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      天津區(qū)域霾過(guò)程統(tǒng)計(jì)特征及環(huán)流分型研究

      2020-04-14 03:22:50孫樹鵬趙雨馨張嘉霖
      天津科技 2020年3期
      關(guān)鍵詞:天津地區(qū)區(qū)域性日數(shù)

      吳 洋,孫樹鵬,趙雨馨,張嘉霖

      (天津市津南區(qū)氣象局 天津300350)

      0 引 言

      自改革開放以來(lái),由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快,大氣污染日趨嚴(yán)重[1-3]。霾不僅使大氣水平能見度降低,導(dǎo)致交通事故發(fā)生,而且由于霾的顆粒直徑小且吸附重金屬等污染物,對(duì)人體健康造成較大危害,其中灰霾的水平與心血管病人量呈正相關(guān)[4-6]。因此大量學(xué)者針對(duì)霾進(jìn)行研究,研究表明霾的形成不僅受到人類活動(dòng)的影響,還受到天氣要素及大氣環(huán)流的影響[7-9],特別是范圍廣、強(qiáng)度大的霾,一般都會(huì)在一些特定的天氣形勢(shì)下發(fā)生[10-11],環(huán)流場(chǎng)穩(wěn)定、大氣層結(jié)穩(wěn)定和地面風(fēng)速小是造成天津典型空氣污染的主要?dú)庀笤騕12]。

      針對(duì)霾天氣過(guò)程的大氣環(huán)流分型,國(guó)內(nèi)很多學(xué)者都進(jìn)行了研究,主要分為主觀大氣環(huán)流分型法和客觀大氣環(huán)流分型法。蔡子穎等[13-14]將 2014—2017年天津地區(qū)中度以上霾過(guò)程分為5種大氣環(huán)流類型,總結(jié)了2009—2016年天津地區(qū)易出現(xiàn)重污染天氣的4種地面形勢(shì);戴竹君等[15]將江蘇秋冬季重度霾發(fā)生時(shí)的地面形勢(shì)分為均壓型、冷鋒前部型和低壓倒槽型。但這些分型方法均為主觀大氣環(huán)流分型方法,具有明顯的主觀性??陀^分型方法可以避免主觀性造成的影響,比如 EOF和 PCA為代表的向量分析,但由于客觀分型法常依賴于原始資料,應(yīng)用不同長(zhǎng)度的氣象資料得到的分型結(jié)果不同,限制了在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中的應(yīng)用[16]。由于主、客觀環(huán)流分型法各有優(yōu)缺點(diǎn),學(xué)者們希望能定義一些客觀的標(biāo)準(zhǔn),把主觀的分型方法客觀化,主、客觀方法結(jié)合起來(lái)?;?Lamb大氣環(huán)流分型[17]的 Jenkinson方法[18],通過(guò)定義指數(shù)及分類標(biāo)準(zhǔn)將大氣環(huán)流分型客觀化,被廣泛應(yīng)用于研究局地環(huán)流與氣候變化的聯(lián)系。

      天津作為京津冀地區(qū)主要城市之一,近些年工業(yè)化造成的污染也日益嚴(yán)重,已成為霾天氣重災(zāi)區(qū)之一。本文采用L-J分型法研究天津霾天氣與環(huán)流的關(guān)系,通過(guò)對(duì) 1998—2017年發(fā)生在天津地區(qū)的區(qū)域霾過(guò)程進(jìn)行環(huán)流歸類,得出天津區(qū)域霾的主要形勢(shì)場(chǎng)類型及環(huán)流特征,從而提高對(duì)天津地區(qū)霾天氣的認(rèn)識(shí),對(duì)霾預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)具有一定指導(dǎo)意義。

      1 資料與方法

      1.1 資料

      本文研究使用的資料為美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的全球 1998—2017年日平均海平面氣壓場(chǎng)及高空風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng),格點(diǎn)分辨率為 2.5°×2.5°。地面氣象觀測(cè)資料來(lái)自天津市 9個(gè)國(guó)家一般氣象觀測(cè)站(薊州、寧河、武清、北辰、津南、東麗、靜海、大港、漢沽)和3個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站(寶坻、西青、塘沽)地面一天3個(gè)時(shí)次(08、14和20時(shí))的能見度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速和天氣現(xiàn)象等觀測(cè)資料。

      1.2 方法

      根據(jù)《QX/T 113—2010中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》和氣預(yù)函[2013]34號(hào)文件規(guī)定,本文排除降水、沙塵暴、浮塵、揚(yáng)沙、吹雪、雪暴和煙幕等能導(dǎo)致能見度降低的情況,將日均能見度小于 10km、日均相對(duì)濕度小于 90%的情況記為一個(gè)霾日。按水平能見度大小,將霾分為4個(gè)等級(jí),即輕微霾、輕度霾、中度霾和重度霾,水平能見度分別為5~10、3~5、2~3和 2km以下。當(dāng)天津 12個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)中超過(guò) 8個(gè)及以上站點(diǎn)出現(xiàn)霾日時(shí),記為 1次天津地區(qū)區(qū)域霾日,并以任意一觀測(cè)站最高霾等級(jí)作為區(qū)域霾等級(jí)(圖1)。

