引言

随着我国经济规模的扩张、城市化进程的加快, 大气气溶胶污染日趋严重, 由气溶胶粒子所造成的重污染天气也逐年增多。近年来人们对环境和健康问题高度关注, 霾的相关研究也成为了一个热点(刘爱君等, 2004; 童尧青等, 2007; 孙霞等, 2012)。国外学者对霾的研究起步较早, 最早对灰霾天气进行预报较多采用统计方法, 如Schichtel等(2001)利用气象观测资料, 统计分析了1980—1995年灰霾的时间和空间变化特征，继而研究者们发现灰霾天气的发生和颗粒物密切相关; Senaratne等(2004)研究了奥克兰2001年霾天气与非霾天气时颗粒物的分布特征, 鉴别不同源中的富集因子, 并讨论了霾天气可能存在的污染源。国内对霾的系统性研究较早是从2003年吴兑(2003；2005；2012)在文章中提及“灰霾”天气, 分析珠江三角洲城市群区域灰霾天气的形成机制、气溶胶粒子的物理化学特性, 以及霾与雾的区分等。其后, 对霾的研究越来越多, 从早期的定义、识别方法、气候特征等逐步发展到细颗粒物粒子的光化学特征、有机成分、来源解析等多科学交叉的深入研究(樊曙先等, 2005; 杨卫芬等, 2010; 贾星灿等, 2012; 靳军莉等, 2014; 赵玉广等, 2015)。

近年来, 我国大范围持续性的重度霾天气越来越多, 很多研究者着力于分析研究持续性雾-霾过程的综合性特征(刘端阳等, 2013; 吕翔等, 2015), 为雾-霾预报提供了有利依据。饶晓琴等(2008)对2007年2月我国中东部地区一次大范围霾天气进行了分析, 总结了此次霾天气形成的环流特征和气象要素特征。俞剑蔚等(2009)对2008年10月28日发生在江苏沿江一带的霾天气进行了分析, 并指出大规模秸秆焚烧排放的烟尘、近地面偏东风的水汽输送和风向辐合是造成此次霾的主要原因。刘端阳等(2014)研究了2012年6月中上旬淮河下游一次连续多日大范围雾-霾天气的雾-霾相互转换过程及成因。严文莲等(2014)对2012年6月中上旬持续雾-霾天气从环流背景、污染来源、动力和热力特征等多个方面进行了综合分析, 发现秸秆焚烧是造成此次江苏出现持续雾-霾的主要原因。刘梅等(2014)、于庚康等(2015)通过NCEP再分析资料、污染物浓度以及常规气象观测资料等对2013年1月江苏连续性雾-霾天气进行了综合分析。张小曳等(2013)通过分析2013年1月中东部地区持续性雾-霾天气的气溶胶特征、污染物成分构成、形成维持机制等, 指出当今我国雾-霾主因是严重的气溶胶污染, 但气象条件对其形成、分布、变化作用显著。

2013年12月上旬, 华东地区连续数日出现大范围的雾-霾天气, 持续时间之长、能见度之低实属历史罕见, 引起了社会各界的广泛关注，其中江苏盐城地区污染尤为严重(刘璇等, 2015；吕梦瑶等，2014)。本文以盐城为例, 从环流背景、气象要素特征、大气层结特征、物理量变化等多方面进行综合分析, 探讨此次持续雾-霾天气的成因。同时利用2013年全年盐城的污染物浓度资料、能见度和相对湿度建立了能见度的非线性预报方程, 为今后业务中雾、霾的预报提供一定的思路和参考。

