許慶娥

(河南省濮陽市氣象局，河南濮陽 457000)

河南濮陽一次嚴重霧霾天氣成因分析

許慶娥

(河南省濮陽市氣象局，河南濮陽 457000)

利用常規(guī)氣象資料、地面自動站數(shù)據和大氣環(huán)境監(jiān)測等資料，從環(huán)流形勢、地面氣象要素變化、維持機制等方面，對2015年12月23—25日河南濮陽一次嚴重霧霾天氣成因進行分析。結果表明，霧霾期間高空以緯向環(huán)流為主，無明顯冷空氣影響。中低空下沉氣流的存在有助于近地層弱風條件和穩(wěn)定層結的建立，中低層弱的冷暖平流的交替出現(xiàn)以及持續(xù)穩(wěn)定的地面均壓場分布，為此次嚴重霧霾天氣提供了有利的環(huán)流形勢；在持續(xù)較低氣壓和較小地面風速的大背景下，PM2.5濃度穩(wěn)定升高，以及入夜后氣溫降低而相對濕度增大的地面氣象條件，是此次嚴重霧霾天氣過程產生和維持的主要原因；邊界層逆溫的長時間存在是這次嚴重霧霾天氣得以維持近60 h的重要原因，霧頂高度與逆溫層頂?shù)母叨茸兓泻芎玫膶P系，對霧霾天氣形成、發(fā)展、維持、消散的預報具有較好的指示意義；受地形阻擋作用，冷空氣在東移南下過程中，分股擴散南下，造成華北平原氣壓梯度??；能見度下降和持續(xù)性污染與PM2.5和PM10濃度增長有關，較高的PM2.5、PM10值的同時出現(xiàn)和長時間維持是導致嚴重霧霾天氣的又一原因。

嚴重霧霾；環(huán)流形勢；地面氣象要素；邊界層逆溫；PM2.5和PM10濃度

霧霾是比較常見的災害天氣，對交通、人體健康、航運和環(huán)境等均有嚴重的影響。近年來，隨著我國城市化和工業(yè)化建設的加快，人口的迅速增加，汽車保有量不斷上升，城市中霧霾天氣逐漸增多。特別是強霧霾天氣出現(xiàn)時，常伴有重度的空氣污染，直接影響著大氣環(huán)境，且影響和危及到人們的生活和健康。因此，加強霧霾天氣的成因分析及預報研究對促進社會經濟良性發(fā)展和人民生活質量的提高具有重要意義。

近幾年，不少學者對霧霾天氣的時空分布、邊界層特征及發(fā)生的環(huán)流形勢等方面進行了研究并取得了一定的成果[1-4]。曹偉華等[1]研究表明，邊界層逆溫是低能見度過程形成的必要條件，但并不最終決定霧、霾低能見度強度；相對濕度和PM2.5濃度是決定能見度大小的2個關鍵因子，對能見度的影響體現(xiàn)出階段性特征。于庚康等[3]分析表明，高空形勢變化平穩(wěn)、中低層的暖平流配合穩(wěn)定少動的地面氣壓場為霧霾天氣的發(fā)生提供了有利的環(huán)流形勢。以上研究結果說明，不同地區(qū)，由于所處地理位置及影響因子不同，霧霾天氣成因存在明顯差異。筆者利用常規(guī)氣象資料、地面自動站數(shù)據、大氣環(huán)境監(jiān)測資料等，分析2015年12月23—25日河南濮陽嚴重霧霾天氣過程中的高低空環(huán)流形勢、地面氣象要素變化特征、層結結構及空氣質量狀況等，探討此次霧霾持續(xù)多日的主要原因，為霧霾天氣預報提供思路和參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源 地面氣象要素資料來自濮陽所轄縣局地面氣象記錄月報表?？諝赓|量濃度數(shù)據來自于濮陽市區(qū)3個環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據的平均值。

1.2 霧霾的觀測規(guī)范標準 根據中國氣象局(氣預函[2014]4號)的通知及河南省氣測函[2014]2號的緊急通知，對能見度(V)人工觀測的臺站，判別霧、霾的能見度閾值仍保持不變，即V<1.0 km(霧)、V<10.0 km(霾)，空氣相對濕度(U)在V<1.0 km時，U≥80%作為霧的判別標準，U<80%作為霾的判別標準。在1.0 km≤V<10.0 km、U≥80%時，定義為輕霧；當65%≤U<80%時，如PM2.5質量濃度≥75 μg/m3，定義為霾，PM2.5<75 μg/m3，則定義為輕霧。當U<65%時，定義為霾。對能見度自動觀測的臺站，輕霧、霾的能見度判別閾值調整為7.5 km，霧的能見度判別閾值調整為0.75 km，相對濕度參照以上標準執(zhí)行。

