朱麗 張慶池 王琴 劉俊

(1 江蘇省泰州市氣象局，泰州 225300；2 中國氣象局交通氣象重點開放實驗室，南京 210008；3 江蘇省徐州市氣象局，徐州 672700)

引言

霧是指近地層空氣中懸浮的無數(shù)小水滴或小冰晶造成水平能見度不足1 km的天氣現(xiàn)象，霾是大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地懸浮在空中，使水平能見度小于10 km的空氣普遍混濁的現(xiàn)象[1-2]。霧和霾常在冬季相伴發(fā)生或轉(zhuǎn)換[3]，且持續(xù)時間較長，影響交通出行和人類身體健康?？梢?，進一步加強霧、霾過程的機理研究，提高霧和霾災(zāi)害的預(yù)報、預(yù)警能力，對保障國民經(jīng)濟平穩(wěn)運行和人民生命財產(chǎn)安全有著十分重要的現(xiàn)實意義[4]。

目前已有一些學(xué)者對霧和霾的成因做了大量的分析，研究表明適當(dāng)?shù)沫h(huán)流背景、穩(wěn)定的大氣層結(jié)、適當(dāng)?shù)臐穸?、風(fēng)速等是霧和霾形成或加強的重要條件[5-9]。曹偉華等[10]分析2009年北京一次持續(xù)霧霾過程指出，污染物濃度是影響能見度的主要因子，但當(dāng)能見度小于1 km時，能見度變化更多受相對濕度影響。廖曉農(nóng)等[2]分析指出北京不同季節(jié)形成霧-霾的氣象條件不同。冬季弱的冷空氣﹑邊界層上層的冷平流和氣流過山下沉增溫有利于霧霾的維持；夏季氣溶膠的區(qū)域輸送﹑強的對流抑制﹑大的相對濕度是霧霾產(chǎn)生和維持的重要原因。劉梅等[11]對2013年1月江蘇持續(xù)霧霾的原因和13—14日大霧的形成機制分析指出，中高緯環(huán)流平直、地面冷高壓主體偏北是霧-霾持續(xù)的有利環(huán)流背景；近地面相對濕度大于85%，偏東風(fēng)小于3 m·s-1，地面輻射降溫和弱冷平流有利于霧霾持續(xù)并加強。張靜等[12]分析2013年12月江蘇一次霧霾持續(xù)原因發(fā)現(xiàn)，弱冷空氣加強了近地層逆溫，同時有利于上游污染物向本地輸送，使霧-霾持續(xù)。夏凡和李昌義[7]利用模式對山東地區(qū)25次大霧個例進行預(yù)報試驗發(fā)現(xiàn)，能見度對相對濕度的預(yù)報誤差更敏感。此外，有研究指出秸稈焚燒，城市熱島，局地的地理環(huán)境因素，也有利于霧和霾的形成或加強[13-18]。

盡管關(guān)于霧和霧霾的預(yù)報已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，但影響霧霾的因子較多，不同因子對霧-霾的形成影響程度不同，當(dāng)形成霧或霧霾的動力、熱力條件配合的不好時，預(yù)報具有一定的難度。江蘇泰州地處長江中下游，地勢平坦，水網(wǎng)密布，秋冬季霧或霧-霾頻發(fā)[19-20]。目前關(guān)于泰州地區(qū)霧或霧-霾的分析較少，因此本文選取了工作中一次具有預(yù)報難度的個例進行研究。2020年1月12至15日泰州地區(qū)出現(xiàn)了一次持續(xù)的強霧-霾過程，與一般性的霧-霾過程不同的是此次近地層逆溫并不明顯，但強濃霧期間最小能見度低于50 m。因此本文針對此次過程霧-霾的演變特征，大氣環(huán)流形勢和形成原因進行了分析總結(jié)，以提升對本地霧-霾天氣的預(yù)報和預(yù)警能力。

