基于多時(shí)相學(xué)模型的湖南大氣污染特征分析

霧是指大量漂浮在水中的小水源，水平能見(jiàn)度小于1000m的天氣現(xiàn)象。大霧(或濃霧)是較常見(jiàn)的影響湖南的災(zāi)害性天氣之一。影響湖南的主要時(shí)段在秋、冬、春3季,而湘西北及南岳山一年四季都有大霧出現(xiàn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,特別是交通、通訊的迅猛發(fā)展,大霧天氣對(duì)人們的影響日趨明顯,對(duì)高速公路的影響更加突出。由于大霧造成的交通事故屢見(jiàn)不鮮,已引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注和有關(guān)部門的高度重視。近年來(lái),眾多學(xué)者對(duì)于霧的天氣氣候特征、活動(dòng)規(guī)律、天氣學(xué)預(yù)報(bào)方法和形成機(jī)理做了大量的研究工作,但目前還沒(méi)有學(xué)者對(duì)湖南大霧氣候規(guī)律及特征做過(guò)全面細(xì)致的分析。了解湖南大霧出現(xiàn)的氣候特征,研究其形成和維持機(jī)理,有利于提高大霧預(yù)警預(yù)報(bào)能力,對(duì)減輕大霧所造成的災(zāi)害損失具有十分重要的意義。1軍隊(duì)氣象臺(tái)站選取湖南省氣象系統(tǒng)97個(gè)地面觀測(cè)站1976~2005年能見(jiàn)度小于1000m的大霧天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料及長(zhǎng)沙(大托鋪)、邵東、懷化、靖州、耒陽(yáng)等軍隊(duì)氣象臺(tái)站的觀測(cè)資料。其中,利用1976~2005年30年資料對(duì)97個(gè)地面觀測(cè)站能見(jiàn)度<1000m的總霧日、50m<能見(jiàn)度≤500m大霧日及能見(jiàn)度≤50m的濃霧日進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),同時(shí)對(duì)不同霧日進(jìn)行了求和及求平均值統(tǒng)計(jì),對(duì)該時(shí)段內(nèi)各站資料進(jìn)行了逐月大霧日求和處理來(lái)統(tǒng)計(jì)大霧的月、季變化趨勢(shì)及典型站年代際變化規(guī)律。2大事件的空間分布特征2.13個(gè)中心的霧日分布統(tǒng)計(jì)1976~2005年30年歷史總霧日資料發(fā)現(xiàn),湖南霧日在1000d以上的有4個(gè)高發(fā)中心,以南岳山1631d為最多;次高中心位于通道,為1342d;另2個(gè)中心分別位于平江(1153d)和會(huì)同(1011d)。霧日整體分布呈西多東少,湘東南為小值區(qū)。30年大霧總?cè)諗?shù)表明,高發(fā)中心以南岳山1603d為最多,其次是平江972d,通道736d為省內(nèi)第3,另一個(gè)高發(fā)區(qū)在湘西北的沅陵、桑植和保靖,大霧日數(shù)均在600d以上;小值區(qū)仍位于湘東南的永州、郴州境內(nèi)。濃霧高發(fā)中心仍以南岳山1519d為最多,平江726d次之,新晃362d為第3,另靖州、邵陽(yáng)縣、永興濃霧日數(shù)都在200d以上;小值區(qū)在江華、江永、雙牌、桂東,濃霧日數(shù)均小于5d。2.2地震大天氣30年平均大霧日數(shù)除南岳山為53.4d外,雪峰山西側(cè)部分在10.0d以上,另平江、瀏陽(yáng)在10.0~32.0d,邵陽(yáng)市、邵陽(yáng)縣大霧日數(shù)為10.0d;而濃霧日數(shù)大多在10.0d以下,僅南岳山為50.6d、平江為24.2d。3大事件的時(shí)間分布特征3.13月至9月要素特征統(tǒng)計(jì)30年湖南霧的月際分布發(fā)現(xiàn),11月為高發(fā)時(shí)段,其次是12月,其他月份依次排序?yàn)?0、9、1、3、4、2、5、8、6、7月,7月全省大部分地區(qū)霧日在5.0d以下,湘東南部分無(wú)霧日。