湖北省大范圍霾天氣近地層輸送特征研究
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周悅， 李蘭， 劉敏， 岳巖裕
（1．武漢區(qū)域氣候中心，湖北武漢430074；2．武漢中心氣象臺，湖北武漢430074）
摘要：利用2013年11-12月湖北省80個(gè)氣象站氣象要素和天氣現(xiàn)象的觀測資料，對霾天氣過程的時(shí)空分布和近地層輸送特征進(jìn)行了初步分析。結(jié)果表明：2013年11-12月湖北省共發(fā)生了4次大范圍霾天氣過程，其影響范圍和持續(xù)時(shí)間不斷增加；霾天氣主要集中發(fā)生在鄂西北、三峽河谷和鄂東的部分地區(qū)，受來自重污染區(qū)污染物的遠(yuǎn)程輸送貢獻(xiàn)較大，而鄂西南高海拔山區(qū)和江漢平原南部霾天氣發(fā)生較少；北風(fēng)是霾天氣過程中的主導(dǎo)風(fēng)向，分別占襄樊地區(qū)和武漢地區(qū)總風(fēng)向頻率的55.0%和55.4%，而宜昌地區(qū)由于受地形地勢的影響，霾天氣過程中東風(fēng)出現(xiàn)的頻率較高，為40.3%；風(fēng)矢量和分析表明：大范圍霾天氣過程中，湖北省北部存在來自北方重霾區(qū)的氣流輸送，中部向東部和西部的輸送過程明顯，南部缺少顯著的向外輸送氣流；同時(shí)，中部存在的順時(shí)針氣流偏轉(zhuǎn)，易導(dǎo)致污染物的停滯和堆積；而當(dāng)存在來自重污染區(qū)的強(qiáng)平流輸送時(shí)，也會造成大范圍霾天氣的出現(xiàn)。風(fēng)矢量和與能見度的相關(guān)特征進(jìn)一步佐證這一特點(diǎn)，兩者總體呈正相關(guān)關(guān)系，3個(gè)地區(qū)的相關(guān)系數(shù)均大于0.5，但當(dāng)武漢地區(qū)風(fēng)矢量和超過15 m/s，襄樊地區(qū)風(fēng)矢量和大于24 m/s時(shí)，兩地的相關(guān)關(guān)系均變?yōu)樨?fù)相關(guān)，強(qiáng)水平輸送加劇了霾天氣過程。
關(guān)鍵詞：湖北省；霾天氣；風(fēng)矢量和；輸送條件
霾是一種對視程造成障礙的天氣現(xiàn)象，大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km，造成空氣普遍渾濁。霾天氣發(fā)生時(shí)，空氣中細(xì)粒子（礦物顆粒物、硫酸鹽、硝酸鹽和有機(jī)碳?xì)浠衔锏葰馊苣z）數(shù)濃度增加，細(xì)小粒子易侵人人體呼吸道和內(nèi)臟器官中，致使呼吸系統(tǒng)疾病和心血管疾病明顯增加。同時(shí)，細(xì)粒子對可見光的散射作用會加劇能見度的下降，導(dǎo)致交通事故頻發(fā)。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程和城市化進(jìn)程的不斷加快，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，霾天氣的發(fā)生日趨頻繁，已然成為了一種新的災(zāi)害性天氣。國內(nèi)對霾天氣的研究主要集中在珠三角、長三角和京津冀地區(qū)，而近年來我國霾天氣的發(fā)生頻次和分布范圍顯著增加，伍紅雨等指出華南平均年霾日以5.8 d/10 a的速率顯著增加，明顯高于全國平均值(3.19 d/10 a)。進(jìn)入21世紀(jì)后我國東部大部分區(qū)域的霾日超過100 d，其中大城市區(qū)域超過了150 d，京津冀地區(qū)的霾日數(shù)平均接近60 d/a。在一段時(shí)期內(nèi)，自然排放和人為排放的污染物總量是相對穩(wěn)定的，霾天氣的持續(xù)出現(xiàn)主要受到氣象要素的影響，張小曳等指出風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度、大氣凝結(jié)函數(shù)、大氣穩(wěn)定度等要素的變化特征能夠有效判別霾天氣的出現(xiàn)與否。而大范圍霾天氣的持續(xù)出現(xiàn)則與大氣對污染物的稀釋擴(kuò)散能力息息相關(guān)，童堯青等指出南京地區(qū)的霾日均風(fēng)速在0—4m/s，且適宜的相對濕度有利于霾天氣的產(chǎn)生。但朱佳雷等指出對于秸稈燃燒期間，穩(wěn)定的低空大氣層結(jié)、地面的靜小風(fēng)和低濕環(huán)境可以有效阻礙大氣污染物的沉降和擴(kuò)散，從而為持續(xù)的霾天氣提供條件。