1 資料與方法

本文采用的資料主要包括NCEP 1°×1°逐6 h的全球再分析資料，江蘇省地面常規(guī)觀測站逐分鐘、逐10 min的能見度資料和逐小時的風(fēng)、溫、海平面氣壓等氣象要素資料，泰州環(huán)境監(jiān)測站提供的空氣質(zhì)量指數(shù)和環(huán)境監(jiān)測資料，美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)的全球同化系統(tǒng)(GDAS)資料[21]等。其中GDAS資料主要用于HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory)后向軌跡模式計算氣團后向軌跡的氣象場資料。

2 霧霾實況分析

2020年1月12—15日白天江蘇全省大部分地區(qū)都經(jīng)歷了一次持續(xù)時間較長的霧-霾天氣過程，此次過程一個明顯的特點是霧和霾現(xiàn)象交替。泰州地區(qū)12日早晨、12日夜里至13日早晨、13日夜里至14日早晨均出現(xiàn)了大霧天氣(圖1)，其中12日夜里至13日早晨出現(xiàn)了強濃霧天氣，持續(xù)時間長達(dá)18 h。分析泰州市5個觀測站能見度的逐日最小能見度(圖2)可見，12日泰州站的能見度最低，達(dá)48 m，出現(xiàn)在22：27。13日早晨，全市大部分地區(qū)能見度在50 m以下，泰州站僅37 m，興化站38 m，姜堰站34 m。14日凌晨，泰州市能見度較13日有所升高，但依舊小于1000 m，局部小于500 m，最低能見度出現(xiàn)在泰州站，為377 m，出現(xiàn)時間為00：33。15日早晨泰州市能見度均在1000 m以上，興化站能見度最低，為1143 m。白天，隨著氣溫升高，相對濕度減小，大霧消散，全市大氣混濁，霧過程轉(zhuǎn)為霾過程，12—14日霾過程期間能見度在2 km以內(nèi)，15日傍晚霾消散。

圖1 2020年1月12—15日泰州站逐10 min最小能見度

圖2 2020年1月12日(a),13日(b),14日(c),15日(d)江蘇省最小能見度

分析泰州市2020年1月11—15日的城市空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI，Air Quality Index)、PM2.5和PM10濃度的逐時演變特征(圖3)可見，空氣質(zhì)量指數(shù)隨時間總體呈現(xiàn)先上升，然后維持，最后下降的特征，期間具有多個峰值。11日白天泰州市的空氣質(zhì)量指數(shù)逐漸上升，至18：00全市開始出現(xiàn)輕度污染。12—14日白天為此次污染過程的主要影響時段，期間空氣質(zhì)量指數(shù)演變具有一定的日變化特征，即白天空氣質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，傍晚至次日清晨呈下降趨勢，白天空氣質(zhì)量指數(shù)大于夜晚，部分時刻達(dá)到重度污染，其中13日16：00為此次過程中污染程度最嚴(yán)重的時刻，空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)258。15日10：00后空氣質(zhì)量指數(shù)逐漸遞減，至18：00空氣質(zhì)量再次達(dá)優(yōu)，一次污染過程結(jié)束。

圖3 2020年1月12—15日泰州市AQI、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度逐時變化

分析環(huán)境站監(jiān)測的污染物質(zhì)量濃度演變特征可見，此次過程主要污染物為PM2.5和PM10。分指數(shù)計算結(jié)果表明，PM2.5為首要污染物。PM10與PM2.5的演變規(guī)律較為一致，11—12日白天開始上升，12日夜里至14日兩者的質(zhì)量濃度維持一個較高水平，15日逐漸下降至正常水平。PM2.5和PM10濃度的演變規(guī)律說明，此次的污染氣團中同時存在PM2.5和PM10，且氣團穩(wěn)定少動。

綜合能見度、空氣質(zhì)量指數(shù)、PM2.5和PM10濃度的演變特征分析可見，2020年1月12—15日為一次典型的霧-霾過程，且該次過程具有階段性特征[10]。由霧轉(zhuǎn)為霾后，PM2.5和PM10濃度、空氣質(zhì)量指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢，一般在18：00前后達(dá)到一天的最大值；由霾轉(zhuǎn)為霧后，PM2.5和PM10濃度、空氣質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。霾期間的PM2.5和PM10濃度、空氣質(zhì)量指數(shù)相較于霧期間略高一些，這與大霧期間造成的濕沉降有一定關(guān)系[22-23]。

