刘馨语，陈权亮

(成都信息工程大学大气科学学院,高原大气与环境四川省重点实验室，成都 610225)



· 大气环境 ·

四川盆地大气层结变化及其对雾霾天气影响的个例研究

刘馨语，陈权亮

(成都信息工程大学大气科学学院,高原大气与环境四川省重点实验室，成都 610225)

四川盆地是全国人口最集中且周边地势起伏最大的区域之一，以石化燃料为主要能源，排放量较大，是我国4大雾霾高发地之一，研究四川盆地大气层结对雾霾天气的影响十分重要。利用中国气象科学数据共享网提供的高空探测资料，分析1980～2012年成都地区大气层结的分布和变化特征研究结果表明，成都地区近30年平均大气层结特征总体表现为：年平均温度随高度呈“<”型变化，表现为先减小后增大的变化特征。温度在地面时最大，在100hPa附近最小；年平均温度露点差总体呈上升的变化趋势，在925hPa以下近地面夜间平均温度露点差远高于白天；年平均风速在近地面最小约为3.5m/s，同时随高度逐渐增加。在200hPa附近达到最大值，随后逐渐减小。在50hPa高度以上高空风速维持在10m/s左右。在2005年12月的雾霾天气个例中，四川盆地东部连续4天出现了重度雾霾，各日14时能见度均低于2km，日较差不高于5℃，在对此次雾霾天气发生过程的观测中发现在700hPa附近有逆温层的出现，同时在雾霾发展中期500hPa～700hPa间相对湿度较大；在2013年1月7日～16日的雾霾天气个例中，发现在500hPa～700hPa之间存在有明显扰动逆温，700hPa以下相对湿度较大。总的来说，四川盆地雾霾天气常发生在冬季，在雾霾天气发生前期具有大气层结偏稳定，相对湿度较大，风速较小，近地面易出现逆温层等特征；在雾霾天气发生中期，逆温层的强度明显增强，相对湿度增大；雾霾天气后期，随着风速增加或降雨等大气层结的不稳定变化，雾霾天气过程结束。

四川盆地；大气层结；雾霾天气过程

1 引 言

四川盆地是我国雾霾天气较为严重的地区之一[1]。分析发现，由于盆地多处于低洼地带，四面环山，导致夜间降温慢，是中国昼夜温差最小的地区之一。地形比较闭塞，年平均风速较小和静风频率高，不利于污染物的输送扩散。加之地面江河纵横，水汽充沛，相对湿度较高，在此特殊的地形条件下易形成雾霾[3]。而在雾霾天气发生时，大气层结稳定[4]，近地面普遍存在强度较高的逆温层[5]。同时低层大气的湿度较大, 风速小于3 m/s，有利于水汽饱和凝结形成雾，昼夜温度露点差小于3℃[6]。这些气象要素大气层结的稳定都为四川盆地雾霾天气的持续发生提供了良好的条件。

通过张人禾[7]等的研究发现，大气层结对雾霾的影响可以从动力和热力两方面解释，动力主要影响雾霾天气水平和垂直方向上污染物的向外扩散程度，热力的影响表现在对大气层结和近地面空气的稳定性以及饱和程度对雾霾的影响。曹伟华[8]在影响雾霾天气因子的研究中提出，持续的低压、较小的地面风速、PM2.5浓度的稳定上升以及空气中相对湿度的增大都为雾霾天气的形成和发展提供了充足的气象条件。同时，苗爱梅[9]认为，相对湿度、PM2.5浓度、气压、风速是大气层结中影响雾霾天气的重要因子，其中PM2.5浓度和相对湿度才是直接影响雾霾天气过程能见度大小的主要因子。

通过研究发现，雾霾天气基本上都是由于雾和霾的混合物造成的。而雾和霾的区别主要在于雾是悬浮于空气中的水滴小颗粒，相对湿度在90%以上且水平能见度小于1km；而霾是悬浮于空气中的固体小颗粒，包括灰尘、硫酸、硝酸等各种化合物，其相对湿度小于80%且能见度小于10km。一般来讲，在四川盆地，由于地面风力较小，大气层结稳定，一些地区由于降水和地面水汽蒸发的影响，使得近地面空气的相对湿度越来越大；同时夜间天空晴朗少云，辐射降温的幅度比较明显[11]，有利于湿空气饱和凝结，形成大雾。在白天气温上升、湿度下降，在这种稳定的天气形势下，空气中的污染物在水平和垂直方向上都不容易向外扩散，使得污染物在大气的浅层积聚，从而导致污染的状况越来越严重[12]，从而逐渐转化成霾。这就是导致我国四川盆地地区出现大范围雾霾天气的重要原因。同时，城市经济发展带来的汽车尾气排放和工业三废排放，都对雾霾天气的发生起着重要的影响作用。与其他发达地区相比，四川盆地雾霾天气的研究相对较少，因此积极开展四川盆地雾霾天气的相关研究十分重要。由于四川盆地特殊的地形结构和气象条件，分析发现四川盆地近30年期间大气层结没

