2018年1月青岛市一次重度污染雾—霾天气成因分析

樊晓婷 李英 刘应辰

1 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081

2 中国海洋大学海洋与大气学院，青岛 266003

1 引言

雾—霾是一种天气现象，是特定气候条件与人类活动相互作用的结果。曹伟华等（2013）参照中国气象局发布的《霾的观测和预报等级》（QX/T113-2010）及《雾的预报等级》（GB/T27964-2011）中的定义指出：在排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪和雪暴等天气现象造成的视程障碍后，能见度小于10 km时，空气相对湿度≥95%的天气现象定义为雾，相对湿度<80%的定义为霾，相对湿度为80%～95%时，若PM2.5质量浓度>75 µg/m3，则定义为霾，若PM2.5质量浓度不大于75 µg/m3，则定义为雾。该定义标准适用于本文。

雾—霾天气对市民的身体健康、交通运输、生态环境以及农业生产等会产生严重影响，越来越受到社会关注。研究发现，近50年我国大部分地区大雾日数呈减少趋势，呈现东南部多，西北部少的特点；大部地区总体上冬季雾—霾天数多，夏季雾—霾天数少，东部地区雾—霾天数一般较长，西部地区则历时较短（高歌, 2008; Quan et al., 2011; 丁一汇和柳艳菊, 2014）。张小曳等（2013）和 Gao et al.（2015）指出我国现今雾—霾的主因是严重的气溶胶污染，但气象条件对其形成、分布、维持与变化作用显著，二次气溶胶形成与变化受气象条件影响大，导致我国霾呈区域性分布特点。史军等（2010）、张恒德等（2011）和张人禾等（2014）探讨了我国东部地区雾—霾成因，指出雾—霾出现前后气象要素特征有明显差异，气象因子可以解释超过2/3的雾—霾天气逐日变化的方差，环流背景、涡度平流和温度平流均对雾—霾形成和维持有重要作用（赵桂香等, 2011; 张莉等, 2015）。此外，控制PM2.5浓度对于改善能见度有重要作用（苗爱梅等, 2014）。刘应辰（2006）和魏玉香等（2009）等探究了大气气溶胶与气象条件间的关系，指出较高的相对湿度会促进“气—粒”转化，增强二次气溶胶的散射能力，而地面风速增大是造成雾—霾减少的主要原因。柴艺淳（2015）研究区域性雾—霾过程中的大气气溶胶分布发现，0～5 km高度范围内的大气以烟气溶胶和陆地气溶胶等人为排放的细粒子气溶胶居多，2 km以下粒子的规则程度和散射能力均较强。这些研究加深了对雾—霾天气发生发展机制的理解，但对于雾—霾天气过程以及形成成因尚需进一步探究。

青岛地处山东半岛东南部，胶州半岛东部，南邻黄海，隔海与朝鲜半岛相望，属温带季风气候，霾污染天数较内陆地区少，污染程度较轻。但在一定条件下，也可以发生严重雾—霾天气，如2018年1月15～22日期间，青岛市就遭遇了一场范围较大、持续时间较长的雾—霾天气过程，空气质量指数（Air Quality Index，AQI）有一半以上时间处于重度污染及以上（图1），均值为182，其中20日11:00（北京时间，下同）达到最大值356，属严重污染。为探究此次重度污染雾—霾天气的成因，本文对天气过程进行了阶段性划分，采用

图1 2018 年 1 月 15～23 日青岛市空气质量指数 AQI逐时变化Fig.1 Hourly changes in air quality index in Qingdao City from 15 to 23 January 2018

HYSPLIT（ Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）模式探讨雾—霾期间污染物特征及后向轨迹，分析导致污染天气发生的环流形势、主要气象因子以及不同阶段相对湿度和PM2.5浓度与能见度间的关系。

2 资料与方法

本文所用资料包括国家气象信息中心提供的国家站地面逐时观测数据，中国环境监测总站提供的青岛地区空气质量逐时监测数据，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的0.125°（纬度）×0.125°（经度）逐6 h再分析格点资料，以及位于中国海洋大学鱼山校区的八关山地面气象观测场逐时质控数据。文中污染物浓度为设于青岛地区的9个空气质量监测点的逐小时平均，包括：李沧区子站、市南区东部子站、仰口区子站、崂山区子站、四方区子站、城阳区子站、市南区西部子站、黄岛区子站和市北区子站。能见度和相对湿度选用距该9个空气质量监测点较近的4个国家站观测资料平均值，分别为青岛站（54857）、崂山站（54853）、黄岛站（54943）和胶州站（54849）。

