2014年2月关中地区持续霾天气分析

李茜++蒋凯++胡淑兰

摘 要：基于1981—2014年的NCEP/NACAR及陕西气象站的相关气象要素的日值资料，分析了造成2014年2月陕西关中地区持续霾天气的气象条件。结果表明：2014年2月陕西地区上空大气环流场表现为对流层低层出现了南风，风速较小，并且伴随有来自南方的暖湿气流，导致污染物在陕西关中地区聚集；而对流层大气的垂直分布表现为随着高度的升高风速减小，同时对流层中低层的呈现显著的逆温层。在霾区域内，表面风速和水平风垂直切变是通过对污染物在水平方向上向区域外的输送和在垂直方向上输送产生的动力作用。热力作用主要表现在假相当位温垂直差和近地面温度露点差越小，K指数、A指数越大，对流层中低层大气层结的不稳定性和近地面层逆温增强，导致霾天气增强。

关键词：关中地区 持续霾天气 气象条件 2014年2月

中图分类号：P932 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（c）-0133-04

霾是一种大气污染状态，由于霾天气发生时大气能见度降低，对社会经济以及人民生活产生重要的影响；同时，霾天气发生时大气气溶胶聚集在大气近地层，使得大气污染增强，空气质量下降，会对人体健康造成一定的危害。霾受季节影响显著，以冬季最多，春季最少；2001年以来霾日数显著增长[1]。关于中国霾天气的发生与气象因子之间的联系，已有的研究一方面集中在如前所述的霾长期变化趋势与气象因子变化趋势之间的关系，另一方面集中在局地气象条件与雾生消演变过程及与霾天气的联系[2-4]。

陕西近年来霾频频发生，特别是以西安为中心的陕西关中城市群，已成为全国大气污染较为严重的地区之一[5-7]。关于关中地区严重霾的发生、维持，虽然已经有不少探讨分析，但大都是统计分析霾的特征，针对该区域持续霾天气的气象因子分析还相对较少。2014年2月陕西关中地区霾天气具有持续时间长，发生范围广和强度强的特点。该文基于此次霾天气过程，来分析其气象条件的变化，不仅考虑大气环流背景场对持续霾天气的影响，也考虑气象动力和热力因子对持续霾天气演变过程的作用。

1 资料和方法

1.1 资料

该文使用的资料主要包括：（1）NCEP/NACAR日平均再分析数据，时间：1981—2014年2月1日～28日，水平分辨率：2.5°×2.5°，垂直分辨率：17层；（2）陕西省98个台站2014年2月1日—28日逐日风速和能见度资料。

1.2 方法

该文在分析陕西关中地区的相关变量时，对该区域（106°E～111°E，33°N～35°N）的变量进行了区域平均。使用的气候要素均值，均为1981—2010年30年平均值。

500 hPa与850 hPa的水平风垂直切变：

W= （1）

文中使用了两个表征大气热力温度的常用指数K指数和A指数[8]。

K=（T850-T500）-（T700-Td700） （2）

A=（T850-T500）-[（T850-Td850）+（T700-Td700）+（T500-Td500）] （3）

式中，T500，T700，T850分别表示500 hPa，700 hPa和850 hPa的气温；Td500，Td700，Td850分别表示500 hPa，700 hPa和850 hPa的露点温度。在天气业务中常用K指数和A指数来判断大气层结稳定性，即该指数的数值越大，则大气层结越不稳定。K指数和A指数均考虑了中低层大气的垂直温度梯度，主要的区别在于K指数仅考虑了700 hPa一层的水汽饱和度，而A指数在判别大气层结稳定度时，同时也考虑了整个中低层大气（500 hPa，700 hPa和850 hPa）的水汽饱和程度。

2 持续霾天气的天气气候背景

2.1 2014年2月陕西气候特征

从2014年2月陕西省霾日的空间分布可以看出（图略），陕北的定边、靖边、横山和绥德在2014年2月出现了10天以上的霾日，及陕南部分站点也出现了10天以上的霾日。2014年2月关中地区是出现霾日最多和最集中的地区；出现霾日最多的站点为韩城和彬县，2月共出现了20天的霾日。尤其是2月18～28日关中地区持续大范围霾天气过程，涉及到关中和渭北46个县中的28县，共出现162县日。其中重度霾85县日，中度霾15县日，轻度霾16县日，轻微霾46县日。西安市环保局发布2014年2月环境空气质量通报，优良天数为1天，轻度污染6天，中度污染5天，重度污染6天，严重污染10天。在污染的27天中，26天的首要污染物为细颗粒物PM2.5一天的首要污染物为可吸入颗粒物PM10。2014年2月发生在陕西关中地区的霾天气，具有持续时间长、强度大、影响范围广的特征。该文利用此次持续霾天气过程的大气环流背景场、对流层风速和气温距平垂直分布特征分析气象因子对霾过程的影响作用.

