北京2009~2013年期间持续性大雾的类型、垂直结构及物理成因

北京地区持续性大雾天气近几年呈显著增加趋势,但由于缺乏高时间分辨率的雾微物理和大气廓线数据,限制了对大雾垂直结构和物理成因的深入了解。本文基于美国Radiometrics公司生产的35通道MP-3000A型微波辐射计廓线仪(Microwave Radiometer Profiler,简称MWRP)及常规气象和卫星观测资料分析研究了2009~2013年期间北京地区13次大雾天气过程的类型、垂直结构特征及其产生的物理成因。按照雾产生的基本条件,将13次大雾天气主要划为平流雾和蒸发雾两类,辐射雾存在于持续性大雾过程中,不做单独划分。平流雾的平均雾顶高度不超过1.0 km,而蒸发雾的平均雾顶高度在0.5~1.5 km之间。平流雾主要是由来自西南和东南的暖湿平流移经北京地区冷下垫面后冷却降温过程产生,强逆温的形成有利于雾的持续发展。而蒸发雾是由本地区降水蒸发冷却形成,或是冷平流移经暖湿下垫面形成。按照微波辐射计连续观测的雾宏微观垂直结构特征,将13次大雾天气过程又划分为单一雾结构和云雾共存结构,并采用卫星和地面气象观测数据对部分典型雾个例进行了比较验证研究。结果表明,在13次大雾天气中,平流雾和蒸发雾各占69%和31%。由此说明北京地区持续性大雾天气主要是由暖湿平流过程和降水蒸发冷却过程造成,与天气过程的异常密切相关。单一雾结构仅占15%,而云雾共存结构占近85%,且持续三天以上的大雾天气基本具有云雾共存结构。     

北京地区一次典型大雾天气的空气污染过程物理量分布特征

2002年11月30至12月4日，北京持续4天大雾天气，空气污染物在持续的稳定层结条件下，空气质量连续3天达5级以上。文中分析了大雾天气各主要污染物的变化特征，以及此次过程中天气形势的特点及演变，并对造成大雾日空气污染天气的物理量分布特征进行分析。结果表明：高空WNW气流、稳定性持续增加、逆温层结持续存在、低空风速较小、相对湿度大，导致局地污染物不能及时随大气扩散；1000～700hPa有弱的上升气流形成和维持，与500hPa高空下沉气流之间在低空的某层高度上形成稳定层结(逆温层)，导致大雾及重污染的形成；850hPa为暖区，850～500hPa为冷平流，有利于大雾的形成和加重。     

北京地区一次持续性大雾的宏观物理特征

通过分析北京地区2004年11月30日和12月2日出现的两场大雾生成的天气背景,大雾生成阶段和消散阶段的温度、湿度、气压和风场特征,探讨北京地区大雾的宏观物理特征。所用数据资料是通过系留气球探测所得,分析了气象要素的廓线和时间剖面图特征,从而得到了北京地区有雾生成时的天气背景特征;辐射雾与平流雾的能见度变化区别,雾生成时、持续阶段及雾消散前温度场、湿度场的变化特征;逆温层在辐射雾和平流雾中的形成原因和作用都不同;比湿值增大是判断有暖湿平流带来水汽的重要指标;气压变化平稳、缓慢,使强对流没有发生,逆温层不能被冲破,雾能长时间维持。     

深圳大雾天气的时空差异性分析

利用高分辨率的自动气象观测资料和大气成分在线观测资料,分析了深圳大雾天气的时空变化特征以及区域间大雾持续时间和污染特征的异同。结果表明:深圳大雾日数总体呈减少的趋势;冬春季是大雾多发期,其中2月至4月上旬最为集中,凌晨至早晨是高发时段;深圳大雾空间差异性大,总体呈东多西少分布,东部沿海是区域大雾的多发区;大雾过程一般持续1~2 d,多为短历时雾,3h内完成生成、消散过程;位于东部沿海地区的盐田港站大雾过程持续日数和时长均较西部的竹子林基地站长,易出现持续时间长、影响日数多、强度大的大雾过程;大雾发生时竹子林基地站常伴随污染出现(轻度及以上污染概率34%),而盐田港站污染天气较少(5%),各类污染物质量浓度均低于竹子林基地站;大雾时竹子林基地站首要污染物以PM_(2.5)为主(92%),盐田港站为PM_(2.5)(68%)和O3(27%)。     

1961-2013年黑龙江省雾霾时空分布特征及影响因子分析

利用1961-2013年黑龙江省83个地面气象观测站53 a的气象观测资料,分析了黑龙江省雾霾天气的时空分布特征。分析结果发现,黑龙江省大雾天气出现日数远远高于霾日,历年来呈现稳定波动、缓慢下降趋势,而霾天气出现的次数为阶段性,近10 a黑龙江省发生霾天气次数最少,但2013年开始又略有回升;大雾天气主要发生在夏季和初秋,而霾天气主要出现在4-10月;伊春雾霾天气发生的频率较高,松嫩平原西部雾发生的频率较低,霾发生的频率较高;大气环流、近地面逆温、静风等天气条件和污染物排放均对雾霾天气的产生具有影响,而焚烧秸秆和冬季燃煤供暖排放的污染物等外因也是雾霾天气产生的强烈诱因。     

