濮陽一次持續性霧霾天氣的階段性特征和維持機制

李改琴，唐 影，王 聰，杜麗婭，謝瓊娜

(濮陽市氣象局，河南 濮陽 457000)

引 言

隨著我國城市化進程的加快和工業的快速發展，我國主要城市的霧、霾天氣已經不完全是自然現象。氣溶膠污染日趨嚴重，已成為霧、霾天氣發生頻率增大的主因[1]。多地持續性的霧霾天氣造成的空氣嚴重污染，已經成為政府和公眾關注的焦點。特別是華北秋冬季不斷出現的連片長時間霧和霾，導致人們呼吸道疾病劇增，重大交通事故頻發，航班大面積延誤，城市形象受損。近幾年，針對霧霾天氣的傳播與擴展機制研究已廣泛開展[2-4]。已有研究指出，華北平原連續性大霧有漸發性、穩定性等特點[5]，霧霾是大氣邊界層湍流運動及大氣污染等復雜過程的綜合結果[6]。穩定的大氣環流背景場是霧、霾長時間維持的基礎[7-9]，水汽條件與邊界層逆溫是低能見度過程形成的必要條件[10-12]。霧、霾過程中，氣象要素的變化特征與污染物濃度有著密切的關系。曹偉華等[13]指出，相對濕度和PM2.5濃度是決定能見度大小的2個關鍵因子。張建忠等[14]對2014年京津冀4次重污染過程與氣象要素進行分析后指出：相對濕度持續高于60%是出現重度污染并維持的重要指標,平均風速小于2.0 m/s是污染物堆積的重要條件。

以上研究多側重于對霧霾過程的大氣環流特點、邊界層特征及與氣象要素的關系，針對長時間不同階段污染過程中霧霾形成的氣象條件、污染物特點的差異研究較少。2018年11月23日至12月3日，華北平原出現了長時間的霧霾天氣，是當年秋、冬季以來覆蓋范圍最廣、持續時間最長、污染程度最重的一次過程[15]。本文以濮陽市污染過程為例，把此次霧霾污染過程分為3個階段進行研究，揭示不同階段霧霾形成的主要氣象特征。

1 數據與方法

本文采用NCEP/NCAR(2.5°×2.5°)再分析資料，分析過程期間500 hPa平均高度場、850 hPa平均溫度場特征及動力條件；利用鄭州和邢臺站的高空探測資料，分析本次霧霾天氣的邊界層氣象要素垂直分布特征；利用濮陽站(35°42′N、115°02′E)的常規氣象觀測資料與濮陽市環境監測站污染物濃度數據，研究地面氣象要素與PM2.5、PM10污染物濃度的關系。

本文霧的用語采用中華人民共和國國家標準《霧的預報等級》(中國氣象局2011)，分五級：輕霧(1000 m≤能見度<10000 m)、大霧(500 m≤能見度<1000 m)、濃霧(200 m≤能見度<500 m)、強濃霧(50 m≤能見度<200 m)、特強濃霧(能見度<50 m)。霾的用語按照中國氣象局(2013年)霾預警標準，霾等級分為中度霾(能見度<2000 m，相對濕度>80%,75 μg/m3≤PM2.5<150 μg/m3)、重度霾(能見度<1000 m，相對濕度>80%，150 μg/m3≤PM2.5<500 μg/m3)、嚴重霾(能見度<1000 m,相對濕度>80%，500 μg/m3≤PM2.5<700 μg/m3)，分別對應霾預警的黃色、橙色、紅色3級。污染程度根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ633—2012)規定：空氣污染指數劃分為0-50、51-100、101-150、151-200、201-300和大于300共6檔，分別對應一級優，二級良，三級輕度污染，四級中度污染，五級重度污染，六級嚴重污染。

