北京一次持续性雾、霾的特征和成因分析

基于2013年1月9-15日北京地区一次持续雾、霾过程,对环流形势、要素、物理量场以及污染监测情况进行分析。结果表明：高PM_2.5和SO₂事件持续时间超过100 h,浓度达到严重污染级别。高空为偏西或西南气流且850 hPa有弱暖平流输送和地面倒槽维持少动是有利于雾、霾持续的背景条件。持续轻雾或霾对湿层厚度要求不高,在925 hPa下即可,且湿层越厚,能见度越低。逆温维持是雾、霾持续的主要原因,且轻雾或霾为主时逆温层特点为厚度浅强度弱,高度或强度的突然增大可预示向大雾或雪转换; 850 hPa以下涡度平流较弱是轻雾或霾持续的动力结构;总温度平流垂直分布表现为闭合中心强度在500 hPa明显分界,且相对较弱的平流中心的高度一般在850-1000 hPa之间,当高度达到500 hPa时或可预示雾、霾天气消散。     

雾霾天气个例气象条件对比分析

应用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料和L波段探空资料从环流形势、扩散条件和边界层特征3个方面对2013年两次雾、霾天气个例进行对比分析,结果表明:500hPa西北气流冷平流、地面弱风场、垂直速度呈弱上升-下沉的垂直分层特点和逆温是两次雾、霾天气出现和维持的共同特征。地面西北风、850hPa弱冷平流、近地层浅薄的接地逆温(100~200m)和湿层与霾天气对应,地面偏东风、850hPa暖平流、925hPa以下深厚的悬浮逆温(400m)和湿层与雾天气对应,霾过程较雾过程逆温强度强,上升运动高度高。消散时雾较霾下沉运动中心高度低,强度弱;霾消散时接地逆温特征变化不大,雾消散时悬浮逆温有底部抬升和大气稳定层结向中性层结转变的变化特征;但均有下沉气流接地、垂直风切变较强和高层低露点干空气下传到地面的特点。     

我国中东部一次大范围霾天气的分析

利用空气污染资料、常规气象观测资料和NCEP再分析资料,对2007年2月5日我国中东部大范围霾天气进行了综合分析.结果表明:前倾槽结构和逆温层结为霾的形成提供了有利条件;800hPa以下层垂直速度、涡度和散度的绝对值较小.是霾维持的动力因子.大气混合层高度的变化对霾的生消有很好指示作用,霾天混合层高度北高南低分布,致使南方比北方更易出现严重霾天气.此外,要素对比结果表明,霾的相对湿度比雾低,温度露点差比雾大,逆温强度比雾弱,大气混合层高度比雾高,这些可为霾的预报提供参考依据.     

1981—2013年四川省视程障碍类天气现象分析

利用四川省1981—2013年雾、轻雾、吹雪、雪暴、烟幕、霾、沙尘暴、扬沙和浮尘9种视程障碍天气现象资料,对其发生日数、发生概率和分布特征进行统计。结果表明:(1)各天气现象发生日数排序为:轻雾>雾>浮尘>霾>烟幕>扬沙>沙尘暴>吹雪>雪暴。(2)轻雾和雾年发生日数为分别为176d/a和29d/a,日发生概率分别为48%和8%,远高出其他天气现象。(3)季节变化方面,雾和轻雾主要出现在秋季和冬季;霾、吹雪和雪暴集中出现在冬季;浮尘发生春季;扬沙多发生在冬季和春季;而沙尘暴、烟幕主要发生在春季和秋季。(4)变化趋势上轻雾基本保持平稳;烟幕呈增加趋势;而雾、霾、沙尘暴、扬沙和浮尘呈下降趋势。(5)大气层结稳定、水汽充足、风速较小、人口集中和排放量较大,易于盆地雾、轻雾、霾和烟幕的形成;不合理利用水和土地资源,北方地区沙尘天气随冷空气南下,是沙尘天气发生的重要原因;而吹雪和雪暴均发生在冬季降雪量大且风速较大的川西高原。     

