1 引言

近年来, 雾-霾及空气污染等级成为公众关注的热点。在实际业务中, 一直以来能见度小于1 km且相对湿度大于90%应认为是雾或轻雾(吴兑, 2006), 相对湿度小于80%为霾, 相对湿度介于80%~90%时, 主要成分是霾。雾和霾有明显区别但又互相依存, 在一次污染过程中, 由于相对湿度的起伏变化, 雾和霾会互相转化。

对山东2008年以来的重污染过程进行了统计, 霾的能见度都在1 km以上, 只有雾才会出现极低能见度的情况。例如, 2013年1月济南两次分别出现霾和雾的严重污染过程中, 8日17:00(北京时, 下同)霾, 细颗粒物PM₁₀高达832 μg·m^-3, 因相对湿度较低为61%, 能见度为7 km; 30日23:00大雾, 细颗粒物PM₁₀达585 μg·m^-3, 相对湿度98%, 能见度仅为0. 4 km。可见, 能见度和相对湿度密切相关, 在相对湿度95%以上时, 相对少的颗粒物也会出现极低能见度。而相对湿度小于90%时, 山东尚未有能见度低于1 km的记录。为了对可能产生极低能见度的大雾进行预警, 天气预报应该区分雾和霾的预报。

中国关于雾-霾的研究兴起于经济发达的珠三角地区, 吴兑(2008)强调雾和霾的宏观过程明显不同, 并给出了雾和霾区分的概念模型, 指出相对湿度95%是区分雾或霾的阈值。吴兑等(2006, 2008)对珠三角霾近地层输送条件及灰霾导致能见度下降的问题进行了研究, 给出了污染物易于堆积或扩散的环流特点及能见度的恶化与细粒子关系较大。近年来, 京津冀、长三角等多地的污染问题引起广泛关注, 京津冀区域霾日数近30年来呈增加趋势(赵普生等, 2012); 对不同区域霾的气候特点也多有研究(吴珊珊等, 2014; 王建国等, 2008; 王业宏等, 2009; 邓学良等, 2015)。付桂琴等(2013)、李星敏等(2014)的研究表明能见度与相对湿度、气溶胶密切相关。在个例分析方面, 郭英莲等(2014)的分析表明下沉气流触地有利于能见度好转; 张恒德等(2011)认为垂直上升运动弱是形成雾的动力条件; 刘梅等(2014)对2013年1月江苏雾-霾过程的研究指出近地面层弱上升运动和中高层弱下沉运动有利于雾的增强和维持, 上述研究对垂直运动在雾-霾过程中的作用有了一定认识。但大气污染物的稀释扩散到底是以平流输送为主还是以垂直交换、湍流输送为主尚不清楚(吴兑, 2012)。廖碧婷等(2012)对广东省的灰霾天气进行了分析, 提出了与K指数、SI指数、LI抬升指数等大气对流稳定度参数相关的垂直交换系数, 利用其对大气垂直扩散能力进行评估, 可见垂直交换的重要性。对于中高纬度地区的秋冬季, 冷空气影响较为频繁, 在冷空气过程中, 层结往往是稳定的, 利用以上3个指数难以奏效。对山东多次污染过程研究发现, 冷空气过程中的垂直运动对雾-霾过程十分重要, 不同强度的冷空气由于其对应不同程度的下沉运动, 其对雾-霾及污染过程的影响也显著不同。

污染物过量排放及大气扩散能力差, 使重污染过程频繁发生, 大气扩散能力分析是环境气象预报的重要内容, 而大气的扩散能力有水平和垂直两个方面。

大气的水平扩散能力与地面风速、风向密切相关, 小风速是重污染发生和持续的必要条件, 一般来说, 风速与AQI成负相关。由济南78次重污染过程地面风速与AQI分布特征(图略)可见, 重污染时风速多小于3 m·s^-1, 且这些个例中, 风速与AQI成明显负相关。78个个例中仅8个风速超过4 m·s^-1, 是由于地面大风造成扬尘导致颗粒物超标。

