临沂地区秋季一次重霾天气的特征分析

胡顺起，王玉亮，朱义青

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.山东省临沂市气象局，山东 临沂 276004）

城市霾天气过程近几年已演变成重要的城市气象灾害，随着经济的快速发展，霾天气频繁发生对城市的交通安全、居民健康、大气环境及农业生产等带来日益显著的影响。近几年由于我国霾天气频繁发生，社会公众对城市霾天气的关注度越来越高。然而，城市持续性霾天气的形成机理复杂，目前对其形成机制认识尚未完全明白。一方面，霾的形成与当地的气象条件和局地气溶胶条件密切相关[1-2]。另一方面，霾的产生与维持也受边界层结构的影响[3-4]。我国的学者已经对许多大城市霾天气的气候特征、化学成分及其影响做了较为深入的研究[5-6]。刘丽丽等[7]对天津冬季重霾污染过程及气象和边界层特征进行分析，指出环绕天津的河北中部和西南部地区对天津重污染有显著贡献。黄鹂鸣等[8]对南京市空气中颗粒物中PM10和PM2.5的污染水平进行了系统研究。刘伟东等[9-11]对重污染天气气溶胶分布和传输特征进行研究，指出局地污染物积累和外界污染输送是造成重污染天气的主要原因。这些研究成果提高了人们对霾的物理化学特征、变化趋势及其产生天气条件的认识。

临沂地区位于鲁中山区南部，近年来由于经济的快速发展，特别是一些乡镇企业的快速发展，这一地区频繁发生的大气污染事件已经引起政府和公众的广泛关注。据临沂市环保局对临沂市霾天气污染物观测分析发现，临沂地区的首要污染物为PM2.5，但是目前对于临沂地区首要污染物PM2.5变化特征的分析却鲜见报道，目前尚无对临沂地区霾污染下的天气特征和机理进行过分析。因此，本文选取2013年10月26—29日临沂地区出现的一次持续性重霾天气为研究对象，结合气象条件，来分析霾天气时临沂地区上空的PM2.5分布及变化规律，以期为更好地理解此类持续性霾天气过程的特征和形成机制提供依据，并对整个时间段内临沂地区空气质量的变化特征进行探讨，进一步得到此次污染过程的形成机制，为临沂地区霾污染的控制提供依据。

1　资料和方法

为便于讨论，根据中国气象局制定的《霾的观测与预报等级》（2010）中雾霾的定义，确定雾和霾的界定标准是：在排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘、烟幕等天气现象造成视程障碍后，对于日均气象能见度＜10 km，日均相对湿度＜80%的定义为霾。

文中气象要素资料来自常规观测资料；GDAS是Global Data Assimilation System的简称，是由美国地质调查局（USGS）利用由美国国家海洋大气管理局（NOAA）提供的气象参数计算得到全球参考蒸散。GDAS数据集中的大气强迫数据是目前使用最广的用于陆面模式模拟地表水热参数的输入数据集，现阶段多数研究者以此为依据进行陆面过程的模拟分析；污染物浓度数据来自临沂市环境监测站资料，临沂市环保局在临沂市区布设8个环境监测站，其分布见图1，其中新光毛纺厂观测站地处临沂市西南郊罗庄区内，是临沂市的主要工业区聚集地。鲁南制药厂观测站位于临沂市主城区西部，代表典型的城市环境。南坊新区观测站位于临沂市北部，为新建的城区，人口较少，受城市内环境影响较小。PM2.5浓度值取环境监测站整点过去1 h浓度均值（取整数）。

图1　临沂地区空气质量观测站点分布

2　污染天气过程分析

2.1　污染过程概况

2013年10月26—29日山东省大部地区经历了一次霾污染天气过程（图2a），其中德州大部，济南、淄博、临沂和青岛西部等地出现能见度＜2 km的霾，由于鲁东南地区山脉阻挡使得大气污染物堆积，临沂地区甚至出现能见度＜1 km的重度霾。临沂全市AQI值均超过300 μg·m-3的污染限值，首要污染物为PM2.5。从24日开始，空气质量指数呈快速上升的趋势（图2b），到25日临沂市的AQI值已达到138 μg·m-3，为Ⅲ级轻度污染级别。26日，临沂AQI指数飙升至346 μg·m-3，为Ⅵ级严重污染级别，至此临沂全市处于污染浓度极高的灰霾之中，霾最严重的29日AQI值达到462 μg·m-3，随着30日白天全市出现一次弱降水过程，全市的污染指数开始下降，至30日夜间基本结束污染过程。

