浙北地区一次冷空气过程中的灰霾天气过程分析

2015-08-02周之栩

浙江气象 2015年1期

关键词：灰霾冷空气大气

周之栩

(湖州市气象局，浙江湖州 313005)

浙北地区一次冷空气过程中的灰霾天气过程分析

周之栩

(湖州市气象局，浙江湖州 313005)

利用常规气象观测资料、中尺度自动站资料、探空站资料和空气污染资料，对2014年1月3-4日浙北地区的一次大范围灰霾天气过程进行了综合分析，结果表明：冷空气南下和中层高度的干燥暖舌影响，是这次灰霾天气过程的天气背景；冷空气受到700 hPa干暖舌的抑制作用，侵入700 hPa以上高度的速度缓慢，导致地面虽然有较大风速，但在中层形成的逆温结构，使得这次灰霾天气过程能够维持；发生霾时的混合层高度比轻雾高，大气混合层高度的变化对霾的发展变化有较好的指示作用，可为霾的预报提供参考依据。

霾;逆温层;混合层高度

0 引言

灰霾在大气科学名词被定义为：悬浮在空中肉眼无法分辨的大量微粒，使水平能见度小于10 km的天气现象[1]。灰霾不仅使大气能见度下降，影响交通安全，而且对人体健康也有极大的影响。近年来, 随着工业的发展和城市化进程的不断加快，人类活动向大气中排放的污染物大量增加, 导致都市灰霾天气急剧增多，灰霾问题也越来越引起各国政府和公众的广泛关注。近年来由于观测手段的丰富和观测技术的提高，很多学者通过不同的途径对灰霾天气作了分析研究。如吴兑等研究了珠三角地区大气灰霾导致能见度下降的问题[2]；胡荣章等在化学成分分析的基础上，利用灰霾与能见度的关系，数值模拟了南京地区能见度分布及灰霾天气现象[3]；刘爱君等对广州灰霾天气的气候特征进行了分析[4]；童尧青等利用南京及其郊区气象站的观测资料，研究了南京地区霾天气的气象要素特征，并对其成因进行了分析[5]；魏秀兰等对鲁西南霾天气个例进行了分析,上述研究加深了人们对霾的认识[6]，研究[7-9]发现, 灰霾往往出现在地面风速较小的情况下，在受到冷空气影响后, 随着地面风速的增大,大气水平扩散能力增强, 灰霾天气过程往往也随之结束。2013年1月3—4日, 浙江省北部地区(杭州、嘉兴、湖州,以下简称浙北地区)出现了一次大范围灰霾天气过程，3日下午, 冷空气开始影响浙北地区，风力加大，出现灰霾天气的区域范围随冷空气的影响发生变化,但出现灰霾天气的站点数量仍然较多,在较大风速情况下仍然有多个站点出现了灰霾天气；同时在整个冷空气影响过程中，出现灰霾天气的站点数量基本没有明显的减少，这是本次天气过程值得研究的地方。本文对这次灰霾天气过程进行了分析, 试图探讨本次过程的成因，希望为霾的预报提供一些参考依据。

1 霾天气过程概述

1.1 霾和空气污染监测分析

2014年1月3日浙北地区出现了一次大范围霾天气过程。3日08:00,浙北地区除5站为轻雾外，其余13站都为霾天气。之后，随着日间气温上升和人类活动增多，轻雾逐渐消散，而霾开始增多。到了3日10:00，浙北地区全境已被霾影响，其中嘉兴全境出现了能见度小于3 km的中度霾；3日14:00左右，冷空气开始影响浙北地区，风力增大，浙北地区能见度有所好转，但全境的霾站个数没有减少，这种情况持续到4日17:00，4月18:00起嘉兴东部平湖、海盐两站转为轻雾，其余仍为霾天气，以后随着气温降低，空气湿度增大，至4日23:00全境转为轻雾。

