湖北省大范围霾天气近地层输送特征研究

 周悦，  李兰，  刘敏，  岳岩裕

 （1．武汉区域气候中心，湖北武汉430074；2．武汉中心气象台，湖北武汉430074）

  摘要：利用2013年11-12月湖北省80个气象站气象要素和天气现象的观测资料，对霾天气过程的时空分布和近地层输送特征进行了初步分析。结果表明：2013年11-12月湖北省共发生了4次大范围霾天气过程，其影响范围和持续时间不断增加；霾天气主要集中发生在鄂西北、三峡河谷和鄂东的部分地区，受来自重污染区污染物的远程输送贡献较大，而鄂西南高海拔山区和江汉平原南部霾天气发生较少；北风是霾天气过程中的主导风向，分别占襄樊地区和武汉地区总风向频率的55.0%和55.4%，而宜昌地区由于受地形地势的影响，霾天气过程中东风出现的频率较高，为40.3%；风矢量和分析表明：大范围霾天气过程中，湖北省北部存在来自北方重霾区的气流输送，中部向东部和西部的输送过程明显，南部缺少显著的向外输送气流；同时，中部存在的顺时针气流偏转，易导致污染物的停滞和堆积；而当存在来自重污染区的强平流输送时，也会造成大范围霾天气的出现。风矢量和与能见度的相关特征进一步佐证这一特点，两者总体呈正相关关系，3个地区的相关系数均大于0.5，但当武汉地区风矢量和超过15 m/s，襄樊地区风矢量和大于24 m/s时，两地的相关关系均变为负相关，强水平输送加剧了霾天气过程。

 关键词：湖北省；霾天气；风矢量和；输送条件

 霾是一种对视程造成障碍的天气现象，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 km，造成空气普遍浑浊。霾天气发生时，空气中细粒子（矿物颗粒物、硫酸盐、硝酸盐和有机碳氢化合物等气溶胶）数浓度增加，细小粒子易侵人人体呼吸道和内脏器官中，致使呼吸系统疾病和心血管疾病明显增加。同时，细粒子对可见光的散射作用会加剧能见度的下降，导致交通事故频发。近年来，随着我国经济的快速发展，工业化进程和城市化进程的不断加快，环境污染日益严重，霾天气的发生日趋频繁，已然成为了一种新的灾害性天气。国内对霾天气的研究主要集中在珠三角、长三角和京津冀地区，而近年来我国霾天气的发生频次和分布范围显著增加，伍红雨等指出华南平均年霾日以5.8 d/10 a的速率显著增加，明显高于全国平均值(3.19 d/10 a)。进入21世纪后我国东部大部分区域的霾日超过100 d，其中大城市区域超过了150 d，京津冀地区的霾日数平均接近60 d/a。在一段时期内，自然排放和人为排放的污染物总量是相对稳定的，霾天气的持续出现主要受到气象要素的影响，张小曳等指出风速、风向、相对湿度、大气凝结函数、大气稳定度等要素的变化特征能够有效判别霾天气的出现与否。而大范围霾天气的持续出现则与大气对污染物的稀释扩散能力息息相关，童尧青等指出南京地区的霾日均风速在0—4m/s，且适宜的相对湿度有利于霾天气的产生。但朱佳雷等指出对于秸秆燃烧期间，稳定的低空大气层结、地面的静小风和低湿环境可以有效阻碍大气污染物的沉降和扩散，从而为持续的霾天气提供条件。

 2013年湖北省出现了多次大范围的霾天气过程，冬季全省霾日数平均12.7 d，为1961年以来最高值，湖北省气象局共发布了霾黄色预警信号5个，橙色预警信号4个，导致全省多条高速公路封闭和部分中小学停课。同时，大范围霾天气的出现使得冷空气南下和降水等过程对霾粒子的清除作用明显减弱，易导致部分地区霾天气的长时间维持。目前对湖北地区的霾天气研究相对较少，因此开展湖北省大范围霾天气过程发生规律及其输送特征的研究，将有利于提高对大范围霾天气过程的认识，为准确急性霾预报预警提供理论依据。

