廣州地區(qū)灰霾與清潔天氣變化特征及影響因素分析

吳 蒙,范紹佳*,吳 兌,,廖碧婷,李海燕 (.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 5075；.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東 廣州 50080)

通常將由非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成水平能見度小于 10km的視程障礙現(xiàn)象稱為灰霾[1-2].灰霾出現(xiàn)時,往往伴隨著能見度的明顯惡化,空氣質(zhì)量明顯下降.灰霾天氣給城市居民生產(chǎn)生活環(huán)境的保護和改善帶來了新的挑戰(zhàn).

已有的研究表明,城市地區(qū)污染物的排放和城市群之間的相互作用是灰霾天氣發(fā)生的重要影響因子,氣象條件是灰霾天氣出現(xiàn)與否的決定性控制條件,近地層輸送條件即地面流場與大氣污染物的擴散稀釋密切相關(guān).目前關(guān)于灰霾天氣的研究,國內(nèi)外已做了許多極有意義的研究,也取得了豐富的成果[3-6],但仍然存在許多值得進一步探索的問題.

廣州位于珠江三角洲核心,是我國經(jīng)濟最活躍的前沿地區(qū)之一.珠江三角洲特殊的地理環(huán)境使廣州極易受到南北氣流及其他局地環(huán)流的影響[7-17].本文嘗試根據(jù)地面觀測資料,從定量方面對廣州地區(qū)灰霾天氣出現(xiàn)的指標進行一些探討,揭示近地層輸送條件對灰霾天氣的影響.

1 資料和研究方法

研究資料為2006～2010年廣州地面氣象站每日 4次相對濕度、能見度資料,每日逐時地面風(fēng)速、風(fēng)向資料以及2006～2009年珠江三角洲地區(qū)33個地面氣象站每日逐時風(fēng)速、風(fēng)向資料.

資料處理時,參考吳兌等[1-2,13]的劃分標準,將日平均能見度＜7km,同時日平均相對濕度＜90%,并持續(xù)3日以上的事件稱為灰霾天氣過程;將連續(xù) 3日以上日平均能見度＞15km的事件稱為清潔天氣過程.根據(jù)灰霾天氣過程和清潔天氣過程的定義,利用廣州地面氣象站每日 4次的相對濕度和能見度資料,挑選出 2006～2010年兩種天氣過程的所有個例進行統(tǒng)計分析.統(tǒng)計分析時,為濾去風(fēng)速的季節(jié)差異,用實測風(fēng)速減去相應(yīng)季節(jié)的多年平均值得到距平風(fēng)速.

風(fēng)矢量和(VST)[13]是判斷大氣擴散能力的有力指標,有著與流場不同的物理意義,能夠有效反映出一個區(qū)域在一個時間段空氣流動的輸送作用.為了清晰反映出廣州地區(qū)的風(fēng)矢量和特征,本文在采用cressman插值法對站點觀測數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化(0.05°×0.05°)后,對廣州站及以廣州站為中心的四周4個格點共5個格點進行時間和空間矢量疊加,在計算時以24h為時間步長,同時在進行空間疊加后除以5作為廣州站的均值;而在進行個例分析時,為從整體上更加直觀反映區(qū)域矢量和的特征,計算時對廣東全省每個插值后格點進行120h時間疊加的同時也進行相應(yīng)的空間疊加.

為探討風(fēng)場與能見度之間的關(guān)系,分別計算了風(fēng)速與能見度、矢量和與能見度之間的滑動相關(guān)系數(shù).參照林學(xué)椿[18]對滑動相關(guān)系數(shù)不同窗口實驗的結(jié)果,同時考慮天氣過程自身的時間尺度特征,分析時取滑動窗口為11d,滑動相關(guān)值記在窗口的第6d,從而得到灰霾和清潔天氣過程逐日的滑動相關(guān)值.

2 結(jié)果分析

2.1 廣州灰霾與清潔天氣過程年際及季節(jié)分布特征

廣州位于亞熱帶地區(qū),四季并不分明,但是存在顯著的干濕季,通常將4～9月定義為濕季,10月至翌年3月定義為干季[19-20].

