常州市霾天氣特征及其影響因子分析

沈 琰，雷正翠，楊衛(wèi)芬，宋大偉

（1.常州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 常州 213001；2.常州市氣象臺，江蘇 常州213022）

常州市霾天氣特征及其影響因子分析

沈 琰1，雷正翠2，楊衛(wèi)芬1，宋大偉1

（1.常州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 常州 213001；2.常州市氣象臺，江蘇 常州213022）

基于常州市氣象觀測站 2001—2013年的氣象資料和大氣自動站 2009—2013年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對常州市霾天氣的變化特征、成因及其影響因子進行了初步分析。結果表明：2001—2013年，霾日數(shù)在全年及四季都呈現(xiàn)逐漸增多的年際變化特征，其中在 2001—2008年，霾日數(shù)的趨勢平穩(wěn)且窄幅波動，但2009—2013年，霾日數(shù)急劇增加。季節(jié)變化上表現(xiàn)出夏季少、冬季多的分布特征。霾天氣多發(fā)生在午后，11時出現(xiàn)的次數(shù)最多。常州霾天氣持續(xù)日數(shù)不斷增加，2013年連續(xù)霾日最長是 16d。常州霾典型天氣形勢為受冷高壓或變性冷高壓控制之下和處于入海高壓后部或底部。常州霾天氣受氣象因子的影響，在靜風、偏東風、50%～60%的相對濕度、逆溫、降水偏少和大氣湍流不利氣象擴撒條件下都易形成霾。

霾；特征；氣象要素；影響因子；分析；常州

霾是大量極細微的干塵粒等均勻地游浮在空中，使水平能見度 ＜10.0km的空氣普遍渾濁現(xiàn)象。霾使遠處光亮物體微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍色［1］。由于經(jīng)濟規(guī)模的迅速擴大和城市化進程的加快，我國區(qū)域性霾日益嚴重的主要因素是人為排放的大量氣溶膠，霾已經(jīng)不是一種完全的自然現(xiàn)象。霾不僅使能見度降低影響交通安全［2～3］，加重城市空氣污染［4～5］，誘發(fā)與心肺功能障礙有關的疾病威脅人體健康［6］，還會降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質［7～8］。

國際上對霾的廣泛重視始于 1995—1999年進行的 INDOEX觀測計劃。Sisler James F［9］曾對細粒子成分進行了研究，提出高濃度的硫酸鹽是影響霾的最大因素，硝酸鹽和有機物是第二大因素；西歐和北美對燃煤產(chǎn)生的 SO2污染問題做了大量研究，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽對霾的影響和對人體健康的危害是大氣污染的后果之一；Appel等［10］則認為，細粒子硝酸鹽顆粒對光的散射效應比硫酸鹽更強。我國學者也對霾天氣特征、霾物質的組成進行了研究，如高歌［11］對 1961—2005年中國霾的時空氣候分布特征、變化趨勢進行了詳細分析并探索了霾變化的原因；王京麗等［12］研究了北京霾天氣成因的主要氣象因素；童堯青等［13］分析了1961—2005年南京地區(qū)霾天氣的氣候特征、氣象要素特征及其成因；劉愛君等［14］分析了廣州霾天氣的氣候特征；吳兌等［15～16］在廣東霾天氣研究等方面做了大量工作。

傳統(tǒng)的煤煙型污染問題尚未解決，新的污染問題又接踵出現(xiàn)。發(fā)達國家經(jīng)歷了近百年的環(huán)境污染問題在我國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)近二三十年內集中爆發(fā)，呈現(xiàn)了煤煙型與機動車尾氣污染共存的特殊大氣復合污染格局。常州作為四大霾區(qū)域之一長三角的核心城市，也受到了霾天氣的困擾。

1 資料來源

研究所用氣象資料有常州市地面氣象觀測站2001—2013年的氣象資料，包括霾天氣日期、霾日地面觀測記錄（北京時間02∶00、05∶00、08∶00、11∶00、14∶00、17∶00、20∶00）。常州市大氣自動站2009—2013年部分自動監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 霧和霾的區(qū)別