对于区域性输入来说, 风向影响较大。来自海上的风对沿海地区的空气质量有明显改善, 小西北风则往往使鲁西北一带污染加剧。

大气的垂直扩散能力取决于两个重要因素。一是地面风速, 当地面风速较大时, 通风系数高, 混合层高度增大, 使得污染物能够扩散到更高的高度, 从而使地面污染浓度减小。冷空气是驱散雾、霾的主力军, 一般认为, 当冷锋影响时, 风力较大, 有利于污染物扩散, 雾-霾也就随之消散了。虽然锋面过境时伴随的地面大风有利于污染物扩散, 但在地表裸露的冬季, 大风也会造成扬尘, 所以, 冷锋过境、北风肆虐时, 空气质量并不能彻底改观。同样, 春季西南风较大时, 会出现重污染。如2013年3月9日, 由于受热低压前西南大风影响, 山东出现大范围严重污染。可见, 由于风力较大吹散雾-霾的说法并不准确。通常在冷锋过后, 即便地面风速很小、存在逆温, 总会有一、两个风和日丽、碧空如洗的早晨, 究其原因, 是因为锋面过程中, 通过垂直交换, 高空清洁大气倾泻到地面的结果。因此, 决定大气垂直扩散能力的另一个重要因素, 就是在一定的环流形势下, 通过垂直交换, 高空清洁大气置换地面“脏”空气, 达到空气质量的根本转变。在冬季, 一般由冷空气活动来实现, 在夏季, 强对流引起的垂直交换也可达到, 因此, 雷阵雨过后, 人们总能感到空气中清凉宜人的气息。

可见, 冷空气过程, 并不是简单的通过水平风速驱散雾-霾, 而是通过冷锋后来自高空的干侵入气流到达地面形成上滑或下滑冷锋(姚秀萍等, 2009), 高空干冷空气在冷锋后呈扇状下沉到地面(于玉斌, 2003), 达到空气质量的彻底改善。干侵入强度与冷平流强度密切相关, 冷平流强, 干侵入强, 伴随强下沉运动, 使高空干洁大气到达地面, 因此, 强冷空气能够清除雾-霾。

2 山东雾-霾及重污染过程风场特征

山东雾-霾及重污染过程季节性明显, 主要发生在11月至次年3月, 主要污染源为燃煤、区域传输、工业生产、扬尘及机动车尾气。5-9月, 燃煤减少、降水增多、植被茂盛等有利因素能够大大减轻污染, 夏季重污染日数少且持续时间短, 因此冬季雾-霾及污染等级预报尤为重要。

统计2008-2013年山东17个市重污染总站次风向玫瑰图(图 1)可见, 静风占9. 9%, 东到东南风占38%, 偏北风占36%, 西南风频次最少, 占11%。据统计, 地面有持续性东南风时一般为雾和重污染, 地面偏北风则以霾和重污染居多, 这是因为山东频临黄渤海, 东南风时相对湿度较高的缘故。

3 2013年山东两次雾-霾过程分析

2013年冬季, 我国中东部地区遭遇了多次大范围持续雾-霾天气, 其影响范围、持续时间、污染强度为历史少见, 引起社会广泛关注。尤其是2月20-28日, 山东遭遇了历时9天的严重污染过程。期间, 由于相对湿度起伏较大, 大雾和重度霾互相转换, 有两次冷空气活动, 26日的弱冷空气反而降低了能见度, 27日早晨全省普遍出现大雾, 部分地区能见度仅几十米, 28日的强冷空气影响之后, 雾及污染过程方得以结束。而1月6-8日, 济南等全省多地细颗粒物PM₁₀爆表, 出现重度霾, 但全省大部能见度大于1 km。以两次都出现严重污染的聊城为例, 2月27日浓雾过程, AQI指数为416, PM₁₀为516 μg·m^-3, 27日19:00细颗粒物PM₁₀含量最大为659 μg·m^-3, 27日早晨, 聊城本站能见度200 m, 茌平、阳谷能见度仅几十米。1月8日严重霾过程, AQI指数491, PM₁₀为591 μg·m^-3, 8日21:00细颗粒物PM_{2. 5}含量最大为847 μg·m^-3, 8日08:00-22:00连续16 h PM₁₀>600 μg·m^-3, 处于爆表状态, 但能见度在2 km以上。可见, 雾和霾的能见度相差很大, 在天气分析中应该区分雾或霾的预报。

