2022年湖南永州地区一次雾霾过程的综合分析

2022年湖南永州地区一次雾霾过程的综合分析

秦婷1,宋伊文2,孙林3

湖南省永州市气象局，永州425000

摘要：利用湖南省常规气象观测资料、永州市环境保护局提供的污染物浓度资料和NCEP再分析资料，对2022年1月18-19日湖南永州地区一次雾霾天气过程的环流背景、气象要素和大气层结特征进行了综合分析。结果发现：高空环流形势平稳，中低层暖性结构的维持，以及地面高压的持续稳定少动为雾霾的形成和发展提供了有利的环流形势；相对湿度的增大、较低的风速以及弱的气压梯度是雾霾天气发展、维持并形成空气污染的重要气象因子；近地层逆温层的持续存在，有利于雾霾的形成。这些可为雾霾的预报提供参考依据。

关键词：雾霾，能见度，大气颗粒物

引言

雾是指近地层空气中悬浮的无数小水滴或小冰晶造成水平能见度不足1km的天气现象，霾是大量极细微的干尘粒等均匀地悬浮在空中，使水平能见度小于10km的空气普遍混浊的现象[1-2]。雾和霾常在冬季相伴发生或转换[3]。近年雾霾天气的频发，使得能见度变差，并严重影响了交通、人民身体健康和生态环境，进行雾霾过程的机理研究具有非常重要的意义。

目前已有一些学者针对雾霾的成因和预报做了大量的分析。饶晓琴等[4]分析我国中东部一次大范围霾天气指出产生雾、霾的天气背景通常较为相似,并且雾和霾在一定条件下可相互转化,因此霾与雾的区别在霾的预报中至关重要。赵桂香等[5]分析一次持续性区域雾霾天气指出环流形势稳定维持、湿度持续增加、逆温层持续存在以及动热力结构的维持，是判断雾霾天气持续的重要依据。于庚康[6]等分析2013年初江苏连续性雾-霾天气指出雾-霾发生期间，低层都存在不同程度的逆温现象，混合层高低直接影响能见度变化，当混合层高度越低时,AQI就越高,污染就越严重,能见度越小。周文君等[7]分析江苏盐城地区一次持续雾-霾天气过程指出近地面层持续的强逆温层覆盖,“锅盖”效应使污染物在近地面堆积,低层较高的相对湿度为气溶胶粒子的吸湿凝结增长提供了有利的水汽条件。朱丽[8]等分析江苏泰州一次持续性雾-霾过程特征和成因指出夜间至清晨90%以上的相对湿度，1m/s以内的小风速，弱的垂直交换为雾的形成提供了较好的热、动力条件。

尽管关于雾霾的预报已经有一定的研究基础，但是影响雾霾的因子很多，雾霾预报具备一定的难度，目前关于永州地区雾霾的分析较少，因此本文选取今年工作中一次典型的雾霾个例进行分析，对此次过程的大气环流形势、气象要素和大气层结进行了分析总结，以提升对本地雾霾天气的预报预警能力。

1 资料与方法

本文采用的资料主要包括NCEP再分析资料、湖南省地面常规观测站逐10 min的能见度资料和逐小时的风、温、海平面气压等气象要素资料，永州市环境保护局提供的空气质量指数和环境监测资料，对这些资料进行诊断分析。

2 雾霾实况分析

2022年1月18-19日白天湖南永州大部分地区都经历了一次持续时间较长的雾霾天气过程。此次过程一个明显的特点是雾和霾现象交替。永州地区17日夜里至18日早晨、18日夜里至19日早晨均出现了大雾天气（图1），其中18日夜里至19日早晨出现了浓雾天气，持续时间长达10h。分析永州市11个观测站能见度的逐日最小能见度（图2）可见，18日双牌站的能见度最低，为275m，出现在06:18。19日早晨，永州北部能见度均在200m以下，冷水滩站仅65m，双牌站100m，东安站102m，永州站126m，祁阳站170m。20日早晨，永州市能见度有所提高，大部分观测站能见度均在1km以上，双牌站能见度最低，为186m。白天，随着气温升高，相对湿度减小，大雾消散，全市大气混浊，雾过程转为霾过程，18-19日霾过程期间能见度在2km以内，20日白天霾消散。