有明显的时序变化，因此本文主要讨论现有层结特征对大气扩散和促进雾霾形成因素的影响作用。首先对四川盆地近30年的平均温度、湿度以及风速等影响雾霾天气过程的重要因子进行分析，以便了解四川盆地大气层结的总体变化特征。再从雾霾天气个例出发，分别分析雾霾天气发生过程的前中后期的大气层结变化，从而探讨四川盆地大气层结对雾霾天气影响。

2 资料与方法

本研究的资料主要来自于中国气象局相关台站提供的气象观测数据和中国气象科学数据共享网提供的高空探测资料。

通过从四川盆地156个测站中选取资料较全的成都测站(2003年搬迁到温江测站)为代表，对成都1980年～2012年的温度，温度露点差以及风速等高空探测数据进行整理，并对近30年平均温度、温度露点差、风速的垂直廓线图进行分析，为研究四川盆地大气层结对雾霾的影响提供数据基础。

同时分别选取2005年12月和2013年1月四川盆地两个具有代表性的四川盆地雾霾天气过程为个例，通过对两个雾霾天气过程中大气层结温湿度随高度的变化特征进行分析，以此来研究大气层结对雾霾天气的影响。

3 成都地区大气层结变化特征

图1 1980～2012成都站年平均温度垂直廓线Fig.1 1980～2012 Chengdu meteorological station annual average temperature vertical profile

为了研究现有层结特征对大气扩散和促进雾霾形成因素的影响作用，分析大气层结随高度的变化特征，分别对成都测站近30年年平均温度，温度露点差以及风速随高度的变化进行分析，探讨成都地区近30年大气层结的变化特征。

图1为1980年～2012年成都测站近30年年平均温度的垂直廓线图，根据每0时和12时的数据分析显示，成都近30年平均温度变化趋势表现为：在地面温度最高，随着高度的升高，温度逐渐减小到0℃以下，在100hPa附近达到最小值，100hPa以上，温度又随高度的增加逐渐增大，但仍是0℃以下。

图2 1980～2012成都站年平均温度露点差垂直廓线Fig.2 1980～2012 Chengdu meteorological station annual average temperature dew point vertical profile

图2为1980年～2012年成都测站近30年年平均温度露点差垂直廓线图，由图2可以看出，0时和12时平均温度露点差总体呈上升趋势，12时从地面到850hPa附近温度露点差随高度增加而减少，在700hPa附近有一个低值点，从700hPa～500hPa，温度露点差的增加比较快。而在400hPa以下，0时的温度露点差明显大于12时温度露点差，说明12时的空气湿度比0时空气湿度大。

图3 1980～2012成都站年平均风速垂直廓线Fig.3 1980～2012 Chengdu meteorological station annual average wind speed vertical profile

根据图3所示，分析1980年～2012年成都测站0时和12时平均风速垂直廓线图发现，成都近30年平均风速变化总趋势是风速随高度先增加后减小。近地面风速最小，约为3.5m/s，从地面到200hPa高度附近，风速随高度增加而增大，在200hPa达到最大值；200hPa以上，风速则随高度的增加而减小，到50hPa以后高空风速维持在10m/s左右。由于雾霾天气的发生更多是与近地面的大气参数有关，因此3 000m以上的高空风速对雾霾天气的影响不大。

4 四川盆地雾霾天气个例分析

4.1 2005年12月25～28日四川盆地东部一次雾霾天气过程分析

2005年12月25～28日四川盆地东部连续4天出现了重度雾霾天气，各日14时能见度均低于2km。以此次雾霾天气过程为个例,将雾霾过程划分为前中后三个时期，并对各时期雾霾天气的层结湿度以及层结温度进行分析，概括四川盆地常见雾霾天气过程的变化特征。

4.1.1 雾霾发展前期

此次雾霾天气过程发生在四川盆地东部，所以选取位于四川盆地东部的沙坪坝站提供的探空资料为代表。通过对2005年12月25～28日每日08时和20时高空资料进行分析，得出四川盆地在雾霾天气的影响下大气层结温度和湿度的变化趋势。

