山西省持續(xù)性霧霾天氣過程特征分析

霧和霧是漂浮在大氣中的顆粒，使能見度惡化，形成不利的天氣。隨著我國城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快,霧霾天氣有增加的趨勢,不僅導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降,引起大氣氣溶膠光學(xué)特性改變,而且影響到地氣系統(tǒng)的輻射收支狀況,進(jìn)而對地球的氣候效應(yīng)產(chǎn)生影響。饒曉琴等對發(fā)生在我國中東部的一次大范圍霾天氣進(jìn)行了分析,指出了此次霾天氣形成的環(huán)流特征和要素場特征;吳洪等分析了北京地區(qū)大霧的氣候特征,提出了一些大霧天氣的預(yù)報(bào)方法;毛冬艷等則給出了華北平原12月大霧的氣象條件;趙瑞金、江玉華、王瑋等分別對不同的大霧天氣過程,利用雷達(dá)、加密觀測等資料進(jìn)行了分析,得出了一些有意義的結(jié)論。董劍希和何暉等分別于2006年和2009年對發(fā)生在2002年和2006年北京地區(qū)的一次大霧進(jìn)行了數(shù)值模擬,探討了云微物理過程以及長、短波輻射和模式垂直分辨率對霧形成的影響,而吳兌則從云霧滴特征、能見度和相對濕度方面討論了大城市霾與霧的區(qū)別,給出了霾與霧觀測標(biāo)準(zhǔn)和灰霾天氣預(yù)警信號(hào)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)。但針對持續(xù)性、區(qū)域性霧和霾天氣,從不同角度進(jìn)行綜合對比分析,提出預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)的還較少見。本文選取山西省發(fā)生在1994年11月7~12日的連續(xù)大范圍霾天氣和11月16日至12月1日連續(xù)大范圍的大霧天氣過程,從環(huán)流形勢、物理量場分布、氣象要素場特征等方面進(jìn)行綜合對比分析,探討霧和霾天氣形成原因及其差異,以期給預(yù)報(bào)工作提供參考。1南部18市反應(yīng)1994年11月7~12日,山西省連續(xù)出現(xiàn)大范圍霾天氣,11月16日至12月1日又連續(xù)出現(xiàn)大范圍大霧天氣。其中,11月10日霾范圍最大,北部2縣、中部10縣市、南部19縣市共31縣市出現(xiàn)霾(圖1a),而從11月18日開始,連續(xù)14d出現(xiàn)霧的縣市超過20個(gè),11月18~22日,連續(xù)5d有38個(gè)以上縣市出現(xiàn)大霧,18日出現(xiàn)大霧縣市最多,為53個(gè)(圖1b),其中北部9縣市,中部24縣市,南部20縣市,27~30日又連續(xù)4d,出現(xiàn)大霧的縣市超過30個(gè),有的能見度不足50m,直到12月2日,大范圍大霧才逐步消散。此次霧和霾天氣持續(xù)時(shí)間較長,影響范圍大,因霧霾造成能見度極差,給山西省道路交通、公路運(yùn)輸、電力部門、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來嚴(yán)重影響。2u3000hpa阻塞形勢分析11月逐日高低空形勢演變發(fā)現(xiàn),11月7~12日500hPa為典型的寬廣低值型,鋒區(qū)偏北,冷空氣勢力較弱,中緯度環(huán)流較平,且多短波槽活動(dòng),山西一直受偏西或偏西南氣流影響(圖2a);低層850hPa有暖平流持續(xù)向山西輸送(圖2b),對應(yīng)地面圖上,氣壓場較弱,為均壓場轉(zhuǎn)為回流底部。