天津市东丽区一次持续性雾霾天气过程的特征及影响要素分析

史珺 赵玉洁

(天津市东丽区气象局，天津 300300)

引言

当前，雾霾天气已经成为城市重要气象灾害之一。在雾霾天气过程中，主要有雾、轻雾和霾3种天气现象交替出现，一定条件下，雾、轻雾和霾之间存在相互转化的现象。根据《地面气象观测规范(2003)》，雾定义为大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能见度小于1.0 km。轻雾定义为微小水滴或已湿的吸湿性质粒所构成的灰白色的稀薄雾幕，使水平能见度大于等于1.0 km至小于10.0 km。霾定义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的空气普遍浑浊现象。雾霾天气的出现一方面与人类活动密切相关，当人类活动向大气排放污染物浓度超过大气自净能力时，就会导致雾霾现象出现；另一方面也需要特定的气象条件。

近年来，众多学者对形成雾霾的气候学及天气学特征等都做了大量的研究工作。雾霾天气出现、维持和消散受到大气扩散能力的影响，与局地气溶胶条件和气象条件密切相关[1-4]，特别是与地面天气形势密切相关[5-9]。此外，雾霾过程产生和维持也会受到边界层结构的影响[10]，城市热岛效应对雾霾产生和分布也有着重要影响[11-12]。但是目前对于雾霾天气现象中，雾、轻雾和霾不同阶段的影响因子以及雾霾过程中污染物回流时气象要素变化特征的分析还相对较少。

东丽区位于天津市的中东部地区，处于市区和滨海新区的交界处，同时受到城市热岛效应和渤海湾海陆风的影响，具有独特的气候特征和气象条件。鉴于此，选取2019年1月10—14日天津市东丽区出现的一次持续性雾霾天气过程进行研究，分析了雾霾天气过程的阶段性特征和各阶段的主要气象影响因子，并对雾霾阶段性消散和生成变化特点进行研究，以期为今后雾霾的预报提供参考。

1 资料与方法

常规气象数据来自于天津市气象信息中心和天津市东丽区气象局，包括地面能见度、相对湿度和风向风速。天气形势分析数据来自于中国气象局。PM2.5浓度资料来自天津市环境气象中心东丽区监测点。PM2.5自动监测使用热电RP1405F监测仪，采用的方法为震荡天平法。

2 结果分析

2.1 天气概况

2019年1月10—14日华北地区出现了一次大范围雾霾天气过程，其中12日早上、12日夜间到13日早上，天津地区出现大范围雾天气。13日11时左右受一股弱冷空气影响，12—16时天津市北部和中部部分地区空气质量短暂恢复良好水平，之后雾霾再度出现。14日夜间受冷空气南下影响，华北地区雾霾天气彻底消散。

2.2 环流背景和天气形势

1月9日夜间开始，华北地区高空环流转平，850 hPa以偏西气流为主，在华北中南部形成低压槽区，地面受弱高压场控制，静稳天气建立(图1a)。从11日夜间到13日早上，华北地区850 hPa一直处于暖脊控制，导致中层大气增温明显，为逆温层出现创造良好条件，地面维持稳定均压场(图1b至图1d)，部分时间段天津地区出现明显的雾天气。13日上午开始，一股弱冷空气影响天津中北部部分地区，风力增大，污染物逐渐消散，空气质量转好。13日下午随着弱冷空气减弱，地面逐渐转为弱高压控制(图1e)，天津地区再次被雾霾天气占据。14日白天上游的贝湖地区出现明显冷高压，但天津地区由于受弱高压和稳定层结影响，雾霾天气仍然维持。14日夜间冷高压到达天津地区，气压梯度增强，风向转变，风速明显增大，雾霾逐渐消散(图1f)。

气压单位为hPa图1 2019年1月9日(a)、10日(b)、11日(c)、12日(d)、13日(e)、14日(f)20时海平面气压分布Fig.1 Spatial distribution of sea level pressure field at 20:00 on January 9 (a),January 10 (b),January 11 (c), January 12 (d),January 13 (e),and January 14 (f),2019

2.3 地面气象条件

由图2可知，本次雾霾天气过程具有明显的阶段性特征。10日08时开始能见度下降，相对湿度增加，风速减小，有雾霾天气出现。12日08—10时，12日23时至13日09时有雾出现，其余大部分时间轻雾和霾交替出现。13日11时开始风力增加，能见度明显上升，14时能见度上升到30000 m，17时能见度下降到2820 m。14日21时之后风力明显增大，相对湿度迅速减小，雾霾逐渐消散。整个雾霾持续期间，霾多发生在白天，轻雾多在傍晚形成，夜间加重。

研究表明[13]，近地面风速较大时，湍流运动强烈，不利于建立静稳条件，而完全静风条件又导致近地面湍流运动较弱，使水汽无法向上扩散，不利于雾的出现。因此，一定强度风速是雾霾形成和发展的有利因素。从图2可以发现，整个雾霾出现期间，风速基本保持在0.5—3.5 m·s-1之间，没有静风出现。雾霾维持阶段的风向基本以南到西南风为主，13日下午和14日夜间雾霾消散阶段，风向则呈现西北风(图3)。一定数值范围的小风速和偏南风为整个雾霾天气过程形成提供相对稳定且水平输送较小的气象条件。