2 天氣過程概況

2018年11月23日—12月3日，華北平原出現了長時間的霧霾天氣(圖1)，其中河北中南部、河南北部和山東西北部霧霾天氣尤其嚴重。本次過程可分為3個階段：前期為11月23夜間到26日夜間的大霧和重度霾(用P1表示)，中期為11月27夜間到30日的重度霾和輕霧(用P2表示)，后期為12月1-3日的大霧和重度霾(用P3表示)。自23日開始，華北大部地區出現了輕霧，河南東北部、山東西北部出現了霾，個別站還出現了毛毛雨，能見度2～7 km。24日凌晨能見度開始明顯下降，華北中南部出現能見度小于1 km的大霧(圖1a)，魯西齊河站能見度降到0 km，聊城還產生了小雪，白天大霧逐漸消失，霾持續，夜晚重新加強。25日凌晨的大霧更強、范圍更廣，華北南部和河南北部出現能見度≤100 m的大霧，魯西局部出現毛毛雨(圖1b)。26日05-08時，大霧增強，達到頂峰(圖1c)，華北中南部出現大片能見度不足100 m的大霧。27日凌晨相比25日、26日大霧范圍縮小，強度有所減弱(圖1d)，白天逐漸減弱，霾持續，夜晚也沒有再次形成大霧，而是維持霾天氣。28日08時霾伴隨輕霧(圖1e)持續到29日08時，此時華北中東部開始出現輕霧，并伴有個別站的毛毛雨或小雪。30日夜里華北開始出現大范圍的輕霧。1日白天輕霧伴隨個別站毛毛雨，夜里華北南部、河南開始出現小雨天氣。2日08時河南北部、山東全省出現小雨，河北省開始出現大霧(圖1f)，11時，降水停止，華北大霧增強，最小能見度達到200 m，到20時，河南東北部的范縣能見度接近0 m，夜間大霧維持。3日08時大霧開始減弱，華北中南部能見度0.7～1.0 km。隨著強冷空氣南下，3日14時，影響華北的大霧天氣消失，霾持續，20時持續多日的霧霾天氣結束。

圖1 2018年11月24日-12月2日08時霧霾分布圖(a)11月24日，(b)11月25日，(c)11月26日，(d)11月27日，(e)11月28日，(f)12月2日；為濮陽站，畫線區為大霧天氣籠罩區

整個過程造成了嚴重污染天氣，污染帶由北至南逐漸傳輸擴散，濮陽全市持續重度污染，部分時段達到嚴重污染。日變化較明顯，下午污染程度略減弱，夜間污染又加重。P1階段的25日10時AQI達到峰值306，為嚴重污染水平；P2階段，AQI 值超過200的時段達48 h，其中有14 h AQI超過300，達到重度到嚴重污染水平，PM10和 PM2.5峰值分別為 604 μg/m3和267 μg/m3；P3階段，PM2.5的濃度大部分時段位于200 μg/m3以上，最大為290 μg/m3(2日18時)，達到嚴重污染水平。

3 天氣背景場分析

穩定的大氣環流形勢為霧霾重污染天氣提供了有利的大氣環境場[16]。霧霾期間，高空以緯向環流為主，冷空氣勢力偏弱，地面主要受弱冷高壓或均壓場控制，有利于華北地區靜穩天氣的形成[17]。為了研究此次過程中的大尺度環流背景場特征，制作了P1到P2階段的500 hPa平均高度場、850 hPa平均溫度場和海平面平均氣壓場。

