上海的霧霾天氣特征及影響因素

錢(qián)佳麗 朱昊辰 賀文智 黃菊文 徐竟成 李光明

同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

1 引言

近年來(lái)，霧霾天氣在全國(guó)范圍內(nèi)大量爆發(fā)，尤其是在長(zhǎng)三角、珠三角和京津冀地區(qū)增加非常明顯，其中以上海為代表的中心城市污染程度最為顯著，根據(jù)上海市氣象局初步統(tǒng)計(jì)，上海地區(qū)年均霧霾日已超過(guò)200天。霧、霾都屬于懸浮在近地面大氣層中經(jīng)常發(fā)生的一種視程障礙現(xiàn)象，《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中定義，霧是指大量微小水滴浮游空中，使水平能見(jiàn)度小于1.0 km的天氣現(xiàn)象；霾是大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10.0 km，造成空氣普遍渾濁的天氣現(xiàn)象[1]。在自然界，霧和霾可以相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)相對(duì)濕度增加超過(guò)100%時(shí)，霾微粒吸附析出的液態(tài)水成為霧滴；當(dāng)相對(duì)濕度降低時(shí)，霧滴脫水成為霾微粒懸浮在大氣中[2]。實(shí)際觀測(cè)中，各專(zhuān)家學(xué)者對(duì)霧和霾的判定方式不盡相同，在本文中，將霧霾作為一個(gè)整體進(jìn)行分析與探討。

頻繁發(fā)生的霧霾天氣不僅會(huì)影響大氣能見(jiàn)度，同時(shí)霧霾天氣中大量的細(xì)顆粒物（PM 2.5）對(duì)人類(lèi)健康有著重要的影響。研究表明，隨著人體吸入的PM 2.5濃度的提高，可能導(dǎo)致各種呼吸道疾病和心臟疾病，另外由于PM 2.5表面含有多種有機(jī)污染物，會(huì)對(duì)人體有嚴(yán)重的致癌作用，這使人們對(duì)霧霾和PM 2.5的關(guān)注度越來(lái)越高。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們針對(duì)霧霾天氣以及PM 2.5在各地區(qū)開(kāi)展了大量的研究工作，張小紅等利用1970-2012年間長(zhǎng)沙地區(qū)地區(qū)氣象觀測(cè)資料及環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了這43年間長(zhǎng)沙地區(qū)霧霾特征及影響因子[3]；尹承美等利用1961-2013年濟(jì)南市6個(gè)地面氣象觀測(cè)站的氣象觀測(cè)資料，分析了濟(jì)南市霧霾特征[4]；胡琳等利用西安氣象站建站以來(lái)的天氣現(xiàn)象資料，分析了西安地區(qū)霾天氣特征及影響因素[5];趙秀娟等利用北京城區(qū)和郊區(qū)2011年P(guān)M 2.5質(zhì)量濃度等觀測(cè)資料研究了北京秋季霧霾天PM 2.5污染特征[6]。

此外，也有一些研究針對(duì)上海市或包括上海市的某個(gè)特定區(qū)域，如胡亞旦等利用1961-2007年全國(guó)721個(gè)氣象站的霾天氣觀測(cè)資料，分析了中國(guó)大陸地區(qū)霾天氣的時(shí)空分布特征，指出上海在這47年間平均霾天氣年總?cè)諗?shù)為58 d[7]；史軍等基于華東449個(gè)氣象站點(diǎn)1961-2007年的霧、霾、氣溫等數(shù)據(jù)，分析了華東霧和霾日數(shù)的變化特征及成因[8]；靳利梅等利用上海11個(gè)氣象站點(diǎn)1951-2007年期間霧日和霾日統(tǒng)計(jì)資料，分析了上海霧和霾日的氣候特征及變化規(guī)律。然而，涉及上海市霧霾天氣變化的研究多集中在1961-2007期間，但對(duì)近幾年上海市霧霾天氣變化研究較少。

