扬州市一次持续霾天气的诊断分析

吴琼　程远　张丽婷　夏露　汪婵娟

摘 要：利用环保监测站数据和能见度自动观测数据，对2017年12月扬州市一次持续霾天气进行了研究。结果表明，此次持续霾天气是在重污染、高AQI值背景下产生的，本地污染物有一定的作用。利用NECP再分析数据分析天气尺度背景发现，高低空均为不利于污染物扩散和稀释的天气类型，长时间维持风速较小或者静风的状态，导致污染物的持续积累和霾的形成与发展。利用ECMWF的ERA-Daily再分析资料诊断边界层气象要素，发现大气扩散能力较差，风速偏小，逆温层的存在均有利于污染物在低层的积累，近地面风向和风力的变化是霾结束的重要原因。通过HYSPLIT模式模拟不同高度层气团后向轨迹后发现，污染物随冷空气经西北路径自北向南输送，外界污染源主要是中低层的污染物输送与沉降带来的。

关键词：持续霾;边界层要素;逆温;污染输送;HYSPLIT模式

中图分类号 P427.2文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）08-0151-05

Abstract： Based on data from environmental monitoring stations and automatic visibility observations， a continuous haze weather in Yangzhou from December 29，2017 to January 1，2018 was studied in this paper. It was found that the continuous haze weather was generated under the background of heavy pollution and high AQI value. There was a certain relation to the large-scale road infrastructure and the emissions of chemicals， tail gas， etc. in Yangzhou. The NCEP reanalysis data was used to analyze the weather scale background of the continuous haze process， it was found that either the middle and high altitude or the ground field was the weather type which was not conducive to the diffusion and dilution of pollutants. The small wind speed or a static wind for a long time led to the continuous accumulation of pollutants and the formation and sustainable development of haze weather. This paper also used the ERA-Daily reanalysis data from ECMWF to diagnose the meteorological elements of the boundary layer， and it was found that the atmospheric diffusion capacity was poor， the wind speed was small， and the existence of the inversion layer were beneficial to the accumulation of pollutants in the lower layer and the formation and continuity of the haze， while the change of the wind direction in the near ground and the increase of the wind speed were important reasons for the end of this continuous haze. The HYSPLIT model was used to simulate the back trajectory of the air masses in this continuous haze process in different height layers and found that the pollutants were transported fron north to south through the northwest path， which had the same path as the cold air. The external pollution sources that affect the continuous haze in Yangzhou were mainly caused by the transport and settlement of pollutants in the lower and middle levels.

Key words： Continuous hazes; Boundary layer elements; Inverse temperature; Pollution transmission; HYSPLIT mode

在氣象观测中，将能见度小于10km，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍，在相对湿度低于80%时，判别为霾。根据气象行业标准中能见度（V，单位km）的不同，将霾分为：轻微霾（5.0≤V<10.0）、轻度霾（3.0≤V<5.0）、中度霾（2.0≤V<3.0）、重度霾（V<2.0）。中国气象局在2013年1月将PM2.5的浓度作为发布霾预警信号的重要指标之一，环保部门也将包含PM2.5浓度变化的空气质量指数（AQI）作为大气污染的指标。

霾的形成与气象条件和大气中高浓度的细粒子有关[1-4]，较低的风速，较高的相对湿度以及稳定的边界层条件等均有利于大气中气溶胶的生成、增长和累积，导致能见度下降和重污染的持续以及霾的维持。

众多学者在对中国地区霾的时空分布特征进行研究分析后发现，霾日数呈现上升趋势。吴兑等[5]对1951—2005年中国地区霾的时间和空间分布特征进行了分析，发现1980s后霾出现的天数明显增多;CHE等[6]对中国31个省会城市1981—2005年的灰霾变化趋势分析后发现，中国东部和东南部城市的灰霾天数明显增多。曹剑秋等[7]对江苏省2007—2013年的雾、霾日数气候特征和霾天气发生时的主要气象要素场特征进行了研究，结果表明，霾日数分布由南向北逐渐递减，并逐年增长，其中夏季霾日数最少。

许多专家学者对霾的成因进行了多角度的分析[8-10]，污染源是造成空气污染的根本原因，大气对污染物的扩散能力是空气污染的直接诱因。空气污染物的聚集加上有利的氣象条件，共同形成了雾霾天气，在相对湿度大且静风，大气对流较少时，大气相对较为稳定，污染物很难进行扩散，从而导致了污染物浓度的升高，更容易产生雾霾[11]。杨雪艳等[12]从环流形势、边界层风速、逆温强度、湿度垂直分布特征、混合层高度、通风系数等方面分析了长春市一次持续霾天气的气象条件，发现在高空不断有弱槽扰动、冷空气总体较弱的天气背景下，大气边界层逆温强、风速偏小，大气水平扩散能力和垂直交换能力弱，共同引发了该次持续霾。