表1給出2006～2010年廣州地區(qū)逐年干濕季灰霾與清潔天氣過程總?cè)諗?shù)的分布情況.

表1 灰霾過程與清潔過程年、季分布情況(d)Table 1 Yearly variation of hazy and cleaning weather in each seasons (d)

由表1可見,2006～2010年廣州地區(qū)灰霾天氣過程的出現(xiàn)日數(shù),在2008年達到最大值后呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢,2009年總?cè)諗?shù)最少,僅為3d,只出現(xiàn)一次灰霾天氣過程;2006～2010年廣州地區(qū)清潔天氣過程總?cè)諗?shù)呈現(xiàn)出增長的趨勢,2009年達到最大值,2006～2010年廣州空氣質(zhì)量有明顯改善.

2006～2010年廣州地區(qū)灰霾天氣過程主要出現(xiàn)在干季,濕季則較少發(fā)生,部分年份濕季甚至完全沒有個例出現(xiàn);與灰霾天氣相反,清潔天氣過程則主要出現(xiàn)在濕季,干季也有出現(xiàn).這種分布特征,與大尺度環(huán)流背景的季節(jié)變化以及干濕季地面風(fēng)場特征有密切的聯(lián)系[9].

2.2 廣州灰霾與清潔天氣過程地面風(fēng)場特征

圖1a給出2006～2010年廣州地區(qū)所有灰霾天氣過程的風(fēng)速分布情況,圖1b為風(fēng)速與能見度的滑動相關(guān)系數(shù). 由圖1a可見,絕大部分灰霾天氣過程的日平均風(fēng)速＜1.5m/s(經(jīng)統(tǒng)計,頻率達到93%以上);干季大部分灰霾天氣過程日平均風(fēng)速＜1.0m/s,極端個例甚至在0.5m/s以下. 從圖1b中還可以看出,灰霾天氣過程發(fā)生時,風(fēng)速與能見度的相關(guān)系數(shù)大部分都在0.5以上,說明兩者存在著較強相關(guān).同時也存在少數(shù)個例由于風(fēng)速相對較大而出現(xiàn)弱相關(guān)乃至負相關(guān),經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)此類個例多為灰霾天氣發(fā)生中的灰霾日,這是由于灰霾天氣發(fā)生期間污染物已經(jīng)累積了較長時間,能見度已經(jīng)相當?shù)?即便風(fēng)速出現(xiàn)波動,能見度也不會迅速隨之波動.總體來看,灰霾發(fā)生時,風(fēng)速越小相關(guān)系數(shù)越大,風(fēng)速小于1.5m/s時,強相關(guān)比較明顯,這說明水平風(fēng)場對灰霾天氣有著重要影響.

圖1 廣州灰霾天氣過程日平均風(fēng)速及相關(guān)系數(shù)Fig.1 Scatter diagram for diurnal mean wind speed and correlation coefficient of haze weather over Guangzhou

為分析灰霾天氣發(fā)生時的風(fēng)速與相應(yīng)的季節(jié)平均風(fēng)速的關(guān)系,圖2給出灰霾天氣過程日距平風(fēng)速(實測風(fēng)速減去相應(yīng)季節(jié)的多年平均值)點聚圖. 由圖2可看出,86%以上距平風(fēng)速為負值,說明灰霾天氣發(fā)生時的風(fēng)速往往要小于相應(yīng)的季節(jié)平均風(fēng)速.與日平均風(fēng)速的分布相似,除三月份部分個例距平風(fēng)速較大外,干季的距平風(fēng)速均較小,整體來看灰霾天氣過程中大部分日平均風(fēng)速比相應(yīng)季節(jié)平均風(fēng)速小0.5m/s左右.