图4为2005年12月25日～26日温湿度廓线图，作为此次雾霾天气过程的前期，分析其各时段温湿度变化特征发现：25日～26日各日温度基本随高度的升高而缓慢降低，但在850hPa～700hPa附近有明显逆温层，温度随高度有所增加。最高温度不超过10℃，日较差不超过5℃。从温度露点差来看：由于温度和温度露点相差越小即表示其相对湿度越大。如图可知：雾霾天气发展前期相对湿度整体较高，说明空气中水分含量较高。到26日，相对湿度明显有所下降，尤其在850hPa附近，相对湿度达到一个低值，说明空气较为干燥。同时由于近地面700hPa～850hPa之间出现了明显逆温层，中低空的逆温层阻碍了污染物的垂直扩散，使得近地面的污染物浓度不断积累增大，为雾霾天气的发生提供了颗粒物和气象因子。

图4 2005年12月雾霾发展前期个例温度湿度廓线图Fig.4 Temperature and humidity profiles in December 2005

4.1.2 雾霾发展中期

图5 2005年12月雾霾发展中期个例温度湿度廓线图Fig.5 Temperature and humidity profiles in December 2005

图5为2005年12月27日温湿度廓线图，作为此次雾霾天气过程的中期，分析27日08时温湿度变化特征发现：温度随高度升高而缓慢降低，最高温度不超过15℃，日较差不超过5℃ 。从温度露点差来看：27日08时和20时大气层结较稳定相对湿度趋势相似，在850hPa以下近地面附近相对湿度有所增加，且明显大于850hPa以上高度的相对湿度，说明近地面空气较湿润，高层空气较干燥；同时27日晚上20时空气湿度明显比白天20时大，为雾霾天气的持续提供了有利的气象条件。

4.1.3 雾霾发展后期

图6 2005年12月雾霾发展后期个例温度湿度廓线图Fig.6 Temperature and humidity profiles in December 2005

图6为28日温湿度廓线图，作为此次雾霾天气发展的后期，分析28日各时段温湿度层结变化特征发现：28日温度随高度升高而缓慢降低，最高温度不超过12℃，日较差不超过5℃。从温度露点差来看，相对湿度明显减小，并且水汽含量从700hPa左右向高层急剧降低。同时伴随着低空逆温的消失，此次雾霾天气也随之结束。

4.2 2013年1月四川盆地一次雾霾天气过程分析

2013年1月雾霾天气在四川盆地频繁并持续的出现，四川省气象台发布了7次大雾橙色预警，期间共出现了3次大范围的雾霾天气过程，主要发生在7日～16日、21日～23日和26日～31日。其中7日～16日发生的雾霾天气过程是四川盆地入冬以来持续时间最长、强度最大的雾霾天气。因此，取7日～16日的雾霾天气过程作为主要分析个例，并以气象要素的变化情况为基准分别从雾霾天气过程的前中后三个时期做详细分析。

4.2.1 雾霾发展前期

由于此次雾霾天气发生在成都地区，因此选取四川盆地温江站的探空资料为代表，由2013年1月7日～16日每日08时和20时温湿度廓线图分析四川盆地在雾霾天气的影响下温度和湿度的层结变化趋势。

图7 2013年1月雾霾发展前期个例温度湿度廓线图Fig.7 Temperature and humidity profiles in January 2013

图7为2013年1月8日温湿度廓线图，作为此次雾霾天气过程的前期，分析8日20时温湿度变化特征发现：从温度变化来看，温度随着高度的升高而缓慢降低，最高温度不超过10℃，日较差不超过5℃。从露点温度变化来看，相对湿度总体不高，空气较干燥，分布较为平均。由于研究雾霾污染物的堆积以低空为主，即对流层内700hPa以下的逆温层为主，所以虽然在500hPa～400hPa之间存在小的扰动逆温，但对雾霾天气过程影响不大。

4.2.2 雾霾发展中期

图8 2013年1月雾霾发展中期个例温度湿度廓线图Fig.8 Temperature and humidity profiles in January 2013

图8为2013年1月11日～13日温湿度廓线图，作为此次雾霾天气过程的中期，分析11日～13日各时段温湿度变化特征发现：11日～13日四川温江站点的温度总体上随高度升高而缓慢降低，最高温度不超过8℃，日较差不超过5℃。