2.2 大气环流背景场

首先，分析造成2014年2月陕西关中地区霾天气的大气环流背景场。图1为500 hPa（对流层中层）和925 hPa（对流低层）的温度、风场和位势高度的距平分布图。在对流层低层925 hPa等压面上，可以看到在中国东部有一个高压中心，西部是低压中心，与此对应的在河套地区出现了南风，风速较小。在對流层中层500 hPa等压面上，可以看到中纬度地区主要盛行西风气流，河套地区冷空气强度偏弱，导致河套地区气温升高。笔者计算了2014年2月陕西省风速距平的空间分布，可以看到除了陕北北部和陕南南部地区风速为正距平，全省其他大部分地区均为负距平。也就是说全省大部分地区的风速较常年偏小。925 hPa等压面上有来自南方的暖湿气流，能够将更多的水汽输送到河套地区的上空，为持续霾天气提供了有利的水汽条件，而且冷空气活动偏弱，更加利于大气低层的污染物聚集，同时风速偏弱，使得污染物无法向河套以外的地区输送，导致了2014年2月陕西关中地区出现持续的霾天气。

之前介绍了造成关中地区持续霾天气的大气环流背景，接着再进一步分析大气的垂直分布特征。图2为2014年2月陕西平均风速距平和温度距平随高度的变化。从图2（a）可以看出，在对流层中低层水平风速呈现显著的减弱趋势，表现为随着高度的升高风速减小的趋势，而在400 hPa以上对流层高层，风速随高度升高而增大。从图2（b）可以看出，在整个对流层内几乎为一致的增暖，尤其以对流层中低层的逆温最为明显。这种对流层存在的逆温层异常会使得大气变得稳定。这些大气背景场均有利于持续霾天气的发展和维持。

3 持续霾天气的气象条件分析

3.1 动力作用

2014年2月陕西省关中地区地表平均风速和500 hPa与850 hPa水平风垂直切变（图3）具有较好的一致性，在2月4日，风速与水平风垂直切变均为该月的最大值。同时，分别计算了他们与关中地区日平均能见度的相关，其相关系数为0.7和0.37，显著性均超过了0.05的信度水平。即当能见度偏高（偏低）时，风速与水平风垂直切变的变化也是偏大（偏小）。表面风速和能见度的正相关关系表明在有霾天气的区域内，当表面风速偏小的时候，向区域外输送污染物偏弱，有利于霾的维持，导致能见度偏低，反之亦然，表面风速偏大的时候，能见度变大。而500 hPa与850 hPa水平风垂直切变和能见度的正相关关系表明当水平风垂直切变变大的时候，在有霾天气的区域上空的对流层中低层垂直混合增强，有利于污染物向高空扩散，使近地面的霾减弱，能见度变大。因此，霾区域内的表面风速和其上空的对流层中低层水平风垂直切变对霾天气的影响体现在其水平方向和垂直方向上的动力作用。

3.2 热力作用

笔者计算了2014年2月关中区域850 hPa与1 000 hPa假相当位温垂直差、K指数、A指数和925 hPa温度露点差，并且分别计算了他们与关中区域逐日平均能见度的相关系数，分别为0.28、-0.35、-0.37和0.4。其中，850 hPa与1 000 hPa假相当位温垂直差与能见度的相关性较差，其余三个指数的显著性均超过了0.1的信度水平。可以看出假相当位温垂直差和近地面温度露点差与能见度呈现正相关，而K指数、A指数与能见度呈现显著的负相关。同时，850 hPa与1 000 hPa假相当位温垂直差、K指数、A指数都可以代表大气对流层中低层湿空气的层结不稳定状态。即当假相当位温垂直差和近地面温度露点差越小（大）时候，K指数、A指数越大（小）时候，对流层中低层大气层结的不稳定性和近地面层逆温增强（减弱）时，导致霾天气增强（减弱）。近地面温度露点差代表近地面空气饱和程度，当露点差越小，说明空气中的水汽越接近于饱和，使得空气中的水汽凝结而形成雾，从而降低了能见度，这些因素都有利于霾天气的维持。霾天气中的颗粒物和水滴使地面的净短波辐射通量减弱，使表面温度降低，也可以导致近地面层逆温的增强[9]。

4 结论和讨论

（1）2014年2月陕西关中地区出现了大范围的霾天气过程，尤其以2月中下旬最为严重。造成此次关中地区持续霾天氣的大气背景场主要表现为对流层低层出现了南风，风速较小，并且伴随有来自南方的暖湿气流，将更多的水汽输送到河套地区上空，有利于大气底层的污染物聚集。对流层大气垂直分布表明，随着高度的升高风速减小，同时对流层中低层的呈现显著的逆温层。这些大气背景场都是有利于持续霾天气的发展和维持。

（2）霾区域内的表面风速和其上空的对流层中低层水平风垂直切变对霾天气的影响体现在其水平方向和垂直方向上的动力作用。当表面风速偏大的时候，向区域外输送污染物偏强，不利于霾的维持，从而能见度偏高。而当水平风垂直切变变大的时候，在有霾天气的区域上空的对流层中低层垂直混合偏强，有利于污染物向高空扩散，在近地面附近的霾减弱，能见度变大。

（3）即当假相当位温垂直差和近地面温度露点差越小（大）时候，K指数、A指数越大（小）时候，对流层中低层大气层结的不稳定性和近地面层逆温增强（减弱）时，导致霾天气增强（减弱）。

参考文献

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