1 资料来源

文中气象要素和物理量来源于盐都站(33.3°N、120.10°E)的常规气象观测资料和NCEP再分析资料，污染物浓度数据来源于江苏省盐城市环境监测中心站，火点资料来源于美国气象卫星NOAA-18遥感火点监测资料，探空资料来源于盐城市国家基本站射阳站(33.46°N、120.15°E)的L波段探空雷达。根据以上资料分别从污染情况、环流背景、地面气象要素、大气层结特征以及动力条件等多个方面对2013年12月上旬的持续重度雾-霾天气进行综合分析。用于轨迹分型的气象场资料为NOAA的全球同化系统(GDAS)数据(ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1/), 利用HYSPLIT4.9来分析12月上旬低层气团输送的轨迹分型。文中对于雾、霾的判定采用能见度仪的观测值, 并根据雾、霾的气象行业标准(中国气象局, 2010；中华人民共和国质量监督检验检疫总局等，2011)对两者的转换过程进行详细分析。

2 讨论和结果

2013年12月上旬江苏盐城地区出现了持续的雾-霾天气, 4和5日早晨最低能见度不足20 m, 白天最高能见度不足2000 m, 污染物浓度持高不下, 其中盐城环境监测站PM_2.5和PM₁₀小时浓度最高值分别达到931和935 μg·m^-3, 是一次典型的大范围长时间重度污染天气过程。

2.1 天气过程概述

从能见度和相对湿度的实况监测中可以看出(图 1), 1—9日江苏盐城地区能见度几乎均在5000 m以下, 自12月1日起, 盐城及周边地区就已出现能见度低于2000 m的重度霾天气; 2—3日重度霾的持续时间逐渐加长, 午后受湍流增强的影响能见度稍有好转; 3日夜间至4日上午, 随着相对湿度增加, 能见度急剧下降, 出现了由霾向雾的转换过程, 午后相对湿度减小, 又出现了由雾向霾的转换; 4—5日由于相对湿度较大, 能见度持续偏低, 能见度小于100 m的持续时间长达10 h, 期间同样出现了由霾—雾—霾—雾的转换; 6日后期北方有弱冷空气南下, 能见度稍有好转, 但由于冷空气势力较弱, 7日后期再次出现了雾-霾天气, 图 1中描述了1—9日雾-霾相互转换的具体时段。

根据盐城环境监测中心站的数据显示, 12月1—9日的首要污染物均为可吸入颗粒物PM_2.5, 1—6日空气质量指数(AQI)均达重度到严重污染。其中1日的PM_2.5日平均浓度(173 μg·m^-3)已远超二级标准值(75 μg·m^-3), 2日PM_2.5日均值异常偏高(370 μg·m^-3), 其中市监测站最大小时浓度为931 μg·m^-3, 属严重污染。3—5日污染物浓度持高不下, 直至6日弱冷空气南下, 才轻微缓解。

2.2 持续雾-霾的形成和维持机制 2.2.1 环流背景

极不利于污染物扩散的环流背景和气象条件是2013年12月上旬盐城地区大面积雾-霾天气形成和长期维持的客观因素。12月上旬冷空气活动少, 平均气温偏高, 中层500 hPa以纬向环流为主(图 2), 平均径向风速弱, 低层850 hPa受暖脊控制, 中低层大气增温明显, 有利于近地面逆温形成; 而地面气压场上整个中东部地区受均压场控制, 气压梯度小、水平风速弱; 高低空环流形势的配置均有利于边界层内污染物堆积, 是形成长时间持续雾-霾天气的典型天气形势。具体而言, 12月1—6日均为弱气压场控制, 静稳天气持续, 阻碍大气的水平流动和垂直交换; 6日后期虽有弱冷空气影响, 但冷空气势力太弱, 整个区域仍是弱气压场控制, 空气质量没有得到明显改善; 直到9日强冷空气南下, 才使此次雾-霾天气得到有效缓解。由此可见, 这种大尺度稳定少变的天气形势是大范围持续雾-霾发生的重要天气背景。