      圖1 Lamb-Jenkinson 分型方法的計(jì)算區(qū)域及16個(gè)差分格點(diǎn)的分布圖Fig.1 Computational domain of Lamb-Jenkinson classification and distribution of 16 differential grids points

      本文采用 L-J分型法對(duì)天津地區(qū)的日平均海平面氣壓場(chǎng)進(jìn)行客觀定量的環(huán)流分型。L-J方法是在設(shè)定的計(jì)算范圍內(nèi),每隔10個(gè)經(jīng)度、5個(gè)緯度的網(wǎng)格上取 1個(gè)差分格點(diǎn),共計(jì) 16個(gè)格點(diǎn)。本文以(117°E,39°N)為中心點(diǎn),選取 100°~130°E、30°~50°N 為研究范圍。

      在該研究范圍內(nèi),利用差分公式由 16個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的日平均海平面氣壓值計(jì)算中心點(diǎn)(117°E,39°N)的地轉(zhuǎn)風(fēng)(u,v)和地轉(zhuǎn)渦度(uξ,vξ),如式(1)~(6)所示。

      其中,p為海平面氣壓值;α、1α和2α分別表示39°N、34°N 和 44°N;V 為地轉(zhuǎn)風(fēng),u、v分別為地轉(zhuǎn)風(fēng)的西風(fēng)分量和南風(fēng)分量;ξ為總渦度,uξ為u的經(jīng)向梯度,vξ為v的緯向梯度。

      2 結(jié)果分析

      2.1 區(qū)域性霾日時(shí)間變化

      利用天津市 12個(gè)氣象觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)1998—2017年天津地區(qū)區(qū)域性霾日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明1998—2017年共出現(xiàn)區(qū)域性霾日數(shù)1244d。如圖2a所示,1997—2015年區(qū)域性霾日數(shù)逐年增加,2015年區(qū)域性霾日數(shù)為 161d,2016—2017年區(qū)域性霾日數(shù)迅速減小,區(qū)域性霾日數(shù)分別為 55d、56d。

      圖2 1998—2017年區(qū)域性霾日年和月變化Fig.2 Yearly and monthly variation of regional haze days from 1998 to 2017

      圖3a為1998—2017年天津地區(qū)區(qū)域性輕微霾、輕度霾、中度霾和重度霾日數(shù)變化情況,從圖中可以看出 1998—2013年區(qū)域性輕微霾日數(shù)逐漸增加,2014年、2015年迅速減小。區(qū)域性輕度霾、中度霾和重度霾日數(shù)在1997—2011年均無(wú)明顯變化,2012年開始逐漸增加,2014年區(qū)域性中度霾日數(shù)達(dá)到最大,而區(qū)域性中度霾和重度霾日數(shù)繼續(xù)增加,2015年達(dá)到峰值,分別為42d和92d,2014年、2015年區(qū)域性中度霾和重度霾日數(shù)與區(qū)域性輕微霾日數(shù)變化趨勢(shì)相反。

      1998—2017 年 4種標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域性霾日數(shù)月分布均呈現(xiàn)明顯的雙峰型,其中區(qū)域性輕微霾日數(shù)、輕度霾和中度霾日數(shù)變化趨勢(shì)與區(qū)域性霾日數(shù)月變化一致,雙峰均出現(xiàn)在6月、7月和10月到次年1月,而區(qū)域性重度霾日數(shù)雙峰分別出現(xiàn)在4月、11月。

      圖3 1998—2017年4種標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域性霾日年和月變化Fig.3 Yearly and monthly variation of regional haze days with four standards from 1998 to 2017

      2.2 Lamb-Jenkinson環(huán)流分型分析

      本文采用L-J分型法對(duì)天津地區(qū)1998—2017年大氣環(huán)流進(jìn)行客觀分型,圖4給出了天津地區(qū)1998—2017年26種環(huán)流型的概率分布曲線圖,圖中可以看出有 10種環(huán)流型出現(xiàn)頻率超過(guò) 4%,分別為A型、NE型、E型、N型、C型、W 型、ANE型、NW型、AN型和SW型,占總數(shù)的76.63%;其余16種環(huán)流型出現(xiàn)的頻率占總數(shù)的23.37%。

      圖4 1998—2017年天津地區(qū)各環(huán)流類型發(fā)生頻率Fig.4 Frequency of circulation types in Tianjin from 1998 to 2017