2013年湖北省出現(xiàn)了多次大范圍的霾天氣過程，冬季全省霾日數(shù)平均12.7 d，為1961年以來最高值，湖北省氣象局共發(fā)布了霾黃色預(yù)警信號5個(gè)，橙色預(yù)警信號4個(gè)，導(dǎo)致全省多條高速公路封閉和部分中小學(xué)停課。同時(shí)，大范圍霾天氣的出現(xiàn)使得冷空氣南下和降水等過程對霾粒子的清除作用明顯減弱，易導(dǎo)致部分地區(qū)霾天氣的長時(shí)間維持。目前對湖北地區(qū)的霾天氣研究相對較少，因此開展湖北省大范圍霾天氣過程發(fā)生規(guī)律及其輸送特征的研究，將有利于提高對大范圍霾天氣過程的認(rèn)識，為準(zhǔn)確急性霾預(yù)報(bào)預(yù)警提供理論依據(jù)。
1 資料和研究方法
研究資料為2013年11-12月湖北省80個(gè)氣象站的逐時(shí)氣象要素，包括氣溫、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速，每日4次的能見度，以及逐日的天氣現(xiàn)象觀測資料，其中武漢的能見度觀測資料為逐小時(shí)。結(jié)合各個(gè)站點(diǎn)的天氣現(xiàn)象觀測，當(dāng)全省有超過30%的站點(diǎn)（24個(gè)）出現(xiàn)霾天氣時(shí)，即可以認(rèn)為湖北省出現(xiàn)了大范圍的霾天氣過程。
風(fēng)矢量和是判斷大氣水平輸送能力的指標(biāo)，能夠有效反映出一個(gè)區(qū)域在一段時(shí)間內(nèi)空氣流動的輸送作用，進(jìn)而表現(xiàn)出當(dāng)?shù)乜諝饬鲃訋淼睦鄯e效應(yīng)。本文采用cressman插值法對站點(diǎn)觀測的風(fēng)向、風(fēng)速資料進(jìn)行網(wǎng)格化( 0.050x0.050)，風(fēng)矢量和的計(jì)算是通過對該格點(diǎn)和周圍4個(gè)格點(diǎn)共5個(gè)格點(diǎn)風(fēng)矢量大小先進(jìn)行空間矢量疊加，得到逐時(shí)次各格點(diǎn)處風(fēng)矢量和的大小，再進(jìn)行空間矢量疊加，進(jìn)而反映出某段時(shí)間內(nèi)區(qū)域矢量和的分布特征，具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)[13，16]。
2 結(jié)果與討論
2.1 大范圍霾天氣的時(shí)空分布特征
對大范圍霾天氣過程的描述要從時(shí)間和空間2方面來說明，本文利用湖北省80個(gè)氣象站的氣象要素觀測資料，對湖北省大范圍霾天氣過程的時(shí)空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。從圖1中可以看出，2013年11-12月共出現(xiàn)了4次大范圍的霾天氣過程，分別為11月8-9日，11月21-23日，12月4-9日和12月18-27日，總站數(shù)分別為69、124、220和441站，持續(xù)時(shí)間分別為2、3、6和10 d，其影響范圍和持續(xù)時(shí)間呈顯著增加的趨勢，尤其在12月18-27日的大范圍霾過程中兩者均達(dá)到了最強(qiáng)；而11月24日-12月3日的霾天氣發(fā)生站數(shù)較少，平均站數(shù)僅為6.7站，且11月23-24日的天氣過程使得霾發(fā)生站數(shù)從43站迅速減少為1站，并較長時(shí)間維持在10站以內(nèi)。
圖2進(jìn)一步給出了4次大范圍霾天氣過程中霾日數(shù)比和平均能見度的分布特征，霾日數(shù)比表征了各站霾發(fā)生日數(shù)占過程持續(xù)總?cè)諗?shù)的比例，而平均能見度則可以在一定程度上反映各站霾過程的強(qiáng)度�？梢钥闯�，除了在鄂西南高海拔山區(qū)和江漢平原南部的部分地區(qū)霾天氣發(fā)生較少，湖北省大部分地區(qū)均受到霾天氣的影響，4次過程中出現(xiàn)霾天氣的站數(shù)占總站數(shù)的比例從50%增加到了80%，充分表現(xiàn)了其大范圍發(fā)生的空間特征。同時(shí)，這4次大范圍霾天氣過程中也存在著能見度明顯偏低且霾天氣持續(xù)出現(xiàn)（霾日數(shù)比值較大）的重點(diǎn)受影響區(qū)域，主要集中在鄂西北、三峽河谷和鄂東的部分地區(qū)。
2.2 風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Υ蠓秶蔡鞖獾挠绊?