從500 hPa平均高度場(圖2a)可以看出，歐亞高空為緯向環流，華北處于蒙古弱脊前西西北氣流中，緯向環流長時間維持導致冷空氣活動偏弱，暖空氣較活躍。從850 hPa平均溫度場(圖2b)上可以看出，華北處于暖溫脊控制中，低層暖平流的存在，不但有利于地面弱冷氣團的變性減弱，使系統內風速減小，而且有利于低層逆溫層的形成，從而阻礙大氣的垂直擴散。穩定層結和低空逆溫層的存在是霧霾天氣發生的必要條件[18]。海平面平均氣壓場上(圖2c),我國大陸為弱冷高壓控制，華北處于弱冷高壓控制的均壓場中，低層弱的水平風場為霧霾的發生發展提供了有利的環流背景場[19]。總之，高低空環流形勢的配置均有利于邊界層內霧霾天氣的形成和維持。P3階段，環流形勢開始調整(圖略)，隨著巴湖較強冷槽的東移南壓，華北上空的高壓脊東移，華北處在槽前脊后西南氣流里，水汽條件轉好，中低層850 hPa受槽前暖濕空氣控制，地面處在鋒前均壓場中。2日，受低槽東移影響，華北南部產生了弱降水天氣，導致污染顆粒物的吸濕增長，霧霾天氣加重。到3日夜間，伴隨較強冷空氣南下，此次持續多日的霧霾天氣逐漸結束。

圖2 2018年11月23-30日的500 hPa平均高度場(a)、850hPa平均溫度場(b)和海平面平均氣壓場(c)

4 邊界層要素特征分析

大霧是發生在邊界層的天氣現象。穩定層結(逆溫層)是生成大霧的重要條件之一。霧層一般在逆溫層以下[20]，穩定的逆溫層長期維持是連續性大霧的主要特征。霾天氣造成的嚴重污染期間，對流層內中低層大氣擴散能力差，大氣層結持續穩定，逆溫層持續時間長、強度大，有利于污染物在低層的積累和霾的持續[21]。此次過程逆溫層特征非常明顯，且P1階段大霧和霾形成時，強逆溫層在900 hPa以下的貼地高度，日變化大；P2階段霾形成時，較強逆溫層位于900-850 hPa的中低層，出現雙層逆溫和懸垂逆溫，貼地逆溫較弱，日變化不明顯；P3階段逆溫較弱，但是濕層深厚，導致低能見度大霧和霾天氣的發生。

本文利用離濮陽較近的邢臺站同期探空資料，得到每日08時的近地面逆溫強度和濕層厚度(見表1)，本文貼地逆溫強度是指近地面1007-900 hPa的逆溫值大小，懸垂逆溫強度是指900-850 hPa的逆溫值大小。近地面濕層厚度是指相對濕度≥80%的層結達到的高度。由表1可看出，P1階段近地面層存在強的貼地逆溫，24日逆溫強度5.8 ℃，25日的6.8 ℃，26日的達到10.4 ℃。逆溫抑制底層水汽向上擴散，有利于霧的形成和發展維持[22]。2018年11月25日夜間到26日凌晨，濮陽出現強濃霧和特強濃霧。逆溫層的鍋蓋效應同樣抑制顆粒物的垂直擴散，使顆粒物濃度迅速增加且維持。25日10時AQI達到峰值(306)，為嚴重污染程度。可見，逆溫強度、污染物濃度和大霧強度有較好的一致性。P2階段，受西北弱干冷空氣影響，風力有所增大，貼地逆溫減弱，850 hPa以下出現雙層逆溫，貼地逆溫層強度≤3 ℃，但900-850 hPa有較強懸垂逆溫層。28日08時貼地逆溫強度2.8 ℃，懸垂逆溫強度3.2 ℃，20時達到6.4 ℃。30日08時貼地逆溫強度3.0 ℃，懸垂逆溫強度達到7.6 ℃。此階段污染物主要來自北方輸送的較大顆粒物，污染物在雙層逆溫層內聚集，出現了重度霾天氣，PM10濃度明顯升高，峰值達到624 μg/m3，遠大于PM2.5的值(267 μg/m3)，AQI的值超過200的時段達48 h，長期處于重度污染水平。P3階段雖然貼地逆溫層強度弱，小于等于3 ℃，但是受暖濕氣流影響，近地面濕層厚度較大，相對濕度大于80%的濕層最高達到3800 m，為氣溶膠粒子的吸濕增長提供了一定的水汽條件，促進了大霧和霾的又一次形成。因此逆溫層的強度和濕層厚度都與霧霾的形成和維持呈正相關。