2018年1月15～22日青岛地区出现了1次长达一周的大范围重污染天气，根据雾、霾定义，综合分析能见度、相对湿度和PM2.5浓度数据，将此次天气过程划分为不同阶段。15日00:00至16日20:00（持续44 h）为霾阶段1，16日21:00至17日01:00（仅维持4 h）为雾，17日02:00至18日03:00为霾阶段2，18日04:00至18日23:00霾逐渐消退，19日00:00至22日13:00又为持续时间长达85 h的霾阶段3，之后空气质量良好。此次天气以霾为主，21日夜间出现7级大风，22日出现中到大雪，雾—霾很快消散。

3 污染物特征及其后向轨迹

由此次天气过程期间青岛地区5种污染物（包括PM2.5、PM10、SO2、NO2和O3）平均浓度的逐时变化（图2）可见，PM10为首要污染物，其次为PM2.5以及NO2，三者变化趋势基本一致，在霾阶段2和霾阶段3均呈逐渐增加趋势，并于20日11:00达到峰值，其浓度分别为458 µg/m3，306 µg/m3和 141 µg/m3，随后减少，22 日起污染减轻，天气状况恢复良好。期间SO2浓度变化较小，而O3与PM2.5浓度变化整体呈负相关，这与Jia et al.（2017）的研究结论一致，在大气氧化条件较弱的寒冷季节，PM2.5浓度增加会抑制地表太阳辐射，从而削弱O3产生。

图2 2018 年 1 月 15～22 日青岛市 PM2.5、PM10、SO2、NO2和O3平均浓度的逐时变化Fig.2 Hourly change of average concentrations of PM2.5, PM10,SO2, NO2, and O3 in Qingdao City during 15–22 January 2018

为分析此次天气过程中污染物来源和扩散路径，利用0.5°（纬度）×0.5°（经度）的美国国家环境预报中心（GDAS）数据驱动HYSPLIT模式，对青岛地区（36.1°N，120.3°E）近地面层50 m、500 m和 1000 m 3个高度气流进行 48 h后向轨迹追踪。可见雾—霾前期即15日05:00（图3a），青岛地区在1000 m和500 m两个高度上为主要来自蒙古地区的北方干冷气团，且1000 m高度上气团的下沉运动较明显，50 m高度的气团则为来自江淮流域的湿空气，两者在山东半岛北部汇合，由喇叭口地形输入到青岛市区，形成灰霾天气。18日（图3b）气团轨迹与15日相似，但后向追踪到的范围较近，意味着气团移速较慢，处于污染物堆积阶段。在污染最严重的阶段20日07:00（图3c），气团移动距离最短，50 m和500 m高度气团主要来自山东地区本地的大气污染物排放，大气垂直扩散很弱，上下湍流不明显，1000 m高度则由京津冀地区气团沿西北气流经半岛北部向青岛输送。随后冷空气东移南下，垂直运动加强，其清除作用导致雾—霾天气结束。总体来看，此次污染过程青岛地区的污染物除与北方干冷气团和江淮湿空气远距离输送并在山东半岛北部汇聚堆积有关外，局地大气污染物的排放在污染天气后期也有重要影响。

图3 2018 年 1 月（a）15 日 05:00、（b）18 日 05:00 和（c）20 日 07:00 青岛地区（36.1°N，120.3°E ）气流后向轨迹Fig.3 Backward trajectory of airflow over Qingdao (36.1°N, 120.3°E) at (a) 0500 LST 15 January, (b) 0500 LST 18 January, and (c) 0700 LST 20 January 2018

4 雾—霾发生的天气形势和大气层结

4.1 天气形势

由2018年1月20日500 hPa位势高度场（图4 a）可见，乌拉尔山附近为阻塞高压中心，处于发展阶段，中西伯利亚高原为一深厚冷低压中心，冷空气范围较大，横槽稳定维持，中纬度地区基本为纬向型，多短波槽活动，冷空气较弱，青岛受平直西风气流控制，云量较少，利于夜间地表辐射冷却，边界层形成逆温结构，为雾—霾发展提供稳定的大气环境。700 hPa 与 500 hPa 形势一致（图4b），青岛处于等0°C线以北，西北气流将来自沙漠化较为严重地区的气团带到华北地区，并在安徽—江苏一带与西南气流汇合。由1月20日850 hPa温度场（图5a）可见，青岛地区等温线稀疏，风速较小，市南区受弱冷空气影响。地面上（图5b），青岛处于弱高压边缘区域东侧，风力较小，不利于污染物扩散。

