引言

灰霾是指大量气溶胶粒子浮游在空气中，使水平能见度小于10 km的空气混浊现象。珠江三角洲(以下称珠三角)地区是我国乃至世界上最活跃的经济区之一，也是我国最大最繁荣的城市群之一。随着珠三角地区经济快速发展，城市化水平的不断提高，环境问题日益严重。燃油和燃煤排入的烟尘，以及由汽车尾气排放的大量氮氧化物和挥发性有机物，通过光化学反应产生的二次气溶胶，使得灰霾天气日趋严重(Ansman et al, 2005; Wang et al, 2003;吴兑等，2006a；谭浩波等，2009)。

珠三角地区的灰霾问题是一个极为复杂的科学问题，不少学者已对其进行了卓有成效的研究。从20世纪90年代起，吴兑(1995;2003) 及吴兑等(1991；1994a；1994b；1994c；2001) 对华南区域包括珠三角地区的气溶胶质量谱和水溶性成分谱分布进行了大量的研究；进入了21世纪以后，吴兑等(2006b)对珠三角地区灰霾天气的形成原因进行了深入的研究，认为高细粒子浓度是造成了珠三角地区的灰霾天气最主要的原因，并将灰霾日定义为排除降水等其他导致低能见度事件的情况下，日平均能见度小于10 km并且日平均相对湿度小于90%(吴兑，2005；2006)；他们对珠三角地区多次严重的灰霾天气过程进行了分析，认为灰霾天气的形成原因非常复杂。天气系统(冷高压脊或热带气旋)造成珠三角地区出现小风静风和稳定大气层结，有利于气溶胶粒子积累(Wu et al, 2005；吴兑等，2011a)是灰霾天气形成的重要原因，强的气溶胶粒子输送也会造成珠三角地区的灰霾天气(吴兑等，2011b)；Wang等(2009) 对珠三角城市群光化学烟雾污染生成二次气溶胶的物理化学机制进行了深入的研究；谭浩波等(2009) 分析了珠三角地区气溶胶光学厚度的变化特征，并与MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度进行了对比分析。

气象条件是灰霾天气形成的重要因素。周明煜等(2005) 分析研讨北京城市大气边界层低层的湍流垂直结构特征, 认为其与大气污染物稀释扩散能力密切相关；罗森波等(2006) 统计分析了广州市大气污染与气象条件的关系，认为气象条件对污染物的稀释和扩散、传播、聚积和清除有密切的关系；Feng等(2007) 用数值模式结合地面观测资料分析了2003年热带气旋茉莉(Melor)与珠三角地区PM₁₀浓度的关系，认为热带气旋外围下沉气流造成了珠三角地区稳定的大气层结，从而导致PM₁₀浓度升高，同时地面的偏北风场是造成香港地区高PM₁₀浓度的重要原因；范绍佳等(2006) 建立了珠三角地区大气边界层的概念模型，认为大气边界层的结构与灰霾天气密切相关。

2012年第9号台风苏拉(Saola)、第10号台风达维(Damrey)和第11号台风海葵(Haikui)先后登陆我国台湾、福建、浙江及江苏一带，给我国造成了严重的影响。在靠近大陆的过程中，“苏拉”和“海葵”的外围下沉气流给广东特别是珠三角地区造成了连续的灰霾天气。受“苏拉”外围的下沉气流影响，珠三角地区7月29日至8月2日(以下称过程1)，出现了明显的灰霾天气。“苏拉”登陆后，灰霾天气逐渐缓解。随后，“海葵”外围的下沉气流也造成了珠三角地区较长时间的灰霾天气(8月3—9日，以下称过程2)。在此次连续灰霾过程中，珠三角城市深圳、东莞和中山先后共5次发布灰霾黄色预警信号，灰霾给公共交通和人体健康等造成了较大的影响。本文主要分析了此次珠三角地区连续灰霾天气过程，旨在揭示其形成原因和变化特征。

1 资料和方法

本文利用了MICAPS的气象场资料，热带气旋定位、强度和移速资料，以及广州番禺大气成分站的各种大气成分资料和常规地面气象要素资料。

番禺大气成分站位于广州市番禺南村镇大镇岗山山顶，是番禺第一高峰，海拔141 m，地处珠三角腹地，可代表珠三角地区大气成分均匀混合的平均特征(邓雪娇，2008)。主要的大气成分监测仪器包括：颗粒物监测仪(Grimm 180，GRIMM Aerosol Technik GmbH & Co.KG)、积分式浊度仪(澳大利亚Nephlometer M9003)、黑碳仪(欧洲Megee Scientific Aethalometer AE-31型)、前向散射式能见度仪(美国Belfore M6000型)及臭氧仪(EC9810B O3分析仪)等。其中颗粒物监测仪、积分式浊度计和黑碳仪都对进气采取干燥处理，使测量颗粒物的相对湿度保持在40%左右。

