通遼市霾天氣時空分布特征及氣象條件統計分析

萬 宇

通遼市氣象局，內蒙古通遼 028000

0 引言

霾是一種大量極細微的干塵粒子均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的空氣普遍渾濁的天氣現象[1]。隨著經濟的迅速發展和城市化進程的加快，霾日發生頻率呈現增多趨勢。

近年來，多名專家和學者對內蒙古各個地區的霾進行了相關研究。江靖[2]等對呼和浩特市、包頭市的預報指標進行了檢驗和修訂；張秀英[3]、孫紅斌[4]等研究了氣象要素對烏海市灰霾天氣的影響分析及分析了烏海市的氣候特征；謝子楊等[5]分析了烏蘭察布市霾日數時空變化規律及其影響因素；王海山[6]分析了通遼地區霧霾的氣候特征。對比已有研究可知，目前著眼于通遼市霾天氣特征的研究較少。本文采用日均值法對通遼市1981—2015年10個國家觀測站的霾日數進行重建，并對2013—2015年10個霾天氣過程進行研究，統計出霾天氣發生時和消散時的統計特征。

1 資料與方法

1.1 研究資料

研究所用資料包括：1981—2015年通遼市國家氣象站觀測數據，包括天氣現象、水平能見度、相對濕度及風向風速等；2013-2015年MICAPS高空、地面及物理量場等資料。

1.2 研究方法

中國地面氣象觀測規范經過4次修訂完善，于2007年10月1日發布行業標準[7]。同樣，霾的觀測定義也由于認識程度及觀測技術的提高而有所改變，特別是2010年以來，對霾的觀測規定經過了較多調整，因此，霾的觀測標準缺乏統一性[8]。吳兌等[9]指出，由于觀測業務中區分霾的判據較混亂，缺乏一致性，因此統計霾的長期氣候資料時，不能直接使用天氣現象記錄，需要統一定量標準。

由于觀測員對霾記錄規定的理解偏差或臺站習慣性記錄，通遼市霾的觀測記錄也存在標準不統一、準確性不高等問題；同時，環境監測站的PM2.5和PM10顆粒物濃度數據僅有通遼市科爾沁區3個觀測站統計，環境監測站空間分布無法滿足研究需要。因此要了解通遼霾日數的長期變化趨勢，需采用氣象上的統計方法。常見的霾日統計方法有3種：單次值法、日均值法、14時值法。吳兌等[9]通過比較發現日均值法更多地顯示長時間大范圍的霾天氣過程，因此建議在討論霾的氣候特征時采取日均值方法，即：氣象要素的觀測數據取平均，能見度＜10.0 km，相對濕度＜80%，排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙霧、吹雪和雪暴等天氣現象造成的視程障礙；氣象要素中，任一時次能見度＜10.0 km，且80%≤相對濕度＜90%，同時出現霾或輕霧等天氣現象。滿足上述任一條件，即定義該日為霾日。

2 時空分布特征

2.1 年變化特征

統計表明，結合1981—2015年35年霾日數的年變化（圖1）可以看出，霾日數整體呈現上升趨勢，1981—2012年霾日數不足10 d，為平穩變化期，其中1996年、2004—2006年無霾日數；2013年為過渡期，霾日數為24 d；2014和2015年霾日數驟增至100多d，為上升期，2014年達到最大值，為152 d。

圖1 1981—2015年通遼市霾日數的年變化

2.2 季變化特征

利用1981—2015年通遼市重建后霾日序列對霾日的季節變化特征進行了分析，由圖2可知，一年四季均有霾發生，冬季為霾天氣最易發生的季節，共191 d；其次為夏季和秋季，分別是105和100 d；春季最少，為47 d。

2.3 月變化特征

一年之中各個月份都有霾天氣發生，發生日數最多的是1月，為85 d； 其次是12月，為50 d（圖3）。

2.4 空間分布特征

由圖2可知，通遼市霾日數空間分布不均勻，主要有2個大值區，一個位于通遼市東部的科左中旗，霾日數達103 d；另一個位于扎魯特—開魯—奈曼—庫倫一帶，霾日數分別達到82、76、78、97 d。

圖2 1981—2015年通遼市霾日數的空間分布

3 氣象條件分析

霾作為一種常見的災害性天氣，當它持續時間長、發生范圍廣時，大氣能見度低、大氣污染物堆積嚴重，不僅會導致交通擁堵，而且會引發呼吸系統、心血管等方面的疾病，因此準確預報霾天氣過程具有重要意義。

此研究選取2013—2015年共10個霾天氣過程，對地面影響系統、氣象參數進行統計分析，總結出霾天氣過程的氣象條件及氣象要素預報指標。

3.1 天氣學模型

以地面天氣系統為指標，將上述10例霾天氣過程進行天氣學分型，共分為4種類型，即高壓控制類（圖3a）2例、高壓前部類（圖3b）3例、低壓控制類（圖3c）2例、冷鋒過境類（圖3d）3例。

圖3 通遼市霾天氣過程的地面形勢特征

高壓控制類：地面圖上，在40°N～50°N、110°E～130°E范圍內通遼市受一閉合高壓控制，或者分裂成幾個中心，但通遼市均不在高壓中心處，而是位于高壓中心后部或前部的均壓場中。