霾天氣出現(xiàn)的頻數(shù)是由本地源和污染物輸送共同決定的，污染物的水平輸送對其影響顯著風(fēng)速、風(fēng)向作為描述水平輸送條件的基本氣象要素，風(fēng)的大小及其來向?qū)诤艽蟪潭壬蠜Q定污染氣團(tuán)的屬性，所以對風(fēng)速、風(fēng)向的分析在霾天氣過程輸送特征研究中顯得尤為重要。而能見度的降低是霾天氣出現(xiàn)的最主要特征之一，并且其可以綜合地反映霾天氣過程懸浮顆粒物的多少，進(jìn)而表明霾天氣的強(qiáng)度。因此我們首先分析風(fēng)速對能見度分布的影響，圖3給出了4次大范圍霾天氣過程中風(fēng)速和能見度的分布特征�？梢钥闯觯�4次過程中均存在一個(gè)從鄂北中部的襄樊到江漢平原的荊門、鐘祥等地的“帶狀”較大風(fēng)速分布區(qū)域，這是由于湖北省地形呈西、北、東三面高起，北有缺口且向南敞開的馬蹄形環(huán)狀，致使氣團(tuán)過境時(shí)通常經(jīng)由中部的“宜鐘夾道”。而全省大部分地區(qū)的風(fēng)速小于3 m/s，尤其在鄂西南和鄂西北出現(xiàn)了大范圍風(fēng)速小于l m/s的區(qū)域，表明這2個(gè)地區(qū)受污染物的遠(yuǎn)程輸送影響較弱。而對于受遠(yuǎn)距離輸送較強(qiáng)的湖北省中部地區(qū)，可以看出，第1、2和4次大范圍霾過程中，能見度小于10 km的低值區(qū)基本上是以中部高風(fēng)速區(qū)為中心向外擴(kuò)展，位于高風(fēng)速區(qū)中心位置的襄樊和荊門在這3次過程中出現(xiàn)風(fēng)向偏北的平均比例分別為84.0%和82.8%，表明這3次大范圍霾天氣過程中湖北地區(qū)受到了來自北方氣團(tuán)輸送的影響，而恰在這幾個(gè)時(shí)間段華北地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的霧霾天氣，此時(shí)的偏北風(fēng)為污染物遠(yuǎn)距離輸送到湖北地區(qū)提供了氣象條件。在第3次大范圍霾天氣過程中，能見度的空間分布特征與其他3次完全不同，低能見度主要出現(xiàn)在湖北省東部的大部分地區(qū)，位于低能見度中心位置的武漢以偏北和偏東2個(gè)方向的主導(dǎo)風(fēng)為主，其中偏東風(fēng)主要出現(xiàn)在12月7-9日的部分時(shí)段，且出現(xiàn)偏東風(fēng)后武漢地區(qū)的能見度均出現(xiàn)明顯下降并維持低值，平均能見度僅有2.3 km。與此同時(shí)，位于湖北省東部的江蘇、浙江等地區(qū)發(fā)生了2013年最強(qiáng)的一次霾天氣過程，12月4-9日南京和杭州的AQI值維持在200以上，達(dá)到重度污染，并分別達(dá)到最大值377和402，從這一方向吹來的重污染氣團(tuán)會顯著增強(qiáng)湖北省的霾天氣過程。
進(jìn)一步分析來自北方重污染氣團(tuán)影響顯著的襄樊地區(qū)，以及位于三峽河谷和鄂東兩處霾天氣頻發(fā)中心的宜昌和武漢地區(qū)在大范圍霾天氣過程中風(fēng)向、風(fēng)速和能見度的變化特征，由圖4可以看出，襄樊地區(qū)北風(fēng)出現(xiàn)的頻次最高，為55.0%，且其所導(dǎo)致的能見度基本都維持在5 km以下，僅在第3次過程主要霾區(qū)東移時(shí)出現(xiàn)短暫天氣轉(zhuǎn)好，能見度達(dá)到了最大值25 km;而吹南風(fēng)時(shí)，霾天氣相對較弱，平均能見度大于10 km。同時(shí)，大范圍霾天氣過程中襄樊處各個(gè)風(fēng)向的平均風(fēng)速均要大于2 m/s，重污染地區(qū)氣團(tuán)的遠(yuǎn)程輸送對襄樊地區(qū)的影響顯著。給宜昌地區(qū)帶來低能見度的主要風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，占總風(fēng)向的40.3%，平均能見度基本小于5 km，這與宜昌所處的地理位置有關(guān)，來自北方的氣團(tuán)經(jīng)由“宜鐘夾道”往東進(jìn)入宜昌地區(qū)，這與付曉輝等給出的宜昌地區(qū)霾天氣的盛行風(fēng)方向一致，同時(shí)其盛行風(fēng)方向多存在化工企業(yè)進(jìn)一步增加了本地源對霾天氣的輸送。