本研究针对2017年12月29日至2018年1月1日发生在扬州市的一次持续霾天气过程，从环流背景、边界层气象条件、污染物的输送等方面进行了诊断分析，探讨此次持续霾天气发生的原因。

1 资料与方法

利用扬州境内环保监测站数据对污染物的变化趋势进行分析，用能见度自动观测数据分析扬州能见度走势。利用NECP分辨率为1°×1°的再分析数据对高空环流和地面形势进行分析。利用ERA Interim Daily分辨率为0.5°×0.5°的数据对边界层气象要素（风向、风速、湿度、温度）的演变进行分析，并探讨边界层气象要素与霾的形成和维持之间的联系。利用HYSPLIT-4拉格朗日混合单粒子轨迹模型追溯持续霾日期间污染物的来源与走向。

2 霾天气过程介绍

2017年12月29日至2018年1月1日，受不利气象条件的影响，江苏大部分地区自西北向东南出现了连续的霾天气，其中，31日早晨江苏中部地区出现了区域性强浓雾天气。根据扬州能见度仪逐小时数据来看（图1），29—31日，扬州的能见度基本处于2000m以下，出现了连续的霾天气，并在夜间湿度较大时出现了雾霾混合的天气。其中，夜间能见度降至1000m以下，部分时段低于500m，1日后期污染物扩散气象条件有所转好，能见度逐步回升，持续霾天气结束。

从AQI的数据来看（表1），扬州市2017年12月29日至2018年1月1日，污染程度不断加重，30日起，AQI值大于150，达到中度及以上的污染级别，在12月31日和1月1日前期较为严重，AQI值大于200，空气质量等级为5级，均达到了重度污染的标准。而这几日的首要污染物均是PM2.5，污染物浓度也是逐日递增。

根据环境监测站PM2.5和PM10的数据（图2），分析其逐小时变化可以发现，PM2.5和PM10的走势基本一致，PM10比PM2.5的浓度数值更大一些。在30日午后开始，PM2.5浓度均超过150μg/m3，30日夜间达到峰值，PM2.5浓度超过300μg/m3，31日夜间也在200μg/m3以上，1日午后PM2.5浓度开始下降，扬州市的空气质量和能见度开始逐渐转好。

出现连续雾霾期间，PM2.5和PM10浓度的峰值时段基本都出现在夜间至中午，其一方面与扬州大规模的道路基建有一定关系，另一方面，夜间边界层逆温的存在抑制了污染物输送，且相对湿度在夜间较白天更高，风速小，增加了颗粒物的浓度。对比气态污染物（SO2、NO2、CO和O3等）的逐小时变化图（图略）显示出在每日8—17时出现峰段，考虑与人类活动（尾气、工业排放等）有关。因此，本次扬州地区的持续霾，本地的污染物也起到了一定的作用。

3 诊断分析

3.1 高空环流与地面天气形势 天气形势决定了气象要素的分布和变化，继而决定了大气的扩散能力与大气的稳定程度以及污染物与霾的空间分布和区域性[13]。从500hPa环流来看（图3a～d），2017年12月29日至2018年1月1日，扬州29日处于高压脊前，当暖高压脊东移时，扬州处于暖空气的影响下，当中高层低涡槽东移，前期带来了弱降水，后期扬州受槽后弱冷空气的影响，整个过程中低层层结较稳定，湍流弱，槽后冷空气的偏弱，对污染物肃清效果差。从低空850hPa高度场和地面气压场上看（图3e～f），29—30日西路冷空气扩散南下，但冷空气强度弱，等压线不密集，风力较小，31日处于弱高压控制中，1日位于高压后部，过程中天气相对静稳，不利扩散，天气形势有利于污染物的积累和霾的形成与维持。

由此可见，此次持续霾天气过程中，在中高空有低涡槽过境，槽后冷空气偏弱，地面为不利于污染物扩散和稀释的天气类型[14]，长时间维持风速较小或者静风的状态，是典型的静稳天气，导致污染物的持续积累和霾天气的形成与持续发展。

3.2 边界层气象要素演变特征 大气对污染物的稀释、扩散能力与边界层气象要素的分布密切相关，如垂直速度和散度的垂直分布在一定程度上反映了垂直方向上污染物的扩散条件好坏，逆温层的存在阻碍了污染物向上的扩散和清除，较弱的低层风则不利于污染物的水平扩散和清除。

图4a是沿着（32.5°N，119.5°E）所作的垂直速度的时间-高度剖面图。从图4可以看出，在29日弱降水发生期间，扬州低空为上升运动，而到了霾加重的30日以后，扬州上空为弱的下沉运动，一方面垂直速度小，交换弱，抑制了污染物的垂直扩散，另一方面也加强了近地面的逆温层，有利于污染物在低层的聚集。从散度的垂直分布来看（图4b），在前期西风槽弱降水期间，低层辐合高层辐散，有上升运动，而在雾霾维持加强阶段，扬州上空中低层散度主要为正，以幅散下沉气流为主，并且散度值偏小，交换弱。这种分布特点有利于扬州地区霾的长时间维持发展。

