齊海超，張桂華，齊 鐸，曲成軍

（1.黑龍江省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱150030；2.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150030）

探空觀測資料歷史序列長、垂直層次多，是高空大氣信息的可靠來源，但在局地性較強(qiáng)的天氣過程，如霧、霾及強(qiáng)對流天氣的分析中探空資料的時空分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。探空資料一般常作為再分析資料及遙感資料適用性的評估標(biāo)準(zhǔn)。遙感資料空間覆蓋率高，但時間序列較短，且要素一般需要經(jīng)過反演處理，才能進(jìn)行對比應(yīng)用。隨著資料同化技術(shù)的提高，大氣再分析資料兼具遙感觀測資料覆蓋面廣的特點(diǎn)及探空資料時間序列長的優(yōu)勢，成為科學(xué)研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用的主要選擇。再分析資料來源于同化多種常規(guī)及非常規(guī)觀測的數(shù)值模式背景場資料，數(shù)值模式、同化方法及觀測3 方面的誤差都能成為再分析資料誤差的來源[1-5]。因此，使用再分析資料做統(tǒng)計(jì)和診斷研究前，有必要對其描述大氣真實(shí)狀態(tài)準(zhǔn)確程度的能力進(jìn)行對比評估。

對于NCEP 再分析資料的不同要素在東亞和中國區(qū)域的適用性評估已有不少研究。風(fēng)場方面，施曉輝等[6]對NCEP/NCAR 資料在中國區(qū)域高空風(fēng)速場可信度進(jìn)行評估中發(fā)現(xiàn)，東部地區(qū)可信度高于西部。趙佳瑩等[7]對NCEP/NCAR、ERA 以及MERRA 三種再分析資料在中國地區(qū)的表現(xiàn)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，NCEP/NCAR 適用性較好，特別是在對流層中、低層表現(xiàn)最好。溫度方面，趙天保等[8-9]在研究中發(fā)現(xiàn)NCEP 再分析資料能夠反映中國區(qū)域溫度場時空分布特征，特別是在東部地區(qū)可信度更高，再分析資料的月平均溫度略低于實(shí)況觀測，夏季和年平均與實(shí)況基本一致，冬季差距相對較大。支星等[10]對溫度再分析資料的表現(xiàn)進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn)，溫度再分析資料在中國東北地區(qū)對流層低層表現(xiàn)好于高層。郭艷君等[11]對多種再分析資料中的氣溫與探空資料對比分析發(fā)現(xiàn)，多種再分析資料的氣溫在對流層表現(xiàn)為普遍偏低的特點(diǎn)。對濕度場的相關(guān)研究表明中國區(qū)域再分析資料的比濕和相對濕度較探空資料普遍偏高，且隨高度增加偏差增大，其中春秋季偏差較夏季顯著，不同的再分析資料之間的差異很小，評估結(jié)論基本一致[12-13]。位勢高度場的研究表明再分析資料的位勢高度場在數(shù)值上普遍低于探空資料，NCEP/NCAR資料與探空資料更為接近，500 hPa 與850 hPa 上再分析資料與探空資料差異較小，特別是20 世紀(jì)70年代以后，NCEP/NCAR 資料在中國北方地區(qū)表現(xiàn)更好[14-16]。

對于再分析資料適用性的研究，主要在氣候尺度上探討其在長期變化趨勢的表現(xiàn)，對在天氣尺度上的表現(xiàn)分析的不多。黑龍江省地處東北高緯度地區(qū)，21 世紀(jì)以來，霾有加重的趨勢。對邊界層氣象條件的分析是預(yù)報(bào)霾發(fā)生與否的關(guān)鍵[17-25]。過去的分析主要依賴于探空資料，但黑龍江省探空站點(diǎn)稀疏，全省僅有4 個探空站。霾的局地性較強(qiáng)，資料空間分辨率不足嚴(yán)重制約著相關(guān)的研究和業(yè)務(wù)的開展。再分析資料在時空分辨率上能夠彌補(bǔ)探空資料不足的缺陷，但是再分析資料可靠與否，通過再分析資料得到的環(huán)境氣象條件與探空資料得到的結(jié)果是否一致，還有待于討論。因此，本文對比2000—2014 年黑龍江省內(nèi)霾過程對應(yīng)探空資料和NCEP 再分析資料統(tǒng)計(jì)的環(huán)境氣象條件，在了解霾發(fā)生環(huán)境氣象條件特點(diǎn)的同時，討論再分析資料的代表性。

