胡雪紅 孫翠鳳 張 琳

(山東省德州市氣象局，山東 德州 253078）

灰霾是指懸浮在空中，肉眼無法分辨的大量微小塵粒、煙?；螓}粒的集合體，使空氣混濁，水平能見度降至10km以下的一種天氣現(xiàn)象［1］。當(dāng)灰霾濃度達(dá)到某一界限后，空氣質(zhì)量一般較差。近年來，隨著人們生活水平的提高，城市化進(jìn)程的加快，尤其是90年代末以來，空氣污染物排放增加，灰霾天氣劇增，引起了全社會對城市空氣質(zhì)量的高度重視。有不少學(xué)者從不同角度對霧霾天氣特征進(jìn)行分析［2－6］，宋娟等分析了江蘇省快速城市化進(jìn)程對霧霾日時空變化的影響，鄭峰等對溫州地區(qū)霧霾氣候特征及其預(yù)報做了較詳細(xì)的分析，楊玉霞等分析了魯西北灰霾天氣特征及灰霾對日照時數(shù)的影響，而針對灰霾天氣產(chǎn)生的成因分析較少。

本文將著重1981年以來32年灰霾天氣分布特征入手，針對2007年6月10－12日德州出現(xiàn)的一次嚴(yán)重的灰霾天氣過程，進(jìn)行動力學(xué)和物理量診斷分析，試圖探討灰霾天氣的發(fā)生、發(fā)展和消亡的成因，以期對灰霾天氣進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)報和預(yù)警。80年代指1981－1990年，依次類推。季節(jié)劃分為:冬季(12月－次年2月），春季(3月－5月），夏季(6月－8月），秋季(9月－11月）。

1 灰霾天氣分布特征

圖1 1981－2012年灰霾天氣年日數(shù)分布

統(tǒng)計1981－2012年32年以來灰霾分布(見圖1），2010年最多，為102天。從年代際變化分析，灰霾日數(shù)年際變化明顯，80年代灰霾天氣極少，僅0.6天/10a;90年代8.6天/10a，本年代末增加較快;2000年代以來呈現(xiàn)迅猛增多的趨勢，達(dá)到49.4天/10a，是90年代的5.7倍。分析32年以來的月平均分布看出，德州一年四季都有灰霾天氣出現(xiàn)，按季節(jié)分布，冬、春、夏、秋分別為6.3天、4.5天、4.7 天和4.1天，其中 1 月、6 月、12 月最多，月均大于2.3天;8、9 月份最少，月均 0.6 －0.7 天，其余月份 1 －2天。其中夏季的灰霾天數(shù)較多主要是6月份出現(xiàn)較多。由于1997年以前除個別年份外(1993－1994年），大部分年份僅0－2天，使得月均值較小。

2 灰霾天氣過程特點(diǎn)和天氣背景

2.1 灰霾天氣特點(diǎn)和空氣污染物監(jiān)測分析

2007年6月10－12日在山東西北部、河北中南部持續(xù)出現(xiàn)大范圍的灰霾天氣，能見度最小時僅700 m，空氣渾濁，氣味刺鼻，眼睛酸澀。

通過對10－12日逐時空氣污染物監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)(圖2），德州市的首要污染物是可吸入顆粒物(PM10），在11日10時－12日00時和12日11時－13日01時兩個時段內(nèi)濃度值都大于0.251mg/m3(即污染指數(shù)大于201），其中11日13－17時和12日11－12時濃度值均大于0.421mg/m3(即污染指數(shù)大于300），屬重度污染。由此可見，這次出現(xiàn)的灰霾天氣導(dǎo)致空氣污染嚴(yán)重。

圖2 2007年6月10日13時－13日11時污染物濃度分布

2.2 天氣背景

2007年6月10日，在烏拉爾山和貝加爾湖地區(qū)為低槽區(qū)，兩個低槽之間為高壓脊(中阻塞型［7］），華北大部受暖性高壓脊控制。11日華北地區(qū)的高壓脊東移，高原東部到山東中部、長江以北到黃河流域?yàn)閷拸V的弱槽區(qū)，氣壓場很弱，且沒有明顯的冷暖氣流活動;這種形勢維持到12日夜間。由于從低緯到高緯的大尺度天氣系統(tǒng)的穩(wěn)定，寬廣的弱氣壓場為華北中南部地區(qū)霾天氣的發(fā)生提供了比較穩(wěn)定的大氣環(huán)流條件。地面上，10－11日華北地區(qū)處于南高北低的形勢下，蒙古低壓沿高空引導(dǎo)氣流偏東方向移動，它的中南部地區(qū)位于高壓后部，氣壓梯度小，以偏南風(fēng)為主，12日地面轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，河套到魯西北沒有等壓線經(jīng)過，說明氣壓場很弱，這有利于灰霾天氣的維持。13日伴隨一股冷空氣的擴(kuò)散南下，持續(xù)三天的灰霾天氣結(jié)束。

3 霾天氣的氣象要素特征

3.1 地面要素特征分析

從10日13時－13日09時德州市的海平面氣壓、風(fēng)速變化曲線(圖略）可以看到，逐時海平面氣壓較低，均在1 002－1 013 hPa間變化，氣壓梯度小，也決定了地面風(fēng)速小，除了10日21時達(dá)3級(4.7m/s），其它時次風(fēng)速均小于3級。水平風(fēng)速直接影響大氣湍流的運(yùn)動，風(fēng)力強(qiáng)弱則影響空氣污染物的擴(kuò)散速度，風(fēng)速與污染物在空氣中的濃度成反比［8］。由于大氣的擴(kuò)散能力弱，污染物不宜擴(kuò)散，導(dǎo)致了強(qiáng)而持久的灰霾天氣。

