, 刘敬乐2, 蔡子颖1, 韩素芹2, 吴彬贵21. 天津市环境气象中心, 天津 300074;
2. 天津市气象科学研究所, 天津 300074
收稿日期: 2018-04-01; 修回日期: 2018-06-07; 录用日期: 2018-06-07
基金项目: 国家重点研发计划课题（No.2016YFC0203302）；国家自然科学基金（No.41771242，41675018）；中国气象局第二批青年英才培养项目
作者简介: 姚青(1980-), 男, E-mail:yao.qing@163.com
通讯作者（责任作者）: 姚青
摘要: 采用地面大气能见度、PM2.5质量浓度、梯度气象资料、塔上湍流观测资料等多种资料及后向轨迹方法，分析近地层温湿结构和湍流特征对2016年12月16日-21日天津地区一次严重持续雾霾天气演变过程的影响.结果表明，本次雾霾天气过程可以明显的分为霾、雾的生成和发展、雾成熟和雾霾消散等4个阶段，近地层温度、相对湿度和风的垂直分布及湍流特征对各阶段的雾-霾转化起到了重要作用.霾生成期间，偏南气流盛行，地面风速降低，RH不断增大，湍流不活跃；地面辐射降温引发了近地层内显著的强逆温，并导致RH由地面到高空逐渐增大，有利于雾的生成和发展；感热通量和潜热通量爆发式增长，导致逆温层瓦解，雾顶继续抬升，雾进入成熟阶段，湍流活动减弱；受西北气流影响，湍流活跃，高空的干冷气团向下取代地面暖湿气团，结束本次雾霾天气过程.采用近地层温湿结构和湍流特征资料，可用于雾-霾天气的演变及其转化过程精细分析.
关键词:雾霾天气温湿结构湍流特征天津
Analysis of temperature and moisture structure and turbulence characteristics of a smog and haze weather process in Tianjin
YAO Qing1
, LIU Jingle2, CAI Ziying1, HAN Suqin2, WU Bingui2 1. Tianjin Environmental Meteorology Center, Tianjin 300074;
2. Tianjin Institute of Meteorological Science, Tianjin 300074
Received 1 April 2018; received in revised from 7 June 2018; accepted 7 June 2018
Supported by the National Key Research and Development Plan (No.2016YFC0203302), the National Natural Science Foundation of China (No.41771242, 41675018) and the Second Batch of Young Talent Training Project of China Meteorological Administration
Biography: YAO Qing(1980—), male, E-mail:yao.qing@163.com
*Corresponding author: YAO Qing
Abstract: The influence of the vertical structure for temperature and humidity in the boundary layer and the characteristics of turbulence on the evolution of a severe persistent haze-fog event in Tianjin during December 16 to 21 in 2016 was discussed in this study, by using theobserved surface mass concentration of PM2.5, visibility, gradient meteorological data, turbulence observation data on the tower, as well as the backward trajectory method. The results showed that the haze eventcouldbe divided into four stages, i.e., the formation of fog-haze, the development of fog-haze, the mature of fog and the dissipation of fog-haze. The vertical distribution of temperature, relative humidity and wind in the surface layer, as well as the characteristics of turbulence played an important role in the fog-haze transformation in each stage.During the formation stage, the southerly wind prevailed in this region, with decreases in the wind speed near the surface, increases in RH, and the suppressed turbulence.The reduction in the surface temperature due to decreases in solar radiation could lead to a strong inversion in the surface layer and the gradual increase in RH from the ground to the upper air, which was conduciveto the formation and development of the fog. In the mature stage, the sensible and latent heat flux exhibited explosive growth, leading to the collapse of the inversion layer, the lifting of the fog top layer, and the weakened turbulence. With the influence of northwest wind, the turbulence became more active, the dry cold air mass at high altitude moved downward, and replaced the warm and wet air mass near the surface, and the haze-fog process ended.By using the vertical data of temperature and moisture, as well as the turbulence data, the evolution and transformation of fog-hazeevent can be analyzed more accurately.
