臨沂地區(qū)秋季一次重霾天氣的特征分析

胡順起，王玉亮，朱義青

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.山東省臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004）

城市霾天氣過程近幾年已演變成重要的城市氣象災(zāi)害，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，霾天氣頻繁發(fā)生對城市的交通安全、居民健康、大氣環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來日益顯著的影響。近幾年由于我國霾天氣頻繁發(fā)生，社會公眾對城市霾天氣的關(guān)注度越來越高。然而，城市持續(xù)性霾天氣的形成機(jī)理復(fù)雜，目前對其形成機(jī)制認(rèn)識尚未完全明白。一方面，霾的形成與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件和局地氣溶膠條件密切相關(guān)[1-2]。另一方面，霾的產(chǎn)生與維持也受邊界層結(jié)構(gòu)的影響[3-4]。我國的學(xué)者已經(jīng)對許多大城市霾天氣的氣候特征、化學(xué)成分及其影響做了較為深入的研究[5-6]。劉麗麗等[7]對天津冬季重霾污染過程及氣象和邊界層特征進(jìn)行分析，指出環(huán)繞天津的河北中部和西南部地區(qū)對天津重污染有顯著貢獻(xiàn)。黃鸝鳴等[8]對南京市空氣中顆粒物中PM10和PM2.5的污染水平進(jìn)行了系統(tǒng)研究。劉偉東等[9-11]對重污染天氣氣溶膠分布和傳輸特征進(jìn)行研究，指出局地污染物積累和外界污染輸送是造成重污染天氣的主要原因。這些研究成果提高了人們對霾的物理化學(xué)特征、變化趨勢及其產(chǎn)生天氣條件的認(rèn)識。

臨沂地區(qū)位于魯中山區(qū)南部，近年來由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的快速發(fā)展，這一地區(qū)頻繁發(fā)生的大氣污染事件已經(jīng)引起政府和公眾的廣泛關(guān)注。據(jù)臨沂市環(huán)保局對臨沂市霾天氣污染物觀測分析發(fā)現(xiàn)，臨沂地區(qū)的首要污染物為PM2.5，但是目前對于臨沂地區(qū)首要污染物PM2.5變化特征的分析卻鮮見報道，目前尚無對臨沂地區(qū)霾污染下的天氣特征和機(jī)理進(jìn)行過分析。因此，本文選取2013年10月26—29日臨沂地區(qū)出現(xiàn)的一次持續(xù)性重霾天氣為研究對象，結(jié)合氣象條件，來分析霾天氣時臨沂地區(qū)上空的PM2.5分布及變化規(guī)律，以期為更好地理解此類持續(xù)性霾天氣過程的特征和形成機(jī)制提供依據(jù)，并對整個時間段內(nèi)臨沂地區(qū)空氣質(zhì)量的變化特征進(jìn)行探討，進(jìn)一步得到此次污染過程的形成機(jī)制，為臨沂地區(qū)霾污染的控制提供依據(jù)。

1　資料和方法

為便于討論，根據(jù)中國氣象局制定的《霾的觀測與預(yù)報等級》（2010）中霧霾的定義，確定霧和霾的界定標(biāo)準(zhǔn)是：在排除降水、吹雪、雪暴、揚沙、沙塵暴、浮塵、煙幕等天氣現(xiàn)象造成視程障礙后，對于日均氣象能見度＜10 km，日均相對濕度＜80%的定義為霾。

文中氣象要素資料來自常規(guī)觀測資料；GDAS是Global Data Assimilation System的簡稱，是由美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）利用由美國國家海洋大氣管理局（NOAA）提供的氣象參數(shù)計算得到全球參考蒸散。GDAS數(shù)據(jù)集中的大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)是目前使用最廣的用于陸面模式模擬地表水熱參數(shù)的輸入數(shù)據(jù)集，現(xiàn)階段多數(shù)研究者以此為依據(jù)進(jìn)行陸面過程的模擬分析；污染物濃度數(shù)據(jù)來自臨沂市環(huán)境監(jiān)測站資料，臨沂市環(huán)保局在臨沂市區(qū)布設(shè)8個環(huán)境監(jiān)測站，其分布見圖1，其中新光毛紡廠觀測站地處臨沂市西南郊羅莊區(qū)內(nèi)，是臨沂市的主要工業(yè)區(qū)聚集地。魯南制藥廠觀測站位于臨沂市主城區(qū)西部，代表典型的城市環(huán)境。南坊新區(qū)觀測站位于臨沂市北部，為新建的城區(qū)，人口較少，受城市內(nèi)環(huán)境影響較小。PM2.5濃度值取環(huán)境監(jiān)測站整點過去1 h濃度均值（取整數(shù)）。