2013年1—2月华北雾、霾天气边界层特征对比分析

利用地面观测资料、中国气象局PM2.5质量浓度数据、L波段探空秒数据等,对华北地区三个大城市(北京、石家庄和太原)的雾、霾及晴天天气的地面风场特征及PM2.5浓度分布情况进行了统计分析。同时分析了典型雾、霾天气过程中的边界层气象要素垂直结构及逆温层特征,并与晴天过程做了对比。通过对不同强度雾、霾天气过程的边界层动力、热力学结构差异的讨论,发现逆温强度与雾、霾天气的能见度有负相关关系,并对雾、霾天气的发生有一定的预报指示意义。     

再论都市霾与雾的区别

都市霾的出现有重要的空气质量指示意义，而雾或轻雾与特定的天气系统相联系。由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快，都市霾现象或灰霾天气日趋严重，霾与雾的区分成为一个非常现实，又迫切需要解决的问题。东南沿海各省用相对湿度区分的标准普遍偏低，将大量霾记成了轻雾或雾。实际上近地层大气中每时每刻总是有霾存在的，而雾滴的存在是少见或罕见的；霾滴要想通过吸湿增长成为雾滴，必须有足够的过饱和度，能够越过过饱和驼峰才行，这在自然界并不容易。在非饱和条件下，不但非水溶性的霾不能转化成雾滴，即便是水溶性的霾粒子一般也不可能吸湿转化为雾滴。实测资料表明，出现雾时，极端最小相对湿度是91％，在相对湿度低于90％的情况下，没有观测到雾。降温是达到饱和形成雾滴的最主要、最重要的物理过程，在自然界中的霾滴通过吸湿过程增长成雾滴几乎不可能。历史上我国各级气象部门从来不存在以相对湿度70％界定轻雾与霾的补充规定。区分霾和雾，应该根据影响天气系统的变化，结合宏观特征的各种判据来确定。建议将相对湿度的阈值定为90％，作为区分轻雾与霾的辅助判据是合理的。     

再论相对湿度对区别都市霾与雾(轻雾)的意义

在都市,霾的出现有重要的空气质量指示意义。而雾或轻雾的记录,有明确的天气指示意义,与特定的天气系统相联系。由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快,都市霾现象或者是灰霾天气日趋严重,霾与雾的区分成为一个非常现实,又迫切需要解决的问题。在全国气象系统的台站观测中,区分霾与雾(轻雾)的判据比较混乱,缺乏可比性,东南沿海各省不成文规定的用相对湿度区分的标准普遍偏低,将大量霾记成了轻雾或雾。实际上近地层大气中每时每刻总是有霾存在的,而雾滴的存在是少见或罕见的;霾滴要想通过吸湿增长成为雾滴,必须有足够的过饱和度,能够越过过饱和驼峰才行,这在自然界并不容易。在非饱和条件下,不但非水溶性的霾不能转化成雾滴,既便是水溶性的霾粒子一般也不可能吸湿转化为雾滴。实测资料表明出现雾时,极端最小相对湿度是91%,在相对湿度低于90%的情况下,没有观测到雾。降温是达到饱和形成雾滴的最主要、最重要的物理过程,在自然界中的霾滴通过吸湿过程增长成雾滴几乎不可能。历史上我国各级气象部门从来不存在以相对湿度70%界定轻雾与霾的补充规定,由于理解的问题,将大量霾记成了轻雾。区分霾和雾,应该根据影响天气系统的变化,结合宏观特征的各种判据来确定。建议将相对湿度的阈值定为90%,作为区分轻雾(雾)与霾的辅助判据是合理的。     

近34年青海省雾霾天气空间特征分析

利用1980-2013年青海省50个站地面气象观测资料,分析青海省近34年雾、霾、轻雾出现各站的日数和频次数。结果表明,青海省霾天气主要分布在海西、海北、海南、玉树西北部(曲麻莱、治多)、果洛北部(玛多、玛沁),整体呈西北部地区偏多,东部农业区最少;青海省东北部、东南部、西南部等年降水量相对较多的区域,是雾、轻雾集中出现的区域,霾天气出现最多的区域是年降水量相对较少的区域,也是雾、轻雾出现最少的区域。     

