山東省霧霾變化特征及一次持續(xù)性霧霾過程的分析?

張 莉， 鞏在武， 顧偉宗， 陳艷春， 崔 辰

(1. 南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 276500； 2. 棗莊市氣象局，山東 棗莊 277800；3. 山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031； 4. 山東省氣象局， 山東 濟(jì)南 250031)

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山東省霧霾變化特征及一次持續(xù)性霧霾過程的分析?

張 莉1，4， 鞏在武1??， 顧偉宗2， 陳艷春3， 崔 辰2

(1. 南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 276500； 2. 棗莊市氣象局，山東 棗莊 277800；3. 山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031； 4. 山東省氣象局， 山東 濟(jì)南 250031)

利用山東省123個(gè)氣象觀測站1961—2012年的觀測資料、美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國家大氣研究中心(NCEPNCAR)再分析資料，分析了山東省霧霾的變化特征和一次持續(xù)性霧霾過程環(huán)流及氣象要素特征。結(jié)果表明：山東霧日數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，1980年代霧日數(shù)最多，山東霾日數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，21世紀(jì)以來增加明顯；從空間分布特征來看，魯西北和東南沿海地區(qū)霧日數(shù)較多，山東省霧的多發(fā)區(qū)域存在明顯的季節(jié)變化，內(nèi)陸地區(qū)霧主要出現(xiàn)在秋、冬季，東南沿海霧主要出現(xiàn)在春、夏季。霾多發(fā)區(qū)分布零散，局地性很強(qiáng)，說明霧的分布與地理因素有關(guān)，而霾的分布受城市工業(yè)和污染排放影響較大。典型的霧霾過程發(fā)生時(shí)，山東上空以平直的緯向環(huán)流為主，多短波槽活動(dòng)，冷空氣較弱，山東受偏西或者西南氣流影響，有暖濕平流向山東輸送，靜穩(wěn)的大氣環(huán)流背景、PM2.5濃度增加和相對濕度增大為本次持續(xù)性霧霾的形成和發(fā)展提供了有力的條件。大范圍霾出現(xiàn)前空氣濕度相對較干，大約在50%左右。當(dāng)相對濕度高于80%時(shí)，霾滴逐步轉(zhuǎn)化為霧滴，空氣濕度的變化對霧霾的預(yù)報(bào)有一定的指示意義。

霧霾； 環(huán)流特征； 相對濕度； PM2.5

霧霾是發(fā)生在大氣近地面層的一種重要的氣象災(zāi)害天氣，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，霧霾的頻繁發(fā)生對城市大氣環(huán)境、群眾健康、交通安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生了重大影響。霧霾的問題日益成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。霧是指近地面空氣中的水汽凝結(jié)成大量懸浮在空氣中的微小水滴或者冰晶，導(dǎo)致水平能見度低于1 km 的天氣現(xiàn)象。2010 年頒布的霾觀測氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中定義霾為大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0 km 的空氣普遍混濁現(xiàn)象。丁一匯[1]、吳兌[2-3]、高歌[4]、王麗萍[5]、劉小寧[6]等研究主要是集中在霧霾長期變化特征方面，得到的結(jié)論：中國年霾日數(shù)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，霧日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢；張人禾[7]、曹偉華[8]、趙桂香[9]等研究主要是霧霾發(fā)生與各種氣象要素的關(guān)系及影響；孟燕軍[10]、王淑英[11]研究指出，霧霾的形成與局地氣溶膠條件和氣象條件密切相關(guān)；王京麗[12]、Deng[13]、Deng[14]，Zhang[15]研究指出，氣溶膠與霧霾的能見度存在顯著的相關(guān)關(guān)系，嚴(yán)格意義上講，霧和霾天氣同時(shí)發(fā)生時(shí)，他們之間難以確定明確的界限；楊軍[16]研究指出，霧和霾之間存在著相互轉(zhuǎn)化；張新榮[17]指出，大氣底層暖平流、大氣層結(jié)相對穩(wěn)定和充沛的水汽條件，對中國東部大范圍的大霧產(chǎn)生有重要的作用；吳兌[18]指出，在珠江三角洲地區(qū)，當(dāng)大氣對流層中層出現(xiàn)較強(qiáng)的緯向環(huán)流、對流層底層在弱的高壓脊控制下并且出現(xiàn)較弱的表面風(fēng)時(shí)，有利于嚴(yán)重霾天氣的發(fā)生。這些研究在一定程度上加深了對不同區(qū)域的霧霾過程的理解。但是針對山東區(qū)域的霧霾，特別是霧霾持續(xù)性的過程分析尚少。