圖1　臨沂地區(qū)空氣質(zhì)量觀測站點分布

2　污染天氣過程分析

2.1　污染過程概況

2013年10月26—29日山東省大部地區(qū)經(jīng)歷了一次霾污染天氣過程（圖2a），其中德州大部，濟(jì)南、淄博、臨沂和青島西部等地出現(xiàn)能見度＜2 km的霾，由于魯東南地區(qū)山脈阻擋使得大氣污染物堆積，臨沂地區(qū)甚至出現(xiàn)能見度＜1 km的重度霾。臨沂全市AQI值均超過300 μg·m-3的污染限值，首要污染物為PM2.5。從24日開始，空氣質(zhì)量指數(shù)呈快速上升的趨勢（圖2b），到25日臨沂市的AQI值已達(dá)到138 μg·m-3，為Ⅲ級輕度污染級別。26日，臨沂AQI指數(shù)飆升至346 μg·m-3，為Ⅵ級嚴(yán)重污染級別，至此臨沂全市處于污染濃度極高的灰霾之中，霾最嚴(yán)重的29日AQI值達(dá)到462 μg·m-3，隨著30日白天全市出現(xiàn)一次弱降水過程，全市的污染指數(shù)開始下降，至30日夜間基本結(jié)束污染過程。

2.2　臨沂市工業(yè)區(qū)、城市和郊區(qū)污染物特征的對比分析

圖2b為PM2.5小時平均濃度均值隨時間的演變，由圖可見，霾天氣過程中工業(yè)區(qū)、城市和郊區(qū)三地的首要污染物PM2.5濃度變化趨勢總體一致，峰值出現(xiàn)的時間也基本一致，PM2.5濃度工業(yè)區(qū)大于城區(qū)，城區(qū)大于郊區(qū)，污染最嚴(yán)重時工業(yè)區(qū)、城市和郊區(qū)小時PM2.5濃度均值分別為365，344，284 μg·m-3。PM2.5濃度峰值出現(xiàn)的時間都在夜間，主要是夜間邊界層高度較白天低，不利于污染物的擴(kuò)散，而工業(yè)區(qū)大量污染物的排放及城區(qū)的熱島環(huán)流效應(yīng)進(jìn)一步導(dǎo)致污染物的積聚，因此會出現(xiàn)工業(yè)區(qū)比城區(qū)PM2.5濃度高，城區(qū)比郊區(qū)PM2.5濃度高的現(xiàn)象。

圖2　2013年10月28日20時山東省能見度分布（a）和2013年10月24日—30日空氣質(zhì)量指數(shù)及南坊新區(qū)、魯南制藥和新光毛紡廠觀測站PM2.5小時濃度均值對比（b）

3　氣象條件特征分析

3.1　環(huán)流形勢分析

2013年10月24日08時（北京時，下同），500、700、850 hPa天氣形勢圖上，東北地區(qū)有東北冷渦向東偏北方向移動，貝加爾湖（以下簡稱貝湖）東部為高壓脊控制，山東地區(qū)受西北氣流控制；26日08時東北冷渦減弱東北移至俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)，貝湖東側(cè)高壓脊減弱東移，脊后有小槽東移加深；26—28日中緯度地區(qū)處于貝湖南部的偏西氣流中，38°N以南為平直的西風(fēng)環(huán)流，臨沂處于38°N以南的西風(fēng)環(huán)流中；28日20時（圖3a）中支槽東移南壓，山東大部位于槽前偏西氣流中；29日20時中支槽繼續(xù)加強(qiáng)東移，臨沂處于槽前的西南氣流中。

850 hPa天氣形勢上看到，24日08時—25日20時臨沂受高壓脊中西北氣流控制，并有冷槽配合；26日08時—29日20時處于貝湖東南部低槽底部的西南氣流中；臨沂處于暖脊中，說明對流層低層為暖性的西南氣流；30日江蘇北部有切變線生成，臨沂處于切變線的北側(cè)。

