通辽市霾天气时空分布特征及气象条件统计分析
时间：2023-06-06 15:50:21 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
万 宇
通辽市气象局，内蒙古通辽 028000
霾是一种大量极细微的干尘粒子均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10 km的空气普遍浑浊的天气现象[1]。随着经济的迅速发展和城市化进程的加快，霾日发生频率呈现增多趋势。
近年来，多名专家和学者对内蒙古各个地区的霾进行了相关研究。江靖[2]等对呼和浩特市、包头市的预报指标进行了检验和修订；
张秀英[3]、孙红斌[4]等研究了气象要素对乌海市灰霾天气的影响分析及分析了乌海市的气候特征；
谢子杨等[5]分析了乌兰察布市霾日数时空变化规律及其影响因素；
王海山[6]分析了通辽地区雾霾的气候特征。对比已有研究可知，目前着眼于通辽市霾天气特征的研究较少。本文采用日均值法对通辽市1981—2015年10个国家观测站的霾日数进行重建，并对2013—2015年10个霾天气过程进行研究，统计出霾天气发生时和消散时的统计特征。
1.1 研究资料
研究所用资料包括：1981—2015年通辽市国家气象站观测数据，包括天气现象、水平能见度、相对湿度及风向风速等；
2013-2015年MICAPS高空、地面及物理量场等资料。
1.2 研究方法
中国地面气象观测规范经过4次修订完善，于2007年10月1日发布行业标准[7]。同样，霾的观测定义也由于认识程度及观测技术的提高而有所改变，特别是2010年以来，对霾的观测规定经过了较多调整，因此，霾的观测标准缺乏统一性[8]。吴兑等[9]指出，由于观测业务中区分霾的判据较混乱，缺乏一致性，因此统计霾的长期气候资料时，不能直接使用天气现象记录，需要统一定量标准。
由于观测员对霾记录规定的理解偏差或台站习惯性记录，通辽市霾的观测记录也存在标准不统一、准确性不高等问题；
同时，环境监测站的PM2.5和PM10颗粒物浓度数据仅有通辽市科尔沁区3个观测站统计，环境监测站空间分布无法满足研究需要。因此要了解通辽霾日数的长期变化趋势，需采用气象上的统计方法。常见的霾日统计方法有3种：单次值法、日均值法、14时值法。吴兑等[9]通过比较发现日均值法更多地显示长时间大范围的霾天气过程，因此建议在讨论霾的气候特征时采取日均值方法，即：气象要素的观测数据取平均，能见度＜10.0 km，相对湿度＜80%，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟雾、吹雪和雪暴等天气现象造成的视程障碍；
气象要素中，任一时次能见度＜10.0 km，且80%≤相对湿度＜90%，同时出现霾或轻雾等天气现象。满足上述任一条件，即定义该日为霾日。
2.1 年变化特征
统计表明，结合1981—2015年35年霾日数的年变化（图1）可以看出，霾日数整体呈现上升趋势，1981—2012年霾日数不足10 d，为平稳变化期，其中1996年、2004—2006年无霾日数；
2013年为过渡期，霾日数为24 d；
2014和2015年霾日数骤增至100多d，为上升期，2014年达到最大值，为152 d。
图1 1981—2015年通辽市霾日数的年变化
2.2 季变化特征
利用1981—2015年通辽市重建后霾日序列对霾日的季节变化特征进行了分析，由图2可知，一年四季均有霾发生，冬季为霾天气最易发生的季节，共191 d；
其次为夏季和秋季，分别是105和100 d；
春季最少，为47 d。
2.3 月变化特征
一年之中各个月份都有霾天气发生，发生日数最多的是1月，为85 d；
其次是12月，为50 d（图3）。
2.4 空间分布特征
由图2可知，通辽市霾日数空间分布不均匀，主要有2个大值区，一个位于通辽市东部的科左中旗，霾日数达103 d；
另一个位于扎鲁特—开鲁—奈曼—库伦一带，霾日数分别达到82、76、78、97 d。
图2 1981—2015年通辽市霾日数的空间分布
霾作为一种常见的灾害性天气，当它持续时间长、发生范围广时，大气能见度低、大气污染物堆积严重，不仅会导致交通拥堵，而且会引发呼吸系统、心血管等方面的疾病，因此准确预报霾天气过程具有重要意义。
此研究选取2013—2015年共10个霾天气过程，对地面影响系统、气象参数进行统计分析，总结出霾天气过程的气象条件及气象要素预报指标。
3.1 天气学模型
以地面天气系统为指标，将上述10例霾天气过程进行天气学分型，共分为4种类型，即高压控制类（图3a）2例、高压前部类（图3b）3例、低压控制类（图3c）2例、冷锋过境类（图3d）3例。
