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  气象   2019, Vol. 45 Issue (8): 1123-1134.  DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2019.08.009

论文

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雷正翠, 郑媛媛, 刘银峰, 等, 2019. 2018年常州一次罕见持续性雾-霾天气分析[J]. 气象, 45(8): 1123-1134. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2019.08.009.
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LEI Zhengcui, ZHENG Yuanyuan, LIU Yinfeng, et al, 2019. Causes Analyses of a Severe Continuous Fog-Haze Weather Process in Changzhou in 2018[J]. Meteorological Monthly, 45(8): 1123-1134. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2019.08.009.
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资助项目

科技部国家大气污染专项项目(JFYS2016YFC0201903和JFYS2016YFC0203303)、江苏省“333高层次人才培养工程”项目(BRA2016565)、江苏省自然科学基金项目(BK20160041)、江苏省气象局重点项目(KZ201902)和江苏省气象科学研究所北极阁基金项目(BJG201703)共同资助

第一作者

雷正翠,主要从事天气预报技术研究.Email:lzc6903@sohu.com

通信作者

郑媛媛,主要从事天气预报研究.Email:zhengyy63@sina.com.

文章历史

2019年1月7日收稿
2019年6月5日收修定稿
2018年常州一次罕见持续性雾-霾天气分析
雷正翠 1,2, 郑媛媛 2, 刘银峰 3, 孙康远 2, 刘端阳 2, 何涛 4, 吴晶璐 1, 周文君 5    
1. 江苏省常州市气象局,常州 213022
2. 中国气象局交通气象重点开放实验室,南京 210008
3. 浙江省景宁县气象局,景宁 323500
4. 江苏省常州市环境监测中心,常州 213001
5. 江苏省盐城市气象局,盐城 224005
摘要:利用常规气象观测资料、探空资料、污染物浓度及AQI资料、NCEP再分析资料等,对2018年11月24日至12月3日夜间常州持续11 d的强浓雾和严重霾天气过程进行了分析。结果表明:(1)此次雾-霾过程持续时间长、范围广、强度大、污染重。(2)中纬度地区高层持续纬向环流控制、中低层暖脊稳定存在,地面持续受均压场或弱倒槽顶部、弱冷锋前部影响,是这次持续性雾-霾过程的重要天气条件。(3)边界层内弱辐散、负涡度及弱的下沉气流是此次雾-霾天气得以长时间维持、发展的动力因子。近地层长时间水汽饱和且维持小风速利于雾-霾的长时间维持。(4)近地面高强度的贴地逆温长时间维持和持续较低的混合层高度是此次雾-霾形成、发展和长时间维持的重要热力条件。雾比霾的平均混合层高度明显偏低且霾等级越高混合层高度越低,混合层高度的变化先于能见度变化,对雾-霾临近预警有较好的指导作用。(5)弱冷空气渗透、风速适当增加、混合层高度的先期快速下降、负净辐射曝辐量绝对值的明显增大是雾爆发性增强的主要原因。
关键词持续雾-霾    气象要素    污染物    逆温层    混合层高度    爆发性增强    
Causes Analyses of a Severe Continuous Fog-Haze Weather Process in Changzhou in 2018
LEI Zhengcui1,2, ZHENG Yuanyuan2, LIU Yinfeng3, SUN Kangyuan2, LIU Duanyang2, HE Tao4, WU Jinglu1, ZHOU Wenjun5    
1. Changzhou Meteorological Office of Jiangsu Province, Changzhou 213022;
2. Key Laboratory of Transportation Meteorology, CMA, Nanjing 210008;
3. Jingning Weather Station of Zhejiang Province, Jingning 323500;
4. Changzhou Environmental Monitoring Center of Jiangsu Province, Changzhou 213001;
5. Yancheng Meteorological Office of Jiangsu Province, Yancheng 224005
Abstract: Using conventional meteorological observation data,sounding data,pollutant concentration and AQI data,NCEP reanalysis data,the causes of a severe persistent fog-haze weather in Changzhou from November 24 to December 3,2018 were analyzed. The results show that this fog-haze process lasted a long time with wide scope,large density and heavy pollution. The upper latitudinal circulation was dominant in the upper latitudes during the fog-haze period,and the warm ridges in the middle and lower layers were stable. The surface was continuously affected by the uniform pressure field or the top of weak inverted trough or the front of weak cold front,which provided a favorable circulation background for the continuous occurrence and development of fog-haze. The weak divergence,negative vorticity and weak downdraft in the boundary layer were the dynamic factors for the development of fog-haze weather. Long-time moisture saturation and low wind speed were beneficial to the occurrence and development of fog and haze. The average mixing layer height of fog was obviously lower than that of haze. The higher the haze level,the lower the height of the mixed layer. The change of mixing layer height was prior to the change of visibility,which was a guidance for the early warning of the fog-haze. The infiltration of weak cold air,proper increase of wind speed,rapid decline of mixing layer height and significant increase in the absolute value of negative net radiation exposure were the causes for the explosion of fog.
Key words: continuous fog-haze    meteorological elements    pollutant    inversion layer    mixing layer height    explosive enhancement    
引言

