池州市大氣污染特征分析

大黃是指在附近的相位高度上漂浮的大量滴水中，能見(jiàn)度小于1km的大氣現(xiàn)象。這是最常見(jiàn)的災(zāi)難之一，對(duì)交通和通信設(shè)施產(chǎn)生了重大影響。近年來(lái),隨著我國(guó)高速公路的迅速發(fā)展,大霧對(duì)高速公路的影響更加突出,因大霧造成多車(chē)追尾相撞的特大交通事故屢見(jiàn)不鮮,另外由于霧天大氣層結(jié)十分穩(wěn)定,空氣中的各種廢氣和有害物質(zhì)很容易長(zhǎng)時(shí)間集結(jié)于近地面,對(duì)人們的身體健康構(gòu)成了威脅。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快,因大霧造成的災(zāi)害日趨加強(qiáng),已經(jīng)引起社會(huì)各個(gè)方面的廣泛關(guān)注。氣候變化、生態(tài)環(huán)境的改變、城市的發(fā)展等諸多因素都已經(jīng)給大霧產(chǎn)生帶來(lái)了變化和影響,因此關(guān)于大霧方面的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)氣象工作者的高度重視。大霧是一種局地性很強(qiáng)的天氣現(xiàn)象,受到天氣條件、地形、近地面層植被、土壤狀況、大氣成分、所在測(cè)站環(huán)境等諸多要素影響,其產(chǎn)生機(jī)理十分復(fù)雜,表現(xiàn)規(guī)律各地也存在著很大差異。筆者通過(guò)對(duì)皖南地區(qū)池州市近50年(1959～2007年)來(lái)的大霧觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,找出池州大霧形成的氣候規(guī)律和影響因素,建立了大霧客觀預(yù)報(bào)方法和流程。1霧出現(xiàn)時(shí)的要素使用資料來(lái)自池州市四站1959～2007年的地面觀測(cè)資料。按照大霧出現(xiàn)時(shí)的氣壓、溫度、濕度、溫度露點(diǎn)差以及霧出現(xiàn)前一天14:00、20:00的風(fēng)向、風(fēng)速、云量等要素,分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,歸納總結(jié)出大霧天氣特征及預(yù)報(bào)指標(biāo)。2州傳統(tǒng)霧的氣象條件分析根據(jù)對(duì)池州市所處的地理環(huán)境、氣候特點(diǎn)以及形成霧的氣象條件進(jìn)行分析,池州出現(xiàn)的霧主要分為輻射霧、平流霧、輻射與平流混合霧、雨霧4種類(lèi)型,其中以輻射霧、輻射與平流混合霧最為常見(jiàn)。2.1麻黃的年際變化統(tǒng)計(jì)表明,池州市1959～2007年共計(jì)出現(xiàn)霧日4544d,其地理分布呈西多北少的趨勢(shì)。每年平均出現(xiàn)大霧24d,最多平均達(dá)46d,最少也有6d。大霧出現(xiàn)最多年份和日數(shù)分別是貴池37d出現(xiàn)在2003年、石臺(tái)40d出現(xiàn)在1982年、青陽(yáng)52d出現(xiàn)在1984年、東至55d出現(xiàn)在1999年。從20世紀(jì)60年代末開(kāi)始到90年代初,池州市霧日呈逐年上升趨勢(shì),21世紀(jì)初有所下降,但近幾年又有回升的態(tài)勢(shì)(圖1)。2.2季節(jié)因素,夏季最小根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,池州市以秋、冬季大霧最多,其次是春季,夏季最少(圖2)。秋、冬季大霧日數(shù)是夏季大霧日數(shù)的3倍還多,這與池州市所處的地理環(huán)境以及氣候背景有很大的關(guān)系。2.3東南角霧消時(shí)間的變化對(duì)大霧高發(fā)期的1991～2006年池州大霧的日變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知,池州市霧有93.8%是在夜里生成,在08:00～12:00生成僅為4.4%,12:00～20:00生成為1.8%。