2.2.2 地面气象要素

此次过程可以简单分为两个子过程, 前期为12月1—6日, 后期为12月7—9日。图 3给出了各气象要素的时间序列, 从图中可以看出海平面气压变化平稳, 在雾-霾累积持续时段气压变幅很小或逐步下降。弱的气压梯度决定了地面风速较小, 从10 m风速时间序列来看, 雾-霾持续期间白天的最大平均风速仅为3.6 m·s^-1, 而夜间风速均在2 m·s^-1以下, 浓雾期间多为静风。弱的水平风场决定了大气水平扩散能力差, 不利于污染物稀释扩散, 污染物在本地不断积聚而使空气质量恶化。在浓雾发生期间, 风向多为东北风、偏东风或东南风, 不断有海上的水汽输送，为浓雾的发生提供了有利的水汽条件。从气温和露点的变化趋势来看, 露点的变化较为平稳, 夜间到早晨温度露点差减小, 相对湿度迅速增大, 空气达到饱和, 有利于气溶胶粒子吸湿增长, 霾粒子转换为雾滴, 而当白天气温升高, 温度露点差增大, 相对湿度减小, 雾滴脱水后悬浮在大气中又成为霾, 完成雾-霾的相互转化过程。另外, 高浓度的气溶胶粒子对气温也有一定影响, 它对短波辐射的吸收和散射特性, 减少了地面所能接收到的太阳短波辐射, 从而使地表气温下降, 而对应边界层上部气温偏高, 又形成了近地面逆温(Zhang et al, 2014)图 3。

在这段期间内, 颗粒物浓度有两次“爆发性”增长(图 3中阴影区域), 分别为2日后期和4日后期。从各气象要素上分析发现：这两段过程均伴有气压的小幅下降, 偏东风, 有一定的水汽输送。其中, 4—5日的雾-霾天气更严重, 期间风速很弱, 维持在2 m·s^-1以下, 露点温度差接近于0, 水汽饱和, 从而形成了能见度不足百米的浓雾天气。而浓雾天气对气溶胶粒子具有一定的湿清除作用(杨军等, 2010; 康汉青等, 2009)，颗粒物浓度在达到峰值后又出现了浓度下降。

6日受弱冷空气影响, 风向转为偏北风，平均风速略增强, 同时在高空槽过境过程中，局部地区出现了3 mm以下的弱降水(加密自动站)，风力的增强和局部弱降水对气溶胶粒子有一定的清除作用。但由于冷空气势力较弱，降水不明显，颗粒物浓度仍远超出二级标准值。8—9日也同样出现了浓雾和重度霾天气, 但主要影响因素已发生变化, 华东地区位于冷锋前部, 高层冷空气渗透, 形成中低空逆温, 同时冷空气来临前, 暖湿气流较强, 受锋前增温影响, 温度露点差减小, 水汽饱和, 形成低能见度天气。9日高层横槽南甩, 北方强冷空气南下, 带来地面的大风、降温。9—10日24 h变压达8 hPa以上, 瞬时最大风力达13.1 m·s^-1, 同时北方干冷空气南下后相对湿度也明显降低, 逆温层被破坏, 混合层高度上升。随着气压升高、气温下降、湿度减小以及风力的增强, 长时间的雾-霾天气终得以消散。由此可见, 近地面层弱的水平风速、相对湿度的增加并持续高湿是长时间重度雾-霾天气发展、维持并形成大面积空气污染的重要气象因子, 当风速增大、湿度减小时, 雾-霾也相应减弱。

2.2.3 大气层结特征 2.2.3.1 逆温层

杜荣光等(2011)、龙时磊等(2013)在研究逆温层与污染物浓度的关系时指出：污染物浓度与逆温层底高呈明显的负相关, 而与逆温强度呈正相关。花丛等(2015)通过对典型雾、霾天气的边界层要素特征分析指出逆温强度与能见度呈负相关关系，对雾、霾的发生有一定的指示意义。