2.1 霧和霾的轉變過程

由于城市經(jīng)濟規(guī)模的迅速擴大和城市化進程的加快，大氣氣溶膠污染日趨嚴重，霧霾頻發(fā)，一天時間內經(jīng)常出現(xiàn)由霾向霧或由霧向霾以及霧霾混合的變換過程。大致過程：夜間近地面溫度顯著下降，近地面形成逆溫，大氣中的污染物難以擴散，此時多以霾為主；隨著溫度的不斷降低以及水汽的凝結，霧逐漸形成，但相對濕度 ＜90%，霧與霾混合存在；隨著相對濕度的不斷加大，霾粒子吸濕成為霧滴，逐漸轉換為霧；日出以后，陽光輻射加強使地面溫度升高，大氣相對濕度降低，霧逐漸消散，但由于污染無法擴散，霧滴脫水后霾粒子又再懸浮在大氣中，能見度下降，霧又逐漸轉換為霾。

2.2 霧的主要特征

霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，由于對可見光的散射作用，使能見度顯著降低，是近地面層空氣中水汽凝結（或凝華）的產(chǎn)物。霧是由水滴或冰晶組成的，因而相對濕度應該是飽和的［1］。霧形成的條件一是冷卻，二是加濕，三是有凝結核增加水汽含量。

2.3 霾的主要特征

當空氣中的灰塵、硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、有機碳氫化合物等粒子使大氣渾濁、視野模糊并導致能見度惡化，這種非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成的視程障礙就稱為霾。霾天氣是指大氣邊界層乃至對流層低層整體的大氣渾濁現(xiàn)象。

2.4 霧與霾的區(qū)別霧與霾有六大區(qū)別。一是能見度范圍不同：霧的水平能見度＜1km，霾的水平能見度 ＜10km；二是相對濕度不同：霧的相對濕度 ＞90%，霾的相對濕度 ＜80%，相對濕度介于 80%～90%是霾和霧的混合物，但其主要成分是霾；三是厚度不同：霧的厚度只有幾十～200m左右，霾的厚度可達1～3km左右；四是邊界特征不同：霧的邊界很清晰，過了 “霧區(qū)”可能就是晴空萬里，但是霾與晴空區(qū)之間沒有明顯的邊界；五是顏色不同：霧的顏色是乳白色、青白色，霾則是黃色、橙灰色；六是日變化不同：霧一般午夜至清晨最易出現(xiàn)，霾的日變化特征不明顯，當氣團沒有大的變化，空氣團較穩(wěn)定時，持續(xù)出現(xiàn)時間較長。

3 常州霾天氣變化特征

3.1 霾的年際變化

由圖 1可見，常州 2001—2013年霾日數(shù)共出現(xiàn)1483d，平均霾日數(shù) 114d／a，期間以 2013年最多 （252d），而以2009年最少 （47d）。過去13年間，霾日數(shù)總體呈現(xiàn)出增多的變化特征，其中在2001—2008年，霾日數(shù)的趨勢平穩(wěn)且窄幅波動，而在2009—2013年，霾日數(shù)急劇增加。

大氣顆粒物 （尤其是細顆粒物）污染加劇是霾頻發(fā)的主要原因之一。2011年常州市大氣污染物排放清單研究結果表明，細顆粒物 （PM2.5）排放貢獻率前三位分別為道路揚塵、機動車尾氣和工業(yè)。工業(yè)格局穩(wěn)定的情況下，與道路揚塵和尾氣排放息息相關的機動車就變得尤為重要。2009年常州市機動車保有量36萬輛，2013年常州市機動車保有量76萬輛，5年間增加 1.1倍，機動車快速增長可能是霾日數(shù)急劇增加的重要原因。

3.2 霾的月、季變化

圖2給出了2001—2013年常州平均月霾日數(shù)變化情況。霾日數(shù)有明顯的月季差異，一年當中，霾日數(shù)最多為 11月份 （14.2d），其次為12月份（12.7d），最少為8月份 （4.4d）。由圖3可見，冬季 （12月—次年2月）出現(xiàn)霾日數(shù)最多（33.3d），秋季 （9—11月）和春季 （3—5月）次之，分別為 30.8d和 30.2d，夏季 （6—8月）最少 （19.8d）。由圖 4可見，2010—2013年四季的霾日數(shù)都急劇增多，值得關注的是春季增幅最大，幾乎每年成倍上升，2013年較2011年增加了53d。

