哈尔滨一次罕见持续雾霾天气的成因及特征分析

2015-09-02欧娜音柏金凤

黑龙江气象 2015年2期

欧娜音，王文，柏金凤

（1.哈尔滨市气象局，黑龙江哈尔滨150028; 2.通河县气象局，黑龙江通河150900；

3.绥化市气象局，黑龙江绥化152002）

1 引言

雾霾天气已经成为一种新的气象及环境灾害性现象。2013年10月19-23日哈尔滨出现了持续时间和强度上属历史最强的雾霾天气。伴随雾霾现象所发生的重度空气污染和空气质量问题，不仅造成大气能见度下降，还对社会经济、特别是人体健康造成了重大影响，引起了公众和各级政府的高度关注。因此，分析哈尔滨地区雾霾天气形势的时空变化特征以及相关气象要素的演变规律，对准确观测和预报雾霾天气、减少灾害损失、保障交通安全和环境质量具有重要意义。

正常情况下，秋、冬季黑龙江省常受大陆冷高压控制。在这种天气形势下，(1)低层风的垂直切变小，在对流层低层风速偏小，近地面低空为静风或微风，大气稳定度加强，空气水平扩散条件差；(2)天气晴朗少云，有利于夜间的辐射降温，通常在近地面形成逆温层，抑制了空气垂直向上的扩散，浓雾削弱了地面的短波辐射增温，有利于逆温层的维持，冬季12-2月哈尔滨市出现辐射逆温的平均日数占总天数的80%以上；(3) 降温的同时也增大了空气的相对湿度，温度露点差减小直到空气达到饱和，从而凝结形成雾。这些气象因子有利于强雾霾天气的出现及其持续维持。雾霾常常相伴而生，大范围雾霾天气一旦形成，在有利的天气条件下可维持数日。

2013年入秋之后，北方冷空气活动不如常年频繁，势力也不强，但南方热带系统与常年比处于较强状态，仍然对北方有一定的影响力，大气环流处于南北对峙的形态，结果导致海上水汽不断向北方输送，形成大雾天气，加之近地面逆温、静风等天气条件和污染物排放，使得2013年黑龙江省雾霾天气明显偏多，哈尔滨也出现了范围广，程度重，持续时间长，历史罕见的雾霾天气。其中，2013年10月19-23日发生的雾霾天气最具有代表性。

2 雾和霾的主要特征及区别

雾是指在接近地球表面、大气中悬浮的由小水滴或冰晶组成的水汽凝结物，是一种常见的天气现象[1]。当气温达到露点温度时（或接近露点），空气里的水蒸气凝结生成雾。无污染状态下，雾的凝结核是由花粉、灰尘和可溶性盐的微粒等物质组成的。而出现污染状况时，凝结核还可能扩展为空气中的污染物粒子。霾又称灰霾（烟霾），主要是人为因素造成的，由空气中的有机碳氢化合物、硫酸盐、硝酸盐及灰尘等颗粒浮漂在一定空气范围，使空气中的能见度降低，空气质量下降[2]。有时也将霾分为干霾和湿霾。

一般来讲，雾和霾的区别主要在于水分含量的大小：水分含量达到90%以上的叫雾，水分含量低于80%的叫霾。 80%-90%之间的，是雾和霾的混合物[3]。

过去，对霾没有分级标准。2006年中国气象局发布的预警信号标准对霾分为黄色、橙色二级预警，2013年中国气象局根据空气质量的PM2.5浓度与大气能见度、相对湿度等气象要素指标，对霾的预警分为三级，分别为黄色、橙色、红色预警。