从露点温度变化来看，11日成都站点温度和露点温度相差比较小说明其水汽含量较高，相对湿度较大；中低层水汽含量明显增加，但由于露点温度与温度没有完全重合，说明中低层相对湿度仍没有达到饱和状态，水汽含量充足。由13日温度露点廓线图可知四川温江站点相对湿度总体含量明显降低。850hPa以下近地面高度相对湿度依然较高，空气中水汽含量多，但850hPa以上高度的相对湿度明显减少，空气较为干燥。为雾霾天气的发展提供了气象因子。

4.2.3 雾霾发展后期

图9 2013年1月雾霾发展后期个例温度湿度廓线图Fig.9 Temperature and humidity profiles in January 2013

图9为2013年1月16日～17日温湿度廓线图，作为此次雾霾天气过程的后期，分析其各时段温湿度变化特征发现：16日～17日整体温度随高度升高而缓慢降低，最高温度不超过8℃，日较差不超过5℃。但在17日近地面，温度急剧减小，与16日相比幅度大于5℃。说明近地面有大风出现。从露点温度变化来看，相较于11日相对湿度明显减小。伴随着大气层结静稳状态的破裂，此次雾霾天气结束。

4.3 总结

总体分析两次雾霾天气过程特征，可以发现两次雾霾天气均发生在冬季，雾霾发生过程中都具有长时间处于均压场控制下，气压梯度小，水平风速弱，气温低，湿度大，整个大气处于静稳状态的气象特征。前期的逆温层以及高湿度条件都为这次雾霾天气的形成和维持提供了有利的气象因子，中期静稳少风的天气状态为雾霾的持续提供了风场条件，后期随着湿度的大大减小，降水或大风天气的出现使得静稳天气状态破裂，雾霾天气结束。

5 结论与讨论

通过中国气象科学数据共享网提供的高空探测资料，分别对成都1980年～2012年的年平均温度、温度露点差和风速进行分析，同时选取2005年12月以及2013年1月四川盆地具有代表性的两个雾霾天气个例过程进行分析，得出以下结论：

(1)成都地区年平均温度在地面时最高，然后随着高度的增加温度减小到0℃以下，在100hPa左右温度达到最低，然后温度随着高度的增加再逐渐增加，但仍是0℃以下。

(2)成都地区年平均温度露点差总体呈上升趋势，在700hPa左右有一个低值点，从700hPa～400hPa温度露点差的增加比较快，在12时的空气湿度比00时小。

(3)成都年平均风速随高度先增加后减小。在地面时风速最大，约为3.5m/s，从地面到200hPa高度附近，风速随高度增加而增大，在200hPa达到最大值，200hPa以上，风速则随高度的增加而减小，在50hPa附近达到最小(10m/s)，并且50hPa以上高度将持续维持这个风速。

(4)在2005年12月的雾霾天气过程中，雾霾天气发生前期日较差不超过5℃，在700hPa附近易出现了逆温层，不利于污染物的扩散，大气层结较稳定，为雾霾天气的发生提供了条件。在雾霾发展中期500hPa～700hPa间相对湿度较大，为雾霾天气的持续提供了气象条件。最后随着相对湿度减小，大气层结不再稳定雾霾天气结束。

(5)在2013年1月的整个雾霾天气分析天过程中，在雾霾天气发生前期，最高气温不超过10℃，相对湿度较低，整个大气层结分布均匀。雾霾发生中期，相对湿度明显增加，中低空水汽丰富，为雾霾天气的持续提供了气象因子。此次雾霾天气的后期，随着近地面大风的出现，温度骤降，大气层结不再稳定，雾霾天气结束。

(6)两次雾霾天气过程的分析结果表明，四川盆地雾霾天气常发生在冬季，在雾霾天气发生前期具有大气层结偏稳定，相对湿度较大，风速较小，近地面易出现逆温层等特征；在雾霾天气发生中期，逆温层的强度明显增强，相对湿度增大；雾霾天气后期，随着风速增加或降雨等大气层结的不稳定变化，雾霾天气过程结束。

[1] 饶晓琴,李 峰,周宁芳,等.我国中东部一次大范围霾天气的分析[J].气象,2008,34(6):89-96.

[2] 郭晓梅,陈 娟,赵天良,等.1961-2010年四川盆地霾气候特征及其影响因子[J].气象与环境学报,2014,30(6):100-107.

[3] 林 建,杨贵名,毛冬艳.我国大雾的时空分布特征及其发生的环流形势[J].气候与环境研究,2008,13(2):171-181.

[4] 胡亚丹,周自江.中国霾天气的气候特征分析[J].气象,2009,35(7):73-78.

[5] 吴 兑,吴晓京,李 菲,等.1951-2005年中国大陆霾的时空变化[J].气象学报,2010,68(5):680-688.