夏季一般處于汛期，降水日數(shù)多且降水強度大，充沛的雨水對空氣中懸浮的灰塵和粉塵等粗粒子起沖刷作用，不利于霾的形成。另外，夏季大氣對流活動旺盛，使近地層污染物 （尤其是細顆粒污染物）擴散稀釋，霾較少發(fā)生。冬季，常州受冷高壓控制，下沉氣流使低層大氣生成穩(wěn)定層結，隨氣流上傳的顆粒物累積在穩(wěn)定層下層形成霾層，并可持續(xù)數(shù)日。因此，常州霾的季節(jié)變化表現(xiàn)出夏季少、冬季多的分布特征。

3.3 霾的日變化

由 圖 5可見，在 （北 京 時 間02∶00、05∶00、08∶00、11∶00、14∶00、17∶00、20∶00）7個時次中，11時出現(xiàn)霾的頻次最高，年均59次，其次是14時，再次為17時，最少的是05時。究其原因可能是接近正午隨著太陽輻射加強，近地層溫度上升，即使有霧也逐漸轉化為霾。

3.4 霾的持續(xù)日數(shù)

統(tǒng)計結果表明，一般情況下霾持續(xù) 1～4d，很少超過 10d。2011年起，常州每年均有若干次霾連續(xù)出現(xiàn) 6d以上，持續(xù) 10d的霾出現(xiàn)過 5次，分別發(fā)生在 2011年 （1次）、2012年 （1次）、2013年 （3次）。2013年連續(xù)霾日最長是16d，出現(xiàn)在2013年 11月 30日—12月15日；還有一次連續(xù)12d，出現(xiàn)在2013年1月5日—1 月16日。霾持續(xù)日期的增長、持續(xù)數(shù)日現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，是霾日數(shù)逐年增多的必然結果，更是空氣污染形勢嚴峻化的體現(xiàn)。

4 常州霾典型天氣形勢和類型

4.1 典型天氣形勢

霾的出現(xiàn)與天氣形勢關系密切，圖6為常州霾典型天氣形勢圖。通過分析重污染霾出現(xiàn)時的地面形勢，得出當常州受冷高壓或變性冷高壓控制之下和處于入海高壓后部或底部易形成霾。受冷高壓或變性冷高壓控制之下這種形勢主要分為兩種：一種是高壓主體控制江南，常州位于高壓中心部，沒有壓力階差導致風力極小，疊加上游污染輸送易出現(xiàn)霾；第二種高壓底前部或 L型高壓，秋冬季節(jié)弱冷空氣南下影響，高壓主體在河套或蒙古地區(qū)，冷峰過境后易出現(xiàn)霾。另外，當冷高壓主體在華東一帶入海時，常州位于入海高 壓后部或底部，以均壓場為主，也易出現(xiàn)霾。

4.2 典型天氣類型

通過對近年常州霾天氣過程、特征、形成原因和污染來源等分析，對霾典型天氣類型進行歸納，主要得到五類霾天氣類型。

4.2.1 冷峰前部型

冷峰前部型主要與冷空氣活動有關，秋、冬、春三個季節(jié)均有可能出現(xiàn)。這種情況往往伴隨著較強冷空氣南下，鋒面未到達常州，常處于山東半島到江漢平原一帶或以北的位置。由于大氣擴散條件不利，造成大氣污染物的堆積，出現(xiàn)霾。鋒面過境時常伴有降水，空氣受降水沖刷作用會明顯好轉。4.2.2 靜穩(wěn)天氣型

靜穩(wěn)天氣型一般是秋冬季節(jié)受冷高壓控制，常州處于高壓中心部，有逆溫導致不利大氣擴散條件出現(xiàn)，本地排放的污染物堆積在近地面無法向高空擴散。這類霾天氣最長會持續(xù)一周左右，且會有由輕慢慢加重的過程。