1 資料和方法

霾的選擇標(biāo)準(zhǔn)為，天氣現(xiàn)象觀測記錄為霧、霾或煙幕，能見度低于10 km，相對濕度低于80%的站點(diǎn)觀測記錄。

選取2000—2014 年黑龍江省有高空觀測的嫩江（50557）、齊齊哈爾（50745）、伊春（50774）、哈爾濱（50953）等4 個代表站的02、08、14 時以及20 時地面觀測資料及08 時高空觀測資料，對霾發(fā)生時的能見度及當(dāng)天08 時的500 hPa 與850 hPa 水平風(fēng)垂直切變、近地面風(fēng)速、850 hPa 與1000 hPa 假相當(dāng)位溫垂直差、K 指數(shù)、A 指數(shù)、逆溫強(qiáng)度、混合層高度、理查森數(shù)Ri、擴(kuò)散系數(shù)等環(huán)境指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

將探空觀測算得的氣象指標(biāo)與NECP 1°×1°分辨率的FNL 逐6 h 再分析資料在相應(yīng)站點(diǎn)位置統(tǒng)計(jì)的氣象指標(biāo)進(jìn)行對比，分析再分析資料的可靠性和代表性，考察用再分析資料替代站點(diǎn)觀測資料的可行性。因此，對于環(huán)境指數(shù)的統(tǒng)計(jì)同時采用NECP的FNL 逐6 h 再分析資料進(jìn)行計(jì)算。

2 黑龍江省霾氣象條件分析

對2000—2014 年各代表站在霾發(fā)生時的多個氣象條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與霾發(fā)生時的能見度進(jìn)行相關(guān)， 選擇其中相關(guān)程度超過90%置信度檢驗(yàn)的500 hPa 與850 hPa 水平風(fēng)垂直切變（以下簡稱“風(fēng)切變”）、A 指數(shù)、K 指數(shù)、850 hPa 與925 hPa 假相當(dāng)位溫垂直差、逆溫強(qiáng)度、混合層高度、理查森數(shù)Ri、擴(kuò)散系數(shù)、近地面風(fēng)速等9 個環(huán)境參數(shù)進(jìn)一步分析，并統(tǒng)計(jì)得到各站霾發(fā)生時各環(huán)境參數(shù)的相應(yīng)閾值。其中，近地層風(fēng)速、風(fēng)切變是與動力條件有關(guān)的參數(shù)，理查森數(shù)Ri 和擴(kuò)散系數(shù)是動力、熱力綜合參數(shù)，而其他的指數(shù)均代表與熱力性質(zhì)有關(guān)的環(huán)境參數(shù)。同時，將站點(diǎn)探空觀測參數(shù)與再分析資料計(jì)算的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對比，分析再分析資料的代表性。

2.1 動力條件

對動力因子與能見度求相關(guān)，無論是再分析資料還是站點(diǎn)觀測資料，計(jì)算得到的風(fēng)切變、近地面風(fēng)速與能見度均表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)，分別通過0.1和0.05 的顯著性水平檢驗(yàn)。從風(fēng)切變的分布（圖1a）可知，90%的霾都發(fā)生在風(fēng)切變低于21～24 m/s 的情況下。

從霾發(fā)生時各站近地面風(fēng)速分布看（圖1b），各站的風(fēng)速都＜6 m/s，其中嫩江、伊春、哈爾濱3 站有90%的霾個例都發(fā)生在地面風(fēng)速≤3 m/s 的條件下。

