毕 玮， 万夫敬， 陆 雪， 张凯静， 孙 萌， 高 山

(1. 青岛市气象局， 山东 青岛 266003； 2. 青岛市环境监测中心站， 山东 青岛 266003； 3. 国家海洋局北海预报中心， 山东 青岛 266061)



青岛地区霾污染天气特征分析*

毕 玮1， 万夫敬1， 陆 雪1， 张凯静1， 孙 萌2， 高 山3

(1. 青岛市气象局， 山东 青岛 266003； 2. 青岛市环境监测中心站， 山东 青岛 266003； 3. 国家海洋局北海预报中心， 山东 青岛 266061)

通过统计分析2003—2013年气象观测和环境空气质量监测数据，给出了青岛霾污染天气的时空分布和边界层特征。青岛中度污染以上的霾污染天气多发生在12月～次年1月，空气质量指数(AQI)的日变化有明显的“三峰”特征，城市灰霾带位于市北区至李沧区、以及崂山西侧弱风区一带。青岛60%的霾污染天气发生在500 hPa冷槽底或冷槽后部的大气环流背景下，地面多对应高压中心或鞍型场等均压场形势。当出现霾污染天气时，边界层逆温厚度、强度与AQI变化有一定的正相关关系。青岛地区吹陆风时污染物浓度高，海风时污染物浓度低。当陆风风速达到4.5 m/s以上，或持续海风时，对污染物有清洁扩散作用。

霾； 空气污染； 时空分布； 环流形势； 逆温； 近地层风场

霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10 km的空气混浊的现象，它能使远处光亮物体微带黄、红色，使黑暗物体微带蓝色，属于一种视程障碍天气现象[1]。中国改革开放以来，在全球变化的大背景下，在城市群区域，人类活动使得组成霾的化学成分发生了重大变化，灰霾现象迅速增加，能见度恶化事件越来越多。原来大陆地区的霾主要与沙尘暴相关联，是沙尘暴过程发展后期的天气现象，而现在所谓的灰霾，特指由于人类活动增加导致的城市区域近地层大气的气溶胶污染现象。自然现象的霾每年只出现几天，且强度不大，大多数能见度仅刚低于10 km。而近年来由于人类活动造成大气污染的日数，在大城市区域达到100～200 d以上，强度也大大增加，能见度可以恶劣到1～2 km[2-3]。当霾发生时，往往气团稳定，污染物不易扩散，能见度降低导致交通事故发生，而且严重的霾天气还能诱发呼吸道等多种疾病，威胁人体健康，同时对气候及生态环境也会造成较大危害[4-6]。在中国的一些地区，霾污染天气已经成为一种较为严重的灾害性天气现象，霾的出现有着重要的环境意义和空气质量指示意义[2,7]。

中国开展霾的相关研究已经十多年了，主要的研究区域集中在京津冀、长三角和珠三角地区[2]。青岛地处山东半岛南部沿海，常年海、陆风交替，气象要素变化与霾污染天气的关系十分复杂。以往对青岛地区的大雾研究居多，而对霾天气的特征知之甚少。本文通过统计分析2003—2013年气象要素观测资料和青岛市区环境空气质量数据，初步研究了青岛地区霾污染天气的时空分布特征、环流形势和边界层特征，为提高对青岛地区霾污染天气的认识，进一步研究霾污染天气预报手段提供科学依据。

1 资料和方法

霾天气资料来自青岛市气象台提供的2003—2013年每日定时地面(02、08、14、20北京时)和高空(08、20北京时)气象要素观测、探测资料。根据地面气象观测资料，若当天有霾发生，则记为1个霾日，在日值的基础上进行月、季、年的统计。

空气质量资料来自青岛市环境监测中心站提供的污染物浓度逐日、逐时资料，其中2003—2012年为青岛市8个环境监测站(见图1)的SO2、NO2、PM103种污染物的逐日平均浓度资料。2013年为青岛市13个环境监测站(见图1)的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O36种污染物的逐时浓度资料。

根据中国环境保护部2012年2月29日发布的最新《环境空气质量指数(AQI)技术规定》，对2003—2013年各污染物浓度进行空气质量分指数(IAQI)计算，确定空气质量指数、级别(见表1)和首要污染物。

污染物项目P的空气质量分指数计算方法如下：

(其中“新”为2013年增加的新站点。New stations in 2013 marked with “新”.)