随着我国城市化和工业化进程的加快,近年来我国雾-霾天气出现频率和强度有明显增加趋势,严重雾霾天气持续时间长且范围大,如京津冀、长三角、珠三角等城市群气溶胶污染日趋严重,雾-霾天气显著增多(郝建奇等,2017姚青等,2018刘端阳等,2014刘梅等,2014李浩文等,2017),近几年雾-霾天气多次成为国内十大天气气候事件,如:2013年“1月份4次雾、霾过程影响中东部地区”“10月罕见雾、霾天气导致东北数千所学校停课”(张格苗,2013);2014年“10月4次雾、霾过程覆盖中东部”(李一鹏,2014);2015年“入秋后北方雾、霾不断,东北多地空气质量指数爆表”(申敏夏,2015);2016年“今年最强霾过程拉响27城重污染红色预警”(王玫珏,2016),对城市大气环境、人体健康、交通安全以及工农业生产等都带来了日益显著的负面影响,已经引起社会的广泛关注。国内外专家学者对雾-霾天气从灾害风险评价(谢志祥等,2017)、变化规律分析(林建等,2008王珊等,2014)、成因分析(焦圣明等,2016严文莲等,2018张恒德等,2011苗爱梅等,2014于文金等,2016)、污染物浓度变化特征(王博妮等,2016)、气溶胶光学特性(孙冉等,2017)等方面进行了一系列的研究,取得了丰硕的成果。对于持续性雾-霾, 学者也从多个角度进行了研究,如刘端阳等(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。沈利娟等(2016)根据污染气体、气溶胶数浓度、气象要素及边界层探空数据等对2015年5月17—20日嘉兴市发生的一次持续性雾-霾过程进行了成因及其不同污染物的变化特征研究。陈朝平等(2015)对2014年1月22日至2月4日四川盆地一次持续性雾-霾天气过程的特点及环流背景进行了分析,指出此次持续14 d的雾-霾天气过程发生在中高纬纬向型环流背景下,同时我国大部分地方处于地面高压内的均压场中,有利于雾-霾的形成和维持;大气混合层高度的变化对雾、霾之间的转换有很好的指示作用。刘瑞芳等(2017)利用高空探测、自动站观测、激光雷达等资料,对2013年12月17—25日发生在陕西关中的持续性雾-霾天气进行诊断分析,认为此次雾-霾天气具有明显的阶段性特征,前期的高低空配置有利于污染物的急剧累积,后期中高空气流较为平直,低层有弱暖平流,地面气压场较弱,有利于雾-霾天气的稳定维持;关中地区特殊的地形作用也是雾-霾天气易发的一个重要原因,等等。但是针对常州持续雾-霾的研究工作很少,2018年11月24日至12月3日夜间我国中东部包括江苏、安徽、上海、浙江、山东、河南、京津冀地区连续数日出现了罕见的大范围严重持续性雾-霾天气,影响范围广、持续时间长、强度大、污染重,给高速、航运、空运等交通运输、出行及公众健康带来了极其不利的影响,针对此次典型天气过程,以常州为例,基于污染物资料、NCEP再分析资料、常规气象资料、探空资料等,分析雾-霾过程中的天气形势、能见度与各主要气象要素及逆温层、混合层高度的关系等进行雾的爆发性增强原因分析,以便深入认识区域性雾-霾的成因机制,为雾-霾预报预警和大气污染治理提供科学依据。

