上海霾的影響因素與特征

張弛

摘要 利用2009年12月～2010年11月的上海氣象資料、顆粒物資料和后向軌跡聚類分析方法對(duì)在此期間的霾日進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，上海霾發(fā)生時(shí)多盛行由內(nèi)陸而來(lái)的西南和西北氣流，且各季有所不同，夏季以西南氣流為主，春季比較平均，秋、冬季節(jié)則以西北氣流為主；較高的相對(duì)濕度和較小的風(fēng)速有利于霾的形成；上海霾的發(fā)生受到當(dāng)?shù)睾屯獠枯斔蛢煞矫嬉蛩赜绊?，其中以?dāng)?shù)赜绊憺橹?；?xì)顆粒物對(duì)霾發(fā)生的貢獻(xiàn)很大，上海絕大部分的霾日中，PM2.5/PM10的比值均達(dá)0.5以上；上海霾的產(chǎn)生可能與機(jī)動(dòng)車尾氣排放有比較密切的關(guān)系。

關(guān)鍵詞 霾；影響因素；變化特征；上海

中圖分類號(hào) S161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）20-06725-03

霾是指大量極細(xì)微的干塵粒均勻地浮游在空中，使遠(yuǎn)處光亮物微帶黃、紅色，黑暗物微帶藍(lán)色，水平能見(jiàn)度<10 km的空氣普遍有混濁的天氣現(xiàn)象。研究表明，霾中的物質(zhì)成分除了細(xì)塵以外，還包括硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、碳?xì)浠衔?、黑碳等粒子[1]，正是由于大量極細(xì)微的污染性氣溶膠的存在，霾天氣對(duì)人類的身體健康具有極大的危害性。上海市霾期間PM2.5、PM10污染對(duì)醫(yī)院呼吸科日均門(mén)診人數(shù)具有一定影響[2-3]。因此，霾的特征和成因均日益受到人們的關(guān)注。

國(guó)外學(xué)者較早地對(duì)霾的物質(zhì)組成及氣候特征進(jìn)行了研究[4-6]。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)霾的研究也漸趨深入，我國(guó)年和四季霾日的空間分布特征均呈現(xiàn)東多西少的空間分布態(tài)勢(shì)，且霾的增加是造成太陽(yáng)總輻射減少的主要原因之一[7]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在我國(guó)風(fēng)力條件（大氣污染物稀釋擴(kuò)散能力）的變化對(duì)霾天氣增減趨勢(shì)的影響非常顯著[8]；而在對(duì)各地的研究中，珠江三角洲區(qū)域灰霾天氣過(guò)程與區(qū)域內(nèi)靜小風(fēng)過(guò)程有密切聯(lián)系，清潔對(duì)照過(guò)程與強(qiáng)平流輸送有關(guān)[1]，較高的PM2.5濃度和較高的相對(duì)濕度及較小的風(fēng)速是導(dǎo)致廣州霾天氣形成的主要原因[9]。 可見(jiàn)，霾的形成與氣象條件和空氣中顆粒物含量均有密切聯(lián)系。筆者利用后向軌跡聚類等方法，綜合兩方面因素，對(duì)2009年12月～2010年11月上海1年內(nèi)霾日進(jìn)行分析，以期對(duì)上海霾的形成、發(fā)展、成因和特征等有較細(xì)致和全面的了解。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

所用風(fēng)速和相對(duì)濕度資料來(lái)自于上海徐家匯測(cè)點(diǎn)，能見(jiàn)度資料使用的是上海市普陀區(qū)華東師范大學(xué)PWD22能見(jiàn)度儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)，其經(jīng)緯度坐標(biāo)為31.14°N、121.24°E，15 m。顆粒物數(shù)據(jù)包括PM2.5和PM10的小時(shí)數(shù)據(jù)，均來(lái)自于上海普陀監(jiān)測(cè)站。用于軌跡計(jì)算的氣象場(chǎng)資料為NOAA 的FNL 資料。參考世界衛(wèi)生組織提出的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則，過(guò)渡時(shí)期目標(biāo)中規(guī)定PM2.5的日平均濃度<0.037 5 mg/m3。在此以PM2.5日均值<0.037 5 mg/m3以及能見(jiàn)度日均值<10 000 m為篩選標(biāo)準(zhǔn)，篩選出2009年12月～2010年11月發(fā)生的霾日數(shù)。

