南通地区1次大范围持续性雾霾天气机制分析

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　　摘 要：2013年1月，我国南通地区出现了1次大范围的雾霾天气，并持续了4d时间，最低能见度仅30m，空气中含有大量的可吸入颗粒物，对社会的影响比较严重。该文运用NECP再分析资料，结合南通地区地面观测数据以及环境监测中心提供的PM2.5含量资料，从地面气象要素、温度平流、水汽条件、动力条件、逆温层以及可吸入颗粒物含量影响等方面对雾霾天气的发生发展进行了分析。结果表明：南通地区此次雾霾天气形成的机制比较复杂，冷暖平流交替影响，在雾持续过程中，近地层暖湿平流的输入、浅层抬升、水汽弱辐合以及对流层中下部的“干暖盖”，有利于饱和湿空气的凝结以及逆温层的维持，而高低空一致的垂直上升运动和高空的干冷平流是雾消散的主要因素。
　　关键词：雾霾;PM2.5;逆温层;温度平流;垂直速度
　　中图分类号 X513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）（02-03）-0134-04
　　Analysis of a Large-scale Persistent Haze Weather Mechanism in Nantong Area
　　Miao Yan et al.
　　（Nantong Meteorological Bureau， Nantong226000， China）
　　Abstract： in January 2013， there was a large-scale haze in Nantong area of China， which lasted for 4 days. The minimum visibility was only 30 meters. There were a lot of inhalable particles in the air， which had a serious impact on the society. Based on the NECP reanalysis data， combined with the surface observation data of Nantong area and the PM2.5 content provided by the environmental monitoring center， this paper analyzes the occurrence and development of haze weather from the aspects of surface meteorological elements， temperature advection， water vapor conditions， dynamic conditions， inversion layer and the influence of the content of inhalable particles. The results show that the formation mechanism of the haze in Nantong area is complex， and the cold and warm advection alternate. In the process of fog persistence， the input of the warm and wet advection in the near ground layer， the shallow uplift， the weak convergence of water vapor and the "dry and warm cover" in the middle and lower troposphere are conducive to the condensation of the saturated wet air and the maintenance of the inversion layer， while the consistent vertical rise movement in the high and low altitude and the dry and cold advection in the high altitude It is the main factor of fog dissipation.
　　Key words： Haze; PM2.5; Lnversion layer; Temperature advection; Vertical velocity