圖3a為2006年-2010年廣州地區(qū)所有清潔天氣過程的風(fēng)速分布情況,圖3b為清潔天氣過程中風(fēng)速與能見度的滑動相關(guān)系數(shù).從圖3a和圖3b可看出,2006～2010年廣州濕季清潔天氣過程出現(xiàn)頻率要高于干季.干季清潔天氣過程發(fā)生時,日平均風(fēng)速與能見度的相關(guān)系數(shù)較大,表現(xiàn)出強的正相關(guān).而在濕季,風(fēng)速大于1.5m/s時相關(guān)系數(shù)較大,小于1.5m/s時相關(guān)性則較弱,這是由于濕季季風(fēng)活動較強,大氣對流旺盛,而且降水也較多,因此有些時候雖然風(fēng)速較小,但是污染物也難以積累.綜合發(fā)現(xiàn),風(fēng)速越大,相關(guān)系數(shù)也越大,此時水平風(fēng)場的清除作用也越顯著.

圖2 廣州灰霾天氣過程日距平風(fēng)速Fig.2 Scatter diagram for diurnal anomaly wind speed of haze weather over Guangzhou

圖3 廣州清潔天氣過程日平均風(fēng)速與相關(guān)系數(shù)Fig.3 Scatter diagram for diurnal mean wind speed and correlation coefficient of cleaning weather over Guangzhou

經(jīng)統(tǒng)計還可以發(fā)現(xiàn),全年 65%以上清潔天氣過程日平均風(fēng)速值大于 1.5m/s,與此同時干季的清潔天氣過程日平均風(fēng)速高于 1.5m/s的比例更是達到 70%以上,濕季則有較多個例在風(fēng)速小于1.5m/s的情況依然是清潔天氣過程,這是由于濕季天氣多變,大氣活動旺盛,擴散條件較好,灰霾天氣過程極少出現(xiàn).

圖4為2006～2010年廣州地區(qū)清潔天氣過程距平風(fēng)速的分布情況,從圖 4可看出,2006年-2010年清潔天氣過程的距平風(fēng)速普遍＞0,距平風(fēng)速在1m/s以上的個例也相當多,說明清潔天氣過程日平均風(fēng)速大多大于相應(yīng)的季節(jié)平均風(fēng)速;濕季則存在一定數(shù)量的清潔天氣過程的距平風(fēng)速＜0,這與濕季擴散條件較好,清潔天氣過程較易出現(xiàn)有關(guān).

圖4 廣州清潔天氣過程日距平風(fēng)速點聚圖Fig.4 Scatter diagram for diurnal anomaly wind speed of cleaning weather over Guangzhou

仔細對比分析圖1～圖4灰霾天氣過程和清潔天氣過程的風(fēng)速特征,可以發(fā)現(xiàn):灰霾天氣在風(fēng)速較小時(＜1.5m/s)較易發(fā)生,風(fēng)速比相應(yīng)的季節(jié)平均風(fēng)速小;與灰霾天氣過程相反,清潔天氣過程的風(fēng)速往往較大,比相應(yīng)的季節(jié)平均風(fēng)速大.而且干季灰霾天氣過程和清潔天氣過程中能見度與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)均較好,風(fēng)速較大時,能見度也較大,風(fēng)速較小時,能見度也相應(yīng)較小;濕季則由于受到對流、降水等其他因素的影響,大氣擴散能力較好,風(fēng)速與能見度的相關(guān)性相對較弱.

圖5為2006～2010年廣州地區(qū)灰霾天氣與清潔天氣的風(fēng)向頻率分布.從圖5可見,濕季的灰霾天氣過程多出現(xiàn)在東風(fēng)和偏東風(fēng),清潔天氣過程多出現(xiàn)在東南風(fēng)(圖5a2),與濕季的主導(dǎo)風(fēng)向是一致的(圖5a3).干季灰霾天氣過程多出現(xiàn)在東南風(fēng)(圖b1),這與干季主導(dǎo)風(fēng)向有著顯著差別(圖5b3),干季清潔天氣過程則主要發(fā)生在北風(fēng)(圖5b2),與多年風(fēng)向頻率中主導(dǎo)風(fēng)向一致,北方越過南嶺而來的強冷空氣能夠有效的將污染物稀釋擴散.從靜風(fēng)頻率看,灰霾天氣過程靜風(fēng)頻率遠遠大于清潔天氣過程,靜風(fēng)天氣時空氣停滯,擴散條件較差,容易導(dǎo)致灰霾天氣,清潔天氣過程靜風(fēng)頻率比多年靜風(fēng)頻率要小很多.