图2 2019年1月10日08时至15日08时东丽区能见度(a)、相对湿度(b)和风速(c)变化Fig.2 Time variations of visibility (a),relative humidity (b),and wind speed (c) in Dongli District from 08:00 on January 10 to 08:00 on January 15,2019

单位为m·s-1图3 2019年1月10日(a)、11日(b)、12日(c)、13日(d)、14日(e)和15日(f)东丽区玫瑰风向图Fig.3 Wind direction rose maps in Dongli District on January 10 (a),January 11 (b),January 12 (c),January 13 (d),January 14 (e),and January 15 (f),2019

为了更好地研究风速和相对湿度在不同阶段对能见度的影响，分别对雾、轻雾和霾阶段的能见度与风速和相对湿度分别进行相关性分析(表1)。在霾和轻雾阶段，能见度与相对湿度均呈现极显著负相关关系，相对湿度越大，能见度越低；能见度与风速呈现正相关关系，风速越小，能见度越低，其中霾阶段为极显著相关，轻雾阶段为显著相关。在这两个阶段的能见度与相对湿度的相关系数明显大于能见度与风速的相关系数，说明能见度更易受到相对湿度的影响。在雾阶段，能见度与相对湿度和风速均呈现极显著的负相关关系，并且能见度与风速的相关系数明显大于其与相对湿度的相关系数，说明在此阶段能见度更易受到风速的影响。雾阶段风速均在2 m·s-1以内，在此范围内风速适当增大，有利于能见度进一步下降，这与前人研究结论[14-15]不同。这是由于在雾阶段相对湿度基本达到饱和时，在一定小风速内，当风速有所增大时，反而更有利于吸湿性气溶胶在小范围内输送吸湿增长，进而导致能见度下降。

表1 雾霾出现时期不同阶段能见度与相对湿度、风速相关性Table 1 Correlations of visibility with relative humidity and wind speed at different stages during the fog and haze weather process

从表2可知，雾霾出现期间，PM2.5的浓度与能见度有很好的对应关系，这是由于空气中PM2.5浓度上升后，对于视觉出现阻碍，进而导致能见度下降。此外，风速和PM2.5的浓度同样具有极显著的负相关关系，风速越小，污染物扩散速度越慢，PM2.5浓度越高。而PM2.5浓度与相对湿度呈极显著的正相关关系，相对湿度增加有利于亲水性气溶胶吸湿增长，进而导致PM2.5浓度升高。

表2 雾霾出现时期PM2.5浓度与能见度、风速和相对湿度的相关性Table 2 Correlations of PM2.5 concentration with visibility,wind speed,and relative humidity during the fog and haze weather process

2.4 污染物回流阶段气象要素变化特征

从图2可以发现，13日11—17时能见度出现逐渐上升又快速下降的变化。11—14时能见度从3973 m逐渐上升至30000 m，而16—17时能见度从30000 m迅速下降至2820 m。

对比16：10—16：30各气象要素变化可以发现(表3)，截至到16：19能见度一直稳定维持在30000 m，16：20下降到19445 m，16：21迅速下降到3958 m，1 min下降79.65%，之后能见度稳定维持在4000 m以下。对比同时段的各种气象要素发现，在能见度开始下降的前后一段时间，风速和湿度变化不大，但是16：20之前风向一直为偏北风，16：21转为西南风并稳定维持。对比周边地区能见度(图4)，16：20位于东丽区偏北方向的各地区能见度数值大部分在10000 m以上，而偏南方向的各地区能见度数值均在7000 m以下，有雾霾天气出现。当东丽区风向由偏北风转为偏南风之后，南部的污染物迅速扩散到本地，导致本地区能见度迅速下降。

表3 2019年1月13日16：10—16：30东丽区各气象要素的变化Table 3 Variations of meteorological elements in Dongli District from 16:10 to 16:30 on January 13,2019

图4 2019年1月13日16：20天津市能见度空间分布Fig 4 Spatial distribution of visibility at 16:20 on January 13,2019 in Tianjin

综上所述，气象条件的变化对能见度的变化具有重要作用，尤其是当区域污染源相对稳定的条件下，风向变化对污染过程的累积和扩散起到了决定性作用。

3 结论与讨论

(1)雾霾期间，高空以稳定西风环流为主，对应地面弱气压场且水平风速较小，为雾霾天气提供了稳定的环流背景场。850 hPa受到暖脊控制，使中层产生逆温层并维持，抑制大气垂直运动，导致污染物在低层停滞积累，使得雾霾天气得以维持和发展。

(2)较小的风速、偏南风以及较大相对湿度是雾霾天气过程形成和发展的有利条件。本次雾霾天气过程具有明显的阶段性特征。霾和轻雾维持阶段，相对湿度对能见度的影响更大。雾阶段，风速对能见度的影响更大，在一定小风速范围内，风速适当增大有利于能见度的降低。PM2.5浓度与能见度、风速呈极显著负相关关系，与相对湿度呈极显著正相关关系。

(3)在日常天气预报预警工作中需要关注周边地区的雾霾天气和能见度的变化。当其他气象条件稳定、周边地区存在低能见度现象时，风向的转变成为决定本地能见度变化的关键性因素。一旦污染物高浓度地区成为本地区的上风区，本地能见度将迅速下降。