1 资料来源与说明

文中所用资料为2018年11月24日至12月3日常州市地面资料(包括能见度、相对湿度、天气现象、降水量等要素)、NCEP/NCAR再分析资料、常州市环境监测中心逐小时的污染物浓度及AQI数据。应常州市气象局要求,部队气象台探空站特提供2018年11月24日至12月3日02时的探空资料。

气象观测站的辐射测量,包括太阳辐射与地球辐射两部分。地球上的辐射能来源于太阳,太阳辐射能量的99.9%集中在0.2~10 μm的波段,太阳光谱在0.29~3.0 μm范围称为短波辐射,目前气象站主要观测这部分太阳辐射。地球辐射是地球表面、大气、气溶胶和云层所发射的长波辐射,波长范围为3~100 μm,地球辐射能量的99%波长大于5 μm。净全辐射(辐射平衡):太阳与大气向下发射的全辐射和地面向上发射的全辐射之差值,也称为净辐射或辐射差额。曝辐量H:指一段时间(如一天)辐照度的总量或称累计量,单位为MJ·m-2,取两位小数。负净辐射曝辐量指的是地球长波辐射曝辐量大于太阳短波辐射曝辐量,绝对值越大,说明净辐射曝辐量越大。

文中对于雾、霾的判定采用能见度仪观测值,并根据雾和霾的行业标准(中国气象局,2010)进行确定,根据行业标准,能见度为200~50 m时为强浓雾,当能见度 < 50 m时为特强浓雾。考虑到雾和霾可相互转换,夜间到上午相对湿度较高时是雾,日出后气温上升,相对湿度减小,雾转换成霾,所以统称为“雾-霾”天气进行研究。

2 雾-霾过程实况及特征

2018年11月24日至12月3日夜间我国中东部地区出现了持续11 d的严重雾-霾天气,其中11月25日至12月3日江苏全省71个基本观测站日最小能见度≤200、100、50 m的站数分别为21~66、14~66、3~60个。11月25—29日全省强浓雾—特强浓雾的范围尤其广、能见度特别低,强浓雾的站数有40~66个、特强浓雾的站数有26~60个,最低能见度为15(句容25日)~24 m(丰县26日),其中27日最为严重,江苏所有基本观测站日最小能见度均<500 m,< 50 m的有60个,11月26日起江苏全省高速公路实行特级管制(封闭)。期间江苏省还出现了持续性的中度—重度霾天气。为此在这次过程中江苏省气象台共发布了11个级别较高的大雾橙色或红色、霾橙色预警信号,江苏省也启动了重污染橙色预警。

11月24日早晨至12月3日夜间常州地区连续11 d出现了罕见的持续性严重雾-霾天气(表 1),11月24日早晨雾持续时间较短(首日),但是从24日后半夜开始直到12月3日常州每天都出现持续时间长达7.5~15.2 h的雾,其中26日夜间至27日上午、28日夜间至30日上午雾出现时间早、消散晚,最早前一日19时就开始出现,直到次日09—11时前后才逐渐消散,维持时间均长达13 h以上,尤其是26日夜间至27日上午能见度 < 100 m的持续时间更是长达11 h以上。除12月4日、11月30日未出现强浓雾(最小能见度为286、280 m)外,其余9 d均出现了强浓雾,其中25—29日连续5 d出现最小能见度不足50 m的特强浓雾,可见此次过程具有雾强度很强且维持时间很长的特征。

表 1 2018年11月24日至12月3日常州雾情况 Table 1 Fog situation from 24 November to 3 December 2018 in Changzhou

从能见度、相对湿度和污染物浓度数据来看,11月24日09—17时常州以轻微和轻度霾为主,夜间由于湿度增加,颗粒物吸湿增长,能见度下降,18—21时加重为中度霾,24日22时至25日03时加强为重度霾;此后几天持续出现大雾—浓雾—强浓雾—特强浓雾与霾的转换。在这次过程中共出现了22 h的中度霾、53 h的重度霾。污染物浓度也持续偏高,常州出现了75 h重度污染,5 h严重污染,其中25日00—12时、28日05时至29日12时分别维持12、32 h的重度污染、29日17时至30日13时出现持续时间21 h的重度—严重污染。期间PM2.5、PM10浓度持续偏高,最高分别达264、346 μg·m-3,可见也是一次重污染天气过程。

上述分析表明,本次雾-霾过程具有持续时间长、范围广、强度大、空气污染重等特征。

3 有利于持续雾-霾的天气形势

这次雾-霾过程持续时间长达11 d,而且雾-霾均很严重,在历史上是非常罕见的。为什么持续时间这么长?为什么这么强?