圖1 2000—2014 年黑龍江省代表站霾發(fā)生時動力條件分布的箱線圖

從風(fēng)切變和近地面風(fēng)速分布特點(diǎn)上看，動力因子的分布表現(xiàn)頻數(shù)分布高峰向低值一側(cè)偏移，動力因子值較低的范圍霾發(fā)生次數(shù)更多。從2 個因子的再分析資料和站點(diǎn)觀測資料實(shí)際分布可知，2 種資料的分布范圍基本一致。特別是風(fēng)切變，90%、50%、10%及最小值幾乎完全一致，近地面風(fēng)速中除齊齊哈爾站90%分位值中站點(diǎn)資料風(fēng)速值為9 m/s，再分析資料為6.4 m/s，偏差略大以外，其他幾乎保持一致。另外，計(jì)算了2 種資料的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都能通過0.01 以上的顯著性水平檢驗(yàn)。因此，對于動力因子而言，再分析資料完全能代替站點(diǎn)觀測資料進(jìn)行分析。

2.2 熱力條件

大氣動力因子與污染物的水平擴(kuò)散關(guān)系密切，影響霾的產(chǎn)生與維持，而熱力因子表征大氣穩(wěn)定度，影響污染物在垂直方向的輸送，本節(jié)重點(diǎn)分析熱力因子在霾生消中的作用。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果上看，K 指數(shù)和A 指數(shù)與能見度表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)能通過0.1 的顯著性水平檢驗(yàn)。這種相關(guān)關(guān)系表明，穩(wěn)定度越高，越容易有能見度較低的霾發(fā)生。根據(jù)K指數(shù)和A 指數(shù)閾值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖2a、2b），90%的霾發(fā)生在K 指數(shù)＜30 ℃、A 指數(shù)＜20 ℃這個范圍內(nèi)，這2 個穩(wěn)定度范圍一般低于對流天氣發(fā)生的閾值范圍。逆溫強(qiáng)度與假相當(dāng)位溫差與能見度之間表現(xiàn)為，顯著性水平超過0.01 和0.1 的顯著負(fù)相關(guān)。即逆溫越強(qiáng)、假相當(dāng)位溫差越大，能見度越低，霾越重。因此，根據(jù)二者的閾值（圖2c、2d），考慮在低層逆溫強(qiáng)度＞-0.9 ℃/100 m、假相當(dāng)位溫差＞-2 ℃的情況下有利于霾的發(fā)生。從混合層高度的統(tǒng)計(jì)上看（圖2e），霾發(fā)生時混合層高度幾乎都在1000 m 以下。從混合層高度與能見度的關(guān)系上看，二者表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（顯著性水平高于0.05），混合層高度越低越不利于污染物擴(kuò)散，有利于霾維持。

圖2 2000—2014 年黑龍江省代表站霾發(fā)生時熱力條件分布的箱線圖

從再分析資料和探空資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果對比上看，2 種不同資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果差別不大，特別是逆溫強(qiáng)度和混合層高度，分布特征幾乎完全一致，兩種資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果間的相關(guān)系數(shù)也都超過0.001 的顯著性水平檢驗(yàn)。另外，K 指數(shù)、A 指數(shù)以及假相當(dāng)位溫差的各個分位值的差別也都很小，特別是后面閾值統(tǒng)計(jì)中用到的K 指數(shù)的90%分位值、A 指數(shù)的90%分位值以及假相當(dāng)位溫差的10%分位值，探空統(tǒng)計(jì)與再分析資料的結(jié)果都一致，兩資料之間的相關(guān)系數(shù)的置信度也高于99.9%。因此，再分析資料能很好的表征代表站的熱力條件分布特點(diǎn)。

2.3 動力、熱力綜合條件

擴(kuò)散系數(shù)與理查森數(shù)這兩個綜合指數(shù)與能見度的相關(guān)關(guān)系同樣顯著。

擴(kuò)散系數(shù)是混合層高度與地表風(fēng)速的簡單乘積，和二者各自與能見度的關(guān)系基本相同，都是擴(kuò)散系數(shù)越低越有利于霾的維持（圖3a）。

