湖北省霾日数气候特征及夏季典型霾过程气象因子分析

马德栗1，  李兰1，  鞠英芹2

（1．武汉区域气候中心，湖北武汉430074；

2．中国气象局气象干部培训学院湖北分院，湖北武汉430074）

摘  要：利用湖北省77个气象站点近30年的霾日统计资料分析霾日数气候特征，结果表明，1981-2013年期间湖北省霾日数显著上升，20世纪90年代最低，21世纪以来最高，2013年达到历史新高；霾日数冬季最多，夏季最少；霾日数较多的地区集中在鄂西北、三峡河谷、鄂东北北部、鄂东南黄石地区一带，这与地形和经济条件密切相关。选取2012年夏季2次典型霾天气过程，分析霾发生的气象成因，研究发现北方污染源，在低层东北气流的引导下，加之本地良好的湿度条件和稳定的逆温层结，共同造成了突发大范围霾天气过程。

关键词：霾日数；气候特征；夏季典型霾过程

中图分类号：Xl6    文献标志码：A    doi: 10.3969/j.issn．1003-6504.2015.11.027  文章编号：1003-6504(2015)11-0148-06

    随着我国经济持续发展，化石燃料的大量燃烧、汽车尾气排放的急剧增加，排放人大气中的颗粒物越来越多，在静稳天气的配合下，湖北国霾天气日数呈显著增加趋势，特别是中东部出现了大范围的持续霾天气，PM2.5频频爆表，严重影响着人们生产生活和身心健康。湖北省情况也不容乐观，2012年6月湖北省中东部的2次严重霾过程，严重影响人们生活出行和社会稳定。目前，国内外学者曾对雾、霾的组成及其气候特征进行了研究，范引琪等分析河北省1960-2002年11个城市大气能见度变化，发现城市大气能见度均显著下降，且夏季能见度下降幅度最大。廖玉芳等通过研究发现20世纪70年代以来，湖南年霾日急剧增多，强度增强，且重度霾出现范围增大；刘爱君等分析广州近50 a霾天气气候特征及其成因，认为霾日数年际变化多于大气中的污染物浓度有关，月、季分布多受天气形势和气象条件所控制；赵普生等发现京津冀区域霾日数夏季和冬季霾日数较高；童尧青等分析南京地区霾天气的气候特征，霾日数呈明显上升趋势，且冬春大于夏秋；国内其它研究人员针对不同城市和地区分析霾气候特征。在全球气候背景下，分析研究湖北省霾日数时空变化特征及典型霾过程气象因子，为湖北省积极应对高影响霾突发天气过程提供科学依据。

1  资料

    选取湖北省1981-2013年77个台站逐日相对湿度和能见度，按照现行霾天气现象业务规定，日平均能见度<10.0 km、相对湿度<80%或者小时平均能见度<10.0 km、相对湿度≥80%且<95%同时出现时次达2次以上（须含14时）为一个霾日，统计各个台站月、季、年尺度霾天气日数；同时选取2012年6月11日和15日夏季高影响霾天气过程，及其温度、风场、相对湿度等气象因子。

2  湖北省霾日数变化特征

2.1  霾日数年特征

    1981-2013年湖北省年平均霾日数总体呈上升趋势，每10 a增多3d左右，且通过了显著性检验(图1)。但年代际间存在差别，20世纪80年代全省平均霾日数为19.8 d，高于1981-2013年平均值18.7 d，90年代平均霾日数16.4 d，而21世纪以来平均霾日数达到26.2 d，特别是2013年全省年平均日数高达61.4 d，远高于霾日数平均天数。

2.2  霾日数月、季变化特征

    湖北省近30 a平均霾日数月变化成“U”型特征，7月最低仅0.3 d，1月最高达3.4 d（图2）；从季节变化来看，夏季最低，对全年霾日数贡献率仅为8%，而冬季最高，达9d，是夏季该省平均霾日数的9倍，贡献率达48%，冬春两季对全年霾日数贡献高达72%，故冬春两季是霾发生的主要季节（图3）。

2.3  霾日数空间分布特征

    湖北省年平均霾日数较多的地区集中在鄂西北、三峡河谷、鄂东北北部、鄂东南黄石地区一带，霾日数较低地区主要集中在鄂西南、鄂西北神农架林区、江汉平原一带（图4）；这与地形和经济条件密切相关，一方面鄂北地区冬季盛行西北风，易受北方干冷空气影响，在外来输送和本地污染物的影响下，易出现霾天气，同时，鄂东北北部受到翻越大别山区下沉气流的影响，垂直扩散条件受阻，形成了霾天气的高发区；而鄂西南属于高山地区，受西南暖湿气候影响，不容易形成霾天气，江汉平原地势平坦扩散条件良好，利于霾及时扩散；另一方面，鄂东南黄石地区盛产矿石，属于重工业城市，本地污染源较多，为霾形成提供了有利条件。

3  夏季典型霾过程成因分析

3.1  典型过程概况

    夏季湖北省气温升高，大气对流旺盛，静稳天气少，利于污染物扩散，是霾少发季节，但近年来由于人为污染源增多，夏季霾过程有所增多，选取2012年湖北省出现的2次典型霾过程，并分析霾过程出现的天气原因。