圖3　2013年10月28日20時（a）500 hPa形勢場和850 hPa溫度場、風(fēng)場；（b）海平面氣壓場和風(fēng)場

從24日08時至30日20時逐日地面形勢圖上可以看到，24日08時—26日08時臨沂處于40°N附近的高壓中心與東南沿海24°N附近低壓中心之間；26日08時海上低壓中心減弱消失，40°N附近的高壓中心減弱并逐漸南壓控制臨沂地區(qū)，同時高壓較弱，周邊氣壓場分布比較稀疏；28日20時（圖3b）山東大部處于弱的均壓場內(nèi)；29日20時北部有冷高壓南壓，地面風(fēng)力較大并在30日下午開始出現(xiàn)弱降水。

3.2　地面能見度分析

能見度的降低是霾天氣出現(xiàn)的最主要特征之一[12]。2013年12月25日夜間至30日清晨，臨沂地區(qū)能見度一直維持在10 km以下，整個霾天氣持續(xù)了4 d，尤其1 km以下的低能見度階段從28日夜間一直持續(xù)到29日早晨累計時間超過8 h。為了更好地理解PM2.5濃度在不同時段與能見度的關(guān)系，圖4分別給出了PM2.5濃度在各階段與能見度的散點分布，其中PM2.5濃度來自魯南制藥觀測站，能見度是來自魯南制藥觀測站周圍4個地面氣象觀測站數(shù)據(jù)的平均值，可以清楚地看到，本次過程期間能見度與PM2.5保持著較好的反相位變化關(guān)系。PM2.5濃度整體是晚上大于白天的變化特點，并基本保持在100 μg·m-3以上。

圖4　2013年10月26日0時—30日6時（世界時）魯南制藥觀測站附近能見度與PM2.5濃度觀測值相關(guān)性

3.3　地面溫度、相對濕度分析

結(jié)合地面溫度、地面相對濕度和PM2.5的濃度演變表明（圖5），PM2.5的濃度與地面溫度保持較好的反相位變化關(guān)系，而與地面相對濕度則保持正相位變化關(guān)系。在本次霾持續(xù)過程中，地面相對濕度一直保持在50%以下，體現(xiàn)出典型的霾天氣特征。地面相對濕度夜間大于白天，中午及午后地面溫度升高，相對濕度變小。在28日夜間到29日清晨霾最嚴(yán)重時期，地面相對濕度維持在40%以下，并一直維持較低的地面溫度。30日下午弱降水過程引起空氣濕度上升，結(jié)束此次霾污染過程。低濕度的環(huán)境不利于氣溶膠顆粒的沉降，從而大量干塵粒浮游在近地面，導(dǎo)致嚴(yán)重的持續(xù)性霾天氣。

圖5　2013年10月26日0時—30日06時（世界時）魯南制藥觀測站附近地面溫度、相對濕度與PM2.5濃度觀測值相關(guān)性

3.4　地面風(fēng)場分析

圖6給出了26日08時—30日14時魯南制藥觀測站附近地面風(fēng)速與PM2.5濃度的相關(guān)性分析，在霾發(fā)展期間，PM2.5濃度逐步升高并出現(xiàn)峰值的時間段內(nèi)，地面平均風(fēng)速基本都保持在≤1.6 m·s-1，屬于典型靜小風(fēng)條件，風(fēng)速這一變化特征為本次霾天氣過程的持續(xù)穩(wěn)定提供有利條件。從表1中可以看出，霾發(fā)生期間地面的主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)或西南風(fēng)，風(fēng)力一般在1級左右或以下，很多時次存在靜風(fēng)。氣象條件中，靜小風(fēng)是造成污染物高濃度的最重要條件之一，近地面的風(fēng)向風(fēng)速決定污染物水平擴(kuò)散能力，當(dāng)風(fēng)速較小時，不利于污染物水平輸送，易造成局部地區(qū)污染物濃度顯著提高，為霾發(fā)生提供有利條件。

