山东省雾霾变化特征及一次持续性雾霾过程的分析❋

张 莉， 巩在武， 顾伟宗， 陈艳春， 崔 辰

(1. 南京信息工程大学，江苏 南京 276500； 2. 枣庄市气象局，山东 枣庄 277800；3. 山东省气候中心，山东 济南 250031； 4. 山东省气象局， 山东 济南 250031)



山东省雾霾变化特征及一次持续性雾霾过程的分析❋

张 莉1，4， 巩在武1❋❋， 顾伟宗2， 陈艳春3， 崔 辰2

(1. 南京信息工程大学，江苏 南京 276500； 2. 枣庄市气象局，山东 枣庄 277800；3. 山东省气候中心，山东 济南 250031； 4. 山东省气象局， 山东 济南 250031)

利用山东省123个气象观测站1961—2012年的观测资料、美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(NCEPNCAR)再分析资料，分析了山东省雾霾的变化特征和一次持续性雾霾过程环流及气象要素特征。结果表明：山东雾日数呈现先增加后减少的趋势，1980年代雾日数最多，山东霾日数呈现增加趋势，21世纪以来增加明显；从空间分布特征来看，鲁西北和东南沿海地区雾日数较多，山东省雾的多发区域存在明显的季节变化，内陆地区雾主要出现在秋、冬季，东南沿海雾主要出现在春、夏季。霾多发区分布零散，局地性很强，说明雾的分布与地理因素有关，而霾的分布受城市工业和污染排放影响较大。典型的雾霾过程发生时，山东上空以平直的纬向环流为主，多短波槽活动，冷空气较弱，山东受偏西或者西南气流影响，有暖湿平流向山东输送，静稳的大气环流背景、PM2.5浓度增加和相对湿度增大为本次持续性雾霾的形成和发展提供了有力的条件。大范围霾出现前空气湿度相对较干，大约在50%左右。当相对湿度高于80%时，霾滴逐步转化为雾滴，空气湿度的变化对雾霾的预报有一定的指示意义。

雾霾； 环流特征； 相对湿度； PM2.5

雾霾是发生在大气近地面层的一种重要的气象灾害天气，随着社会经济的发展，雾霾的频繁发生对城市大气环境、群众健康、交通安全、农业生产等产生了重大影响。雾霾的问题日益成为人们关注的重点。雾是指近地面空气中的水汽凝结成大量悬浮在空气中的微小水滴或者冰晶，导致水平能见度低于1 km 的天气现象。2010 年颁布的霾观测气象行业标准中定义霾为大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10.0 km 的空气普遍混浊现象。丁一汇[1]、吴兑[2-3]、高歌[4]、王丽萍[5]、刘小宁[6]等研究主要是集中在雾霾长期变化特征方面，得到的结论：中国年霾日数呈现出明显的上升趋势，雾日数呈现减少趋势；张人禾[7]、曹伟华[8]、赵桂香[9]等研究主要是雾霾发生与各种气象要素的关系及影响；孟燕军[10]、王淑英[11]研究指出，雾霾的形成与局地气溶胶条件和气象条件密切相关；王京丽[12]、Deng[13]、Deng[14]，Zhang[15]研究指出，气溶胶与雾霾的能见度存在显著的相关关系，严格意义上讲，雾和霾天气同时发生时，他们之间难以确定明确的界限；杨军[16]研究指出，雾和霾之间存在着相互转化；张新荣[17]指出，大气底层暖平流、大气层结相对稳定和充沛的水汽条件，对中国东部大范围的大雾产生有重要的作用；吴兑[18]指出，在珠江三角洲地区，当大气对流层中层出现较强的纬向环流、对流层底层在弱的高压脊控制下并且出现较弱的表面风时，有利于严重霾天气的发生。这些研究在一定程度上加深了对不同区域的雾霾过程的理解。但是针对山东区域的雾霾，特别是雾霾持续性的过程分析尚少。

本文在全面分析山东省雾霾变化特征的基础上，选择2013年12月2—8日，山东境内出现的一次持续性的大范围的雾霾天气过程，重点研究了山东雾霾发生时的大气环流特征以及空气湿度、能见度、大气逆温层与气溶胶的关系，从而加深对雾霾的认识，以期为更好理解雾霾天气过程特征和形成机制提供依据。