根据射阳站探空资料显示, 从11月29日开始近地面层就一直存在明显的贴地逆温, 逆温层顶较低, 最大逆温层顶位于925 hPa, 且逆温强度较强, 非常有利于近地面层污染物堆积。这段时间持续的逆温层通过“锅盖”效应抑制颗粒物的垂直扩散, 使颗粒物浓度迅速增加且维持。表 1给出了11月29日至12月8日每日08时由射阳站探空资料计算得出的近地面逆温强度和湿层厚度，可以看出：2、4和5日的逆温强度均较大, 而对应图 3中颗粒物PM_2.5的浓度也是在2、4和5日的后期分别出现三个峰值, 逆温强度和污染物浓度的变化有较好的一致性。由此可见, 这段时间内高强度的逆温为颗粒物的积聚提供了良好的环境, 导致颗粒物浓度迅速上升; 较低的逆温层底高使空间容量减小, 污染物浓度不断积聚增长；同时逆温现象的持续, 促进了雾-霾天气的长时间维持并发展。

表 1同时给出了射阳站每日08时近地面层相对湿度大于80%的湿层厚度, 可以看出：自12月1日起, 近地面一直持续维持较薄的湿层, 为气溶胶粒子的吸湿增长提供了一定的水汽条件。盐城作为江苏海岸线最长的沿海城市, 冬季经常出现近地面逆温层, 大气层结稳定, 使颗粒物不易扩散, 而近地面层偏东风场为气溶胶粒子的吸湿增长提供了一定的水汽条件, 导致气溶胶粒子质量浓度迅速增加, 促进雾-霾的形成。

2.2.3.2 混合层高度

混合层高度表征污染物在垂直方向被热力和动力湍流输送所能达到的高度, 是影响污染物扩散的重要参数。当混合层高度较低时, 污染物在垂直方向的混合受到限制, 容易造成较高的污染浓度。因此, 本文采用Nozaki(1973)提出的利用地面气象资料估算混合层高度的方法, 称之为罗氏法。公式如下：

$ \begin{array}{l} h = \frac{{121}}{6}\left({6 - P} \right)(T - {T_d}) + \\ \;\;\;\;\;\;\frac{{0.169P({U_z} + 0.257)}}{{12f{\rm{ln}}(Z/{Z_0})}} \end{array} $

(1)

式中, h为混合层高度, 单位: m；T-T_d为露点温度差, 单位: ℃; P为稳定度级别, 根据太阳高度角、风速以及云量进行判定, 分为A~F六个级别, P值依次取值1~6;U_z表示z高度层上的平均风速，单位: m·s^-1; f为地转参数; Z₀表示地表粗糙度, 单位: m; 该方法考虑到大气混合层的热力和动力因子, 边界层上部大气运动常与地面气象要素存在相互联系, 不需要高空探测资料, 即可估算混合层高度, 计算结果也能满足一定的精度要求(马福建, 1992; 程水源等, 1997; 史宝忠等, 1997; 饶晓琴等, 2008; 杨静等, 2011)。

图 4给出了2013年12月1—10日混合层高度的变化趋势, 2—6日期间混合层高度基本都在1.5 km以下, 最低的混合层高度只有54 m, 出现在5日08时, 此时对应能见度不足100 m。混合层高度越低, 越不利于污染物的垂直扩散, 同时有助于近地面层的水汽积聚, 促进气溶胶粒子的凝结增长, 污染物浓度迅速增大。一般情况下, 混合层高度有明显的日变化特征, 白天受大气湍流作用高度不断增大, 夜间混合层高度较低。对比混合层高度和能见度的变化, 可以发现：能见度的升高与下降与混合层高度的变化有一个滞后时间的对应, 能见度随着混合层高度降低之后会出现较为明显的下降。在污染源条件不变的情况下, 混合层高度越低, 大气的扩散能力越差, 污染物浓度升高, 霾加重。由此可见, 混合层高度的变化对霾的等级预报有很好的指示作用, 而持续较低的混合层高度也是此次雾-霾长时间维持的原因之一。