理查森數(shù)與能見度的關(guān)系能通過0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)，且表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，理查森數(shù)越大，大氣的動力和熱力綜合穩(wěn)定程度越高。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)＞0.25 時則表示大氣穩(wěn)定，不利于垂直擴(kuò)散混合[26]。從Ri 的閾值分析結(jié)果上看（圖3b），4 個代表站在霾發(fā)生時，其Ri 指數(shù)大多在0.3 以上，不利于污染物的垂直擴(kuò)散，有利于霾產(chǎn)生和維持。

圖3 2000—2014 年黑龍江省代表站霾發(fā)生時動力、熱力綜合條件分布的箱線圖

從2 種資料的分布特點(diǎn)上看，探空資料和再分析資料的結(jié)果至少有90%以上是比較一致的，極端值的偏差大多也在30%以下。2 種資料計(jì)算結(jié)果間的相關(guān)系數(shù)也很高，能通過0.001 的顯著性水平檢驗(yàn)。因此，用再分析資料代替探空資料，對于動力、熱力混合條件的分析也是比較可行的。

3 霾環(huán)境參數(shù)閾值

根據(jù)各個參數(shù)與能見度的關(guān)系及其對霾生消的影響，去掉10%分位的極端值，得到東北高緯度地區(qū)霾發(fā)生時幾個環(huán)境參數(shù)的最可能閾值見表1。

表1 2000—2014 年黑龍江省代表站霾發(fā)生時環(huán)境參數(shù)閾值

風(fēng)切變＜21 m/s，地表風(fēng)速＞6 m/s， 理查森數(shù)＞0.3，逆溫強(qiáng)度＞-0.9 ℃/100 m，假相當(dāng)位溫垂直差＞-3 K，混合層高度低于1000 m 的穩(wěn)定大氣背景下有利于東北高緯度地區(qū)霾的產(chǎn)生與維持。

4 結(jié)論

利用NECP 的FNL 逐6 h 再分析資料和黑龍江省嫩江、齊齊哈爾、伊春和哈爾濱等4 個代表站的觀測資料，對2000—2014 年霾發(fā)生的典型氣象條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及對比。得到以下結(jié)論：

（1）對霾發(fā)生時有關(guān)氣象條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇與能見度相關(guān)程度超過90%置信度檢驗(yàn)的9 個環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：風(fēng)切變＜21 m/s，地表風(fēng)速在6 m/s 以下，理查森數(shù)＞0.3，逆溫強(qiáng)度＞-0.9 ℃/100 m，假相當(dāng)位溫垂直差＞-3 K，混合層高度低于1000 m，K 指數(shù)和A 指數(shù)低于對流天氣發(fā)生時的經(jīng)驗(yàn)閾值的情況下，大氣垂直和水平方向都不利于污染物擴(kuò)散，有利于霾的產(chǎn)生與維持。

（2）在統(tǒng)計(jì)霾的氣象條件分布特征的同時，對比站點(diǎn)資料與再分析資料之間的差異。兩種資料對應(yīng)各要素在極端值以外的分布基本一致，其中逆溫指數(shù)、理查森數(shù)、混合層高度、擴(kuò)散系數(shù)在所有分位上都保持一致，一致度最高。另外，從相關(guān)系數(shù)分析上可以看出，9 個指數(shù)用兩種資料計(jì)算結(jié)果的相關(guān)關(guān)系都能通過0.001 以上的顯著性水平檢驗(yàn)。再分析資料可以代替站點(diǎn)觀測資料進(jìn)行環(huán)境參數(shù)分布和閾值的統(tǒng)計(jì)分析。

通過對探空資料和再分析資料的分析，對不同等級霾發(fā)生時主要環(huán)境條件的閾值范圍有一定的認(rèn)識和了解，為進(jìn)一步對霾進(jìn)行客觀預(yù)報(bào)提供了一定的參考依據(jù)。但是統(tǒng)計(jì)結(jié)果中仍存在很多的問題：環(huán)境條件對于霾生消的具體影響仍不明確，其中哪些環(huán)境指數(shù)是主導(dǎo)因素還有待于進(jìn)一步研究。下一步打算針對上述問題展開具體的分析和研究，通過診斷分析和模式模擬進(jìn)一步了解環(huán)境條件對于霾生消的作用機(jī)理。