大霧在夜間生成,其主要原因是這個(gè)時(shí)段往往是日最低氣溫出現(xiàn)的時(shí)間,氣溫的降低有利于近地層的水汽凝結(jié)達(dá)到飽和從而形成霧,特別是輻射霧。霧消時(shí)間一般出現(xiàn)在日出后至11:00,其中08:00前消散的占總數(shù)35.4%,09:00～11:00消散的頻率為55.6%。主要原因是日出后地面氣溫迅速回升,湍流加強(qiáng),穩(wěn)定層結(jié)破壞,大霧很容易消散。2.4氣候分布特點(diǎn)池州市位于安徽省西南部117°284′E,30°39′N(xiāo),屬暖溫帶與亞熱帶的過(guò)渡帶,氣候溫和濕潤(rùn),地形多樣,南部是丘陵山區(qū),北部是長(zhǎng)江沖積平原,襟江帶湖,江河湖泊錯(cuò)落有致。全市森林覆蓋率達(dá)56%以上,長(zhǎng)江黃金水道160km。由于多樣的地形特點(diǎn),氣候差異相對(duì)較大,大霧形成也因地面屬性不同而有較大差異。據(jù)統(tǒng)計(jì)池州地區(qū)全年2或2個(gè)以上氣象站同時(shí)出現(xiàn)大霧的占總霧日的20.5%,而全區(qū)性大霧僅占1.4%,有79.5%為單站霧。大霧的產(chǎn)生與測(cè)站所處的周邊環(huán)境關(guān)系密切,研究表明,森林覆蓋對(duì)霧的發(fā)展起重要作用,霧與生態(tài)環(huán)境之間關(guān)系緊密。2.4.1部丘陵區(qū)處于池州最北端,濱臨長(zhǎng)江地多圩區(qū),南部與皖南山區(qū)接壤,部分是丘陵和山區(qū)。從1967～2007年總霧日為836d為全區(qū)出霧最少的地區(qū),占全區(qū)總霧日20.5%。2.4.2復(fù)雜地形形成的霧日位于池州西南角,與江西省接壤,東與貴池區(qū)、石臺(tái)縣相連,西北邊為圩區(qū),南邊為丘陵和山區(qū),森林覆蓋面積達(dá)58.7%,復(fù)雜的地形造成1967～2007年總霧日為1299d,為全區(qū)之首,占全區(qū)總霧日31.9%。2.4.3山接九山半水半分田西與池州東至縣接壤,北與貴池區(qū)、青陽(yáng)縣相連,南與皖南山區(qū)黃山接為一體。俗稱(chēng)九山半水半分田,有山區(qū)63.2%,水域面積7.0%,晝夜溫差也較大,產(chǎn)生地方霧也較多,1967～2007年總霧日994d,據(jù)全區(qū)第2位。占全區(qū)總霧日24.4%。2.4.4地區(qū)按立地條件范圍,主要分為丘陵、地區(qū)和地區(qū)西與貴池區(qū)、北與銅陵市接壤,南與石臺(tái)縣相連,東與宣城、黃山毗鄰。主要是丘陵和部分山區(qū)。丘陵50.7%,圩區(qū)30.4%,山區(qū)17.8%,水域面積1.1%,1967～2007年總霧日945d,僅次于東至縣。占全區(qū)總霧日23.2%。3概念模型和元素特征3.1高空?qǐng)D上表現(xiàn)多年統(tǒng)計(jì)資料的分析與研究表明,霧的出現(xiàn)一般在500hPa高空?qǐng)D上表現(xiàn)為西到西北氣流或弱一致西南氣流控制之下,中低層700、850hPa環(huán)流比較平直,溫度場(chǎng)與高度場(chǎng)幾乎重合,大氣鈄壓性極小,也就是說(shuō)大氣處于相對(duì)比較穩(wěn)定的形勢(shì)之下。3.2地球形勢(shì)在地面氣壓場(chǎng)上一般表現(xiàn)為變性高壓、均壓場(chǎng)、冷高壓底部、冷高壓后部、冷鋒前等形式。3.3基本類(lèi)型3.3.1a型地面受變性高壓(或分裂高壓)控制,高空為偏北氣流,霧區(qū)位于地面高壓中心或高壓軸線附近,此類(lèi)霧占總數(shù)的一半以上。3.3.2e東南角地面高壓位置較偏東(高壓環(huán)流中心在110°E以東),華西有弱低壓(倒)槽東伸,高空受西南氣流影響,霧區(qū)位于地面高壓后部,此類(lèi)霧占霧總數(shù)的近20%。3.3.3鋒、高空在均壓區(qū)中的位置地面高壓入海,華西有倒槽東伸,大多數(shù)有較明顯的冷鋒系統(tǒng)位于河套以東,或有靜止鋒在沿江。