基于BJ-RUCv2.0预报系统对大雾形成和发展关键条件的数值分析

为了弄清北京地区持续性雾-霾天气过程的演变规律、揭示大雾形成和发展的关键条件,利用常规气象观测资料、高速路自动气象站观测资料和大气成分观测资料分析了2013年1月26~31日雾-霾天气过程的演变特征和有利于大雾形成和发展的天气形势。在此基础上,采用先进的北京快速循环同化中尺度数值预报系统（BJ-RUC v2.0）开展数值模拟,分析大雾形成的水汽、动力和热力条件,得出:模式对1月30日夜间至31日前半夜的雾区模拟较好,但对28日夜间至29日白天（大雾天气伴严重大气污染）雾区的模拟偏差较大。发现近地层的持续性东南风使950 hPa以下湿度增大是大雾形成的关键条件。上层（975~800 hPa）的明显暖平流导致逆温层的加强和维持,使大气层结稳定度增强,是大雾天气发展和维持的重要条件。另外,近地层950 hPa以下为风场辐合、其上层为风场辐散的结构有利于雾的进一步发展。     

北京地区大雾形成的分析和预报

根据1958~1994年首都机场大雾观测记录, 统计分析北京地区大雾生成的气候概况, 计算分析大雾形成前各种物理量场的分布和观测数据, 提出预报北京地区大雾的方法.并于1998年7~11月进行了预报检验.     

大雾天气对城市环境中空气质量的影响及危害

商丘市的大雾多形成在大陆高压型、冷锋前暖区型、均压场型、（低压）倒槽型天气形势中。空气中的污染物不仅增加了水汽凝结核，那些可溶性气溶胶还降低了饱和水汽压，使空气中的水汽更容易饱和，因此被污染的空气更容易形成雾。而大雾天气抑制了近地面层污染物的垂直扩散，加剧了城市污染。     

大雾天气对城市环境中空气质量的影响及危害

商丘市的大雾多形成在大陆高压型、冷锋前暖区型、均压场型、(低压)倒槽型天气形势中。空气中的污染物不仅增加了水汽凝结核,那些可溶性气溶胶还降低了饱和水汽压,使空气中的水汽更容易饱和,因此被污染的空气更容易形成雾。而大雾天气抑制了近地面层污染物的垂直扩散,加剧了城市污染。     

北京地区一次典型大雾天气过程的边界层特征分析

利用中国科学院大气物理研究所325 m铁塔15层风、温、湿梯度观测资料和3层超声资料,对2002年12月1~4日发生在北京地区的持续大雾天气过程进行近地面层大气边界层特征分析。结果表明,近地面大气边界层较大的相对湿度(70%)、较小的风速(3.0 m.s-1)和风速垂直切变(0.02 s-1)、稳定的层结结构以及较低的气温是北京持续大雾天气形成的主要原因。冷空气的侵入使得边界层相对湿度迅速减小,风速和风速垂直切变增大,破坏近地面大气边界层的结构,导致大雾的消散。分析还发现,大雾的维持与消散主要受风场等动力因素的影响,热力层结是大雾维持和消散的必要条件。冷空气的侵入自上而下影响平均风场,而对湍流风场的影响则是自下而上的。尺度分析结果表明,大雾期间,近地面边界层内中尺度动量通量和感热通量都大于湍流尺度的,中尺度动量通量与平均风速基本呈反相关;冷空气的侵入使得湍流通量显著加强,是导致大雾天气消失的主要原因。     

北京市持续重污染天气分析

通过对2004-2008年北京市空气持续重污染过程的统计及其对非沙尘型持续重污染天气形势的特征分析,得到以下结论：持续重污染过程具有明显的季节分布特征,主要包括春季沙尘型污染和秋冬季节非沙尘型污染;非沙尘型持续重污染过程期间多对应着大雾、轻雾、霾、烟等低能见度天气,过程后期对应的天气现象多为大风或降水天气。其中大雾天气更易引发长时间持续的空气重污染事件。非沙尘型持续重污染的天气形势特点为：高空多为纬向环流,850 hPa多为暖脊控制,地面多处于弱气压场,鞍形场型污染尤为严重。北京持续重污染多对应区域性污染。     