大范围雾-霾天气总是在特定的天气形势条件下发生的。11月24日至12月3日500 hPa平均高度场(图 1a)显示,这次过程期间在俄罗斯东部—鄂霍次克海西北部附近有一低涡稳定存在,没有明显的冷平流南下。我国中东部地区以纬向环流为主,持续受西北偏西或西到西南气流控制,天空云量少,有利于夜间辐射降温,同时这种较平直的纬向环流还可阻挡高纬度地区冷空气的大规模渗透南下。850 hPa上,江苏始终维持温度脊,中低层大气增温明显,11月下旬常州平均气温异常偏高(较常年偏高2.3℃),中低层暖性结构的长期维持,有利于层结稳定和逆温层的形成,是雾-霾天气发生和稳定维持的主要原因之一。

图 1 2018年11月24日至12月3日(a)500 hPa平均高度场和(b)海平面气压平均场环流形势 Fig. 1 The circulation situation from 24 November to 3 December 2018 (a) 500 hPa mean height field, (b) mean sea level pressure field

从海平面平均气压场来看(图 1b),我国西部和北部连续多日受稳定少动的冷性高压控制,无明显冷空气补充。江苏持续受均压场或弱倒槽顶部、弱冷锋前部影响(其中均压场影响时间占绝大多数),等压线较稀疏,地面基本呈静风或小风状态,不利于水汽和污染物粒子的水平扩散,其中24日早晨江苏处在弱冷锋的前部(冷空气11时后才影响常州),有利于锋前雾的出现(启动机制)。11月24日至12月1日夜间天空状况基本以晴到少云为主,2日虽白天云量多,但夜间云量也较少,以辐射雾为主;3日夜间冷空气逐渐南下,4日03时冷空气主体影响常州,3日20时出现降水,21:30开始出现雾,随后能见度逐渐下降,23:20达最低(286 m),4日00:50上升到1 km以上,因此3日夜间常州处在冷锋前部,出现的雾为锋前雨雾。3日夜间到4日受较强冷空气和较强降雨影响,持续雾-霾天气才得以结束。

中纬度较平直的高空环流、中低层的暖脊、持续稳定少动的地面均压场这种高低空的配置是长时间雾-霾天气维持的典型天气形势,为本次雾-霾天气的持续发生发展提供了有利的环流背景。

4 有利于持续性强浓雾的水汽和热动力条件及污染物分析

这次雾过程强度大,连续9 d出现大范围的能见度 < 200 m的强浓雾,连续5 d出现能见度 < 50 m的特强浓雾,而且霾也很严重,出现了53 h的重度霾。

通过各气象要素与能见度的相关性分析,得到相对湿度、气温、风速、露点与能见度之间的相关系数分别为-0.77、0.56、0.43、-0.12,因此首先重点分析风速、气温、相对湿度等与能见度的关系。

风速是影响污染物水平输送的重要因子,边界层内的水平风速大小是判断大气水平输送能力的一个重要参数。从逐日地面图可知,在持续性雾-霾期间,常州除24日前期和27日后期受弱冷锋影响、12月1—3日受倒槽顶部影响外,其余时间均受均压场控制,弱的气压梯度决定了地面风速小(图 2),期间多静风(< 0.5 m·s-1)或小风(< 2 m·s-1),平均风速为1.1 m·s-1,风速 < 2、0.5 m·s-1的分别占88.3%、22.1%,其中浓雾期间除两个时次风速为2.4、2 m·s-1外,其余均小于2 m·s-1,较小的风速不利于污染物的水平扩散,也使得雾-霾长时间维持。