2.2　临沂市工业区、城市和郊区污染物特征的对比分析

图2b为PM2.5小时平均浓度均值随时间的演变，由图可见，霾天气过程中工业区、城市和郊区三地的首要污染物PM2.5浓度变化趋势总体一致，峰值出现的时间也基本一致，PM2.5浓度工业区大于城区，城区大于郊区，污染最严重时工业区、城市和郊区小时PM2.5浓度均值分别为365，344，284 μg·m-3。PM2.5浓度峰值出现的时间都在夜间，主要是夜间边界层高度较白天低，不利于污染物的扩散，而工业区大量污染物的排放及城区的热岛环流效应进一步导致污染物的积聚，因此会出现工业区比城区PM2.5浓度高，城区比郊区PM2.5浓度高的现象。

图2　2013年10月28日20时山东省能见度分布（a）和2013年10月24日—30日空气质量指数及南坊新区、鲁南制药和新光毛纺厂观测站PM2.5小时浓度均值对比（b）

3　气象条件特征分析

3.1　环流形势分析

2013年10月24日08时（北京时，下同），500、700、850 hPa天气形势图上，东北地区有东北冷涡向东偏北方向移动，贝加尔湖（以下简称贝湖）东部为高压脊控制，山东地区受西北气流控制；26日08时东北冷涡减弱东北移至俄罗斯远东地区，贝湖东侧高压脊减弱东移，脊后有小槽东移加深；26—28日中纬度地区处于贝湖南部的偏西气流中，38°N以南为平直的西风环流，临沂处于38°N以南的西风环流中；28日20时（图3a）中支槽东移南压，山东大部位于槽前偏西气流中；29日20时中支槽继续加强东移，临沂处于槽前的西南气流中。

850 hPa天气形势上看到，24日08时—25日20时临沂受高压脊中西北气流控制，并有冷槽配合；26日08时—29日20时处于贝湖东南部低槽底部的西南气流中；临沂处于暖脊中，说明对流层低层为暖性的西南气流；30日江苏北部有切变线生成，临沂处于切变线的北侧。

图3　2013年10月28日20时（a）500 hPa形势场和850 hPa温度场、风场；（b）海平面气压场和风场

从24日08时至30日20时逐日地面形势图上可以看到，24日08时—26日08时临沂处于40°N附近的高压中心与东南沿海24°N附近低压中心之间；26日08时海上低压中心减弱消失，40°N附近的高压中心减弱并逐渐南压控制临沂地区，同时高压较弱，周边气压场分布比较稀疏；28日20时（图3b）山东大部处于弱的均压场内；29日20时北部有冷高压南压，地面风力较大并在30日下午开始出现弱降水。

3.2　地面能见度分析

能见度的降低是霾天气出现的最主要特征之一[12]。2013年12月25日夜间至30日清晨，临沂地区能见度一直维持在10 km以下，整个霾天气持续了4 d，尤其1 km以下的低能见度阶段从28日夜间一直持续到29日早晨累计时间超过8 h。为了更好地理解PM2.5浓度在不同时段与能见度的关系，图4分别给出了PM2.5浓度在各阶段与能见度的散点分布，其中PM2.5浓度来自鲁南制药观测站，能见度是来自鲁南制药观测站周围4个地面气象观测站数据的平均值，可以清楚地看到，本次过程期间能见度与PM2.5保持着较好的反相位变化关系。PM2.5浓度整体是晚上大于白天的变化特点，并基本保持在100 μg·m-3以上。