Keywords: fog-hazetemperature humidity structureturbulenceTianjin
1 引言(Introduction)近年来, 随着城市化快速推进, 空气污染的区域化特征增强, 京津冀地区成为我国雾霾天气频发区域之一.赵普生等(2012)汇总了京津冀地区107个地面站的气象资料, 统计霾日变化趋势, 发现区域内城市和非城市站点霾日数日益接近, 北京、天津等处于霾日数高值区.京津冀地区有关雾-霾天气成因的研究已经开展了很多工作.Wang等(2014)认为, 天气系统弱、强冷空气活动少和极其不利于污染物扩散的局地气象条件及地理位置是造成2013年初我国中东部地区多次持续严重雾霾天气形成的外部条件.郭丽君等(2015)对2011年12月华北地区一次持续一周时间的低能见度重霾天气过程的观测资料分析表明, 该次过程发生在高压天气系统和静风条件下, 暖平流和辐射降温形成的稳定逆温边界层结构有利于污染气溶胶的积累和雾霾的形成和发展, 尤其是来自南方持续不断的湿平流使雾霾天气得以长时间持续和发展.雾-霾天气下气溶胶的微物理特征研究表明, 随着RH的升高, 低能见度天气呈现霾-湿霾-轻雾-雾相互转化(杨军等, 2010), 并且雾和霾相互影响, 霾气溶胶的积累为雾的发展提供凝结核, 雾中丰沛的水汽作为介质影响气溶胶、反应性气体和液态水之间的非均相化学反应, 从而改变气溶胶的质量浓度、化学特性和光学特性(Pandis et al., 1990).周明煜等(2005)对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料, 综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布.Sun等(2013)指出夜间残留层内存在的高浓度的PM2.5在白天向下对流输送机制, 发现稳定天气条件下边界层内的逆湿结构对PM2.5浓度上高下低的分布模态有着重要影响.边界层内湍流的强弱直接表征大气污染的垂直混合能力, 当湍流较弱时, 近地面的大气污染不易向垂直方向混合(邓雪娇等, 2011; Hao et al., 2017), 且边界层内的温度层结与大气污染的扩散能力直接相关(郭丽君等, 2015; 张人禾等, 2014; 花丛等, 2015).天津位于华北平原北部, 东临渤海, 地形和超大城市下垫面造成了其边界层结构具有独特的特点.依托天津气象铁塔和地基遥感设备观测资料, 诸多****开展了有关天津地区边界层大气结构(Han et al., 2015a)、雾(吴彬贵等, 2013)和污染物垂直分布(Han et al., 2015b; Wu et al., 2015)的大量研究, 有助于增进对天津地区边界层结构和污染物垂直分布特征的深入了解.
按照环境空气质量综合指数评价, 2016年度全国74个新标准第一阶段监测实施城市中空气质量相对较差的10个城市中有6个位于京津冀区域, 天津和北京分别处于第59位和61位, 其首要污染物均为PM2.5(中华人民共和国环境保护部, 2017).天津市2016年PM2.5质量浓度为69 μg·m-3, 中度以上污染天气53 d, 均较2015年略有改善(天津市环境天津市环境保护局, 2017).京津冀区域重污染天气发生的本质在于大量一次污染物的高强度排放及其二次污染物的大量生成, 同时因受到太行山、燕山、渤海等特殊大地形和特大城市群构成的复杂下垫面影响, 区域及局地气象条件和边界层结构特征多变, 以及城市尺度的复杂大气环流特征和较强的城市热岛等因素共同作用, 造成了污染物在边界层内的局地扩散和区域输送的变化规律呈现复杂多变态势, 气象因素成为影响重污染天气尤其是持续严重雾-霾天气发生、发展和消散的关键因子.
