吳 蒙,范紹佳*,吳 兌,2

(1.中山大學環(huán)境科學與工程學院,廣東 廣州 510275；2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東 廣州 510080)

臺風是發(fā)生在熱帶洋面上的一種強烈的暖性氣旋性渦旋,在臺風前進方向和前進方向的側緣往往伴隨著明顯的、強烈的下沉氣流.當臺風逐漸接近陸地時,大范圍的下沉氣流會在陸地形成高壓均壓場.這種穩(wěn)定性的大氣結構非常有利于污染物的積累,從而造成能見度惡化和空氣質量下降,乃至出現(xiàn)灰霾天氣.灰霾天氣作為一種越來越引起人們關注的災害性天氣,通常將之定義為由非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成的水平能見度小于 10km的視程障礙現(xiàn)象[1-2].

廣州位于珠江三角洲核心,是我國經(jīng)濟最活躍的前沿地區(qū)之一.珠江三角洲北靠南嶺,南面南海,特殊的地理環(huán)境使廣州常常受到臺風過程的影響,臺風臨近除了帶來高溫外,往往還會引起灰霾天氣.目前關于灰霾天氣氣象條件的研究已經(jīng)開展了許多卓有成效的工作,研究表明,城市地區(qū)污染物的排放和城市群之間的相互作用是灰霾天氣發(fā)生的重要因子[3-7],氣象條件是灰霾天氣出現(xiàn)與否的決定性控制條件[8-12].近地層輸送條件即地面流場與大氣污染物的擴散稀釋密切相關[13-19].在廣州地區(qū),濕季出現(xiàn)的灰霾天氣多數(shù)與臺風的影響密不可分,其中,登陸前中心位于粵東及福建以東海域的臺風對珠江三角洲空氣質量影響最為顯著[20-22],臺風外圍下沉氣流會在珠江三角洲地區(qū)形成氣流停滯區(qū)和下沉逆溫,這些都會造成污染物的堆積[23-25].本文利用2006年7月的珠江三角洲邊界層觀測實驗得到的探空資料和珠江三角洲9個地面氣象站的地面觀測資料,探討了臺風過程對廣州空氣質量的影響,重點分析了臺風影響下出現(xiàn)灰霾天氣時的邊界層特征.

1 資料與方法

2006年珠江三角洲邊界層觀測時間為7月7～13日和17～26日,觀測地點分別位于代表珠江三角洲邊緣的清遠氣象局(簡稱清遠)、代表城市群的廣州市番禺區(qū)氣象局(簡稱番禺)和代表珠江口海岸的廣州南沙區(qū)萬傾沙鎮(zhèn)新墾(簡稱新墾).從濕季主導風向來看,清遠位于城市群下風向,番禺處于城市群中心,新墾位于城市群上風向,觀測點位置見圖1.

清遠觀測點每天在北京時間07:00和19:00開展常規(guī)探空,采集間隔為 100m 的垂直風溫資料.番禺和新墾觀測點均采用雙經(jīng)緯儀小球測風,經(jīng)緯儀在觀測前后都經(jīng)過了標定;探空儀為北京大學地球物理系工廠生產(chǎn)的溫度單要素探空儀,探空儀在出廠前都經(jīng)過了嚴格的標定.一般情況下,番禺和新墾觀測點在06:00,07:00,08:00,10:00,14:00,18:00,20:00和23:00會同步進行7次觀測,其他時刻根據(jù)天氣條件和觀測需要也會添加加密觀測.其中,18～24日開展了加密觀測,新墾番禺均在正常觀測時次的基礎上增加了02:00、17:00和 19:00三個觀測時次.在觀測時,探空氣球升速約為100m/min,測風讀數(shù)間隔為30s,溫度探空數(shù)據(jù)采集間隔為 5s,采用矢量法計算氣球高度和風速、風向.在分析中,將小球探空的風場資料處理到50m的分辨率,溫度資料處理到10m的分辨率.

圖1 2006年7月珠江三角洲大氣邊界層觀測布點示意Fig.1 Map of the observation stations during PRD ABL experiment in July 2006

資料處理時,采用干絕熱曲線法結合清遠觀測點早晨8:00的溫度探空曲線來計算得到清遠觀測點在觀測期間逐日的最大混合層高度.其中,最大混合層高度是指日間混合層厚度的最大值,它能夠表征污染物在鉛直方向稀釋、擴散的最大范圍,是空氣污染潛勢預報的重要參數(shù).

參考吳兌等[1-2,11]的劃分標準,定義灰霾天氣為日平均能見度小于 10km,同時日平均相對濕度小于 90%的事件.相應的,能見度越低,空氣質量越差,灰霾越嚴重.圖2為2006年7月廣州地區(qū)能見度和風速隨時間變化情況.由圖2可見,在2006年7月廣州地區(qū)空氣質量較好,能見度整體較高,只在16日和26日出現(xiàn)能見度小于10km的灰霾天氣,12日能見度也相對較低.在觀測期間,能見度較好時主導風向為東南風,并且風速較大;而能見度惡化的12日、16日和23～26日,主導風向不明顯,風向擺動十分劇烈,風速也相對較小.根據(jù)臺風資料,7月14日午后臺風“碧利斯”在福建寧德登陸,7月25日下午臺風“格美”在福建晉江登陸,結合圖2(a)可知,在臺風過程中,珠江三角洲能見度均出現(xiàn)了不同程度的下降,甚至出現(xiàn)了灰霾天氣.