受高空冷空氣從極地東南下并在蒙古國到我國東北地區(qū)堆積影響,12日,回流高壓迅速加強(qiáng),低層冷空氣從東北入侵山西,13日冷高壓中心強(qiáng)度加強(qiáng)到1055hPa(圖2d),而850hPa等0℃線陡然南壓10個(gè)以上緯度,山西受冷溫度槽控制(圖2c),持續(xù)數(shù)日后大范圍霾才結(jié)束。之后,持續(xù)大范圍大霧天氣過程;500hPa中緯度為典型的阻塞形勢,且深厚穩(wěn)定,期間弱西北氣流和偏西南氣流交替出現(xiàn),山西一直處于槽底或脊前,受偏西南氣流或弱西北氣流控制,暖平流和弱冷平流交替向山西輸送;850hPa等0℃線長期位于山西北部;對應(yīng)地面為弱高壓前部、回流底部,使水汽條件持續(xù)較好,而地面等壓線稀疏,梯度小,風(fēng)力較小,致使水汽穩(wěn)定向上輸送,濕層厚度較厚,弱西北氣流使得輻射冷卻達(dá)到最強(qiáng)。直到12月1日,500hPa阻塞形勢減弱,冷空氣沿脊前偏北氣流入侵山西,在切斷低壓內(nèi)堆積,等壓線密集,風(fēng)力加大,冷平流強(qiáng)盛;12月2~3日,高空受強(qiáng)西北氣流影響,地面冷高壓控制山西,大范圍霧才散去(圖3)。3e,2070n診斷分析所用資料為實(shí)時(shí)地面觀測和高空探測資料。資料范圍為80°~130°E,20°~70°N。應(yīng)用逐步訂正方案對資料進(jìn)行客觀分析,并采用Kring網(wǎng)格化方法,生成格點(diǎn)數(shù)為51×51的網(wǎng)格資料,水平分辨率為1°×1°,垂直分為12層。3.1天氣條件分析3.1.1相對濕度垂直分布的時(shí)間演變沿112.7°E,37.2°N作20時(shí)相對濕度的高度-時(shí)間剖面圖(圖4),分析發(fā)現(xiàn),大霧出現(xiàn)前一日20時(shí),低層空氣比較潮濕,850hPa以下空氣相對濕度>80%,而近地層空氣接近飽和,925hPa以下相對濕度>90%,且有連續(xù)3d以上的濕度增大過程;特別是4日20時(shí)和18日20時(shí),925hPa以下空氣相對濕度達(dá)到100%,次日霧的持續(xù)時(shí)間超過10h。5日相對濕度迅速減小,整層相對濕度<32%,之后一直到11日,整層空氣較干,相對濕度持續(xù)<57%,7~12日山西省出現(xiàn)持續(xù)的區(qū)域霾天氣,出現(xiàn)霾范圍最大的前一日(9日)20時(shí),850hPa以下相對濕度在30%~40%,且在500hPa達(dá)到最干。13日以后,低層空氣一直保持潮濕狀態(tài),850hPa以下,空氣相對濕度持續(xù)>80%,17~22日和25~26日,山西省出現(xiàn)持續(xù)大范圍大霧天氣?？梢?水汽條件是形成霧的關(guān)鍵因素,而霾形成則整層較干。大霧出現(xiàn)前,低層空氣相對濕度持續(xù)增加,濕層厚度達(dá)到850hPa,近地層空氣越接近飽和,次日霧的持續(xù)時(shí)間越長;而近地層相對濕度在30%~50%時(shí),最有利于霾的形成。低層空氣持續(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,且這些條件出現(xiàn)在霧霾生成前,對霧霾天氣的預(yù)報(bào)有一定指示意義。3.1.2850hPa相對濕度的空間差異山西省呈近似平行四邊形,南北長,東西窄,由于呂梁山和太行山兩大山脈作用,對天氣系統(tǒng)影響非常大,造成山西天氣氣候南北向的差異較大。大同(113.33°E,40.1°N)位于山西北部;太原(112.55°E,37.8°N)和陽泉(113.55°E,37.85°N)位于山西中部;浮山(111.83°E,35.98°N)位于山西南部。