錦州市一次持續性霧－霾過程轉化影響因子研究

婁芳蕾　溫舟　史虹婷　白雪　張翠艷　楊桂娟

摘要：利用常規氣象資料、污染物監測資料以及高空氣象探空資料對2016年12月17—22日在遼寧省錦州市出現的一次持續性霧-霾天氣過程的高低空環流形勢、地面氣象資料特征、空氣污染物濃度以及大氣邊界層穩定度進行了分析，以期揭示該次霧-霾過程的轉化機理。結果表明，高空緯向型環流配合地面均壓場是形成霧-霾天氣的先決條件。相對濕度變化是霧-霾天氣轉化條件，當空氣未達到飽和時，隨著濕度增長，污染物吸濕增長，霾過程加劇;空氣飽和時，污染物粒子活化形成霧滴，完成霾轉化為霧的過程。近地面風速小、較強的逆溫層是霧-霾天氣的維持因素，混合層厚度與污染物濃度呈負相關，混合層厚度越小，污染物濃度越高，能見度越差;能見度變化和污染物濃度變化都滯后于混合層厚度變化，并且霾發生時混合層厚度大于霧發生時混合層厚度。通過分析V-3θ圖中的滾流效應可知，霧轉化為霾時，逆滾流轉變為順滾流。

關鍵詞：霧-霾;混合層厚度;V-3θ圖;羅氏法;國標法;錦州市

中圖分類號：P426.4;P427.2? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）11-0047-09

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.11.012? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on phase characteristics of a persistent fog and haze process

and its influencing factors in Jinzhou city

LOU Fang-lei，WEN Zhou，SHI Hong-ting，BAI Xue，ZHANG Cui-yan，YANG Gui-juan

（Jinzhou Meteorological Bureau，Jinzhou 121000，Liaoning，China）

Abstract： To reveal the transformation mechanism of fog and haze process， the level of air circulation， meteorological elements， concentrations of air contaminants and characteristics of atmospheric boundary layer of a persistent fog and haze process in Jinzhou city of Liaoning province from December 17 to 22， 2016， were analyzed using the conventional meteorological observation data， pollution monitoring data and the sounding data. The results indicate that zonal circulation situation and the steady boundary layer are favorable for haze to occur in terms of circulation features. The change of relative humidity is the transformation condition of fog-haze weather. When the air is not saturated， with the growth of humidity， pollutants increases， and the haze process intensifies; when the air is saturated， pollutant particles are activated to form fog droplets， completing the process of haze transformation into fog. A strong inversion layer and the stable atmosphere keep the haze. Thickness of mixed layer is a negative correlation with pollutant concentrations， the thinner the thickness of mixed layer is， the higher the pollutant concentrations are， and the visibility will be worse. At the same time， the change of the visibility and pollutant concentrations lagged behind the thickness of the mixed layer， and the thickness of the mixed layer of haze was larger than the fog was generated. By analyzing the tumble effect in the V-3θ diagram， anti-clockwise turns into clockwise when fog turns into haze.

Key words： fog and haze; the thickness of mixed layer; V-3θ diagram; Nozaki method; national standard method; Jinzhou city

霾也稱為灰霾，是指懸浮在大氣中大量微小塵粒、煙粒或鹽粒的集合體，使得空氣混濁，水平能見度降到10 km以下的一種天氣現象[1，2]。當空氣中的凝結核增長時，水汽進一步凝結，這樣霾就會演變成霧。而霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的小凝結物，常呈乳白色，使水平能見度小于1 km的天氣現象[3]。隨著社會經濟的發展與進步，人口的不斷增長以及社會流動產生大量的顆粒物使得低能見度天氣頻繁發生。汽車尾氣、工業耗能、垃圾以及秸稈的燃燒等排放的二氧化硫、氮氧化物以及可吸入顆粒物是造成霧-霾天氣的主要組成部分，給人體健康、交通出行、大氣環境都帶來不良的影響。京津冀地區、長三角地區、四川盆地以及華中地區是中國霧-霾天氣頻發地區，但東北地區在近年來也出現嚴重的霧-霾天氣并有上升趨勢。東北地區霧-霾成因與中東部地區有所不同，東北地區地處平原區，氣候、地形條件良好，但受城市小氣候變化與大氣污染物排放量增加等因素的共同影響，仍出現長時間霧-霾天氣[4]。