1 资料

本文所用资料包括：(1)山东省气象信息中心提供的山东123个气象观测站的雾、霾、能见度和相对湿度等逐日观测数据；(2)枣庄市环境监测中心提供的PM2.5数据逐日监测资料；(3)美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(NCEPNCAR)再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°。雾日定义为该站每天出现一次及以上为1个雾日，年内的雾日数为雾日的累加；霾日定义为该站每天出现1次及以上为1个霾日，年内的霾日数为霾日的累加。

2 山东省雾霾变化特征

图1是1961—2012年山东省平均年雾日数和霾日数的时间演变曲线，可以看到，山东年雾日数呈现先增后减的趋势，1960s～1980s中期雾日数呈现增加趋势，其中1980，1990年代最多，1990年代至今呈现减少趋势。年霾日数呈明显增加趋势，其中1960、1970年代期间比较平稳，增加缓慢，1980年代到2000年代增加略快，从2001年开始是快速上升的阶段，2010年开始连续3年超过当年雾日数，2011年最多，达到18.9 d(见图1)。

图1 山东省年雾霾日数逐年演变图(单位：天)Fig.1 Annual time series of the number of fog and haze days(Unit： d)

山东省常年(1981—2010年)平均雾日数为22.2 d，各地雾日数在6.5(莱州)～87.5 d(成山头)之间，鲁西北和东南沿海地区雾日数较多，鲁中地区相对雾日数较少,成山头年平均雾日数最多(见图2)，为87.5 d。从该地区逐月雾日数变化来看，7月份成山头雾日数最多，为23 d(见图3)，该地区雾春夏季出现的几率较高，而冬秋季雾相对较少，这与全省的雾日数发生的情况不一致，从全省雾日数逐月变化来看，秋冬季雾日数较多(见图4)。进一步分析发现我省雾的多发区域存在明显的季节变化，秋、冬季雾主要出现在内陆地区，春、夏季雾主要出现在东南沿海(图略)。

图2 山东省年雾日数(常年值)分布图(单位：天)Fig.2 Distribution of fog days in Shandong(Unit： d)

图3 成山头常年雾日数逐月演变图(单位：天)Fig.3 Monthly time series of Fog days in Chengshantou(Unit： d)

图4 山东省常年平均雾霾日数逐月演变图(单位：天)

图5 山东省全年霾日数(常年值)分布图(单位：天)Fig.5 Distribution of haze days in Shandong(Unit： d)

全省常年平均霾日数为5.3 d，各地霾日数在0.1 d(商河、广饶、东平、宁阳、石岛、成武、单县)～66.7 d(莒南)之间(见图5)，鲁中和鲁东南地区霾日数较多，全年在10 d以上,其中莒南年霾日数最多，平均66.7 d，而且霾日数明显多于雾日数(见图6)，从该地区霾日数逐月变化来看，霾主要出现在秋冬春季， 夏季相对较少，这可能与空气相对湿度的大小有关。比较雾霾日数的常年分布情况可以发现，雾日数较多的地区主要在鲁西北和东南沿海地区，而霾日数较多的地区分布比较零散，局地性很强，这说明雾的分布与地理因素有关，而霾的分布受城市工业和污染排放影响较大。

图6 莒南常年雾霾日数逐月演变图(单位：天)

3 典型雾霾天气过程的分析

2013年12月2—8日，山东境内出现了一次大范围的雾霾天气过程，8日全省11个空气质量监测点的空气质量指数(AQI)达到500，除威海外，其他16市超90个点达重度污染或严重污染，9日受冷空气的影响，山东雾霾逐渐消散。这次雾霾过程对山东交通、设施农业和人体健康等造成较严重的影响。