30年月平均大霧1月大部分在1.0d以下,湘西部分、湘北及南岳山在1.0d以上,平江最多為4.7d,沅陵為3.4d次之;2月出現(xiàn)1.0d以上大霧日數(shù)較1月減少,最多的平江也減少為3.1d;3月以南岳山3.5d為最多,湘西出現(xiàn)1.0d以上大霧日數(shù)有所增加,地處湘東北的平江為2.9d;4月湘西仍有部分地區(qū)出現(xiàn)1.0~2.0d大霧日,湘西南、湘東北大部分大霧日有所減少,但瀏陽(yáng)仍有8.0d為最多;5月湘西北、湘西南局部地區(qū)仍有1.0~2.0d大霧日,但大部分地區(qū)霧日減少,以南岳山5.0d為最多;6月除湘西北的保靖、花垣有1.0d大霧日外,大部分地區(qū)在1.0d以下,湘東南無(wú)大霧天氣,以南岳山4.4d為最多;7~8月除湘西北部分有霧日外,大部分地區(qū)無(wú)大霧發(fā)生;9月霧日開(kāi)始增加,湘西部分地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)1.0~2.0d大霧日,南岳山為8.6d,但湘東南大部仍無(wú)大霧;10月全省大部分地區(qū)有大霧,湘西大霧日在1.0~4.0d,霧日呈上升趨勢(shì);11月超過(guò)1.0d大霧日數(shù)自西向東擴(kuò)展,湘西大霧日達(dá)1.0~5.5d;12月湘西大部分地區(qū)霧日在1.0~5.0d,范圍擴(kuò)展到湘北。3.2南岳山現(xiàn)有天氣形勢(shì)分析為了解湖南大霧的時(shí)空分布特征,將全省分為湘西北、湘東北、湘西南、湘東南4個(gè)區(qū),各區(qū)內(nèi)取一歷年大霧日數(shù)較多的氣象站點(diǎn)及南岳山高山站做為典型代表站做統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明:南岳山年平均大霧日最多,每月都有出現(xiàn)大霧的可能性,秋季大霧日最多,春季次之,冬季最少;湘東北的平江年平均大霧日位列第2,冬季、秋季為全年多霧的2個(gè)季節(jié),夏季最少;地處湘西北的桑植年平均霧日為第3,冬季大霧日最多,其次是春季,夏季最少;湘西南的通道年平均大霧日排列第4,冬季最多,秋季次之,夏季最少;湘東南的永興年平均大霧日最少,冬季大霧日最多,秋季次之,夏季最少(圖1)。可以看出,除南岳山外,冬季是大霧的高發(fā)季節(jié),夏季是大霧的低發(fā)季節(jié)。3.3大事件3.3.1湖南東南角區(qū)域大風(fēng)的時(shí)間特點(diǎn),主要集中在5、2月和12、8月之后。在花選擇長(zhǎng)沙(大托鋪)、邵東、懷化、靖州、耒陽(yáng)等軍隊(duì)氣象臺(tái)站的觀測(cè)資料和常德的資料,共收集到4963個(gè)大霧過(guò)程的詳細(xì)記錄,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見(jiàn)圖2、3。由圖2、3可知,一日內(nèi)任何時(shí)候都可能有大霧生成,但生成時(shí)間主要集中在10:00以前,10:00以前生成的占大霧總數(shù)的94%,其中集中在3:00~8:00的占大霧總數(shù)的74%,集中在5:00~7:00的占大霧總數(shù)的42%。處于湖區(qū)的常德,大霧開(kāi)始的時(shí)間較晚;處于湘西山區(qū)的懷化和靖州,大霧開(kāi)始的時(shí)間較早。冬季大霧開(kāi)始的時(shí)間較晚,初夏和初秋大霧開(kāi)始的時(shí)間較早。湖南大霧可以在一日內(nèi)的任何一個(gè)時(shí)段結(jié)束,但主要集中在5:00~13:00,這段時(shí)間內(nèi)結(jié)束的占大霧總數(shù)的93%,其中集中在7:00~11:00的占大霧總數(shù)的75%,集中在8:00~10:00的占大霧總數(shù)的47%。1、2月和11、12月大霧結(jié)束的較晚,5、6、7、8月大霧結(jié)束的較早。不同地區(qū)的大霧在結(jié)束時(shí)間上差異不大。3.3.2南岳山麻黃病從圖4看出,湖南多霧的南岳山、桑植、通道、永興、平江5站大霧日變化曲線均存在明顯年際變化,南岳山霧日出現(xiàn)最多年份與最少年份之差為67d,桑植39d,通道48d,永興30d,平江30d。期間南岳山出現(xiàn)2個(gè)峰值,分別在1993、2002年,大致周期有5、9年,桑植周期為4~6年,通道8~10年,永興4~5年,平江6~7年。