許多學者也對霧-霾天氣污染源、形成機制、轉換因素等進行了分析。吳兌[5]探討了各地對霾觀測標準不統一的情況，認為相對濕度小于80%時的大氣混濁視野模糊導致的能見度惡化是由霾造成的;相對濕度大于90%是由霧造成的;相對濕度在80%～90%是霧和霾的混合物。劉麗偉等[6]運用了HYSPLIT模式追蹤京津冀地區霧-霾天氣氣團過去72 h經過的路徑，分析出霧-霾天氣過程形成的污染因素。王揚鋒等[7]運用幾種常見的曲線方程分別對能見度與顆粒物進行擬合，選取擬合效果最佳的曲線方程，從而找到能見度變化與顆粒物之間的關系。孟曉艷等[8]在研究霧-霾頻發成因中運用了溫差-風速法，計算了大氣穩定度，結果表明地面風速小、相對濕度高、大氣層結穩定是霧-霾頻發的一種重要因素。朱佳雷等[9]、唐宜西等[10]分別對江蘇省和北京市霧-霾天氣特征以及氣象要素特征進行了分析。齊少群等[11]表示農業秸稈焚燒所釋放的氣體和顆粒物是中國東北地區秋季霧-霾災害周期性集中暴發的重要原因。邢江月等[12]對遼寧省境內能見度小于1 000 m霧的時空分布特征進行了分析，總結得出大霧發生的高值區為黃海北部沿岸至遼寧東部山區一帶和錦州-盤錦-阜新一帶，而霾的高發區為沈陽市及其附近地區以及錦州市及其附近地區。錦州市則成為霧-霾兩者公共的高發區。

錦州市處于遼寧省西部且臨近渤海，一方面當受偏南風影響時，由于海陸熱力作用容易出現大霧天氣;另一方面由于附近地形要素影響污染物擴散以及每年進入冬季的取暖期，容易出現霾。因此，研究錦州市霧-霾特征以及其規律對霧-霾的防御有一定的幫助。本研究選取2016年12月17—22日錦州市出現持續性霧-霾天氣過程，對其高低空環流形勢、地面氣象資料特征、空氣污染物濃度以及大氣邊界層穩定度進行分析，同時利用濕度條件以及V-3θ圖中的滾流效應，探討霧和霾之間相互轉化的機理，以期為錦州市霧霾天氣的預報提供一定的依據。

1? 資料與方法

1.1? 資料選取

數據選取了2016年12月17—22日錦州氣象站逐小時的地面觀測資料、MICAPS數據和取自于錦州市高空中每天2次（8：00和20：00）的探空資料。污染物的逐小時濃度數據和空氣質量指數來自錦州市環保監測站5個站點，分別為南山、開發區、百股街道、天安街道、北湖公園。

1.2? 方法介紹

羅氏法是一種用地面氣象資料估算混合層厚度的方法。該方法認為大氣混合層是由熱力和機械湍流共同作用的結果，且邊界層上部大氣運動狀況與地面氣象參數間有一定的聯系[13]。具體公式：

L=（6-P）（t-td）+

由于地面觀測資料里面沒有溫度露點差值，所以用相對濕度表示溫度露點差。

u==10lgu=-

整理得：

L=-+

式中，L為混合層厚度;P為帕斯奎爾穩定度級別，分為A至F，值為1～6;Uz為Z厚度處所觀測的平均風速;Z0為地面粗糙度，根據不同區域地面的平坦粗糙情況及城市大小來取值， 在鄉村取0.03～0.20 m，在市區取0.8～2.0 m;f為地轉參數;a、b為水汽壓參數，取a=7.5、b=237.3;u為相對濕度;t為地面氣溫;td為露點溫度。其中，P由國標法計算。

根據國標法[14]，首先計算出觀測時刻的太陽高度角h0。

h0=arcsin[sinφsinδ+cosφcosδcos（15T+λ-300）]

式中，φ為觀測點的緯度，λ為觀測點的經度，T為觀測進行時的北京時間，δ為太陽赤緯。

δ=0.372 3-0.758cos？茲0+23.256 7sin？茲0+0.365 6

cos2？茲0+0.114 9sin2？茲0+0.020 1cos3？茲0-0.171 2sin3？茲0

式中？茲0=2πT/365.242 2

T=N-{79.676 4+0.242 2×（年份-1958）-int[（年份-1958）/4]}

式中，N為一年中日期序數，依次為0，1，2，…，364。

然后根據表1、表2確定大氣穩定度等級。

按照《霾的觀測和預報等級》（QX/T 113-2010），劃分霧和霾的標準是：排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現象造成的視程障礙，能見度小于10 km，空氣相對濕度≥95%的天氣現象判別為霧;能見度小于10 km，相對濕度小于80%的判識為霾;能見度小于10 km，相對濕度80%～95%時，若PM2.5質量濃度大于75 μg/m3則定義為霾，若PM2.5質量濃度不大于75 μg/m3則定義為霧[15]。