    利用TERRA卫星数据，可以监测到2012年6月11日和15日，湖北东部、河南东南部、安徽北部和江苏北部地区出现2次严重霾过程天气（图5）。武汉市PM10、PM25浓度逐日变化曲线显示6月ll日和15日2种污染物浓度达到峰值，PM]o分别为99.1μg/m3和58.4 μg/m3，PM2.5分别为92.2 μg/m3和54.0μg/m3，高于月内其他时段（图6）；根据武汉市环保局发布数据显示，6月11日和15日污染指数(API)分别达到233和139；大气颗粒物浓度监测显示11日14:00 PM2.5浓度最高达到610μg/m3。

3.2  成因分析

3.2.1  水汽条件

    6月11日和6月15日2次霾过程出现的前一天，武汉均出现弱降水，10日武汉降水量为6 mm，14日为1 mm，弱降水增加了空气的相对湿度，为霾形成提供有利的水汽条件。

    由2次霾过程相对湿度逐小时变化看出（图7），2次过程8:00之前相对湿度较大，均保持在90%以上，霾浓度达到最高值，能见度最差，随后相对湿度均出现下降，能见度有所好转，但对比2次过程，6月ll日相对湿度保持在70%以上，而15日相对湿度迅速下降，到17:00降至32%，相对湿度的下降也直接导致霾浓度的下降，这在图2 PM10、PM2.5浓度逐日变化中也得到体现。

    温度露点差表征空气湿度的饱和程度。2次过程中前日21:00至当日8:00温度露点差均在2℃以下（图8），水汽较为饱和，易附着于烟幕等凝结核上，造成能见度更低。8时以后，随着太阳升起，气温升高，温度露点差加大，空气中水分含量降低，相对湿度下降（图7），能见度有所好转。6月11日霾发生后温度露点差有所上升，而15日温度露点差上升幅度更大，水汽条件迅速变差，不利于霾天气维持。

3.2.2  低空引导气流

    利用美国国家环境预报中心(NECP)/美国国家大气研究中心(NCAR)提供的FNL全球分析资料(10:00)分析925 hPa风场（图9）。6月11日在925 hPa风场合成图上，湖北东部为气旋性环流，处于弱高压的中东部，吹东北风，利于下沉堆积运动。15日湖北东部一致为东北气流，较有利于霾向东南扩散，故15日的污染物的浓度低于11日。

3.2.3  逆温层结

    根据FNL资料(10:00)沿310N温度坡面图(图10)，6月ll日10点逆温层中心出现在ll40E，逆温底部位于700 m附近，逆温层较为稳定。6月15日10:00逆温层出现在112°E-115°E，且逆温层高度较低，顶部在300 m左右，底部几乎接地，这种逆温层结，易受到地面长波辐射影响，遭到破坏。总的来说，逆温层结为霾过程创造良好的热力条件。

3.2.4  垂直速度(ω)

    在925 hPa垂直速度分布图上，6月ll日10:00垂直速度在湖北省东北部呈正的垂直速度，即下沉气流，有利于霾在我省东北部聚集。15日东北部大别山北部呈上升气流，山南边呈下沉气流，促使东北部污染物聚集（图11）。

    对比11日和15日2次过程的垂直速度绝对值，11日数值远小于15日，这与11日上升运动得到更好的抑制有关。15日山北上升、山南下沉，一方面与气流爬坡有关，另一方面上升、下沉运动较11日强烈，上升运动没有得到较好的抑制，在地面也表现为11日的霾过程比15日更加严重。

3.2.5  污染源

    进入6月以来，北方小麦主产区相继进入收割期，大量秸秆焚烧，为湖北省霾天气形成提供充足污染源。根据环保部卫星热源点监测，6月11日和6月15日，北方小麦主产区河南、山东、安徽、江苏等省出现大量热源点，特别是6月11-13日河南等4省份热源点分别达到483个、782个、863个（表1）。

3.2.6  后向轨迹追踪

    采用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的全球同化系统(GDAS)数据计算污染物气团轨迹，轨迹计算采用美国NOAA研制的轨迹模式HYS -PLIT4.8，计算污染浓度最高时段72 h后向轨迹，轨迹终点设为湖北省气象局大气成分监测站，设置500、1 000 m 2个终点高度代表边界低层气团的走向。

    由2次夏季霾过程72 h质点后向轨迹图可以看出（图12），11日和15日污染物均来自近地层，且都经过北方秸秆燃烧区；11日污染物为湖北省西北部和北部省份污染源混合型输入，15日则为北方及东部秸秆燃烧区外来型输入。

4  结论与讨论

    1981年以来湖北省霾日数总体呈上升趋势，进入21世纪平均霾日数高于常年均值，特别是2013年全省年平均日数高达61.4 d；从时间分布来看，7月最低，1月最高；冬春季较多，全年霾日数贡献高达72%；夏秋季节较少，故冬春两季是霾发生的主要季节。湖北省霾日数较多的地区集中在鄂西北、三峡河谷、鄂东北北部、鄂东南黄石地区一带，霾日数较低地区主要集中在鄂西南、鄂西北神农架林区、江汉平原一带，这不仅与天气条件有关，还与地形和经济状况密切相关。

    夏季虽然是霾少发季节，但近些年时有发生，影响严重；6月北方小麦主产区大量秸秆人为焚烧，为霾天气形成提供充足污染源，前期有利的湿度条件为霾形成提供重要水汽来源，低空东北引导气流有利于北方污染物向湖北省扩散，加之该省大气逆温层结不利污染物扩散，共同造成了夏季霾过程高影响天气。