武漢地區(qū)霾天氣過程中以北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，占總風(fēng)向的55.4%，4個(gè)風(fēng)向出現(xiàn)時(shí)能見度的大小分布基本一致，均小于4 km，為3個(gè)地區(qū)中最低，而武漢地區(qū)出現(xiàn)靜風(fēng)的頻次卻是3個(gè)地區(qū)中最高的，達(dá)到了15.9%，僅低于該地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向，并出現(xiàn)了最低的能見度，平均值僅為2.0 km。近年來，武漢市機(jī)動車“井噴式”增加所帶來的大量尾氣、工業(yè)生產(chǎn)所排放的大量廢氣以及大范圍開展的地鐵等基礎(chǔ)設(shè)建設(shè)所產(chǎn)生的大量揚(yáng)塵在靜風(fēng)情況下會持續(xù)籠罩在城市上空，導(dǎo)致霾天氣的長時(shí)間維持，而這種現(xiàn)象常出現(xiàn)在我國許多快速發(fā)展的大中城市。
2.3 大范圍霾天氣的風(fēng)矢量和特征
霾天氣的出現(xiàn)主要是由于多種氣溶膠粒子長時(shí)間在某一地區(qū)累積所導(dǎo)致的，風(fēng)速大小的變化能在一定程度上反映氣團(tuán)的走向，但是無法有效表現(xiàn)一個(gè)區(qū)域在一段時(shí)間內(nèi)受周圍地區(qū)空氣流動的輸送作用。圖5分別給出4次大范圍霾天氣過程的平均風(fēng)矢量和空間分布圖�？梢钥闯觯�1次和第2次大范圍霾天氣過程中風(fēng)矢量和分布特征較相似，主要在鄂西南、中部和東南的部分地區(qū)出現(xiàn)了明顯大于其他地區(qū)的風(fēng)矢量和。同時(shí)，在湖北省北部海拔最低的2個(gè)地區(qū)存在著來自北方重霾區(qū)的穩(wěn)定氣流輸送，而其南部缺少顯著的向外輸送氣流，使得污染物的水平擴(kuò)散條件很差，且中部地區(qū)向東部和西部的氣流輸送特征顯著，這與2.2節(jié)中能見度的低值區(qū)分布特征相似。同時(shí)，第1次過程中風(fēng)矢量和在中部地區(qū)存在一個(gè)順時(shí)針的偏轉(zhuǎn)，這將進(jìn)一步加劇污染物的停滯和堆積，并導(dǎo)致重霾區(qū)主要出現(xiàn)在湖北省中部，多地能見度維持在4km以下。與第1次過程相比，第3次大范圍霾天氣過程的風(fēng)矢量和表現(xiàn)出“東西大，中部小”的不均勻分布特征，湖北省西部主要受較強(qiáng)偏西氣流輸送的影響，而東部則受偏東偏北氣流輸送的影響。偏西氣流輸送的氣團(tuán)所含顆粒物較少，且較大的風(fēng)矢量和有利于污染物的擴(kuò)散，使得湖北西部受霾天氣影響較弱，而較大的偏東偏北氣流將會持續(xù)不斷的給湖北東部輸送來源于華北和江浙滬的重污染氣團(tuán)，導(dǎo)致此次大范圍霾天氣的重霾區(qū)主要出現(xiàn)在湖北省東部。而在第4次過程中，湖北省大部分地區(qū)的風(fēng)矢量和均較小，輸送條件較差，造成此次過程的持續(xù)時(shí)間和影響范圍均達(dá)到最大，但同時(shí)可以看出，湖北省東南部到江漢平原南部存在著較強(qiáng)的向西輸送氣流，使得該地區(qū)的能見度高于其他地區(qū)，與圖3(d)中能見度的分布特征一致。
2.4 典型個(gè)例分析
