寶雞市重度灰霾天氣氣候特征及氣象條件分析

龐 翻,韓 潔,王 婷

(寶雞市氣象局,陜西寶雞 721006)

寶雞市重度灰霾天氣氣候特征及氣象條件分析

龐 翻,韓 潔,王 婷

(寶雞市氣象局,陜西寶雞 721006)

利用陜西省寶雞市11縣區(qū)氣象站1981—2011年常規(guī)地面觀測資料及2000—2011年地面天氣圖資料和西安站探空資料分析寶雞市重度灰霾的時間分布,重度霾日氣象要素場及天氣形勢特征。結(jié)果表明:1981—2011年寶雞市年均重度灰霾24站次,呈上升趨勢,趨勢傾向率為4.7站次/10a;重度灰霾主要發(fā)生在冬、秋季,冬季最多,占總數(shù)的72.2%,11月至翌年2月, 4個月共占83%;空間分布具有東北及南部少、中間多的特點(diǎn);重度灰霾的出現(xiàn)和地面天氣形勢以及08時接地逆溫有密切關(guān)系;適宜的相對濕度、風(fēng)速是重度灰霾日形成的重要條件;重度灰霾站次與平均最長連續(xù)無降水日呈正相關(guān),與月降水量、月降水日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。

重度灰霾;氣候特征;相對濕度;逆溫;降水;相關(guān)

由于近些年來工業(yè)的發(fā)展,機(jī)動車輛的增多,污染物排放和城市懸浮物大量增加,直接導(dǎo)致了能見度降低,使得整個城市看起來灰蒙蒙一片。嚴(yán)重的灰霾天氣使大氣能見度變差,直接引發(fā)各類海、陸、空交通事故以及城市空氣質(zhì)量問題[1],使得灰霾成為近年來天氣預(yù)警預(yù)報中常常出現(xiàn)的名詞。吳兌經(jīng)過多年研究發(fā)現(xiàn),灰霾與肺癌有著 “七年之癢”,即出現(xiàn)灰霾嚴(yán)重的年份后,相隔七年就會出現(xiàn)肺癌高發(fā)期[2]。

在中國氣象局的 《地面氣象觀測規(guī)范》[3]中,灰霾被這樣定義:“大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中,使水平能見度小于10km的空氣普遍有混濁現(xiàn)象,使遠(yuǎn)處光亮物微帶黃、紅色,使黑暗物微帶藍(lán)色。”權(quán)文婷對霾日數(shù)的統(tǒng)計方法進(jìn)行了討論[4],發(fā)現(xiàn)單時次滿足條件能見度與濕度及天氣現(xiàn)象綜合判斷的結(jié)果與實(shí)際變化趨勢最為接近。而寶雞作為國家級園林城市,目前尚未開展相關(guān)的灰霾天氣分析研究工作。本文分析了近30年a來寶雞市重度灰霾日的氣象要素場及近10年地面天氣形勢和探空資料,尋找到一些相關(guān)關(guān)系,力圖為寶雞重度灰霾尋找預(yù)報依據(jù),為灰霾治理提供參考。

1 資料選取及處理

所用資料為寶雞市11個縣區(qū)氣象站1981—2011年常規(guī)地面觀測資料,2000—2011年地面圖資料和西安站探空資料。由于在地面觀測中,易將霧和霾混淆,根據(jù)中國氣象局的 《地面氣象觀測規(guī)范》[3]和吳兌[2]的研究成果將重度灰霾定義為:相對濕度<80%且水平能見度<5km。相對濕度、水平能見度取02、08、14、20時4個時次平均值,即日平均相對濕度<80%且日平均水平能見度<5km時為重度灰霾。區(qū)內(nèi)一站一日內(nèi)有重度灰霾記錄為一個重度灰霾站次。

2 氣候特征

2.1 時間分布

根據(jù)1981—2011年逐日氣象觀測資料統(tǒng)計分析得出,31a間寶雞市共出現(xiàn)重度灰霾748站次,年均24站次。從年際變化看,重度灰霾站次呈現(xiàn)上升趨勢(圖1),1992—1997年以及2000—2007年為重度灰霾天氣高發(fā)期,站次明顯偏多,其余時間段的重度灰霾站次以負(fù)距平為主,重度灰霾站次明顯減少。重度灰霾最多的是1997年,有78站次;最少的7站次,出現(xiàn)在1981、1983、1984和2009年。過去31a間,重度灰霾以4.7站次/10a的速率明顯上升。

圖1 1981—2011年寶雞市重度灰霾變化趨勢圖

從年代際變化看,1980、1990、2000年代寶雞重度灰霾分別為121、302、283站次;1980年代為負(fù)距平(-114站次);1990、2000年代為正距平,1990年代最高(67站次)。