1  资料和研究方法

 研究资料为2013年11-12月湖北省80个气象站的逐时气象要素，包括气温、湿度、风向和风速，每日4次的能见度，以及逐日的天气现象观测资料，其中武汉的能见度观测资料为逐小时。结合各个站点的天气现象观测，当全省有超过30%的站点（24个）出现霾天气时，即可以认为湖北省出现了大范围的霾天气过程。

 风矢量和是判断大气水平输送能力的指标，能够有效反映出一个区域在一段时间内空气流动的输送作用，进而表现出当地空气流动带来的累积效应。本文采用cressman插值法对站点观测的风向、风速资料进行网格化( 0.050x0.050)，风矢量和的计算是通过对该格点和周围4个格点共5个格点风矢量大小先进行空间矢量叠加，得到逐时次各格点处风矢量和的大小，再进行空间矢量叠加，进而反映出某段时间内区域矢量和的分布特征，具体计算方法见文献[13，16]。

2  结果与讨论

2.1  大范围霾天气的时空分布特征

对大范围霾天气过程的描述要从时间和空间2方面来说明，本文利用湖北省80个气象站的气象要素观测资料，对湖北省大范围霾天气过程的时空分布特征进行统计分析。从图1中可以看出，2013年11-12月共出现了4次大范围的霾天气过程，分别为11月8-9日，11月21-23日，12月4-9日和12月18-27日，总站数分别为69、124、220和441站，持续时间分别为2、3、6和10 d，其影响范围和持续时间呈显著增加的趋势，尤其在12月18-27日的大范围霾过程中两者均达到了最强；而11月24日-12月3日的霾天气发生站数较少，平均站数仅为6.7站，且11月23-24日的天气过程使得霾发生站数从43站迅速减少为1站，并较长时间维持在10站以内。

图2进一步给出了4次大范围霾天气过程中霾日数比和平均能见度的分布特征，霾日数比表征了各站霾发生日数占过程持续总日数的比例，而平均能见度则可以在一定程度上反映各站霾过程的强度。可以看出，除了在鄂西南高海拔山区和江汉平原南部的部分地区霾天气发生较少，湖北省大部分地区均受到霾天气的影响，4次过程中出现霾天气的站数占总站数的比例从50%增加到了80%，充分表现了其大范围发生的空间特征。同时，这4次大范围霾天气过程中也存在着能见度明显偏低且霾天气持续出现（霾日数比值较大）的重点受影响区域，主要集中在鄂西北、三峡河谷和鄂东的部分地区。

2.2  风速、风向对大范围霾天气的影响

  霾天气出现的频数是由本地源和污染物输送共同决定的，污染物的水平输送对其影响显著风速、风向作为描述水平输送条件的基本气象要素，风的大小及其来向将会在很大程度上决定污染气团的属性，所以对风速、风向的分析在霾天气过程输送特征研究中显得尤为重要。而能见度的降低是霾天气出现的最主要特征之一，并且其可以综合地反映霾天气过程悬浮颗粒物的多少，进而表明霾天气的强度。因此我们首先分析风速对能见度分布的影响，图3给出了4次大范围霾天气过程中风速和能见度的分布特征。可以看出，4次过程中均存在一个从鄂北中部的襄樊到江汉平原的荆门、钟祥等地的“带状”较大风速分布区域，这是由于湖北省地形呈西、北、东三面高起，北有缺口且向南敞开的马蹄形环状，致使气团过境时通常经由中部的“宜钟夹道”。而全省大部分地区的风速小于3 m/s，尤其在鄂西南和鄂西北出现了大范围风速小于l m/s的区域，表明这2个地区受污染物的远程输送影响较弱。而对于受远距离输送较强的湖北省中部地区，可以看出，第1、2和4次大范围霾过程中，能见度小于10 km的低值区基本上是以中部高风速区为中心向外扩展，位于高风速区中心位置的襄樊和荆门在这3次过程中出现风向偏北的平均比例分别为84.0%和82.8%，表明这3次大范围霾天气过程中湖北地区受到了来自北方气团输送的影响，而恰在这几个时间段华北地区出现了严重的雾霾天气，此时的偏北风为污染物远距离输送到湖北地区提供了气象条件。在第3次大范围霾天气过程中，能见度的空间分布特征与其他3次完全不同，低能见度主要出现在湖北省东部的大部分地区，位于低能见度中心位置的武汉以偏北和偏东2个方向的主导风为主，其中偏东风主要出现在12月7-9日的部分时段，且出现偏东风后武汉地区的能见度均出现明显下降并维持低值，平均能见度仅有2.3 km。与此同时，位于湖北省东部的江苏、浙江等地区发生了2013年最强的一次霾天气过程，12月4-9日南京和杭州的AQI值维持在200以上，达到重度污染，并分别达到最大值377和402，从这一方向吹来的重污染气团会显著增强湖北省的霾天气过程。