番禺大气成分站的原始监测数据分辨率均为5 min，由于短历时资料的波动较大，代表性不强，故用以下筛选野点处理方法。取1 h为时间间隔，作归一化处理，取偏离平均值δ=3，将归一化时偏离平均值大于3的数据剔除后，统计平均得到小时均值。

本文还利用了美国国家大气与海洋局(NOAA)的气流后向轨迹模型(hysplit)，NCEP再分析资料中的垂直速度、位温和边界层高度资料，以及香港科技大学的MODIS卫星反演的气溶胶光学厚度资料。

2 灰霾的形成和演变特征 2.1 能见度和气溶胶粒子浓度的变化特征

图 1是珠三角地区主要站点能见度的变化。在此次灰霾过程中，珠三角地区主要城市广州、深圳、中山和佛山都出现了极低的能见度值，过程能见度最低值小于3 km。

图 2是此次灰霾过程中气溶胶浓度、黑碳浓度、能见度和臭氧浓度的变化图。过程1的PM₁₀平均浓度为102.1 μg·m^-3，PM_2.5平均浓度为70.7 μg·m^-3，均高于过程2的PM₁₀平均浓度95.7 μg·m^-3和PM_2.5平均浓度66.8 μg·m^-3；过程1和2的PM_2.5/PM₁₀都接近70%，气溶胶以细粒子为主。过程1中，气溶胶浓度在29日白天达到一个峰值，超过150 μg·m^-3，之后浓度迅速下降至50 μg·m^-3以下，这与风速增大有关，随后呈逐渐上升的趋势。过程2中的前中期气溶胶浓度很高，后期由于降水的清除作用，浓度降低。

黑碳(BC)是一次气溶胶，主要来自不完全燃烧。过程1和2中黑碳浓度平均值分别为6.6和5.7 μg·m^-3，低于吴兑等(2009) 分析的珠三角地区雨季的平均值8.0 μg·m^-3。过程1和2中黑碳占PM₁₀的比例分别为6.1%和6.0%，低于典型灰霾过程的比例(李菲等，2012)。

地面臭氧是光化学反应的直接产物，其浓度能代表光化学反应的强度。过程1的臭氧平均浓度达到81.3 μg·m^-3，高于过程2的平均浓度60.9 μg·m^-3，说明过程1的光化学反应比过程2强，产生了更多的二次气溶胶。过程1中7月29—31日白天的臭氧浓度都出现很高的峰值，其中7月31日峰值接近300 μg·m^-3，过程2中臭氧浓度白天的峰值明显小于过程1，这主要是由于过程2的云量较多，并且出现了降水所造成的。

能见度反映了大气浑浊的程度，气溶胶颗粒物的消光作用是影响能见度的主要因素(Jacob, 1999; Seinfeld et al, 1998)。一般来说气溶胶浓度越高，能见度越低。过程1的气溶胶浓度高于过程2，但平均能见度却也高于过程2，这主要跟气溶胶吸湿增长有关。过程1和2中的能见度均表现出明显的日变化特征，最低值一般出现在夜间到凌晨，这主要与边界层高度和相对湿度的日变化有关。夜间到凌晨边界层高度降低，气溶胶浓度增大；相对湿度的峰值一般也出现在凌晨，气溶胶吸湿增长明显，消光作用增强。

2.2 气溶胶光学厚度的分布特征

图 3为MODIS卫星反演的华南地区550 nm气溶胶光学厚度(AOD)分布图。图 3显示，7月30日华南地区已出现以珠三角地区为中心的高污染区域；8月2日粤西地区和海南的污染加重；8月7日，整个珠三角地区都是高污染区，AOD值普遍超过0.8；到8月8日05时随着“海葵”登陆减弱，珠三角地区的污染逐渐缓解。

2.3 气溶胶吸湿增长因子的变化特征

气溶胶的吸湿特性描述的是气溶胶粒子与水汽的相互作用。在一定水汽条件下，气溶胶粒子中的无机盐成分(主要是硝酸盐和硫酸盐)可以吸收水分，表现为气溶胶粒子的粒径增大，光学特性也发生改变。研究人员(刘新罡等，2009；Liu et al, 2008) 利用“光学综合法”计算气溶胶吸湿增长因子f(RH)计算公式为：