[6] 赵 佶,白爱娟.四川盆地霾天气变化特征和典型霾过程分析[J].环境科学与技术,2015,38(6P):71-76.

[7] 张人禾,李 强,张若楠.2013年1月中国东部持续性强雾霾天气产生的气象条件分析[J].中国科学:地球科学, 2014,(44):27-36.

[8] 曹伟华,梁旭东,李青春.北京一次持续性雾霾过程的阶段性特征及影响因子分析[J].气象学报,2013,71(5):940-951.

[9] 苗爱梅,李 苗.一次持续性雾霾天气过程的阶段性特征及影响因子分析[J].干旱气象,2014,32(6):947-953.

[10] 李艳红,赵彩萍,荆肖军,等.太原地区灰霾天气特征及影响因子分析[J].气候与环境研究,2014,19(2):200-208.

[11] 郑小波,罗宇翔,赵天良,等.中国气溶胶分布的地理学和气候学特征[J].地理科学,2012,32(3):225-272.

[12] 刘小宁,张洪政,李庆祥,等.我国大雾的气候特征及变化初步解释[J].应用气象学报,2005,(16):220-229.

[13] 孙 彧,马振峰,牛 涛,等.最近40年中国雾日数和霾日数的气候变化特征[J].气候与环境研究,2013,(18): 397-406.

[14] 吴生虎,史 凯,刘春琼,等.成都市典型灰霾消散前后PM2.5演化的长期持续性特征[J].环境科学与技术, 2014,37(10):9-14.

[15] 余锡刚,吴 建,郦 颖,等.灰霾天气与大气颗粒物的相关性研究综述[J].环境污染与防治,2010,32(2):86-88.

[16] 高 歌.1961-2005年中国霾日气候特征及变化分[J].地理学报,2008, (63):762-768.

The Change Features of the Atmospheric Stratification and Case Study of Its Impact on the Haze Weather in Sichuan Basin

LIU Xin-yu, CHEN Quan-liang

(SchoolofAtmosphericSciences,ChengduUniversityofInformationTechnology,PlateauAtmosphere&EnvironmentKeyLaboratoryofSichuanProvince,Chengdu610025,China)

Sichuan Basin is one of the most heavily populated regions with biggest surrounding undulating terrain in China. Fossil fuels were the main energy resources, the emission from burning fossil fuel is great. That’s why Sichuan Basin becomes one of the four highest incidences of haze regions. To research the effects of atmospheric stratification on haze in Sichuan Basin is very important. Using the high altitude Radiosonde data of Chengdu Meteorological Station provided by China Meteorological Data Sharing Network, the distribution and variation of atmospheric stratification of Chengdu region from 1980 to 2012 was analyzed in detail. The characteristics of average atmospheric stratification in Chengdu area in recent 30 years are as follows: the annual mean temperature increases with the height and presents "<" type variation, which is shown as the change characteristic that decrease first and then increase. Temperature was highest near the ground surface while lowest near 100hPa. The annual average temperature of dew point difference showed overall upward trend, below 925hPa near the ground surface, at night average dew point temperature difference is much higher than during the day. The lowest annual average wind speed near the ground is 3.5m/s and it increases with height. Reached the maximum value near 200hPa, then gradually decreased. Above 50hPa altitude wind speed is maintained at 10m/s or so. In the case that haze happened in December 2005, severe haze happened for four consecutive days in eastern Sichuan Basin, visibility were less than 2km at 14∶00 of everyday, diurnal difference of temperature was less than 5 ℃, there was inverse stratification happened around 700hPa. The relative humidity was higher between 500hPa and 700hPa during the middle of the haze process. In the case of haze process on 7th to 16th January, 2013, there is obviously disturbed inversion in high altitude between 500hPa and 700hPa, relative humidity was higher below 700hPa. Overall, haze often occurs in the winter in Sichuan Basin. At the early stage of haze weather, the atmospheric stratification is stable, the relative humidity is high, the wind speed is small and inversion generally happened near the surface. At the medium stage of haze process, the strength of the inversion layer is significantly enhanced and relative humidity increased. At the late stage of haze process, as the wind speed increases or rain and other atmospheric stratification instability change, haze weather process comes to the end.

Sichuan basin; atmospheric stratification; haze process

2016-01-15

国家科学基金项目(41475037)；四川省青年基金项 目(2014JQ0019)。

刘馨语(1993-)，女，四川攀枝花人，成都信息工程 大学大气科学专业2015级在读硕士研究生，主要从 事大气科学气溶胶粒子方向研究。

X51

A

1001-3644(2016)03-0083-07