图 2 2018年11月24日至12月3日常州能见度(a),温度、相对湿度(b),PM2.5、PM10、SO2、NOx浓度(c)和风向、风速(d)的演变情况 Fig. 2 Evolutions of visibility (a), temperature, relative humidity (b), PM2.5, PM10, SO2, NOx (c) and wind (d) in Changzhou from 24 November to 3 December 2018

从整个过程的地面风向来看,主导风向为偏北、偏东风,其中偏北风占比最高约26.7%、偏东风其次占比约20.4%,静风也较多;24日夜间至26日上午地面盛行东北风或偏东风,将海上的水汽平流输送至我国中东部地区,自24日夜间起地面相对湿度长时间维持95%以上的高湿状态(图 2表 2)(每日持续时间在5~19 h,除24日外,有9 d持续时间均在10 h以上,最长维持时间达19 h之久),11月24日至12月3日平均相对湿度为89.1%,相对湿度>90%的占69.6%;从温度露点差T-Td来看(图略),24日00时至12月3日20时水汽长时间处于饱和状态,240 h内有175 h处于饱和状态(占比达72.9%),另外从表 3可以看出,在此期间饱和层/湿层厚度较大,可见长时间的近地面层高湿度和水汽饱和有利于浓雾甚至强浓雾的形成和长时间维持以及污染物吸湿增长,这也是持续雾-霾产生和维持的原因之一。

表 2 2018年11月24日至12月3日常州相对湿度≥95%持续情况 Table 2 Relative humidity (≥95%) persistence in Changzhou from 24 November to 3 December 2018

表 3 2018年11月26日至12月2日常州探空站02时逆温和湿层分布 Table 3 Temperature inversion and wet layer distribution at the sounding station in Changzhou at 02:00 BT from 26 November to 2 December 2018

周文君等(2016)研究表明,在持续雾-霾期间边界层内较弱的物理量场如弱正散度及负涡度是雾-霾天气得以维持发展的动力因子。利用NCEP/NCAR再分析资料分析了常州地区涡度、散度、垂直速度的变化情况(图 3),从图中可以看到,在整个持续雾-霾期间,850 hPa以下正负涡度、散度均交替出现,但数值一般为0~2 s-1;垂直速度也很小,基本介于-1~0 Pa·s-1。可见持续雾-霾期间,近地面层的动力条件很弱,大气湍流运动弱,不利于水汽和污染物的垂直向上扩散,从而导致污染物浓度高,有利于雾-霾的维持。

图 3 2018年11月24日至12月3日常州的涡度(a,单位:s-1)、散度(b,单位:s-1)、垂直速度(c,单位:Pa·s-1)时间-高度剖面图 Fig. 3 Time-height profiles of vorticity (a, unit: s-1), divergence (b, unit: s-1), vertical velocity (c, unit: Pa·s-1) at Changzhou from 24 November to 3 December 2018

逆温层的存在是雾-霾天气持续的重要条件之一,近地层出现逆温,不利于污染物的垂直扩散,逆温层的持续时间、强度和厚度对污染物垂直扩散有直接影响。逆温强度越强,大气层结越稳定,越有利于雾-霾的维持。花丛等(2015)研究指出逆温强度与能见度呈负相关关系,在雾、霾过程中,逆温层底高度较低、厚度较大且雾过程逆温层底高度较霾过程低、厚度较霾过程小或者接近。图 4给出了2018年11月24日至12月3日常州的温度廓线变化。整个过程期间02时的探空曲线基本都存在明显的贴地逆温,逆温层顶高度较低,一般出现在925 hPa以下,持续的逆温层通过“锅盖”效应使得水汽和污染物在边界层内聚集和维持并形成浓雾和霾。虽然逆温层结不厚,但是逆温幅度较大、逆温强度较强,导致了雾-霾持续时间长;还可得出,26日夜间至30日早晨逆温强度较强,与此相对应常州26日夜间至27日上午出现了12 h的强浓雾—特强浓雾、28日出现了11 h的重度霾,也导致在此期间出现了64 h的重度—严重污染过程。由探空站02时的探空数据(表 3)可知,26日在1100~1002 hPa存在强度为0.03℃·hPa-1的逆温;27日的逆温出现在1011~1006、990~963 hPa,强度分别为0.64、0.17℃·hPa-1;28日的逆温出现在1020~1000、984~956 hPa,强度分别为0.14、0.25℃· hPa-1;29日在700 hPa以下出现了多层逆温,其中1021~1017 hPa逆温强度为1.28℃· hPa-1;12月2日在900 hPa以下也出现了多层逆温,其中1015~1007 hPa之间逆温强度为0.5℃·hPa-1。直至3日夜里较明显降水和4日冷空气南下,逆温层结被破坏,雾-霾天气缓解。

