，已有的研究一方面集中在如前所述的霾長期變化趨勢與氣象因子變化趨勢之間的關系，另一方面集中在局地氣象條件與霧生消演變過程及與霾天氣的聯系[2-4]。

陜西近年來霾頻頻發生，特別是以西安為中心的陜西關中城市群，已成為全國大氣污染較為嚴重的地區之一[5-7]。關于關中地區嚴重霾的發生、維持，雖然已經有不少探討分析，但大都是統計分析霾的特征，針對該區域持續霾天氣的氣象因子分析還相對較少。2014年2月陜西關中地區霾天氣具有持續時間長，發生范圍廣和強度強的特點。該文基于此次霾天氣過程，來分析其氣象條件的變化，不僅考慮大氣環流背景場對持續霾天氣的影響，也考慮氣象動力和熱力因子對持續霾天氣演變過程的作用。

1 資料和方法

1.1 資料

該文使用的資料主要包括：（1）NCEP/NACAR日平均再分析數據，時間：1981—2014年2月1日～28日，水平分辨率：2.5°×2.5°，垂直分辨率：17層；（2）陜西省98個臺站2014年2月1日—28日逐日風速和能見度資料。

1.2 方法

該文在分析陜西關中地區的相關變量時，對該區域（106°E～111°E，33°N～35°N）的變量進行了區域平均。使用的氣候要素均值，均為1981—2010年30年平均值。

500 hPa與850 hPa的水平風垂直切變：

W= （1）

文中使用了兩個表征大氣熱力溫度的常用指數K指數和A指數[8]。

K=（T850-T500）-（T700-Td700） （2）

A=（T850-T500）-[（T850-Td850）+（T700-Td700）+（T500-Td500）] （3）

式中，T500，T700，T850分別表示500 hPa，700 hPa和850 hPa的氣溫；Td500，Td700，Td850分別表示500 hPa，700 hPa和850 hPa的露點溫度。在天氣業務中常用K指數和A指數來判斷大氣層結穩定性，即該指數的數值越大，則大氣層結越不穩定。K指數和A指數均考慮了中低層大氣的垂直溫度梯度，主要的區別在于K指數僅考慮了700 hPa一層的水汽飽和度，而A指數在判別大氣層結穩定度時，同時也考慮了整個中低層大氣（500 hPa，700 hPa和850 hPa）的水汽飽和程度。

2 持續霾天氣的天氣氣候背景

2.1 2014年2月陜西氣候特征

從2014年2月陜西省霾日的空間分布可以看出（圖略），陜北的定邊、靖邊、橫山和綏德在2014年2月出現了10天以上的霾日，及陜南部分站點也出現了10天以上的霾日。2014年2月關中地區是出現霾日最多和最集中的地區；出現霾日最多的站點為韓城和彬縣，2月共出現了20天的霾日。尤其是2月18～28日關中地區持續大范圍霾天氣過程，涉及到關中和渭北46個縣中的28縣，共出現162縣日。其中重度霾85縣日，中度霾15縣日，輕度霾16縣日，輕微霾46縣日。西安市環保局發布2014年2月環境空氣質量通報，優良天數為1天，輕度污染6天，中度污染5天，重度污染6天，嚴重污染10天。在污染的27天中，26天的首要污染物為細顆粒物PM2.5一天的首要污染物為可吸入顆粒物PM10。2014年2月發生在陜西關中地區的霾天氣，具有持續時間長、強度大、影響范圍廣的特征。該文利用此次持續霾天氣過程的大氣環流背景場、對流層風速和氣溫距平垂直分布特征分析氣象因子對霾過程的影響作用.

2.2 大氣環流背景場

首先，分析造成2014年2月陜西關中地區霾天氣的大氣環流背景場。圖1為500 hPa（對流層中層）和925 hPa（對流低層）的溫度、風場和位勢高度的距平分布圖。在對流層低層925 hPa等壓面上，可以看到在中國東部有一個高壓中心，西部是低壓中心，與此對應的在河套地區出現了南風，風速較小。在對流層中層500 hPa等壓面上，可以看到中緯度地區主要盛行西風氣流，河套地區冷空氣強度偏弱，導致河套地區氣溫升高。筆者計算了2014年2月陜西省風速距平的空間分布，可以看到除了陜北北部和陜南南部地區風速為正距平，全省其他大部分地區均為負距平。也就是說全省大部分地區的風速較常年偏小。925 hPa等壓面上有來自南方的暖濕氣流，能夠將更多的水汽輸送到河套地區的上空，為持續霾天氣提供了有利的水汽條件，而且冷空氣活動偏弱，更加利于大氣低層的污染物聚集，同時風速偏弱，使得污染物無法向河套以外的地區輸送，導致了2014年2月陜西關中地區出現持續的霾天氣。