　　霧霾是指悬浮在近地层大气中的大量微细水滴或冰晶、可吸入颗粒物的可见集合体[1]。近年来，随着我国社会经济的发展，雾霾对社会生产和人们生活造成的不良影响日益严重。国内外有关雾的研究很多，从20世纪80年代至今，科研工作者利用地面观测、小球探空、模式模拟等观测研究手段对雾霾的发生规律、生消过程进行了细致的研究[1-6]。南通地区地处长江中下游，濒临南黄海，水汽丰沛，是雾霾多发地区，且该地区人口密集、经济发达，持续性雾天气所造成的社会经济影响相对突出，但对雾霾生消的环流特征和物理机制仍缺乏系统的认识。为此，本研究以2013年冬季1月12—16日南通雾霾天气为例，利用NECP2.5*2.5再分析资料，分析了雾过程中高度场、温度平流场、水汽场及大气层结结构的演变过程，寻找雾霾生消规律、能量平衡、污染物积聚和扩散规律，研究南通雾霾天气生成触发和维持过程的机理。
　　1 天气实况和形势背景
　　2013年1月，南通地区共出现了11次雾霾天气，主要集中在1月12—16日，以及1月23日以后，因影响范围广、持续时间长，且空气中可吸入颗粒物含量较高，对当地社会的影响较大，引起了社会各界的广泛关注。本文主要以1月上旬的持续性大雾为例进行分析，12—16日南通全市大部分地区长时间笼罩在雾霾天气下，13—15日最低能见度均在500m以下，持续时间最长、能见度最低的雾霾天气出现在12日夜间至13日上午（持续18h）、13日夜间至14日早晨（持续12h），最低能见度仅30m（图1）。能见度最低的时段（13—14日）南通都是受浓雾的影响，从水汽条件看，12—16日有大雾发生时地面相对湿度维持在80%以上，且温度露点差小于等于2℃。 　　此次大范围、长时间的雾霾天气由冷暖空气交替影响，天气形势多变。根据高空的大尺度天气系统，可以将此次大雾天气分为以下3个部分：
　　1月11日后期至13日前期，高空西南气流控制，地面上有暖性低值系统沿西安-郑州-山东北部一线移动，南通处于低涡左前侧的西南暖湿气流中，地面空气潮湿，风速小于3级，南通全市生成了最低能见度小于200m的平流雾。13日上午南通地区出现暖区降水，空气中的水汽和可吸入颗粒物被雨滴拖曳下坠，中高层的湿度骤然下降，能见度迅速转好，达4000m以上。
　　13日后期高空低槽从江苏东部入海，地面冷锋南下过境，南通地区在冷平流和夜间辐射降温的共同作用下，不仅加强了近地面的稳定层结，而且加速了近地面水汽的饱和速度，使雾体快速发展。西太平洋热带气旋东北向移动，其螺旋云带给本地区从海面上带来的大量水汽，给大雾的维持和加强提供了条件。14日10时，暖气团重新活跃起来，湿度减小至60%～70%，能见度开始转好。
　　14日夜里到15日前期，受西风带系统的影响，高低空一致的西南暖湿气流，南通地区出现了雾霾天气，但能见度较13日和14日优，持续时间仅6h左右，属于地面锋前雾。冷锋过境后，能见度迅速转好。15日夜间，在冷平流和辐射降温的影响下，又重新形成了雾体，且空气中污染物含量增加，使得雾霾天气一直持续到16日早晨晴空以后。
　　2 物理量分析
　　2.1 地面要素 图3是1月12—16日地面能见度、相对湿度、温度露点差以及地面10min平均风速的趋势变化。从图3可以看出，地面相对湿度在80%以上有利于大雾的发生发展;温度露点差与能见度呈正相关，温度露点差越小，能见度越低，其差值低于2℃时，有利于大雾的形成。另外，风速较小也是大雾能够长时间维持的原因之一。
　　2.2 温度平流 图4是12—16日温度平流的时间剖面图，12∶02—13∶08，13∶14—14∶14，14∶20—15∶08，15∶14—16∶08，这4个时段冷暖平流交替影响，使形成这次持续性雾霾天气的成因机制一直在变化。如果以每天的14时为日界，13日、15日的雾霾天气多因暖平流引起，归为平流雾或锋前雾;14日、16日的大雾主要因冷平流和夜间辐射造成的地面降温引起的，为混合性雾。根据图4分析，13日和14日300～500hPa温度平流的绝对值（≥50℃/s），与15日和16日的温度平流中心的绝对值（≥20°C/s）相比，差值在2倍以上，这也正对应了13、14日的长时间的强浓雾。
　　2.2 水汽条件 充足的水汽条件是产生雾霾必不可少的。从图5可以看出，整个12—16日地面相对湿度基本都维持在80%以上，在13、14日凌晨达到90%左右，接近饱和，同时地面能见度也降到最低（≤200m）。
　　从图6相对湿度的垂直剖面看，12日夜间到13日上午从近地面到高空400hPa相对湿度都维持在70%以上，使这个阶段的大雾持续了长达18h，并且平均能见度在500m以下。13日上午天空出现小雨后，高空的水汽降落到地面，湿层高度迅速降低。