图3 通辽市霾天气过程的地面形势特征
高压控制类：地面图上，在40°N～50°N、110°E～130°E范围内通辽市受一闭合高压控制，或者分裂成几个中心，但通辽市均不在高压中心处，而是位于高压中心后部或前部的均压场中。
高压前部类：地面图上，20°N～55°N、110°E～130°E范围内是一个大的高压区，分裂为多个高压中心，较强高压中心含有两根闭合等压线，在2个高压中心之间含有弱低压区。
低压控制类：地面图上，在40°N～50°N、115°E～125°E范 围 内 通 辽市上空为低压控制，且有一根闭合等压线，低压基本被高压包围，仅在东北侧鄂霍次克海附近有低值区以外。
冷锋过境类：地面图上，通辽市上游有一冷锋，通辽市处于冷锋前部暖区中，以西南风为主。冷锋过境后，冷锋后部西北气流东移南下，风速增加，霾过程结束。
3.2 气象参数统计特征
3.2.1 风场由表1可知，霾天气过程发生时与结束时，风向多数以南风为主，但是结束时的风速明显大于发生时。
表1 2013-2015年通辽市霾天气过程概况
3.2.2 大气层结逆温层对对流有强烈的抑制作用，逆温的存在阻挡了动量下传，造成大量水汽和气溶胶粒子聚集在逆温层下面，颗粒物吸湿增长膨大，地面能见度降低，有利于形成霾[10]。分析10次过程中的850 hPa以下逆温层强度发现：几乎每一次霾天气的发生都有逆温层存在，大气处于稳定状态中。逆温强度最大的是2015年12月8日霾天气过程，逆温强度达到11℃，其次为5℃～8℃，多数在1℃～3℃之间（图4）。
图4 通辽市霾天气过程大气层结特征
3.2.3 能见度能见度是指示霾天气的重要指标。10个案例中均存在霾天气消散时的能见度大于霾天气发生时（图5）；
并且有8个案例差值较大，最大的是第3个案例（2014年02月12—14日）。
图5 通辽市霾天气过程能见度特征
3.2.4 相对湿度由图6可知，10个案例中有8例过程，霾天气消散时的相对湿度小于霾天气发生时的相对湿度，相对湿度较大有利于空气污染物的堆积。
图6 通辽市霾天气过程相对湿度特征
3.2.5 垂直速度垂直速度也是表征大气稳定状态的物理量。通过对10个个例的分析（图7），可以发现，大范围持续性霾过程严重发生期间，大气处于弱上升—下沉的运动状态，即处于相对稳定的状态，而霾天气消散时垂直速度增大，易使上下层空气流动，产生动量下传，有助于污染物的扩散。
4.1 霾天气发生时的预报指标
（1）首先，500 hPa环流形势场以平直的偏西或西北气流最多，其次为弱脊或弱槽，温压场配置较一致，槽脊处于稳定状态中。
（2）绝大多数情况下，850 hPa有暖脊控制，以暖平流为主。霾天气发生前，850 hPa以暖平流为主，地面增温明显。
（3）在探空图上，850 hPa至近地面层有逆温层存在时，有利于霾天气的发生，特别是当逆温强度比较大时，霾天气持续时间较长。
（4）地面上处于弱气压场、均压场或者冷锋前部暖区中。
（5）地面上盛行风向的上游，若有霾发生，那么由于污染物的输送，也会导致当地霾天气的发生。
（6）地形作用。通辽市地处大兴安岭南麓，地势西高东低，西北部为山区，东南部为平原或沙地，当我国东北区有霾出现并且地面盛行偏东风时，通辽市将出现霾天气过程。
4.2 霾天气消散时的预报指标
（1）当500 hPa风速增大时，高空有动量下传，湍流加强，近地面风力随之增大，对重度霾缓解有一定指示意义。
（2）当850 hPa温度场转为脊后控制时，以冷平流为主，有利于霾天气的消散。
（3）当逆温层减弱或消失时，霾天气过程结束。
（4）当地面影响系统转为高压前部或者冷锋后部时，风向转变，风速增大，霾天气过程结束。
（1）霾天气发生时，通辽市高空以平直纬向环流为主，地面为弱气压场控制，属于典型的静稳天气，不利于污染物扩散和稀释。边界层结构和地面气象要素表现为大气层结稳定、风速小、相对湿度较大、逆温频率高强度大，边界层内大气扩散能力差，易导致污染物在低层的持续积累和霾的形成。
（2）由于通辽周边地区污染物排放量大，在相对稳定的天气条件下，受地形阻挡作用和城市局地环流的影响，通辽本地污染物和区域污染物输送共同作用，造成通辽地区污染物浓度快速增长并持续偏高，形成持续的霾天气。
（3）霾天气的形成和消散是非常复杂的过程，其形成和时空分布演变受多种因素的影响，复杂的物理化学机制更需要深入研究，以提高霾预报预警和污染治理防控的技术能力。
图7 通辽市霾天气过程垂直速度特征
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