承德市一次持續(xù)性霧霾天氣過程的分析

張曉輝

摘 要 利用常規(guī)觀測資料、NECP（1°×1°）再分析資料及河北省環(huán)境監(jiān)測中心提供的資料，分析2014年2月21—25日承德市霧霾天氣過程。結(jié)果表明：此次霧霾天氣，前期以霾為主，中期以輕霧為主，后期白天為輕霧、霾交替，夜間以霧為主；高空偏西氣流和地面弱氣壓場是導(dǎo)致霧霾天氣持續(xù)的天氣背景；逆溫層產(chǎn)生和維持，持續(xù)較小垂直交換系數(shù)、低層垂直速度、風(fēng)速，都是霧霾持續(xù)和發(fā)展重要原因；低層弱偏西風(fēng)、偏南風(fēng)，使霧霾加劇。能見度與風(fēng)速、氣壓呈正相關(guān)，與相對濕度、PM2.5濃度及氣溫呈負(fù)相關(guān)；霧霾發(fā)生前氣象要素特征差異明顯，可為霧霾天氣預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 霧霾；階段性特征；垂直交換系數(shù)；垂直速度；能見度

中圖分類號：P427.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.27.052

霧霾天氣是一種重要?dú)庀鬄?zāi)害，隨著社會經(jīng)濟(jì)逐步發(fā)展，霧霾天氣頻繁發(fā)生對人體健康和生態(tài)環(huán)境都會造成嚴(yán)重影響。2011年霧霾天氣入選中國十大天氣氣候事件，反映出社會公眾對霧霾天氣關(guān)注程度的顯著提高。

2014年2月21—25日，承德市出現(xiàn)了持續(xù)霧霾天氣過程，大氣污染嚴(yán)重，對人們生活及健康帶來嚴(yán)重影響。因此，本文采用氣象常規(guī)觀測資料、NECP（1°×1°）再分析資料及河北省環(huán)境監(jiān)測中心提供的資料，對持續(xù)霧霾天氣分析，揭示此次霧霾天氣過程嚴(yán)重性、罕見性和發(fā)生發(fā)展機(jī)制，力圖找到預(yù)測承德市霧霾天氣的有效方法[1-2]。

1 霧霾天氣過程概述

2014年2月21—25日，承德市出現(xiàn)了一次持續(xù)霧霾天氣過程。根據(jù)最新調(diào)整的霧霾觀測標(biāo)準(zhǔn)（能見度<10.0 km，相對濕度<65%時(shí)記為霾；相對濕度≥65%時(shí)，能見度在1.0～10.0 km記為輕霧，相對濕度≥85%時(shí)，能見度

<1.0 km記為霧）分析這次過程天氣現(xiàn)象。由圖1看出，20日承德能見度開始明顯下降，21—25日能見度基本維持在2 km左右；21日相對濕度在65%以下，因此21日白天承德市以霾為主；21日夜到23日夜承德相對濕度維持在65%～85%，22、23日承德市東北部出現(xiàn)弱降水，相對濕度增大，21日夜到23日承德以輕霧為主；24—25日承德市區(qū)白天相對濕度在65%左右，到了夜間相對濕度>65%，個(gè)別時(shí)段>85%，同時(shí)能見度<1.0 km。因此，24—25日承德市白天為輕霧與霾交替出現(xiàn)，夜間以霧為主。26日冷空氣入侵，相對濕度明顯減小，能見度增加，承德市霧霾天氣趨于消散。由此得到，過程開始承德市相對濕度相對較小，以輕霧、霾交替為主；過程中期由于弱降水產(chǎn)生，相對濕度增加并維持，承德市以輕霧為主；過程后期，隨著降水結(jié)束，晝夜氣溫變化導(dǎo)致白天相對濕度較小而夜間空氣相對濕度較大，白天為輕霧和霾天氣交替出現(xiàn)，夜間以霧為主。

2 環(huán)流背景分析

據(jù)2月21—26日500 hPa平均高度場資料顯示，中高緯度歐亞大陸上空為一槽一脊形勢，烏拉爾山存在一低槽，貝加爾湖以東地區(qū)為一寬廣高壓脊，承德市主要受西風(fēng)氣流控制；21—26日逐日500 hPa高度場和850 hPa溫度場（圖略）上，承德上空受偏西氣流控制，高空環(huán)流形勢穩(wěn)定；850 hPa有暖脊東移，致使中層大氣增溫明顯，為逆溫層出現(xiàn)創(chuàng)造了良好條件。可見，穩(wěn)定環(huán)流形勢是連續(xù)霧霾天氣出現(xiàn)的重要天氣背景。