1.2 研究方法

由于氣象場(chǎng)的觀測(cè)誤差、分析誤差、時(shí)空分辨率以及模式所用的一些假定會(huì)對(duì)單根軌跡的精度產(chǎn)生各種影響，因此常采用聚類分析的方法來(lái)研究空氣質(zhì)量、氣溶膠的理化特性與不同輸送態(tài)勢(shì)之間的關(guān)系。聚類分析是一種多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)，近年來(lái)，在大氣污染研究方面得到廣泛應(yīng)用[10]。 開(kāi)始聚類分析時(shí)，定義每條軌跡為獨(dú)立的1組，即N條軌跡對(duì)應(yīng)N組。第1次迭代前，需要計(jì)算每對(duì)軌跡組合的空間方差（SPVAR）。 空間方差定義為組內(nèi)各軌跡與它們的坐標(biāo)平均值之差的平方和，SPVAR之和為總空間方差（TSV）。使TSV最小的組合形成1組。經(jīng)過(guò)1次迭代后，聚類數(shù)為N-1，即產(chǎn)生N-1類；第2次迭代，在N-1類中計(jì)算各種軌跡組合的SPVAR與TSV，與第1步相同，使TSV增加最小的軌跡組合歸為1組。由此循環(huán)至所有軌跡最終歸為1類。最初幾次迭代，TSV增加得很快；隨后，TSV通常增加比較緩慢，但在某些迭代后，其值會(huì)突然增加，表明該次迭代形成的類與之前的類有較大區(qū)別。

2 結(jié)果與分析

2.1 霾日統(tǒng)計(jì)結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2009年12月～2010年11月上海總共有霾日107 d，其中，冬季霾日發(fā)生的最多，且各月分布比較均勻，12、1、2月分別為20、13、11 d，均超過(guò)10 d；夏季和秋季次之，但各月分布較不均勻，在夏季，6月的霾日（15 d）較之7月（6 d）和8月（4 d）明顯偏多；而在秋季，9月的霾日（1 d）則較之10月（9 d）和11月（11 d）明顯偏少；春季發(fā)生的霾日最少，各月分布也比較均勻，3、4、5月分別為7、5、5 d，均未超過(guò)10 d。結(jié)合氣流路徑、氣象條件、顆粒物濃度等因素進(jìn)行分析，可以進(jìn)一步分析各月和各季節(jié)霾日分布不均的特征和原因。

2.2 后向軌跡聚類分析

從2009年12月～2010年11月500 m高度每日24 h后向軌跡的聚類結(jié)果（圖1）可以看出，來(lái)自西北、東北和西南的氣流所占比例差不多，東南方向的偏少；而從軌跡長(zhǎng)度上來(lái)看，東南和西北方向的軌跡較長(zhǎng)，超過(guò)600 km，說(shuō)明東南和西北方向來(lái)的氣流移動(dòng)路徑均較長(zhǎng)，西南方向軌跡的長(zhǎng)度較短（<300 km），說(shuō)明氣流從較近的地方移至上海。