      圖5為1998—2017年天津地區(qū)各環(huán)流類型下出現(xiàn)區(qū)域霾的頻率,從圖中可以看出天津區(qū)域霾天氣下出現(xiàn)頻率最高的環(huán)流類型分別為:A型、NE型、C型、W型、E型、N型、NW型、SW型、ANE型。通過(guò)與天津地區(qū)各環(huán)流類型發(fā)生頻率對(duì)比發(fā)現(xiàn),天津區(qū)域性霾天氣下AN型環(huán)流所占比例明顯下降,所占比例僅為2.97%。A型、NE型、E型、N型和ANE型所占比例也略有下降,而C型、W型、NW型和SW型所占比略有上升。

      圖5 1998—2017年天津地區(qū)各環(huán)流類型下發(fā)生區(qū)域霾頻率Fig.5 Regional haze frequency in each circulation type in Tianjin from 1998 to 2017

      對(duì)出現(xiàn)區(qū)域性霾頻率較高的 9種環(huán)流類型進(jìn)行霾等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分類(圖6),可以發(fā)現(xiàn) ANE型發(fā)生區(qū)域性輕微霾的頻率最高,占其出現(xiàn)區(qū)域霾的 50%,而C型、W型和SW型發(fā)生區(qū)域性輕微霾的頻率較低,均在40%以下,其中SW型最低。C型發(fā)生區(qū)域性輕度霾的頻率最高為30.25%,而N型和NW型發(fā)生頻率較低,分別為 19.77%和 17.11%,其余各環(huán)流型發(fā)生區(qū)域性輕度霾的頻率均在 20%以上。各環(huán)流類型發(fā)生區(qū)域性中度霾的頻率相當(dāng),均在 17%~27%之間。區(qū)域性重度霾發(fā)生頻率最高的環(huán)流型為 SW 型,發(fā)生頻率為 24.66%,而NE型、E型和ANE型發(fā)生區(qū)域性重度霾的頻率均較低,分別為 6.15%、9.38%和 10%,其余環(huán)流型發(fā)生區(qū)域性重度霾的頻率均在10%~20%之間。

      圖6 9種環(huán)流型出現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域性霾日的頻率Fig.6 Frequency of regional haze days with different standards in 9 circulation types

      圖7 天津地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性霾時(shí) 26類環(huán)流形勢(shì)出現(xiàn)區(qū)域性重度霾日的概率Fig.7 Probability of regional severe haze days for twenty-six circulation types when occurring regional haze in Tianjin

      重度霾對(duì)人類生產(chǎn)、生活及健康具有重要影響,因此本文對(duì)天津地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性霾時(shí)26類環(huán)流形勢(shì)中出現(xiàn)區(qū)域性重度霾的概率進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。如圖7所示,天津出現(xiàn)區(qū)域性霾頻率較高的9種環(huán)流類型出現(xiàn)重度霾的概率也較高,占 78.14%。其中,A 型、C型、W 型和 SW 型環(huán)流出現(xiàn)區(qū)域性重度霾概率最高,分別為11.26%、10.6%、12.58%和11.92%。

      2.3 環(huán)流分析

      通過(guò)討論可以看出天津出現(xiàn)區(qū)域性霾日時(shí),A 型、NE型、C 型、W 型、E型、N 型、NW 型、SW 型、ANE型環(huán)流出現(xiàn)概率均較高,并且 A 型、C型、W 型和 SW 型環(huán)流出現(xiàn)區(qū)域性重度霾日概率較高。因此,分析A型、C型、W型和SW型環(huán)流對(duì)今后天津地區(qū)區(qū)域性重度霾預(yù)報(bào)分析具有指導(dǎo)作用。

      通過(guò) A型大氣環(huán)流(圖8)可以看出,500hPa為明顯的西風(fēng)氣流,700hPa在貝加爾湖附近存在弱脊,我國(guó)青海南部等地存在一槽,天津地區(qū)主要受偏

      西氣流影響。850hPa天津地區(qū)位于高壓外圍,受偏西風(fēng)影響,地面受大陸高壓控制,等壓線稀疏,風(fēng)力微弱。由于天津地區(qū)受高空偏西氣流影響,500hPa槽脊較弱不利于冷空氣東移南下,配合地面弱氣壓場(chǎng)容易形成天津地區(qū)區(qū)域性霧霾天氣。

      圖8 A型平均位勢(shì)高度場(chǎng)和平均海平面氣壓場(chǎng)(圖a、b、c 單位:gpm;圖d單位:hPa)Fig.8 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type A(Figures a,b and c Unit:gpm;Figure d Unit:hPa)

      圖9 C型平均位勢(shì)高度場(chǎng)和平均海平面氣壓場(chǎng)(圖a、b、c 單位:gpm;圖d單位:hPa)Fig.9 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type C(Figures a,b and c Unit:gpm;Figure d Unit:hPa)