4.2.3 霧霾天氣型

霧霾天氣型多發(fā)生在秋冬季多霧季節(jié)，天氣通常晴好，風速較小，水汽濕度合適。大氣擴散條件不利，且易形成逆溫，造成污染物的堆積。顆粒物吸濕后膨脹，有利于化學反應生成二次污染粒子，促進霧與霾之間的相互轉換。

4.2.4 秸稈焚燒型

隨著農(nóng)村生活水平的普遍提高，秸稈已不再作為農(nóng)村的生活燃料，作物秸稈逐漸成為糧食收獲以后的多余副產(chǎn)品，在夏、秋糧食收獲期間，秸稈焚燒頻發(fā)，加重霾的污染。研究表明，秸稈焚燒時，短時間內產(chǎn)生大量的污染物，加重了霾天氣污染程度。另外，加強管理后杜絕了大面積焚燒，但零星分次焚燒也增加了霾發(fā)生的頻次。

4.2.5 外來影響型

外來影響型是指本地污染源排放穩(wěn)定的情況下，由于受外源影響短時間內突然造成污染，形成霾。通常是北方沙塵或者污染物隨冷空氣南下輸送影響，沙塵影響主要集中在每年春季，污染物影響主要集中在冬季北方供暖季節(jié)。

5 氣象因子對霾的影響

5.1 風對霾的影響

風是邊界層內影響污染物擴散的重要動力因子。風向決定著大氣中污染物的輸送方向，風速則影響著大氣中污染物的擴散稀釋快慢，特別是低層風向、風速的變化直接影響空氣污染物的聚散及各處的濃度分布。由表1可見，風速在0.1 ～3m／s時，霾的出現(xiàn)概率最高，占83.2%；風速為3.1～4m／s的出現(xiàn)概率次高，占10.1%；風速6m／s時僅有 0.13%的概率。表明當風速較小時，霾的出現(xiàn)概率較大，特別是靜風和微風有利于霾天氣的發(fā)生；而當風速6m／s時，有利于大氣污染物水平輸送；同時風速大，湍流加強，也利于垂直風向的輸送和擴散，不利于霾的形成，因而出現(xiàn)霾的機率很小。從風向上看，出現(xiàn)霾概率最多的風向是ESE，占12.7%；其次是E，占11.6%。霾多出現(xiàn)在偏東風時，ENE到 SE的 5個風向就占了總數(shù)的47.4%，這可能與大氣污染物輸送有關。

5.2 相對濕度對霾的影響

統(tǒng)計2009—2013年，空氣質量指數(shù)類別屬于重度污染（即AQI＞200）時的相對濕度分布情況，見表 2，相對濕度在 50%～60%的概率最大，占41.3%；其 次 是 相對濕 度 在60% ～70%，占23.6%。可見適當?shù)南鄬穸仁钱a(chǎn)生霾的有利條件。適當?shù)南鄬穸龋环矫鏆馊苣z粒子通過吸濕增大；另一方面氣溶膠粒子吸收水份后更易發(fā)生化學反應，促進了二次污染粒子的產(chǎn)生，從而增加了霾的嚴重程度。

5.3 降水對霾的影響

統(tǒng)計2009—2013年降水資料，常州降水主要集中在夏季 （6—8月），降水 量占 年總量 的48.1%；春季 （3—5月）次之，占23.6%；冬季最少，僅占 13.6%。逐月的降水量和霾日數(shù)呈現(xiàn)負相關 （r＝－0.417）。夏季汛期帶來充沛的降水對空氣中懸浮的灰塵和粉塵起沖刷作用，不利于霾的形成。

5.4 大氣湍流對霾的影響

大氣湍流是大氣中的一種重要運動形式，它的存在使大氣中的動量、熱量、水氣和污染物的垂直和水平交換作用明顯增強，遠大于分子運動的交換強度。分析 2012—2013年常州地界面積逐月垂直運動時間 －高度剖面圖 （圖 7a、b），表明 1—4月、10—12月對流層均盛行下沉氣流，不利于污染物的擴撒。由2013年常州地界面積逐月垂直運動時間 －高度剖面距平圖 （圖 7c）可見，2013年6—12月對流層異常下沉運動，降水減少和不利氣象擴撒條件極易形成霾天氣，可能是 2013年出現(xiàn)連續(xù)16d霾日的原因之一。