通过前面分析可知，12月29日至1月1日，扬州地区大多是被下沉气流所控制，由于气流下沉的增温作用，极易出现逆温层结。对12月29日至1月1日逐6h做温度的垂直廓线可以看到（图5），在700hPa以下均表现出明显的逆温层结，并且逆温层的存在是持续的、多时次的。在逆温存在时，大气的层结相对稳定，从而抑制了大气中的垂直运动和湍流交换，也阻碍了空气中水汽、烟尘和其他污染物的垂直输送[15]。因此，中低空长期稳定存在的逆温层有利于扬州地区持续霾的发生发展。

风场是边界层内影响污染物扩散的重要动力因素之一。从扬州市上空风的垂直剖面图（图6）来看，30—31日，中低层有弱冷空渗透，偏北风推动污染物南下，但是雾霾持续期间近地面的冷空气较弱，偏北风风力较小，不利于污染物的疏散和清除。在30日夜间925hPa有短时间的偏北风增强，但是一方面持续时间短，另一方面较大风速仍然在较高层结，因此并不能有效地对污染物进行清除。而在1月1日后期，近地面东南风场逐渐增强，风向的转变使得扬州地区的污染物不再是偏北风带来的污染物积聚的效果，而是较为洁净的大气对污染物进行了一定的清除，且风力的增大，使得清除的效果更好。

因此，在本次扬州持续霾期间边界层内大气扩散能力较差，风速偏小、逆温层的存在，均有利于污染物在低层的积累和霾的形成。而近地面风向的转变和风力的加大是本次持续霾结束的重要原因。

3.3 污染物输送 本研究采用美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）开发的拉格朗日混合单粒子轨道模型（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model，简称HYSPLIT-4）追溯连续雾霾日期间气团的来源和走向。HYSPLIT是具有处理多种气象输入场、多种物理过程、不同类型排放源的较完整的输送、扩散和沉降的综合模式系统，通常用来跟踪气流携带粒子或者气体移动的方向。

霾的发生除与本地污染源有关外，还可能与外来污染源有关;而外来污染源与气象条件、天气系统等密切相关，在一定的天气形势下，外来污染物随气流不断地输送至本地，本文中连续雾霾就出现在冷空气南下的天气背景中。冷空气南下，推动北方的污染物也南下积聚，形成连续的雾霾过程。

本研究以扬州为参考点，选取100m、1000m和3000m高度层计算后向轨迹，分析追踪到达华东长江下游地区的气团过去72h的移动路径，从而初步分析影响扬州的持续雾霾天气的可能外来污染源路径。在近地面100m高度上：28—31日，污染物经由北方路径移动，经苏鲁交界及冀鲁豫交界向南传至扬州市，垂直方向上伸展较低;29—1日，通过内蒙、河套自西北传至扬州市，垂直方向伸展至2km以上，并在传播过程中不断降低，有明显的下沉。在1000m高度上：27—29日，路线较复杂从苏浙交界经苏皖交界北上，再折回扬州市;垂直高度在1000m以下;28—31日，自贝湖经蒙古、河套至扬州市，垂直方向上可伸展至5km以上，并在传播过程中不断降低，有明显的下沉;29—1日，自新疆经河套至扬州市，可达3km。在3000m高度上：污染物经由西北路径移动，和1000m高度的情况基本类似，但是中高空气团有上升运动，对本次持续霾天气的影响弱。

因此，不论是近地面还是中、高空，污染物经西北路径自北向南输送。与冷空气路径一致，但造成本次扬州地区持续霾天气的主要是中低层的污染物输送与沉降。

4 结论

（1）本次持续霾天气是在重污染、高AQI值背景下产生的，PM2.5和PM10的走势基本一致，峰值时段出现在夜间到中午，PM10比PM2.5更大一些。扬州本地基建和化工、尾气等的排放，对本次持续霾天气的发生起到了一定的作用。

（2）中高空有低涡槽过境，槽后冷空气偏弱，地面为不利于污染物扩散和稀释的天气类型，长时间维持风速较小或者静风的状态，是典型的静稳天气，导致污染物的持续积累和霾天气的形成与持续发展。

（3）从本次持续霾期间边界层气象要素条件来看，大气扩散能力较差，风速偏小、逆温层的存在均有利于污染物在低层的积累和霾的形成。而近地面风向的转变和風力的加大是本次持续霾结束的重要原因。

（4）通过HYSPLIT模式模拟本次持续霾过程的不同高度层（100m，1000m，3000m）气团后向轨迹后发现，不论是近地面还是低空，污染物经西北路径自北向南输送，与冷空气路径一致。对扬州地区持续霾天气产生影响的外界污染源，主要是中低层的污染物输送与沉降带来的。

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（责编：张宏民）