2.2.4 物理量分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料分析盐城地区的垂直速度、涡度和散度的变化情况(图 5), 结果发现：在这段时间内, 850 hPa以下的涡度、散度和垂直速度有正有负, 但绝对值都较小。康志明等(2005)的研究结果表明大雾产生时的垂直速度、涡度和散度都较弱, 说明大气湍流能力弱, 有利于雾-霾的维持。其中, 12月5日前期盐城地区800 hPa以下为弱下沉运动, 配合有弱正散度以及负涡度区, 这样的环流形势促进了下沉运动的发展, 进一步阻碍了污染物垂直向上扩散, 导致近地面污染物浓度升高, 雾-霾加强。在弱的水平风场作用下，使污染物缓慢向四周扩散, 霾区的范围不断扩大, 造成了大范围的重度雾-霾天气。由此说明，较弱的物理量场表明大气湍流能力弱, 有利于雾-霾天气的持续发展。

2.3 污染来源分析

本文选取盐城盐都站(33.3°N、120.10°E), 利用后向轨迹模式HYSPLIT 4.9对本次个例期间气流输送的轨迹进行计算，并对计算得到的后向轨迹进行聚类分析，得到这段时间影响盐城地区的主要气流输送类型(图 6)。可以发现：在本次个例期间盐城地区主要受到来自北部、西部以及西南部气流输送的影响，其中偏西到西南方向的长距离输送(轨迹1、2、3、6和7), 占总体的69%, 来自北部的长距离输送类型4和5占31%。由此说明，长距离输送在这次重度污染的形成过程中起到了一定的作用；而轨迹经过的山东、安徽等地则是本地污染形成的可能源区。

同时本文通过美国气象卫星NOAA-18火点监测资料分析发现：在12月上旬盐城周边有多个火点, 火点位置接近于农田附近(图 6中黄色圆点代表火点位置), 另外在安徽和湖北中南部、江西北部以及山东部分地区也遍布大片火点, 这与后向轨迹所经区域高度吻合(图 6)，说明秸秆焚烧可能是此次重度霾天气形成的原因之一(朱彬等, 2010)，但此处还需要进一步确认。

2.4 PM_2.5浓度、相对湿度和能见度之间的关系

污染物浓度的升高是重度雾-霾天气形成的内部因子, 而环流背景和不利于污染物扩散的局地气象条件是重度雾-霾天气发展和维持的外部条件。为了进一步分析盐城地区雾-霾和边界层内气象因子的关系，利用2013年全年的污染物浓度资料和常规气象观测资料，通过统计分析总结能见度与各因子的相关关系，并实现对盐城地区雾-霾的预报。

本文筛选了2013年1—12月逐时的PM_2.5(单位: mg·m^-3)浓度、相对湿度(单位: %)、逐时气温(单位: ℃)、气压(单位: hPa)、降水量(单位: mm)、风速(单位: m·s^-1)以及能见度(单位: km)的有效数据, 利用SPSS统计软件分析各因子与能见度的相关性。表 2给出了以上六个因子与能见度的皮尔森(Pearson)相关系数以及显著性检验(双侧), 可以看出:相对湿度和PM_2.5浓度与能见度的相关性最好, 其次为风速; 逐时降水量与能见度呈反相关, 但相关系数较小; 气压和气温与能见度呈正相关, 但没有通过显著性0.01检验。对能见度的影响因子很多, 但各因子的影响程度、影响过程并不相同, 即对能见度的影响分析是一个较为复杂的多方面交叉问题, 需要综合考虑各项因子, 在此不做更细致的深入讨论，本文仅对与能见度关系最为紧密的PM_2.5浓度和相对湿度进行初步分析。当污染物浓度升高时, 相对湿度的增加对能见度的影响较大, 气溶胶粒子在水汽条件下吸湿凝结增长, 增强了对大气消光作用, 促使能见度下降而形成雾-霾。根据数据统计发现：能见度随着PM_2.5浓度的增加呈指数下降趋势, 但不同的相对湿度, 能见度与PM_2.5浓度的关系有一定差异。刘晓慧等(2013)指出能见度与污染物浓度呈明显负相关，且相关性随着相对湿度的大小而变化，较高的相对湿度对应较高的相关性。因此, 对不同档次的相对湿度分别进行能见度与PM_2.5浓度的分析：在不同的相对湿度下, 能见度随着PM_2.5浓度的升高均成指数下降关系, 即：

$ V = a{{\rm{e}}^{bn}} + c $

(2)