一次大雾天气过程的分析

利用高空、地面探测资料以及卫星云图和天气雷达资料,对2007年11月6日清晨至上午发生在通辽市科尔沁区及通辽市南部科左后旗的一次大雾天气进行了分析。结果表明:这次大雾为辐射雾,因前一日通辽市南部受低空高压脊外围的影响,西南气流将渤海以及南方的水汽输送上来,使通辽市南部有了充沛的水汽储备,加之地面形势以均压区为主,气压梯度小,风速弱,晴朗少云,近地面有逆温层,这些都为辐射雾的形成提供了很好的条件,另外从多普勒雷达产品上也反映了一些雾的特征。     

2007年初一次雪后大雾天气过程分析

大雾天气是主要的灾害性天气之一。利用多种观测资料和NCEP再分析资料,分析了2007年1月15日华北和黄淮地区的雪后大雾天气产生的天气背景及其形成的温湿条件和层结特征。结果表明:在这次大雾天气发生时,亚欧大陆中高纬度的环流形势为两槽一脊型,中纬度无明显冷空气活动,南支气流较为平直,天气形势比较稳定。华北和黄淮地区位于入海高压的后部,近地面层有弱的东北风或偏东风,即有利于海洋上暖湿气流的平流输送,又不至于破坏大雾形成的温湿条件。同时,大气层结是绝对稳定的,低层有深厚的逆温层,当暖湿空气平流到温度较低的下垫面上时冷却而形成雾,因而这次大雾天气属于典型的平流雾。这种形势的稳定维持,造成了这次持续时间较长的大范围的大雾天气。另外,华北和黄淮较低的海拔高度,有利于暖湿空气的平流进入,也是大雾形成的重要因子。     

奥运期间天津极端天气气候事件背景分析

利用1951～2006年天津7月下旬至9月上旬的日最高气温、降水量、最大风速和8月扬沙、雾、雷暴和冰雹的观测资料,统计了对足球比赛影响较大的高温、暴雨、大风、雾和雷暴等极端天气气候事件发生的概率及分布特点,以期为2008年北京奥运会天津分赛场的足球小组赛提供气候背景服务信息。结果表明:在奥运会期间,天津易出现高温、暴雨、雷暴和雾等不利天气;而大风、扬沙、冰雹的概率相对较小。相对而言,8月中旬至9月上旬,这些不利的极端天气气候事件发生的概率小,对各项赛事的开展较为有利。     

南京市郊雾水中重金属和大气污染物的观测分析

利用2006年12月南京市北郊雾水样品化学分析资料和同期气象资料研究郊区雾水中重金属和雾天大气污染特征。结果表明,郊区出现雾天时,不利于大气污染物的扩散,造成较严重的大气污染,污染物浓度变化与雾的生消基本同步;大雾期间PM10浓度比起雾前高2．5倍。雾水中重金属浓度在0．0205—1．8248mg／L范围,平均1．32mg／L;对重金属与大气污染物作相关分析,除类金属As外,Cd、Cr、Cu、Mn和Fe浓度两两之间相关系数均大于0．91,说明重金属排放具有同源性。     

基于动态统计预报方法的京津冀雾霾中期预报试验

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）数值预报产品和动态统计预报方法,对北京、天津、石家庄等14个京津冀重点城市雾霾与空气污染进行定量化的中期预报试验,包括对首要污染物PM_2.5浓度和能见度的逐时定量化预报及雾霾现象的客观化判断,并对2015年10月1日-2016年11月10日试验预报效果进行了检验评估。检验结果显示:该方法对北京及周边城市未来10 d逐时和逐日能见度、PM_2.5浓度及雾霾现象的预报值与观测值之间具有显著正相关系数、较高的误差减少量和TS评分等,表明基于ECMWF数值预报产品和动态统计预报方法的京津冀雾霾污染中期定量化预报技术整体上具有较高的可靠性、稳定性与预报技巧性。此外,检验指标还显示出该动态统计预报方法对能见度的预报效果要略优于PM_2.5浓度预报,同时对霾的预报准确率高于对雾的预报。个例分析显示,该动态统计预报方法能提前5~6 d预报出北京地区典型持续性雾霾污染的发展过程,对持续性雾霾的提前预报预警具有较好的参考意义。     

山东中西部一次持续性大雾的形成及维持机制

利用常规气象观测资料和NCEP/NCAR提供的6 h再分析资料（分辨率为1°×1°）,对2013年1月12-16日发生在山东中西部地区的一次持续性大雾天气过程从环流背景、层结条件、动力和热力学机制等方面进行了诊断分析。结果表明：中高层偏西气流、对流层低层温度脊和地面冷高压的稳定维持为这次持续性大雾过程提供了有利的环流背景;大雾过程经历了辐射雾—平流辐射雾—平流雾的复杂演变阶段,不同阶段的大雾湿层厚度及逆温强度有所不同;适当的风速和低层弱的水汽辐合有利于大雾稳定维持和发展;近地层辐合上升、中高层辐散下沉,易在界面形成逆温层,有利于大雾的出现,而整层的辐合上升运动往往容易形成中高云,不利于近地层水汽的聚集,难以形成大雾。