导致霾天气的是大气中的气溶胶颗粒，因此霾的形成与污染物排放密切相关。根据浙江省环境监测和数据统计平台1月3—4日发布的杭嘉湖城市每日空气质量统计结果表明，杭州和嘉兴的空气污染指数均在150～250之间, 属中度或重度污染，湖州的空气污染指数达200～260之间，属于重度或严重污染，3地的首要污染物均为可吸入颗粒物PM2.5。从影响范围和影响时间上看, 是2013—2014年冬季浙江省最严重的灰霾天气过程之一。

1.2 天气背景

从1月3日08:00时500 hPa天气图(图1)上可以看到,在东北至山东有一大槽维持，同时在在112°E附近有一短波槽活动，浙江处于槽前的西南偏西气流控制；700 hPa高空槽在115°E附近，浙江受偏西气流影响，配合温度场来看, 在云贵高原以东存在一个暖中心, 有一条干燥的暖舌从暖中心延伸到浙北地区；在850 hPa图上, 我国中东部地区均为温度脊控制，高空槽由东北穿过江苏直至安徽并逐渐东移南压，地面图上位于我国北方的弱冷空气前锋到达东北、内蒙古一线，我国中东部地区为均压场或弱高压控制，气压梯度小，水平风速弱，不利于污染物的水平扩散，天气形势有利于大范围灰霾发生。

图1 2014年1月3日08时500 hPa环流图

3日下午16:00左右，冷空气开始影响浙北地区，4日08:00, 500hPa图上，浙北地区仍为偏西风控制，850 hPa和700 hPa天气图上，浙北已转为偏北风，但700hPa的干暖舌仍然存在，暖平流不断向浙北地区输送，这种情况一直维持到4日20:00以后；地面图上，浙北风力加大，部分地区的地面最大风力达到6～7 m/s，全境霾天气有所缓解，但霾站个数没有减少，4日14:00以后，随着冷空气势力逐渐减弱，浙北地区风力减小，能见度重新转差，霾又逐渐加重。

综上所述, 本次冷空气过程虽然使得地面风力加大，但由于中层干暖舌的存在，使得中层始终有暖平流向浙北地区输送，抑制了冷空气向700 hPa以上的侵入，是这次冷空气大范围灰霾天气能够持续的重要因素。

2 灰霾天气的气象要素特征

2.1 地面要素特征分析

随着现代观测手段的发展，中尺度自动站观测的气象要素多且时间分辨率高, 在3—4日的持续灰霾天气过程中, 能够连续观测到灰霾和相关气象要素的变化。本文以杭州、嘉兴、湖州3站的气象要素平均值来分析这次灰霾天气过程中浙北地区地面气象要素的变化特征。

日期时次图2 杭嘉湖3站2014年1月3日08:00—4日20:00杭嘉湖逐时平均风速、平均3 h变压及平均24 h变压曲线图

图2是2014年1月3日08:00到4日20:00杭嘉湖逐时平均风速、平均3 h变压及平均24 h变压曲线图。由图可见，3日12:00之前，浙北地区的气压变化很小，风力也不大，这与饶晓琴等提出的“小的风速有利于污染物的聚集，降低大气能见度，形成灰霾”[10]的观点非常一致。3日14:00后，随着冷空气的逐渐南下影响浙北地区，气压持续增大，风力也开始增强。3日20:00的3 h变压达到2.1 hPa，24 h变压也达到4.0 hPa, 风速增加到6 m/s(4级)，浙北地区有15个站点在出现灰霾天气时的风力达到3～4级；其中，湖州站8.7 m/s(5级)为最大；4日2:00, 气压继续增大，风力持续上升，但仍有12个站点在3～4级的风力下出现灰霾天气, 以德清站(湖州)的7.6 m/s(4级)最大；此后的4日2:00-17:00，浙北地区在有霾天气影响的情况下，始终有超过9站的风力维持在3～4级以上，在存在如此之大的地面风速的情况下，整个浙北地区仍维持大范围的灰霾天气，与“冷空气影响灰霾区域后会导致灰霾消散的观点”[9]较不一致。