表1 2018年11月23日-12月3日08時邢臺探空站逆溫層和濕層厚度特征

從26-30日鄭州和邢臺的探空曲線(圖3)也可以看出：華北中高空均為西北氣流控制，且整層干燥，有利于近地面夜間的輻射降溫，形成冷的下墊面。26日低層為弱西南風。暖濕西南氣流流經冷下墊面，再經夜間地面輻射冷卻，易形成逆溫和霧。26日08時貼地最強逆溫達到10 ℃以上(圖3a，3b)，厚度達到近1 km。深厚的逆溫層增強了近地面的靜穩程度，加上淺薄的地面濕層，造成26日凌晨的強濃霧和重度污染天氣。霧霾過程與大氣垂直溫度梯度變化有非常大的關系。貼地逆溫層消失，懸垂逆溫層增強，有利于霧霾形成[23]。28日、30日中低層為西北風或偏西風，貼地逆溫較弱，強逆溫層位于900 hPa到850 hPa高度之間，屬于懸垂逆溫。28日20時懸垂逆溫強度達到6.4 ℃，30日08時達到7.6 ℃(圖3c，3d)，污染物在逆溫層下大量積聚，天氣以霾為主，并伴有輕霧，污染嚴重。

圖3 2018年11月26日08時鄭州(a)及邢臺(b)探空和28日20時(c)、30日08時(d)邢臺探空

以上分析可以看出，邊界層逆溫是此次持續霧霾天氣的重要特征。第一階段強的貼地逆溫有利于大霧的形成，第二階段雙層逆溫和較強的懸垂逆溫有利于霾的形成和維持，第三階段邊界層逆溫雖然較弱，但濕層較厚，同樣有利于大霧的形成。

5 地面氣象要素特征分析

這次霧霾過程3個子過程的地面要素特征和污染狀況存在顯著的差異。從濮陽站11月23日00時-12月4日00時逐3 h的能見度、氣壓、氣溫和露點溫度、相對濕度、風速、PM2.5和PM10濃度時間序列圖上可以看出(圖4)：P1階段，海平面氣壓變化幅度小，弱的氣壓變化決定了地面風速較小，白天因受太陽輻射的影響，風速稍大，而夜間風速均在2 m/s以下，弱水平風場決定了大氣水平擴散能力差，不利于污染物稀釋擴散。溫度、濕度呈現明顯的日變化，夜里到凌晨溫度持續下降，相對濕度升高到90%以上，空氣接近或達到飽和，能見度降低，出現濃霧和霾。白天隨著氣溫的回升，相對濕度降低，能見度轉好，霧減弱，但是霾變化不大，霾受相對濕度減小的影響較小，此間PM2.5與PM10的濃度接近，基本都大于200 μg/m3，空氣維持重度污染狀態。P2階段受兩次持續時間較短的弱冷空氣影響，海平面氣壓在27日中午和29日中午有兩次脈沖式升高，平均風速略增強，風向多為偏北風，有利于北方污染物向本地的輸送。本地PM10的濃度大于300 μg/m3，高于PM2.5的濃度,27日16時PM10濃度達最大，為624 μg/m3。其余時間風速逐漸降低，相對濕度開始增加，逆溫層發展。其間，大顆粒污染物PM10濃度的兩次峰值前，均有污染物輸送過程，表現為風力的增大。

P3階段前期，由于華北處于槽前的西南氣流中，水汽輸送明顯，中低層濕度增大，地面位于弱冷高壓底部的偏東風與偏北風的匯合區，造成1日夜間到2日上午華北南部的弱降水天氣，并伴有霧，雨霧共存，能見度小于500 m。隨著降水的結束，能見度愈來愈低，2日20時能見度小于100 m，污染開始加重，PM2.5達到257 μg/m3。相對濕度的增高，不利于PM2.5濃度的降低[24]。因為降水使近地層水汽豐富，本區又處于鋒前均壓場，風速小，大氣擴散條件差，靜穩的環境與高濕的大氣疊加，使污染物累積并進一步吸濕增長，導致低能見度的霧霾天氣形成。3日下午開始隨著冷鋒后較強冷空氣的影響，風速增大，相對濕度減小，地面氣壓升高，能見度明顯改善，持續多日的霧霾天氣逐漸結束。