2016年12月15—22日, 我国中东部地区遭受了一次严重的持续雾霾天气过程, 天津市等多地政府为此启动了空气重污染红色预警.从环流形势看, 这段时间我国中东部500 hPa处于西风带纬向环流控制为主, 地面受冷高压前部的均压场控制, 地面气压梯度弱、风速小, 以下沉气流为主, 有利于污染物累积, 环流形势有利于雾霾天气的发生和维持(刘超等, 2017).吴进等(2017)认为造成此次重污染过程北京地区污染物浓度爆发性增长的原因以外源性污染物输送为主, 逆温层显著增厚直接影响混合层厚度和气溶胶浓度的变化. Han等(2018b)在天津郊区采用系留气艇和气溶胶雷达资料系统分析了本次雾霾天气的边界层结构和气溶胶消光特征, 认为高空存在气溶胶的长距离输送是前期霾形成的重要原因, 结霜是后期雾阶段主要的气溶胶湿清除机制.以往对于京津冀区域典型雾霾天气过程的气象成因分析主要关注大气环流形势(袁东敏等, 2017)和局地气象条件(姚青等, 2014), 较少关注与各观测站点关系密切的边界层低层大气, 尤其是近地层温湿结构和湍流特征的变化特征(Han et al., 2018a; 2018b), 污染物在该区域内的局地扩散以及区域输送的变化规律更加复杂多变.蔡子颖等(2017a)的模拟研究表明, 2008—2010年天津地区气象条件有利于气溶胶粒子扩散, 其后逐年转差, 2013—2015年不利于污染扩散, 是导致这几年雾霾和重污染天气频发的重要原因.深入研究典型雾霾天气过程中温湿和湍流特征等边界层精细结构的变化规律, 对于厘清雾霾天气的形成机理和演变规律, 具有重要的科学意义和技术价值.本文针对此次雾霾天气过程, 分析其近地层温湿结构和湍流特征, 并探讨其演变在雾霾转化过程中的作用, 可有效的提升对此类重污染天气气象特征的认识, 为今后气象部门与环保部门重污染天气会商提供理论支持.研究中形成的指标特征, 如雾霾转化过程中大气污染物的演变、雾的湿清除作用、湍流特征等, 将有效的指导以后类似天气污染峰值和污染持续强度的预报, 为科学有效的启动和解除重污染天气预警, 起到积极有效的支撑作用.
2 资料与方法(Datas and methods)京津冀区域是我国大气环境污染治理的重点区域, 区域内大气污染物来源复杂, 主要污染物PM2.5既有一次来源, 如化石燃料燃烧、工业排放、机动车尾气和扬尘等, 也包含大量SO2、NOx和VOC等作为前体物生成的二次源, 涉及石油化工、钢铁冶炼、建材等多个区域内重点行业.孟凯等(2017)的模拟表明, SO2和NOx的污染源存在明显的季节变化, 冬季或采暖期排放强度最大, 由唐山、北京、天津、廊坊、保定、石家庄、邢台、邯郸等城市构成了东北-西南走向的带状污染物高排放区, 作为气溶胶最主要的气态前体物, SO2和NOx的排放源分布会直接影响PM2.5浓度的时空分布, 而本地区大气扩散条件既受到大尺度的大气环流影响, 也有太行山、燕山等大地形的影响, 近年来京津冀区域整体空气质量逐年好转, 主要得益于大气污染调控和治理取得的成就, 但近年来重污染天气发生频率并未大幅度降低, 这很大程度上与大气扩散条件不佳, 甚至逐年变差有关, 蔡子颖等(2017a)的模拟研究证明了这一趋势.
