德州市灰霾天气特征及成因分析

胡雪红 孙翠凤 张 琳

(山东省德州市气象局，山东 德州 253078）

灰霾是指悬浮在空中，肉眼无法分辨的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，使空气混浊，水平能见度降至10km以下的一种天气现象［1］。当灰霾浓度达到某一界限后，空气质量一般较差。近年来，随着人们生活水平的提高，城市化进程的加快，尤其是90年代末以来，空气污染物排放增加，灰霾天气剧增，引起了全社会对城市空气质量的高度重视。有不少学者从不同角度对雾霾天气特征进行分析［2－6］，宋娟等分析了江苏省快速城市化进程对雾霾日时空变化的影响，郑峰等对温州地区雾霾气候特征及其预报做了较详细的分析，杨玉霞等分析了鲁西北灰霾天气特征及灰霾对日照时数的影响，而针对灰霾天气产生的成因分析较少。

本文将着重1981年以来32年灰霾天气分布特征入手，针对2007年6月10－12日德州出现的一次严重的灰霾天气过程，进行动力学和物理量诊断分析，试图探讨灰霾天气的发生、发展和消亡的成因，以期对灰霾天气进行较准确的预报和预警。80年代指1981－1990年，依次类推。季节划分为:冬季(12月－次年2月），春季(3月－5月），夏季(6月－8月），秋季(9月－11月）。

1 灰霾天气分布特征

图1 1981－2012年灰霾天气年日数分布

统计1981－2012年32年以来灰霾分布(见图1），2010年最多，为102天。从年代际变化分析，灰霾日数年际变化明显，80年代灰霾天气极少，仅0.6天/10a;90年代8.6天/10a，本年代末增加较快;2000年代以来呈现迅猛增多的趋势，达到49.4天/10a，是90年代的5.7倍。分析32年以来的月平均分布看出，德州一年四季都有灰霾天气出现，按季节分布，冬、春、夏、秋分别为6.3天、4.5天、4.7 天和4.1天，其中 1 月、6 月、12 月最多，月均大于2.3天;8、9 月份最少，月均 0.6 －0.7 天，其余月份 1 －2天。其中夏季的灰霾天数较多主要是6月份出现较多。由于1997年以前除个别年份外(1993－1994年），大部分年份仅0－2天，使得月均值较小。

2 灰霾天气过程特点和天气背景

2.1 灰霾天气特点和空气污染物监测分析

2007年6月10－12日在山东西北部、河北中南部持续出现大范围的灰霾天气，能见度最小时仅700 m，空气浑浊，气味刺鼻，眼睛酸涩。

通过对10－12日逐时空气污染物监测分析发现(图2），德州市的首要污染物是可吸入颗粒物(PM10），在11日10时－12日00时和12日11时－13日01时两个时段内浓度值都大于0.251mg/m3(即污染指数大于201），其中11日13－17时和12日11－12时浓度值均大于0.421mg/m3(即污染指数大于300），属重度污染。由此可见，这次出现的灰霾天气导致空气污染严重。

图2 2007年6月10日13时－13日11时污染物浓度分布

2.2 天气背景

2007年6月10日，在乌拉尔山和贝加尔湖地区为低槽区，两个低槽之间为高压脊(中阻塞型［7］），华北大部受暖性高压脊控制。11日华北地区的高压脊东移，高原东部到山东中部、长江以北到黄河流域为宽广的弱槽区，气压场很弱，且没有明显的冷暖气流活动;这种形势维持到12日夜间。由于从低纬到高纬的大尺度天气系统的稳定，宽广的弱气压场为华北中南部地区霾天气的发生提供了比较稳定的大气环流条件。地面上，10－11日华北地区处于南高北低的形势下，蒙古低压沿高空引导气流偏东方向移动，它的中南部地区位于高压后部，气压梯度小，以偏南风为主，12日地面转为偏东风，河套到鲁西北没有等压线经过，说明气压场很弱，这有利于灰霾天气的维持。13日伴随一股冷空气的扩散南下，持续三天的灰霾天气结束。

3 霾天气的气象要素特征

3.1 地面要素特征分析

从10日13时－13日09时德州市的海平面气压、风速变化曲线(图略）可以看到，逐时海平面气压较低，均在1 002－1 013 hPa间变化，气压梯度小，也决定了地面风速小，除了10日21时达3级(4.7m/s），其它时次风速均小于3级。水平风速直接影响大气湍流的运动，风力强弱则影响空气污染物的扩散速度，风速与污染物在空气中的浓度成反比［8］。由于大气的扩散能力弱，污染物不宜扩散，导致了强而持久的灰霾天气。

从10日13时－13日09时德州市的相对湿度和温度变化曲线(图略）可以看出，近三天相对湿度＜70%，在重度污染期间，相对湿度只有37－50%，11日14时温度28.2℃，比10 日和 12 日的 33.9℃和 29.2℃都偏低;灰霾天气出现期间相对湿度呈上升趋势变化，而温度呈下降趋势变化，且二者呈反位相。灰霾天气的出现，导致大气气溶胶增加，进而造成日照减少［9］，温度也相应偏低。