從地理位置上講,分別代表了山西的3類典型氣候特點(diǎn);從圖5可以看出,13日以前,全省低層都比較干,相對濕度一般小于60%,特別是8~12日,山西大部分地區(qū)的相對濕度在30%~50%,13日以后,低層一直保持潮濕的狀態(tài),相對濕度持續(xù)在60%以上,為后期連續(xù)性大范圍大霧的出現(xiàn)提供了水汽條件。對應(yīng)霧出現(xiàn)前一日20時(shí),都有一個(gè)相對濕度增大的過程,太原一般>80%,濕度越大越有利于霧的形成,而浮山、大同和平定相對濕度一般在60%~80%,太大反倒沒有霧。這可能與地形條件有關(guān)。4日20時(shí),相對濕度除大同外,均出現(xiàn)突增,5日早晨全省有35個(gè)縣市出現(xiàn)大霧,特別是太原,相對濕度達(dá)到91.9%,次日出現(xiàn)能見度不足100m的大霧,而且持續(xù)時(shí)間較長。3.2般在大氣環(huán)境質(zhì)量上出現(xiàn)的差異渦度平流是由于渦度水平分布不均勻而引起的渦度局地變化。渦度平流隨高度的變化,反映了地面低值系統(tǒng)的發(fā)展演變,從而判斷近地層輻合上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱。其計(jì)算公式為:A=?V???ζ=?(u?ζ?x+v?ζ?y)(1)A=-V???ζ=-(u?ζ?x+v?ζ?y)(1)ζ=?v?x??u?y(2)ζ=?v?x-?u?y(2)式中:A表示渦度平流,V?V?為風(fēng)矢量,ζ為渦度,u,v為風(fēng)速分量。利用網(wǎng)格化資料,計(jì)算各層逐日20時(shí)的渦度平流,并沿太原(112.7°E,37.2°N)作垂直剖面,分析渦度平流垂直分布的逐日變化(圖6),11月6~11日,1000hPa及以下,一般A≥0s-2,偶有-0.5s-2<A<0s-2的情況,1000~925hPa,0<A<2.2s-2,而700~500hPa,A≤0s-2,且值較小,一般|A|≤20s-2,400hPa以上一般A>5s-2;此時(shí)段內(nèi),對應(yīng)低層空氣濕度均較小(圖5);13日925hPa,A>2.5s-2,低層濕度迅速增加(圖5),均超過80%,隨著近地層上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng),濕度的加大,霾層遭到破壞,大范圍的霾天氣結(jié)束。說明在大范圍霾出現(xiàn)前,上升運(yùn)動(dòng)非常弱,一般A<2.2s-2,且上升運(yùn)動(dòng)高度僅限于925hPa以下;偶有非常弱的下沉運(yùn)動(dòng);而沒有霾出現(xiàn)的日子,700hPa以上渦度平流的絕對值可以達(dá)到很大。弱的上升運(yùn)動(dòng)可以將近地層的顆粒物帶到一定高度,形成一定厚度的霾層,而弱的下沉運(yùn)動(dòng),又可將較低上空的顆粒物帶到近地層,有利于近地層顆粒物的增加,從而有利于霾天氣的穩(wěn)定維持。11月15~30日,渦度平流表現(xiàn)出兩種特征:一種是850hPa以下A≥0s-2,850~250hPa,A<0s-2,且在500hPa或300hPa達(dá)到最小,200hPa以上,A>0s-2,即近地層有弱的上升運(yùn)動(dòng),上升運(yùn)動(dòng)高度可達(dá)850hPa,有利于水汽的向上輸送,從而形成一定的濕層厚度;另一種是整層A>0s-2,且一般在200hPa達(dá)到最大,說明大氣層結(jié)非常穩(wěn)定。以上兩種情況都有利于大霧的形成。