图4　2013年10月26日0时—30日6时（世界时）鲁南制药观测站附近能见度与PM2.5浓度观测值相关性

3.3　地面温度、相对湿度分析

结合地面温度、地面相对湿度和PM2.5的浓度演变表明（图5），PM2.5的浓度与地面温度保持较好的反相位变化关系，而与地面相对湿度则保持正相位变化关系。在本次霾持续过程中，地面相对湿度一直保持在50%以下，体现出典型的霾天气特征。地面相对湿度夜间大于白天，中午及午后地面温度升高，相对湿度变小。在28日夜间到29日清晨霾最严重时期，地面相对湿度维持在40%以下，并一直维持较低的地面温度。30日下午弱降水过程引起空气湿度上升，结束此次霾污染过程。低湿度的环境不利于气溶胶颗粒的沉降，从而大量干尘粒浮游在近地面，导致严重的持续性霾天气。

图5　2013年10月26日0时—30日06时（世界时）鲁南制药观测站附近地面温度、相对湿度与PM2.5浓度观测值相关性

3.4　地面风场分析

图6给出了26日08时—30日14时鲁南制药观测站附近地面风速与PM2.5浓度的相关性分析，在霾发展期间，PM2.5浓度逐步升高并出现峰值的时间段内，地面平均风速基本都保持在≤1.6 m·s-1，属于典型静小风条件，风速这一变化特征为本次霾天气过程的持续稳定提供有利条件。从表1中可以看出，霾发生期间地面的主导风向为南风或西南风，风力一般在1级左右或以下，很多时次存在静风。气象条件中，静小风是造成污染物高浓度的最重要条件之一，近地面的风向风速决定污染物水平扩散能力，当风速较小时，不利于污染物水平输送，易造成局部地区污染物浓度显著提高，为霾发生提供有利条件。

图6　2013年10月26日0时—30日06时（世界时）鲁南制药观测站附近小时平均风速与PM2.5浓度观测值相关性

综合地面各要素的时间演变特征表明，较低的地面湿度和较小的地面风速是本次持续性霾天气过程产生和持续的重要原因。

表1　2013年10月26—29日鲁南制药附近自动站平均地面风频统计

同时，我们可以清楚的看到，从工业区、城区到郊区的PM2.5浓度呈下降趋势（图2b）。从工业区、城区和郊区观测站的位置可以看到（图1），工业区观测站位于城区南部，郊区观测站位于城区北部，当主导风向为南风或西南风时，城区及郊区PM2.5浓度显著上升，说明市区污染物主要来自市区南部工业区污染物随南风或西南风向城区的扩散。

3.5　大气层结分析

边界层逆温是霾天气的一个重要特征，逆温层的形成增加了边界层的大气稳定度，为霾的形成与发展提供重要的边界层条件[13-16]。图7为临沂附近的徐州探空站25日08时至30日20时温度廓线图，结合图4与图7可见，在整个霾过程中，能见度与逆温层具有良好的对应关系。在霾较严重的10月28日和29日，在08时出现贴地逆温层，此时的逆温层顶较高，对应能见度为每日的最低值，对应的PM2.5浓度为每日的最大值。在每日的中午前后，受太阳辐射对地表增温影响，贴地逆温消失或减弱抬升为不贴地逆温层，此时对应的能见度为每日的最大值，而PM2.5浓度则为每日的最小值。贴地逆温的形成与上下层气温下降速率不同有关[17]。在夜里，地表长波辐射冷却使地表气温下降速率较快、降温幅度较大，因此贴地逆温往往在夜间形成，夜间随着辐射降温效应的加强，近地面层逆温逐渐发展抬升形成深厚的贴地逆温层，并持续到次日凌晨，此时能见度降至当日最低水平。由于贴地逆温层的形成，大气层结极为稳定，减弱大气的湍流交换和热力对流，阻碍污染物向上扩散稀释，导致污染物在低空不断积累，造成污染浓度的持续升高。

4　空气污染物来源

图7　2013年10月25日—30日徐州站温度廓线

图8　2013年10月29日00时（世界时）到达临沂空气污染物的48 h后向轨迹模拟（a）和2013年10月27日08时地面流场（b）

为分析污染输送对临沂的影响，进一步分析临沂市区南部的工业区对加重市区霾的贡献。以临沂市区为起点，利用NOAA HYSPLIT模型和GDAS数据做300、600和1000 m高度72 h后向轨迹（图8a）。分析发现，29日影响临沂的空气污染物来源可以从600 m高度追溯到48 h前的杭州。杭州本地的AQI 26日为131 μg·m-3，27日上升至186 μg·m-3。与图8b对比可以看出，27日在浙江地区工业排放的空气污染物通过平流向北输送，经过安徽、江苏部分地区由于秸秆焚烧使得空气中颗粒物进一步增多，导致临沂市在29日空气质量显著恶化，PM2.5浓度陡升至最大。通过平流输送，市区南部的工业区污染物亦向北输送，这也加重了市区空气污染。