2? 結果與分析

2.1? 霧-霾過程介紹

2016年12月17—22日，錦州市出現入冬以來首次持續性霧-霾天氣，17日午后至夜間錦州市出現輕度霾，隨后出現輕霧逐漸增強到濃霧，18日白天轉為重度霾，污染達到最強，至19日夜間以中度霾為主，20日凌晨出現輕霧并伴有微量降雪，于白天轉為輕度到中度霾，21日轉為輕度霾，整個過程趨于結束，此次過程出現了多次霧-霾相互轉化的情況（表3）。

參考《國家環境空氣質量標準（GB 3095-2012）》，根據錦州市環境監測站提供的資料，統計此次霧-霾過程的空氣質量指數、空氣質量類別。從表4可以看出，整個過程中空氣質量指數（AQI）均大于100，其中17日、20日、21日為中度污染，19日為重度污染，18日空氣質量最差，AQI值為313，達到嚴重污染。21日錦州地區空氣質量指數減小，22日空氣質量為優，此次污染過程結束。

分析能見度（圖1）可以看出，從17日21：00開始能見度小于1 km，并持續到18日10：00（過程1），能見度最小出現在17日23：00，為352 m，第二次能見度波谷出現在20日1：00—13：00（過程2），但能見度略偏高于過程1。對應時間段的污染物濃度也是霧-霾過程的峰值，兩個過程中PM10的濃度超過400 μg/m3，過程1中PM10與PM2.5濃度約是17日白天的3倍，但過程2約是19日白天的2倍;18日13：00至19日15：00，能見度有所好轉的時段內，污染物濃度有所下降，但還是處于嚴重污染，并且污染物濃度的波峰滯后于能見度的波谷。由此可見，污染物濃度加劇是導致霧-霾天氣能見度下降原因之一。污染物濃度突然增加一方面是由于氣溶膠數密度增加，另一方面可能是由于氣溶膠吸濕增長造成的質量增加[16]。過程1中，污染物濃度突然加劇但相對濕度變化不大，說明由于外來污染物向錦州市輸送導致的。過程2中19日23：00由于有弱冷空氣南下給錦州市區帶來微量降雪，相對濕度增加30%，因此該階段污染物劇增是與本地污染物吸濕增長有關。NO2和SO2的濃度比PM10和PM2.5偏小，NO2濃度峰值一般在8：00—9：00以及17：00—20：00，可能與上下班交通工具排放污染物有關。

2.2? 霧-霾天氣過程分析

2.2.1? 環流形勢分析? 霧-霾形成初期，500 hPa天氣圖（圖略）上遼寧省位于平直的西風帶中，不斷有淺槽東移，但形勢穩定沒有明顯的平流。此時近地面風速較小伴有較強逆溫，隨后錦州市開始出現輕霧天氣，隨著濕度加劇，在夜間形成大霧天氣。19日8：00遼寧地區出現短波槽，但快速東移。隨后20日夜間開始受高壓脊影響以及偏北氣流控制，風速加大，使得污染物擴散條件轉好，此次過程趨于結束。

由17日20：00地面環流形勢（圖2a）可知，錦州市處于均壓場，地面受偏南風控制，偏南風給錦州市帶來充足的水汽。18日5：00（圖2b）錦州市西北部的高壓系統緩慢東移，轉為弱偏北風控制，使得錦州市本地濕度減小;8：00低壓系統南移至錦州市，使其受弱低壓場控制，并且地面風場有輻合線，同時由于地形影響因素，污染物在錦州市匯聚，使得18日污染程度達到最嚴重階段。19日20：00（圖2c）錦州市處于高壓前部，配合高空槽出現短暫的降雪過程，但是降雪并沒有有效清除污染物。隨后錦州市一直受均壓場控制，以輕度到中度霾為主。21日8：00（圖2d）冷高壓系統南下侵入錦州市，在偏北風的作用下，污染物得到有效清除，此次過程結束。

整個過程中，有短波槽過境，弱的波動有利于地面均壓場形成，使得夜間輻射冷卻加強，有利于逆溫層的維持。總之，高空穩定的環流形勢以及地面穩定少動的氣壓場為此次霧-霾過程提供了有利的條件。