高空受一致的西南氣流控制,霧區(qū)位于地面鞍型場(chǎng)均壓區(qū)中,通常處于冷鋒或靜止鋒前暖區(qū)中。此類(lèi)霧亦占總霧數(shù)的近20%。3.3.4高空、地面要素霧地面高壓入海、轉(zhuǎn)為受倒(低)槽控制,大多數(shù)有較明顯的冷鋒系統(tǒng)位于河套中部,地面形勢(shì)與第三類(lèi)基本相同。如高空700、850hPa為西北氣流控制,霧區(qū)通常位于地面弱高壓中。當(dāng)700hPa為西北氣流、850hPa為西南氣流時(shí),霧區(qū)通常在位于地面鞍型場(chǎng)均壓區(qū)中。此類(lèi)霧占霧日總數(shù)不到10%。另有2%～3%的個(gè)例不屬于上述類(lèi)型,由于占比例數(shù)小,未列出。3.4輻射霧為主的輻射霧為主從霧的生成條件和微物理過(guò)程分析,池州地區(qū)大霧主要是輻射霧為主,較少出現(xiàn)平流霧,即使有平流霧而它的發(fā)生有時(shí)仍伴有輻射霧。對(duì)貴池1991～2007年出現(xiàn)461次大霧時(shí)的各種氣象要素分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。3.4.1近地面大氣結(jié)穩(wěn)定度大氣逆溫層的存在是大氣層結(jié)穩(wěn)定的條件,而大氣層結(jié)的穩(wěn)定性對(duì)霧的形成非常重要。當(dāng)近地層大氣有逆溫層或等溫層存在時(shí),近地層大氣層結(jié)穩(wěn)定。用T8-T850(單站08:00地面與850hPa的氣溫差)來(lái)作為判定850hPa以下大氣層結(jié)穩(wěn)定度的一個(gè)指標(biāo),據(jù)統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)T8-T850≤4℃為逆溫層閾值指標(biāo)。在夜間,如果近地面大氣層穩(wěn)定,則有利于逆溫層下的水汽、塵埃聚集。反之,對(duì)流擾動(dòng)增大,不利于近地面層的水汽、雜質(zhì)聚集和空氣冷卻。由表1可知,△T=T20-T020(T20前一天20:00氣溫,T020為前一天20:00地溫)有97.2%情況下有明顯逆溫,說(shuō)明地面輻射冷卻,近地面逆溫是霧形成重要條件之一。3.4.2輻射霧界面變化從理論上說(shuō),當(dāng)氣溫等于露點(diǎn)溫度時(shí)才能形成霧,在大氣絕對(duì)濕度不變的情況下,露點(diǎn)也不變。在形成輻射霧時(shí)的低層大氣相對(duì)比較穩(wěn)定,可以認(rèn)為絕對(duì)濕度變化很小,露點(diǎn)變化不大。因此把前一天14:00露點(diǎn)溫度與20:00露點(diǎn)溫度進(jìn)行比較,經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出,出霧時(shí)│Td14-Td20│≤2℃天數(shù)達(dá)到86.5%,以此做為判斷大霧是否出現(xiàn)的一個(gè)指標(biāo)。3.4.3td20成霧裝置地面輻射降溫幅度與出霧時(shí)關(guān)系密切,當(dāng)有霧時(shí)最低氣溫(Td)接近或低于前1天20:00地面0cm溫度(Tdm20),成霧的可能性較大。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明池州有82.3%的霧日是Tdm20-Td≤2℃,因此將Tdm20-Td≤2℃作為生成霧又一指標(biāo)。3.4.4改性和霧前后血壓的變化分析在出霧之前地面氣壓的變化情況,如果氣壓升高預(yù)示著好的天氣,有利于夜晚近地面輻射降溫。將前一天20:00氣壓與霧當(dāng)日02:00的氣壓之差做了一個(gè)比較,經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大霧出現(xiàn)前有60%的氣壓是升高的,其中氣壓上升在1.0～2.5hPa占93.9%。因此,把有霧時(shí)氣壓變化的范圍確定在1hPa≤△P≤2.5hPa。