基于多时相学模型的湖南大气污染特征分析

基于多时相学模型的湖南大气污染特征分析

雾是指大量漂浮在水中的小水源，水平能见度小于1000m的天气现象。大雾(或浓雾)是较常见的影响湖南的灾害性天气之一。影响湖南的主要时段在秋、冬、春3季,而湘西北及南岳山一年四季都有大雾出现。随着社会经济的发展和城市化进程的加快,特别是交通、通讯的迅猛发展,大雾天气对人们的影响日趋明显,对高速公路的影响更加突出。由于大雾造成的交通事故屡见不鲜,已引起社会各界的广泛关注和有关部门的高度重视。近年来,众多学者对于雾的天气气候特征、活动规律、天气学预报方法和形成机理做了大量的研究工作,但目前还没有学者对湖南大雾气候规律及特征做过全面细致的分析。了解湖南大雾出现的气候特征,研究其形成和维持机理,有利于提高大雾预警预报能力,对减轻大雾所造成的灾害损失具有十分重要的意义。1军队气象台站选取湖南省气象系统97个地面观测站1976~2005年能见度小于1000m的大雾天气现象观测资料及长沙(大托铺)、邵东、怀化、靖州、耒阳等军队气象台站的观测资料。其中,利用1976~2005年30年资料对97个地面观测站能见度<1000m的总雾日、50m<能见度≤500m大雾日及能见度≤50m的浓雾日进行了统计,同时对不同雾日进行了求和及求平均值统计,对该时段内各站资料进行了逐月大雾日求和处理来统计大雾的月、季变化趋势及典型站年代际变化规律。2大事件的空间分布特征2.13个中心的雾日分布统计1976~2005年30年历史总雾日资料发现,湖南雾日在1000d以上的有4个高发中心,以南岳山1631d为最多;次高中心位于通道,为1342d;另2个中心分别位于平江(1153d)和会同(1011d)。雾日整体分布呈西多东少,湘东南为小值区。30年大雾总日数表明,高发中心以南岳山1603d为最多,其次是平江972d,通道736d为省内第3,另一个高发区在湘西北的沅陵、桑植和保靖,大雾日数均在600d以上;小值区仍位于湘东南的永州、郴州境内。浓雾高发中心仍以南岳山1519d为最多,平江726d次之,新晃362d为第3,另靖州、邵阳县、永兴浓雾日数都在200d以上;小值区在江华、江永、双牌、桂东,浓雾日数均小于5d。2.2地震大天气30年平均大雾日数除南岳山为53.4d外,雪峰山西侧部分在10.0d以上,另平江、浏阳在10.0~32.0d,邵阳市、邵阳县大雾日数为10.0d;而浓雾日数大多在10.0d以下,仅南岳山为50.6d、平江为24.2d。3大事件的时间分布特征3.13月至9月要素特征统计30年湖南雾的月际分布发现,11月为高发时段,其次是12月,其他月份依次排序为10、9、1、3、4、2、5、8、6、7月,7月全省大部分地区雾日在5.0d以下,湘东南部分无雾日。30年月平均大雾1月大部分在1.0d以下,湘西部分、湘北及南岳山在1.0d以上,平江最多为4.7d,沅陵为3.4d次之;2月出现1.0d以上大雾日数较1月减少,最多的平江也减少为3.1d;3月以南岳山3.5d为最多,湘西出现1.0d以上大雾日数有所增加,地处湘东北的平江为2.9d;4月湘西仍有部分地区出现1.0~2.0d大雾日,湘西南、湘东北大部分大雾日有所减少,但浏阳仍有8.0d为最多;5月湘西北、湘西南局部地区仍有1.0~2.0d大雾日,但大部分地区雾日减少,以南岳山5.0d为最多;6月除湘西北的保靖、花垣有1.0d大雾日外,大部分地区在1.0d以下,湘东南无大雾天气,以南岳山4.4d为最多;7~8月除湘西北部分有雾日外,大部分地区无大雾发生;9月雾日开始增加,湘西部分地区开始出现1.0~2.0d大雾日,南岳山为8.6d,但湘东南大部仍无大雾;10月全省大部分地区有大雾,湘西大雾日在1.0~4.0d,雾日呈上升趋势;11月超过1.0d大雾日数自西向东扩展,湘西大雾日达1.0~5.5d;12月湘西大部分地区雾日在1.0~5.0d,范围扩展到湘北。3.2南岳山现有天气形势分析为了解湖南大雾的时空分布特征,将全省分为湘西北、湘东北、湘西南、湘东南4个区,各区内取一历年大雾日数较多的气象站点及南岳山高山站做为典型代表站做统计,结果表明:南岳山年平均大雾日最多,每月都有出现大雾的可能性,秋季大雾日最多,春季次之,冬季最少;湘东北的平江年平均大雾日位列第2,冬季、秋季为全年多雾的2个季节,夏季最少;地处湘西北的桑植年平均雾日为第3,冬季大雾日最多,其次是春季,夏季最少;湘西南的通道年平均大雾日排列第4,冬季最多,秋季次之,夏季最少;湘东南的永兴年平均大雾日最少,冬季大雾日最多,秋季次之,夏季最少(图1)。可以看出,除南岳山外,冬季是大雾的高发季节,夏季是大雾的低发季节。