$ f\left({RH} \right) = \frac{{{\sigma _{{\rm{ext}}}}\left({RH} \right) - {\sigma _{{\rm{sg}}}} - {\sigma _{{\rm{ag}}}} - {\sigma _{{\rm{ap}}}}}}{{{\sigma _{{\rm{sp}}}}({\rm{dry}})}} $

(1)

式中，σ_ext(RH)为在一定相对湿度下的消光系数，σ_sg为分子的瑞利散射系数，σ_ag为气体的吸收系数，σ_ap为气溶胶粒子的吸收系数，σ_sp(dry)为干燥后的气溶胶粒子的散射系数。以上系数均为550 nm波段的值。由能见度传感器中输出的消光系数为880 nm的消光系数，通过Angstrom指数关系：τ=βλ^-α(其中α为波长指数，β为大气浑浊度系数)，可以转换为550 nm的消光系数；气体的吸收系数一般与NO₂浓度有关，由式(2)(Bond et al, 1999) 得到；分子的瑞利散射系数一般为13.2×10^-6 m^-1；将黑碳浓度通过吴兑等(2009) 的转换方法得到吸收系数；由于番禺大气成分站的浊度计对进气进行干燥处理，相对湿度维持在40%左右，可直接视为σ_sp(dry)。番禺大气成分站能见度传感器采用前向散射的原理，得到的消光系数可能存在一定的误差，所以用以上方法计算得到的气溶胶吸湿增长因子，特别是在低相对湿度的情况下，可能出现一定偏差。

$ {\sigma _{{\rm{ag}}}} \approx {\sigma _{{\rm{N}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}} = 3.3\cdot{C_{{\rm{N}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}} $

(2)

图 4为2012年7月29日至8月10日气溶胶吸湿增长因子和相对湿度的变化图。图 4显示，过程1中，只有7月29日吸湿增长因子较高，随着相对湿度降低，之后吸湿增长因子均较低。过程2的相对湿度和吸湿增长因子都明显高于过程1，吸湿增长因子最高达到5以上，与毕凯等(2012) 的研究结果较接近。

3 气象要素的变化特征 3.1 热带气旋路径和气象场分析

图 5为2012年第9号强台风苏拉、第10号强热带风暴达维和第11号强台风海葵的路径图。“苏拉”于7月28日08时在西北太平洋洋面上生成，之后基本维持向西北偏北的方向移动，强度不断加强，最大强度达到强台风的级别。“达维”于7月28日20时在西北太平洋洋面上生成，之后稳定向西北偏西方向移动。随着“苏拉”与“达维”之间的距离不断减小，两者形成了双台风作用，使“苏拉”移速减慢。如图 6所示，“苏拉”7月29日至8月2日移速大致维持在10 km·h^-1左右。8月2日03时15分前后，“苏拉”在台湾登陆，登陆后强度很快减弱。与此同时由于“达维”也快速继续靠近大陆，双台风作用有所减弱，“苏拉”移速加快，并于8月3日06时50分前后在福建登陆。受“苏拉”外围的下沉气流影响，珠三角地区7月29日至8月2日，出现了明显的灰霾天气，“苏拉”登陆后，灰霾天气逐渐缓解。

“海葵”于8月3日在西北太平洋生成，之后稳定向西北偏西方向移动，逐渐靠近我国大陆。6日17时，“海葵”加强为台风，7日14时加强为强台风，8月8日03时20分前后在浙江登陆。由于副热带高压强度较弱，范围较小，位置偏北(如图 7)，“海葵”的引导气流较弱，在靠近大陆的过程中“海葵”移速减慢。如图 6所示，8月5—8日，“海葵”的移速在10~15 km·h^-1之间。8月3—9日，“海葵”外围的下沉气流也造成了珠三角地区较长时间的灰霾天气。

3.2 常规气象要素的变化特征

图 8是7月29日至8月8日广州番禺地面测站的风速、风向、气压、气温、相对湿度和逐小时降水量的变化图。从图 8中可以看到，过程1中，风速维持基本维持在2 m·s^-1以下，8月3日“苏拉”登陆前后，风速有所增大，但很快受“海葵”外围下沉气流影响，风速降至2 m·s^-1以下；从风向上看，由于“苏拉”和“海葵”均位于珠三角地区的东到东北方向，因此过程1和2都以东风到北风为主；气压的变化主要受“苏拉”和“海葵”影响，台风越近，气压越低，“苏拉”登陆福建时，气压降至最低；“苏拉”和“海葵”外围的下沉气流造成了连续的高温天气，过程1中，气温呈现逐日上升的趋势，7月31日、8月1—2日的最高气温均超过了35℃，过程2的气温略低于过程1，8月8日的最高气温也超过了35℃；过程1的相对湿度变化趋势与气温的变化相对应，呈逐日下降的趋势，其中7月29—30日凌晨的最大相对湿度超过90%，之后降至90%以下，过程2的相对湿度总体高于过程1，8月4—7日的日最大相对湿度均高于90%；降水量的变化趋势图显示，过程1没有出现降水，过程2中出现了降水，但降水量较小和降水时间较短，对气溶胶的湿清除作用有限。