3.4.5濕度影響及預(yù)報(bào)相對(duì)濕度是霧形成最為最重要的因子。近地面空氣濕度越大,濕層越厚就越有利大霧的形成。根據(jù)對(duì)出霧前一天14:00、20:00濕度資料分析,產(chǎn)生大霧的前一天20:00有77.5%相對(duì)濕度在80%以上,前一天20:00與2:00的濕度有91.1%是增加的,平均增幅在10%以上。當(dāng)14:00地面濕度≥74.4%,且當(dāng)夜間濕度繼續(xù)增加時(shí),有利于霧的形成。另外前一天是否有降水對(duì)霧預(yù)報(bào)也具有一定指示作用。據(jù)統(tǒng)計(jì),前一天無(wú)降水出現(xiàn)霧的概率是47.9%,有降水出現(xiàn)霧的概率是52.1%。3.4.6有霧時(shí)的10.0風(fēng)向,有雜風(fēng)向、風(fēng)速?zèng)Q定著大氣邊界層水汽的輸送過(guò)程,風(fēng)速隨高度的分布還決定大氣的動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題,風(fēng)速對(duì)輻射霧的形成和消散作用非常明顯。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,霧發(fā)生時(shí)平均風(fēng)速為1.8m/s,一般在0～4m/s(1～2級(jí)風(fēng)),最大不超過(guò)5m/s(3級(jí))。將20:00風(fēng)向與02:00風(fēng)向比較,相同風(fēng)向(即風(fēng)向不變)僅占17.9%;有霧時(shí)的前一天20:00E、ENE、NE占總霧日的近50%,靜風(fēng)僅占0.35%。將前一天20:00與02:00風(fēng)速比較有74.3%風(fēng)速是有變化且是變小的。如果處于靜風(fēng)狀態(tài)時(shí),沒(méi)有一定的風(fēng)速上下層空氣就得不到很好的交換,造成輻射冷卻效應(yīng)只發(fā)生在貼近地面的氣層中,其結(jié)果只能在貼近地面生成一層薄薄的淺霧;如果風(fēng)速太大,上下層空氣交換又會(huì)很快,使得近地面層氣溫不易降低很多,也不利于霧的形成。只有當(dāng)微風(fēng)時(shí),近地面層時(shí)常有湍流、亂流交換促使水汽輸送到一定高度,有利于霧層發(fā)展,此時(shí)有風(fēng)向轉(zhuǎn)變,則空氣中水平方向上的混合作用能加速水汽凝結(jié),有利于形成一定厚度的霧。4預(yù)算方法4.1輻射強(qiáng)度測(cè)定主因子t49依據(jù)大霧的生成原理,大霧多發(fā)于濕度大、風(fēng)速較小、低層有逆溫、層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定的近地面層中。介于這樣條件,故對(duì)相關(guān)因子進(jìn)行普查,考慮霧的季節(jié)性變化比較強(qiáng),按照因子季節(jié)物理特征權(quán)重的不同,將主因子做相關(guān)調(diào)整。選取因子T14-20(14:00氣溫與20:00氣溫差)和T014-20(14:00地溫與20:00地溫差)來(lái)表示輻射強(qiáng)烈程度;選取r14-20(14:00濕度與20:00濕度差)表示空氣濕度及增濕程度;選取V14-20(14:00風(fēng)速與20:00風(fēng)速差)因子來(lái)表示空氣湍流、亂流程度;用R(前一天降水)來(lái)表示貼近地面濕度增濕情況。4.2統(tǒng)計(jì)評(píng)估方法4.2.1yyc的判別式將預(yù)報(bào)對(duì)象設(shè)為大霧,有為1,無(wú)為0,選取T14-20、T014-20、r14-20、V20、R5個(gè)氣象要素為預(yù)報(bào)因子,并將其進(jìn)行0、1標(biāo)準(zhǔn)化處理,再根據(jù)季節(jié)不同,將其進(jìn)行有效組合,采用二級(jí)判別法建立如下大霧四季判別方程:冬季方程:Y∧=41.68X1-8.05X2+1.58X3判別式Y(jié)C=-276.39①當(dāng)Y∧≥YC為有霧,Y∧≤YC無(wú)霧。