3.1 雾霾天气过程期间的天气形势

从500hPa天气形势图的演变可以发现(见图7)，2013年12月2—8日中纬度环流较平，且多短波槽活动，冷空气势力较弱，山东一直受偏西或者偏西南气流影响，没有明显的冷空气东移南下影响山东地区，这种环流形势有利于形成静稳天气，有利于雾霾的形成和发展。9日，欧亚上空出现典型的两槽一脊型环流形势，山东受里海以东脊前和贝加尔湖以东槽后西北气流的影响。850hPa风场和温度场分布图上(见图8)，2日开始山东一直受偏西或者西南气流影响，有暖平流持续向山东输送，并且暖平流逐渐增强，7日达到最强， 8日暖平流逐渐减弱，并受弱的西北冷平流和西南暖湿气流交汇影响，9日山东受强的西北冷平流影响，2—7日850hPa等0 ℃ 线位于40°N左右，8日850hPa等0 ℃ 线位于35°N左右，而9日850hPa等0 ℃ 线陡然南压10个以上纬度，位于30°N附近，山东受强西北气流影响，持续数日的大范围雾霾结束。

图7 12月2日(a)、7日(b)、9日(c) 500 hPa位势高度场特征Fig.7 Characteristic of 500hPa height in December 2(a)、7(b)、9(c)

图8 12月2日(a)、7日(b)、9日(c)850hPa温度场(等值线)和风场分布特征Fig.8 the Characteristic of 850hPa temperature(line) and wind(vecetor)in December 2(a)、7(b)、9(c)

3.2 相对湿度对雾霾过程演变的影响

一般来说，雾形成于近地面空气达到或接近饱和的条件下，即相对湿度达到或接近100%，霾是在相对湿度小于80%的情况下生成或存在的，相对湿度介于80%～95%的，雾和霾可以共存，形成雾霾混合物，因而相对湿度一般被认为是区分雾和霾的一个主要大气参数。枣庄市是本次雾霾天气影响重点区域之一，文中选取枣庄市薛城站作为代表站进行分析。图7是薛城站出现的天气现象和相对湿度的变化情况，曲线表示是相对湿度，柱状图是代表雾、轻雾和霾，其中20代表霾，40代表轻雾，60代表雾。从图中可以看出2—3日相对湿度低于60%，伴随着天气现象是霾，4日08时相对湿度达到87%，霾滴吸湿逐渐转化为雾滴，4日早晨天气现象为轻雾，从5日开始，相对湿度持续增加，6日08时相对湿度达到95%，天气现象为轻雾，7日08时相对湿度达到99%，天气现象为雾，这次过程雾霾交替出现，这与从7日开始西南气流增强有关，向山东上空输送水汽增多，空气相对湿度明显增加。

可见水汽条件是形成雾的关键因素，而霾形成则相对湿度较小，所以底层空气持续干燥和持续潮湿是持续性雾霾天气形成的重要条件之一，这对雾霾的预报有一定的指示意义。

3.3 逆温层和气溶胶的变化情况

逆温是雾霾天气过程的一个重要特征。为了分析大气近地面层的热力状况，图10给出了枣庄上空925与1000hPa温度垂直差的逐日变化，图中同时也给出了PM2.5浓度的逐日变化，12月4日，温度差最小为-0.5℃，12月5日PM2.5浓度达到最高为0.362mg/m3,逆温层的出现有利于雾霾天气的发生，但是从图10中可以看出，12月8日温度差为-0.7 ℃，逆温层再次出现很强的特征，这种特征在12月9日和12月25日PM2.5极值出现后温度差的变化中也得到体现，这是因为雾霾天气和近地面层逆温之间的联系与雾霾天气对地面短波辐射平衡的影响有关，雾中的水滴和霾中的颗粒物对太阳短波辐射起衰减作用，云雾滴和气溶胶的增加将更多的太阳辐射反射、散射回大气中，使到达地面的辐射减少，地面气温下降，大气层稳定度增加，所以，较强的雾霾天气可以造成地面温度降得更低，导致逆温层增强，更有利于雾霾天气的形成和维持。由此可见，气溶胶的增多通过影响近地面层的热力场，对雾霾的发展起正反馈作用。

图9 2013年12月2—8日薛城站相对湿度和天气现象的演变图Fig.9 Time series of relative humidity and weather phenomenon of Xuecheng Station on 2nd —8th December， 2013

3.4 地面大气能见度的演变情况

12月1—8日，薛城能见度一直维持在10km以下，尤其是5、7和8日能见度在2km以下，地面大气能见度受气溶胶的影响显著，从12月1—31日气溶胶和大气能见度的演变情况来看，气溶胶的浓度和地面大气能见度呈明显的负相关，相关系数为-0.47，当PM2.5浓度上升时，大气能见度将明显下降。