3 成因分析

3.1 環(huán)流背景分析

從500 hPa環(huán)流形勢來看，2020年1月9—11日泰州市多受中緯度鋒區(qū)上的偏西氣流影響，鋒區(qū)上多短波活動，故多陰雨天氣，這為霧-霾的出現(xiàn)提供了較好的基礎(chǔ)濕度。12日08：00(圖4a)亞州上空高緯度地區(qū)為穩(wěn)定的兩槽一脊，脊位于貝加爾湖地區(qū)，槽位于西西伯利亞和鄂霍茨克海至我國東北一帶，鄂霍茨克海地區(qū)的槽未來將影響我市。中緯度地區(qū)為一長波槽脊，我市主要受長波槽后西北氣流控制。受高緯度地區(qū)脊前槽后冷平流的影響，鄂霍茨克海一帶的槽向南加深。至13日08：00(圖4b)，貝加爾湖處的脊已位于蒙古東部至我國東北北部一帶，鄂霍茨克海處的槽則壓在我國東北東部至華北北部，呈東北西南走向。脊處冷平流，未來脊將減弱南退，槽處無明顯溫度平流。至14日08：00(圖4c)，貝加爾湖脊崩潰，鄂霍茨克海槽底部與中緯度長波槽相接，槽向南加深至山東半島一帶。南北槽相接，加大了槽的經(jīng)向度，有利于引導(dǎo)高緯度冷空氣南下。由于我市主要受槽底影響，故冷空氣對我市的影響偏弱。至15日08：00(圖4d)，槽已移至日本海一帶，我市轉(zhuǎn)受短波槽影響。

圖4 2020年1月12日(a),13日(b),14日(c),15日(d)08:00 500 hPa風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)，位勢高度場(黑色等值線，單位：dagpm)，溫度場(紅色等值線，單位：℃)

從地面形勢圖上看，12日08：00(圖5a)阿爾泰山至薩彥嶺一帶有冷空氣堆積，形成冷高壓，冷高壓前部不斷有弱冷空氣向東北、華北地區(qū)擴散。華北至江淮一帶主要受均壓場控制，不利于本地污染物的擴散。結(jié)合全國空氣質(zhì)量指數(shù)分布圖來看，此時重污染區(qū)主要集中在華北西部和黃淮西部，江蘇地區(qū)為輕度污染(圖6a)。至13日20：00(圖5b)，阿爾泰至薩彥嶺一帶的冷高壓已分裂為兩個中心，中心位于內(nèi)蒙古河套地區(qū)的冷高壓前沿壓在華北南部，未來將影響我省。此時污染物仍主要集中在華北西部、黃淮、江淮地區(qū)和江南北部地區(qū)，污染程度均加重，大部分地區(qū)達(dá)重度污染和嚴(yán)重污染(圖6b)。大氣重污染區(qū)呈帶狀分布，基本與地面冷鋒前部均壓區(qū)相對應(yīng)，這與程念亮等(2013)[24]研究結(jié)論一致。盡管此時有弱冷空氣向南滲透，但由于冷空氣勢力弱，風(fēng)速小，不利于北方的污染氣團過境，導(dǎo)致霾過程持續(xù)[25]。14日14：00(圖5c)冷鋒壓在長江一帶，我市基本位于冷鋒后。黃淮和江淮地區(qū)污染程度減輕，轉(zhuǎn)為輕度污染，重污染地區(qū)集中在江蘇長江以南(圖6c)。對應(yīng)泰州市空氣質(zhì)量演變圖上，此時我市空氣污染指數(shù)明顯下降。這主要是由于此次過程期間，污染物聚集在鋒前，冷鋒過境后，污染氣團隨之過境。此外冷鋒過境伴隨較強的偏北風(fēng)，空氣擴散條件轉(zhuǎn)好，有利于本地污染物的擴散。15日08：00(圖5d)泰州市位于高壓底部，受弱冷空氣影響，全市降溫5～6 ℃。在近地面偏東風(fēng)的作用下，泰州市空氣質(zhì)量提升，加上20：00后降水的濕清除作用[26]，全市霾過程結(jié)束，江蘇東部沿海一帶空氣質(zhì)量基本上介于優(yōu)良之間(圖6d)。