式中，a、b、c为拟合方程的参数, n表示PM_2.5浓度(单位: mg·m^-3), V表示能见度(单位: km)。表 3中给出了不同档次相对湿度下拟合方程的参数以及拟合系数。从表中可以看出：参数b均为负值, 表示能见度随着PM_2.5浓度的增加呈指数递减; 当相对湿度在70%~80%时, 方程拟合关系最好; 当相对湿度达90%以上时, 虽然两者仍呈指数关系, 但拟合系数较小。

从能见度与相对湿度的数据分析中发现：能见度随着相对湿度的增加而减小, 以线性拟合效果较好, 拟合系数为0.57。相对湿度对能见度的贡献也非常显著, 在高湿度条件下, 气溶胶粒子不断吸湿凝结增长, 不仅使其质量浓度迅速提高, 而且粒子尺度也不断增大, 增强了对大气的消光作用, 使能见度快速下降。两者对能见度均有较大影响, 根据以上分析, 筛选出2013年1—11月盐城市环境监测站逐时的颗粒物PM_2.5浓度，盐都站逐时的相对湿度和能见度的有效数据, 以能见度为应变量, PM_2.5浓度和相对湿度为自变量, 取信度为0.05, 建立非线性回归方程, 利用SPSS软件求取回归系数, 得到能见度与PM_2.5浓度和相对湿度的回归方程[式(3)], 回归系数均通过了0.05的显著性水平检验, 拟合系数R为0.786, 拟合效果较好。

$ V = 8.413{{\rm{e}}^{ - 12.212n}} - 9.620RH + 8.371 $

(3)

为了验证回归方程效果, 选取盐城2013年12月1—10日的盐城逐时资料进行能见度试报, 并将预测值与观测值进行对比(图 7)。就此次过程而言：能见度在1~5 km的预测值与观测值较为接近, 预报误差较小; 而能见度低于500 m时, 预测值与观测值误差较大, 预测值较观测值偏低, 少量预测值为负值, 主要是由于对应时间点的相对湿度和PM_2.5浓度值均较高; 当能见度高于5 km时, 预测值略高于观测值, 也有一定的误差。虽然能见度的拟合方程还有一定的误差, 后期还需要进一步完善，但是可以根据PM_2.5浓度和相对湿度的预报值来初步预测能见度、判定雾、霾的等级, 为实际业务应用中霾的等级预报提供了有利的依据。

3 结论

本文对2013年12月上旬盐城地区长时间重度污染天气过程进行了综合分析, 得到了以下结论：

(1) 此次过程, 高层环流平直, 没有明显的冷空气影响, 地面处于均压场控制, 气压梯度小, 水平风场偏弱, 不利于污染物在水平方向上的稀释、扩散。

(2) 近地面层持续的强逆温层覆盖, “锅盖”效应使污染物在近地面堆积, 同时混合层高度偏低, 抑制了污染物在垂直方向上的输送。

(3) 低层较高的相对湿度为气溶胶粒子的吸湿凝结增长提供了有利的水汽条件。总之, 大气环流、局地气象要素特征与边界层特征叠加作用, 极其不利于污染物扩散, 是造成此次重度雾-霾天气长时间维持的重要原因。

本文同时研究了能见度与相对湿度和污染物浓度的变化关系, 发现能见度随着污染物浓度的升高呈指数下降, 随着相对湿度的升高呈线性下降, 并建立了能见度与相对湿度和污染物浓度的非线性回归方程, 并对12月上旬的过程进行能见度预测。与实况值对比发现:能见度在1~5 km的预测值与观测值较为接近, 预报误差较小; 当能见度低于500 m或高于5 km时, 预测值仍有一定的偏差, 还需要进一步的分析和改进。虽然拟合方程有一定的误差, 但是可以根据PM_2.5浓度和相对湿度的预报值来预测能见度、判定霾的等级, 为实际业务应用中霾的等级预报提供了有利的依据。

致谢：感谢盐城市环境保护局提供监测资料。