在北京气象塔上测量城市边界层辐射特征

利用2004年10～12月在北京325m气象铁塔上所测量的长波辐射和短波辐射垂直分层资料,分析了晴空、霾(烟、尘、轻雾)和浓雾天气条件下塔上两层的辐射特征。结果表明,城市边界层大气对短波总辐射有明显的衰减作用,2m处的总辐射280m处的总辐射。在晴好天气下,衰减比例为11.2%;在霾和雾天气下,衰减比例分别达到22.3%和36.6%。在塔上280m处测量的晴天城市地表反照率为0.12,而在霾和雾天气条件下分别为0.17和0.29。大气逆辐射(向下长波辐射)的日变化没有短波辐射的明显且有规律,晴好天气的辐射通量密度最小,霾天较大,雾天最大,2m处的大气逆辐射一般高于280m处的。向上长波辐射呈明显的日变化,且2m处的向上长波辐射日变化幅度280m处的。净辐射具有典型的日变化,晴天日变化幅度最大,霾和雾天的日变化幅度减小。晴天辐射加热最显著,278m厚气层的辐射加热达1.35℃.h-1,霾天为1.13℃.h-1,雾天为0.40℃.h-1。个例分析表明,在近地面气层内,霾中的气溶胶粒子和雾中的水滴对辐射产生程度不同的影响,并影响到辐射平衡,进而影响不同高度气层的加热和冷却,导致边界层结构的改变。     

四川盆地一次持续性雾霾天气过程分析

利用空气质量监测资料、NCEP分析场资料、常规气象观测资料,对2014年1月22日~2月4日四川盆地一次持续性雾霾天气过程的特点及环流背景进行了分析。结果表明:此次持续14天的雾霾天气过程发生在中高纬纬向型环流背景下,青藏高原到四川盆地的西风气流不利于冷空气南下以及降水的产生,同时我国大部分地方处于地面高压内的均压场中,气压梯度力小,近地面风速小,有利于雾霾的形成和维持。大气混合层高度的变化对雾霾之间的转换有很好的指示作用,霾的混合层高度比大雾和轻雾的高,且霾的相对湿度比低,温度露点差比雾大,逆温强度比雾弱,这些都为雾霾之间的转换预报提供了很好的参考依据。     

天津雾和霾自动观测与人工观测的对比评估

为适应地面气象观测业务调整方向,提高新型自动气象站观测资料的质量及可用性,研究中对天津地区10个地面气象站1951—2014年历年2月人工观测及2014年2月自动观测和人工观测的轻雾、雾、霾现象进行对比评估。结果表明:天津地区历年2月轻雾的平均日数为10 d,雾和霾均为2 d,轻雾和霾同期出现的日数占有天气现象的7.4%,而雾和霾同期出现日数仅占0.7%;平行观测期的对比分析得到人工观测轻雾日数比自动观测多11 d,雾日数和霾日数均比自动观测少6 d,其中,轻雾和雾的判别差异集中出现在每日08:00(北京时,下同),霾则基本出现在每日08:00,14:00,17:00,20:00;通过对比自动观测和人工观测的能见度数据发现,二者相对偏差达25.1%,能见度小于15.0 km时,自动观测的能见度有60%~76%数值偏小,特别是08:00和20:00, 因此,在相对湿度满足条件的情况下,能见度的判别误差是导致自动观测与人工观测轻雾、雾、霾现象判别差异的重要原因。     

哈尔滨雾霾天气候特征

利用哈尔滨地面气象观测数据,对1961-2010年哈尔滨雾霾天气候特征进行分析,得出:1961-2010年,哈尔滨的雾霾天经历了一个减少-增多-减少的过程;哈尔滨市雾霾天气出现较频繁,有四到五成的日子会有雾霾天气出现,雾霾天以烟幕和轻雾天为主;雾霾天冬季出现最多,其次秋季,春、夏季较少;雾生多在凌晨3-6时,消多在清晨5-9时;持续时间多4 h(占有记录的雾持续时间81%)。     

霾观测判识标准定量化对雾霾观测记录的影响

为研究霾观测判识标准定量化对雾霾观测记录的影响,选取2006—2012年湖北省18个基准站、基本站和一般站三类国家级地面气象观测站的资料,对已记录和按照相对湿度判识标准统计的雾、轻雾和霾天数进行分析,结果表明:判识标准定量化将使霾的观测记录明显增多,轻雾和雾观测记录略有减少,霾和轻雾观测记录将更趋合理,就湖北省而言,相对湿度在80%~95%之间,应以轻雾和雾为主;通过定时观测时次的能见度、相对湿度,以及日天气现象记录,可以得到历年按照相对湿度判识标准统计的霾和轻雾天数,实现对历史资料序列的订正,形成判识标准改变前后均一化的月年资料序列。判识标准定量化后,不能机械的硬套判识指标,观测员仍需熟练掌握轻雾和霾以及其他视程障碍现象的成因和特征,避免相对湿度在霾观测判识标准上下波动、轻雾处于消散过程阶段,轻雾与霾的频繁转记。     