本文采用的气象数据主要来自天津城市气候监测站和中国气象局天津大气边界层观测站气象铁塔梯度气象观测系统, 二者位于同一院内, 北纬39°06′, 东经117°10′, 海拔高度2.2 m, 台站编号54517, 该站点位于天津市城区南部, 其北距快速路约100 m, 东临友谊路-友谊南路, 西面和南面主要为住宅区, 已开展逾30年的梯度气象观测, 观测资料已在天津地区边界层气象和大气环境研究中得到诸多应用(解以扬等, 2003; 姚青等, 2013; Han et al., 2014).其中天津城市气候监测站为地面气象观测站点, 包含温度、相对湿度、风速、风向和能见度等常规气象观测要素, 梯度气象观测系统在距地面5、10、20、30、40、60、80、100、120、140、160、180、200、220和250 m观测平台上均开展风速、风向、温度和相对湿度的观测, 采用中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的DZZ6型自动气象站.考虑到气象铁塔的基座为水泥地面, 5 m处温度因受到地面辐射影响, 与10 m及以上平台测定的温度差异较大, 本文中逆温的判定以10 m平台的温度开始, 逐层计算, 在10~250 m共14层高度的温度廓线中, 如有上层温度高于下层温度, 即记做一次逆温, 本文不考虑多层逆温的情况.PM2.5质量浓度数据来源于天津市环境监测中心对外发布的全市平均值, 能见度数据采用华云升达(北京)气象科技有限责任公司生产的DNQ1/HY-V35前向散射式能见度仪测量, 仪器测量上限为35 km, 下限为10 m, 精确度±10%(10~10000 m)或±15%(10~35 km), 能见度仪安装于观测站院内的观测场内, 探头离地高约2.4 m.采用美国Compbell公司生产的CSAT3型超声风速仪, 可测量u、v、w三维风速分量和声速c, 并由此计算出声学虚温Tv, 水平方向和垂直方向风速分量的测量误差分别小于±0.04 m·s-1和±0.02 m·s-1.参考Vickers等(1997)的方法对湍流资料进行处理, 主要包括剔除野点、质量控制、平面拟合、阻尼损失校正和Webb校正等步骤, 计算湍流动能平均动能动量通量摩擦速度, 以及感热通量和潜热通量, 具体计算方法见文献(李敏娜等, 2015).应用美国国家海洋和大气局(NOAA)等研发的, 提供质点轨迹、扩散及沉降分析使用的综合模式HYSPLIT(http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT_traj.php)分析天津气流后向轨迹, 轨迹模式所采用的气象资料是NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的FNL全球分析资料, 并经过ARL(NOAA-Air Resources Laboratory)的预处理模块转化成模式所需要的格式.观测期为2016年12月15—22日, 除湍流资料采用30 min平均值外, 其他各种资料均经过严格质控后取小时平均值.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 雾霾天气过程分析2016年12月16日—21日, 我国华北、黄淮及周边地区遭受了一次严重的持续雾霾天气过程, 受影响面积达到268×104km2, 持续时间超过6 d, 系2016年影响范围最广、持续最久、强度最强的一次霾天气过程.本次雾霾天气过程前, 多地启动了空气重污染红色或橙色预警, 并采取工业企业停产限产、工地停工和机动车限行等多项严格措施以降低污染物排放, 在多种严格管控措施并行下多地仍发生PM2.5爆表事件, 表明极端不利气象条件在本次重污染过程中发挥了重要作用(袁东敏等, 2017).尹小梅等(2017)给出了京津冀区域内北京、天津、石家庄和保定等主要城市国控点PM2.5质量浓度的逐时分布情况, 表明12月19日前污染物区域输送明显, 后期在污染物累积、大气静稳度增加和环境容量逐渐减小的背景下, 本地排放的贡献率增加, 采用卫星反演资料也显示了这一趋势.