1971~1995年南岳山大霧日數(shù)基本呈上升趨勢(shì),尤其在20世紀(jì)80年代中期~90年代中期大霧日數(shù)上升趨勢(shì)更加明顯,1995年后振幅加大。其他4個(gè)典型代表站振幅相對(duì)要小,近年來(lái)各站下降趨勢(shì)明顯。4湘、湘、陰大氣候區(qū)大霧是空氣中的水汽達(dá)到或接近飽和,在凝結(jié)核上凝結(jié)而成,因此,形成大霧可以通過(guò)2種途徑:降低空氣中溫度,使低層大氣冷卻到露點(diǎn),或增加空氣中的水汽,造成空氣中水汽飽和,產(chǎn)生水汽凝結(jié)。湖南大霧多為輻射霧,尤其是大霧出現(xiàn)最多的冬季,其出現(xiàn)與夜間的最低氣溫有關(guān),同時(shí)冬季氣溫低也是大霧結(jié)束時(shí)間晚的原因。大霧出現(xiàn)日數(shù)與生態(tài)環(huán)境也有密切關(guān)系。研究表明,森林覆蓋對(duì)霧的發(fā)展起重要作用。植物通過(guò)葉面蒸騰的蒸發(fā)量要高于等面積的裸露土壤20倍,相當(dāng)于等面積的水庫(kù)蒸發(fā)量。森林的蒸騰使空氣濕度增加、氣溫降低,這些均有利于大霧的形成。湖南地形獨(dú)特,為東、南、西三面環(huán)山,東北部為湖泊平原,朝東北開(kāi)口的馬蹄形狀。位于湘西北的武陵山脈呈東北-西南走向,海拔大多在1000m以上,湘、鄂交界的壺瓶山高達(dá)2099m,是湖南境內(nèi)最高的山峰。西面有雪峰山脈,呈北東北-南西南走向,南起城步縣,向北東延伸,到安化縣折向東,至益陽(yáng)縣境而沒(méi)于洞庭湖平原。雪峰山脈南段海拔1500m,最高峰蘇寶頂海拔1934.3m;北段較低在500~1000m。由于湘西森林覆蓋面積大,水汽充沛,加之秋、冬季受到強(qiáng)盛的大陸高壓控制,晝夜溫差大,最低氣溫低,使空氣中的水汽飽和產(chǎn)生凝結(jié)而形成大霧,導(dǎo)致了湖南大霧有湘西多于湘東的特點(diǎn)。桑植位于兩大山脈之間的低洼地帶,水汽易在該地聚集,故大霧日數(shù)較多。湘中大都為丘陵、崗地和河谷兩岸的沖積平原,地勢(shì)為南高北低,海拔大多在500m以下,僅衡山屹立其中,祝融峰高達(dá)1289.2m,相當(dāng)于850hPa上高度,氣溫較其他測(cè)站明顯偏低,由于植被所帶來(lái)的水汽與之結(jié)合,故一年四季都能產(chǎn)生大霧,是湖南大霧發(fā)生最多的測(cè)站。南面是南嶺山脈,呈東北-西南走向,山體大致是東西向,高度大都在1000m以上,桂東縣與資興縣交界的八面山,海拔達(dá)2042.1m。湘東南地區(qū)秋、冬季節(jié)處于大陸高壓底部,輻射降溫不如其他地區(qū)明顯,最低氣溫相對(duì)較高,另外由于該地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富,人類工程活動(dòng)加劇導(dǎo)致森林覆蓋率下降,使空氣中水汽減少,大霧日相對(duì)較少。2000年后大霧出現(xiàn)日數(shù)整體呈下降趨勢(shì),可能與城市化和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展有著密切聯(lián)系。城市化所造成的城市熱島不利于大霧的形成。城市熱島效應(yīng)造成城市氣溫明顯升高,不利于水汽的凝結(jié),使大霧難以形成和發(fā)展;經(jīng)濟(jì)發(fā)展使空氣污染加重,大氣氣溶膠粒子密度加大,由于其輻射效應(yīng),在夜晚增加大氣向地面的長(zhǎng)波逆輻射,減小地面輻射降溫,影響霧的形成。除此之外,大霧出現(xiàn)日數(shù)的減少與生態(tài)環(huán)境也有密切關(guān)系。5地面和近地面層精細(xì)特性及成因分析筆者利用地面資料對(duì)1976~2005年湖南大霧進(jìn)行了分級(jí)和分析,揭示了湖南大霧的時(shí)空分布規(guī)律和天氣氣候特征,研究了大霧分布和變化的原因。結(jié)果表明:湖南大霧日分布整體呈西多東少、湘東南霧日最少的特征。大霧高發(fā)區(qū)主要集中在海拔高度較高山峰、下墊面多植被覆蓋和湖泊水體的地區(qū),近地面層充沛的水汽條件是大霧發(fā)生的主要成因。大霧具有明顯的季節(jié)變化,主要集中在秋、冬、春3季,夏季影響最小;大霧存在明