分析21—26日海平面氣壓平均場，承德市主要受弱氣壓場控制，氣壓梯度很小，近地層水平風(fēng)速很弱，基本在2 m/s以下，承德市近地層上處于靜穩(wěn)天氣形勢中，制約污染物水平擴(kuò)散，利于大范圍霧霾天氣發(fā)生。

3 物理量場分析

3.1 大氣層結(jié)特征

分析張家口市21—26日探空資料，21日08：00—25日20：00，近地面層存在逆溫層，26日08：00逆溫層消失，承德市霧霾天氣趨于消散。配合21—27日溫度和相對濕度剖面圖（圖2），21日，925 hPa以下承德市相對濕度較小，以霾為主；22、23日承德市上空濕層較厚，東北部出現(xiàn)弱降水，而承德市出現(xiàn)輕霧，0 ℃層位于地面附近；24—25日濕層明顯變薄，相對濕度變小，0 ℃層升高，位于850 hPa附近，較24日以前溫度隨高度增加，因此污染物在地面停滯積聚，加劇空氣污染程度，過程后期能見度進(jìn)一步降低，出現(xiàn)<1 km的情況。

3.2 垂直交換系數(shù)

垂直交換系數(shù)主要表征垂直方向湍流交換的劇烈程度，指數(shù)低，則表示垂直方向湍流交換偏弱，當(dāng)垂直交換系數(shù)<15 000時(shí)，易發(fā)生霧霾天氣。通過計(jì)算，21—26日承德市霧霾期間垂直交換系數(shù)均<15 000，因此垂直方向湍流交換偏弱，不利于污染物垂直擴(kuò)散。

3.3 邊界層條件

分析承德上空21—27日逐日垂直速度，21—26日邊界層，垂直速度絕對值都很小，特別是925 hPa以下垂直速度基本為零，說明承德市邊界層沒有強(qiáng)烈上升或下沉運(yùn)動，天氣相對靜穩(wěn)。22—23日，在850 hPa附近存在垂直速度負(fù)值區(qū)，該層有弱上升運(yùn)動，承德東北部產(chǎn)生弱降水，承德市區(qū)為陰，相對濕度較大，以輕霧為主；24—25日整層垂直速度均為很小正值，有弱下沉運(yùn)動，使大氣垂直擴(kuò)散能力繼續(xù)下降，污染物濃度增加，低層能見度降低，污染強(qiáng)度達(dá)最強(qiáng)，說明弱下沉運(yùn)動有利于污染物積累，有利于霧霾持續(xù)和發(fā)展。26日，850～700 hPa出現(xiàn)負(fù)垂直速度，而在500 hPa附近正垂直速度較前期加強(qiáng)，此時(shí)霧霾趨于消散，說明低層有上升運(yùn)動而中層下沉運(yùn)動加強(qiáng)，導(dǎo)致大氣垂直擴(kuò)散能力加強(qiáng)，污染物濃度降低，低層能見度升高，霧霾消散。

3.4 風(fēng)場

分析21—27日風(fēng)向、風(fēng)速剖面（圖略），21—25日925 hPa以下風(fēng)速很小，在2 m/s以下，而且較多時(shí)次為靜風(fēng)，大氣擴(kuò)散能力極弱；21日白天低層為偏西風(fēng)，以霾天氣為主；22、23日低層風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，承德東北部出現(xiàn)弱降水，市區(qū)相對濕度增大，由前期霾轉(zhuǎn)化為輕霧且維持；24—25日低層以弱偏西風(fēng)或偏南風(fēng)為主，對承德市西部、南部污染物向承德市輸送起到一定作用，承德市能見度降低，24—25日白天輕霧、霾交替持續(xù)出現(xiàn)，夜間以霧為主。26日冷空氣入侵，低層出現(xiàn)偏北風(fēng)，污染物迅速擴(kuò)散，持續(xù)霧霾過程結(jié)束。endprint