本文在全面分析山東省霧霾變化特征的基礎(chǔ)上，選擇2013年12月2—8日，山東境內(nèi)出現(xiàn)的一次持續(xù)性的大范圍的霧霾天氣過程，重點(diǎn)研究了山東霧霾發(fā)生時(shí)的大氣環(huán)流特征以及空氣濕度、能見度、大氣逆溫層與氣溶膠的關(guān)系，從而加深對霧霾的認(rèn)識(shí)，以期為更好理解霧霾天氣過程特征和形成機(jī)制提供依據(jù)。

1 資料

本文所用資料包括：(1)山東省氣象信息中心提供的山東123個(gè)氣象觀測站的霧、霾、能見度和相對濕度等逐日觀測數(shù)據(jù)；(2)棗莊市環(huán)境監(jiān)測中心提供的PM2.5數(shù)據(jù)逐日監(jiān)測資料；(3)美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國家大氣研究中心(NCEPNCAR)再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。霧日定義為該站每天出現(xiàn)一次及以上為1個(gè)霧日，年內(nèi)的霧日數(shù)為霧日的累加；霾日定義為該站每天出現(xiàn)1次及以上為1個(gè)霾日，年內(nèi)的霾日數(shù)為霾日的累加。

2 山東省霧霾變化特征

圖1是1961—2012年山東省平均年霧日數(shù)和霾日數(shù)的時(shí)間演變曲線，可以看到，山東年霧日數(shù)呈現(xiàn)先增后減的趨勢，1960s～1980s中期霧日數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，其中1980，1990年代最多，1990年代至今呈現(xiàn)減少趨勢。年霾日數(shù)呈明顯增加趨勢，其中1960、1970年代期間比較平穩(wěn)，增加緩慢，1980年代到2000年代增加略快，從2001年開始是快速上升的階段，2010年開始連續(xù)3年超過當(dāng)年霧日數(shù)，2011年最多，達(dá)到18.9 d(見圖1)。

圖1 山東省年霧霾日數(shù)逐年演變圖(單位：天)Fig.1 Annual time series of the number of fog and haze days(Unit： d)

山東省常年(1981—2010年)平均霧日數(shù)為22.2 d，各地霧日數(shù)在6.5(萊州)～87.5 d(成山頭)之間，魯西北和東南沿海地區(qū)霧日數(shù)較多，魯中地區(qū)相對霧日數(shù)較少,成山頭年平均霧日數(shù)最多(見圖2)，為87.5 d。從該地區(qū)逐月霧日數(shù)變化來看，7月份成山頭霧日數(shù)最多，為23 d(見圖3)，該地區(qū)霧春夏季出現(xiàn)的幾率較高，而冬秋季霧相對較少，這與全省的霧日數(shù)發(fā)生的情況不一致，從全省霧日數(shù)逐月變化來看，秋冬季霧日數(shù)較多(見圖4)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)我省霧的多發(fā)區(qū)域存在明顯的季節(jié)變化，秋、冬季霧主要出現(xiàn)在內(nèi)陸地區(qū)，春、夏季霧主要出現(xiàn)在東南沿海(圖略)。

圖2 山東省年霧日數(shù)(常年值)分布圖(單位：天)Fig.2 Distribution of fog days in Shandong(Unit： d)

圖3 成山頭常年霧日數(shù)逐月演變圖(單位：天)Fig.3 Monthly time series of Fog days in Chengshantou(Unit： d)

圖4 山東省常年平均霧霾日數(shù)逐月演變圖(單位：天)