本文拟对这两次分别出现雾和霾的严重污染过程进行分析, 研究雾和霾过程的异同点和消散机制, 以期为实际业务提供参考。

3.1 雾和霾过程高空形势的共同特点

研究发现, 济南78次重污染过程08:00平均混合层高度在500 m以下, 在混合层高度以上污染物浓度可相差5~10倍, 即雾-霾及污染物一般被禁锢在近地面数百米厚度层内, 意味着至少850 hPa高度上空气是清洁的。大气静稳状态时, 抑制了空气的垂直交换, 使得过度排放的污染物积累在边界层内, 杜川利等(2014)发现城市边界层高度与颗粒物浓度呈显著负相关。因此, 环境气象预报应重点关注边界层大气的温湿、动力条件及污染物的排放量等, 但高空形势提供的环流背景不容忽视, 图 2a~d给出的两次具有代表性过程的500 hPa、850 hPa平均形势, 即500 hPa一般为高压脊前西—西北气流、温度平流弱; 850 hPa为暖脊、有弱暖平流; 地面弱气压场、小风速、以及弱气压场形势下风向不定是雾-霾发生的共同天气形势特征。

3.2 山东雾-霾过程地面形势差异

在同样的环流背景下, 出现霾还是雾, 则取决于地面相对湿度是否在95%以上, 需重点分析地面形势及风、温、湿等气象要素的演变。

山东频临黄、渤海, 在冬季来自海上的东到东南风会输送暖湿空气使露点温度升高。在2013年2月20-28日历时9天的污染过程中, 虽然风速小而风向多变, 但由23日08:00至25日08:00地面平均形势(图 2e)可见, 24日高压入海之后, 山东处于海上高压后部东南风, 尤其24-25日, 地面倒槽影响持续东到东南风, 使露点温度明显上升, 全省大部露点温度由23日08:00的-10~-4 ℃上升到25日08:00的-1~3 ℃, 普遍上升5 ℃以上, 导致26日早晨弱冷空气影响时, 山东大部出现大雾。图 2f给出了2013年1月6日08:00至8日08:00地面平均形势, 山东处于地面高压前部, 虽然气压场较弱, 时而风向多变, 但主要是小北风, 无持续的东南风增湿过程, 尽管污染十分严重, 但没出现大雾。

4 雾-霾维持和消散的重要机制

雾-霾及空气污染过程发生在大气静稳背景下, 一般在前次冷空气过后的数天之内开始积累加重, 人们普遍关注逆温、地面小风速和混合层高度低等不利于污染物扩散的因素, 认为逆温导致边界层“脏”空气上升运动受阻, 大风能够吹跑雾-霾, 混合层高度增大能够稀释污染。

有利于发生逆温的天气形势是: 500 hPa为西—西北气流, 850 hPa、925 hPa为暖脊, 有弱暖平流, 地面气压梯度小, 可能是鞍型场、均压场、高压前部等。根据“ω”方程, 暖平流区有上升运动, 冷平流区有下沉运动(朱乾根等, 2000), 尤其850 hPa存在暖脊、暖平流又较弱时, 使得850 hPa以下为微弱上升运动, 这种微弱上升运动既不足以稀释污染, 高空清洁大气又不能下沉到达地面, 垂直交换停滞, 易导致污染积累加重。逆温不仅抑制了低层脏空气的向上扩散, 也抑制了高空清洁空气的下沉。

4.1 雾-霾维持及消散时的垂直运动特征

冷空气过程, 正是下沉气流携带高空干洁大气到达地面的过程。两次过程中, 分别在2月26日和1月9日有弱冷空气影响, 28日20:00为强冷空气影响。图 3给出了济南附近(36°N, 117°E)两次过程垂直运动和相对湿度的时间—垂直剖面图, 3次冷空气影响时, 分别在26日08:00、28日20:00和1月9日02:00有不同强度的下沉气流到达地面, 对照图 5给出的细颗粒物PM₁₀逐时变化曲线, 在下沉气流到达地面时, 空气质量都得到了明显改善。2月26日和1月9日PM₁₀浓度明显下降, 而28日的强冷空气则一举清除了污染。