　　13日22时到14日09时大雾持续了12h，最低能见度低于100m，但925hPa以上相对湿度小于40%，只有近地面在80%以上。这表明，近地面80%以上的相对湿度就有利于大雾的形成;湿层发展的高度越高，促使大雾维持的时间越长。
　　2.3 动力条件 垂直运动是影响温度层结发展变化的重要因子之一，即不同高度上垂直运动不同，气块升降过程中，增温和降温的多少也不相同。在不考虑水汽相变时，对于稳定大气整层抬升后，将使气层的稳定性减弱，而整层大气下沉增温有利于增强逆温的强度从而将使气层的稳定性增强。从图7可以看出，12日后期地面低值系统活动、15日冷鋒锋面过境时，高低空有一致的垂直上升运动，稳定层结遭到破坏，持续性雾霾天气出现了暂时中断。13—14日南通地区925hPa以下有浅层抬升，垂直上升速度在5m/s以下，850hPa以上有稳定的下沉运动，这是大雾发展和维持的重要原因之一[2]。这2日除13日上午因降水能见度恢复到1000m以上，整个南通市雾霾持续了30h以上。从垂直速度中心强度来看，下沉气流的垂直速度极值发生在14日08时500hPa达到了50m/s，这也是能见度最低的时段。
　　2.4 逆温层 逆温层，相当于低层空气上的暖干盖，在其作用下，近地层空气趋向更加潮湿，而其上面空气趋向更加干暖，气层变得更加稳定，气流不容易向上抬升，从而有利于雾的维持和发展[3]。一般大雾生成时，近地层常有逆温层。从图9可以看出，12—16日08时均存在逆温层，但逆温层顶和温度递减率都不同。12日早晨逆温层在925hpPa以下，大雾只持续7h;13日虽然大雾持续18h且能见度低于200m，但状态曲线温度的递减率偏低，逆温层顶在850hPa以下，相比较而言，14日早晨温度的递减率明显较大，且逆温层顶发展到850hPa以上，接近高空2000m，这也是14日虽然湿层浅薄，但雾霾仍能持续12h的原因之一。
　　14日夜间到15日08时逆温层接近14日凌晨，在14日22时也出现了100m以下的浓雾，但15日02点地面相对湿度从90%减小到80%以下后，能见度恢复到1000m以上，随后因冷锋南下，破坏了稳定层结，雾层的厚度和强度也随之减弱。
　　2.5 PM2.5与雾霾的相关性分析 取1月12日0点至16日20点空气中PM2.5的含量，与地面能见度做相关性分析，结果表明，两者之间呈显著负相关，其相关性系数为-0.385，可信度达0.01以上。这说明，空气中可吸入颗粒物含量越高，能见度越低。由图9可见，在水汽、风速以及层结稳定度都满足条件的情况下，空气中PM2.5的含量高于0.200[mg?m]3时，有利于雾霾持续时间增长，浓度增强，并且白天PM2.5含量高对于能见度的影响要大于夜间。
　　然而，13日夜间里至14日上午10时，空气中PM2.5的含量只有0.083～0.133[mg?m]3，但是能见度却是图9中曲线的谷值。说明PM2.5含量的高低不是大雾产生（≤1000m）的充分必要条件，两者之间是相互影响相互制约的关系。当天气形势和地面各要素有利于大雾产生的条件下，若空气中PM2.5含量高，首先它本身就会在一定程度上影响能见度，其次空气中的可吸入颗粒物会促使空气中的水汽碰撞加剧，加剧大雾的发展;当大雾产生时，地面层结稳定，风速小，近地层常伴有逆温层，可吸入颗粒物不能有效的扩散，大雾加剧，持续时间增长。在这种情况下，一旦产生降水，空气中的水汽和可吸入颗粒物得到沉降，能见度就会迅速转好，例如13日中午前后。 　　3 结论与讨论
　　（1）水汽、稳定层结、地面风速小是大雾产生和维持的基本条件。地面相对湿度≥80%，风速≤3级，地面温度露点差≤2℃，有利于南通地区形成大雾。即使低层700～925hPa湿度条件差，近地面80%以上的相对湿度，就有利于大雾的形成，当达到90%以上时，最低能见度有可能低至200m以下。
　　（2）平流雾、辐射雾或者混合雾，雾的强度都与高空温度平流的强度呈正比。当300～500hPa温度平流绝对值达到50，雾的能见度极值在200m以下。
　　（3）地面有浅层抬升（垂直上升速度0～5m/s），配合高空的下沉气流，是大雾发生发展的重要原因之一。高低空一致的上升气流，会破坏层结稳定度，不利于大雾的发生发展。相反，整层大气下沉增温，有利于增强逆温的强度，从而将使气层的稳定性增强，如14日早晨08时前后，逆温层高度被提升到2km左右，配合地面大于90%的相对湿度，最低能见度在100m以下。
　　（4）空气中可吸入颗粒物含量越高，能见度越低，且白天PM2.5含量高低对于能见度的影响大于夜间。但PM2.5的含量对于大雾的发生和结束不起着决定性作用，两者之间是相互影响、相互制约的关系。
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　　（责编：张宏民）
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