圖5 2006～2010年廣州地區(qū)風(fēng)向頻率分布Fig.5 Diagram of wind direction frequency in Guangzhou during the year 2006-2010

2.3 矢量和特征

圖6a和圖6b給出2006～2010年廣州地區(qū)所有灰霾天氣過程的風(fēng)矢量和以及風(fēng)矢量和與能見度的滑動相關(guān)系數(shù)分布情況.由圖 6a中可見,在灰霾天氣過程中矢量和風(fēng)速較小,81%都在25m/s以下,說明風(fēng)速的輸送作用較弱,大氣擴散條件較差;而在清潔天氣過程中,矢量和風(fēng)速較大,尤其是冬春季大部分都大于25m/s,風(fēng)速的輸送作用比較顯著,污染物難以堆積.由圖6b可知,大部分個例的風(fēng)矢量和與能見度存在著較強相關(guān),而且風(fēng)矢量和越小,相關(guān)系數(shù)越大;也存在少數(shù)相關(guān)性較弱的個例,這是因為一次灰霾天氣過程是由多個連續(xù)的灰霾日組成的,而在這連續(xù)的灰霾日中時間居中的灰霾日往往受風(fēng)場波動影響較小.

圖6 廣州灰霾天氣過程風(fēng)矢量和與相關(guān)系數(shù)Fig.6 Scatter diagram for diurnal sum of wind vectors and correlation coefficient of haze weather over Guangzhou

圖7a為2006～2010年廣州地區(qū)所有清潔天氣過程的風(fēng)矢量和分布情況,圖7b為清潔天氣過程中風(fēng)矢量和與能見度的滑動相關(guān)系數(shù).從圖7a中可知,在清潔天氣過程發(fā)生時,風(fēng)矢量和大部分較大,統(tǒng)計表明70%在25m/s以上,說明該條件下大氣擴散能力較強,污染物難以堆積.由圖6b可知,2006～2010年廣州清潔天氣過程中干季風(fēng)矢量和與能見度存在著顯著的相關(guān)性,風(fēng)矢量和越大,相關(guān)系數(shù)越大,但是在濕季有部分個例風(fēng)矢量較小,相關(guān)系數(shù)也相對較小,這主要是受濕季本身擴散條件較好影響.

圖7 廣州清潔天氣過程風(fēng)矢量和及相關(guān)系數(shù)Fig.7 Scatter diagram for diurnal sum of wind vectors and correlation coefficient of cleaning weather over Guangzhou

綜合分析圖6和圖7可知,風(fēng)矢量和能夠有效的反映出風(fēng)場對污染的輸送作用.當灰霾天氣出現(xiàn)時,風(fēng)速較小,同時風(fēng)向的擺動也較為劇烈,導(dǎo)致風(fēng)矢量和較小;而清潔天氣過程中,風(fēng)速風(fēng)向往往持續(xù)穩(wěn)定,風(fēng)場對污染物有著較強的輸送作用.灰霾天氣過程中,大多數(shù)時候風(fēng)矢量和與能見度存在較強相關(guān),風(fēng)矢量和越小,能見度也越小;而清潔天氣過程中,干季風(fēng)矢量和與能見度的相關(guān)性較好,濕季由于擴散條件較好,風(fēng)矢量和與能見度的相關(guān)性要略差.

2.4 典型個例分析

為進一步分析擴散條件對廣州地區(qū)灰霾天氣過程與清潔天氣過程的影響,選取 2009年 11月19～28日為典型個例進行剖析,其中19～23日是一次清潔天氣過程,26～28日則為一次灰霾天氣過程.