图1 青岛市环境空气质量监测站分布图
Fig.1 Distribution of ambient air quality monitoring stations in Qingdao

式中：IAQIp为污染物项目P的空气质量分指数；Cp为污染物项目P的质量浓度值；BPHi为与Cp相近的污染物浓度限值的高位值；BPLo为与Cp相近的污染物浓度限值的低位值；IAQIHi为与BPHi对应的空气质量分指数；IAQILo为与BPLo对应的空气质量分指数。

空气质量指数计算方法如下：

式中：IAQI为空气质量分指数；n为污染物项目。当AQI>50时，IAQI最大的污染物即为首要污染物。

2 霾污染天气的气候特征

2.1 月变化

根据青岛市的地面气象观测记录显示，2003—2013年青岛共有487 d出现了霾，其中5月、10～12月是霾天气的高发时期，1～4月的霾日数次之，而6～9月正值青岛的夏季，霾天气发生则相对较少(见图2)。根据青岛市环境监测中心站提供的空气质量数据显示，2003—2013年达到中度以上污染(AQI>150)的天数只有146 d，其中12月～次年1月是空气污染最为严重的时期，6～10月几乎没有中度以上污染天气出现(见图2)。气象观测与空气质量监测数据的差异是由于霾的气象观测记录与判别环境空气污染程度之间存在着标准规范上的差别而造成的。

表1 空气质量指数和级别

图2 2003—2013年青岛霾日数和中度以上污染日数的逐月变化

根据中国气象局2010年1月20日发布的《霾的观测和预报等级》行业标准规定，当能见度小于10 km，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍，相对湿度小于80%时，即判识为霾。当相对湿度在80%～95%时，按照地面气象观测规范规定的描述或大气成分指标进一步判识。当大气成分监测站PM2.5的浓度超过75 μg/m3(IAQIPM2.5>100)，也可作为判识霾的参考依据。可见霾的气象观测记录标准要比空气污染达到中度污染以上的标准低，即当有霾天气出现时，环境空气质量不一定达到中度污染以上的程度，但空气达到中度污染以上时，必定有霾的观测记录。据此，本文之后的研究将重点分析中度污染以上霾天气的特征，并将中度污染以上的霾天气简称为霾污染天气。

2.2 日变化

霾在一天中的任何时候都可以出现，中国霾分布范围最广、强度最强的时段多集中在11时和14时[8]。通过分析2013年青岛霾天气的地面观测资料和环境空气质量逐时数据发现，青岛地区环境空气质量有明显的日变化特征。市区出现污染较重、范围较大的霾污染天气多集中在10～13时、20时前后和4时前后(见图3)，这3个时段的空气质量往往较其他时段差，表现出明显的“三峰”特征。根据多年的预报经验，在没有较强的天气系统影响时，青岛地区多在中午前后出现南北风向的转换，而在入夜和凌晨前后地面风力也较弱，这可能是造成在这3个时段青岛地区空气质量较差的原因之一，在环境空气质量日变化上就表现出了“三峰”特征。

图3 2013年青岛重污染日平均AQI变化

2.3 青岛城市灰霾带

通过统计分析2003—2013年青岛8～13个监测站的空气质量数据，发现青岛地区造成空气质量达中度污染以上等级的污染物主要为PM2.5和PM10。根据相应AQI数值，绘制出了青岛地区环境空气质量污染高发区分布图，即青岛城市灰霾带(见图4)。从图4中可以看到，当PM10为首要污染物，造成环境空气质量达到中度以上污染等级时，污染区域主要集中在青岛市北区至李沧区的偏西部靠近胶州湾一带，尤其在市北区南部和李沧西北部较重(见图4(a))；当PM2.5为首要污染物，造成环境空气质量达到中度以上污染等级时，污染区域主要集中在市北区北部至李沧区，而崂山西侧局地的PM2.5浓度也比较高，常达到严重污染的程度(见图4(b))。

3 霾污染天气的环流形势特征

霾天气是在一定的大尺度环流背景下发生发展的，通过对2003—2013年青岛146 d的霾污染天气环流形势分析发现，青岛地区的霾污染天气多发生在地面为高压中心或鞍型场控制的均压场情况下。本文采用500 hPa环流背景进行归纳分类，将青岛地区霾污染天气环流形势分为冷槽底/后部型、纬向型、横槽型、西风槽型、南支槽型共5类。其中冷槽底/后部型产生的霾污染天气最多,且持续时间长，青岛有60%的霾污染天气是在此种天气形势下出现的，而南支槽型的霾污染天气最少，仅占2%。