從10日13時－13日09時德州市的相對濕度和溫度變化曲線(圖略）可以看出，近三天相對濕度＜70%，在重度污染期間，相對濕度只有37－50%，11日14時溫度28.2℃，比10 日和 12 日的 33.9℃和 29.2℃都偏低;灰霾天氣出現(xiàn)期間相對濕度呈上升趨勢變化，而溫度呈下降趨勢變化，且二者呈反位相?；姻蔡鞖獾某霈F(xiàn)，導(dǎo)致大氣氣溶膠增加，進(jìn)而造成日照減少［9］，溫度也相應(yīng)偏低。

3.2 大氣層結(jié)特征分析

大量研究［10、11］表明，有逆溫層存在，可使污染物在地面上停滯積聚，加劇空氣污染的程度，近地層出現(xiàn)逆溫還有利于霧霾的形成。對10－12日灰霾天氣發(fā)生地區(qū)的邢臺、北京兩個站的探空資料進(jìn)行分析，10日08時邢臺的逆溫層位于980－930 hPa，11日08時逆溫層抬升到900 hPa，γ=5/100(℃/m）(即每上升100米氣溫上升5℃），12日逆溫層較11日減弱，逆溫層頂也降低到920 hPa，;10日08時北京近地層存在兩個逆溫層，一個位于950－920 hPa，另一個位于820－800 hPa，11日逆溫層減弱，僅在920－900 hPa存在一個較薄的逆溫層，12日逆溫層增厚，但較11日減弱。從以上分析可以看出，這三天邢臺、北京兩站的近地層逆溫層都表現(xiàn)為10日、12日較弱，11日最強(qiáng)，這與首要污染物的逐時分布特征一致，逆溫層增強(qiáng)，大氣更加穩(wěn)定，更有利于灰霾天氣的加強(qiáng)和維持，由于最大逆溫層頂在900 hPa附近，且γ=5/100(℃/m），污染物無法向上輸送而只能在其下部聚集，造成空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化;邢臺站的逆溫層比北京的要強(qiáng)，這與高低空環(huán)流形勢的配置密切相關(guān)，也與灰霾天氣的分布情況一致，即河北中南部和德州市的霾天氣比北京附近的要強(qiáng)。

4 灰霾天氣物理量診斷分析

通過對10－12日物理量場進(jìn)行診斷分析，了解本次過程大氣低層的氣流變化情況，進(jìn)而探討灰霾天氣的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程。

10日08時－12日08時，灰霾發(fā)生地區(qū)的1 000 hPa、925 hPa的垂直速度幾乎為0，850 hPa的垂直速度為3－10 Pa·s－1，這表明近地層上升運(yùn)動很弱，動力條件較差，不利于污染物擴(kuò)散，導(dǎo)致灰霾天氣持續(xù)時間較長。

10日08－20時，霾區(qū)1 000 hPa、925 hPa的渦度、散度值很小，在0 －0.8 s－1，850 hPa 為負(fù)渦度、正散度，為下沉運(yùn)動區(qū)，阻止近地層污染物向上擴(kuò)散;11日1000 hPa的渦度、散度值仍很小，925 hPa為下沉運(yùn)動區(qū)，而850 hPa趨于無輻散層，也就是說，下沉運(yùn)動區(qū)更低，混合層高度也下降，污染物在近地面堆積，濃度升高，灰霾加強(qiáng)。12日1 000 hPa、925 hPa為正渦度、負(fù)散度，為上升運(yùn)動區(qū)，850 hPa渦度、散度值較小，即近地面的上升運(yùn)動有利于污染物向上輸送，濃度降低，灰霾天氣強(qiáng)度減弱。

以上分析表明，嚴(yán)重灰霾天氣發(fā)生時，垂直上升運(yùn)動很弱，近地面處于負(fù)渦度、正散度的下沉運(yùn)動區(qū);當(dāng)灰霾天氣減弱時，近地面又將處于正渦度、負(fù)散度的上升運(yùn)動區(qū)。

5 小結(jié)

1981－2012年32年間，德州市的灰霾天氣分布差別很大，80年代到90年代中期，灰霾天氣僅0.6/10a，90年代末開始迅速增多，2000年代達(dá)49.4天/10 a。冬季灰霾天數(shù)多于其余季節(jié)，1月、6月、12月出現(xiàn)天數(shù)多于其他月份;這次發(fā)生的灰霾天氣導(dǎo)致空氣污染嚴(yán)重。灰霾天氣發(fā)生期間，高空環(huán)流形勢穩(wěn)定，氣壓梯度小，地面風(fēng)力小于3級、大氣的擴(kuò)散能力弱，污染物不宜擴(kuò)散;逐時相對濕度呈上升趨勢，而溫度呈下降趨勢，且二者呈反位相;灰霾天氣的出現(xiàn)，導(dǎo)致大氣氣溶膠增加，進(jìn)而造成日照減少，溫度也相應(yīng)偏低?；姻蔡鞖獍l(fā)生過程中，垂直上升運(yùn)動很弱，近地面處于負(fù)渦度、正散度的下沉運(yùn)動區(qū);減弱時反之。逆溫層強(qiáng)且逆溫層頂位于900hPa，污染物在垂直方向不宜擴(kuò)散，造成了較高濃度的污染。

致謝:感謝德州市環(huán)保局提供2007年6月10－13日的逐時空氣污染資料。

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