3.3大事件3.3.1湖南东南角区域大风的时间特点,主要集中在5、2月和12、8月之后。在花选择长沙(大托铺)、邵东、怀化、靖州、耒阳等军队气象台站的观测资料和常德的资料,共收集到4963个大雾过程的详细记录,经统计分析,结果见图2、3。由图2、3可知,一日内任何时候都可能有大雾生成,但生成时间主要集中在10:00以前,10:00以前生成的占大雾总数的94%,其中集中在3:00~8:00的占大雾总数的74%,集中在5:00~7:00的占大雾总数的42%。处于湖区的常德,大雾开始的时间较晚;处于湘西山区的怀化和靖州,大雾开始的时间较早。冬季大雾开始的时间较晚,初夏和初秋大雾开始的时间较早。湖南大雾可以在一日内的任何一个时段结束,但主要集中在5:00~13:00,这段时间内结束的占大雾总数的93%,其中集中在7:00~11:00的占大雾总数的75%,集中在8:00~10:00的占大雾总数的47%。1、2月和11、12月大雾结束的较晚,5、6、7、8月大雾结束的较早。不同地区的大雾在结束时间上差异不大。3.3.2南岳山麻黄病从图4看出,湖南多雾的南岳山、桑植、通道、永兴、平江5站大雾日变化曲线均存在明显年际变化,南岳山雾日出现最多年份与最少年份之差为67d,桑植39d,通道48d,永兴30d,平江30d。期间南岳山出现2个峰值,分别在1993、2002年,大致周期有5、9年,桑植周期为4~6年,通道8~10年,永兴4~5年,平江6~7年。1971~1995年南岳山大雾日数基本呈上升趋势,尤其在20世纪80年代中期~90年代中期大雾日数上升趋势更加明显,1995年后振幅加大。其他4个典型代表站振幅相对要小,近年来各站下降趋势明显。4湘、湘、阴大气候区大雾是空气中的水汽达到或接近饱和,在凝结核上凝结而成,因此,形成大雾可以通过2种途径:降低空气中温度,使低层大气冷却到露点,或增加空气中的水汽,造成空气中水汽饱和,产生水汽凝结。湖南大雾多为辐射雾,尤其是大雾出现最多的冬季,其出现与夜间的最低气温有关,同时冬季气温低也是大雾结束时间晚的原因。大雾出现日数与生态环境也有密切关系。研究表明,森林覆盖对雾的发展起重要作用。植物通过叶面蒸腾的蒸发量要高于等面积的裸露土壤20倍,相当于等面积的水库蒸发量。森林的蒸腾使空气湿度增加、气温降低,这些均有利于大雾的形成。湖南地形独特,为东、南、西三面环山,东北部为湖泊平原,朝东北开口的马蹄形状。位于湘西北的武陵山脉呈东北-西南走向,海拔大多在1000m以上,湘、鄂交界的壶瓶山高达2099m,是湖南境内最高的山峰。西面有雪峰山脉,呈北东北-南西南走向,南起城步县,向北东延伸,到安化县折向东,至益阳县境而没于洞庭湖平原。雪峰山脉南段海拔1500m,最高峰苏宝顶海拔1934.3m;北段较低在500~1000m。由于湘西森林覆盖面积大,水汽充沛,加之秋、冬季受到强盛的大陆高压控制,昼夜温差大,最低气温低,使空气中的水汽饱和产生凝结而形成大雾,导致了湖南大雾有湘西多于湘东的特点。桑植位于两大山脉之间的低洼地带,水汽易在该地聚集,故大雾日数较多。湘中大都为丘陵、岗地和河谷两岸的冲积平原,地势为南高北低,海拔大多在500m以下,仅衡山屹立其中,祝融峰高达1289.2m,相当于850hPa上高度,气温较其他测站明显偏低,由于植被所带来的水汽与之结合,故一年四季都能产生大雾,是湖南大雾发生最多的测站。南面是南岭山脉,呈东北-西南走向,山体大致是东西向,高度大都在1000m以上,桂东县与资兴县交界的八面山,海拔达2042.1m。湘东南地区秋、冬季节处于大陆高压底部,辐射降温不如其他地区明显,最低气温相对较高,另外由于该地区矿产资源丰富,人类工程活动加剧导致森林覆盖率下降,使空气中水汽减少,大雾日相对较少。2000年后大雾出现日数整体呈下降趋势,可能与城市化和经济的快速发展有着密切联系。城市化所造成的城市热岛不利于大雾的形成。城市热岛效应造成城市气温明显升高,不利于水汽的凝结,使大雾难以形成和发展;经济发展使空气污染加重,大气气溶胶粒子密度加大,由于其辐射效应,在夜晚增加大气向地面的长波逆辐射,减小地面辐射降温,影响雾的形成。除此之外,大雾出现日数的减少与生态环境也有密切关系。5地面和近地面层精细特性及成因分析笔者利用地面资料对1976~2005年湖南大雾进行了分级和分析,揭示了湖南大雾的时空分布规律和天气气候特征,研究了大雾分布和变化的原因。结果表明:湖南大雾日分布整体呈西多东少、湘东南雾日最少的特征。大雾高发区主要集中在海拔高度较高山峰、下垫面多植被覆盖和湖泊水体的地区,近地面层充沛的水汽条件是大雾发生的主要成因。大雾具有明显的季节变化,主要集中在秋、冬、春3季,夏季影响最小;大雾存在明