在2月25-28日过程中(图 3a), 26日上午地面转小北风, 有弱冷空气影响(图略), 850 hPa以下出现弱下沉运动, 26日06:00 PM₁₀出现阶段性低值222 μg·m^-3(图 5a); 28日20:00强冷空气影响时(图 3a), 出现贯穿整个对流层的较强下沉运动, 地面下沉速度达12×10^-3hPa·s^-1, PM₁₀浓度随之急剧下降, 3月1日14:00济南PM₁₀浓度38 μg·m^-3, PM_{2. 5}浓度16 μg·m^-3, 达到少有的优秀级别(图 5a)。

1月6-8日过程中, 8日白天地面弱冷空气开始影响(图略), 夜间下沉气流方到达地面(图 3b), 9日02:00近地面下沉速度为1×10^-3hPa·s^-1, 济南PM₁₀浓度由8日17:00的832 μg·m^-3下降到9日14:00的115 μg·m^-3(图 5b), 由严重污染明显改善为良。

而其余时段, 雾和霾的污染都较为严重, 其垂直运动特征是800 hPa以下微弱上升和700 hPa微弱下沉运动(图 3), 造成近地面污染空气和高空清新大气对峙, 垂直交换停滞。

可见, 冷空气对雾-霾污染过程的影响, 是因为下沉运动使混合层以上的干洁大气到达地面而改善空气质量, 强冷空气具有强下沉运动能够清除雾-霾污染, 弱冷空气具有弱下沉运动能明显减轻污染。

4.2 雾和霾过程的地面相对湿度差异

雾和霾过程的区别在于地面相对湿度。2013年2月25-28日大雾过程中(图 3a), 近地面相对湿度较高, 在28日20:00较强冷空气影响时, 强下沉运动使得地面相对湿度急剧下降, 大雾及污染过程结束。而6-8日霾过程中(图 3b), 地面相对湿度始终较小, 仅在8日弱冷锋影响时相对湿度短暂升高, 这是因为高空干侵入及地之前, 小幅降温使地面温度接近露点, 8日夜间出现轻雾。

4.3 不同强度冷空气的下沉运动特征

为了揭示不同强度冷空气的下沉运动特征, 图 4给出冷空气影响时济南(36. 7°N)相当位温、垂直速度和相对湿度的经向(117°E)垂直剖面图。相当位温θ_e密集区是冷锋锋区的位置, 下沉运动皆位于锋面后部。2013年2月28日20:00(图 4a), 锋面位于35°N附近, 36°N-40°N低层为较强下沉运动, 800 hPa以下为θ_e＜284 K的干冷空气控制, 这是由强下沉气流带来的高空干洁大气的标志。26日08:00(图 4b), 地面位于小高压前(图略), 转小北风, 36°N-38°N之间950 hPa以下θ_e＜284 K浅薄的干冷空气堆, 近地面垂直速度为0, 而边界层之上θ_e迅速增大, 即浅薄冷空气侵入到边界层, 而不是从高空干侵入到地面, 地面露点温度未下降, 而降温导致相对湿度增大到90%以上, 造成大雾。1月9日弱冷空气影响(图 4c), 地面有弱下沉气流, 并不像强冷空气过后有庞大均匀的干冷空气团控制对流层低层。可见, 强冷空气过程下沉气流强, 冷锋过后有来自高空的干洁大气控制地面, 能够驱散雾-霾。弱冷空气由于下沉气流弱, 不能彻底置换地面脏空气, 因而只能减轻污染。

4.4 露点温度剧烈下降是高空干洁大气到达地面的标志

露点温度是雾、霾预报中重要的物理量。地面温度露点差代表的相对湿度与能见度密切相关, 一般温度露点差小于2 ℃且持续2 h以上时, 就可能出现雾或轻雾。在地面天气图上有时会看到温度露点差等于0 ℃, 而没有雾的情况, 这是因为达到饱和的时间太短暂, 水汽还没来得及凝结的缘故。另外, 颗粒物的吸湿增长及二次颗粒生成均与相对湿度密切相关, 对雾或霾天气的能见度影响巨大。

地面露点温度的急剧变化是气团交替的标志。目前常规资料尚不能跟踪高、低空空气的轨迹, 还难以认定高空清洁大气置换地面“脏空气”的过程, 但当冷空气影响, 高空干侵入到地面时, 往往伴随露点温度的明显下降, 冷锋后的低露点温度是高空干洁大气的标志。而露点温度再次升高的过程, 也是空气中污染物积累加重的过程。