結(jié)合能見度的變化特征，進(jìn)一步定量分析水平輸送能力的強(qiáng)弱對霾天氣強(qiáng)度的影響。圖6給出了第3次大范圍霾天氣過程中襄樊、宜昌和武漢風(fēng)逐小時(shí)矢量和與能見度的相關(guān)特征，可以看出，風(fēng)矢量和與能見度呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系，3個(gè)地區(qū)的相關(guān)系數(shù)都大于0.5，表明導(dǎo)致嚴(yán)重霾天氣持續(xù)出現(xiàn)的主要原因是較弱的水平輸送能力帶來污染物的堆積，隨著水平輸送的增強(qiáng)，能見度增加而霾天氣減弱。但是當(dāng)武漢地區(qū)的風(fēng)矢量和超過15 m/s，以及襄樊地區(qū)的風(fēng)矢量和大于24 m/s時(shí)，風(fēng)矢量和與能見度呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系，這就佐證了來自重污染區(qū)水平氣流的輸送會加劇本地的霾天氣過程。同時(shí)，由于這次過程影響武漢地區(qū)的氣團(tuán)主要來源于華北和長三角等重霾區(qū)，而襄樊地區(qū)的水平輸送則主要來自相對清潔的地區(qū)，因此武漢地區(qū)水平輸送而來的污染物明顯高于襄樊地區(qū)，其能見度更易受風(fēng)矢量和增加的影響，導(dǎo)致兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系時(shí)武漢的風(fēng)矢量和閾值低于襄樊的數(shù)值。
3 結(jié)論
(1)2013年11-12月湖北省共發(fā)生了4次大范圍霾天氣過程，分別為11月8-9日，11月21-23日，12月4-9日和12月18-27日，霾天氣發(fā)生累積站數(shù)分別為69、124、220和441站，占總站數(shù)的比例從50%增加到了80%，影響范圍和持續(xù)時(shí)間呈顯著增加趨勢。鄂西北、三峽河谷和鄂東的部分地區(qū)是大范圍霾天氣的集中發(fā)生區(qū)，而鄂西南山區(qū)和江漢平原南部受大范圍霾天氣影響較小，這與湖北省霾天氣的多年統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。
(2)第1、2和4次大范圍霾過程中，湖北省主要受來自北方重污染區(qū)氣團(tuán)輸送的影響，能見度低值區(qū)（小于10 km）基本以中部氣流主要流經(jīng)區(qū)為中心向外擴(kuò)展；第3次大范圍霾天氣過程中，能見度低值區(qū)主要出現(xiàn)在湖北省東部，受來出現(xiàn)重度霾天氣的長三角地區(qū)偏東氣流輸送顯著，平均能見度僅有2.3 km。
(3)鄂西北和鄂東地區(qū)代表站點(diǎn)襄樊和武漢的霾天氣主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，分別占風(fēng)向頻率的50.0%和55.4%，三峽河谷地區(qū)代表站點(diǎn)宜昌受地形地勢影響，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)向影響時(shí)三地平均能見度均小于5 km。襄樊地區(qū)受污染物遠(yuǎn)程輸送影響最大，各風(fēng)向平均風(fēng)速明顯大于其它兩地，而武漢地區(qū)靜風(fēng)出現(xiàn)頻率(15.9%)僅次于主導(dǎo)風(fēng)向，特大型城市發(fā)展過程中大量污染物的排放，導(dǎo)致平均能見度僅為2.0km。
(4)風(fēng)矢量和的變化特征對霾天氣的發(fā)生存在兩方面影響，當(dāng)其數(shù)值較小時(shí)，較弱的水平輸送氣流易導(dǎo)致污染物的停滯和堆積，造成霾天氣出現(xiàn)；當(dāng)其數(shù)值較大且氣流來向?yàn)橹伥矃^(qū)時(shí)，較強(qiáng)的水平輸送氣流易給湖北帶來重污染氣團(tuán)，加劇霾天氣過程。風(fēng)矢量和與能見度的相關(guān)特征進(jìn)一步佐證了這一特點(diǎn)，兩者總體呈正相關(guān)關(guān)系，3個(gè)地區(qū)相關(guān)系數(shù)均大于0.5，襄樊和武漢地區(qū)的正相關(guān)向負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變的風(fēng)矢量和閾值分別為24 m/s和15 m/s，宜昌地區(qū)的風(fēng)矢量和較小，沒有出現(xiàn)正負(fù)相關(guān)關(guān)系的轉(zhuǎn)變。
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