淺析湖北省霾日數(shù)氣候特征及夏季典型霾過(guò)程氣象因子
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作者；鄭曉敏
2012年6月湖北省中東部的2次嚴(yán)重霾過(guò)程，嚴(yán)重影響人們生活出行和社會(huì)穩(wěn)定。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾對(duì)霧、霾的組成及其氣候特征進(jìn)行了研究，范引琪等分析河北省1960-2002年11個(gè)城市大氣能見(jiàn)度變化，發(fā)現(xiàn)城市大氣能見(jiàn)度均顯著下降，且夏季能見(jiàn)度下降幅度最大。廖玉芳等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)70年代以來(lái)，湖南年霾日急劇增多，強(qiáng)度增強(qiáng)，且重度霾出現(xiàn)范圍增大；劉愛(ài)君等分析廣州近50 a霾天氣氣候特征及其成因，認(rèn)為霾日數(shù)年際變化多于大氣中的污染物濃度有關(guān)，月、季分布多受天氣形勢(shì)和氣象條件所控制；趙普生等發(fā)現(xiàn)京津冀區(qū)域霾日數(shù)夏季和冬季霾日數(shù)較高；童堯青等分析南京地區(qū)霾天氣的氣候特征，霾日數(shù)呈明顯上升趨勢(shì)，且冬春大于夏秋；國(guó)內(nèi)其它研究人員針對(duì)不同城市和地區(qū)分析霾氣候特征。在全球氣候背景下，分析研究湖北省霾日數(shù)時(shí)空變化特征及典型霾過(guò)程氣象因子，為湖北省積極應(yīng)對(duì)高影響霾突發(fā)天氣過(guò)程提供科學(xué)依據(jù)。
1 資料
選取湖北省1981-2013年77個(gè)臺(tái)站逐日相對(duì)濕度和能見(jiàn)度，按照現(xiàn)行霾天氣現(xiàn)象業(yè)務(wù)規(guī)定，日平均能見(jiàn)度<10.0 km、相對(duì)濕度<80%或者小時(shí)平均能見(jiàn)度<10.0 km、相對(duì)濕度≥80%且<95%同時(shí)出現(xiàn)時(shí)次達(dá)2次以上（須含14時(shí)）為一個(gè)霾日，統(tǒng)計(jì)各個(gè)臺(tái)站月、季、年尺度霾天氣日數(shù)；同時(shí)選取2012年6月11日和15日夏季高影響霾天氣過(guò)程，及其溫度、風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度等氣象因子。
2 湖北省霾日數(shù)變化特征
2.1 霾日數(shù)年特征
1981-2013年湖北省年平均霾日數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，每10 a增多3d左右，且通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(圖1)。但年代際間存在差別，20世紀(jì)80年代全省平均霾日數(shù)為19.8 d，高于1981-2013年平均值18.7 d，90年代平均霾日數(shù)16.4 d，而21世紀(jì)以來(lái)平均霾日數(shù)達(dá)到26.2 d，特別是2013年全省年平均日數(shù)高達(dá)61.4 d，遠(yuǎn)高于霾日數(shù)平均天數(shù)。
2.2 霾日數(shù)月、季變化特征
湖北省近30 a平均霾日數(shù)月變化成“U”型特征，7月最低僅0.3 d，1月最高達(dá)3.4 d（圖2）；從季節(jié)變化來(lái)看，夏季最低，對(duì)全年霾日數(shù)貢獻(xiàn)率僅為8%，而冬季最高，達(dá)9d，是夏季該省平均霾日數(shù)的9倍，貢獻(xiàn)率達(dá)48%，冬春兩季對(duì)全年霾日數(shù)貢獻(xiàn)高達(dá)72%，故冬春兩季是霾發(fā)生的主要季節(jié)（圖3）。
2.3 霾日數(shù)空間分布特征
湖北省年平均霾日數(shù)較多的地區(qū)集中在鄂西北、三峽河谷、鄂東北北部、鄂東南黃石地區(qū)一帶，霾日數(shù)較低地區(qū)主要集中在鄂西南、鄂西北神農(nóng)架林區(qū)、江漢平原一帶（圖4）；這與地形和經(jīng)濟(jì)條件密切相關(guān)，一方面鄂北地區(qū)冬季盛行西北風(fēng)，易受北方干冷空氣影響，在外來(lái)輸送和本地污染物的影響下，易出現(xiàn)霾天氣，同時(shí)，鄂東北北部受到翻越大別山區(qū)下沉氣流的影響，垂直擴(kuò)散條件受阻，形成了霾天氣的高發(fā)區(qū)；而鄂西南屬于高山地區(qū)，受西南暖濕氣候影響，不容易形成霾天氣，江漢平原地勢(shì)平坦擴(kuò)散條件良好，利于霾及時(shí)擴(kuò)散；另一方面，鄂東南黃石地區(qū)盛產(chǎn)礦石，屬于重工業(yè)城市，本地污染源較多，為霾形成提供了有利條件。