图 1给出了本次雾霾天气过程的天气形势.12月16日我国东部地面为弱高压控制, 500 hPa处于脊前西北气流, 850 hPa偏西气流为主, 受高空偏西气流影响, 在太行山东侧华北平原形成地形低压区, 从15日夜间开始, 在沿山地区大气污染物出现快速积累, 到16日白天, 随着地面转为西南风, 且逐渐加大, 南部污染带北抬, 影响天津地区, 从12月16日11时起, 污染跃升至重度污染水平并维持.16日夜间开始, 高压系统进一步东移, 天津地区转为高压后部控制, 500 hPa环流转平, 850 hPa转为西南气流, 京津冀地区出现大范围的重污染天气, 进入17日夜间, 相对湿度明显增加, 地面处于两高之间的均匀场控制, 风速小、湿度高, 污染物快速堆积, 且华北北部受弱高压影响, 在天津、河北地区形成风场辐合线, 辐合线地区受南北双重污染输送以及本地排放源影响, 污染气象条件极度不利于污染物扩散, 空气质量达到严重污染水平. 18日夜间, 随着气温下降, 相对湿度进一步升高, 天津全市出现浓雾天气, 整体呈长时间静稳天气格局, 至21日仍维持严重污染水平, 直到22日上午随着西北路径冷空气影响, 天津地区空气质量恢复二级良好水平.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 本次雾霾天气过程的天气形势分析 (a. 16日, b. 17日, c. 18日, d. 19日, e. 20日, f. 21日) Fig. 1Analysis of the weather situation of the haze weather process |
图 2给出了本次雾霾天气过程天津地区地面PM2.5质量浓度、大气能见度和主要气象参数的逐时变化状况.结合PM2.5质量浓度、能见度(VIS)和RH资料, 按照雾和霾天气的分类, 可以明显的分为P1~P4共4个阶段.①12月15日午后—18日午后PM2.5质量浓度逐渐升高, 至18日12时达到383 μg·m-3, RH存在明显的日变化特征, 且逐日升高至90%, 太阳辐射(SR)的日最高值也由447 W·m-2(15日12时)降至300 W·m-2以下, 能见度逐时降低, 由10 km降至1 km左右, 这一阶段属于典型的霾天气过程(P1);②18日午后至20日午后大气能见度长时间维持在1 km以下, 最低时仅为0.03 km(19日21时), RH维持在90%以上, 属于典型的雾阶段(P2), 太阳辐射日最高值维持在300 W·m-2以下, PM2.5质量浓度在200~300 μg·m-3上下波动, 19日07时PM2.5降至169 μg·m-3, 可能与当日凌晨雾生成后发生的气溶胶湿清除有关; ③20日午后—22日早间, PM2.5质量浓度在250 μg·m-3上下小幅波动, RH维持在80%~90%, 大气能见度基本上维持在1 km左右, 这一阶段可以视作雾-霾天气的交替演变阶段(P3), 太阳辐射日最高值降至106 W·m-2(21日11时); ④22日08时以后, 受西北气流影响, 大气污染扩散条件逐渐好转, 22日12时太阳辐射恢复至436 W·m-2, RH迅速下降至30%左右, PM2.5质量浓度在22日13时降至75 μg·m-3以下, 能见度也迅速恢复至20 km以上, 本次雾-霾天气过程结束, 这段时期可视作雾霾天气的消散阶段(P4).