合肥市不同天气条件下大气气溶胶粒子理化特征分析

为探讨合肥市霾天气大气气溶胶粒子的组成及来源,在2012-2013年代表性月份用安德森分级采样器在合肥市区进行大气气溶胶粒子采样,并分析各样本中水溶性无机离子成分(NH4+、Mg2+、Ca2+、Na+、 K+、NO2-、NO3-、Cl-、SO42-)。根据同期气象资料把采样背景天气分为晴空、雾、霾、轻雾等4类,详细分析了这4种天气下大气细粒子(指PM2.1)和粗粒子(粒径大于2.1 μm部分)的浓度、组成以及主要离子组分的异同。结果表明:(1)观测期间晴空天多对应空气质量优良,雾、霾天对应轻度到重度污染,从晴空天到雾、霾天,PM2.1浓度大幅度上升,且其占总悬浮颗粒物(TSP)的比例显著上升。(2)从晴空天到雾、霾天,水溶性无机离子质量占PM2.1质量浓度的比例上升,分别为46%(晴空)、67%(霾)、61%(雾)、80%(轻雾)。PM2.1中水溶性无机离子浓度居前3位的雾、霾天是SO42-、NO3-和NH4+,晴空天为SO42-、Ca2+、NO3-。(3)与晴空天相比,霾天PM2.1中水溶性无机离子浓度变化倍数最大的是NO3-(为晴空的6.1倍,下同)、其次是NH4+(3.6倍)和SO42-(3.0倍);雾和轻雾天PM2.1中水溶性无机离子浓度变化最大的是NO3-(>10倍)、其次是NH4+(>5倍)和Cl-(>4.0倍)。(4)4种天气下,与人为污染有关的离子(SO42-、NO3-、Cl-、NH4+)尺度谱存在显著差异,呈双峰型、单峰型、三峰型等;而Ca2+的尺度谱无明显变化,基本上都呈双峰型。(5)在粒径3.3 μm以下,阳、阴离子平衡较好,随着尺度增大变差,且晴空天比雾、霾天差。主要阴离子浓度间、Cl-和Na+间的比值和相关性,在晴空天和雾、霾天差异较大。      

宁波北仑港区一次航道海雾地基多源信息观测特征分析

结合天气形势、高空风场、370m高塔、地面要素、激光云高仪、毫米波雷达等资料,对宁波北仑港区航道2018年2月15日海雾过程进行分析。结果表明,这是一次以锋前雾为主的海雾过程,在上暖下冷的锋面背景下,地面水汽充沛、风力温和,近地层逆温结构,都为海雾的形成和维持提供了有利条件。上下大气风向不一致,不利于垂直方向空气交换,有利于雾霾的产生。激光云高仪后向散射系数、颗粒物的消光系数及退偏振比,可以比较清晰地得出雾滴粒子的光学特性和过程演变趋势。随着海雾的生成、发展、消散,后向散射系数强度也呈增强、强、逐渐减弱的变化。雾天气现象下雾滴粒子小且轻,波动幅度比较大,某一高度粒子的傅里叶变换频率谱对应频率较高,高频所占比多数大于50%。     

一次持续性雾霾天气过程的阶段性特征及影响因子分析

应用常规与非常规气象观测资料及PM2.5浓度监测资料,对2013年1月20~24日山西区域一次持续性雾霾天气过程进行分析。研究发现：（1）本次雾霾天气过程具有明显的阶段性特征。2013年1月20日14时至23日11时,由于相对湿度的变化导致了3次轻雾转大雾过程;23日14~20时,由于PM2.5浓度的增大经历了1次轻雾转霾的天气过程。（2）地面弱的气压场和较小的风速以及PM2.5浓度的上升和相对湿度的增大为本次持续性雾霾天气过程的形成和发展提供了有利条件。（3）边界层逆温的存在是雾霾低能见度过程形成的必要条件,边界层有逆温层而不出现雾霾天气的条件是：相对湿度〈50%,PM2.5日均值浓度〈75μg·m-3;逆温层下相对湿度的大小是区别雾和霾天气的指标。（4）相对湿度和PM2.5是决定能见度大小的关键因子,其对能见度的影响体现出明显的阶段性特征,当相对湿度〈90%时,PM2.5浓度对能见度的作用强于相对湿度,是影响能见度变化的主要因子,但随着相对湿度的增大,其对能见度的影响相对增强,当能见度降至1 km以下时,相对湿度成为影响能见度变化的主要因子。     