2 天氣實況及環(huán)流形勢分析

2.1 天氣實況 2015年12月23—25日，河南濮陽地區(qū)出現(xiàn)嚴重霧霾天氣，PM2.5峰值濃度超過500 μg/m3，全市大部分地區(qū)均出現(xiàn)了能見度<50 m的強濃霧天氣。15個省轄市(包括濮陽市)達到并啟動了重污染天氣預警及響應，多地幼兒園、中小學停課，城區(qū)機動車單雙號限行。25日白天起，受西路冷空氣影響，地面風增大，大氣擴散能力增強，PM2.5濃度明顯下降，能見度轉好，此次嚴重霧霾天氣過程趨于結束。

2.2 大氣環(huán)流形勢

2.2.1 500 hPa環(huán)流形勢。12月22日08：00，北支槽位于40°N以北,南支槽較為平淺,中緯度 30°～40°N地區(qū)環(huán)流較平直，高度槽和溫度槽基本重合，無明顯冷空氣；20：00(圖1a)，濮陽位于500、700 hPa短波槽前的西南氣流中，38°N以北有弱冷空氣擴散南下。23日08:00 500 hPa受弱的西西北氣流控制，20：00濮陽處在40°N以南小槽前的西南氣流中(圖1b)。24—25日，500 hPa受弱脊前的西北氣流控制；25日，隨著環(huán)流經向度的加大，在較強西北氣流作用下，能見度逐漸轉好，維持多日的霧霾天氣結束。

圖1 2015年12月22日20：00(a)和23日20：00(b)500 hPa環(huán)流形勢Fig.1 500 hPa circulation situation at 20:00 on December 22(a) and 20:00 on December 23 (b) in 2015

2.2.2 850 hPa環(huán)流形勢。22日08：00(圖2a)，低槽位于40°N以北，太原到邢臺有一切變線，鄭州、南陽、徐州、阜陽和濟南之間有一低渦切變線，濮陽處于低渦切變線北部；20：00(圖2b)，河套地區(qū)有一弱高壓環(huán)流生成，低渦南壓，切變線東南移，濮陽處在弱高壓前部、低渦北側，并受弱切變影響。23日08:00(圖2c)，濮陽處在弱高壓前的偏北氣流中，中低空下沉氣流的存在有助于近地層的弱風條件和穩(wěn)定層結的建立[5]，在靜穩(wěn)天氣背景下，受弱冷空氣與西南暖濕氣流共同作用，濮陽全區(qū)出現(xiàn)強濃霧天氣；20：00(圖2d)，在我國西北部有一閉合高壓，鄭州、阜陽、徐州有一氣旋式渦旋，濮陽受高壓前部偏北氣流與渦旋北部的東南氣流共同影響，再加上不斷加強的西南低空急流向霧區(qū)輸送水汽，有利于逆溫層頂抬升，濕層增厚，因而濮陽地區(qū)的濃霧天氣維持。24—25日，西北地區(qū)的高壓東南移，濮陽受高壓前部偏北氣流控制。此外，22日20：00—24日08：00河套地區(qū)有一冷槽，濮陽基本處在-4～0 ℃溫度線，受弱的冷暖平流交替影響。24日20：00—25日08：00溫度槽東移，25日08：00溫度0 ℃線已東南壓至長江以南地區(qū)，而河套及以西地區(qū)有溫度脊發(fā)展，即在此時段，濮陽逐漸轉受暖性的偏西氣流影響，隨著溫度升高、濕度減小，持續(xù)多日的霧霾天氣趨于結束。

注：a.22日08：00；b.22日20：00；c.23日08:00；d.23日20：00。Note:a.08:00 on December 22; b.20:00 on December 22; c.08:00 on December 23; d.20:00 on December 23.圖2 2015年12月22—23日850 hPa環(huán)流形勢Fig.2 850 hPa circulation situation during December 22-23 in 2015