圖6　2013年10月26日0時—30日06時（世界時）魯南制藥觀測站附近小時平均風(fēng)速與PM2.5濃度觀測值相關(guān)性

綜合地面各要素的時間演變特征表明，較低的地面濕度和較小的地面風(fēng)速是本次持續(xù)性霾天氣過程產(chǎn)生和持續(xù)的重要原因。

表1　2013年10月26—29日魯南制藥附近自動站平均地面風(fēng)頻統(tǒng)計

同時，我們可以清楚的看到，從工業(yè)區(qū)、城區(qū)到郊區(qū)的PM2.5濃度呈下降趨勢（圖2b）。從工業(yè)區(qū)、城區(qū)和郊區(qū)觀測站的位置可以看到（圖1），工業(yè)區(qū)觀測站位于城區(qū)南部，郊區(qū)觀測站位于城區(qū)北部，當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)或西南風(fēng)時，城區(qū)及郊區(qū)PM2.5濃度顯著上升，說明市區(qū)污染物主要來自市區(qū)南部工業(yè)區(qū)污染物隨南風(fēng)或西南風(fēng)向城區(qū)的擴(kuò)散。

3.5　大氣層結(jié)分析

邊界層逆溫是霾天氣的一個重要特征，逆溫層的形成增加了邊界層的大氣穩(wěn)定度，為霾的形成與發(fā)展提供重要的邊界層條件[13-16]。圖7為臨沂附近的徐州探空站25日08時至30日20時溫度廓線圖，結(jié)合圖4與圖7可見，在整個霾過程中，能見度與逆溫層具有良好的對應(yīng)關(guān)系。在霾較嚴(yán)重的10月28日和29日，在08時出現(xiàn)貼地逆溫層，此時的逆溫層頂較高，對應(yīng)能見度為每日的最低值，對應(yīng)的PM2.5濃度為每日的最大值。在每日的中午前后，受太陽輻射對地表增溫影響，貼地逆溫消失或減弱抬升為不貼地逆溫層，此時對應(yīng)的能見度為每日的最大值，而PM2.5濃度則為每日的最小值。貼地逆溫的形成與上下層氣溫下降速率不同有關(guān)[17]。在夜里，地表長波輻射冷卻使地表氣溫下降速率較快、降溫幅度較大，因此貼地逆溫往往在夜間形成，夜間隨著輻射降溫效應(yīng)的加強(qiáng)，近地面層逆溫逐漸發(fā)展抬升形成深厚的貼地逆溫層，并持續(xù)到次日凌晨，此時能見度降至當(dāng)日最低水平。由于貼地逆溫層的形成，大氣層結(jié)極為穩(wěn)定，減弱大氣的湍流交換和熱力對流，阻礙污染物向上擴(kuò)散稀釋，導(dǎo)致污染物在低空不斷積累，造成污染濃度的持續(xù)升高。

4　空氣污染物來源

圖7　2013年10月25日—30日徐州站溫度廓線

圖8　2013年10月29日00時（世界時）到達(dá)臨沂空氣污染物的48 h后向軌跡模擬（a）和2013年10月27日08時地面流場（b）

為分析污染輸送對臨沂的影響，進(jìn)一步分析臨沂市區(qū)南部的工業(yè)區(qū)對加重市區(qū)霾的貢獻(xiàn)。以臨沂市區(qū)為起點，利用NOAA HYSPLIT模型和GDAS數(shù)據(jù)做300、600和1000 m高度72 h后向軌跡（圖8a）。分析發(fā)現(xiàn)，29日影響臨沂的空氣污染物來源可以從600 m高度追溯到48 h前的杭州。杭州本地的AQI 26日為131 μg·m-3，27日上升至186 μg·m-3。與圖8b對比可以看出，27日在浙江地區(qū)工業(yè)排放的空氣污染物通過平流向北輸送，經(jīng)過安徽、江蘇部分地區(qū)由于秸稈焚燒使得空氣中顆粒物進(jìn)一步增多，導(dǎo)致臨沂市在29日空氣質(zhì)量顯著惡化，PM2.5濃度陡升至最大。通過平流輸送，市區(qū)南部的工業(yè)區(qū)污染物亦向北輸送，這也加重了市區(qū)空氣污染。

5　霧霾天氣影響對策淺探

影響霧霾最主要的因素是污染排放和氣象條件兩個方面[16-17]，空氣中污染物積聚，就有可能形成霧霾，但是如果氣象條件適合污染物擴(kuò)散，就不會形成霧霾天氣。山東南部及蘇皖北部是一個大范圍的重污染區(qū)，依據(jù)霧霾天氣強(qiáng)區(qū)域性和大氣流動性，應(yīng)該立足整體統(tǒng)一規(guī)劃，綜合運用多種防治措施，進(jìn)行有效的區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控使其達(dá)到最佳效果。