從季節(jié)變化看,重度灰霾主要發(fā)生在秋、冬二季。冬季(12月至翌年2月)最多,共有540站次,占總數(shù)的72.2%;其次為秋季,有121站次,占總數(shù)的16.2%;第三為夏季,有50站次,占6.7%;春季最少,有37站次,占4.9%。秋、冬二季出現(xiàn)的重度灰霾共占總數(shù)的88.4%,主要原因是秋冬季混合層偏低,大氣層結(jié)穩(wěn)定,大氣中的污染物顆粒難以擴(kuò)散稀釋,而夏季充沛的雨水對污染物有沖刷作用,不利于灰霾的形成[5]。

從月變化看,重度灰霾全年每月均可出現(xiàn)。12月最多,共有250站次,占總數(shù)的33%;其次為1月,有204站次,占27%;第三為11月,有92站次,占12%;第四為2月,有86站次,占11%;最少為6月,只有1站次。11月—次年2月出現(xiàn)的重度灰霾站次共占83%。

2.2 空間分布

1981—2011年間,寶雞地區(qū)各站重度灰霾在0～121d之間,空間分布差異極大,最多的縣年均3.9d,最少的則未出現(xiàn),具有東北及南部少、中間多的分布特點(diǎn) (圖2),即川塬區(qū)多于山區(qū)的特征。重度灰霾最多的是千陽,共出現(xiàn)重度灰霾日121d,鳳翔次之117d,再次為岐山116d;太白未出現(xiàn)重度灰霾天氣,麟游次少為2 d?？臻g分布差異大與寶雞地形復(fù)雜密切相關(guān)。寶雞東、西、南、北、中的地貌差異大,具有南、西、北三面環(huán)山,以渭河為中軸向東拓展,呈尖角開口槽形的特點(diǎn),俗稱 “喇叭口”,寶雞、陳倉、千陽、鳳翔、岐山、扶風(fēng)和眉縣在 “喇叭口”內(nèi),西高東低。千陽站西側(cè)和北側(cè)、岐山站北側(cè)、鳳翔站北側(cè)均為山區(qū),寶雞站、陳倉站、眉縣站南側(cè)均為秦嶺,污染物在 “喇叭口”內(nèi)不易擴(kuò)散。寶雞又常年盛行偏東風(fēng),在風(fēng)向的引導(dǎo)下,污染物隨地形爬坡,加重堆積,造成海拔較高的千陽、鳳翔、岐山重度灰霾多。太白、麟游由于有山脈阻擋,加之本身工業(yè)不發(fā)達(dá),人口稀少,污染源少,所以重度灰霾最少。

圖2 1981—2011年寶雞市重度灰霾空間分布(單位:d)

3 氣象條件分析

3.1 天氣形勢

氣象要素與大尺度天氣形勢密切相關(guān)。天氣形勢的變化,必將導(dǎo)致氣象要素的變化,污染物稀釋擴(kuò)散將受到天氣形勢的制約。由于污染物在大氣中主要受低層大氣結(jié)構(gòu)特征的影響,因此以地面天氣圖為主,依據(jù)出現(xiàn)重度灰霾時寶雞在天氣系統(tǒng)中所處位置把地面天氣形勢歸納為4類(圖3):高壓底部型、高壓后部型、暖倒槽型、鋒前暖區(qū)型。

2000—2011年共發(fā)生重度灰霾325站次,分析發(fā)現(xiàn):當(dāng)?shù)孛嫣鞖庑蝿轂楦邏旱撞啃蜁r,重度灰霾最多,為133站次,占總數(shù)的41%;其次為高壓后部型,104站次,占32%;第三位鋒前暖區(qū)型,52站次,占16%,最后為暖倒槽型, 36站次,約占11%。

圖3 寶雞市重度灰霾典型地面天氣形勢(a高壓底部型,b高壓后部型,c鋒前暖區(qū)型,d暖倒槽型;圖中黑點(diǎn)為寶雞)

其實(shí),天氣形勢是不斷演變的,大部分的高壓后部型是由高壓底部型演變而來的。當(dāng)冷空氣從40°N附近東移,由華北南下時,就使高壓底部型轉(zhuǎn)化為高壓后部型。所以將高壓底部型和高壓后部型可看成一種天氣形勢,即 “冷高壓偏北東移南下型”,其產(chǎn)生的重度灰霾頻次占總數(shù)的73%。

3.2 相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向

寶雞市各站重度灰霾日相對濕度平均值達(dá)77%,相對濕度70%以上的占總數(shù)的89%,相對濕度60%以上的占總數(shù)的97%。說明相對濕度與重度灰霾密切相關(guān),相對濕度較大,為重度灰霾的形成提供了重要條件。

寶雞各站重度灰霾日出現(xiàn)時,日平均風(fēng)速為1.1m/s,最大值不超過2.6m/s,其中風(fēng)速<2 m/s的占總數(shù)的90%。重度灰霾日平均風(fēng)速小,大氣中的污染物難以擴(kuò)散稀釋,易局地堆積。