圖1 2009年12月～2010年11月24 h后向軌跡聚類結(jié)果

對(duì)各霾日氣流來(lái)向進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，與2009年12月～2010年11月全年總的氣流統(tǒng)計(jì)情況進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表1），就全年而言，在總共107 d霾日中，氣流來(lái)向?yàn)槲鞅焙臀髂系啮踩辗謩e達(dá)43、39 d，東北方向?yàn)?2 d，最少的為東南方向，僅為3 d；而從各方向氣流下的霾日占各方向氣流的總天數(shù)的比例來(lái)看，西北和西南分別占43.4%和44.0%，東北方向?yàn)?9.6%，東南方向?yàn)?.5%。所以，就全年的情況而言，從霾日發(fā)生的天數(shù)來(lái)看，西北和西南方向是霾日氣流的主要來(lái)向；從發(fā)生的概率來(lái)看，當(dāng)氣流來(lái)向?yàn)槲鞅焙臀髂戏较驎r(shí)，霾產(chǎn)生的幾率較大。首先，西北和西南方向的氣流均是從內(nèi)陸移動(dòng)至上海，沿途較易攜帶各種外源顆粒物影響上海，而東北和東南方向的氣流由海上移動(dòng)至上海，由于海上人類活動(dòng)較少，因此，海上的清潔氣流對(duì)上海的顆粒物濃度有稀釋作用；其次，從后向軌跡的長(zhǎng)度來(lái)看，西南氣流的長(zhǎng)度較短，說(shuō)明當(dāng)霾日產(chǎn)生時(shí)氣流方向?yàn)槲髂蠚饬鲿r(shí)，上海霾日的產(chǎn)生更多的是受長(zhǎng)三角等周邊地區(qū)以及當(dāng)?shù)赜绊懰?；而西北氣流長(zhǎng)度較長(zhǎng)，說(shuō)明受西北方向氣流影響而產(chǎn)生的霾日受外源長(zhǎng)途輸送的影響較大。

就各季節(jié)（表2）而言，春季的17 d霾日中，氣流來(lái)向?yàn)槲髂虾臀鞅狈较虻淖疃?，均? d，東北和東南方向的霾日分別為3、2 d；從發(fā)生概率上來(lái)說(shuō)，西南方向最多，西北方向次之，之后是東南和東北方向。夏季的25 d霾日中，氣流來(lái)向?yàn)槲髂戏较虻倪_(dá)15 d，之后依次是東北方向5 d、西北方向4 d、東南方向1 d；但從發(fā)生概率而言，西北方向最高，西南方向和東北方向次之，東南方向最少；秋季和冬季均是西北方向的霾日最多，西南和東北次之，東南方向沒(méi)有，而從發(fā)生概率上而言，秋季西南方向氣流影響下，發(fā)生霾日的概率高于西北方向，東北方向概率較?。欢疚髂虾臀鞅狈较虬l(fā)生霾日的概率基本持平，東北方向略小。

總的來(lái)說(shuō)，從霾日發(fā)生的天數(shù)來(lái)看，就各季節(jié)而言，西北和西南方向仍舊是霾日氣流的主要來(lái)向；其中，春季氣流來(lái)向?yàn)槲髂虾臀鞅狈较虻啮踩諗?shù)比較平均，夏季則西南高于西北；秋冬季節(jié)為西北高于西南。從各方向氣流影響下霾日發(fā)生的概率來(lái)看，各季節(jié)均是以西南和西北方向更易產(chǎn)生霾日，但就各季節(jié)比較而言，春季發(fā)生的概率較其他三季低；夏季西北方向發(fā)生概率最高，西南方向次之；秋季西南方向發(fā)生概率最高，西北方向次之；春季和冬季西南和西北方向發(fā)生的概率則相差不大，但較之另2個(gè)方向大。這主要是由于秋、冬季節(jié)主要是受西北方向弱冷高壓影響，因此霾日中西北方向氣流所占比重較大；而夏季主要是受副熱帶高氣壓帶影響，因此霾日中西北方向氣流所占比重較大；春季則為兩者的過(guò)渡期，因此所占比例也比較均等。在秋冬季節(jié)，西北弱冷高壓南下控制上海，上海處于弱高壓前緣或中心地帶，一方面，穩(wěn)定的天氣形勢(shì)使當(dāng)?shù)氐念w粒物不易擴(kuò)散；另一方面，弱高壓沿途攜帶的顆粒物又被帶入上海，導(dǎo)致霾日的產(chǎn)生。而夏季則多為副熱帶高壓減弱，導(dǎo)致上海處于弱氣壓場(chǎng)控制，從而產(chǎn)生霾天氣。