图4 青岛环境空气质量污染高发区分布图

冷槽底/后部型在500 hPa中高纬度环流表现为多波动特征，东北地区为冷涡控制，贝湖附近为高压脊区，槽底部的环流较为平直，盛行一支西风气流。青岛上空常受到脊前下滑的小浅槽影响，中低层伴有弱切变或位于槽后，冷锋后部的冷高压缓慢南移，地面风力较弱，为偏北风或南北风交替(见图5)。纬向型在500hPa欧亚高纬度为一近似东西走向的大极涡，环流平直，经向度不大，在西风上有小槽脊不断东移；地面气压场较弱，风力较小。小槽不论尺度还是槽前风速相对西风槽型都小，南支系统较弱，东部地区地面为均压场,大气层结稳定,有利于霾的产生发展。横槽型在500 hPa中高纬度环流为宽广的冷槽区，青岛上空为横槽前偏西气流，环流平直，西风风力在30 m/s左右，过槽时高空风力可达40 m/s；中层受槽底或槽后脊前西到西北风气流影响；地面位于冷锋前或位于均压场区，地面弱偏北风或南北风交替，风力不大，一般不超过4 m/s。西风槽型的主体冷空气路径偏北，500 hPa中纬度环流较为平直，上游有小槽分裂东移，形成较为明显的中支槽，青岛处在槽前西南气流控制下。南支槽型在500 hPa欧亚高纬度为宽广的低值区，中高纬度是两槽一脊纬向环流型，即两个平浅的长波槽之间为一弱长波脊，南支槽前弱偏南气流与中纬度槽前偏南气流在东部沿海汇集，中支槽与南支槽逐渐同位相叠加后，缓慢地向东移动，东部地区地面为均压场或弱冷锋前部，大气层结稳定，有利于霾的产生。

图5 冷槽底/后部型霾污染天气模型示意图

4 霾污染天气的边界层特征

霾污染天气发生时，污染物主要集中在大气边界层中，因此污染物的滞留与扩散无疑与边界层特征有着密切的联系。

4.1 逆温层

根据青岛环境监测中心站空气质量数据，2013年1月青岛有12 d出现了重污染天气。以2013年1月4～9日为例，通过绘制温度、露点温度探空曲线和水平风场的垂直分布，可以看出，当霾污染天气发生时对应着逆温的存在，同时温度和露点温度呈现“喇叭口”形状，下湿上干，有利于污染物在近地层滞留，不易扩散(见图6(a))。霾污染天气发生时，水平风速的垂直变化较小，说明垂直湍流扩散作用弱，不利于污染物向高空扩散。同时，在逆温层，水平风向的垂直切变明显，风向自低空向高空顺转，说明在逆温层有暖平流，对逆温有加强作用，大气层结趋于稳定，亦有利于污染物的滞留。进一步分析连续霾污染天气过程发生时逆温的逐日变化，可以看出逆温层呈现先加强后减弱的状态，而在灰霾消散的次日，整层出现明显的降温，证明了冷空气的侵袭是灰霾消散的有力武器(见图6(b))。

利用青岛探空数据，分别计算1 500 m以下的强度最强逆温层、厚度最厚逆温层与第一层逆温层，发现第一层逆温层与强度最强逆温层厚度普遍较薄，不具有滞留灰霾污染物的代表性，因此选取厚度最厚逆温层作为研究对象，进一步分析其出现的高度、强度与空气质量指数(AQI)的关系。由图7可以看出，稳定的逆温层是连续多天出现霾污染天气的充分不必要条件。例如1月5～8日，28～30日，连续多日的重污染对应着稳定的逆温层。同时可以看到，逆温层较高时，不需很强逆温强度即可达到霾污染天气维持的条件，但当逆温层较低时，需要较强的逆温强度维持逆温，才对应霾污染天气的出现。例如1月5～8日、19日、24日，逆温层较高，但强度不大；28～30日，逆温层较低，强度较大；12日、14～15日逆温层高度、强度适中。另外，通过对比逆温层高度、强度与AQI的逐时对应关系发现，逆温层高度、强度与AQI变化趋势一致，呈正相关关系，个别时刻会提前或滞后12 h，但总体趋势对应较好(图略)。