图1  2022年1月17-20日冷水滩站逐1小时最小水平能见度

图2  2022年1月18日（a）、19日（b）湖南省最小能见度

图3  2022年1月18-20日永州市AQI、质量浓度逐时变化

分析永州市2022年1月18-19日的城市空气质量指数（AQI，Air Quality Index）、PM2.5和PM10浓度的逐时演变特征（图3）可见，空气质量指数随时间总体呈现先上升，然后维持，最后下降的特征，期间具有多个峰值。18日白天永州市的空气质量指数逐渐上升，至12:00全市开始出现轻度污染。18日白天到19日清晨为此次污染过程的主要影响时段，期间空气质量指数演变具有一定的日变化特征，即白天空气质量指数呈现上升趋势，傍晚到次日清晨呈下降趋势，白天的空气质量指数大于夜晚，其中18日21：00为此次过程中污染程度最严重的时刻，空气质量指数达148。19日03:00后空气质量指数逐渐递减，空气质量达良，一次污染过程结束。

分析环境站监测的污染物质量浓度演变特征可见，此次过程主要污染物为PM10和PM2.5。计算结果表明，PM

10为首要污染物。PM10和PM2.5演变规律较为一致，18日白天到夜间开始上升，18日夜里到19日清晨两者的质量浓度维持在一个较高水平，19日白天逐渐下降至正常水平。PM10和PM2.5浓度的演变规律说明，此次的污染气团中同时存在PM10和PM2.5且气团稳定少动。

综合能见度、空气质量指数、PM10和PM2.5浓度的演变特征分析可知，2022年1月18-19日为一次典型的雾-霾过程，且该次过程具有阶段性特征。由雾转为霾后，空气质量指数、PM10和PM2.5浓度均呈现上升趋势，一般在夜间达到一天的最大值；由霾转为雾后，空气质量指数、PM10和PM2.5浓度均呈现下降趋势。霾期间的空气质量指数、PM10和PM2.5浓度相较于雾期间要高一些，这也许与大雾期间造成的湿沉降有一定关系。

3 雾霾期间环流形势

大范围雾霾天气总是发生在有利的天气形势下。在500hPa高度场上（图4）从雾霾开始到结束，中高纬是两槽一脊的形势，西部是浅槽，受平直偏西气流控制，风速较大，随着雾霾过程发展略有减小，有利于夜间辐射降温和下沉增温，使得近地面的污染物颗粒聚集，同时可以阻挡高纬度地区冷空气的大规模渗透，使得高空的形势极为平稳。在850hPa高度场上，处于高压环流的前部，为偏北风，风速6m/s变为4m/s，且呈减小的趋势。在925hPa高度场上，也处于高压环流的前部，为偏北风，风速呈减小的趋势，减小的幅度相较于850hPa更大。低层受到暖脊控制，低层大气增温明显，有利于近地面逆温的形成。中低层暖性结构的长期维持，也是雾霾持续存在的原因之一。

从地面气压场来看（图5），我市主要为高压控制，处于均压场内，随着多日无明显冷空气的补充，高压位置少动，同时等压线比较稀疏，地面以偏北风为主，风速为2m/s，风速小，基本呈静小风状态，阻碍大气的水平流动和垂直交换，不利于水汽和污染物颗粒的扩散。此外，在高压的控制下，有利于地表辐射降温，为雾的形成也提供了触发机制。20日随着近地面转为偏南风，冷高压逐渐变性，雾霾过程结束。

总之，高空环流形势平稳，中低层暖性结构的维持，以及地面高压的持续稳定少动为本次雾霾天气的发生发展提供了有利的环流形势。

图4  2022年1月17日08时（a），17日20时（b）、18日08时（c）、18日20时（d）、19日08时（e）、19日20时（f）500hPa位势高度+850hPa风场+ 850hPaRH

图5  2022年1月17日20时（a）、18日20时（b）、20日05时（c）、20日20时（d）、地面气压场+红外云图

4 地面气象要素特征分析

雾和霾主要集中在边界层内，因此850hPa下的湿度场、风场和海平面气压场特征对雾和霾的发生和发展极为重要。分析17-19日的2m相对湿度（图6a）发现，17日有降水产生，相对湿度接近饱和，为后期大雾天气的出现提供了水汽条件。18日02:00-10:00,18日20:00至19日10:00冷水滩站的相对湿度均在90%以上，这与大雾出现时段基本对应。大雾消散后，相对湿度减小，但基本都在80%以上，PM10和PM2.5浓度增大，能见度维持在10km以下，为霾天气特征。夜间到早晨相对湿度的迅速增大，空气接近饱和，有利于气溶胶粒子稀释增长，而当白天气温升高，相对湿度减小，雾滴脱水后悬浮在大气中又称为霾，完成了雾到霾的转化过程。

