黑龙江省一次严重霾天气特征及成因分析

张 宇，曲成军，张 月，栾 晨

（黑龙江省气象台，哈尔滨150030）

0 引言

随着中国社会城市化和工业化迅速发展，大气中气溶胶粒子浓度增加，中国的雾和霾天气也逐渐增多，对人体健康、交通运输等均造成严重影响。在中国逐渐国际化的今天，降低大气污染和实现蓝天工程是人们面临的艰巨任务。因此，积极开展雾和霾天气的成因分析及预报研究对国民经济发展和保护人民生命财产有重要意义。

近年来，很多专家学者在雾和霾的气候特征、天气学特点、物理生消机制和数值模拟等方面做了大量研究工作，并取得了一系列研究成果。如王丽萍等[1]讨论了不同区域雾的月、年变化特征，分析了中国雾的地理分布；吴兑等[2]利用1951—2005年的资料，分析了中国大陆霾的时空变化特征；吴兑等[3-5]针对华南地区雾和霾的天气学分析和生消物理机制做了大量研究；李子华等[6-9]、濮梅娟等[10-11]、严文莲等[12-13]、刘端阳等[14]分别针对华东区雾的形成爆发和物理化学特征做了大量研究工作；曹伟华等[15]、蔡子颖等[16]、吴彬贵等[17]分别对华北雾霾和天气过程的影响因子、边界层特征和水汽输送特征展开相关研究；程良晓等[18]、邢延峰等[19]的研究认为秸秆焚烧与霾天气有重要关系。

大量研究中关于持续性雾和霾的分析较少，2016年11月黑龙江省中南部地区发生大范围持续性雾霾天气，给交通和人体健康造成严重危害。因此，本研究针对这次持续性雾和霾天气从环流背景、生消机制方面给予分析，以期从环流形势和大气边界层特征方面探究持续性雾霾形成和增强条件，为雾霾预报提供一定思路和参考。

1 资料与方法

本研究利用的资料包括2016年11月1—6日MICAPS系统提供的黑龙江省84个站的常规地面资料、4个站的常规高空资料、51个环境质量监测站点资料。其中，地面气象观测资料时间间隔为3 h，分别为02时、05时、08时、11时、14时、17时、20时、23时；高空资料时间间隔为12 h，分别为08时、20时；环境站点资料时间间隔为1 h。

霾天气的显著特征是能见度低，本研究分析霾天气的能见度演变以及与污染物浓度演变的关系，分析本次过程的大气环流特征和气象要素变化特征，找出本次霾天气发生、发展、消散的原因，利用后向轨迹方法，找到本次霾天气的大气污染物的源地。

2 天气过程概述

2.1 天气现象和污染监测分析

2016年11月2日08时地面图上可以看出（图略），黑龙江省有4个站出现霾天气，均出现在哈尔滨；2日20时，霾区域变大，黑龙江省共有10个站出现霾天气，主要位于松嫩地区；3日08时，霾天气减弱，黑龙江省北部地区出现小雪天气；3日20时，霾天气再次加强，黑龙江省共有12站出现霾天气；4日08时，霾天气区域变大，共出现22站，之后开始持续，主要位于松嫩平原地区，南部霾，北部轻雾；5日开始减弱，6日白天彻底消散。

选取位于松嫩平原的齐齐哈尔、大庆、哈尔滨3个站点进行下一步分析。如图1所示，11月2日开始，哈尔滨、齐齐哈尔、大庆能见度夜间明显降低，2日夜间大庆能见度降到3.6 km、哈尔滨7 km、齐齐哈尔16 km，午后能见度转好。3日20时开始，能见度开始明显下降，5日08时以后能见度有小幅回升，6日08时以后能见度明显升高。其中哈尔滨最低能见度为1 km，出现在4日17时；大庆最低能见度为0.4 km，出现在4日20时；齐齐哈尔最低能见度0.9 km，出现在4日23时。所以，3日20时—5日08时为最强时段。

从2016年11月2日00时—7日00时哈尔滨、齐齐哈尔、大庆地区PM2.5、PM10浓度逐小时变化曲线（图略）可见，PM2.5和PM10质量浓度变化趋势基本一致，4日18时开始，PM2.5与PM10质量浓度快速累积上升，至4日夜间到达高位，哈尔滨、齐齐哈尔、大庆PM2.5峰值浓度分别为 1349、397、1140 μg/m3，齐齐哈尔、大庆PM10峰值浓度分别为419、1370 μg/m3。高质量浓度持续至5日下午开始回落。因此，本次霾天气过程主要是一次在不利气象条件下形成的高浓度颗粒物污染事件。从SO2、NO2和CO体积浓度的变化曲线上看出，4—5日SO2、NO2和CO体积浓度均明显上升，由于SO2、NOx等一次气态污染物通过均相或非均相的氧化反应可以形成消光性较高的硫酸盐、硝酸盐等吸湿性颗粒物[20]，因此这些气态污染物质量浓度的明显上升，也成为此次霾加重，能见度恶化的原因之一[21]。