2.2.3 地面形勢。22日08：00，冷高壓中心位于貝加爾湖西南部(96.4°E、49.8°N)，濮陽處在鞍型場南部的低壓倒槽中；20：00濮陽處在倒槽后部、冷鋒前的均壓場中(圖3a)；23日08：00濮陽位于鋒面附近(圖3b),冷高壓在東移南壓過程中，于24日08：00分裂成2個高壓(圖3c)，一個位于我國西北部，一個位于蒙古國中部，由于冷高壓主體偏西偏北，一直到24日20:00，濮陽處在高壓前部的均壓場中。 24日05：00，由于在貝加爾湖西部有暖空氣切入，08：00在蒙古國西部有一弱低壓環(huán)流生成，隨著暖空氣的南壓，暖低壓不斷加強東南伸，受暖空氣影響，冷空氣勢力有所減弱；20：00，低壓帶已南壓至內蒙古中北部，而位于蒙古國的冷高壓在南壓至內蒙古中東部時變性減弱。25日08：00(圖3d)，西北地區(qū)高壓帶已東南伸至東南沿海地區(qū)，華北平原大部受暖低壓控制，濮陽處在暖低壓南部、東南伸高壓北側的偏西氣流中；11：00前后，受南壓暖空氣和西路冷空氣共同影響，濮陽地區(qū)氣壓梯度加大，地面風力加大，持續(xù)多日的霧霾天氣結束。

注：a.22日20：00；b.23日08：00；c.24日08:00；d.25日08：00。黃色區(qū)域為霧區(qū)。Note:a.20:00 on December 22; b.08:00 on December 23; c.08:00 on December 24; d.08:00 on December 25.Yellow area was fog area.圖3 2015年12月22—25日地面形勢Fig.3 Ground situation during December 22-25 in 2015

3 地面氣象要素特征分析

濮陽是此次嚴重霧霾天氣過程中重點影響地區(qū)之一，12月22日17：00—25日10：00濮陽大部分地區(qū)能見度一直維持在3.0 km以下，尤其是小于1.0 km的低能見度階段從22日晚一直持續(xù)到25日白天，累計持續(xù)時間達60 h左右。分析此次持續(xù)性霧霾過程中濮陽地區(qū)逐時能見度變化發(fā)現(xiàn)，嚴重霧霾過程從23日00：00前后開始，到08：00濮陽全區(qū)均出現(xiàn)能見度<50 m的強濃霧天氣，午后能見度稍有好轉，但大部分地區(qū)能見度仍在500 m以下，24日午后全區(qū)除濮陽縣能見度上升至1 km上下，其他地區(qū)維持在600 m以下，到20：00時，出現(xiàn)能見度<200 m區(qū)域性濃霧天氣，部分縣區(qū)不足50 m;25日08:00加強為強濃霧，09:00以后自西向東能見度逐漸轉好，12:00前后，能見距離明顯加大，除偏東的臺前縣在傍晚到夜里出現(xiàn)短時大霧，全市大部分地區(qū)大霧天氣趨于結束。

由圖4可見,此次過程期間，地面氣壓呈現(xiàn)先升后降多次交替出現(xiàn)，且一直維持一個較小的梯度變化；相對濕度與能見度和氣溫呈一致的反相位變化關系，能見度降至最低時，相對濕度最高,氣溫最低；PM2.5濃度整體呈先升高后降低的變化特點，且保持在100 μg/m3以上，在過程前期濃度持續(xù)升高，23日17:00達730 μg/m3的最大值，之后，PM2.5濃度隨著霧霾的消散而迅速減小。在此次過程中地面平均風速偏小，僅1 m/s左右，過程風速持續(xù)穩(wěn)定在0.1～2.9 m/s，為此次霧霾天氣過程的持續(xù)穩(wěn)定提供了有利條件。綜合各地面氣象要素隨時間的變化特征表明，在持續(xù)較低氣壓和較小地面風速的大背景下，PM2.5濃度穩(wěn)定升高，相對濕度>70%,以及入夜后氣溫降低而相對濕度增大的地面氣象條件，是此次嚴重霧霾天氣產生和維持的重要原因。

圖4 2015年12月22—25日濮陽站主要氣象要素與PM2.5濃度逐時變化Fig.4 Main meteorological elements and PM2.5 concentration by time change in Puyang station during December 22-25 in 2015