2016—2017年冬季华北地区一次重污染过程的气象条件分析

以华北地区为研究区域,利用地面监测数据、高空观测资料、NCEP FNL资料及HYSPLIT后向轨迹模式,对2016年12月26日至2017年1月9日该地区的雾霾天气过程进行综合分析。结果表明,雾霾期间高空以纬向环流为主,冷空气势力偏弱,主要受高压、弱高压或均压场控制,有利于华北地区静稳天气形成。同时,雾霾期间边界层平均高度约600~900 m,污染物浓度与边界层高度呈负相关,且污染物浓度变化较边界层高度变化存在滞后现象。逆温层的长期存在,不利于污染物垂直扩散,能见度一直维持在5 km以下。后向轨迹集合模拟与聚类分析表明,以北京地区为核心的华北地区雾霾天气期间,外来污染物中,80%来自西北方气团,20%来自河北西南地区气团。     

HAZE-TO-FOG TRANSFORMATION DURING A LONG LASTING, LOW VISIBILITY EPISODE IN NANJING

Haze-to-fog transformation during a long lasting, low visibility episode was examined using the observations from a comprehensive field campaign conducted in Nanjing, China during 4-9 December 2013. In this episode, haze was transformed into fog and the fog lasted for dozens of hours. The impacts of meteorological factors such as wind, temperature (T) and relative humidity (RH) on haze, transition and fog during this episode were investigated. Results revealed significant differences between haze and fog days, due to their different formation mechanisms. Comparison was made for boundary-layer conditions during hazy days, haze-to-fog days and foggy days. Distributions of wind speed and wind direction as well as synoptic weather conditions around Nanjing had determinative impacts on the occurrences and characteristics of haze and fog. Weakened southerly wind in southern Nanjing resulted in high concentration of pollutants, and haze events occurred frequently during the study period. The wind speed was less than 1 m s-1 in the haze event, which resulted in a stable atmospheric condition and weak dispersion of the pollutants. The height of the temperature inversion was about 400 m during the period. The inversion intensity was weak and the temperature-difference was 4°C km-1 or less in haze, while the inversion was stronger, and temperature-difference was about 6°C km-1, approaching the inversion layer intensity in the fog event. Haze event is strongly influenced by ambient RH. RH values increased, which resulted in haze days evidently increased, suggesting that an increasing fraction of haze events be caused by hygroscopic growth of aerosols, rather than simply by high aerosol loading. When RH was above 90%, haze aerosols started to be transformed from haze to fog. This study calls for more efforts to control emissions to prevent haze events in the region.     

秸秆焚烧导致的江苏持续雾霾天气过程分析

利用常规观测资料和NCEP再分析资料,从污染情况、环流背景、地面气象要素特征、水汽、热力及动力条件等几个方面对江苏2012年6月中上旬持续雾霾天气进行了分析。结果表明:江苏及周边省市秸秆焚烧造成大量的气溶胶粒子悬浮于空中,是造成江苏出现持续不同程度的霾天气的主要原因,同时也为雾滴形成提供了丰富的凝结核;中高层冷空气强度未能完全破坏底层相对稳定的层结,较小的风速和较大的湿度有利于雾霾的发展,重度霾或雾风速多在3 m/s以下,且相对湿度在80%以上。频繁的弱降水过程对雾的形成和霾的加重起到了重要的作用;低层的逆温或近中性层结的维持,为雾霾持续存在提供了有利的层结条件,且浓雾形成主要有辐射贴地逆温和平流逆温两种形式;垂直上升运动与雾霾的发展之间有着互相影响的紧密联系,在具备一定的水汽条件时,底层弱的上升运动有利于雾体的向上发展从而促进雾的加浓。后向轨迹模拟雾霾相对较严重的6月10日污染轨迹表明沿江和苏南地区污染物浓度上升除了本地悬浮颗粒物外,安徽境内的污染物的输送也是一个重要因素,而北部地区更多还是本地的污染源。