圖2 2006年7月廣州能見度及風速隨時間變化Fig.2 Time series of visibility and wind during 1-31 July 2006 at Guangzhou station

臺風“碧利斯”和“格美”都屬于典型的登陸前中心位于粵東及福建以東海域的臺風,其前進方向西側的下沉氣流會對珠江三角洲產(chǎn)生了顯著的影響,進而強烈影響到了廣州地區(qū)的空氣質量.其中“格美”登陸地點較為靠近珠江三角洲,同時持續(xù)時間也更久,下文將對臺風“格美”影響期間(2006年7月23～26日)珠江三角洲的邊界層特征進行詳細的分析.

2 結果分析

2.1 天氣條件

圖3為2006年7月23～26日東亞地面天氣情況,臺風“格美”于7月23日進入我國沿海24h警戒區(qū),臺風此時位于菲律賓以東洋面,副熱帶高壓位于小笠原群島附近海域,在臺風西側下沉氣流的影響下,我國長江以南地區(qū)被大范圍均壓場所控制;24日“格美”進一步靠近我國沿海,均壓場也進一步北移,同時依然控制著華南大部分地區(qū);7月25日下午臺風在福建晉江市登陸,并在26日減弱為熱帶低壓,副熱帶高壓發(fā)展到琉球群島以東海域.

圖4為2006年7月23～26日珠江三角洲地區(qū)地面風場變化情況,可以看出,23日珠江三角洲南部主要為東風,北部則主要為西風,在兩股方向幾乎相反的氣流影響下,珠江三角洲中部被靜小風控制;24日隨著臺風的進一步臨近,珠江三角洲西部轉為較強西北風,東部地區(qū)則主導風向不明顯,并且大部分區(qū)域風速小于 1m/s;25日珠江三角洲西部和中部地區(qū)被偏南風和偏北風分別控制,同時在番禺附近出現(xiàn)風輻合區(qū),東部風速依然較小,但是靜小風區(qū)域也有所縮小;26日臺風登陸后,整個珠江三角洲風速迅速增大,大部分地區(qū)在 3m/s以上,風向也較為一致,均為西南風.結合圖3可以看出,7月23～26日珠江三角洲地面風場的變化情況與臺風“格美”的位置變化是一致的.

圖3 2006年7月23～26日地面天氣變化Fig.3 Weather maps during 23-26 July 2006

圖4 2006年7月23～26日02:00珠江三角洲地面風場Fig.4 Wind fields at 02:00over PRD during 23-26 July 2006

通過以上分析可知,當臺風從粵東至福建沿海登陸我國時,臺風西側強烈的下沉運動會使得珠江三角洲被均壓場所控制,地面水平風速較小,往往表現(xiàn)為靜小風,在區(qū)域內(nèi)污染物難以擴散.而臺風登陸后,臺風環(huán)流上升運動伴隨著大風降水能夠迅速的清除大氣污染物.

2.2 垂直風場特征

圖5為2006年7月23～26日新墾觀測點的風廓線變化情況.從圖5可見,在臺風登陸前新墾風廓線在高度500m和1000m處存在明顯的風切變區(qū),從而將整個風廓線分隔為3層結構,不同層次白天和夜間的風速風向有著顯著的差異.23日的風廓線低層(500m以下)存在明顯的海陸風環(huán)流,白天陸風與系統(tǒng)風相抵消使得低層風速非常小,底層小風持續(xù)到 14:00左右;隨著陸地持續(xù)加熱,23日17:00起海風逐漸增強,西南風逐漸較大,海風的影響高度在23:00達到最大高度500m左右;23日06:00中層(500～1000m)在海風回流作用下,風向逐漸轉為偏南風,17:00在陸風回流的作用下風向開始逐漸轉換為東北風;在1000m以上的高層,受海陸風局地環(huán)流影響較小,主要為較強偏東風.

24日新墾低層主要為西北風并且一直持續(xù)到20:00,風速也較小,中層06:00～14:00時主要為北風,17:00起則逐漸轉為西北風,風速也逐漸增大;高層風向 14:00起由東風轉為西北風.25日臺風逐漸臨近附近沿海,風的三層垂直結構已經(jīng)被破壞,整個邊界層內(nèi)風向主要是北風和西北風,在下午18:00臺風登陸后風速迅速增大并轉為西北偏西風,大風一直持續(xù)到26日.其中,從24日起隨著風場的轉變海陸風等局地環(huán)流已難以再分辨出.