之前介紹了造成關中地區持續霾天氣的大氣環流背景，接著再進一步分析大氣的垂直分布特征。圖2為2014年2月陜西平均風速距平和溫度距平隨高度的變化。從圖2（a）可以看出，在對流層中低層水平風速呈現顯著的減弱趨勢，表現為隨著高度的升高風速減小的趨勢，而在400 hPa以上對流層高層，風速隨高度升高而增大。從圖2（b）可以看出，在整個對流層內幾乎為一致的增暖，尤其以對流層中低層的逆溫最為明顯。這種對流層存在的逆溫層異常會使得大氣變得穩定。這些大氣背景場均有利于持續霾天氣的發展和維持。

3 持續霾天氣的氣象條件分析

3.1 動力作用

2014年2月陜西省關中地區地表平均風速和500 hPa與850 hPa水平風垂直切變（圖3）具有較好的一致性，在2月4日，風速與水平風垂直切變均為該月的最大值。同時，分別計算了他們與關中地區日平均能見度的相關，其相關系數為0.7和0.37，顯著性均超過了0.05的信度水平。即當能見度偏高（偏低）時，風速與水平風垂直切變的變化也是偏大（偏小）。表面風速和能見度的正相關關系表明在有霾天氣的區域內，當表面風速偏小的時候，向區域外輸送污染物偏弱，有利于霾的維持，導致能見度偏低，反之亦然，表面風速偏大的時候，能見度變大。而500 hPa與850 hPa水平風垂直切變和能見度的正相關關系表明當水平風垂直切變變大的時候，在有霾天氣的區域上空的對流層中低層垂直混合增強，有利于污染物向高空擴散，使近地面的霾減弱，能見度變大。因此，霾區域內的表面風速和其上空的對流層中低層水平風垂直切變對霾天氣的影響體現在其水平方向和垂直方向上的動力作用。

3.2 熱力作用

筆者計算了2014年2月關中區域850 hPa與1 000 hPa假相當位溫垂直差、K指數、A指數和925 hPa溫度露點差，并且分別計算了他們與關中區域逐日平均能見度的相關系數，分別為0.28、-0.35、-0.37和0.4。其中，850 hPa與1 000 hPa假相當位溫垂直差與能見度的相關性較差，其余三個指數的顯著性均超過了0.1的信度水平。可以看出假相當位溫垂直差和近地面溫度露點差與能見度呈現正相關，而K指數、A指數與能見度呈現顯著的負相關。同時，850 hPa與1 000 hPa假相當位溫垂直差、K指數、A指數都可以代表大氣對流層中低層濕空氣的層結不穩定狀態。即當假相當位溫垂直差和近地面溫度露點差越小（大）時候，K指數、A指數越大（?。r候，對流層中低層大氣層結的不穩定性和近地面層逆溫增強（減弱）時，導致霾天氣增強（減弱）。近地面溫度露點差代表近地面空氣飽和程度，當露點差越小，說明空氣中的水汽越接近于飽和，使得空氣中的水汽凝結而形成霧，從而降低了能見度，這些因素都有利于霾天氣的維持。霾天氣中的顆粒物和水滴使地面的凈短波輻射通量減弱，使表面溫度降低，也可以導致近地面層逆溫的增強[9]。

4 結論和討論

（1）2014年2月陜西關中地區出現了大范圍的霾天氣過程，尤其以2月中下旬最為嚴重。造成此次關中地區持續霾天氣的大氣背景場主要表現為對流層低層出現了南風，風速較小，并且伴隨有來自南方的暖濕氣流，將更多的水汽輸送到河套地區上空，有利于大氣底層的污染物聚集。對流層大氣垂直分布表明，隨著高度的升高風速減小，同時對流層中低層的呈現顯著的逆溫層。這些大氣背景場都是有利于持續霾天氣的發展和維持。

（2）霾區域內的表面風速和其上空的對流層中低層水平風垂直切變對霾天氣的影響體現在其水平方向和垂直方向上的動力作用。當表面風速偏大的時候，向區域外輸送污染物偏強，不利于霾的維持，從而能見度偏高。而當水平風垂直切變變大的時候，在有霾天氣的區域上空的對流層中低層垂直混合偏強，有利于污染物向高空擴散，在近地面附近的霾減弱，能見度變大。

（3）即當假相當位溫垂直差和近地面溫度露點差越?。ù螅r候，K指數、A指數越大（小）時候，對流層中低層大氣層結的不穩定性和近地面層逆溫增強（減弱）時，導致霾天氣增強（減弱）。

參考文獻

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