4 嚴重霧霾維持機制分析

4.1 近地層水汽特征 由圖3可見，這次嚴重的霧霾過程開始前到結束長江以南及濮陽東部地區(qū)有連續(xù)降水過程，由于地面濕度大，在偏南與偏東氣流作用下，濕區(qū)不斷向霧區(qū)輸送水汽，加上地面弱冷空氣影響，濮陽出現(xiàn)持續(xù)的霧霾天氣。分析探空資料發(fā)現(xiàn)，1 000 hPa 22日20：00—25日08：00 T-Td值呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，即在22日20：00開始減小，霧霾持續(xù)期間T-Td為1～3 ℃，24日20：00以后逐漸增大，到25日08：00達15 ℃以上。說明霧霾期間近地層一直維持淺薄濕層，隨著濕層的減弱消失，霧霾天氣結束。

4.2 邊界層逆溫特征 從圖5可以看出 ，濮陽嚴重霧霾形成前(22日20：00)，邢臺站和鄭州站在3 000 m上下均出現(xiàn)了強度分別為7 ℃/30 hPa、6 ℃/10 hPa的逆溫層結，并在逆溫層下有較厚的等溫層存在，說明中低空溫度層結比較穩(wěn)定，為濮陽后期大霧的形成和加強奠定了好的基礎[6]。隨著夜間輻射降溫和平流降溫的共同作用，23日00：00左右，濮陽全區(qū)已由輕霧加強為霧，能見度逐漸降低，06：00前后濮陽全區(qū)均出現(xiàn)能見度<50 m的強濃霧天氣。08:00,邢臺站出現(xiàn)4 ℃/75 hPa和3 ℃/20 hPa的雙層逆溫，鄭州站出現(xiàn)強度為2 ℃/25 hPa、1 ℃/35 hPa、3 ℃/50 hPa的3層逆溫結構，逆溫的穩(wěn)定層結使水汽抑制在低層不易向上擴散，利于霧的形成和發(fā)展維持，也為霧形成后暴發(fā)性加強提供了很好的條件[7]。在這次霧霾天氣過程中，逆溫層厚度雖然有所變化，但一直伴隨霧霾的存在，在多層逆溫出現(xiàn)時段濃霧達最強，且逆溫厚度也最大，逆溫層的長時間存在是這次嚴重霧霾天氣得以維持近60 h的重要因素。另外，通過對比發(fā)現(xiàn)，這次霧霾發(fā)展過程中，23日08：00起，霧頂高度開始不斷下降，與逆溫層頂高度變化有很好的對應關系。在霧霾發(fā)展、維持過程中，200 m以下霧層內平均風速一般不大于4 m/s，說明適當?shù)奈L有利于霧霾的形成和發(fā)展。當較大風速由霧頂向近地面滲透時，穩(wěn)定層結被破壞，大霧天氣結束。

4.3 地形作用 濮陽市位于河南省東北部、華北平原南部，冬季影響華北的冷空氣以西北或偏西路徑為主，由于群峰林立的燕山和太行山半環(huán)抱華北平原，對西北或西來的冷空氣起阻擋和削弱作用[8]。濮陽在這次嚴重霧霾天氣過程中，受地形作用，冷空氣分股擴散南下，造成等壓線西北梯度大、東南梯度小(圖3)。華北平原從22日開始到25日始終處于弱氣壓場控制下，易出現(xiàn)靜穩(wěn)形勢，有利于霧霾天氣出現(xiàn)。從12月22—25日850 hPa平均風場(圖6)可以看出，華北大部受西北、偏西氣流控制，冷空氣越過近似南北走向的太行山，下沉增溫，有利于平原地區(qū)逆溫層的維持或加強，這也是導致濮陽地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)多日嚴重霧霾天氣的原因之一。

4.4 大氣污染狀況 能見度下降和持續(xù)性污染與PM2.5和PM10濃度增長有關[9]。由圖7可見，濮陽嚴重霧霾過程中PM2.5和PM10濃度增長時段與能見度降低時段基本一致。受前期冷空氣勢力偏弱、持續(xù)無降水、空氣污染擴散氣象條件差等影響，濮陽已有6 d左右輕霧、霧、霾天氣交替出現(xiàn)，特別是在12月23日05:00—24日22：00， PM10、PM2.5濃度分別在500和230 μg/m3以上，根據空氣質量指數(shù)劃分標準，此時段內為重度污染或嚴重污染天氣，尤其在23日12:00—20：00 PM10濃度>1 000 μg/m3，PM2.5濃度>600 μg/m3，且在17:00 PM10、PM2.5均達最大值，濃度分別為1 357、730 μg/m3，這也是濮陽地區(qū)出現(xiàn)嚴重霧霾天氣的原因之一。25日10：00以后，濮陽地區(qū)受華北暖低壓和西路冷空氣的共同影響，地面風力加大，大風將低層的污染物清除，PM2.5和PM10濃度迅速下降，能見度轉好，霧霾天氣結束。