本文首先對(duì)上海市長(zhǎng)期以來(lái)霧霾天氣年際變化情況及影響因素進(jìn)行總結(jié)和分析，在此基礎(chǔ)上利用上海市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)（http://www.semc.gov.cn/aqi/home/index.aspx）和美領(lǐng)館空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（http://www.stateair.net/web/post/1/4.html）公布的近年來(lái)上海市PM 2.5數(shù)據(jù)以及上海市歷史天氣數(shù)據(jù)（http://tianqi.2345.com/wea_history/58362.htm）對(duì)PM 2.5變化趨勢(shì)及相關(guān)影響因素進(jìn)行分析，從PM 2.5的角度直觀反映近幾年上海市霧霾天氣，從而為未來(lái)上海市霧霾天氣預(yù)測(cè)及霧霾污染防治提供一定依據(jù)。

2 上海霧霾天氣特征

2.1 上海霧霾天氣年代際變化及影響因素

研究表明[7-9,10]，1961-2007年期間上海市霧日數(shù)除在崇明和青浦分別以3.7 d/10a和2.1 d/10a的線性趨勢(shì)增加外，其他區(qū)、縣都減少，而霾日數(shù)在所有區(qū)縣都呈增加趨勢(shì)，以十年作為一個(gè)時(shí)間段，這時(shí)期上海多年平均年總霧和霾日數(shù)變化情況如圖1所示。

上海市多年平均霧日數(shù)由1961-1970年間的36.8d/a減少為2001-2007年間的19.3d/a，平均霧日數(shù)幾乎降低了一半，降幅為3.5d/10a。霧日數(shù)的減少往往與冬季最低溫度的升高以及相對(duì)濕度的減小有關(guān)[11]。1961-2007年間上海市增溫顯著，同時(shí)平均溫度露點(diǎn)差增加(露點(diǎn)溫度指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí)的溫度）[9]，表明上海市天氣呈現(xiàn)出變暖變干的趨勢(shì)。另外，研究表明，霧日數(shù)的減少與城市化和城市下墊面的改變有聯(lián)系[10]，這期間，上海市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市化進(jìn)程遙遙領(lǐng)先，高樓大廈崛地而起，城市下墊面性質(zhì)有了很大的改變，改變了自然的輻射平衡和水汽平衡，城市熱島效應(yīng)加強(qiáng)，對(duì)霧的形成起了一定的抑制作用。

在霧日數(shù)減少的同時(shí)，上海市霾日數(shù)增加速度非?？?，其中1991-2000年間平均霾日數(shù)較前一個(gè)時(shí)期有降低趨勢(shì)，但隨后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，又迅速增加，并達(dá)到峰值。整體上來(lái)看，上海市平均霾日數(shù)從1961-1970年期間的7.7d/a到2001-2007年期間的141d/a，增加了17倍，增幅約為26d/10a。霾日數(shù)的增加往往與平均風(fēng)速的減小以及人類(lèi)活動(dòng)排放的大氣污染物增加有聯(lián)系[12]。上海市的快速發(fā)展，使煤炭等主要能源的消耗增多，隨之產(chǎn)生的廢氣量增加，同時(shí)機(jī)動(dòng)車(chē)輛的猛增使得汽車(chē)尾氣的排放也成為一大主要污染排放源，大氣中懸浮顆粒物增加迅猛，導(dǎo)致霾日的出現(xiàn)越來(lái)越頻繁。

圖1 上海市多年平均霧和霾日數(shù)

2.2 上海市PM 2.5濃度變化及影響因素分析

《上海市環(huán)境狀況公報(bào)2013》[25]中指出，上海市2013年全年124個(gè)污染日中，首要污染物為PM 2.5的有87天，占70.2%，其年日均值為62μg/m3，超出《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)27μg/m3。在2012年底到2013年上半年，上海市霧霾天氣中，PM 2.5的日平均濃度長(zhǎng)時(shí)間高達(dá)250μg/m3以上?，F(xiàn)在利用2008年以來(lái)上海市PM 2.5的年平均質(zhì)量濃度及月平均質(zhì)量濃度等數(shù)據(jù)，對(duì)近年來(lái)上海市PM 2.5變化進(jìn)行分析。