然而, 作为一个重要的物理量, 露点温度的预报在理论研究和实际业务中尚未涉及, 露点温度的变化细节尚不清楚。一般的说法是露点温度比较保守, 日变化较小, 但在冷空气影响时, 往往露点温度比气温变化幅度更大, 且地面露点温度的明显下降总是带来污染状况的改善。

图 5给出了两次过程中济南露点温度和PM₁₀的逐时变化曲线, 对照图 3给出的垂直运动的逐时变化, 可见露点温度急剧下降与强下沉运动密切相关。

2月25-28日的污染过程, 经历了26日08:00边界层弱冷空气影响、28日08:00冷锋前整层上升运动和20:00的强冷空气影响时整层强下沉运动。图 5a可见, 在强冷空气影响后露点温度剧烈下降, 28日23:00露点温度下降到-12 ℃, 3月1日更是一路下降, 15:00下降到-20 ℃, 较28日14:00的8 ℃下降了28 ℃, 而两时刻温度变幅为-10 ℃, 空气质量由28日的严重污染转变为3月1日的优秀级别。

26日边界层弱冷空气影响时, 低层出现了弱的下沉, 但近地面垂直速度为0, 高空干侵入未到达地面, 露点温度没有变化, PM₁₀浓度有所下降, 之后一路升高, 27日18:00达749 μg·m^-3。可见, 边界层浅薄冷空气不能降低露点温度, 反而因为降温易造成大雾, 低层弱下沉只能短暂改善空气质量。

值得关注的是, 28日白天冷锋前整层上升运动(图 3a), 低层水汽辐合, 地面露点温度明显升高(图 5a), 由于低层空气向上扩散, PM₁₀浓度明显下降, 13:00出现25日以来的最小值200 μg·m^-3, 可见, 整层上升运动也只能稀释污染, 只有强下沉运动带来的干洁大气才能根除雾、霾和污染。

1月8日弱冷空气影响, 夜间下沉气流到达地面, 虽然因气象观测与空气质量观测点位置不一致, 造成9日02:00露点温度(气象观测)和PM₁₀浓度的快速下降(环境观测)不同步(图 5b), 但冷空气过境之后PM₁₀和露点温度同位相明显下降, 9日14:00下降到-17 ℃, 较8日23:00的-7 ℃下降了10 ℃, 期间温度变幅为5 ℃, 空气质量也由严重污染转变为优良。

可见, 冷空气过程中, 露点温度的变化幅度比温度剧烈的多, 这是气团更替的标志, 是高空干洁大气取代地面脏空气的过程, 冷空气越强, 下沉气流越强, 置换过程越彻底。强冷空气伴随露点温度的剧烈下降, 必然造成空气质量的根本改善。弱冷空气露点温度下降小, 整层弱下沉能减轻污染。而由于低层辐合造成整层上升运动时, “脏”空气向上扩散使污染减轻, 但不会彻底消散, 此时地面露点温度可能升高。

5 结论

(1) 静稳大气的环流背景一般为500 hPa高空为脊前西—西北气流, 温度平流弱, 而850 hPa为暖脊, 有弱暖平流, 地面气压场弱, 易造成逆温、地面小风速和混合层高度低等, 导致大气扩散能力差, 这几点已经得到广泛关注。但更重要的是, 这样的环流背景下, 垂直运动为850 hPa微弱上升和700 hPa微弱下沉, 造成高空干洁大气和地面脏空气对峙的局面, 垂直交换受到抑制导致混合层内污染物积累。

(2) 强冷空气驱散雾-霾的过程, 正是打破了空气垂直交换停滞的状态, 使得高空清洁大气能够下沉到地面, 空气质量的根本改善由垂直交换完成。

(3) 弱冷空气伴随的弱下沉运动和锋面附近的整层上升运动能够减轻污染。

(4) 地面露点温度明显下降时, 往往伴随空气质量的明显改善, 冷锋过后剧烈下降的露点温度即是高空干洁大气到达地面的标志。

(5) 雾与天气形势密切相关, 强浓雾时能见度仅几米、几十米, 对交通安全影响巨大, 是天气预报的重要内容。而霾是颗粒物多寡的标志, 当重污染状况下RH在80%~90%时, 易出现能见度在1~2 km的重度霾。