3 夏季典型霾過(guò)程成因分析
3.1 典型過(guò)程概況
夏季湖北省氣溫升高，大氣對(duì)流旺盛，靜穩(wěn)天氣少，利于污染物擴(kuò)散，是霾少發(fā)季節(jié)，但近年來(lái)由于人為污染源增多，夏季霾過(guò)程有所增多，選取2012年湖北省出現(xiàn)的2次典型霾過(guò)程，并分析霾過(guò)程出現(xiàn)的天氣原因。
利用TERRA衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測(cè)到2012年6月11日和15日，湖北東部、河南東南部、安徽北部和江蘇北部地區(qū)出現(xiàn)2次嚴(yán)重霾過(guò)程天氣（圖5）。武漢市PM10、PM25濃度逐日變化曲線顯示6月ll日和15日2種污染物濃度達(dá)到峰值，PM]o分別為99.1μg/m3和58.4 μg/m3，PM2.5分別為92.2 μg/m3和54.0μg/m3，高于月內(nèi)其他時(shí)段（圖6）；根據(jù)武漢市環(huán)保局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，6月11日和15日污染指數(shù)(API)分別達(dá)到233和139；大氣顆粒物濃度監(jiān)測(cè)顯示11日14:00 PM2.5濃度最高達(dá)到610μg/m3。
3.2 成因分析
3.2.1 水汽條件
6月11日和6月15日2次霾過(guò)程出現(xiàn)的前一天，武漢均出現(xiàn)弱降水，10日武漢降水量為6 mm，14日為1 mm，弱降水增加了空氣的相對(duì)濕度，為霾形成提供有利的水汽條件。
由2次霾過(guò)程相對(duì)濕度逐小時(shí)變化看出（圖7），2次過(guò)程8:00之前相對(duì)濕度較大，均保持在90%以上，霾濃度達(dá)到最高值，能見(jiàn)度最差，隨后相對(duì)濕度均出現(xiàn)下降，能見(jiàn)度有所好轉(zhuǎn)，但對(duì)比2次過(guò)程，6月ll日相對(duì)濕度保持在70%以上，而15日相對(duì)濕度迅速下降，到17:00降至32%，相對(duì)濕度的下降也直接導(dǎo)致霾濃度的下降，這在圖2 PM10、PM2.5濃度逐日變化中也得到體現(xiàn)。
溫度露點(diǎn)差表征空氣濕度的飽和程度。2次過(guò)程中前日21:00至當(dāng)日8:00溫度露點(diǎn)差均在2℃以下（圖8），水汽較為飽和，易附著于煙幕等凝結(jié)核上，造成能見(jiàn)度更低。8時(shí)以后，隨著太陽(yáng)升起，氣溫升高，溫度露點(diǎn)差加大，空氣中水分含量降低，相對(duì)濕度下降（圖7），能見(jiàn)度有所好轉(zhuǎn)。6月11日霾發(fā)生后溫度露點(diǎn)差有所上升，而15日溫度露點(diǎn)差上升幅度更大，水汽條件迅速變差，不利于霾天氣維持。
3.2.2 低空引導(dǎo)氣流
利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NECP)/美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)提供的FNL全球分析資料(10:00)分析925 hPa風(fēng)場(chǎng)（圖9）。6月11日在925 hPa風(fēng)場(chǎng)合成圖上，湖北東部為氣旋性環(huán)流，處于弱高壓的中東部，吹東北風(fēng)，利于下沉堆積運(yùn)動(dòng)。15日湖北東部一致為東北氣流，較有利于霾向東南擴(kuò)散，故15日的污染物的濃度低于11日。
3.2.3 逆溫層結(jié)
根據(jù)FNL資料(10:00)沿310N溫度坡面圖(圖10)，6月ll日10點(diǎn)逆溫層中心出現(xiàn)在ll40E，逆溫底部位于700 m附近，逆溫層較為穩(wěn)定。6月15日10:00逆溫層出現(xiàn)在112°E-115°E，且逆溫層高度較低，頂部在300 m左右，底部幾乎接地，這種逆溫層結(jié)，易受到地面長(zhǎng)波輻射影響，遭到破壞。總的來(lái)說(shuō)，逆溫層結(jié)為霾過(guò)程創(chuàng)造良好的熱力條件。