綜上所述,大范圍霾的形成,近地層有弱的上升運(yùn)動(dòng)或弱的下沉運(yùn)動(dòng),兩種運(yùn)動(dòng)都非常弱,并交替出現(xiàn),有利于霾天氣的穩(wěn)定維持,而運(yùn)動(dòng)高度較霧更低,不利于水汽的向上輸送,有利于顆粒物在近地層的堆積增加,從而使霾達(dá)到一定厚度。大范圍大霧的形成一般也有兩種情況,一種是近地層弱的上升運(yùn)動(dòng),且上升運(yùn)動(dòng)高度較霾高,上升運(yùn)動(dòng)速度較霾大,這有利于水汽的向上輸送,形成一定厚度的霧;另一種是非常深厚穩(wěn)定的大氣層結(jié),這更有利于大范圍大霧的形成,但持續(xù)時(shí)間較短。3.3大范圍霧病天氣總溫度平流特征總溫度平流的計(jì)算公式為:AT=?V???Tt=?(u?Tt?x+v?Tt?y)(3)AΤ=-V???Τt=-(u?Τt?x+v?Τt?y)(3)式中:AT為總溫度平流,V?V?為風(fēng)矢量,u,v為風(fēng)速分量,Tt為總溫度,表達(dá)式為:Tt=T+2.5q+10Z(4)式中:T=t+273.16,t為溫度,q為比濕,Z為海拔高度?？倻囟仁蔷C合性的物理量,它不僅反映了暖濕空氣的活動(dòng),而且在一定意義上反映了地形的影響。利用網(wǎng)格化資料,計(jì)算各層逐日總溫度平流發(fā)現(xiàn),500hPa最具代表意義。所以,以500hPa總溫度平流為例,分析大范圍霧霾天氣的逐日變化(圖略)。在霾出現(xiàn)期間,山西地區(qū)的總溫度平流很小,基本維持在0<AT<8℃·s-1,一旦AT>15℃·s-1,即有強(qiáng)烈的增溫出現(xiàn)時(shí),有利于近地層空氣的上升運(yùn)動(dòng),隨著上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng),霾迅速擴(kuò)散而告結(jié)束。而在大霧出現(xiàn)前一日20時(shí),總溫度平流一般在-2~1.5℃·s-1,如果太小,表明空氣較干,不利于霧的形成,而有利于霾的形成;而對于太原到平定中部盆地一帶還有一種可能,即總溫度平流AT>10℃·s-1,且850hPa相對濕度>60%,次日也會(huì)出現(xiàn)大霧。從表1可清楚地看出,霧霾出現(xiàn)前總溫度平流的差異。由公式(4)可知,AT=At+Aq+Az,式中At=T表示溫度項(xiàng),Aq=2.5q表示濕度項(xiàng),Az=10Z表示厚度項(xiàng),對于某站而言,厚度項(xiàng)不變,分析總溫度平流前2項(xiàng)在霧霾天氣出現(xiàn)前的貢獻(xiàn)可知,大范圍霾出現(xiàn)前,At貢獻(xiàn)占到76%左右,Aq占到24%左右,而在大范圍大霧出現(xiàn)前,At貢獻(xiàn)占到48%左右,Aq占到52%左右?？梢?大范圍霾出現(xiàn)前,有暖干平流向山西地區(qū)輸送,而霧出現(xiàn)前,則有暖濕平流或弱冷濕平流向山西地區(qū)輸送,而且霾的平流比霧的平流強(qiáng)。3.4逆溫層持續(xù)存在的影響分析溫度場的垂直分布(圖略)發(fā)現(xiàn),大范圍霧霾持續(xù)期間,太原上空08時(shí)和20時(shí)均有逆溫層存在,使低空形成一個(gè)暖區(qū),最大逆溫層頂均可達(dá)到850hPa,逆溫層較厚(這與饒曉琴分析的中東部霧霾天氣的逆溫層厚度明顯不同),有利于大氣顆粒物和水汽在近地層聚集,從而形成一定厚度的持續(xù)性霧霾天氣。逆溫層越厚,霧霾持續(xù)時(shí)間越長。