2.3 霾產(chǎn)生時(shí)的氣象條件

2.3.1

相對(duì)濕度。由表3可見(jiàn)，從全年來(lái)看，霾日的日平均相對(duì)濕度主要集中在60%～90%。從各季節(jié)情況而言，大體與全年情況一致，相對(duì)濕度也主要集中在60%～90%，但具體而言，各季節(jié)略有差異，春季相對(duì)濕度在80%～90%區(qū)間的霾日數(shù)所占比例特別大，達(dá)春季總霾日數(shù)的58.8%；說(shuō)明春季當(dāng)霾日發(fā)生時(shí)，相對(duì)濕度大多在80%～90%；夏季相對(duì)濕度在70%～80%區(qū)間的霾日數(shù)所占比例最大，達(dá)夏季總霾日數(shù)的52.0%；秋季以60%～80%居多，冬季則在60%～90%的各區(qū)間段內(nèi)分布較均勻。說(shuō)明霾日產(chǎn)生時(shí)，相對(duì)濕度一般較高，因?yàn)檩^高的相對(duì)濕度有利于顆粒物的吸濕性增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致霾天氣的發(fā)展和加劇。

2.3.2

風(fēng)速。從表4可以看出，就全年而言，當(dāng)有霾發(fā)生時(shí)，日平均風(fēng)速大多為0～2 m/s，占總霾日數(shù)的75.7%；風(fēng)速為2～4 m/s的占總霾日數(shù)的24.3%；而當(dāng)日平均風(fēng)速>4 m/s時(shí)，霾日則不會(huì)產(chǎn)生。說(shuō)明霾日發(fā)生時(shí)，日平均風(fēng)速一般均在2 m/s以下，較小的風(fēng)速使顆粒物不易擴(kuò)散，大量顆粒物的積聚使霾更易產(chǎn)生。

從各季節(jié)來(lái)看，在春季，霾日中風(fēng)速達(dá)2～4 m/s的天數(shù)較多，達(dá)52.9%，而其他季節(jié)霾日的日平均風(fēng)速則多集中在0～2 m/s，說(shuō)明春季霾日可能更多是受到外部影響，由于顆粒物從周邊地區(qū)長(zhǎng)途輸送導(dǎo)致霾日的產(chǎn)生；而其他季節(jié)的霾日更多的是受到當(dāng)?shù)氐挠绊憽?/p>

2.3.3

PM特征。

在107 d霾日中，PM2.5/PM10超過(guò)0.5的天數(shù)有97 d，占總數(shù)的90.7%，說(shuō)明大部分霾日中，細(xì)顆粒物在總顆粒物中所占比重很大，起到了很重要的作用。

進(jìn)一步對(duì)107 d霾日每日各小時(shí)的超標(biāo)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，仍以能見(jiàn)度<10 000 m和PM2.5值<0.037 5 mg/m3為標(biāo)準(zhǔn)，從各小時(shí)超標(biāo)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到，在07：00～09：00和18：00～20：00有2個(gè)小高峰，分別對(duì)應(yīng)上下班高峰，說(shuō)明上海霾日的產(chǎn)生與汽車尾氣排放有一定的聯(lián)系。

3 小結(jié)

（1）上海霾發(fā)生時(shí)多盛行由內(nèi)陸而來(lái)的西南和西北氣流；且各季有所不同，夏季以西南氣流為主、春季比較平均，秋、冬季節(jié)則以西北氣流為主。

（2）較高的相對(duì)濕度、較小的風(fēng)速有利于上海霾的形成。

（3）上海霾的發(fā)生受到當(dāng)?shù)睾屯獠枯斔蛢煞矫嬗绊?，其中以?dāng)?shù)赜绊憺橹鳌?/p>

（4）上海霾發(fā)生時(shí)PM2.5/PM10的比值多大于0.5，而從每天的小時(shí)濃度變化情況來(lái)看，上海霾日在早晚高峰出現(xiàn)小時(shí)濃度的峰值，說(shuō)明上海霾日可能與機(jī)動(dòng)車尾氣排放有比較密切的關(guān)系。

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