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 观测期间污染物浓度和气象要素 Fig. 2Concentration of pollutants and meteorological condition during observation periods |
3.2 边界层气象特征分析气象要素与污染物的聚集、传输、扩散、干湿沉降等密切相关, 在污染物排放相对稳定的条件下, 气象条件成为影响城市空气污染的主导因素.边界层结构特征, 不仅直接影响一次污染物的输送、积累和扩散, 温湿条件及大气氧化性等边界层内理化特性也会对二次气溶胶的生成和转化产生重要影响(Wang et al., 2016), 特别是近地层温湿结构和湍流特征对于雾霾(李敏娜等, 2015)、沙尘(李晓岚等, 2012)等天气的演变和相互转化起到了重要作用, 边界层气象条件特征分析有助于雾霾天气的精细预报.图 3给出了本次污染过程气象铁塔10、40、120和200 m高度处的温度、相对湿度和风速的逐时变化状况, 这几层大体上对应着地面、城市冠层、近地层上缘和雾顶的高度, 有助于了解边界层低层大气各气象要素的垂直分布状况.对应本文3.1节对本次雾霾天气过程的4阶段, 边界层气象要素也大致可分为时间相似的4个阶段, 如图 2所示, ①12月15日—18日上午, 温度随高度升高而下降, 相对湿度随高度升高而升高, 且各层不断增湿, 近地面风速始终维持在2 m·s-1以下, 200 m处风速17日后也降至静小风水平, 这一阶段对应霾的发展阶段. ②12月18日12时以后10 m处温度连续下降, 19日00时左右降至-3℃, 较17日和18日同期有接近4 ℃的降幅, 与前几日同期相比200 m处温度保持平稳, 地面降温引发了显著的强逆温, 18日23时120~200 m处的温度差达到4 ℃, 同时由降温和增湿双重作用引起的水汽凝结导致了雾的生成和发展, 各层RH逐渐升高, 其中接近地面的10、40和120 m增湿速率明显高于200 m, 导致逆湿现象的发生各层风速较前一阶段略有增加和波动.③20日00时以后塔上各层RH均接近或达到100%, 雾顶继续发展, 已超出气象铁塔的最高观测范围, 由于水汽的凝结放热, 温度逐渐回升, 保持在0℃附近, 逆温也基本消失, 这一阶段可视作雾的成熟阶段, 风速仍维持在较低水平.④22日01时以后, 受西北气流影响, 各层RH大幅度下降, 风速也从高到低渐次升高, 地面观测资料显示08时以后雾霾消散, 从塔上梯度气象资料可见01时开始各层RH均由90%突变, 降至50%左右, 200 m和120 m风速也由不足2 m·s-1快速增至6 m·s-1左右, 22日凌晨塔上各层大气热量和动量交换频繁, 最终导致高空的干冷气团向下取代地面暖湿气团, 从而结束本次雾霾天气过程.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 温度、相对湿度和风速的垂直分布 Fig. 3The vertical variation of temperature, relative humidity and wind speed |
图 4给出了本次雾霾天气过程中气象铁塔观测高度范围(250 m)内雾和逆温层的高度范围, 以及逆温强度的逐时值, 其中以RH≥90%作为雾的判定标准, 雾底一般为地面, 考虑到气象铁塔观测高度有限, 本文中的雾顶实际上为观测高度(250 m)内RH≥90%的最高层, 观测期间RH垂直分布较为连续, 并未出现雾的分层现象, 逆温层底和层顶的判断方法类似, 不考虑多层逆温.从图 4中可见, 与雾霾天气的演变趋势类似, 雾层和逆温层的生成和发展也可以明显的分为4个阶段, 并且直接影响雾-霾天气的演变及其转化.P1阶段主要为气溶胶粒子的积累阶段, 塔层高度内有较弱的逆温层出现, 且随着逆温层逐渐贴地, 逆温强度增大, 大气扩散条件变差, PM2.5质量浓度和霾的强度增大; P2阶段, 受到地面辐射降温影响, 各层温度逐渐降低, 逆温层顶向上扩展, 逆温强度逐渐增大, 最大时接近8 ℃·100 m-1, 降温和增湿促进了雾的生成和发展, 雾首先在160 m处生成, 随着160 m以下气温迅速下降, 相应层的RH迅速上升至90%以上, 雾迅速生成和发展, 塔层内雾的厚度也迅速增大; P3阶段, 塔层内各高度RH均在90%以上, 逆温层底长时间维持在160 m处, 逆温强度降低至1 ℃·100 m-1以下, 雾进入成熟阶段; P4阶段, 随着西北气流影响, 气团性质转为干冷, 逆温层和雾层几乎同时消失, 雾霾消散.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 雾和逆温层的逐时演变情况 Fig. 4The variation of fog and temperature inversion during observation periods |
为分析主要污染物如PM2.5的远距离输送来源特征, 采用HYSPLIT-4模式计算本次雾霾天气过程中典型时刻的后向轨迹.以中国气象局天津大气边界层观测站(N39°04′, E117°12′, 海拔高度2.2 m, 台站编号54517)为参考点, 选取100、500和1000 m作为高度层, 此高度高于城市冠层, 可代表低层大气平均状况, 选择12月17日14时、19日08时、21日08时和22日14时(北京时间), 追踪抵达天津的气团过去24 h的轨迹, 这4个典型时刻分别代表P1~P4这4个阶段.污染物的后向轨迹分析有助于大体判断污染物的来源、传输途径及其高度, 可以用来定性判断污染物的本地源和外来源, 本次雾霾天气过程典型时刻的后向轨迹具有显著不同的特征.如图 5所示, 可以明显的看出来, 霾天气(17日14时)下边界层内以西南气流为主, 随着高度增加, 气流逐渐向西偏转, 近地面气流主要途径临近的河北、河南等地, 且几乎贴着地面运行, 沿线地区的污染物可能随气流输送至天津; 19日08时, 100 m和500 m处风速极小, 为雾的发展提供了适宜条件; 21日08时, 各层轨迹来向各不相同, 但明显的一致趋势在于各层轨迹都较短, 且各层运行轨迹高度变化不大, 表明边界层内气流运动缓慢, 此时处于雾的成熟阶段; 22日14时, 各层轨迹都显示高速运行的偏北气流, 且各高度运行轨迹一致, 表明边界层内干冷气团已彻底取代原有的污染气团.