圖5 2020年1月12日08：00(a),13日20：00(b),14日14：00(c)和15日08：00(d)海平面風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)，氣壓場(等值線，單位：hPa)

圖6 2020年1月12日08：00(a),13日20：00(b),14日14：00(c),15日20：00(d)AQI(Air Quality Index)空間分布(AQI：101～150為輕度污染，151～200為中度污染，201～300為重度污染，301～500為嚴(yán)重污染)

綜合以上分析可見，此次霧-霾過程發(fā)生在一次東路冷空氣來臨之前。霧-霾前期華北至江淮一帶長時間受冷高壓前的均壓場控制，使得污染物在華北至江淮一帶積累。由于江蘇一帶缺乏短波槽引導(dǎo)高緯度鋒區(qū)上的槽南下，泰州地區(qū)長期受均壓場控制，這為本地霧-霾的形成提供了有利的天氣形勢。

3.2 氣象要素分析

霧和霾主要集中在邊界層內(nèi)，因此850 hPa以下的溫度場、濕度場、風(fēng)場特征對霧和霾的發(fā)生、發(fā)展極為重要[27]。分析12—15日的2 m相對濕度(圖7a)發(fā)現(xiàn)，12日03：00—12：00，12日18：00至13日14：00，13日19：00至14日09：00泰州站的相對濕度均在90%以上，15日早晨僅個別時刻相對濕度大于90%，這與大霧出現(xiàn)時段基本對應(yīng)。大霧消散后，除14和15日中午前后外，泰州站的相對濕度仍可達(dá)80%以上。溫度露點差與相對濕度呈現(xiàn)較好的反相關(guān)關(guān)系，大霧出現(xiàn)時段，溫度露點差在0.5 ℃以內(nèi)。從10 m風(fēng)場上可以看出(圖7b)，風(fēng)速具有一定的日變化，白天風(fēng)速大于夜間。此外，大霧出現(xiàn)時段風(fēng)速均在1 m·s-1以內(nèi)，風(fēng)向以西到西北風(fēng)居多，其中13日全天的風(fēng)速均在1 m·s-1以內(nèi)。15日之后，風(fēng)速增大，最大可達(dá)4 m·s-1左右，風(fēng)向以東到東南風(fēng)為主。東到東南風(fēng)來自海洋，有利于從海洋輸送清潔大氣，并將江蘇的污染物向下游輸送。從地面氣壓的逐時演變圖來看(圖7c)，12、13日海平面氣壓有一定的日變化特征，14日海平面氣壓在日變化的基礎(chǔ)上疊加有升高的趨勢，這說明此時有冷空氣慢慢向我市滲透，冷空氣強度較弱。14日20：00至15日10：00海平面氣壓達(dá)到最大值并持續(xù)，這段時間與冷鋒過境相對應(yīng)，冷鋒后的冷高壓過境后，氣壓明顯下降。18：00起受弱天氣系統(tǒng)影響產(chǎn)生降水，海平面氣壓較為平穩(wěn)。

圖7 2020年1月12—15日泰州站氣象要素變化：(a)2 m相對濕度和溫度露點差,(b)10 m風(fēng)速和風(fēng)向,(c)海平面氣壓和逐小時降水量