(a. 1月4日20时温度、露点温度和水平风的垂直变化；b. 1月4～9日08时温度的垂直变化。a. Vertical variation of temperature, dew-point temperature and wind at 4th 20LT; b. Vertical variation of temperature from 4th 08LT to 9th 08LT.)图6 2013年1月4～9日探空曲线图

(粉色条带表示逆温层形成高度及厚度；蓝色实线表示逆温层强度；灰色阴影区代表重污染发生的时段。Pink belt: inversion height and thickness; Blue line: inversion intensity; Grey shadow: heavy air pollution days.)

图7 2013年1月逆温层高度与逆温强度的日变化

Fig.7 Diurnal variation of inversion height and intensity in January， 2013

4.2 近地层风场

青岛地处山东半岛南部沿海，常年南北风交替出现，西北风即为内陆吹来的陆风，东南风为黄海海上吹来的海风。本文采用17方位风向(含静风)统计分析了2003—2013年不同风向风速情况下，青岛地区污染物浓度的变化[9]。

当地面流场为南风到东风时，PM2.5、PM10、SO2、NO24种污染物的浓度都偏低。当地面流场为北风到西风时，上述4种污染物的浓度都偏高(见图8)。对于霾污染天气来说，首要污染物主要是PM2.5和PM10，说明海风时污染物浓度低，陆风时污染物浓度高，特别是PM2.5的特征表现尤为明显(见图8(a))。而东北风和西南风的情况较为复杂。青岛的东北部为烟台和威海两市，均为山东半岛沿海城市。当地面流场为东北风时，烟威地区为来自黄海北部的海风，青岛受到经过烟威地区海风的影响，PM2.5浓度并不高，但其他三种污染物的浓度与西北风流场的情况区别不大。当地面为西南风流场时，青岛受到来自鲁西南和河南一带的陆风影响，污染物浓度较高，与西北风流场的情况类似。可见，近地层输送对青岛本地污染物浓度的变化有较明显的影响，内陆地区污染物会随着地面流场输送至青岛地区，导致青岛局地污染物浓度的增大。

(单位mg/m3，a. PM2.5；b. PM10；c. SO2；d. NO2)图8 各风向污染物浓度玫瑰图

进一步分析风向风速与空气质量指数的逐时变化发现，当陆风风速在4.5 m/s以下时，风速越小，空气质量指数越高，说明静小风使得污染物堆积不易扩散；当陆风风速在4.5 m/s以上时，风速越大，空气质量指数越低，说明北大风对污染物的扩散作用明显，利于大气清洁。而对于海风来说，不论风速大小，都比陆风更利于污染物的扩散，当陆风转海风后，空气质量指数等级可以下降一到两级，空气质量明显好转，这应该是海上吹来的大气比较洁净的缘故。当南风风速增大时，空气质量指数会进一步下降，但下降幅度并不大，AQI基本维持在100以下，是优良的等级(见图9)。

(红色曲线为AQI；蓝色曲线为风速；箭头为风向。Red line: AQI; Blue line: Wind speed; Arrow: wind direction.)图9 风向风速与空气质量指数的逐时变化

利用青岛一百多部自动气象站的风速数据，绘制霾污染天气时的平均水平风速分布图，发现出现重度霾污染天气时的日平均风速基本都小于3 m/s。在李沧区到市北区一带，以及崂山西侧是弱风区(见图10)，这一区域基本对应了青岛城市灰霾带的位置，进一步说明了低风速是导致污染物堆积而难以扩散流出的原因之一，霾污染天气与静小风过程有密切联系[10-12]。

(·为青岛13个环境空气质量监测站位置。·Positions of ambient air quality monitoring stations in Qingdao.)图10 2013年23天重污染日平均水平风速场

5 结论

本文通过统计分析2003—2013年气象要素观测资料和青岛市区环境空气质量数据，初步分析了青岛市区霾污染天气的时空分布特征、环流形势和边界层特征。

(1)12月至次年1月是青岛霾污染天气的高发期，绝大多数中度污染以上的霾天气都发生在这一阶段。青岛环境空气质量也有明显的“三峰”日变化特征，即市区出现污染较重、范围较大的霾天气多集中在10～13时、20时前后和4时前后。