5　雾霾天气影响对策浅探

影响雾霾最主要的因素是污染排放和气象条件两个方面[16-17]，空气中污染物积聚，就有可能形成雾霾，但是如果气象条件适合污染物扩散，就不会形成雾霾天气。山东南部及苏皖北部是一个大范围的重污染区，依据雾霾天气强区域性和大气流动性，应该立足整体统一规划，综合运用多种防治措施，进行有效的区域联防联控使其达到最佳效果。

污染物的聚集、稀释及扩散受气象条件制约。严格控制污染物的排放才是治理雾霾天气的根本措施，而对应处于鲁南地区的临沂市自身来说，应加快调整产业结构和能源结构，关闭落后产能的小企业、加强扬尘治理、加强对高污染高能耗的企业技术改造等，从源头上减少污染的排放，并充分利用大气本身的自净能力，发挥气象在大气污染治理中的作用。由于环境的污染是在一定的天气背景下产生的，气象部门应加强对不利于污染物扩散的气象条件研究，找出不利于污染物扩散、稀释的气象指标，建立适合临沂市特点的预警预报方法，针对即将发生的重污染天气过程要做到早预报、早预警，为空气污染治理提供依据。同时及时开展人影增雨（雪）作业，充分利用大气的自净能力来改善环境质量。

6　结论

对2013年10月26—29日临沂地区一次秋季持续性重霾过程的气象因素、气溶胶、边界层演变特征进行了分析，研究发现：

（1）本次持续性霾天气过程中，由于鲁东南地区山脉阻挡使得大气污染物堆积，临沂地区PM2.5污染最为严重，大气中PM2.5的平均浓度工业区＞城区＞郊区，污染最严重时分别为365、344、284 μg·m-3。

（2）在霾发展期间，地面平均风速基本都保持在≤1.6 m·s-1，地面相对湿度一直保持在50%以下，为本次霾天气过程的形成和发展提供有利条件。当临沂地区以南风为主时（风力一般在1级左右或以下）市区霾天气加重，说明市区污染物主要来自市区南部工业区污染物随南风或西南风向城区的扩散。上游空气污染具有平流输送特征，来自浙江地区的PM2.5输送导致临沂地区的AQI升高。

（3）1000 hPa附近贴地逆温层的形成，有利于大气层结稳定，并减弱大气的湍流交换、热力对流和阻碍污染物向上扩散稀释，使得污染物在低空不断积累，最终造成污染浓度的持续升高。

7　讨论

霾从过去的局地天气现象，发展为具有区域性特征的天气现象，排入大气中的污染物主要来源于自然排放和人类活动排放。在不同的气象条件下，同一污染物排放所造成的地面污染物浓度差别很大，这是由于大气对污染物的稀释扩散能力随气象条件的不同而发生巨大变化。因此，研究气象因子对霾天气的影响，进而科学、有效的预测和动态调控污染物排放以治理霾天气，是十分重要的研究课题。目前，虽然许多学者对各种气象因子对空气质量的影响做了大量研究，但是，目前霾天气与气象条件的关系仍缺乏系统的研究。同时，湿度增加对气溶胶消光系数的增加起到推动作用，霾吸湿后会使能见度更加恶化，而整个过程的细节目前尚未知晓。本文仅对一次发生在临沂地区的重霾天气过程进行分析研究，虽然结果的普遍性仍需更多的个例来进一步证实，但在对霾污染与气象要素的关系方面进行分析并得到一些初步结果，这也为本地化的霾防治提供参考和依据。今后，要利用临沂地区多年的气象观测资料对临沂地区的霾天气气候特征及成因进行分析，从而得到临沂地区霾的天气特征。地方政府应加快产业结构调整，控制企业的污染物排放，才是治理雾霾的根本办法。