从10m风场（图6b）可以看出，风速具有一定的日变化，白天风速一般大于夜间。此外，大雾出现的时段风速均在3m/s以内，风向以西到西北风居多，其中19日02:00-08:00浓雾出现时段风速在2m/s以内。弱的水平风场决定了大气水平扩散能力差，不利于污染物的向外输送，污染物在本地不断累积而使空气质量变差。20日之后，风速增大，风向以偏南风为主，霾消散，空气质量转好。

从海平面气压（图6c）的变化曲线可见，在本次过程中，海平面气压均在1021-1030hPa范围变化。气压整体呈降低的趋势，在雾霾累计持续时段气压变化幅度很小或逐步下降。气压梯度小，弱的气压梯度决定了地面风速也很小。大雾来临前，气压减弱，大雾过后，气压增加。

综合各气象要素的变化特征，近地面90%以上的相对湿度、近地面层弱的水平风速（近地面风速维持在3m/s以内）和弱的气压梯度为此次大雾天气的发生发展和维持提供了较好的条件。白天太阳辐射增强，相对湿度减小，但大于80%，近地面风速较小，大气污染物扩散条件较差，故雾转为霾。当风速增大、湿度减小，雾霾也相应减弱。

图6  2022年1月17-19日冷水滩站气象要素变化（a）2m相对湿度（b）10m风场（c）海平面气压

5 大气层结特征分析

    根据2022年1月17-19日郴州站和长沙站探空资料（图7）显示，从1月17日开始，就出现了多层逆温，并且近地面层也逆温，18-19日近地面均呈逆温或等温状态，近地面稳定，中低层近中性层结。逆温层的存在，使得低空形成一个暖区，低层的暖平流在近地面偏北风形成的冷垫上，抑制了颗粒物的垂直扩散，有利于大气颗粒物和水汽在近地面聚集，使得颗粒物浓度迅速增加并维持。逆温强度越强，大气层结越稳定，越有利于水汽在边界层内聚集形成雾霾天气。而且，19日清晨近地面的偏东风场为气溶胶粒子的吸湿增长提供了一定的水汽条件，导致气溶胶李质量浓度迅速增加，更促进了19日清晨浓雾的形成。可见，近地层逆温层的持续存在，有利于雾霾的形成，是大雾和霾天气持续的条件之一。

另外，高浓度的气溶胶粒子对气温也有一定影响，它对短波辐射的吸收和散射特性，减少了地面所能接收到的太阳短波辐射，从而使地表气温下降，而对应边界层上部气温偏高，又形成了近地面逆温。

17日20时郴州探空

18日08时郴州探空

19日08时长沙探空

图7  2022年1月17日20时郴州探空图（a）18日08时郴州探空图（b）19日08时长沙探空图（c）

6 结论

本文对2022年1月18-19日湖南永州地区一次雾霾天气过程的环流形势、地面气象要素和大气层结等方面进行了综合分析，得到了以下结论：

（1）高空环流形势平稳，中低层暖性结构的维持，以及地面高压的持续稳定少动为本次雾霾天气的发生发展提供了有利的环流形势。

（2）近地面90%以上的相对湿度、近地面层弱的水平风速（近地面风速维持在3m/s以内）和弱的气压梯度为此次大雾天气的发生发展和维持提供了较好的条件。

（3）近地层逆温层的持续存在，有利于雾霾的形成，是大雾和霾天气持续的条件之一。

    此外，本次结论为其中一次雾霾过程的分析结果，在今后的工作中需要分析更多的个例，以便总结出本地雾霾预报的有利的依据和预报指标。

7 参考文献

[1]吴兑.关于霾与雾的区别和灰霾天气预警的讨论[J].气象,2005,31(4):3-7.

[2]廖晓农，张小玲，王迎春等.背景地区冬夏季持续性雾-霾发生的环境气象条件对比分析[J].环境科学,2014,35(6):2031-2044.

[3]丁一汇，柳艳菊.近50年我国雾与霾的长期变化特征及其大气湿度的关系[J].中国科学：地球科学,2014,44(1):37-48.

[4]饶晓琴，李峰，周宁芳等.我国中东部一次大范围霾天气的分析. 2008年6月.

[5]赵桂香，杜莉，卫丽萍等.一次持续性区域雾霾天气的综合分析. 2011年9月.

[6]于庚康,王博妮,陈鹏等.2013年初江苏连续性雾-霾天气的特征分析.气象,41(5):622-629.2015年5月.

[7]周文君,平海波,刘端阳等.江苏盐城地区一次持续雾-霾天气过程的综合分析.气象,42(7):838-846. 2016年7月.

[8]朱丽，张庆池，王琴等.江苏泰州一次持续性雾-霾过程特征和成因分析. 2022年4月.