式中:X1=T14-20X2=r14-20X3=T014-20春季方程:Y∧=-3.04X1+0.22X2+23.01X3判別式Y(jié)C=-16.74②當(dāng)Y∧≥YC為有霧,Y∧≤YC無(wú)霧。式中:X1=T14-20X2=r14-20X3=V20夏季方程:Y∧=0.56X1+0.01X2-10.29X3。判別式Y(jié)C=-6.31③當(dāng)Y∧≥YC為有霧,Y∧≤YC無(wú)霧。式中:X1=r14-20X2=T014-20X3=R秋季方程:Y∧=-0.06X1+0.06X2+0.141X3判別式Y(jié)C=-1.18④當(dāng)Y∧≥YC為有霧,Y∧≤YC無(wú)霧。式中:X1=r14-20X2=T14-20X3=T014-204.2.2風(fēng)速黃土南角x3將大霧及預(yù)報(bào)因子進(jìn)行0、1化處理,使用原值回歸方程求回歸系數(shù),建立事件概率回歸估計(jì)方程:P^=-0.042-0.7976X1+0.4199X2+1.2331X3⑤式中,X1=T020-02(前一天20:00地溫與2:00地溫之差),X2=r20(前一天20:00相對(duì)濕度),X3=V02(02:00風(fēng)速)。對(duì)概率回歸方程效果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn):U=∑bkSky=∑bk[∑XikYi-1/n(∑Xik)(∑Yi)]=398.17Syy=∑Y2ii2-1/n(∑Yi)2=614-6142/2920=614-129.1=484.89R2=U/Syy=(398.17)/484.89=0.82F=(R2/3)/[(1-R2)/2920-3-1]=4462.37檢驗(yàn)結(jié)果該方程是顯著的。4.2.3事件概率回歸法由表2可知,冬季預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率要高,夏季次之。春季預(yù)報(bào)誤差大,原因是春季氣候多變,影響大霧因子較多,所選3個(gè)因子可能不完全代表產(chǎn)生大霧的條件,那么對(duì)其預(yù)報(bào)時(shí),應(yīng)在滿(mǎn)足3個(gè)因子條件的同時(shí)要進(jìn)行其他指標(biāo)再判定。事件概率回歸法預(yù)報(bào)春、秋、夏季大霧準(zhǔn)確率有明顯提高?？上嗷ミM(jìn)行訂正預(yù)報(bào)。5大數(shù)據(jù)透視程序5.1地面形勢(shì)場(chǎng)t239高空形勢(shì):500hPa高空?qǐng)D上,池州市在西到西北氣流或弱一致西南氣流控制之下;中低層700、850hPa環(huán)流比較平直,溫度場(chǎng)與高度場(chǎng)幾乎重合。地面形勢(shì):利用T639數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品預(yù)報(bào)場(chǎng)代替實(shí)況場(chǎng)。只要高空和地面形勢(shì)場(chǎng)符合基本類(lèi)型中的A、B、C、D這4種類(lèi)型之一,就進(jìn)行“對(duì)號(hào)入座”。然后利用T8-T850指標(biāo)來(lái)進(jìn)一步判斷大氣層結(jié)穩(wěn)定狀況。5.2td12202根據(jù)以上資料分析得出霧預(yù)報(bào)單站指標(biāo)如下:(1)T8-T850≤4℃為逆溫層指標(biāo)(T8為8:00氣溫、T850為850hPa氣溫)。(2)│Td14-Td20│≤2℃(Td14為14:00露點(diǎn)溫度、Td20為14:00露點(diǎn)溫度)。(3)Tdm20-Td≤2℃(Tdm20為前一天20:00地面0cm溫度、Td最低氣溫)。(4)r≥74.4%,并且濕度增大趨勢(shì)(如前一天有降水,r為14:00地面濕度)。(5)夜晚風(fēng)速:0～4m/s(1～2級(jí)風(fēng))。(6)氣壓:1hPa≤△P≤2.5hPa,(△P前一天20:00氣壓與霧當(dāng)日