图4 2018年 1月 20日 08:00（a）500 hPa和（b）700 hPa位势高度场（等值线，单位：gpm）、温度场（填色，单位：°C）和风场（矢量场，单位：m/s）分布。绿点表示青岛市区Fig.4 Distribution of the geopotential height field (contour, units: gpm), temperature field (colored, units:°C), and wind field (vector, units: m/s) at(a) 500 hPa and (b) 700 hPa at 0800 LST 20 January 2018.The green dots represent the Qingdao urban areas

图5 2018 年 1 月 20 日 08:00（a）850 hPa温度场（单位：°C）和风场（单位：m/s）、（b）海平面气压场（单位：hPa）和风场（单位：m/s）分布。绿点表示青岛市区Fig.5 Distribution of (a) the temperature field (°C) and wind field(m/s) at 850 hPa, (b) sea level pressure field (hPa), and surface wind field (m/s) at 0800 LST 20 January 2018.The green dots represent the Qingdao urban area

此次雾—霾天气过程期间，冷空气在西西伯利亚至蒙古一带持续累积加强，冷中心范围扩大，横槽缓慢南压，环流形势稳定，青岛地区处于平直西风气流区，850 hPa冷暖平流不明显，有时受弱冷平流影响。直至22日，随着阻塞高压发展东移，暖平流和负涡度平流进入横槽内，横槽转竖，纬向型环流转为经向型，强冷空气迅速南下，青岛地区处于槽区，且位于西北急流轴附近，温度梯度加大，冷锋锋生，气温骤降，地面风速急增，盛行东北风，08:00起有强降雪发生，空气中气溶胶颗粒出现湿沉降过程，雾—霾逐渐消散，空气质量转好。

4.2 大气层结

由青岛站2018年1月15日08:00的温度对数压力图（图6a）可见，近地面存在逆温层，且逆温层内风速较小。一方面使得大气变得更加稳定，不利于污染物扩散，另一方面，地面气温较低，利于相对湿度增大，从而利于水汽在污染物上附着。云雾滴和气溶胶的增加对太阳短波辐射起衰减作用，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，从而更有利于雾—霾发展维持。1月16日20:00（图6b），近地面层和中层趋于饱和，湿层范围宽广，丰富的水汽与污染物互为载体。近地面风速较弱，为偏南风，由暖湿区指向干冷区，有利于平流雾出现，且925 hPa以下为弱的不稳定层结，有利于雾区厚度的增加。随后转为偏北风，暖湿空气来源中断，雾又转为霾。1月21日20:00（图6c），对流层下层趋于饱和，高低空的湿度条件都较好，700 hPa以下具有风速和风向的强垂直切变，低层为不稳定层结，对流凝结高度较低，利于次日凌晨降雪的发生。可见近地层为逆温层，且低层风速较弱，水汽条件较好时有利于雾—霾的维持发展。

图6 青岛站（54857）2018 年 1 月（a）15 日 08:00、（b）16 日20:00和（c）21日20:00的温度对数压力图Fig.6 Temperature–log p diagram at the Qingdao station (54857) at(a) 0800 LST 15 January, (b) 2000 LST 16 January, and (c) 2000 LST 21 January 2018

5 影响能见度的气象因子

5.1 气压和风

气压的变化会引起气流的辐合辐散，影响污染物的输送，进而引起能见度的变化。由图7可见，雾—霾天气期间，观测到的气压值与能见度基本同步变化，整体呈“低—高—低”分布。气压减小时，气流辐合，有利于周围污染物在某区域聚集，能见度降低；同理，当气压增大时，气流辐散，有利于污染物往其他区域平流输送，能见度增大。2018年1月19日00:00起进入维持时间长达75 h的霾阶段3，期间当气压维持较高水平时，对应下沉气流，不利于前期聚集的污染物向高空扩散，能见度在低值区波动。随后气压降低，能见度几乎同步增大。经计算，此次雾—霾期间气压与能见度的相关系数为0.20，通过置信度为99%的显著性检验。