图 4 2018年11月26日至12月3日02时常州温度(a, b, c, d, e)、相对湿度(f, g, h, i, j)廓线图(a, f)11月26日, (b, g)11月27日, (c, h)11月28日, (d, i)11月29日, (e, j)12月2日 Fig. 4 Profiles of temperature (a, b, c, d, e) and relative humildity (f, g, h, i, j) in Changzhou at 02:00 BT from 26 November to 3 December 2018 (a, f) 26 November, (b, g) 27 November, (c, h) 28 November, (d, i) 29 November, (e, j) 2 December

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到达的高度,是影响污染物扩散的重要参数。当混合层高度较低时,污染物在垂直方向上受到限制,容易造成较高的污染浓度。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水汽的集聚,促进气溶胶粒子吸湿增长,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,白天大气湍流作用不断增强,混合层高度不断增高;夜间湍流作用降低,混合层高度随之下降。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,简称罗氏法。公式如下:

$ h=\frac{121}{6}(6-P)\left(T-T_{\mathrm{d}}\right)+\frac{0.169 P\left(U_{z}+0.257\right)}{12 f \ln \left(Z / Z_{0}\right)} $

式中,h为混合层高度;T-Td为温度露点差;P为Pasquill稳定度级别,根据太阳高度角、风速和云量进行判定,分为A~F六个级别,P值依次取值1~6;UZ为高度Z处的平均风速;Z0为地表粗糙度;f为地转参数。

图 5给出了11月24日至12月3日能见度与混合层高度的变化情况,在此期间混合层高度基本在1.5 km以下,平均混合层高度为497.3 m,最低混合层高度为79 m,出现在26日09时,此时能见度为50 m。从图 5还可以看出,混合层高度的变化与能见度的变化有一定的对应关系,能见度的下降比混合层高度的下降存在一定的滞后性,当混合层高度下降后,能见度会出现明显的下降趋势;混合层高度升高后,能见度也会有所上升。25—29日上午连续5 d最低能见度均<50 m,期间混合层高度均较低,基本在1 km以下;29日19时至30日08时再次出现了雾,混合层高度却明显升高,介于663~1403 m,最低能见度也随之升高到了280 m;而12月1日凌晨至中午雾出现期间,混合层高度均下降到650 m以下,期间对应的最低能见度也下降至84 m。

图 5 2018年11月24日至12月3日常州能见度和混合层高度 Fig. 5 Evolution of visibility and mixing layer height in Changzhou from 24 November to 3 December 2018

此外,混合层高度越低,大气污染扩散能力越差,污染物浓度高,霾加重,出现霾期间平均混合层高度为721.9 m,最低混合层高度为135.7 m。分不同等级霾进行统计,得出轻微、轻度、中度、重度霾期间平均混合层高度分别为936.4、804.7、700.6、683.8 m。

