Evolution characteristics of water vapor and its relationship with atmospheric visibility during haze processes in Sichuan Basin

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-06-0967

Abstract

Abstract:

The formation and evolution of haze involve multi-scale atmospheric physical and chemical processes. “High humidity” is a typical pollution-related meteorological characteristic of the Sichuan Basin and an important influencing factor for haze development. Based on ERA5 reanalysis data from 2015 to 2018 and ground-based conventional environmental meteorological observations, this study systematically analyzed the evolution characteristics of water vapor and its relationship with atmospheric visibility during winter haze processes in the Sichuan Basin. The results show that: 1) The mean regional net water vapor budget during winter haze processes in the Sichuan Basin is (3.40±2.92)×10⁶ kg·s^-1, indicating an overall water vapor surplus; the western and southern boundaries are the main water vapor input pathways, the eastern boundary shows net output, and water vapor transport across the northern boundary exhibits uncertainty. 2) As the haze processes evolve from the formation to the development and persistence stages, the lower-tropospheric (below 700 hPa) water vapor content increases continuously, and the water-vapor high-value tongue extends northward with an expanding coverage. 3) The increase in lower-tropospheric water vapor facilitates the hygroscopic growth of near-surface aerosols, thereby increasing the mass extinction coefficient and consequently reducing atmospheric visibility.

Key words: haze, water vapor, evolution characteristics, atmospheric visibility, Sichuan Basin

摘要：

霾的形成与演化涉及多尺度大气物理、化学过程。“高湿”是四川盆地的典型污染气象特征，也是灰霾发展的重要因素。基于2015—2018年欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料及地面常规环境气象观测数据，系统分析了四川盆地冬季霾天气过程水汽演变特征及其与大气能见度的关系。结果表明：1）霾天气过程中四川盆地平均区域净水汽收支为（3.40±2.92）×10⁶kg·s^-1，整体呈水汽盈余；西、南边界为主要水汽输入通道，东边界表现为净输出，北边界输送具有不确定性。2）霾天气过程从形成、发展到持续阶段，对流层低层（700 hPa以下）水汽含量持续增加，水汽高值舌向北伸展、覆盖范围逐渐扩大。3）对流层低层水汽的增加有利于增强气溶胶吸湿增长，导致质量消光系数增大，从而加剧大气能见度降低。

关键词: 霾, 水汽, 演化特征, 大气能见度, 四川盆地

CLC Number:

ZHU Yao, TANG Lu, NI Changjian, LI Na, TANG Dezhi, LI Xinyi. Evolution characteristics of water vapor and its relationship with atmospheric visibility during haze processes in Sichuan Basin[J]. Journal of Arid Meteorology, 2025, 43(6): 967-975.

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Figures/Tables 9

Fig.1 The boundaries of the Sichuan Basin and the distribution of cities （The numbers represent the boundaries of the study area， the number 1 and 5 are the southern boundary， 2 is the western boundary， 3 is the northern boundary， and 4 and 6 are the eastern boundary）

Tab.1 Persistent haze processes in the Sichuan Basin during winter from 2015 to 2018

霾天气过程编号	日期	霾天气过程编号	日期
1	2015年1月20—26日	8	2017年1月19—29日
2	2015年2月8—15日	9	2017年2月12—20日
3	2015年12月25日—2016年1月5日	10	2017年12月18日—2018年1月2日
4	2016年1月25日—2016年2月11日	11	2018年1月9—23日
5	2016年2月16—20日	12	2018年2月6—17日
6	2016年12月18—23日	13	2018年12月13—18日
7	2016年12月28日—2017年1月8日

Tab.2 Water vapor transportation of the boundaries and net water vapor budget of the Sichuan Basin during the haze processes in winter from 2015 to 2018 单位：106 kg·s-1

霾天气过程	${Q}_{\lambda \mathrm{W}}$	${Q}_{\lambda \mathrm{E}}$	${Q}_{\varphi \mathrm{S}}$	${Q}_{\varphi \mathrm{N}}$	${Q}_{\lambda \varphi }$
1	18.03	-27.00	15.85	-3.25	3.63
2	17.67	-32.60	17.72	-0.77	2.01
3	11.53	-36.36	13.59	8.41	-2.83
4	21.59	-30.39	15.62	-3.70	3.12
5	39.93	-42.03	5.83	1.54	5.27
6	23.94	-37.15	25.38	-6.43	5.73
7	23.36	-50.29	36.81	-7.21	2.67
8	20.83	-33.73	17.00	-2.54	1.56
9	17.85	-30.41	32.70	-12.57	7.58
10	30.87	-44.23	18.60	-2.60	2.64
11	20.64	-28.63	13.07	-2.16	2.92
12	30.62	-41.27	14.24	-2.19	1.40
13	44.78	-63.60	29.30	-1.95	8.54
平均	24.74±9.43	-38.28±10.19	19.67±8.82	-2.72±4.82	3.40±2.92

Fig.2 Net water vapor input and output (a) and net water vapor budget (b) in four stages of the winter haze processes over the Sichuan Basin from 2015 to 2018 (The error bar above the bars represents standard error)

Tab.3 Water vapor content in different layers in four stages of the winter haze processes over the Sichuan Basin from 2015 to 2018

阶段	700 hPa及以下	700~500 hPa	500~300 hPa	1 000~300 hPa
形成期	9.08±1.91	2.63±0.74	0.51±0.17	13.30±4.48
发展期	10.37±2.27	3.01±0.88	0.62±0.21	22.75±8.05
持续期	12.58±2.56	3.81±0.95	0.87±0.39	27.23±9.50
消亡期	12.04±2.12	3.49±1.01	0.67±0.36	25.48±9.08
平均	11.63±2.60	3.44±1.01	0.73±0.36	24.44±9.57

Fig.3 Spatial distribution of water vapor content in the lower troposphere during the formation stage (a), development stage (b), persistence stage (c), and dissipation stage (d) of the winter haze processes over the Sichuan Basin from 2015 to 2018 （Unit: mm）

Fig.4 Scatter plot of relative humidity and extinction coefficient per unit mass of particulate matter during the winter haze processes over the Sichuan Basin from 2015 to 2018

Fig.5 Box plot of extinction coefficient per unit mass of particulate matter during four stages of the winter haze processes over the Sichuan Basin from 2015 to 2018

Fig.6 Scatter plot of relative humidity and atmospheric visibility during the winter haze processes over the Sichuan Basin from 2015 to 2018

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