4 地面氣象要素與PM2.5濃度

4.1 地面氣象要素及PM2.5濃度對能見度影響

霧霾天氣過程中，能見度與地面氣象要素和氣溶膠濃度密切相關(guān)。分析這次霧霾天氣過程中，能見度與風(fēng)速、相對濕度、PM2.5濃度、氣溫和氣壓均具有較好相關(guān)性。能見度與風(fēng)速、氣壓呈正相關(guān)，與相對濕度、PM2.5濃度及氣溫呈負(fù)相關(guān)，與PM2.5相關(guān)性最好，其次是相對濕度。由于整個(gè)霧霾天氣過程中氣壓場較弱，氣壓梯度較小，風(fēng)速穩(wěn)定<2 m/s，為整個(gè)霧霾天氣過程形成提供相對穩(wěn)定且水平輸送較小的天氣背景條件，因此，氣壓和風(fēng)速對能見度影響相對較小。

4.2 霧霾出現(xiàn)前后地面氣象要素差異

霧霾出現(xiàn)前后，地面氣象要素特征存在明顯差異，霧霾出現(xiàn)前一天，地面氣壓增強(qiáng)，24 h變壓>0，氣溫下降，而相對濕度減小，風(fēng)速很小；霧霾出現(xiàn)后，氣壓場呈減弱趨勢，氣溫明顯回升，相對濕度隨晝夜溫差變化而上下波動，風(fēng)速依然很小；霧霾結(jié)束后，地面氣壓明顯升高，氣溫則大幅回升，相對濕度迅速減小，風(fēng)速增大。說明霧霾來臨前，地面氣壓升高，風(fēng)力較小，相對濕度減小，氣溫有所下降；而隨著高壓的侵入，風(fēng)力加大，相對濕度減小，氣溫迅速升高，霧霾趨于消散。

5 討論

第一，本次霧霾天氣具有明顯階段性特征，前期相對濕度小，以霾為主，中期東北部出現(xiàn)弱降水，相對濕度增大，以輕霧為主；后期由于晝夜溫差變化，導(dǎo)致白天為輕霧和霾天氣交替出現(xiàn)，夜間以霧為主。

第二，高空受偏西氣流影響、地面受弱氣壓控制且水平風(fēng)速較小，為承德市連續(xù)霧霾天氣過程提供了穩(wěn)定環(huán)流背景場；850 hPa暖脊東移，使低層產(chǎn)生逆溫層并維持，抑制大氣垂直運(yùn)動，導(dǎo)致污染物在低層停滯積累，霧霾天氣得以維持和發(fā)展。

第三，較小垂直交換系數(shù)、低層垂直速度、風(fēng)速使污染物垂直和水平擴(kuò)散能力降低，都是造成霧霾天氣持續(xù)的重要原因；低層較弱偏西風(fēng)、偏南風(fēng)使霧霾強(qiáng)度加強(qiáng)。

第四，霧霾發(fā)生過程中，能見度與風(fēng)速、氣壓呈正相關(guān)，與相對濕度、PM2.5濃度及氣溫呈負(fù)相關(guān)，能見度與PM2.5相關(guān)性最好，氣壓和風(fēng)速對能見度影響相對較小。

第五，霧霾發(fā)生前，地面氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)存在明顯差異，可為判斷霧霾發(fā)生提供依據(jù)；穩(wěn)定的環(huán)流形勢，逆溫層的產(chǎn)生和穩(wěn)定維持，持續(xù)較小的垂直交換系數(shù)、低層垂直速度、風(fēng)速，都是判斷霧霾持續(xù)和發(fā)展的重要理論依據(jù)；冷空氣入侵，中低層垂直運(yùn)動加強(qiáng)，逆溫層消失，地面氣象要素出現(xiàn)明顯差異，對霧霾的消散有指示意義。由于承德市出現(xiàn)持續(xù)霧霾天氣很少，在霧霾預(yù)報(bào)相關(guān)方面經(jīng)驗(yàn)不足，對于適用本地霧霾的預(yù)報(bào)指標(biāo)，還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]王叢梅，楊永勝，李永占，等.2013年1月河北省中南部嚴(yán)重污染的氣象條件及成因分析[J].環(huán)境科學(xué)研究，2013（7）：695-702.

[2]袁慧敏.2014年2月23—26日呼包鄂地區(qū)霧霾天氣過程分析[J].內(nèi)蒙古氣象，2016（1）：6-11.

（責(zé)任編輯：劉昀）endprint