由此可见,持续较低的混合层高度也是此次雾-霾长时间维持的重要原因之一;雾比霾的平均混合层高度明显偏低,且混合层高度的变化对雾、霾的等级预报也有较好的指导作用。

通过各污染物浓度与能见度的相关性分析,得到PM2.5、PM10、PM1、SO2、NOx与能见度的相关系数分别为-0.45、-0.52、-0.31、-0.04、-0.16。细粒子质量浓度是影响大气能见度的主要因素,细粒子在可吸入颗粒物中的富集是造成持续性污染和能见度连续下降的主要原因(姚青等,2012),从图 2可以看出,在这次持续性严重雾-霾天气过程中,PM2.5、PM10与能见度的变化趋势总体呈反相关关系,24日19时至25日03时先后出现轻度—中度—重度霾,PM2.5、PM10的浓度分别从108、143 μg·m-3上升至174、235 μg·m-3。25日04—08时出现大雾—浓雾—强浓雾—特强浓雾,期间PM10的浓度从241 μg·m-3上升至275 μg·m-3。此后随着能见度逐渐上升,直到25日16时PM2.5、PM10的浓度明显下降。随着夜间的来临,出现了大雾—强浓雾—特强浓雾,期间PM2.5、PM10的浓度明显上升,26日11时分别上升至164、209 μg·m-3。之后随着雾的消散,PM2.5、PM10的浓度明显下降。此后数日直到12月3日夜间,PM2.5、PM10的浓度变化与能见度的变化与前面几日变化特点相似。12月3日夜间到4日在较强降雨和冷空气的影响下,能见度才逐渐转好,空气质量得以快速改善(PM2.5、PM10的浓度由3日21时的156、210 μg·m-3下降到4日04时的11、12 μg·m-3)。因此,当雾-霾增强时,PM2.5、PM10的浓度一般是增大的,即雾-霾越强,污染物浓度一般也越强。

但是在这次过程中26日夜间至27日早晨出现了浓雾对污染物的湿清除现象。26日20时相对湿度上升至96%,常州地区出现大雾,能见度快速下降,22时为浓雾,23时加强为强浓雾,27日00时已达特强浓雾级别,且特强浓雾—强浓雾维持到27日10时,在此过程中,雾维持时间为15.2 h,其中能见度 < 100 m的持续时间长达11 h以上。26日20时—27日11时相对湿度介于96%~99%,98%~99%的相对湿度维持了14 h以上,在此期间PM2.5、PM10的浓度由26日20时的146、186 μg·m-3下降到27日05时45、70 μg·m-3,主要是由于水汽长时间饱和、污染物吸湿增长达到一定程度后,以污染物为凝结核的雾滴所受到的重力大于浮力时下落至地面,湿沉降的作用导致空气质量明显好转,说明长时间维持的浓雾—强浓雾对气溶胶粒子具有一定的湿清除作用(康汉青等,2009)。

5 强浓雾爆发性增强成因分析

所谓强浓雾爆发性增强(朱承瑛等, 2018),是指在很短时间内(一般<30 min)雾突变为强浓雾(能见度<200 m),或跃增为特强浓雾(能见度<50 m)。

在11月24—29日连续性严重雾-霾过程中也多次呈现出强浓雾爆发性增强特征,主要出现在24日06:55—06:59、25日07:35—07:36、26日02:32—02:39、26日22:03—22:11、28日01:14—01:29、29日05:15—05:19(图 6)。本文基于各气象要素分钟级资料选取爆发性增强分别出现在早晨日出前后的24日和出现在夜间的26日进行具体分析(图 6a6c)。

图 6 2018年11月(a)24日05—08时,(b)25日05—10时,(c)26日02—10时,(d)26日19—23时,(e)27日22时至28日03时,(f)29日04—07时常州能见度、风速风向分钟变化 Fig. 6 Minutely variation curres for visibility, wind speed, wind direction in Changzhou at 05-08 BT 24 (a), 05-10 BT 25 (b), 02-10 BT 26 (c), 19-23 BT 26 (d), 22 BT 27-03 BT 28 (e) and 04-07 BT 29 (f) November 2018