從泰州站2 m～1000 hPa溫差隨時間的變化(圖8a)可以看出，大霧期間泰州市2 m～1000 hPa無逆溫，但溫差在1 ℃以內(nèi)；霾過程期間2 m～1000 hPa溫差達(dá)2 ℃左右。從泰州站邊界層溫度的時間演變(圖8b)看，12日14：00至13日08：00，925至800 hPa之間存在弱逆溫或等溫的溫度層結(jié)分布，此時段對應(yīng)霧的增強階段，說明邊界層逆溫有利于霧加強。從邊界層內(nèi)相對濕度隨時間的演變(圖8c)看，12日14：00至14日20：00，925～800 hPa存在明顯的濕度大值帶，霧和霾過程期間，此大濕區(qū)一直維持。垂直速度隨時間的演變特征上(圖8d)，12—15日白天中低層垂直運動均較弱，近地層垂直運動速度近似為零，有利于穩(wěn)定層結(jié)的維持。

圖8 泰州站2 m～1000 hPa溫差(a)，溫度(b)，相對濕度(c)，垂直速度(d)隨時間-高度變化

分析溫度平流的垂直剖面圖9可以看出，12日02：00泰州市上空700 hPa以下均為冷平流，高層冷平流強度強于低層，有利于大氣穩(wěn)定性減弱，故12日早晨大霧持續(xù)時間較短。13日02：00 900 hPa以上有較強的暖平流，中低層的暖平流使得大氣層結(jié)穩(wěn)定度增強，故13日霧和霾達(dá)到過程最強。14日02：00，受冷空氣向南擴散影響，中低層均為冷平流，與13日相比大氣穩(wěn)定度降低，霧和霾減輕。15日02：00，大氣低層有弱的暖平流，有利于穩(wěn)定性的增強。但15日風(fēng)速增加明顯，大氣擴散條件轉(zhuǎn)好，未出現(xiàn)霧，白天隨著風(fēng)速增加，霾也逐漸消失。這說明風(fēng)速對霧、霾的形成也具有重要作用。

圖9 2020年1月12日(a),13日(b),14日(c),15日(d)02：00沿32.31°N溫度平流的垂直剖面

綜合以上分析可見，此次過程2 m～1000 hPa并未出現(xiàn)逆溫，但近地層90%以上的相對濕度，925～800 hPa濕區(qū)，近地面風(fēng)速維持在1 m·s-1以內(nèi)，弱的垂直運動為此次大霧天氣的發(fā)生提供了較好的條件。13日邊界層逆溫以及900 hPa以上暖平流是此次霧加強的關(guān)鍵因子。白天太陽輻射增強，相對濕度減小，但大于80%，近地面風(fēng)速較小，大氣污染物擴散條件較差，加上上游污染物的輸送，故霧轉(zhuǎn)為霾[28]。

3.3 氣團后向軌跡特征分析

為了進一步分析此次霾過程的大氣污染源特征，以泰州站(32.31 °N，119.54 °E)作為模擬的起始點，利用HYSPLIT后向軌跡模式模擬該次霧-霾事件氣團的運動軌跡。由于大氣污染物主要集中在低層[29]，故模擬了10—16日每天20：00位于50 m高度處氣團72 h的后向運動軌跡。由圖10a可見，12—14日氣團主要來自東北、華北和黃淮北部地區(qū)500 m以下的高空。氣團的源地正是大氣的重污染地區(qū)，有利于將上游的大氣污染物攜帶下來[30, 31]。10、11日，15、16日泰州地區(qū)大氣較為清潔，氣團主要由東北東部地區(qū)1000 m以上高空輸送而來，且氣團的運動速度也較12—14日加快。期間氣團經(jīng)過渤海、黃海，有利于清潔氣團中的大氣污染物。故10、11日，15、16日泰州地區(qū)空氣質(zhì)量較好。