對比850hPa和地面溫度差異(表2)發(fā)現(xiàn),霾持續(xù)期間08時(shí)的逆溫強(qiáng)度在5~8℃,平均為5℃,20時(shí)的逆溫強(qiáng)度在2~5℃,平均為2.2℃;而霧持續(xù)期間,08時(shí)的逆溫強(qiáng)度在1~4℃,平均為3.2℃,20時(shí)的逆溫強(qiáng)度在4~6℃,平均為4℃?？梢?逆溫層的持續(xù)存在,是霾和大霧天氣持續(xù)出現(xiàn)的條件之一,但霾的逆溫強(qiáng)度08時(shí)比霧強(qiáng),20時(shí)比霧弱。12~13日20時(shí)的溫度差為-5℃和-6℃,08時(shí)的溫度差為-7℃和-6℃,24日20時(shí)的溫度差為-1℃,08時(shí)的溫度差為-3℃,隨著逆溫層的破壞,霧霾天氣結(jié)束。4霧雨的特點(diǎn)是前后土壤氣候的素質(zhì)特征4.1大氣象要素為非均壓或倒槽影響型霧和霾出現(xiàn)前后,地面氣象要素特征存在明顯差異(表3)。大范圍大霧出現(xiàn)前一日20時(shí),氣壓場呈減弱趨勢,24h變壓一般≤0hPa,濕度增大,而溫度下降,風(fēng)速一般≤4m·s-1,風(fēng)向則與所處位置有關(guān),若為高壓影響型,則以偏東風(fēng)為主,若為均壓或倒槽影響型,則多以偏西風(fēng)為主;大霧過后,氣壓場有增大趨勢,溫度則有大幅度回升,濕度迅速減小,風(fēng)速增大。說明大霧來臨前,氣壓減弱,風(fēng)力較小,濕度增大,且有弱冷平流侵入;而隨著高壓的侵入,風(fēng)力的加大,濕度的減小以及溫度的迅速升高,大霧消散。而霾則有所不同,霾出現(xiàn)前,氣壓場也呈減弱趨勢,24h變壓一般≤0hPa,但濕度減小,溫度升高,風(fēng)速減小,而隨著氣壓的升高,溫度的下降,濕度的增大以及風(fēng)力的加大,霾即消散。對比山區(qū)和盆地,氣象要素的變化存在明顯的空間差異,氣壓和風(fēng)速的變化山區(qū)比盆地小,溫度和濕度則是山區(qū)比盆地大,這與地形關(guān)系密切。說明霧和霾出現(xiàn)前后,溫度和濕度的垂直變化明顯,而盆地風(fēng)力更大,才會(huì)更有利于霧霾的消散。4.2u3000中云參數(shù)估計(jì)霾多出現(xiàn)在11~17時(shí),持續(xù)時(shí)間較短,而霧多出現(xiàn)在夜間至次日上午,且持續(xù)時(shí)間較長;霾出現(xiàn)前一日20時(shí)多有高云,無降水;而霧出現(xiàn)前一日20時(shí)一般總云量<3成,或>9成,但多為中云且有降水出現(xiàn);霾出現(xiàn)前一日20時(shí)往往地面會(huì)出現(xiàn)靜風(fēng),這樣更不利于近地層粒子的擴(kuò)散,而導(dǎo)致積聚。霧和霾出現(xiàn)時(shí),能見度的差異比較復(fù)雜。霧出現(xiàn)時(shí)能見度一般小于1km,最小不足50m,且與近地層空氣相對濕度厚度有關(guān),濕層越厚,能見度越差,有時(shí)還會(huì)在近地層出現(xiàn)濕度的逆轉(zhuǎn);霾出現(xiàn)時(shí)一般能見度在2~8km,與逆溫層厚度有關(guān),逆溫層越厚,能見度越差,還與空氣相對濕度有關(guān),850hPa相對濕度越小,能見度越差。能見度還存在地域差異,無論是霧還是霾出現(xiàn)時(shí),最小能見度中南部明顯低于北部,盆地低于山區(qū)。5大范圍霧的天氣背景及特征(1)此次大范圍霾持續(xù)期間,500hPa為典型的寬廣低值型,鋒區(qū)偏北,冷空氣勢力較弱,中緯度環(huán)流較平,多短波槽活動(dòng),山西受偏西或偏西南氣流影響;有暖平流向山西輸送,對應(yīng)地面圖上,氣壓場較弱,為均壓場轉(zhuǎn)為回流底部。而大范圍霧持續(xù)期間,500hPa中緯度為典型的阻塞形勢,且深厚穩(wěn)定,弱西北氣流