图7 2018年 1月15～22日青岛地区气压（绿线，单位：hPa）、平均地面风速（蓝线，单位：m/s）与能见度（红线，单位：m）的逐时分布Fig.7 Hourly distribution of pressure (green line, units: hPa), average surface wind speed (blue line, units: m/s), and visibility (red line, units: m) in Qingdao from 15 to 22 January 2018

风场是雾—霾天气能否持续发展的动力决定因子，由平均表面风速与能见度的逐时变化可见，雾—霾期间青岛市区风速在0.1～5.2 m/s，平均风速为2.58 m/s，大气静稳，有利于污染物在城市上空堆积而不利于污染物的扩散。风速与能见度的相关系数为0.42，并通过置信度为99%的显著性检验。由平均表面风速的空间分布（图8a）可见，2018年1月18日山东东部受反气旋控制，有利于污染物向四周扩散，同时青岛市区主要受偏东风影响，即吹海风，持续海风对污染物有清洁扩散作用，故18日空气两度转好。19日（图8b）青岛由海风转为陆风，当日的空气质量监测显示河北、河南、江苏等地均出现大范围严重污染，近半数监测点AQI超过300，陆风将内陆地区的污染物输送至青岛地区，且平度、莱西等地出现风向的辐合，有利于污染物汇聚。综上，平均表面风速与能见度呈正相关，较小的风速有利于雾—霾的维持，当青岛地区风速超过5 m/s或持续吹海风时有利于污染物的清洁扩散。

图8 山东省2018年1月（a）18日、（b）19日14:00地面10 m高度风速（单位：m/s）分布。红点表示青岛市区Fig.8 Distribution of wind speed (m/s) at the height of 10 m at 1400 LST on (a) 18 and (b) 19 January in Shandong Province.The red dots represent the urban area of Qingdao

5.2 散度和相对湿度

图9a是雾—霾期间青岛（36.1°N，120.3°E）的散度时间—高度剖面图，由图可见，散度绝对值大值中心高度位于600 hPa以上层，800 hPa以下层散度有正有负，但绝对值较小，说明较强的垂直对流位于中高层，低层大气动力湍流交换能力弱，有利于雾—霾天气维持。霾阶段3期间，950 hPa以下层散度基本为负，表明低空存在弱辐合上升运动，可将近地层附近的颗粒物带到一定的高度，霾层向上伸展，且有利于低层水汽含量增大，使湿层达到一定的厚度，垂直能见度变差，雾霾浓度变大。950 hPa以上至800 hPa层为弱正散度区，即存在不太强的下沉运动，不至于令积累的霾层因持续垂直扩散而消散，并将较低上空的颗粒物带到近地层，有利于霾量积累和霾发展。

水汽条件是雾和霾维持及转化的关键因子，图9b为雾—霾期间青岛（36.1°N，120.3°E）的相对湿度时间—高度剖面图。霾阶段1期间，高层相对湿度较大，大值中心位于500 hPa左右，达到饱和，与当天500 hPa有小槽过境相对应，16日中低层相对湿度条件也较好，大于60%。高湿度是大气污染产生的重要条件，这是因为水汽以污染物为凝结核使小水滴变大，增加视程障碍，降低能见度，同时使污染物存留不易扩散，利于霾维持。16日21:00起，霾转为雾，但湿层厚度仅达900 hPa，900 hPa以上气层很干，不利于雾持续发展。4 h后转为霾，湿层厚度略高于 900 hPa，850 hPa 至 500 hPa仍较干，相对湿度小于40%。随后低层相对湿度迅速减小，近地层相对湿度仅为30%～40%，即500 hPa以下整层较干，不利于雾—霾发展，霾天气和好天气交替发生。19日00:00起随着低层相对湿度条件变好，再次进入霾阶段，低层相对湿度为60%左右，湿层厚度位于900 hPa以下，利于霾维持发展。21日12:00后高低层水汽通道打通，湿层厚度迅速增加，即500 hPa以下整层为湿，为即将来临的降雪提供了很好的水汽条件。综上，当低层相对湿度大于60%且湿层厚度在900 hPa以下时，有利于霾发展；当500 hPa以下整层为湿时有利于对流天气发生，不利于雾—霾长久维持。