圖8給出2009年11月19～28日廣州地面觀測站的風(fēng)速時間變化情況.從圖8可看出,19～23日清潔過程的風(fēng)速較大,風(fēng)向非常穩(wěn)定,主要為北風(fēng);24～25日屬于過渡階段,這段時間內(nèi)風(fēng)速顯著減小,風(fēng)向多變,大氣擴散能力減弱,污染物開始堆積;26～28日灰霾天氣爆發(fā),風(fēng)速依然較小,在1.5m/s左右波動,北風(fēng)較弱,偶有南風(fēng).

圖9分別給出清潔過程(19～23日)和灰霾過程(24～28日)進行 120h風(fēng)矢量和計算后得到的矢量和空間分布圖.從圖9a可以看出,清潔天氣過程中風(fēng)的矢量和較大,珠三角地區(qū)大氣擴散條件較好,不利污染物的堆積;而灰霾天氣過程出現(xiàn)時,圖9b中矢量和顯著減小,珠三角地區(qū)存在一塊顯著的氣流停滯區(qū),大氣擴散條件很差,污染物難以擴散,導(dǎo)致廣州地區(qū)出現(xiàn)灰霾.

從圖8和圖9還可以發(fā)現(xiàn),在持續(xù)、穩(wěn)定的強風(fēng)作用下,風(fēng)矢量和較大,污染物難以堆積,大氣比較清潔;而風(fēng)速較小、風(fēng)向多變時,風(fēng)矢量和較小,污染物累積效應(yīng)增強,會導(dǎo)致灰霾天氣爆發(fā).

圖8 2009年11月19～28日廣州風(fēng)速隨時間變化Fig.8 Changes of wind velocity over Guangzhou during Nov. 19-28,2009

圖9 風(fēng)的120h矢量和Fig.9 Sum of wind vectors for 120 hours

3 結(jié)論

3.1 廣州灰霾天氣過程主要發(fā)生在干季,濕季極少發(fā)生;清潔天氣過程主要出現(xiàn)在濕季,干季則相對較少出現(xiàn).這與亞洲大尺度緯向環(huán)流的冬強夏弱有一定關(guān)系.

3.2 大部分灰霾天氣過程發(fā)生時,廣州地面風(fēng)速一般小于 1.5m/s,比相應(yīng)季節(jié)的平均風(fēng)速小0.5m/s以上;清潔天氣過程中廣州地面風(fēng)速一般在 1.0～3.0m/s之間,大部分比相應(yīng)季節(jié)平均風(fēng)速大0.5m/s以上,部分時候甚至大1m/s以上.

3.3 在干季,灰霾天氣過程出現(xiàn)時主要為東南及東南偏南風(fēng),而清潔天氣過程的主導(dǎo)風(fēng)向則為北風(fēng)及偏北風(fēng).濕季時的灰霾天氣過程較少,多表現(xiàn)為東風(fēng),清潔天氣過程主要為東南風(fēng),與多年主導(dǎo)風(fēng)向一致.

3.4 灰霾天氣過程出現(xiàn)時,廣州地區(qū)矢量和風(fēng)速較小,風(fēng)場的輸送作用較弱;清潔天氣過程的風(fēng)矢量和則較大,能夠有效的將污染物擴散出去.

3.5 廣州灰霾天氣發(fā)生時,能見度與風(fēng)速以及風(fēng)矢量和的相關(guān)性較好,風(fēng)速和矢量和越小,相關(guān)性也越強;而清潔天氣過程發(fā)生時,干濕季能見度與風(fēng)速以及風(fēng)矢量和相關(guān)系數(shù)則存在顯著差異,干季相關(guān)性較強,風(fēng)速和風(fēng)矢量和越大,相關(guān)性越強,濕季則由于受到其他因素的影響,相關(guān)性相對較弱.

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致謝：本文中所使用的數(shù)據(jù)均由中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所提供,在此表示感謝.