图10 2013年12月1—31日薛城站PM2.5浓度及925，1000hPa上空的温度差演变图Fig.10 Time series of PM2.5 and temperature difference of 925 and 1000hPa in Xuecheng Station on 1st～31st December， 2013

图11 2013年12月1—31日薛城站地面能见度和PM2.5浓度的演变图Fig.11 Time series of PM2.5 and visibility in Xuecheng Station on 1st～31st December， 2013

由此可见，气溶胶的浓度对大气能见度的影响非常大。

4 结论

通过1961—2012年近50年山东省雾霾变化特征和一次典型个例的分析，得到以下主要结论：

(1)近50年来山东雾日数呈现先增加后减少的趋势，1980年代雾日数最多；山东霾日数呈现增加趋势，21世纪以来增加明显。

(2)从空间分布来看，鲁西北和东南沿海地区雾日数较多，并且山东雾的多发区域存在明显的季节变化，秋、冬季雾主要出现在内陆地区，春、夏季雾主要出现在东南沿海。而霾日数较多的地区分布比较零散，局地性很强，这说明雾的分布与地理因素有关，而霾的分布受城市工业和污染排放影响较大。

(3)12月2—8日，山东上空以平直的纬向环流为主，多短波槽活动，冷空气较弱，山东受偏西或者西南气流影响，有暖湿平流向山东输送，并且高空和低空温差较大，有强逆温层，2—5日，相对湿度较低，天气现象以霾为主，5日PM2.5浓度达到最高为0.362mg/m3, 6日08时，相对湿度达到95%，天气现象为轻雾，7日08时，相对湿度达到99%，天气现象为雾。静稳的大气环流背景、PM2.5的浓度上升和相对湿度的增大为本次持续性雾霾的形成和发展提供了有力的条件。

(4)大范围霾出现前空气湿度相对较干，大约在50%左右，当相对湿度高于80%时，霾滴逐步转化为雾滴，空气湿度的变化对雾霾的预报有一定的指示意义，但是雾霾转化时相对湿度的阈值需要进一步的讨论。

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责任编辑 庞 旻

The Characteristics of Haze and Fog in Shandong Province and Analysis of a Durative Haze and Fog

ZHANG Li1,4, GONG Zai-Wu1, GU Wei-Zong2, CHEN Yan-Chun3, CUI Chen2

(1.Nanjing University of Information Science and Techenology, Nanjing 276500, China； 2. Zaozhuang Meteorological Bureau, Zaozhuang 277800, China; 3. Shandong Province Climate Center, Jinan 250031， China; 4. Shandong Province Meteorology Bureau, Jinan 250031, China)

Based on the observation data at 123 weather stations from 1961 to 2012 in Shandong Province and reanalysis data of NCEPNCAR, the characteristics of haze and fog were analyzed. The number of fog days increased firstly and then decreased, but the largest during 1980—1989. The number of haze days increased, especially in the 21 century increased greatly.The number of fog days is more in northwestern and southeast coastal of Shandong province. The fog in inland area occurred most in autumn and winter, but The fog in coastal area most in spring and summer. The circulation of mid-latitude was straight at 500 hPa and short wave trough was activity, when the fog and haze occurred.Shandong Province was affected by Southwest or west air current. A warm advection at 850 hPa convey continually towards Shandong. The relative humidity was changed, so fog and haze appeared alternately. The relative humidity was about 50% before haze occurred but was 80% before fog. The change of the relative humidity was a instruction factor to predict the fog and haze.

fog and haze; circulation character; relative humidity; PM2.5

公益性行业专项“环渤海区域强风灾害气候特征与影响评估技术研究”(GYHY201306034)；公益性行业专项“我国夏季降水的多尺度多因子预测方法研究”(201306033)资助

2015-02-03；

2015-04-14

张 莉(1983-)，女，工程师，主要从事气候与气候变化研究。E-mail：longmarch529@163.com

❋❋通讯作者：E-mail： longmarch529@163.com

P427.2

A

1672-5174(2015)11-010-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20150018