高壓前部類：地面圖上，20°N～55°N、110°E～130°E范圍內是一個大的高壓區，分裂為多個高壓中心，較強高壓中心含有兩根閉合等壓線，在2個高壓中心之間含有弱低壓區。

低壓控制類：地面圖上，在40°N～50°N、115°E～125°E范 圍 內 通 遼市上空為低壓控制，且有一根閉合等壓線，低壓基本被高壓包圍，僅在東北側鄂霍次克海附近有低值區以外。

冷鋒過境類：地面圖上，通遼市上游有一冷鋒，通遼市處于冷鋒前部暖區中，以西南風為主。冷鋒過境后，冷鋒后部西北氣流東移南下，風速增加，霾過程結束。

3.2 氣象參數統計特征

3.2.1 風場由表1可知，霾天氣過程發生時與結束時，風向多數以南風為主，但是結束時的風速明顯大于發生時。

表1 2013-2015年通遼市霾天氣過程概況

3.2.2 大氣層結逆溫層對對流有強烈的抑制作用，逆溫的存在阻擋了動量下傳，造成大量水汽和氣溶膠粒子聚集在逆溫層下面，顆粒物吸濕增長膨大，地面能見度降低，有利于形成霾[10]。分析10次過程中的850 hPa以下逆溫層強度發現：幾乎每一次霾天氣的發生都有逆溫層存在，大氣處于穩定狀態中。逆溫強度最大的是2015年12月8日霾天氣過程，逆溫強度達到11℃，其次為5℃～8℃，多數在1℃～3℃之間（圖4）。

圖4 通遼市霾天氣過程大氣層結特征

3.2.3 能見度能見度是指示霾天氣的重要指標。10個案例中均存在霾天氣消散時的能見度大于霾天氣發生時（圖5）；并且有8個案例差值較大，最大的是第3個案例（2014年02月12—14日）。

圖5 通遼市霾天氣過程能見度特征

3.2.4 相對濕度由圖6可知，10個案例中有8例過程，霾天氣消散時的相對濕度小于霾天氣發生時的相對濕度，相對濕度較大有利于空氣污染物的堆積。

圖6 通遼市霾天氣過程相對濕度特征

3.2.5 垂直速度垂直速度也是表征大氣穩定狀態的物理量。通過對10個個例的分析（圖7），可以發現，大范圍持續性霾過程嚴重發生期間，大氣處于弱上升—下沉的運動狀態，即處于相對穩定的狀態，而霾天氣消散時垂直速度增大，易使上下層空氣流動，產生動量下傳，有助于污染物的擴散。

4 預報指標

4.1 霾天氣發生時的預報指標

（1）首先，500 hPa環流形勢場以平直的偏西或西北氣流最多，其次為弱脊或弱槽，溫壓場配置較一致，槽脊處于穩定狀態中。

（2）絕大多數情況下，850 hPa有暖脊控制，以暖平流為主。霾天氣發生前，850 hPa以暖平流為主，地面增溫明顯。

（3）在探空圖上，850 hPa至近地面層有逆溫層存在時，有利于霾天氣的發生，特別是當逆溫強度比較大時，霾天氣持續時間較長。

（4）地面上處于弱氣壓場、均壓場或者冷鋒前部暖區中。

（5）地面上盛行風向的上游，若有霾發生，那么由于污染物的輸送，也會導致當地霾天氣的發生。

（6）地形作用。通遼市地處大興安嶺南麓，地勢西高東低，西北部為山區，東南部為平原或沙地，當我國東北區有霾出現并且地面盛行偏東風時，通遼市將出現霾天氣過程。

4.2 霾天氣消散時的預報指標

（1）當500 hPa風速增大時，高空有動量下傳，湍流加強，近地面風力隨之增大，對重度霾緩解有一定指示意義。

（2）當850 hPa溫度場轉為脊后控制時，以冷平流為主，有利于霾天氣的消散。

（3）當逆溫層減弱或消失時，霾天氣過程結束。

（4）當地面影響系統轉為高壓前部或者冷鋒后部時，風向轉變，風速增大，霾天氣過程結束。

5 結論

（1）霾天氣發生時，通遼市高空以平直緯向環流為主，地面為弱氣壓場控制，屬于典型的靜穩天氣，不利于污染物擴散和稀釋。邊界層結構和地面氣象要素表現為大氣層結穩定、風速小、相對濕度較大、逆溫頻率高強度大，邊界層內大氣擴散能力差，易導致污染物在低層的持續積累和霾的形成。

（2）由于通遼周邊地區污染物排放量大，在相對穩定的天氣條件下，受地形阻擋作用和城市局地環流的影響，通遼本地污染物和區域污染物輸送共同作用，造成通遼地區污染物濃度快速增長并持續偏高，形成持續的霾天氣。

（3）霾天氣的形成和消散是非常復雜的過程，其形成和時空分布演變受多種因素的影響，復雜的物理化學機制更需要深入研究，以提高霾預報預警和污染治理防控的技術能力。

圖7 通遼市霾天氣過程垂直速度特征