3.3 气流轨迹分析

图 9是8月1和8日08时的不同高度上(5、500和1500 m)的72 h气流后向轨迹图。从图 9可以看到，8月1和8日的气流后向轨迹类似，低层(10~1500 m)的都以偏北到东北气流为主，其中近地面(10~500 m)主要是偏北气流影响，气流相对比较干燥；大气层结相对比较稳定，近地面(10~500 m)气流以水平输送为主，1500 m层的气流来自上层，说明受下沉气流的影响；气流的移动缓慢，说明气溶胶粒子以本地源为主。气流的后向轨迹与风速风向的变化趋势一致。

3.4 边界层高度、垂直速度和位温的变化趋势

图 10为番禺边界层高度的变化图。在过程1中，7月29日白天的边界层高度达到最低。随着“苏拉”靠近，边界层高度逐日升高。过程2中，8月4和5日白天的边界层高度达到最低。随着“海葵”的靠近，边界层高度逐渐升高。总体上，过程1和2中边界层高度的日最低值均在100 m以下，不利于气溶胶粒子的垂直扩散。边界层高度呈现出明显的日变化特征，从晚上20时到早上08时最低，08时以后逐渐升高，在14—17时达到日最高值。

垂直速度可以有效表征大气受热带气旋外围下沉气流的影响程度。图 11为珠三角地区上空大气的垂直速度变化图，其中正值为下沉速度，负值为上升速度。从图 11中可以看到，受“苏拉”外围下沉影响，过程1中大气从低层到中高层(1000~500 hPa)都以下沉气流为主。“苏拉”登陆前后，下沉气流减弱，低层(1000~850 hPa)转为上升气流。受“海葵”下沉气流的影响，8月3日后中高层(850~500 hPa)转为下沉气流为主，但低层有弱的上升气流，这主要是由于925~850 hPa转东南风场影响，有微弱的风速辐合。总体上过程1的下沉气流强于过程2。

图 12是番禺的位温的垂直分布变化。从图 12可以看出，过程1和2中番禺上空的位温都是随着高度增加而增加的，位温垂直递减率为正值，说明大气层结是稳定的。过程1的位温垂直递减率要略高于过程2，说明过程1的大气层结相对过程2更为稳定。

4 讨论与小结

台风苏拉和海葵先后登陆我国的福建和浙江。在靠近大陆的过程中，由于“苏拉”和“海葵”移动速度缓慢，其外围下沉气流使珠三角地区形成了层结稳定、静小风和晴朗少云的天气条件，是导致珠三角地区出现连续灰霾天气的直接原因。

在层结稳定及大气扩散条件较差的情况下，珠三角地区的大气气溶胶粒子来源以本地源为主，并且以光化学反应产生的细粒径二次气溶胶粒子为主，PM_2.5占PM₁₀的比例接近70%，黑碳浓度占PM₁₀的6.0%左右。这与之前一些研究结论有相同之处。此次灰霾天气过程是在一定的气象条件(如热带气旋外围、高压脊等)下，本地的空气污染物通过排放、气粒转化和积累等物理化学过程，气溶胶粒子浓度不断升高，形成灰霾天气。此次灰霾过程与外来污染源入侵形成的灰霾过程不同。

能见度还与气溶胶吸湿增长因子有密切的关系。过程1的气溶胶浓度高于过程2，但由于空气相对较干燥，气溶胶吸湿增长因子低于过程2，平均能见度反而高于过程2。

能见度表现出明显的日变化特征，主要与边界层高度和相对湿度的日变化有关。在凌晨，由于边界层高度降至100 m以下，垂直扩散条件差，同时相对湿度达到峰值，使气溶胶粒子吸湿增长明显。吸湿增长导致气溶胶粒子平均粒径增大，消光系数明显增大，这时候易出现一天内的最低能见度值。

本文的分析结果对于发布灰霾预警的有重要的参考意义。发布灰霾预警的最好时间在夜间到凌晨，发布灰霾预警时应兼顾大气扩散条件和相对湿度条件。

致谢：美国国家大气海洋局(NOAA)空气资源实验室(ARL)提供的后向轨迹模型、NCEP再分析资料，以及香港科技大学MODIS卫星反演的气溶胶光学厚度资料在本文中使用，在此表示衷心的感谢。