图 5(Fig. 5)
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| 图 5 观测期间典型时刻的后向轨迹分布 Fig. 5The backward trajectory distribution of the typical time during the observation period |
3.3 湍流特征分析近地层湍流动量通量和热通量是表征地气间相互作用的重要参量, 对气溶胶粒子的输送有重要作用, 分析雾霾天气过程湍流动量、摩擦速度和热通量等参数的演变有助于理解湍流输送对雾霾天气产生和气溶胶粒子输送过程的影响(李敏娜等, 2015).图 6给出本次雾霾天气过程中40、120和200 m处湍流动能、平均动能、动量通量、摩擦速度、感热通量和潜热通量的逐30 min分布状况.观测期间大部分时间内200 m处湍流动力作用强于120 m和40 m, 与李晓岚等(2012)、Hao等(2017)的研究结果一致, 与彭珍等(2007)的研究不同, 该研究120 m处湍流动能高于47 m和280 m, 可能与当次沙尘天气过程存在局地环流有关.20日晚间120 m处湍流动能有爆发性增长, 与此时处于雾的发展阶段, 水汽凝结放热、湍流加强有关, 对应的感热通量显示该时段200 m感热通量为正值, 120 m则常有负值出现, 与该时期湍流活跃有关.平均动能主要反映三维风速的平均态, 一般而言湍流动能小于平均动能, 但本次雾霾过程湍流动能与平均动能的时间分布并不完全一致, 如12月15日中午前后平均动能仅有较小的峰, 湍流动能却出现明显的峰值, 动量通量、摩擦速度和感热通量在这一时刻都有对应的峰值存在, 这与中午太阳辐射增强, 地表受热后, 以湍流的形式向上输送能量, 从而湍流旺盛有关.动量通量和摩擦速度都反映了与湍流动量相类似的分布规律, 即霾日和雾的成熟阶段湍流活动减弱, 湍流动能和平均动能变化幅度减小(刘熙明等, 2010), Liu等(2011)的研究也指出, 湍流动能和平均动能的减小有助于雾的加强.李晓岚等(2012)对南京地区典型霾日、雾日和晴日下地面湍流特征的分析表明, 雾、晴天感热向上输送, 而霾天感热向下输送, 且霾、雾、晴天感热通量均大于潜热通量, 这与本研究中40 m处的观测结果基本一致, 但与120 m和200 m处的湍流特征分布有显著差异, 雾的发展阶段近地层存在明显的逆温(图 4), 19日午后感热通量增大, 120 m向下输送, 200 m向上输送, 此前霾日和雾发展阶段潜热通量几乎一直维持在0附近, 19日午后突然爆发, 与雾顶抬升, 200 m处水汽冷凝放热有关, 湍流的活跃对于逆温层的瓦解起到了重要作用.雾成熟期间, 雾滴凝结释放潜热使感热通量趋于0, 强热力混合作用会使雾层的热力性质趋于一致, 湍流活动减弱, 一方面使向下的动量输送减弱, 风速减小, 另一方面也使热量输送减弱, 气温变化减小(李晓岚等, 2012), 反映在湍流特征上即是21日全天湍流各项参数(潜热通量除外)趋于0.
图 6(Fig. 6)
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| 图 6 观测期间湍流动能、平均动能、动量通量、摩擦速度、感热通量和潜热通量的时间变化 Fig. 6Time variations of turbulent kinetic energy, the average kinetic energy, momentum flux, friction velocity, sensible heat flux and latent heat flux during the observation period |
3.4 雾和霾的相互转化及其影响因素现行环境气象预报业务中雾和霾天气的判定主要依据VIS和RH, 一般以VIS＜1 km, RH≥90%记作雾, 以VIS＜10 km, RH＜80%记作霾, 雾-霾天气下雾和霾难以确切区分, 其转化和混合受到气溶胶粒径和RH的影响, 雾滴凝结释放的潜热和高浓度气溶胶粒子环境使得布朗碰并加剧, 导致气溶胶粒径增大, 形成大量云凝结核(CCN), 促进了雾的爆发性增强(郭丽君等, 2015).杨军等(2010)根据能见度和液水含量等进一步分出了轻雾和湿霾, 发现其交替转化过程中气溶胶粒子数浓度、表面积浓度和体积浓度均有显著差异, 于洋等(2016)采用雾滴谱仪和宽范围粒径谱仪观测资料, 分析了雾霾天气不同阶段的消光特性.本次过程的P3阶段中RH长期维持在80%~90%, 大气能见度在1 km上下波动, 这一阶段雾和霾处于连续的相互演变和交替转化, 考虑到大气能见度和RH观测设备的精度和准确性的不确定性, 这一阶段不宜机械区分雾和霾, 记作雾和霾的相互转化期更为合适.
囿于本研究缺乏液态含水量资料, 本文以气溶胶质量消光系数(MEE)与RH的相互关系来分析气溶胶和RH在雾霾转化过程中对能见度的贡献, MEE定义为气溶胶消光系数(σext)与气溶胶质量浓度的比值:
 | (1) |
 | (2) |
MEE越大表明气溶胶消光能力越强, 可用以反映气溶胶的辐射特征.图 7a和7b分别给出了MEE的逐时分布状况及其与RH的散点图, 观测期间大部分时段MEE在10 m2·g-1以下, 但12月19日—20日13时受高RH(≥90%)影响, MEE大幅度升高, 一度接近500 m2·g-1, MEE与RH存在显著的正相关关系(R2=0.57), 表明造成极端高值大气消光系数和极低能见度的主要原因在于高RH, 这是由于一方面高RH促进气溶胶吸湿增长, 另一方面当雾形成后, 空气中大量存在的液态水滴的散射作用取代气溶胶消光, 成为大气消光的主要因素, 蔡子颖等(2014)的研究表明, 当RH达到90%, PM2.5质量浓度只要达到200 μg·m-3就可以通过气溶胶吸湿增长使大气能见度降至1 km以下.