2.2 环流特征

图1 能见度随时间变化曲线

本次霾天气过程中，黑龙江省500 hPa上主要受平直的西风气流影响，东西伯利亚地区有弱冷空气活动（图略）。850 hPa上为西南气流控制，等温线密集区位于黑龙江省南部地区，有利于黑龙江省南部地区增湿、增暖，地面为弱高压场或鞍型场控制，且2016年11月4日之后，随着蒙古低压的发展，使得黑龙江省松嫩平原地区的倒槽维持，不利于污染物的扩散，对霾的形成和维持比较有利。5日开始，东西部利亚冷高压发展加强，黑龙江省松嫩平原转为偏北风，霾天气开始减弱，6日冷高压彻底移入黑龙江省，持续多日的霾天气彻底结束。

3 气象要素特征

3.1 湿度

图2为11月2日08时—6日08时哈尔滨、齐齐哈尔850 hPa温度和温度露点差时序图。严重霾天气开始前，850 hPa温度均明显升高，2日20时—3日20时齐齐哈尔升高6℃、哈尔滨升高8℃。低层温度的升高，有利于大气层结稳定的建立，有利于降低混合层高度，从而不利于大气污染物的扩散，使得霾天气得以加重。温度升高的同时，850 hPa温度露点差明显下降，2个站的最低值分别为1.2和2.1，湿度近饱和。低层湿度的升高，有利于大气污染物的吸湿增长[22]，使得大气污染物浓度增加、霾天气加重。

图2 11月2日08时—6日08时哈尔滨、齐齐哈尔850 hPa温度和温度露点差时序图

3.2 温度层结

表1为2016年11月2—6日哈尔滨和齐齐哈尔地区逆温层顶高度和逆温强度，可以看出2个站一直存在逆温，持续的逆温层结不利于低层大气污染物的扩散，有利于大气污染物的积累，是霾天气得以持续的原因之一。2日夜间逆温层顶降低或者逆温层消失，有利于大气污染物的垂直扩散，也是2日夜间霾天气短暂转好的重要原因。4日2个站的逆温层顶均升至925 hPa以上，逆温强度均为1℃，逆温层的增厚降低了大气的扩散能力，使得霾天气加重。6日20时逆温层破坏，持续多日的霾天气彻底结束。

表1 2016年11月2—6日哈尔滨和齐齐哈尔地区逆温层顶高度和逆温强度

3.3 涡度平流

图3为哈尔滨、齐齐哈尔2016年11月2—6日涡度平流时间垂直剖面图，利用涡度平流随高度的变化判断近地层辐合上升运动的强弱。2个站925 hPa高度以下涡度平流接近0，400 hPa以上涡度平流开始明显增加，由此可见，垂直运动强盛区位于对流层上层，低层垂直运动弱，有利于霾天气的维持和发展。其中，哈尔滨站4日对流层中低层有极弱的正涡度平流，产生弱的上升运动，是霾天气得以加重的原因之一。

3.4 后向轨迹分析

利用HYSPLIT模式，使用GDAS 0.5°×0.5°数据模拟哈尔滨、齐齐哈尔、大庆2016年11月4日08时72 h后向轨迹线和哈尔滨48 h后向轨迹概率。如图4分析得出，100 m处气团源于本地且高度位于500～1000 m，可见本地气团略有所下沉，使得污染物在低层积累。500 m处气团哈尔滨、大庆源于黑龙江省南部地区，垂直变化较小，说明边界层内垂直运动弱，有助于霾天气的发展加强；而齐齐哈尔500 m的气团源于蒙古国东部地区，气团在南下东移过程中缓慢下沉，携带的颗粒物有所积累；同时，由于气团源地工业化小，也是本次霾天气过程中齐齐哈尔相对较弱的原因之一。

图3 哈尔滨(a)、齐齐哈尔(b)2016年11月2—6日涡度平流时间垂直剖面图

图4 Hysplit模拟的2016年11月4日08时哈尔滨、大庆、齐齐哈尔72 h后向轨迹

4 结论与讨论

通过分析2016年11月1—6日黑龙江省一次霾天气的环流背景、污染物浓度和能见度变化以及其他气象要素的演变，发现此次黑龙江省霾天气具有持续时间长、能见度低、大气污染物浓度高的特征；较弱的天气条件，包括弱的地面气压场、弱的中层冷暖空气活动、弱的低压倒槽，是本次霾天气发生发展的重要原因，而冷高压前部偏北气流有利于霾天气的消散。所以，弱的天气条件预报，是预报霾天气的关键。本研究首次利用后向轨迹法分析了黑龙江省霾天气的污染物源地，表明本次霾天气过程的大气污染物主要源于本地。

本研究中的气象条件都比较弱，观测站点空间分布较稀疏，观测时间间隔较大，所代表的气象条件可能不够精细。在以后的研究中，如果能有时空分辨率更高的观测，可能有助于得到更加准确的研究结果。