11月24日有弱冷空气南下影响常州,06时常州处在弱冷锋前部的均压场中,天气形势有利于锋前雾的出现;06:43常州站能见度为1097 m,8 min后下降至275 m,06:54有所上升,之后雾迅速加强,06:59能见度下降至77 m,4 min内能见度下降了512 m。常州观测站资料可见,04:48之前为S风,04:48—06:52转为N、NW风,表明有弱冷空气渗透,有利于水汽凝结;此外雾迅速增强期间的06:46—06:53风速为0.4~0.6 m·s-1,而之前的06:35—06:45和之后的06:54—06:59风速均在0~0.3 m·s-1,由此可见,风速提前小幅增大使得湍流运动加强对雾的增浓甚至爆发性增强有促进作用(Choularton et al,1981);计算结果显示在强浓雾爆发前05—06时混合层高度已开始下降, 由558.23 m下降至188.54 m,强浓雾爆发时为119.16 m,表明混合层高度先期迅速下降有利于雾的爆发性增强。在24日00:20至雾爆发性增强期间,气温稳定下降,但在雾爆发性增强时气温有小幅增加,这是由于雾凝结潜热释放造成的,这种现象在成雾时一般都存在。另外长波辐射对雾的爆发性增强也有重要作用,24日06:00净辐射曝辐量为-0.01 MJ·m-2,之后逐渐加大,06:47—06:59增强至-0.16~-0.18 MJ·m-2,06:57—07:00达最大值-0.18 MJ·m-2,之后随着日出净辐射曝辐量逐渐变为正值。可见弱冷空气的渗透、风速的小幅增大、混合层高度的先期快速下降、负净辐射曝辐量绝对值的明显增大是24日早晨雾爆发性增强的原因。

26日03、04、05时混合层高度分别为822.29、346.98、135.73 m,伴随着混合层高度的迅速下降,26日02:32能见度为567 m,02:36降至114 m,02:39降至48 m,7 min内下降了519 m,03:03之后上升到100 m以上,03:37再次下降至84 m,特强浓雾—强浓雾维持至09:53。从风向来看,26日01:54前为偏E风,01:54—04:17转N或NE风,说明有弱冷平流的影响,有助于雾的快速增强;从风速来看,02:13—02:49风速从之前的0~0.4 m·s-1增加到了0.5~2.3 m·s-1,能见度从767 m下降到39 m,可见扰动的适当增强有助于雾滴的富集,从而导致强浓雾爆发性增强。另外长波辐射对雾的爆发性增强也有重要作用,26日02:02—02:33净辐射曝辐量逐渐增大,但值较小,在-0.09~-0.01 MJ·m-2,之后继续加大,02:34—03:00增强至-0.16~-0.1 MJ·m-2,与02:37—03:00的100 m以下低能见度相对应。弱冷平流的输送、风速的适当增大、混合层高度的快速下降、负净辐射曝辐量绝对值的明显增大是26日凌晨雾爆发性增强的原因。

总的来说,弱冷空气的渗透(风向转变为偏N风)、风速的适当增大、混合层高度的先期快速下降、负净辐射曝辐量绝对值的明显增大是本次连续雾-霾天气过程中雾爆发性增强的原因。

6 结论

利用常规气象观测资料、探空资料、污染物浓度及AQI资料、NCEP再分析资料等,对2018年11月24日至12月3日常州出现的一次严重的持续性雾-霾天气进行了成因分析,得出了以下结论:

(1) 中纬度较平直的高空环流、中低层的暖脊、持续稳定少动的地面均压场,这种高低空的配置是长时间雾-霾天气维持的典型天气形势,为本次雾-霾天气的持续发生发展提供了有利的环流形势。

(2) 边界层内弱辐散、负涡度及弱的下沉气流是此次雾-霾天气得以维持发展的动力因子;近地层水汽长时间饱和(T-Td≤2℃的时间达72.9%)、高湿(平均相对湿度89.1%)且风速较小(平均风速1.1 m·s-1)利于雾和霾的发生、发展及维持。

(3) 近地面高强度的贴地逆温长时间维持和持续较低的混合层高度使得大气中上下的湍流热量和动量交换减弱,有利于污染气溶胶的积累和雾霾的形成、发展和长时间维持。雾比霾的平均混合层高度明显偏低(雾和霾期间平均混合层高度分别为497.3、721.9 m),霾等级越高混合层高度越低(轻微、轻度、中度、重度霾期间平均混合层高度分别为936.4、804.7、700.6、683.8m),且混合层高度的升降超前于能见度变化,对雾、霾的等级预报也有较好的指导作用。

(4) 当雾-霾增强时,PM2.5、PM10的浓度一般是增大的,即雾-霾越强,污染物浓度一般也越强。但长时间维持的浓雾—强浓雾对气溶胶粒子具有一定的湿清除作用。

(5) 弱冷空气渗透、风速适当增大、混合层高度先期快速下降、负净辐射曝辐量绝对值的明显增大是本次连续雾-霾天气过程中雾爆发性增强的原因。

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