6 動力條件診斷

中低空下沉氣流的存在，有助于近地層的弱風條件和穩定層結的建立[25]。本文應用NCEP/NCAR(2.5°×2.5°)產品資料，制作了此次過程濮陽上空(116°E、36°N)的渦度和散度垂直分布時序圖(圖5)。由圖5可以看出，過程中850 hPa及以下高度，渦度和散度的絕對值都很小，且以負渦度、正的輻散下沉氣流為主，說明大氣層結穩定，有利于霧霾天氣的生成和維持。另外，在P1和P3兩段大霧嚴重階段，800 hPa高度以下的低層存在弱的輻合輻散相間分布狀況，最大散度絕對值為1.5×10-5s-1，說明大氣邊界層有微弱的湍流運動，有利于霧向上發展和維持，P2霾天氣維持期間，環境為一致的弱輻散下沉氣流。

圖5 濮陽2018年11月25日-12月3日渦度垂直分布時序圖(a)和散度垂直分布時序圖(b)

從這次過程的近地面1000 hPa水平風場上可以看出(圖6)，P1、P2、P3的3個階段中，華北中東部存在輻合線，風速較小，有利于低層水汽和污染物的匯集，使霧霾天氣加強和維持，26日凌晨出現的強濃霧和霾(圖6a)、28日出現的重度霾(圖6b)、2日出現的大霧和霾(圖6c)，均在輻合線附近。另外，黃海上存在冷高壓環流，高壓底后部東南風吹向華北中東部，P1、P3階段東西氣流輸送更明顯，使當地濕度增加，同樣有利于霧霾天氣的形成。

圖6 1000 hPa水平風場

7 結論和討論

(1)這次持續多日的霧霾天氣發生在高空緯向環流背景下，弱冷空氣活動頻繁，地面處于鋒前均壓場或鋒后弱冷高壓中，中低空受暖空氣控制；后期高空受較強西風槽影響，槽前增暖增濕產生降水和霧霾天氣，槽后強冷空氣南下使過程結束。

(2)逆溫層的強度和濕層厚度與霧霾天氣的形成和維持呈正相關。前期和中期邊界層內持續較強逆溫層和雙層逆溫，鍋蓋效應抑制了水汽和污染物在垂直方向上的輸送，是這次霧霾天氣產生的重要原因之一；后期濕層深厚，雨后氣溶膠粒子的聚集吸濕凝結增長，又一次導致大霧和重度霾天氣。

(3)從動力條件看，中低層較弱的負渦度和輻散下沉氣流，使近地面層結穩定、風速減小，抑制水汽和污染物的垂直擴散。

(4)近地面多個時段弱風輻合線的存在，造成水汽和污染物的聚集，為這次霧霾的發生、維持和加強提供了動力條件；同時大范圍偏東風的存在為霧霾區提供了濕度條件。

這次大范圍持續多日的霧霾天氣過程，重污染天氣貫穿始末。過程的3個階段對重污染天氣的貢獻特征不同：前期近地面夜里到凌晨存在飽和濕層和強逆溫層，出現強濃霧和重度霾；中期低層空氣濕度較小，弱冷空氣活動頻繁，污染物受傳輸影響較大，邊界層雙層逆溫和懸垂逆溫，出現重度霾；后期濕層深厚，雨后氣溶膠粒子的聚集吸濕凝結增長，導致濃霧和重度霾天氣。因此，對于長時間霧霾過程，應該注意分析不同階段的主要特征。另外，大霧期間，近地面大氣輻合線的存在，是大霧增強和可能產生團霧的因素，需進一步深入研究。