圖5 山東省全年霾日數(shù)(常年值)分布圖(單位：天)Fig.5 Distribution of haze days in Shandong(Unit： d)

全省常年平均霾日數(shù)為5.3 d，各地霾日數(shù)在0.1 d(商河、廣饒、東平、寧陽、石島、成武、單縣)～66.7 d(莒南)之間(見圖5)，魯中和魯東南地區(qū)霾日數(shù)較多，全年在10 d以上,其中莒南年霾日數(shù)最多，平均66.7 d，而且霾日數(shù)明顯多于霧日數(shù)(見圖6)，從該地區(qū)霾日數(shù)逐月變化來看，霾主要出現(xiàn)在秋冬春季， 夏季相對較少，這可能與空氣相對濕度的大小有關(guān)。比較霧霾日數(shù)的常年分布情況可以發(fā)現(xiàn)，霧日數(shù)較多的地區(qū)主要在魯西北和東南沿海地區(qū)，而霾日數(shù)較多的地區(qū)分布比較零散，局地性很強(qiáng)，這說明霧的分布與地理因素有關(guān)，而霾的分布受城市工業(yè)和污染排放影響較大。

圖6 莒南常年霧霾日數(shù)逐月演變圖(單位：天)

3 典型霧霾天氣過程的分析

2013年12月2—8日，山東境內(nèi)出現(xiàn)了一次大范圍的霧霾天氣過程，8日全省11個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)達(dá)到500，除威海外，其他16市超90個(gè)點(diǎn)達(dá)重度污染或嚴(yán)重污染，9日受冷空氣的影響，山東霧霾逐漸消散。這次霧霾過程對山東交通、設(shè)施農(nóng)業(yè)和人體健康等造成較嚴(yán)重的影響。

3.1 霧霾天氣過程期間的天氣形勢

從500hPa天氣形勢圖的演變可以發(fā)現(xiàn)(見圖7)，2013年12月2—8日中緯度環(huán)流較平，且多短波槽活動(dòng)，冷空氣勢力較弱，山東一直受偏西或者偏西南氣流影響，沒有明顯的冷空氣東移南下影響山東地區(qū)，這種環(huán)流形勢有利于形成靜穩(wěn)天氣，有利于霧霾的形成和發(fā)展。9日，歐亞上空出現(xiàn)典型的兩槽一脊型環(huán)流形勢，山東受里海以東脊前和貝加爾湖以東槽后西北氣流的影響。850hPa風(fēng)場和溫度場分布圖上(見圖8)，2日開始山東一直受偏西或者西南氣流影響，有暖平流持續(xù)向山東輸送，并且暖平流逐漸增強(qiáng)，7日達(dá)到最強(qiáng)， 8日暖平流逐漸減弱，并受弱的西北冷平流和西南暖濕氣流交匯影響，9日山東受強(qiáng)的西北冷平流影響，2—7日850hPa等0 ℃ 線位于40°N左右，8日850hPa等0 ℃ 線位于35°N左右，而9日850hPa等0 ℃ 線陡然南壓10個(gè)以上緯度，位于30°N附近，山東受強(qiáng)西北氣流影響，持續(xù)數(shù)日的大范圍霧霾結(jié)束。

圖7 12月2日(a)、7日(b)、9日(c) 500 hPa位勢高度場特征Fig.7 Characteristic of 500hPa height in December 2(a)、7(b)、9(c)

圖8 12月2日(a)、7日(b)、9日(c)850hPa溫度場(等值線)和風(fēng)場分布特征Fig.8 the Characteristic of 850hPa temperature(line) and wind(vecetor)in December 2(a)、7(b)、9(c)

