2006年12月14～ 15日上海大雾及大气污染过程分析外文翻译资料

英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

2006年12月14～ 15日上海大雾及大气污染过程分析

王峰云^1，2，阎凤霞²　(1.中国科学院大气物理研究所，北京100029;2.民航华东地区空中交通管理局气象中心，上海200335)

摘要:中国东部包括上海，南京合肥等地区，在2006年12月14日至15日期间连续发生大雾和空气污染的过程。基于GTS天气数据，探测数据和NCEP / NCAR重新分析数据，从气象条件，蒸气条件，动态因子，温度分层和空气质量两个方面，雾气条件和空气污染对雾化过程的贡献分析连续大雾。结果表明，1000 h Pa和500 h Pa之间的1 000 h Pa流体通量散度（FD），垂直速度（omega;）和偏差（△DIV）与可见度没有显着相关性，而靠近地面的相对湿度（RH）具有显着的负相关性，地面附近的温度降低率（gamma;）呈显着正相关，因此，RHge;85％，gamma;lt;0。 2℃/ 100 m可被认为是雾形成的必要条件。此外，空气能见度最低，与日均排放平均值呈负相关，“API上升至150”可能成为上海虹桥国际机场雾化形成的重要判断标准。

关键词 雾；能见度； API指数分析；中国

复杂天气是引发航空运输安全事故和航班延误的重要原因，其中，能见度的好坏直接影响航空飞行的安全。引起低能见度的天气现象有雾、霾、烟、强降水、沙尘等，其中又以雾最为常见。近年来随着大气环境的变化，大气污染物浓度增加，直接导致了能见度的下降^{[1- 2]}，能见度的变化与空气污染程度的变化密切相关^{[3- 6]}。因此，加强对航空能见度与相关气象条件和空气质量相互关系的研究，有助于提高航空能见度的预报水平，能有效减少持续性、区域性低能见度事件对繁忙航空运输的不利影响，对于确保飞行安全和提高民航运输业的经济社会效益，具有非常重要的现实意义。

笔者利用GTS地面和探空资料、NCEP/NCAR再分析资料、空气污染指数等资料，分别从天气形势分析、水汽条件、动力因子、温度层结、空气质量等多方面入手，对2006年12月14～ 15日上海及周边地区大雾过程的成雾条件及大气污染对持续大雾的贡献进行分析，探究大气污染与低能见度的关系，为上海虹桥机场低能见度预报提供参考。

1. 天气过程描述

2006年12月13日，中国大陆受一庞大高气压控制，北方无明显冷空气活动，华东地区处于高气压前部，但地面气压场弱，气压梯度小，地面风速小，易出现夜间辐射逆温。受白天晴热增温和夜间辐射降温的影响，13日早晨，太行山以东、山东局地有雾，华东大部分地区天气晴好。

14日，地面气压场呈“L”型高压形势，冷空气在河套以西堆积，东北、华北受大陆暖性低气压控制，黄河以南、南岭以北地区受变性高气压控制。14日早晨到上午，雾区转移至鲁西南、安徽大别山区及江苏南部、上海、杭州湾区域;14日夜间至15日晨，受辐射冷却和近地面弱辐合作用的共同影响，苏皖局部、赣北、浙北、上海能见度低。其中，14～ 15日，长江口区域的浓雾持续存在，对该区域乃至华东和全国的航空飞行正常造成不利影响。15日中午以后，“L”型高压形势破坏，冷空气扩散南下，此次大雾过程结束。从图1可见，从13日夜间至14日晨，合肥、南京、上海虹桥机场的能见度陆续降低到1km以下，大雾持续至14日上午或中午前陆续消散;14日夜间至15日中午，合肥、南京、上海虹桥和浦东机场再次受到大雾影响，其中，合肥、上海虹桥和浦东机场最低能见度达50～ 100m，上海虹桥机场大雾持续时间达14h。

1. 形成雾的气象条件分析

日常天气变化中，成云致雾都需要水汽达到饱和状态，而增湿和冷却是湿空气达到饱和状态的两种基本过程，可见，水汽、热力条件是形成雾的重要因素。此外近地面的辐射作用，近地面逆温也是形成雾的重要条件。