2.2 大气层结特征分析

研究[11,12]表明，近地层出现逆温，可使污染物在地面上停滞积聚，加剧空气污染的程度，有利于雾霾天气的形成。从杭州市1月3日08:00、20:00及4日08:00的探空资料中可见(图3a、3b)，3日08: 00杭州近地面存在一个逆温层，最高逆温层顶较低，在925 hPa以下，有利于污染物在边界层内积聚，此时杭州地面为霾天气，同时受700 hPa干暖舌影响，700～600 hPa之间也有逆温层存在；20:00地面冷空气已经开始影响杭州，700 hPa已转为偏北气流，但受700 hPa干暖舌的抑制作用，700～600 hPa之间的逆温层仍然维持，使得冷空气只影响到700 hPa 以下高度，700 hPa以上高度仍以偏西南气流为主，近地面仍有逆温层维持，但强度有所减弱，大气湍流交换和热力对流仍然较弱，不利于污染物扩散，因此霾持续，但强度有所减弱；4日08:00，冷空气仍未侵入700 hPa 以上高空，同时600～925 hPa转为逆温层，近地面层的逆温也开始加强，灰霾天气持续，强度加强。

图3 杭州2014年1月3日0时(a)20时(b)4日08时(c)探空曲线图

杭州的大气层结分析表明，在这次灰霾天气过程中，虽然近地面层的逆温层较为浅薄，但由于冷空气受到700 hPa 干暖舌的抑制作用，侵入700 hPa以上高度的速度缓慢，导致地面虽然有较大风速，但也形成低层偏冷、中层偏暖的逆温层结构，从而导致大范围灰霾天气能够持续。

3 灰霾天气混合层高度分析

混合层高度表征污染物在垂直方向被热力对流与动力湍流输送所能达到的高度，是影响污染物扩散的重要参数。当混合层高度较低时，污染物在垂直方向的混合输送受到限制，易造成较高浓度的污染。计算混合层高度常用方法为罗氏法，它是Nozaki 等人1973年提出的一种利用地面气象资料估算混合层高度的方法[13]。计算公式如下：

(1)

(1)式中，h为混合层高度，T-Td为温度露点差，P为Pasquill稳定度级别[14]，Uz为高度Z处的平均风速，Z0为地表粗糙度，f为地转参数。图4是应用罗氏法计算的杭州、嘉兴、湖州3站2014年1月3日08时到4日20时的混合层高度变化图。

图4 杭嘉湖3站2014年1月3日08时—4日20时混合层变化图

如图4可见，3日8:00杭州、湖州的混合层高度在1 km左右，两站为霾天气(参见图3a，杭州925 hPa以下有一逆温层，有利于污染物在边界层内积聚)，嘉兴的混合层高度在500 m左右，为轻雾控制；随后3站的混合层高度逐步抬高，随着水汽、污染物向上扩散稀释，嘉兴的轻雾也逐渐转为霾天气；3日14:00左右，近地面开始受到冷空气的影响, 但混合层高度变化不大，基本维持在1.5～2.0 km之间，整个浙北地区仍为霾天气影响；3日20:00至4日14:00，3站的混合层高度基本维持在1.0～1.5 km，浙北地区能见度有所好转，但全境的霾站个数没有减少(参见图3b、3c，虽然地面冷空气已经开始影响浙北地区，但受700 hPa干暖舌的抑制作用，700～600 hPa之间的逆温层始终存在，对混合层的维持非常有利)；4日14:00以后，随着地面风力的逐渐减小，3站的混合层高度也是逐步降低，地面能见度也出现了同步的下降，至4日19—20时，当湖州、嘉兴的混合层高度达到500 m左右时，两站又转为了轻雾天气，当混合层高度降低时，有利于低层水汽积聚, 促进雾的形成和发展。