5.5 逆溫對霾的影響

一般情況下，在低層大氣中，通常氣溫是隨高度的增加而降低的。但有時在某些層次可能出現(xiàn)相反的情況，氣溫隨高度的增加而升高，這種現(xiàn)象稱為逆溫。逆溫層好比一個鍋蓋蓋在城市上空，導致污染物停留在近地層而排放不出去，易出現(xiàn)霾。根據(jù)近年統(tǒng)計，常州每年出現(xiàn)霾天氣且同時出現(xiàn)逆溫的比例均在 85%以上，逆溫層高度自 600～1000hPa不等，有時幾個高度段還會同時出現(xiàn)。

6 結論

（1）2001—2013年，常 州霾 日數(shù)共出現(xiàn)1483d，年平均霾日數(shù)114d。霾日數(shù)總體呈現(xiàn)出增多的變化特征，其中在 2001—2008年，霾日數(shù)的趨勢平穩(wěn)且窄幅波動，而在2009—2013年，霾日數(shù)急劇增加。

（2）常州霾的季節(jié)變化表現(xiàn)出夏季少、冬季多的分布特征，其中以 11月份最多，8月最少，霾天氣多發(fā)生在午后，11時出現(xiàn)的次數(shù)最多。

（3）2010—2013年全年和四季的霾日數(shù)都急劇增多，值得關注的是春季增幅最大，幾乎每年成倍上升，2013年較2011年增加了53d。

（4）常州霾天氣持續(xù)日數(shù)不斷增加。自 2011年起，常州每年均有若干次霾連續(xù)出現(xiàn)6d以上，持續(xù) 10d的霾出現(xiàn)過5次，2013年連續(xù)霾日最長是16d。

（5）常州霾典型天氣形勢為受冷高壓或變性冷高壓控制之下和處于入海高壓后部或底部。

（6）對常州霾典型天氣類型進行歸納，歸納為冷鋒前部型、靜穩(wěn)天氣型、霧霾天氣型、秸稈焚燒型和外來影響型五類霾天氣類型。

（7）常州霾天氣受氣象因子的影響，風速在0.1～3m／s、偏東風、相對濕度在50%～60%、逆溫、降水偏少和大氣湍流不利氣象擴撒等條件下都易形成霾。

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Characteristics of Haze Weather and Factors Identification in Changzhou

SHEN Yan1，LEI Zheng－cui2，YANG Wei－fen1，SONG Da－wei1
（1.Changzhou Environmental Monitoring Center，Changzhou Jiangsu 213001 China）

The variation trend of haze and factors causing haze in Changzhou were analyzed based on meteorological observations obtained from Changzhou Meteorological Station（2001－2013）and atmospheric monitoring stations （2009－2013）.The frequency of occurrence of haze had the following trends that the number of haze days increased gradually from 2001 to 2013.The number of haze days showed a slight rise from 2001 to 2009.However，it increased sharply from 2009 to 2013.Meanwhile，winter had more haze days than summer.Haze often occurred at noon with the highest frequency of occurrence around 11 o’clock in the morning.The number of continuous haze days has increased in Changzhou in recent years.The longest continuous haze days were 16 days in 2013.The typical weather conditions causing haze were the cold high－pressure or degeneration of the cold high pressure under control and in the rear or bottom pressure in Changzhou.The meteorological factors result in the occurrence of haze.Normally，haze often occurs with no wind or east wind，the relative humidity between 50%and 60%，inversion，less precipitation，and bad meteorological conditions for dispersal of pollutants.

haze；characteristics；meteorological factor；Changzhou

X51

A

1673－9655（2014）04－0032－06

2014－03－20

常州市科技局應用基礎研究基金項目 CJ20110017。

沈琰 （1977－），男，江蘇省常州市人，漢族，本科，工程師，長期從事環(huán)境監(jiān)測工作。