图 7(Fig. 7)
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| 图 7 气溶胶质量消光系数与相对湿度的关系 Fig. 7The relationship between aerosol mass extinction coefficient and relative humidity |
研究表明(Liu et al., 2011), 大气中大量存在的气溶胶粒子, 通过其散射和吸收效应减少了到达地表的太阳辐射, 进而导致大气湍流减弱, 边界层高度降低和大气趋于稳定等一系列不利于气溶胶扩散的气象条件, 即所谓的气溶胶直接气候效应, 蔡子颖等(2017b)的模拟表明, 当出现重污染天气时, 到达地面的太阳辐射平均可减小33%, 这与本文中图 2所示接近.太阳辐射减小一方面带来近地面的降温, 较高处大气降温较为缓慢, 形成逆温, 另一方面大气温度的下降导致相对湿度的升高, 空气中水汽接近或达到饱和, 有利于雾的形成和发展, 逆温下大气湍流较弱, 也是造成雾进一步发展和成熟的重要条件, 这样一个持续的正反馈过程, 有利于霾-雾的转化.
雾霾天气的强度演变在很大程度上是气溶胶和水汽密度的时空分布及其变化的反映, 边界层内各种气象条件从动力和热力两方面对这一分布和演变趋势起到了重要作用.如风场和湍流分别从宏观和微观两方面反映了动力因子对雾、霾生消和转化过程的演变特征及其微物理结构的影响, PM2.5和水汽的输送、扩散和浓度波动速率是大气动力学反应的结果, 而逆温、大气稳定度等热力因子则限制了污染物的扩散能力, 长期静稳天气有助于气溶胶和水汽的聚集, 对雾的成熟也起到了重要作用, 图 4中较高的逆温强度意味着连续稳定的静稳天气, 在此热力学气象条件下, 气溶胶和水汽难以扩散, 成熟的雾中气溶胶粒子浓度虽因为湿清除得以降低, 但仍维持在较高水平且波动较小(图 2), 这综合反映了动力学和热力学因子对天津地区雾、霾生消和转化过程的演变特征及对其微物理结构的影响.对近地层温湿结构和湍流特征资料的精细分析, 有助于深化对雾-霾天气演变及其转化过程的认识.基于气象铁塔观测的近地层温湿结构和湍流数据并非常规气象观测资料, 目前尚难以同化进入环境气象模式, 对这些数据的深入挖掘和充分利用, 有助于提升雾-霾天气的精细化预报水平, 也是下一步研究的重点工作.
4 结论(Conclusions)1) 2016年12月16日—21日天津地区经历了一次严重的持续雾霾天气过程, 结合地面大气能见度、PM2.5质量浓度、梯度气象资料、塔上湍流观测资料等多种资料和后向轨迹方法, 分析边界层温湿结构和湍流特征对其演变过程的影响.本次雾霾天气过程可以明显的分为霾、雾的生成和发展、雾成熟和雾霾消散等4个阶段, 各阶段PM2.5质量浓度、相对湿度和大气能见度均存在明显的差异.
2) 对应于雾霾天气过程的4个阶段, 温度和相对湿度的垂直分布、后向轨迹和湍流特征也存在明显差异, 霾阶段对应偏南气流和静小风, RH不断增大; 18日午后地面降温引发了边界层内显著的强逆温, 辐射降温导致RH由地面到高空逐渐增大, 有利于雾的生成和发展; 20日00时以后雾顶继续发展, 潜热通量爆发式增长, 逆温层因此瓦解, 雾成熟后湍流活动减弱; 22日受西北气流影响, 高空的干冷气团向下取代地面暖湿气团, 从而结束本次雾霾天气过程.
3) MEE与RH的关系表明造成极端高值大气消光系数和极低能见度的主要原因在于高RH, 其受到大气环流形势和局地降温的共同影响.采用近地层温湿结构和湍流特征资料, 探讨动力学和热力学因子对天津地区雾、霾生消和转化过程的演变特征及对其微物理结构的影响, 可用于雾-霾天气的演变及其转化过程精细分析和预报.
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