图1　2006年12月13～ 15日合肥、南京、上海虹桥、上海浦东机场能见度时序

此次大雾过程，上海虹桥机场出现了2个持续大雾时段:13日23:00～ 14日05:00、14日14:00～ 15日02:00。结合2006年12月13～ 15日天气形势分析，笔者将引入相对湿度(RH)、1 000hPa水汽通量散度(FD)、1 000hPa垂直速度(omega;)、1 000hPa至925hPa近地面平均散度(DIVave)、1 000hPa至500hPa散度差(Delta;DIV)、2m高度至975hPa温度垂直递减率(gamma;)、1 000hPa温度平流(Tadv)等物理量，利用每6h1次的NCEP/NCAR 1°times; 1°再分析数据，对上海持续大雾过程中水汽条件、动力因子以及非绝热因子所起的作用进行分析。

2.1 水汽条件分析

由图2可见，14日00:00和15日00:00前后，31°N 121°E近地面都具有较高湿度，这分别与虹桥机场的2个起雾时段相对应，而在14日06:00～ 18:00时间段虹桥机场的大雾消散，相对湿度也降低至50%以下，这说明趋于饱和的水汽是起雾尤其是连续性大雾初始雾生的关键条件，同时，湿度降低与雾消也有较好的对应关系。

图2　2006年12月13～ 15日31°N 121°E相对湿度时间序列

由图3可知，31°N 121°E近地面水汽散度通量在13日20:00～ 14日03:00和14日12:00前后都由水汽辐散转为辐合，而且，水汽辐合的出现时间比RH高值的出现时间提前约4h左右，比虹桥机场的起雾时间提前约2～ 3h，说明在此次大雾过程中，近地面水汽通量散度表现出对大雾形成具有较好的预报价值。

图3　2006年12月13～ 15日31°N 121°E水汽通量散度时间序列

2.2 动力条件分析

由图4可知，13日13:00～ 20:00和14日08:00～ 14:00时间段虹桥机场925hPa高度以下有微弱的上升运动，与近地面辐合作用相吻合。将上升运动与能见度的时间变化对比发现，上升运动的出现比大雾生成早6～10h，并在大雾形成前就已转为弱的下沉辐散气流。初步分析认为，大雾形成前的近地面辐合和弱上升气流的存在有利于周边的水汽的汇聚，为大雾形成储备水汽条件。之后，垂直运动的变化(上升转下沉)则有助于近地层的弱风条件和稳定层结的建立，与近地层夜间辐射降温相配合，既有助于形成边界层逆温，又阻止水汽向高层输送，为雾的形成创造条件。由图5可知，14日早晨大雾时段1 000～ 925hPa平均散度为负，并在上午转为辐散，这说明近地面的辐合辐散作用是14日虹桥机场的雾生雾消过程重要的动力机制;而14日夜间至15日上午的第二次大雾过程中，虹桥机场近地面由弱辐合、零辐散逐渐转为辐散。同时，500hPa与1 000hPa的散度差为负，说明在1 000hPa至500hPa之间下沉运动占主导作用，尤其在800hPa以下中低空下沉气流的存在有助于边界层内逆温的形成，阻止低层水汽和气溶胶向高层的扩散和输送，使浓雾得以持续。

图4　2006年12月13～ 15日31°N，121°E垂直速度时间序列

图5　2006年12月13～ 15日31°N，121°E 1 000～ 925hPa平均散度和500～ 1 000hPa散度差(⊿DIV)时间序列

2.3 温度层结分析

由2006年12月13日12:00至15日06:00 31°N 121°E的温度廓线可知，在虹桥机场上空存在不同阶段的逆温。13日12:00～ 14日00:00，700hPa以下存在2个逆温层，其中，900～ 750hPa为一逆温层，地面至975hPa为另一逆温层，该层温度递减率(gamma;)分别为0.44、0.38、0.18℃ /100m，逆温逐渐增强，到14日06:00，随着地表迅速增温，gamma;升至1.1℃ /100m，近地面逆温完全破坏，大雾消散;14日12:00～ 15日00:00期间，900～ 750hPa依然为逆温层，地面至975hPa间gamma;分别为- 0.43、- 0.68、0.05℃ /100m，有强烈逆温，15日06:00gamma;为1.1℃ /100m，近地面逆温完全破坏，大雾消散。由此可见，边界层内形成逆温能有效阻止低层水汽向高层输送，与辐合辐散作用相配合，有利于低层水汽的积累和湿度增加，促使浓雾形成或浓度增强。