通過統(tǒng)計重度灰霾日14時的風(fēng)向發(fā)現(xiàn),主導(dǎo)風(fēng)向是東風(fēng)和靜風(fēng),分別占38%和31%,東南風(fēng)占16%,其余占15%。在天氣形勢為高壓底部型和高壓后部型時,寶雞通常吹偏東風(fēng),而這兩種形勢是寶雞重度灰霾日的主要天氣形勢,因此灰霾日風(fēng)向多為東風(fēng)。

3.3 降水

降水對清除大氣中的污染物質(zhì)起著重要的作用:有些污染物能溶解在水中,在水中起化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生其他物質(zhì);同時降水過程還可以起到清除顆粒物的作用[6]。圖4為1981—2011年寶雞市10月—次年2月重度灰霾頻次和各站平均最長連續(xù)無降水日,可以看出,二者具有較好的一致性,呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.93。

分析發(fā)現(xiàn),1981—2011年寶雞各月重度灰霾頻次與月降水量和月降水日呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.67、-0.78。月重度灰霾頻次與當(dāng)月與上月降水量之和、當(dāng)月與上月降水日數(shù)之和都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.59、-0.64。這些表明,月重度灰霾頻次不僅與當(dāng)月降水有關(guān),且與上月降水有關(guān),與鄭慶鋒[7]等的分析結(jié)果一致。

圖4 1981—2011年寶雞各月重度灰霾頻次與各站平均最長連續(xù)無降水日

3.4 逆溫

逆溫是大氣層結(jié)中低層溫度低于高層溫度的大氣層結(jié)現(xiàn)象,有無逆溫及逆溫層厚度是影響大氣污染的一個主要因子。逆溫阻礙了空氣的對流運(yùn)動,導(dǎo)致污染物滯留在低空。對2000—2011年寶雞重度灰霾日期間西安站08時探空圖中出現(xiàn)接地逆溫的統(tǒng)計表明 (表1),出現(xiàn)重度灰霾日的325站次中有217站次出現(xiàn)了接地逆溫,占總數(shù)的66.7%;10月—次年2月重度灰霾日時逆溫出現(xiàn)的頻率都在64%以上,11月最高為88%。5、6、9月概率較低,在33%以下。重度霾日時逆溫層的厚度介于304～479m之間,平均為408m。

表1 2000—2011年寶雞各月重度灰霾與08時接地逆溫關(guān)系

寶雞川塬區(qū)三面環(huán)山,山坡上的冷空氣沿山坡下沉到川塬區(qū) (“喇叭口”)內(nèi),川塬區(qū)內(nèi)的較暖空氣被冷空氣抬擠上升,從而形成地形逆溫。地形逆溫也是重度灰霾川塬區(qū)多于山區(qū)的重要原因之一。

4 結(jié)論

4.1 寶雞市年均重度灰霾24站次,呈上升趨勢,趨勢傾向率為4.7站次/10a。

4.2 在季節(jié)變化上,重度灰霾主要發(fā)生在冬、秋二季。冬季為最多,占總數(shù)的72.2%;在月份變化上,12月最多,1月次之,兩者分別占重度灰霾總數(shù)的33%、27%?？臻g分布上具有東北及南部少、中間多的分布特點(diǎn)。

4.3 寶雞出現(xiàn)重度灰霾日的地面天氣形勢有4類:高壓底部型、高壓后部型、暖倒槽型、鋒前暖區(qū)型。其中高壓底部型和高壓后部型產(chǎn)生的重度灰霾日占總?cè)諗?shù)的73%,高壓后部型的天氣形勢將要發(fā)生轉(zhuǎn)變時,可作為重度灰霾日結(jié)束的參考依據(jù)之一。

4.4 重度灰霾頻次與平均最長連續(xù)無降水日呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.94。月重度灰霾頻次與月降水量、當(dāng)月與上月降水量之和、月降水日、當(dāng)月與上月降水日數(shù)之和均呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.67、-0.78、-0.59、-0.64。

4.5 重度灰霾日的出現(xiàn)與08時接地逆溫有密切關(guān)系,在2000—2011年出現(xiàn)的重度灰霾日中08時出現(xiàn)接地逆溫的占66.7%。

[1] 趙樹海.航空氣象學(xué)[M].北京:氣象出版社, 1994:196-198.

[2] 吳兌.霾與霧的區(qū)別和灰霾天氣預(yù)警建議[J].廣東氣象,2004,31(4):1-3.

[3] 中央氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京:氣象出版社,2010:22-27.

[4] 權(quán)文婷.霾日數(shù)的統(tǒng)計方法討論[J].陜西氣象,2012(4):32-34.

[5] 田輝.周口市灰霾天氣的變化特征及成因分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2010(13):196-198.

[6] 蔣維楣.空氣污染氣象學(xué)[M].南京:南京大學(xué)出版社,2003:13-14.

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X513

:A

1006-4354(2013)06-0022-04

2013-02-01

龐翻(1982—),男,漢,陜西周至人,工程師,從事短期天氣預(yù)報。

寶雞市氣象局“火車頭計劃”項目(20122-01)