污染物的聚集、稀釋及擴(kuò)散受氣象條件制約。嚴(yán)格控制污染物的排放才是治理霧霾天氣的根本措施，而對應(yīng)處于魯南地區(qū)的臨沂市自身來說，應(yīng)加快調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)，關(guān)閉落后產(chǎn)能的小企業(yè)、加強(qiáng)揚塵治理、加強(qiáng)對高污染高能耗的企業(yè)技術(shù)改造等，從源頭上減少污染的排放，并充分利用大氣本身的自凈能力，發(fā)揮氣象在大氣污染治理中的作用。由于環(huán)境的污染是在一定的天氣背景下產(chǎn)生的，氣象部門應(yīng)加強(qiáng)對不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件研究，找出不利于污染物擴(kuò)散、稀釋的氣象指標(biāo)，建立適合臨沂市特點的預(yù)警預(yù)報方法，針對即將發(fā)生的重污染天氣過程要做到早預(yù)報、早預(yù)警，為空氣污染治理提供依據(jù)。同時及時開展人影增雨（雪）作業(yè)，充分利用大氣的自凈能力來改善環(huán)境質(zhì)量。

6　結(jié)論

對2013年10月26—29日臨沂地區(qū)一次秋季持續(xù)性重霾過程的氣象因素、氣溶膠、邊界層演變特征進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)：

（1）本次持續(xù)性霾天氣過程中，由于魯東南地區(qū)山脈阻擋使得大氣污染物堆積，臨沂地區(qū)PM2.5污染最為嚴(yán)重，大氣中PM2.5的平均濃度工業(yè)區(qū)＞城區(qū)＞郊區(qū)，污染最嚴(yán)重時分別為365、344、284 μg·m-3。

（2）在霾發(fā)展期間，地面平均風(fēng)速基本都保持在≤1.6 m·s-1，地面相對濕度一直保持在50%以下，為本次霾天氣過程的形成和發(fā)展提供有利條件。當(dāng)臨沂地區(qū)以南風(fēng)為主時（風(fēng)力一般在1級左右或以下）市區(qū)霾天氣加重，說明市區(qū)污染物主要來自市區(qū)南部工業(yè)區(qū)污染物隨南風(fēng)或西南風(fēng)向城區(qū)的擴(kuò)散。上游空氣污染具有平流輸送特征，來自浙江地區(qū)的PM2.5輸送導(dǎo)致臨沂地區(qū)的AQI升高。

（3）1000 hPa附近貼地逆溫層的形成，有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定，并減弱大氣的湍流交換、熱力對流和阻礙污染物向上擴(kuò)散稀釋，使得污染物在低空不斷積累，最終造成污染濃度的持續(xù)升高。

7　討論

霾從過去的局地天氣現(xiàn)象，發(fā)展為具有區(qū)域性特征的天氣現(xiàn)象，排入大氣中的污染物主要來源于自然排放和人類活動排放。在不同的氣象條件下，同一污染物排放所造成的地面污染物濃度差別很大，這是由于大氣對污染物的稀釋擴(kuò)散能力隨氣象條件的不同而發(fā)生巨大變化。因此，研究氣象因子對霾天氣的影響，進(jìn)而科學(xué)、有效的預(yù)測和動態(tài)調(diào)控污染物排放以治理霾天氣，是十分重要的研究課題。目前，雖然許多學(xué)者對各種氣象因子對空氣質(zhì)量的影響做了大量研究，但是，目前霾天氣與氣象條件的關(guān)系仍缺乏系統(tǒng)的研究。同時，濕度增加對氣溶膠消光系數(shù)的增加起到推動作用，霾吸濕后會使能見度更加惡化，而整個過程的細(xì)節(jié)目前尚未知曉。本文僅對一次發(fā)生在臨沂地區(qū)的重霾天氣過程進(jìn)行分析研究，雖然結(jié)果的普遍性仍需更多的個例來進(jìn)一步證實，但在對霾污染與氣象要素的關(guān)系方面進(jìn)行分析并得到一些初步結(jié)果，這也為本地化的霾防治提供參考和依據(jù)。今后，要利用臨沂地區(qū)多年的氣象觀測資料對臨沂地區(qū)的霾天氣氣候特征及成因進(jìn)行分析，從而得到臨沂地區(qū)霾的天氣特征。地方政府應(yīng)加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，控制企業(yè)的污染物排放，才是治理霧霾的根本辦法。