此外，為清楚地認(rèn)識霾發(fā)生期間不同高度氣團的運動特征，選擇50 m、500 m和1500 m 3個高度層，分別以12日20：00、13日20：00、14日20：00作為起始時間，模擬氣團72 h的后向運動軌跡(圖10b，c，d)[21，32]。9日20：00 1500 m高度的氣團由新疆西部先下沉后上升，11日08：00到達(dá)內(nèi)蒙古中部后再次下沉，經(jīng)山西、河北、河南后于12日20：00影響泰州。500 m高度處的氣團主要在山東、江蘇一帶活動最終影響泰州，該層氣團的水平運動緩慢。50 m高度處的氣團主要來自內(nèi)蒙古中東部地區(qū)，經(jīng)河北、山東到達(dá)泰州市。13和14日50 m高度處氣團活動路徑與12日50 m高度處氣團相似，13日500 m高度處的氣團與12日500 m高度處氣團運動特征較為一致。這說明13日500 m以下氣團穩(wěn)定少動，14日50 m以下氣團穩(wěn)定，運動較弱，與12日影響泰州的氣團幾乎為同一氣團。14日500 m和1500 m高度均有氣團從東北中東部地區(qū)南下補充。

圖10 泰州市2020年1月10—16日20：00 50 m高度(a)、1月12日(b)、13日(c)和14日(d)20：00氣團72 h后向軌跡(圖b、c、d中紅線、藍(lán)線、綠線分別代表50 m、500 m、1500 m高度的軌跡)

結(jié)合此時的大氣污染分布可見，13日500 m以下氣團源自污染較重的華北南部和黃淮地區(qū)，且穩(wěn)定少動，加上此時相對濕度較高，有利于污染物的吸濕增長，加重了大氣污染程度。14日50 m高度以下氣團依舊停滯，但500 m高度以上有新的氣團從2000 m以上的高空補充，且氣團運動較之前加快，一定程度上有利于污染物的擴散，但由于近地層氣團的停滯，該天依舊達(dá)到了中度污染級別。500 m和1500 m以上有清潔氣團向下補充是此次霾污染過程結(jié)束的重要原因之一，此時正好對應(yīng)冷空氣擾動的下傳，這與花叢等(2017)[29]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料研究北京霧-霾擴散條件所得出的結(jié)論一致。

4 結(jié)論與討論

2020年1月12—15日發(fā)生在江蘇泰州的這次霧-霾過程影響時間較長，期間霧-霾現(xiàn)象交替。分析此次霧-霾過程的演變特征和形成原因可以發(fā)現(xiàn)：

(1)此次霧-霾過程具有日變化特征。霾期間的PM2.5和PM10濃度、空氣質(zhì)量指數(shù)相較于霧期間略高一些，這與大霧造成的濕沉降有一定關(guān)系。

(2)500 hPa槽或冷渦在120°E以東，且本地?zé)o明顯短波槽引導(dǎo)冷空氣南下時，易造成冷空氣強度較弱，最終導(dǎo)致污染物在本地聚集。

(3)夜間至清晨90%以上的相對濕度，1 m·s-1以內(nèi)的小風(fēng)速，弱的垂直交換為霧的形成提供了較好的熱、動力條件。太陽輻射增強后，相對濕度減弱為80%，近地面風(fēng)速在2 m·s-1以內(nèi)，加上上游污染物的輸送，我市出現(xiàn)了霾天氣。過程期間2 m～1000 hPa未出現(xiàn)明顯逆溫。13日900 hPa以上暖平流增強，邊界層內(nèi)出現(xiàn)逆溫和90%以上的大濕區(qū)，故該天霧和霾均加強至最強。

(4)分析氣團的后向軌跡特征發(fā)現(xiàn)，霾天氣期間500 m以下氣團穩(wěn)定少動。14日20:00有新的氣團從2000 m以上的高空補充，是14日傍晚霾減輕的原因之一。

對于預(yù)報員而言，當(dāng)本地受東路弱冷空氣影響時，需要關(guān)注上游是否有大量的污染物聚集。盡管有時未出現(xiàn)近地層逆溫，但當(dāng)近地層出現(xiàn)高相對濕度，弱風(fēng)場交換時，易造成持續(xù)的霧-霾天氣。此外，本次結(jié)論為一次過程的分析結(jié)果，在今后的工作中需要有更多的個例被分析，以總結(jié)出本地霧-霾預(yù)報的一般性指標(biāo)。