（1）年平均質(zhì)量濃度變化及其影響因素

上海市2005年啟動(dòng)PM 2.5試點(diǎn)監(jiān)測(cè)，目前設(shè)有普陀、虹口、徐匯上師大、楊浦四漂等九個(gè)國(guó)控評(píng)價(jià)點(diǎn)以及青浦淀山湖的一個(gè)清潔對(duì)照點(diǎn)?？貉嚆慬13]等采用上海市城市環(huán)境氣象中心2008年-2012年連續(xù)觀測(cè)的PM 2.5小時(shí)資料，對(duì)上海市環(huán)境空氣PM 2.5變化特征做了簡(jiǎn)要分析，本文利用其文獻(xiàn)中提及的2008-2012年P(guān)M 2.5年平均值以及相關(guān)網(wǎng)站上[19,20]公布的2012年1月1日至2014年12月31日期間的歷史有效PM 2.5值，得到2008年以來(lái)PM 2.5的年平均值變化情況，如圖2所示。從圖2中可以看出，上海市PM 2.5年平均質(zhì)量濃度在2008-2011年期間呈下降趨勢(shì)，2012-2013年呈上升趨勢(shì)，其中2013年漲幅明顯，這也與2013年上海遭遇長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)霧霾天氣相一致，2014年又有所回落。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）中規(guī)定PM 2.5的年均值的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限制（35 μg/m3），2008年以來(lái)，除了2011年的年均值（34 μg/m3）達(dá)標(biāo)以外，其余幾年均都不達(dá)標(biāo)。

圖2 2008-2014年上海市年均PM 2.5濃度

上海市PM 2.5來(lái)源如圖3所示，其中機(jī)動(dòng)車(chē)排放、工業(yè)排放等為主要的因素。根據(jù)上海市統(tǒng)計(jì)年鑒，可以得到2008 ～ 2014年上海市工業(yè)廢氣排放總量以及民用車(chē)輛擁有量的變化情況，如圖4。上海市工業(yè)廢氣排放總量呈現(xiàn)增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)，自2010年以來(lái)維持在13 000億標(biāo)m3左右，民用汽車(chē)擁有量成逐年增加趨勢(shì)，但兩者變化趨勢(shì)與PM 2.5年均變化趨勢(shì)相關(guān)性不明顯。

圖3 上海PM 2.5主要來(lái)源

圖4 2008～2014年上海市工業(yè)廢氣排放量及民用汽車(chē)擁有量

（2）月均質(zhì)量濃度變化及影響因素

此處利用上海市空氣至來(lái)年個(gè)實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)公布的PM 2.5日均濃度值，對(duì)2012-2014年期間的上海市PM 2.5按月進(jìn)行整理，得到PM 2.5平均質(zhì)量濃度月變化情況，如圖5。從圖中可以看出，每年P(guān)M 2.5的月均值呈先減小后增大的趨勢(shì)，其中12月、1月份的PM 2.5月均值明顯高于其他月份，介于64.41-122.18 μg/m3之間，8月份的月均值處于一年中的最低值，介于16.64-30.14 μg/m3之間，這符合霧霾天氣的季節(jié)分布基本是冬多夏少，春秋季居中的規(guī)律。上海市冬季受大陸高壓控制，大氣穩(wěn)定度大，雨量少，較為干燥，易于地層大氣中細(xì)顆粒物的富集，形成霧霾天氣；而夏季雨日多、雨量大，雨水對(duì)空氣中的灰塵等污染物起沖刷作用，并且局地對(duì)流強(qiáng)烈，不利于霧霾天氣的形成。

圖5 2012-2014年上海市月均PM 2.5濃度

如上文所述，PM 2.5平均質(zhì)量濃度季節(jié)性變化規(guī)律明顯，而季節(jié)性變化中最明顯的變化因素為氣溫和降水量，另外由于2013年冬季PM 2.5水平明顯高于其他兩年，因此以2013年上海市每月平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)為例，得到平均氣溫和降水量隨月份變化的規(guī)律，如圖6。分別對(duì)比平均氣溫和降水量月變化趨勢(shì)與2013年P(guān)M 2.5月均濃度變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，上海市PM 2.5質(zhì)量濃度變化規(guī)律與平均氣溫以及平均降水量均呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性都較為明顯，其中與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.85，與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.79，如圖7。因此，在霧霾防治過(guò)程中，不可忽視氣溫及降水量等因素的影響。