3.2 相對濕度對霧霾過程演變的影響

一般來說，霧形成于近地面空氣達(dá)到或接近飽和的條件下，即相對濕度達(dá)到或接近100%，霾是在相對濕度小于80%的情況下生成或存在的，相對濕度介于80%～95%的，霧和霾可以共存，形成霧霾混合物，因而相對濕度一般被認(rèn)為是區(qū)分霧和霾的一個(gè)主要大氣參數(shù)。棗莊市是本次霧霾天氣影響重點(diǎn)區(qū)域之一，文中選取棗莊市薛城站作為代表站進(jìn)行分析。圖7是薛城站出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象和相對濕度的變化情況，曲線表示是相對濕度，柱狀圖是代表霧、輕霧和霾，其中20代表霾，40代表輕霧，60代表霧。從圖中可以看出2—3日相對濕度低于60%，伴隨著天氣現(xiàn)象是霾，4日08時(shí)相對濕度達(dá)到87%，霾滴吸濕逐漸轉(zhuǎn)化為霧滴，4日早晨天氣現(xiàn)象為輕霧，從5日開始，相對濕度持續(xù)增加，6日08時(shí)相對濕度達(dá)到95%，天氣現(xiàn)象為輕霧，7日08時(shí)相對濕度達(dá)到99%，天氣現(xiàn)象為霧，這次過程霧霾交替出現(xiàn)，這與從7日開始西南氣流增強(qiáng)有關(guān)，向山東上空輸送水汽增多，空氣相對濕度明顯增加。

可見水汽條件是形成霧的關(guān)鍵因素，而霾形成則相對濕度較小，所以底層空氣持續(xù)干燥和持續(xù)潮濕是持續(xù)性霧霾天氣形成的重要條件之一，這對霧霾的預(yù)報(bào)有一定的指示意義。

3.3 逆溫層和氣溶膠的變化情況

逆溫是霧霾天氣過程的一個(gè)重要特征。為了分析大氣近地面層的熱力狀況，圖10給出了棗莊上空925與1000hPa溫度垂直差的逐日變化，圖中同時(shí)也給出了PM2.5濃度的逐日變化，12月4日，溫度差最小為-0.5℃，12月5日PM2.5濃度達(dá)到最高為0.362mg/m3,逆溫層的出現(xiàn)有利于霧霾天氣的發(fā)生，但是從圖10中可以看出，12月8日溫度差為-0.7 ℃，逆溫層再次出現(xiàn)很強(qiáng)的特征，這種特征在12月9日和12月25日PM2.5極值出現(xiàn)后溫度差的變化中也得到體現(xiàn)，這是因?yàn)殪F霾天氣和近地面層逆溫之間的聯(lián)系與霧霾天氣對地面短波輻射平衡的影響有關(guān)，霧中的水滴和霾中的顆粒物對太陽短波輻射起衰減作用，云霧滴和氣溶膠的增加將更多的太陽輻射反射、散射回大氣中，使到達(dá)地面的輻射減少，地面氣溫下降，大氣層穩(wěn)定度增加，所以，較強(qiáng)的霧霾天氣可以造成地面溫度降得更低，導(dǎo)致逆溫層增強(qiáng)，更有利于霧霾天氣的形成和維持。由此可見，氣溶膠的增多通過影響近地面層的熱力場，對霧霾的發(fā)展起正反饋?zhàn)饔谩?/p>

圖9 2013年12月2—8日薛城站相對濕度和天氣現(xiàn)象的演變圖Fig.9 Time series of relative humidity and weather phenomenon of Xuecheng Station on 2nd —8th December， 2013

3.4 地面大氣能見度的演變情況

12月1—8日，薛城能見度一直維持在10km以下，尤其是5、7和8日能見度在2km以下，地面大氣能見度受氣溶膠的影響顯著，從12月1—31日氣溶膠和大氣能見度的演變情況來看，氣溶膠的濃度和地面大氣能見度呈明顯的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.47，當(dāng)PM2.5濃度上升時(shí)，大氣能見度將明顯下降。

圖10 2013年12月1—31日薛城站PM2.5濃度及925，1000hPa上空的溫度差演變圖Fig.10 Time series of PM2.5 and temperature difference of 925 and 1000hPa in Xuecheng Station on 1st～31st December， 2013

圖11 2013年12月1—31日薛城站地面能見度和PM2.5濃度的演變圖Fig.11 Time series of PM2.5 and visibility in Xuecheng Station on 1st～31st December， 2013