      圖10 W型平均位勢(shì)高度場(chǎng)和平均海平面氣壓場(chǎng)(圖a、b、c 單位:gpm;圖d單位:hPa)Fig.10 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type W(Figures a,b and c Unit:gpm;Figure d Unit:hPa)

      圖11 SW型平均位勢(shì)高度場(chǎng)和平均海平面氣壓場(chǎng)(圖a、b、c 單位:gpm;圖d單位:hPa)Fig.11 Mean geopotential height field and mean sea level pressure field of type SW(Figures a,b and c Unit:gpm;Figure d Unit:hPa)

      C型大氣環(huán)流(圖9)500hPa存在淺薄的一脊一槽,脊位于我國(guó)新疆北部,槽位于貝加爾湖以西地區(qū),天津地區(qū)受偏西氣流影響;700hPa同樣存在淺薄的一脊一槽,但槽脊經(jīng)向度略有加大,位置略偏東,脊在貝加爾湖地區(qū),槽位于我國(guó)東北地區(qū)以西;850hPa位于東北至河套地區(qū)槽明顯加深,天津地區(qū)受槽前西南氣流控制;地面受弱低壓影響,等壓線稀疏,風(fēng)力較弱。500hPa的淺薄槽脊不利于冷空氣東移南下影響天津地區(qū),850hPa西南氣流有利于將低層污染物向天津地區(qū)輸送,地面風(fēng)力較弱,有利于污染物向天津地區(qū)輸送累計(jì),形成重度霾日天氣。

      W 型大氣環(huán)流(圖10)500hPa為平直的西風(fēng)氣流,700hPa存在淺薄槽脊,但天津地區(qū)仍受偏西氣流影響;850hPa存在一脊一槽,脊位于貝加爾湖,槽位于我國(guó)東北與蒙古國(guó)交界處,天津地區(qū)受西南氣流影響;地面位于低壓底部,受偏西風(fēng)影響。

      SW型500hPa大氣環(huán)流(圖11)與W型500hPa大氣環(huán)流類似,均為平直的西風(fēng)氣流;700hPa存在淺薄槽脊,但天津地區(qū)仍受偏西氣流影響;850hPa天津地區(qū)位于槽前受西南氣流影響,地面位于低壓前部,受西南風(fēng)影響。天津地區(qū)高空受平直西風(fēng)氣流影響,不利于冷空東移南下,低層及地面西南氣流影響有利于將華北中南部污染物向本地區(qū)輸送,易形成重度污染。

      3 結(jié)論與討論

      本文首先統(tǒng)計(jì)天津地區(qū)區(qū)域性霾日,并利用 L-J分型法對(duì)1998—2017年天津地區(qū)區(qū)域性霾天氣下的大氣環(huán)流進(jìn)行客觀分型,研究結(jié)果表明:

      ①1998—2017年天津區(qū)域性霾日數(shù)先增加后減小,2015年達(dá)最大值。輕微、輕度、中度和重度霾日數(shù)均為先增加后減小,天津區(qū)域性霾日數(shù)、輕微、輕度、中度和重度霾日數(shù)的月分布均呈雙峰型。

      ②利用L-J分型法對(duì)天津1998—2017年大氣環(huán)流進(jìn)行客觀分型發(fā)現(xiàn),A 型、NE型、E型、N 型、C型、W型、ANE型、NW型、AN型和SW型出現(xiàn)頻率較高,占總數(shù)的 76.63%。而區(qū)域霾日下出現(xiàn)頻率最高的環(huán)流類型分別為 A 型、NE型、C型、W 型、E型、N型、NW型、SW型、ANE型。

      ③對(duì)出現(xiàn)區(qū)域性霾日頻率較高的 9種環(huán)流類型進(jìn)行霾等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分類發(fā)現(xiàn),ANE型發(fā)生區(qū)域性輕微霾的頻率最高,SW 型最低。C型發(fā)生區(qū)域性輕度霾的頻率最高,而 N型和 NW 型發(fā)生頻率較低。各環(huán)流類型發(fā)生區(qū)域性中度霾的頻率相當(dāng)。區(qū)域性重度霾發(fā)生頻率最高的環(huán)流型為 SW 型,而 NE型、E型和 ANE型發(fā)生區(qū)域性重度霾的頻率均較低。A型、C型、W 型和 SW 型環(huán)流出現(xiàn)區(qū)域性重度霾日概率最高。

      ④A型、W型和SW型500hPa環(huán)流均為平直氣流,A型地面受大陸高壓控制,W 型地面位于低壓底部受偏西風(fēng)影響,SW 型地面位于低壓前部受西南風(fēng)影響,風(fēng)力均較弱;而 C型 500hPa環(huán)流存在淺薄的一脊一槽,地面受弱低壓影響,風(fēng)力較弱,均易形成重度污染。

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