2.2.2? 氣象要素分析? 圖3是錦州站能見度與氣壓、相對濕度、風速逐小時變化。其中濕度條件和污染物濃度變化是影響此次過程中能見度的因素。氣壓呈上升趨勢，但是整個過程中氣壓梯度小說明大氣狀態穩定，水平和垂直運動均弱，所以有利于水汽和污染物堆積。21日午后冷空氣南下，氣壓值升高到1 026 hPa，在17日夜間到18日上午能見度均小于1 km，說明了夜間輻射降溫有利于水汽的凝結，促使霧的形成。

水汽條件是霧和霾轉換的關鍵因子。白天籠罩在地形上的霾在夜晚因降溫造成的飽和形成輻射霧[17]。相對濕度的增大有利于懸浮在空氣中的污染物吸濕性增長，當空氣飽和時，霾吸濕轉化為霧。能見度與相對濕度呈負相關。17日夜間開始濕度加大，錦州市出現輕霧并逐漸發展為大霧天氣。18日白天到19日夜間大部分時間相對濕度都小于85%，空氣中飽和度不夠，難以形成霧，所以多以霾為主。

風場是影響霧-霾過程的因素之一，影響著污染物水平輸送與清除。經統計，近幾年影響錦州市霧-霾發生的主要風向是西南風以及東北風，風速與污染物擴散呈正相關。此次霧-霾天氣過程中，地面風速與能見度呈正相關。19日夜間由于遼寧省南部地區低層偏南風氣流作用下使得濕度加大。在整個過程中風速都小于2.5 m/s，并且霾發生時的風速要大于霧發生時的風速。當霧發生時多為偏南風，有利于水汽從海面向陸地輸送，而霾發生時風向則不確定。

2.2.3? 邊界層穩定度

1）逆溫層與混合層厚度。逆溫層對污染物在垂直方向上的稀釋與擴散起到了抑制作用，使得污染物濃度急劇升高，一定程度上導致霾的出現。逆溫層的存在抑制大氣的垂直運動，所以逆溫的存在加重了大氣污染。此次過程選取錦州站的探空資料進行分析。由圖4可知，在污染期間內，錦州市的近地面存在著顯著的逆溫層，且具有連續性。16日20：00近地面已經存在逆溫層，但近地面濕度條件較差，此時大霧還沒形成。17日20：00（圖4a），近地面至? ? 1 000 hPa處濕度條件極好，同時1 000 hPa以上有較強逆溫，此時錦州市開始出現輕霧天氣，隨著夜間濕度增加，霧濃度加強，成為此次過程中霧影響最嚴重階段;18日8：00（圖4b）和20：00（圖4c），逆溫強度也很大，可見，此時污染物已經開始累積，結合圖2解釋了18日出現中度霾污染的原因;19日8：00（圖4d），925 hPa以下濕度較好，但沒有逆溫存在，925 hPa之上存在一定的逆溫，污染物也隨逆溫上升到高空，PM2.5濃度下降，19日20：00（圖4e）1 km以下出現了多次逆溫，1～2 km處也有顯著逆溫，由此可見，近地面垂直運動不劇烈，高空的逆溫使污染物無法垂直擴散，從而加劇污染物堆積。20日是錦州市PM2.5濃度最大的時段，全天以中度到重度霾為主;至21日8：00（圖4f），錦州站逆溫層高度上升，逆溫強度減弱，此時能見度及污染物濃度都開始好轉。

大氣混合層厚度是反映污染物在鉛直方向擴散的重要參數，也是影響大氣污染物擴散的主要氣象因子之一。在不同的氣象條件下，同一個大氣污染源排放的污染物在大氣中的擴散能力是不同的。大氣混合層厚度越大，就越有利于污染物的擴散和稀釋[10]。所以如果能夠計算出錦州市本地霧霾過程中混合層厚度（高度），則可為污染物預報提供依據。根據總云量/低云量、地面風速以及太陽高度角查表1得出17—21日錦州市大氣穩定度的等級如表5所示。

選取2016年12月17—21日錦州觀測站2：00、8：00、14：00、20：00觀測的溫度、相對濕度、10 m風速，計算出混合層厚度并進行分析（圖5）。此過程中混合層厚度出現多次波峰波谷，其變化與污染物濃度變化趨勢一致，從整個過程來看混合層厚度下降，污染物開始堆積，但是在發生霧時候污染物濃度雖有升高但是變化不大，且混合層厚度達到整個過程的最低。當混合層厚度加大，說明垂直湍流加強，利于污染物擴散，污染物濃度下降。結果表明，大霧天氣發生時混合層厚度要小于霾天氣發生時。污染物濃度變化滯后于混合層厚度，是由于混合層厚度減小，導致污染物不能擴散，污染物濃度升高，所以污染物濃度變化要滯后于混合層厚度。