5 小結

(1)霧霾期間高空以緯向環(huán)流為主，無明顯冷空氣影響。中低空下沉氣流的存在有助于近地層的弱風條件和穩(wěn)定層結的建立，中低層弱的冷暖平流的交替出現(xiàn)以及持續(xù)穩(wěn)定的地面均壓場分布，為此次嚴重霧霾天氣發(fā)生、發(fā)展、維持提供了有利的環(huán)流形勢。

(2)地面氣象要素變化特征表明，在持續(xù)較低氣壓和較小地面風速的大背景下，PM2.5濃度穩(wěn)定升高、相對濕度>70%以及入夜后氣溫降低而相對濕度增大的地面氣象條件，是此次嚴重霧霾天氣過程產生和維持的主要原因。

(3)邊界層逆溫的長時間存在及近地層淺薄濕層維持，是這次嚴重霧霾天氣得以維持近60 h的重要原因，霧頂高度與逆溫層頂?shù)母叨茸兓泻芎玫膶P系，對霧霾天氣的形成、發(fā)展、維持、消散預報具有較好的指示意義。

注：a1、b1為邢臺站；a2、b2為鄭州站。Note:a1,b1.Xingtai station;a2,b2.Zhengzhou station.圖5 2015年12月22日20：00(a)和23日08：00(b)邢臺站與鄭州站T-logPFig.5 Xingtai station and Zhengzhou station T-logP at 20:00 on December 22(a) and 08:00 on December 23 (b) in 2015

圖6 2015年12月22—25日850 hPa平均風場Fig.6 850 hPa average wind farm during December 22-25 in 2015

圖7 2015年12月22—25日濮陽霧霾期間能見度與PM2.5和PM10濃度變化Fig.7 Visibility and PM2.5 and PM10 concentration change during the fog and haze period in Puyang on December 22-25 in 2015

(4)受地形阻擋作用，冷空氣在東移南下過程中，分股擴散南下，造成華北平原大部氣壓梯度小。冷空氣越過太行山，下沉增溫，有利于平原地區(qū)逆溫層的維持或加強。這也是導致嚴重霧霾天氣持續(xù)多日的主要原因。

(5)能見度下降和持續(xù)性污染與PM2.5和PM10濃度增長有關，較大的PM2.5、PM10值的同時出現(xiàn)和長時間維持是導致嚴重霧霾天氣的又一原因。

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Cause Analysis of aSerious Fog and Haze Weather in Puyang City of Henan Province

XU Qing-e

(Puyang Meteorological Bureau,Puyang,Henan 457000)

Using conventional meteorological data, ground automatic station data and atmospheric environmental monitoring data, the cause of a serious fog and haze weather in Puyang during December 23-25 in 2015 were analyzed from the synoptic situation,surface meteorological factors change and maintaining mechanism.The results showed that the high altitude zonal circulation was dominant in the fog and haze period, and the influence of the cold air was not obvious. In the middle and lower layer the downdraft had contributed to the formation of weak wind conditions near and the establishment of stable stratification.The alternation of cold and warm advection in the middle and lower layers and the stable ground pressure distribution provided a favorable circulation for the severe fog and haze weather.The PM2.5concentration increased steadily in the background of a persistent lower air pressure and small ground wind speed, and the ground meteorological conditions that the temperature decreasedd and relative humidity increased, which was the main reason for the production and maintenance of the severe fog and haze weather process. Long time boundary layer inversion was an important cause of the severe fog and haze weather keeping nearly 60 h, the fog top height and the change of inversion layer top had a good corresponding relationship which had well indication significance to the formation, development, maintenance and dissipation of the fog and haze weather.Under the terrain blocking effect,in the process of cold air moving to the southeast, the pressure gradient in plain of North China was small because of the split southward cold air. Decreased visibility and persistent pollution were related to the growth of PM2.5and PM10concentrations, the higher PM2.5and PM10values appear at the same time and long time maintenance was another reason lead to severe fog and haze weather.

Serious fog and haze weather;Synoptic situation;Surface meteorological factors;Boundary layer inversion; PM2.5and PM10concentration

許慶娥(1963-)，女，河南安陽人，工程師，從事短期、短時天氣預報及災害性天氣預報研究。

2016-11-01

S 16

A

0517-6611(2016)34-0183-05