(2)首要污染物不同，青岛城市灰霾带的位置不同。当PM10为首要污染物时，中度污染以上程度的区域主要集中在青岛市北区至李沧区的偏西部靠近胶州湾一带，尤其在市北区南部和李沧西北部较重；当PM2.5为首要污染物时，中度污染以上程度的区域主要集中在市北区北部至李沧区，崂山西侧局地常达到严重污染的程度。

(3)青岛地区霾污染天气环流形势可分为5类——冷槽底/后部型、纬向型、横槽型、西风槽型、南支槽型。其中冷槽底/后部型产生的霾污染天气最多,且持续时间长，占60%，而南支槽型的霾污染天气最少，仅占2%。

(4)霾污染天气对应着逆温的存在，当逆温层较高时，不需很强的逆温强度即可使霾污染天气维持，但当逆温层较低时，则需要较强的逆温强度才能有霾污染天气出现。当霾污染天气连续发生时，逆温层先加强后减弱，逆温层高度、强度与AQI呈正相关关系。霾污染天气出现时，大气层结多呈下湿上干状态，且风速垂直变化较小，在逆温处有风向的垂直切变。静小风和冷空气与霾污染天气的生消关系密切。青岛的弱风区与城市灰霾带的位置基本对应，而在灰霾消散的次日，整层大气常有明显降温。

(5)青岛地区吹陆风时污染物浓度高，海风时污染物浓度低。当陆风风速在4.5 m/s以下时，风速越小，空气质量指数越高；当陆风风速在4.5 m/s以上时，风速越大，空气质量指数越低。重度霾污染天气时的日平均风速基本都小于3 m/s。当陆风转海风后，空气质量明显好转，空气质量指数等级可下降1～2级，使AQI基本维持在100以下。

根据上述特征，可以将冬季青岛地区的霾污染天气预报思路初步分为以下几步。首先要明确天气形势的大背景，当500 hPa环流形势为冷槽底/后部型，地面对应弱的气压梯度和风场时，就要考虑青岛本地霾天气出现的可能性。当青岛探空曲线有明显的逆温表征，且逆温有加强的趋势时，要重点观察逆温层附近水平风的垂直切变。如果满足上述特征指标，就要对霾天气作出预报。另外，当地面北风有所增大时，要考虑地面风向和上游地区污染物浓度的实况，对外来输送导致的本地空气质量下降作出及时的预报。当北风持续增大或南风持续时，就要考虑霾天气过程的结束。

致谢：感谢青岛市气象局马艳正研高工对本文撰写给予的指导和帮助。

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责任编辑 庞 旻

The Characteristics of Haze Pollution Days in Qingdao

BI Wei1, WAN Fu-Jing1, LU Xue1, ZHANG Kai-Jing1, SUN Meng2, GAO Shan3

(1. Qingdao Meteorological Bureau， Qingdao 266003, China; 2. Environmental Monitoring Center of Qingdao， Qingdao 266003， China; 3.North China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration, Qingdao 266000, China)

According to the meteorological observation data and ambient air quality data from 2003 to 2013, the temporal and spatial distribution characteristics of circulation situations and boundary layer in Qingdao are analyzed. The statistical results indicate the haze days with air pollution above 4-level generally appear from December to next January and the hourly variation of air quality index (AQI) shows “Three Peaks” pattern. Haze pollution areas of Qingdao include from Shibei district to Licang district and the west area of Laoshan Mountain. 60% haze pollution days appears on the bottom of cold trough at 500 hPa. As well as Qingdao located in the center of surface high pressure or saddle field. Inversion strength and thickness appear somewhat positive relationship with AQI during haze pollution days. Land breeze makes high pollutant density, while sea wind makes low one. Either north wind speed more than 4.5 m/s or lasting south wind could decrease pollutant and clean air.

haze; air pollution; temporal and spatial distribution; circulation situation; inversion; surface wind

山东省气象局2013年气象科学技术研究项目“青岛地区霾天气特征分析与统计预报方法研究”；青岛市气象局2014年气象科学技术研究项目“青岛霾污染天气预报预警技术研究”资助

2014-08-03；

2014-11-26

毕 玮(1981-)，女，硕士，工程师，主要从事短期天气预报工作。E-mail: vvbw@163.com

P468.0+28

A

1672-5174(2015)05-011-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20140292