3.2 大气层结特征分析

大量研究［10、11］表明，有逆温层存在，可使污染物在地面上停滞积聚，加剧空气污染的程度，近地层出现逆温还有利于雾霾的形成。对10－12日灰霾天气发生地区的邢台、北京两个站的探空资料进行分析，10日08时邢台的逆温层位于980－930 hPa，11日08时逆温层抬升到900 hPa，γ=5/100(℃/m）(即每上升100米气温上升5℃），12日逆温层较11日减弱，逆温层顶也降低到920 hPa，;10日08时北京近地层存在两个逆温层，一个位于950－920 hPa，另一个位于820－800 hPa，11日逆温层减弱，仅在920－900 hPa存在一个较薄的逆温层，12日逆温层增厚，但较11日减弱。从以上分析可以看出，这三天邢台、北京两站的近地层逆温层都表现为10日、12日较弱，11日最强，这与首要污染物的逐时分布特征一致，逆温层增强，大气更加稳定，更有利于灰霾天气的加强和维持，由于最大逆温层顶在900 hPa附近，且γ=5/100(℃/m），污染物无法向上输送而只能在其下部聚集，造成空气质量严重恶化;邢台站的逆温层比北京的要强，这与高低空环流形势的配置密切相关，也与灰霾天气的分布情况一致，即河北中南部和德州市的霾天气比北京附近的要强。

4 灰霾天气物理量诊断分析

通过对10－12日物理量场进行诊断分析，了解本次过程大气低层的气流变化情况，进而探讨灰霾天气的发生、发展和消亡过程。

10日08时－12日08时，灰霾发生地区的1 000 hPa、925 hPa的垂直速度几乎为0，850 hPa的垂直速度为3－10 Pa·s－1，这表明近地层上升运动很弱，动力条件较差，不利于污染物扩散，导致灰霾天气持续时间较长。

10日08－20时，霾区1 000 hPa、925 hPa的涡度、散度值很小，在0 －0.8 s－1，850 hPa 为负涡度、正散度，为下沉运动区，阻止近地层污染物向上扩散;11日1000 hPa的涡度、散度值仍很小，925 hPa为下沉运动区，而850 hPa趋于无辐散层，也就是说，下沉运动区更低，混合层高度也下降，污染物在近地面堆积，浓度升高，灰霾加强。12日1 000 hPa、925 hPa为正涡度、负散度，为上升运动区，850 hPa涡度、散度值较小，即近地面的上升运动有利于污染物向上输送，浓度降低，灰霾天气强度减弱。

以上分析表明，严重灰霾天气发生时，垂直上升运动很弱，近地面处于负涡度、正散度的下沉运动区;当灰霾天气减弱时，近地面又将处于正涡度、负散度的上升运动区。

5 小结

1981－2012年32年间，德州市的灰霾天气分布差别很大，80年代到90年代中期，灰霾天气仅0.6/10a，90年代末开始迅速增多，2000年代达49.4天/10 a。冬季灰霾天数多于其余季节，1月、6月、12月出现天数多于其他月份;这次发生的灰霾天气导致空气污染严重。灰霾天气发生期间，高空环流形势稳定，气压梯度小，地面风力小于3级、大气的扩散能力弱，污染物不宜扩散;逐时相对湿度呈上升趋势，而温度呈下降趋势，且二者呈反位相;灰霾天气的出现，导致大气气溶胶增加，进而造成日照减少，温度也相应偏低。灰霾天气发生过程中，垂直上升运动很弱，近地面处于负涡度、正散度的下沉运动区;减弱时反之。逆温层强且逆温层顶位于900hPa，污染物在垂直方向不宜扩散，造成了较高浓度的污染。

致谢:感谢德州市环保局提供2007年6月10－13日的逐时空气污染资料。

［1］《大气科学辞典》编委会.大气科学辞典［M］.北京:气象出版社，1994:408.

［2］宋娟，程婷，谢志清，等.江苏省快速城市化进程对雾霾日时空变化的影响［J］.气象科技，2012，(3）:275－281.

［3］郑峰，颜琼丹，吴贤笃，等.温州地区雾霾气候特征及其预报［J］.气象科技，2011，(6）:791 －795.

［4］吴庆梅，张胜军.一次雾霾天气过程的污染影响因子分析［J］.气象与环境科学，2010，(1）:12 －16.

［5］叶光营，吴毅伟，刘必桔.福州区域雾霾天气时空分布特征分析［J］.环境科学与技术，2010，(10）:114－119

［6］杨玉霞，代玉田，胡雪红.鲁西北灰霾天气特征及影响因素分析［J］.安徽农业科学，2011，39:9053 －9054，9103.

［7］周宁芳，李峰，饶晓琴，等.2006年冬半年我国霾天气特征分析［J］.气象，2008，34(6）:85.

［8］张书余.医疗气象预报基础［M］.北京:气象出版社，1999:49.

［9］石惠兰，王新堂，邵志勇，等.鲁西北52年日照变化特征及原因［J］.气象，2007，33(2）:93.

［10］徐怀刚，邓北胜，周小刚，等.雾对城市边界层和城市环境的影响［J］.应用气象学报，2002，13(增刊）:170 －176.

［11］范绍佳，王安宇，樊琦，等.珠江三角洲大气边界层概念模型的建立及其应用［J］.热带气象学报，2005，21(3）:286 －292.

［12］沈觉成.大气环境评价［M〗.北京:气象出版社，1989:137.

［13］国家技术监督局，国家环境保护局.中华人民共和国国家标准(GB/T3201－91），制定地方大气污染物排放标准的技术方法［S］.北京:中国标准出版社，1992:15 －18，附录 B，附录 E.