图9 2018 年 1 月 15～22 日青岛（36.1°N，120.3°E）（a）散度（单位：10−5 s−1）和（b）相对湿度的时间—高度剖面Fig.9 Time–height profile of (a) divergence (10−5 s−1) and (b) relative humidity over Qingdao (36.1°N, 120.3°E) during 15–22 January 2018

5.3 PM2.5浓度、相对湿度与能见度的关系

位于青岛市市南区八关山自动站的能见度数据与PM2.5浓度相关性较好，相关系数为−0.72709，通过置信度为99%的显著性检验。将该测站的天气过程分为霾过程（包括2018年1月16日06:00至 21:00、17日 07:00至 18日 14:00、19日 14:00至21日06:00），雾过程（包括16日22:00至17日06:00、21日07:00至10:00）和雾、霾混合过程（包括21日11:00至22日11:00），并分别绘制各阶段能见度与PM2.5浓度（图10a）和相对湿度（图10b）的散点图，分析三者相关性及在此次雾—霾演变过程中的作用。

图10 2018年1月16～22日八关山观测场逐时站点能见度与（a）PM2.5浓度和（b）相对湿度散点分布Fig.10 Scatter distribution of visibility in the observation field of Baguan mountain station and (a) PM2.5 concentration and (b) relative humidity during 16–22 January 2018

在霾阶段，PM2.5浓度的主要范围为100～250 µg/m3，与能见度相关系数为−0.65，PM2.5 浓度高于150 µg/m3时，能见度基本低于5000 m；霾阶段相对湿度主要范围为60%～90%，与能见度相关系数为−0.56，相对湿度为90%左右时，能见度基本小于3000 m。对于雾阶段，相对湿度大于85%，与能见度相关系数为−0.98，PM2.5浓度约为75 µg/m3。对于雾、霾混合阶段，PM2.5浓度的范围为100～250 µg/m3，与能见度的相关系数为−0.58；相对湿度范围为80%～95%，能见度范围为1500～5000 m，两者相关系数仅为−0.12。以上相关系数均通过置信度为99%的显著性检验。可见，此次雾—霾过程期间，霾阶段的能见度由PM2.5浓度和相对湿度共同影响，影响力相当；雾阶段受相对湿度影响较大；雾、霾混合阶段，PM2.5浓度是影响能见度的主要因子。

6 结论

利用常规气象观测资料、ECMWF 逐6 h再分析资料、中国环境监测总站空气质量监测数据及青岛市八关山自动站逐小时观测数据，对青岛市2018年1月15～22日严重污染的雾—霾天气过程分析后得到：

（1）此次过程以霾天气为主，持续时间较长，影响范围较广。首要污染物为PM10，其次为PM2.5和NO2，HYSPLIT模式后向轨迹表明前期污染物主要为来自北方干冷空气与江淮湿空气在半岛北部汇聚，后期则主要包括山东局地的大气污染物排放。

（2）雾—霾天气期间，中高纬东亚横槽稳定维持，青岛主要受平直西风气流控制，天气静稳，地面上等压线稀疏，风速小，且出现逆温层，利于雾—霾维持；随着500 hPa阻塞高压加强东移，横槽转竖，纬向型环流转为经向型，冷空气大举南下，风速骤增，降雪发生，雾—霾迅速消散。

（3）分析影响能见度的气象因子发现，平均表面风速与能见度呈正相关，当青岛地区风速超过5 m/s或持续吹海风时对污染物清洁扩散作用明显；低层弱垂直运动对雾—霾发展有重要意义，低层为弱上升运动且高度低于900 hPa时，有利于霾层向上伸展，低层为弱下沉运动时可将较低上空污染物汇聚在近地层，利于霾量积累；当有相关天气系统配合时，低层相对湿度为60%～70%且湿层厚度在900 hPa以下，利于霾维持。

（4）当天气背景场相对稳定，气压变化不大，风速较小时，相对湿度和PM2.5浓度对雾—霾演变起主要作用：霾阶段的能见度由相对湿度和PM2.5浓度共同影响，雾阶段能见度受相对湿度影响较大，静稳条件下PM2.5浓度累积增加是影响雾、霾混合阶段能见度的主要因子。

致谢感谢王晓磊老师发布的来自中国环境监测总站的中国空气质量历史数据，网址为https://quotsoft.net/air/[2021-02-02]。