3.2.4 垂直速度(ω)
在925 hPa垂直速度分布圖上，6月ll日10:00垂直速度在湖北省東北部呈正的垂直速度，即下沉氣流，有利于霾在我省東北部聚集。15日東北部大別山北部呈上升氣流，山南邊呈下沉氣流，促使東北部污染物聚集（圖11）。
對(duì)比11日和15日2次過(guò)程的垂直速度絕對(duì)值，11日數(shù)值遠(yuǎn)小于15日，這與11日上升運(yùn)動(dòng)得到更好的抑制有關(guān)。15日山北上升、山南下沉，一方面與氣流爬坡有關(guān)，另一方面上升、下沉運(yùn)動(dòng)較11日強(qiáng)烈，上升運(yùn)動(dòng)沒(méi)有得到較好的抑制，在地面也表現(xiàn)為11日的霾過(guò)程比15日更加嚴(yán)重。
3.2.5 污染源
進(jìn)入6月以來(lái)，北方小麥主產(chǎn)區(qū)相繼進(jìn)入收割期，大量秸稈焚燒，為湖北省霾天氣形成提供充足污染源。根據(jù)環(huán)保部衛(wèi)星熱源點(diǎn)監(jiān)測(cè)，6月11日和6月15日，北方小麥主產(chǎn)區(qū)河南、山東、安徽、江蘇等省出現(xiàn)大量熱源點(diǎn)，特別是6月11-13日河南等4省份熱源點(diǎn)分別達(dá)到483個(gè)、782個(gè)、863個(gè)（表1）。
3.2.6 后向軌跡追蹤
采用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的全球同化系統(tǒng)(GDAS)數(shù)據(jù)計(jì)算污染物氣團(tuán)軌跡，軌跡計(jì)算采用美國(guó)NOAA研制的軌跡模式HYS -PLIT4.8，計(jì)算污染濃度最高時(shí)段72 h后向軌跡，軌跡終點(diǎn)設(shè)為湖北省氣象局大氣成分監(jiān)測(cè)站，設(shè)置500、1 000 m 2個(gè)終點(diǎn)高度代表邊界低層氣團(tuán)的走向。
由2次夏季霾過(guò)程72 h質(zhì)點(diǎn)后向軌跡圖可以看出（圖12），11日和15日污染物均來(lái)自近地層，且都經(jīng)過(guò)北方秸稈燃燒區(qū)；11日污染物為湖北省西北部和北部省份污染源混合型輸入，15日則為北方及東部秸稈燃燒區(qū)外來(lái)型輸入。
4 結(jié)論與討論
1981年以來(lái)湖北省霾日數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)平均霾日數(shù)高于常年均值，特別是2013年全省年平均日數(shù)高達(dá)61.4 d；從時(shí)間分布來(lái)看，7月最低，1月最高；冬春季較多，全年霾日數(shù)貢獻(xiàn)高達(dá)72%；夏秋季節(jié)較少，故冬春兩季是霾發(fā)生的主要季節(jié)。湖北省霾日數(shù)較多的地區(qū)集中在鄂西北、三峽河谷、鄂東北北部、鄂東南黃石地區(qū)一帶，霾日數(shù)較低地區(qū)主要集中在鄂西南、鄂西北神農(nóng)架林區(qū)、江漢平原一帶，這不僅與天氣條件有關(guān)，還與地形和經(jīng)濟(jì)狀況密切相關(guān)。
夏季雖然是霾少發(fā)季節(jié)，但近些年時(shí)有發(fā)生，影響嚴(yán)重；6月北方小麥主產(chǎn)區(qū)大量秸稈人為焚燒，為霾天氣形成提供充足污染源，前期有利的濕度條件為霾形成提供重要水汽來(lái)源，低空東北引導(dǎo)氣流有利于北方污染物向湖北省擴(kuò)散，加之該省大氣逆溫層結(jié)不利污染物擴(kuò)散，共同造成了夏季霾過(guò)程高影響天氣。
5摘 要：利用湖北省77個(gè)氣象站點(diǎn)近30年的霾日統(tǒng)計(jì)資料分析霾日數(shù)氣候特征，結(jié)果表明，1981-2013年期間湖北省霾日數(shù)顯著上升，20世紀(jì)90年代最低，21世紀(jì)以來(lái)最高，2013年達(dá)到歷史新高；霾日數(shù)冬季最多，夏季最少；霾日數(shù)較多的地區(qū)集中在鄂西北、三峽河谷、鄂東北北部、鄂東南黃石地區(qū)一帶，這與地形和經(jīng)濟(jì)條件密切相關(guān)。選取2012年夏季2次典型霾天氣過(guò)程，分析霾發(fā)生的氣象成因，研究發(fā)現(xiàn)北方污染源，在低層?xùn)|北氣流的引導(dǎo)下，加之本地良好的濕度條件和穩(wěn)定的逆溫層結(jié)，共同造成了突發(fā)大范圍霾天氣過(guò)程。