2）歐陽位溫。T-logP圖只能分析出熱力和水汽條件，沒有分析出動力條件，而V-3θ圖反映了大氣能量結構[18]，通過分析滾流效應來判斷霧-霾的轉化。V-3θ圖上大霧特征主要有水汽飽和;存在逆溫層;近地面層逆滾流，抑制對流運動，而霾則是順滾流，有較弱的上升運動。下面就錦州站的V-3θ圖進行分析。2016年12月16日20：00（圖6a），1 000 hPa層以下為逆滾流，并且存在逆溫，但此時空氣并未飽和，僅能預示錦州地區可能出現霧;17日20：00（圖6b），925 hPa以下θ曲線斜率都小于45°，說明該層為逆溫層，同時大氣極為穩定，未貼合地面，與地面有極小的一個高度，為順滾流，有較弱的上升運動，結合此時能見度及污染物情況可以判斷此時空氣中為霧霾混合物，18日8：00（圖6c），1 000 hPa以下為逆滾流，且有極強的逆溫，說明此時空氣中應以霧為主，而在500 hPa處可以發現有冷暖空氣交匯，未來將可能出現中云，中云的出現將會減弱屋頂的輻射冷卻，使霧逐漸減弱，而由于霧的減弱，霾相對會有一定的發展;至18日20：00（圖6d），近地面仍有逆溫，為逆滾流，但1 000～925 hPa層θ曲線向左發生折拐，說明有一定的上升運動，不利于形成霧，對霾的形成較為有利，且925～850 hPa附近仍有較強逆溫，此層為順滾流，對應此時錦州地區污染較重，空氣中主要為霾;至19日8：00（圖6e），700 hPa層向上有向左折拐，說明該層不穩定，同時500 hPa有冷空氣侵入，逆溫層也未貼近地面，未來24 h內可能出現降雪天氣，而此時空氣為此次過程中較好時段;至19日20：00（圖6f），850 hPa以下逆溫極強，且為順滾流，此時污染物濃度也較大，出現較嚴重的霾;至20日20：00（圖6g）850 hPa以下仍為逆溫，順滾流，但逆溫層未貼近地面，霾仍然存在，同時300 hPa附近出現超低溫層，預示未來將有冷空氣，霧霾天氣可能減弱;至21日8：00（圖6h），地面風速加大，θ曲線高空有多處向左折拐，大氣開始不穩定，霧霾天氣趨近結束。

3? 結論與展望

本研究利用常規氣象資料、污染物監測資料以及高空氣象探空資料對2016年12月17—22日錦州市出現一次持續性霧-霾天氣過程的高低空環流形勢、地面氣象資料特征、空氣污染物濃度以及大氣邊界層穩定度進行分析，得出以下結論：

1）緯向型配合地面鞍型場形成此次為期5 d的霧-霾過程，氣壓梯度小，風速小，使得污染物不能擴散，在錦州市聚集。污染物濃度和相對濕度的變化是決定能見度大小的關鍵因子，當相對濕度小于90%時，PM2.5濃度對能見度影響強于相對濕度;隨著濕度增大，能見度降低，相對濕度對能見度的影響力加強，在霧-霾消散中，兩者的作用相同。

2）逆溫層的存在使污染物擴散起到了抑制作用，加重了大氣污染。同時分析V-3θ圖中滾流效應得出霧發生時有逆滾流效應，霾發生時有順滾流效應。

3）利用國標法確定大氣穩定度分類，穩定度類別對混合層厚度影響較大，是決定混合層厚度的最主要因子，再根據羅氏法計算出大氣邊界層內混合層厚度，分析出能見度和PM2.5濃度變化滯后于混合層厚度變化，在此次過程中發生霧-霾時大氣層結處于穩定狀態，大氣湍流得不到發展，湍流能達到的高度愈低，混合層厚度就愈低，此時污染物不容易擴散只能在大氣下層堆積，形成高濃度，造成危害。并且發生霾時厚度小于發生霧時厚度。

4）整個過程中污染物濃度出現兩次暴發過程，過程1中污染物加劇是由于偏南風將污染物向錦州市輸送，過程2中由于過程1的污染物沒有消除，并且還因本地鍋爐排放的污染物快速吸濕而加劇了污染物濃度。

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