3 环流形势分析

图1 10月20日20时哈尔滨地区(a)850 hPa 高空实况和（b）地面实况形势

图2 10月21日20时哈尔滨地区(a)850 hPa 高空实况和(b)地面实况形势

从2013年10月19日20时850 hPa 高空图上可以看出（图略），哈尔滨始终是在贝加尔湖大槽前的弱西南气流当中，等高线稀疏，高空风力较小。从温度曲线上看，哈尔滨处在0-4 ℃之间的暖空气中，而地面处于偏南气流的弱高压控制中，等压线稀疏，地面风力也较小。 20日20时850 hPa 高空图中贝加尔湖处的槽加强成低涡，低涡中心东移至蒙古东部，此时哈尔滨离此低涡还较远，哈尔滨等高线稀疏，风力仍较小。高空温度曲线仍维持在0-4 ℃之间的暖空气中，而地面仍然无明显变化，中心偏东但等压线稀疏，风力较小（图1）。21日20时850 hPa 高空图上可以看出，中心位于蒙古国的低涡南压加强，外围进入内蒙东部，此时高空哈尔滨影响不大，温度虽处在0-4 ℃，但有所北抬，导致高空温度有所升高，加强了逆温层的厚度。而地面形势上可以看到随着内蒙东部低压的加强，哈尔滨所处的弱高压也有所加强，等压线加强，风速加大，但程度对雾霾的扩散起不到明显作用（图2）。 22日20时的850 hPa 高空图可看出（图略），虽中心位于内蒙东部的低压中心减弱，但哈尔滨上空的弱高压有所加强，使得高空风力加大，但温度曲线仍控制在0-4 ℃之间，造成高空温度仍被暖空气控制中，逆温维持存在。但此时的地面形势可看出哈尔滨处于低压前部，等压线密度加强，风力开始加大，有利于雾霾天气的减弱。

23日08时850 hPa 高空实况可以看出（图略），哈尔滨处于低涡前部，受暖式切变的影响，哈尔滨即将产生降水，对雾霾天气的减弱有利。另外，从850 hPa 温度曲线看出，哈尔滨虽然仍处于0-4 ℃线之间，但4 ℃温度曲线已下压到朝鲜中部，说明有冷空气进入哈尔滨，破坏了稳定的温度形势，逆温层厚度减弱。而地面等压线密集，风力加大，对雾霾天气的扩散有利。

4 逆温层

在大气环流相对稳定时期，大气层结稳定，近地层空气流动（风速）很小，大气会形成上暖下冷的“逆温层”。逆温层中较暖而轻的空气位于较冷而重的空气上面,形成一种极其稳定的空气层,笼罩在近地层的上空,严重地阻碍着空气的对流运动。对流运动受阻导致近地层空气中的各种有害气体, 如汽车尾气、烟尘以及水汽等，只能飘浮在逆温层下面的空气层中,无法向上向外扩散，有利于云雾的形成，导致能见度降低，甚至由于空气中的污染物不能及时向大气中扩散，造成大气污染加重[4]。灰霾还诱发鼻炎、支气管炎、佝偻病等多种疾病，危害人体健康。大量研究结果表明,近地层出现逆温有利于雾霾的形成。

19日20时-23日12时逆温差都在4 ℃以上，最大逆温差值为7 ℃。而逆温层厚度基本都在200 m以上，最大厚度为973 m。逆温差和逆温层厚度也反映了逆温层的强度。另外，逆温差变化规律虽然不是太明显，但基本可以与逆温层厚度变化特点共同总结为08时的数值大于20时的数值。因此，可以说明08时的逆温差和逆温层厚度大于20时的逆温差和逆温层厚度，也能说明08时的逆温层强度大于20时。

5 气象要素特征

5.1 相对湿度和能见度特征

从相对湿度逐小时变化看，虽有高有低，但通过图3 中能见度与相对湿度逐小时对比分析，可知19日11时-20日17时哈尔滨基本属于霾天气，但从20日17时-23日00时的相对湿度数值看基本都接近100%，这个时刻的相对湿度与能见度对比可得出此时刻属于雾霾混合物持续存在，地面污染物浓度累积升高，持续严重大雾灾害与持续累积高污染叠加，使得霾天气加重。 23日00时随着相对湿度的减小，能见度趋于好转。

图3 2013年10月18-24日哈尔滨能见度和相对湿度

5.2 气压

当大气处于稳定状态时,污染物在大气中的扩散速率小,范围狭窄,否则反之[5]。从气压变化实况上看（图略），哈尔滨本站气压在19日00时-23日00时一直处于平稳状态，没有垂直和水平方向上的流动，因此不利于雾霾天气的扩散。

5.3 风速

一直维持风速较小或静风状态，是典型的静稳天气，导致污染物的持续积累和霾天气的形成和发展[6]。 2013年18日风速是缓慢减弱，19日17时开始出现静风，20日风速白天属1级以下的风。 21日全天静风。雾霾天气从这个因素上考虑无法减弱。22日白天有2级以下的风傍晚减小，哈尔滨从23日凌晨风速开始加大，雾霾天气减弱。