圖6 2013年上海市月平均氣溫（℃）與降水量（mm）

圖7 2013年上海市月均PM 2.5質(zhì)量濃度與月平均氣溫及降水量的相關(guān)性

（3）霧霾天氣下PM 2.5在一天中的變化

為研究霧霾天氣下PM 2.5在1 d中隨時(shí)間的變化，利用美領(lǐng)館公布的2013年12月上海市每天的PM 2.5小時(shí)濃度值，對(duì)12月期間31 d的PM 2.5值按小時(shí)進(jìn)行平均化處理，得到PM 2.5濃度月時(shí)均值的變化情況如圖8。該月上海市出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)霧霾天氣，PM 2.5時(shí)均濃度普遍偏高。從日變化情況來(lái)看，0:00～3:00點(diǎn)期間PM 2.5濃度較為穩(wěn)定，4:00開(kāi)始有明顯上升趨勢(shì)，到9:00達(dá)到峰值，隨后開(kāi)始回落，12:00出現(xiàn)一個(gè)波谷值，12:00之后的濃度較為穩(wěn)定，起伏不大，其中在14:00和19:00出現(xiàn)兩個(gè)較小的峰值。早上6:00左右隨著人類(lèi)活動(dòng)的開(kāi)始，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放使得空氣中PM 2.5含量迅速升高，9:00左右達(dá)到上班高峰時(shí)段，同時(shí)此時(shí)地面還處于溫度較低的狀態(tài)，逆溫不利于PM 2.5的擴(kuò)散，導(dǎo)致其質(zhì)量濃度達(dá)一天中的最大值。高峰期后，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放減弱，同時(shí)太陽(yáng)光照輻射增強(qiáng)，地面溫度升高，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于PM 2.5的擴(kuò)散，這也解釋了霧霾污染一般在9:00左右最為嚴(yán)重。

圖8 2013年12月PM 2.5平均每小時(shí)質(zhì)量濃度日變化情況

3 結(jié)論與建議

（1）1961-2007年間，上海市霧日數(shù)整體呈減少趨勢(shì)，降幅為3.5 d/10a，而霾日數(shù)在所有區(qū)縣都呈增加趨勢(shì)，從1961-1970年期間年均總霾日數(shù)7.7 d到1961-2007年期間年均總霾日數(shù)141 d，增加了17倍。

（2）上海市PM 2.5年平均質(zhì)量濃度在2008-2014年期間呈降-升-降的趨勢(shì)，除了2011年的年均值（34 μg/m3）達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以外，其余幾年都不達(dá)標(biāo)。另外，PM 2.5的月均值呈先減小后增大的趨勢(shì)，其中12月、1月份的PM 2.5月均值明顯高于其他月份，8月份的月均值處于一年中的最低值，符合霾天氣的季節(jié)分布基本是冬多夏少，春秋季居中的規(guī)律，這與氣溫和降水量等氣象因素有較為明顯的相關(guān)性。

（3）通過(guò)對(duì)PM 2.5的日變化研究可知，由于早高峰人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的排放以及逆溫層的存在，上海市PM 2.5質(zhì)量濃度在上午9:00左右達(dá)到峰值。

（4）在霧霾治理過(guò)程中，不僅要針對(duì)傳統(tǒng)霧霾形成機(jī)理，更應(yīng)該根據(jù)上海市霧霾天氣的特殊性，提出合理控制與預(yù)防方案。PM 2.5是霧霾形成的主要成分，控制與減少PM 2.5的排放或生成非常重要，上海市PM 2.5主要來(lái)自于工業(yè)、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放、區(qū)域相互影響、秸稈燃燒、餐飲等，因此必須從這些源頭上控制PM 2.5的源排放。其次，氣象因素在霧霾的形成過(guò)程中舉足輕重，在霧霾防治過(guò)程中，不可忽視對(duì)氣象要素的考慮。另外，在城市化進(jìn)程不斷加快的同時(shí)，盡量保護(hù)植被不被破壞，保證城市下墊面性質(zhì)不發(fā)生大的改變，從而維持上海市的輻射平衡和水汽平衡。

[1] 楊洪斌, 鄒旭東, 汪宏宇等. 大氣環(huán)境中PM 2.5的研究進(jìn)展與展望[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào), 2012, 28(3): 77-82.

[2] 亢燕銘, 王洪強(qiáng), 賀千山. 上海環(huán)境空氣PM 2.5變化特征的簡(jiǎn)要分析[J]. 綠色建筑, 2014, 1: 18-20.