圖5 2006年7月23～26日新墾觀測點風廓線Fig.5 Wind profiles at Xinken station during 23-26 July 2006

圖6為2006年7月23～26日新墾觀測點每個觀測時刻氣球軌跡變化情況.從氣球軌跡上可以看出,23日新墾06:00,07:00,08:00氣球軌跡比較平直,沒有出現(xiàn)風向的反轉,17:00,18:00,19:00,20:00有著顯著的上下兩層相反的氣流,存在明顯的海陸風環(huán)流;24日氣球在低層向東漂移,高層則逐漸往南偏;25日隨著臺風逐漸臨近陸地,不同時刻氣球漂移軌跡呈現(xiàn)逆時針旋轉,18:00以后氣球軌跡十分平直,說明風向隨高度幾乎沒有劇烈擺動;26日風速較大,風向穩(wěn)定,氣球軌跡向東南方向漂移,漂移距離較遠.總之,當新墾受到海陸風影響時,不同觀測時刻的氣球軌跡之間會出現(xiàn)順時針的偏轉,這與海陸風的理論研究是一致的;而隨著臺風影響的加強,不同觀測時刻之間的氣球軌跡會出現(xiàn)逆時針的偏轉,這是由于臺風是一個逆時針旋轉的渦旋.

圖6 2006年7月23～26日新墾觀測點氣球軌跡Fig.6 Balloons trajectory at Xinken station during 23-26 July 2006

綜合以上分析可知,在臺風登陸前,垂直風場的存現(xiàn)明顯的 3層結構,不同層次隨時間均會有風向的轉變;受臺風外圍下沉氣流影響,新墾800m 以下存在明顯的靜小風層,而且海陸風活動明顯;隨著臺風逐漸臨近陸地,主導風向會逐漸偏轉,但是風速依然較小.靜小風的存在使得擴散條件較差,不利于污染物的擴散,風切變在陸風向海風轉換期間出現(xiàn),增加了靜小風的出現(xiàn)頻率,使得污染物進一步堆積.陸風與系統(tǒng)風相抵消進一步惡化了擴散條件,而且海風在深入陸地后會大幅減弱,有可能將其他地區(qū)污染物搬運至城市群而無法繼續(xù)擴散出去.

2.3 垂直溫度特征

圖7為2006年7月23～26日清遠觀測點的溫度廓線變化情況,可以看出,受下沉增溫作用,23日20時低層氣溫較高,逆溫層出現(xiàn)在200m左右;24日08:00逆溫高度在500m左右,20:00低層劇烈增溫,超絕熱現(xiàn)象明顯;25日08:00逆溫層出現(xiàn)200m高度,20:00逆溫出現(xiàn)在300m高度,26日臺風登陸后逆溫小時,氣溫迅速下降.

在臺風登陸前,臺風外圍下沉氣流的絕熱加壓作用使得珠江三角洲地區(qū)空氣增溫,濕度減少.同時會在200～500m左右高度出現(xiàn)逆溫層,這種穩(wěn)定性的層結結構非常有利于污染物的累積和增加.

圖7 2006年7月23～26日清遠觀測點溫度廓線Fig.7 Temperature profiles at Qingyuan station during 23-26 July 2006

圖8 2006年7月清遠觀測點最大混合層高度Fig.8 The maximum mixing layer height at Qingyuan station during 23-26 July 2006

2.4 最大混合層高度

圖8為2006年7月清遠觀測點的最大混合層高度變化情況,可以看出在 15～17日和 26～27日清遠最大混合層高度出現(xiàn) 2個谷值區(qū),這與能見度的谷值區(qū)恰好也是吻合的(圖 1a),也是臺風“碧利斯”和“格美”的存在期間.受臺風過程影響,清遠最大混合層高度在 27日達到最低值,僅為300多米.在臺風下沉氣流影響下,污染物會由高層向下輸送[24],而較低的邊界層高度阻止了近地面的水汽和污染物向高層擴散,使之大量聚集在邊界層內(nèi),加劇了大氣污染.

3 結論

3.1 臺風中心位于粵東及福建以東的海域的臺風會對廣州地區(qū)空氣質量產(chǎn)生影響的,其西側的下沉氣流能夠強烈作用于珠江三角洲地區(qū).

3.2 在臺風外圍下沉氣流影響下,珠江三角洲地區(qū)被穩(wěn)定的均壓場控制,同時地面風場多表現(xiàn)為靜小風,污染物難以擴散.

3.3 在臺風過程影響下的灰霾天氣中,珠江三角洲邊界層內(nèi)風速較小,風向轉換頻繁,能夠分辨出清晰的海陸風,影響高度接近 500m,夜間海風可能會將污染物輸送回城市.

3.4 在臺風登陸前,臺風外圍氣流下沉增溫十分顯著,逆溫層出現(xiàn)在 200～500m之間,有利于污染聚集.

3.5 在臺風過程影響下,珠江三角洲最大混合層高度迅速降低,甚至低至 500m以下,使得污染物聚集在邊界層內(nèi),最終爆發(fā)灰霾天氣.

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