2.4 温度平流分析

在14日14:00～ 15日02:00大雾阶段，虹桥机场近地面散度由辐合变为辐散(在大雾持续期间14日20:00左右就已转为辐散)，并持续到大雾消散。由图6可知，2006年12月13日12:00～ 15日06:00地面至925hPa高度几乎都受弱的暖平流控制，但在14日14:00～ 15日00:00 975hPa以下为弱冷平流，该冷平流的作用加剧了地面至975hPa的接地逆温，并有利于近地面200m以下水汽的饱和凝结。可见，稳定的逆温层结与弱冷平流相配合，是14日14: 00～ 15日02: 00虹桥机场大雾的重要原因。

图6　2006年12月13～ 15日31°N，121°E温度平流时间序列

1. 空气污染与航空能见度的关系

2006年12月13～ 15日上海市空气污染指数(API)分别为94、159、187，主要污染物为PM10，其中，14、15日处于轻度污染等级，空气质量相当于《环境空气质量标准》(GB 3095-1996)III级水平。

由图7可知，2006年12月13～ 16日在我国新疆、内蒙东部、河套地区都有不同程度的空气污染。13日，大陆高气压前部的河北东部、山东西部、河南、皖北、苏北区域出现轻微污染，API值在100～ 125，偏北气流将有利于该区域的空气污染向南输送;14日，地面气压场呈现“L”型高压形势，华东北部、黄淮地区受地面暖低压控制，轻微污染区向南移动，鲁、皖、苏交界处和长江口区污染加剧，上海API值升至159，同日上海出现大雾，虹桥机场7:00～ 13:00连续7h能见度低于1 000m;15日，长江口区污染进一步加剧，南通API值升至169，上海API值升至187，属轻度污染，与此相对应，虹桥机场14日21:00～ 15日11:00连续12h以上能见度低于1 000m，最低能见度仅50m;16日，随着冷空气的暴发南下，长江口区持续2d的轻度污染被疏散，上海能见度好转。

以上海为起始点，利用NOAAHYSPLIT模型和GDAS数据作200、500和1 000m高度60h后向轨迹发现，14、15日影响上海的空气来源可以按北路和西北线路分别追溯到南通、盐城、连云港以及苏州、南京、合肥方向直至河套地区，说明13日前后河套地区和鲁西南、苏北沿海的空气污染对14、15日上海的空气质量变化具有平流输送作用，导致上海能见度恶化并出现持续迷雾天气。

图7　2006年12月13～ 16日全国重点城市API指数和当日00UTC 10m风场

图8　2006年12月14～ 15日上海HYSPLIT后向轨迹(200、500、1000米)

选取与API指数计算相同时间段的(北京时间前一日12:00～当日11:00)上海虹桥机场的航空能见度最低值，将2006年12月13～ 15日上海API和虹桥机场最低能见度的演变进行对比，结果发现上海API值和虹桥机场能见度呈显著反相关关系，当API指数达到或超过150，则虹桥机场能见度降低至1 000m以下。可见，API指数的高低直接反映了气溶胶尤其是可吸入颗粒物PM10对光学视程的障碍程度，即PM10浓度越高，API指数越大，光线在大气中受到的散射作用越强烈，大气能见度越低，因此，可以把“API指数上升达到150”作为上海虹桥机场出现大雾的一个重要的预报因子。

图9　2006年12月13～ 16日上海API指数及虹桥机场最低能见度

1. 相关分析

参照表1，计算2006年12月13～ 15日虹桥机场能见度与2m高度相对湿度(RH)、1 000hPa水汽通量散度(FD)、1 000hPa垂直速度(omega;)、1 000hPa至925hPa近地面平均散度(DIVave)、1 000hPa至500hPa散度差(⊿DIV)、地面至975hPa温度垂直递减率(gamma;)、1 000hPa温度平流(Tadv)等物理量和API指数的相关系数发现，2m高度相对湿度(RH)、近地面温度垂直递减率(gamma;)和API指数与虹桥机场能见度具有显著的相关性。对其进行线性拟合，得到虹桥机场能见度的计算公式:

Vis= 2 132.9- 7.84times;RH- 3.13API 747.22times;gamma;

表1　2006年12月13～ 15日虹桥机场能见度与各气象因子及上海市API相关系数列表