[3] 張運(yùn)英, 黃菲, 杜娟, 等. 廣東霧霾天氣能見(jiàn)度時(shí)空特征分析——年際年代際變化[J]. 熱帶地理, 2009, 29(4): 324-328.

[4] 中國(guó)氣象局. 地面氣象觀測(cè)規(guī)范[M]. 北京: 氣象出版社, 2003: 21-27.

[5] 吳兌. 霾與霧的識(shí)別和資料分析處理[J]. 環(huán)境化學(xué), 2008b, 27(3):3 27-330.

[6] 何萍芬. 鄭州市大氣污染物分析及其與呼吸道感染疾病的相關(guān)性[J].中國(guó)臨床康復(fù), 2006, 10(36): 1-3.

[7] 鄧啟紅, 胡肖肖, 劉蔚巍等. 顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)傳輸與沉積數(shù)值模擬研究[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2009, 3: 008.

[8] McCreanor J, Cullinan P, Nieuwenhuijsen MJ. et.al. Respiratory Effects of Exposure to Diesel Traffic in Persons with Asthma[J]. The New England Journal of Medicine. 2007, 357: 2348-58.

[9] Pope III CA, Ezzati M. Dockery DW.et al. Fine-Particulate Air Pollution and Life Expectancy in the United States[J]. The New England Journal of Medicine. 2009, 360(3): 76-86.

[10] Lepeule J, Laden F, Dockery D, Schwartz J. Chronic Exposure to Fine Particles and Mortality: An Extended Follow-up of the Harvard Six Cities Study from 1974 to 2009[J]. Environmental Health Perspect.2012. 120: 965-970.

[11] Evans J, van Donkelaar A, Martin RV, et.al. Estimates of global mortality attributable to particulate air pollution using satellite imagery[J]. Environ Res. 2013, 120: 33-42.

[12] 張小紅, 劉煉華, 陳喜紅. 長(zhǎng)沙地區(qū)霧霾特征及影響因子分析[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2014, 8(8): 3361-3366.

[13] 尹承美, 于麗娟, 張永靖等. 濟(jì)南市霧霾特征分析[J]. 中國(guó)人口: 資源與環(huán)境, 2014, 24(11): 68-70.

[14] 胡琳, 蘇靜, 陳建文等. 西安地區(qū)霾天氣特征及影響因素分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2014, 28(7): 42-45.

[15] 趙秀娟, 蒲維維, 孟偉等. 北京地區(qū)秋季霧霾天PM2.5污染與氣溶膠光學(xué)特征分析[J]. 2013, 34(2):416-423.

[16] 胡亞旦, 周自江. 中國(guó)霾天氣的氣候特征分析[J]. 氣象, 2009,35(7): 73-78.

[17] 史軍, 崔林麗, 賀千山, 孫林. 華東霧和霾日數(shù)的變化特征及成因分析[J]. 地理學(xué)報(bào), 2010, 65(5): 533-542.

[18] 靳利梅, 史軍. 上海霧和霾日數(shù)的氣候特征及變化規(guī)律[J]. 高原氣象, 2008,27: 138-143.

[19] 上海市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng). http://www.semc.gov.cn/aqi/home/index.aspx.

[20] U.S. Quality Department of State Air Quality Monitoring Program.http://www.stateair.net/web/post/1/4.html

[21] 上海歷史天氣查詢(xún). http://tianqi.2345.com/wea_history/58362.htm.

[22] 于潤(rùn)玲, 穆海振. 上海霧的氣候變化特征及城市化對(duì)霧影響的初步研究[J]. 大氣科學(xué)研究與應(yīng)用, 2009, 1: 27-36.

[23] 劉小寧, 張洪政, 李慶祥等. 我國(guó)大霧的氣候特征及變化初步解釋[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2005, 16: 220-229.

[24] 高歌. 1961～2005 年中國(guó)霾日氣候特征及變化分析[J]. 地理學(xué)報(bào),63: 762-768.

[25] 2013 上海市環(huán)境公報(bào). http://www.envir.gov.cn/law/bulletin/2013/.

[26] 張襦心. 北京霧霾與上海霧霾的區(qū)別在于銅鍋涮肉與貓屎咖啡[J].新民周刊, 2013, 48: 37-39.

[27] 上海統(tǒng)計(jì)年鑒 2014. http://www.stats-sh.gov.cn/data/toTjnj.xhtml?y=2014.