 进一步分析来自北方重污染气团影响显著的襄樊地区，以及位于三峡河谷和鄂东两处霾天气频发中心的宜昌和武汉地区在大范围霾天气过程中风向、风速和能见度的变化特征，由图4可以看出，襄樊地区北风出现的频次最高，为55.0%，且其所导致的能见度基本都维持在5 km以下，仅在第3次过程主要霾区东移时出现短暂天气转好，能见度达到了最大值25 km;而吹南风时，霾天气相对较弱，平均能见度大于10 km。同时，大范围霾天气过程中襄樊处各个风向的平均风速均要大于2 m/s，重污染地区气团的远程输送对襄樊地区的影响显著。给宜昌地区带来低能见度的主要风向为东风，占总风向的40.3%，平均能见度基本小于5 km，这与宜昌所处的地理位置有关，来自北方的气团经由“宜钟夹道”往东进入宜昌地区，这与付晓辉等给出的宜昌地区霾天气的盛行风方向一致，同时其盛行风方向多存在化工企业进一步增加了本地源对霾天气的输送。武汉地区霾天气过程中以北风为主导风向，占总风向的55.4%，4个风向出现时能见度的大小分布基本一致，均小于4 km，为3个地区中最低，而武汉地区出现静风的频次却是3个地区中最高的，达到了15.9%，仅低于该地区的主导风向，并出现了最低的能见度，平均值仅为2.0 km。近年来，武汉市机动车“井喷式”增加所带来的大量尾气、工业生产所排放的大量废气以及大范围开展的地铁等基础设建设所产生的大量扬尘在静风情况下会持续笼罩在城市上空，导致霾天气的长时间维持，而这种现象常出现在我国许多快速发展的大中城市。

2.3  大范围霾天气的风矢量和特征

霾天气的出现主要是由于多种气溶胶粒子长时间在某一地区累积所导致的，风速大小的变化能在一定程度上反映气团的走向，但是无法有效表现一个区域在一段时间内受周围地区空气流动的输送作用。图5分别给出4次大范围霾天气过程的平均风矢量和空间分布图。可以看出，第1次和第2次大范围霾天气过程中风矢量和分布特征较相似，主要在鄂西南、中部和东南的部分地区出现了明显大于其他地区的风矢量和。同时，在湖北省北部海拔最低的2个地区存在着来自北方重霾区的稳定气流输送，而其南部缺少显著的向外输送气流，使得污染物的水平扩散条件很差，且中部地区向东部和西部的气流输送特征显著，这与2.2节中能见度的低值区分布特征相似。同时，第1次过程中风矢量和在中部地区存在一个顺时针的偏转，这将进一步加剧污染物的停滞和堆积，并导致重霾区主要出现在湖北省中部，多地能见度维持在4km以下。与第1次过程相比，第3次大范围霾天气过程的风矢量和表现出“东西大，中部小”的不均匀分布特征，湖北省西部主要受较强偏西气流输送的影响，而东部则受偏东偏北气流输送的影响。偏西气流输送的气团所含颗粒物较少，且较大的风矢量和有利于污染物的扩散，使得湖北西部受霾天气影响较弱，而较大的偏东偏北气流将会持续不断的给湖北东部输送来源于华北和江浙沪的重污染气团，导致此次大范围霾天气的重霾区主要出现在湖北省东部。而在第4次过程中，湖北省大部分地区的风矢量和均较小，输送条件较差，造成此次过程的持续时间和影响范围均达到最大，但同时可以看出，湖北省东南部到江汉平原南部存在着较强的向西输送气流，使得该地区的能见度高于其他地区，与图3(d)中能见度的分布特征一致。