由此可見，氣溶膠的濃度對大氣能見度的影響非常大。

4 結(jié)論

通過1961—2012年近50年山東省霧霾變化特征和一次典型個(gè)例的分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)近50年來山東霧日數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，1980年代霧日數(shù)最多；山東霾日數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，21世紀(jì)以來增加明顯。

(2)從空間分布來看，魯西北和東南沿海地區(qū)霧日數(shù)較多，并且山東霧的多發(fā)區(qū)域存在明顯的季節(jié)變化，秋、冬季霧主要出現(xiàn)在內(nèi)陸地區(qū)，春、夏季霧主要出現(xiàn)在東南沿海。而霾日數(shù)較多的地區(qū)分布比較零散，局地性很強(qiáng)，這說明霧的分布與地理因素有關(guān)，而霾的分布受城市工業(yè)和污染排放影響較大。

(3)12月2—8日，山東上空以平直的緯向環(huán)流為主，多短波槽活動(dòng)，冷空氣較弱，山東受偏西或者西南氣流影響，有暖濕平流向山東輸送，并且高空和低空溫差較大，有強(qiáng)逆溫層，2—5日，相對濕度較低，天氣現(xiàn)象以霾為主，5日PM2.5濃度達(dá)到最高為0.362mg/m3, 6日08時(shí)，相對濕度達(dá)到95%，天氣現(xiàn)象為輕霧，7日08時(shí)，相對濕度達(dá)到99%，天氣現(xiàn)象為霧。靜穩(wěn)的大氣環(huán)流背景、PM2.5的濃度上升和相對濕度的增大為本次持續(xù)性霧霾的形成和發(fā)展提供了有力的條件。

(4)大范圍霾出現(xiàn)前空氣濕度相對較干，大約在50%左右，當(dāng)相對濕度高于80%時(shí)，霾滴逐步轉(zhuǎn)化為霧滴，空氣濕度的變化對霧霾的預(yù)報(bào)有一定的指示意義，但是霧霾轉(zhuǎn)化時(shí)相對濕度的閾值需要進(jìn)一步的討論。

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責(zé)任編輯 龐 旻

The Characteristics of Haze and Fog in Shandong Province and Analysis of a Durative Haze and Fog

ZHANG Li1,4, GONG Zai-Wu1, GU Wei-Zong2, CHEN Yan-Chun3, CUI Chen2

(1.Nanjing University of Information Science and Techenology, Nanjing 276500, China； 2. Zaozhuang Meteorological Bureau, Zaozhuang 277800, China; 3. Shandong Province Climate Center, Jinan 250031， China; 4. Shandong Province Meteorology Bureau, Jinan 250031, China)

Based on the observation data at 123 weather stations from 1961 to 2012 in Shandong Province and reanalysis data of NCEPNCAR, the characteristics of haze and fog were analyzed. The number of fog days increased firstly and then decreased, but the largest during 1980—1989. The number of haze days increased, especially in the 21 century increased greatly.The number of fog days is more in northwestern and southeast coastal of Shandong province. The fog in inland area occurred most in autumn and winter, but The fog in coastal area most in spring and summer. The circulation of mid-latitude was straight at 500 hPa and short wave trough was activity, when the fog and haze occurred.Shandong Province was affected by Southwest or west air current. A warm advection at 850 hPa convey continually towards Shandong. The relative humidity was changed, so fog and haze appeared alternately. The relative humidity was about 50% before haze occurred but was 80% before fog. The change of the relative humidity was a instruction factor to predict the fog and haze.

fog and haze; circulation character; relative humidity; PM2.5

公益性行業(yè)專項(xiàng)“環(huán)渤海區(qū)域強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害氣候特征與影響評估技術(shù)研究”(GYHY201306034)；公益性行業(yè)專項(xiàng)“我國夏季降水的多尺度多因子預(yù)測方法研究”(201306033)資助

2015-02-03；

2015-04-14

張 莉(1983-)，女，工程師，主要從事氣候與氣候變化研究。E-mail：longmarch529@163.com

??通訊作者：E-mail： longmarch529@163.com

P427.2

A

1672-5174(2015)11-010-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20150018