2.4  典型个例分析

  结合能见度的变化特征，进一步定量分析水平输送能力的强弱对霾天气强度的影响。图6给出了第3次大范围霾天气过程中襄樊、宜昌和武汉风逐小时矢量和与能见度的相关特征，可以看出，风矢量和与能见度呈现较好的正相关关系，3个地区的相关系数都大于0.5，表明导致严重霾天气持续出现的主要原因是较弱的水平输送能力带来污染物的堆积，随着水平输送的增强，能见度增加而霾天气减弱。但是当武汉地区的风矢量和超过15 m/s，以及襄樊地区的风矢量和大于24 m/s时，风矢量和与能见度呈现反相关关系，这就佐证了来自重污染区水平气流的输送会加剧本地的霾天气过程。同时，由于这次过程影响武汉地区的气团主要来源于华北和长三角等重霾区，而襄樊地区的水平输送则主要来自相对清洁的地区，因此武汉地区水平输送而来的污染物明显高于襄樊地区，其能见度更易受风矢量和增加的影响，导致两者呈现负相关关系时武汉的风矢量和阈值低于襄樊的数值。

3  结论

 (1)2013年11-12月湖北省共发生了4次大范围霾天气过程，分别为11月8-9日，11月21-23日，12月4-9日和12月18-27日，霾天气发生累积站数分别为69、124、220和441站，占总站数的比例从50%增加到了80%，影响范围和持续时间呈显著增加趋势。鄂西北、三峡河谷和鄂东的部分地区是大范围霾天气的集中发生区，而鄂西南山区和江汉平原南部受大范围霾天气影响较小，这与湖北省霾天气的多年统计结果一致。

 (2)第1、2和4次大范围霾过程中，湖北省主要受来自北方重污染区气团输送的影响，能见度低值区（小于10 km）基本以中部气流主要流经区为中心向外扩展；第3次大范围霾天气过程中，能见度低值区主要出现在湖北省东部，受来出现重度霾天气的长三角地区偏东气流输送显著，平均能见度仅有2.3 km。

 (3)鄂西北和鄂东地区代表站点襄樊和武汉的霾天气主导风向为北风，分别占风向频率的50.0%和55.4%，三峡河谷地区代表站点宜昌受地形地势影响，主导风向为东风，主导风向影响时三地平均能见度均小于5 km。襄樊地区受污染物远程输送影响最大，各风向平均风速明显大于其它两地，而武汉地区静风出现频率(15.9%)仅次于主导风向，特大型城市发展过程中大量污染物的排放，导致平均能见度仅为2.0km。

 (4)风矢量和的变化特征对霾天气的发生存在两方面影响，当其数值较小时，较弱的水平输送气流易导致污染物的停滞和堆积，造成霾天气出现；当其数值较大且气流来向为重霾区时，较强的水平输送气流易给湖北带来重污染气团，加剧霾天气过程。风矢量和与能见度的相关特征进一步佐证了这一特点，两者总体呈正相关关系，3个地区相关系数均大于0.5，襄樊和武汉地区的正相关向负相关转变的风矢量和阈值分别为24 m/s和15 m/s，宜昌地区的风矢量和较小，没有出现正负相关关系的转变。