肇慶灰霾和環(huán)境氣象條件的分析

劉謙，郭媚媚，陳國(guó)貞，麥冠華，周義昌，翁佳烽，李文輝

（1．肇慶市氣象局，廣東肇慶 526060；2．高要區(qū)氣象局，廣東高要 526100）

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肇慶灰霾和環(huán)境氣象條件的分析

劉謙1，郭媚媚1，陳國(guó)貞1，麥冠華2，周義昌1，翁佳烽1，李文輝1

（1．肇慶市氣象局，廣東肇慶 526060；2．高要區(qū)氣象局，廣東高要 526100）

摘 要：利用1854-2013年肇慶市高要測(cè)站灰霾日數(shù)資料，統(tǒng)計(jì)分析了灰霾的氣候變化特征，使用M - K法和累積距平曲線分析了灰霾日數(shù)的趨勢(shì)變化和突變特征。結(jié)果表明：肇慶年灰霾日數(shù)總體呈顯著的增加趨勢(shì)；12和4月灰霾最多，7和8月最少；高要、四會(huì)、廣寧的灰霾總體比其他臺(tái)站要嚴(yán)重，封開(kāi)處于全市最低水平；M - K檢驗(yàn)和累積距平曲線表明20世紀(jì)80年代以來(lái)，特別是2000年以后灰霾日數(shù)顯著增加，灰霾天氣發(fā)展趨勢(shì)歷經(jīng)了3個(gè)階段，第3階段從2003年開(kāi)始，與2002年是氣候突變年的結(jié)論相吻合；肇慶2012—2013年逐月灰霾日數(shù)與平均能見(jiàn)度、風(fēng)速的變化趨勢(shì)相反，與PM2．5質(zhì)量濃度相同；冬春季節(jié)肇慶地面常為冷高壓脊控制，風(fēng)速較小，低層大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于空氣中污染物的擴(kuò)散和稀釋?zhuān)菀自斐煽諝馕廴尽?/p>

關(guān)鍵詞：應(yīng)用氣象；灰霾；肇慶

稿日期：2015 -08 -06

劉謙，郭媚媚，陳國(guó)貞，等．肇慶灰霾和環(huán)境氣象條件的分析［J］．廣東氣象，2016，38（3）：41 -44．

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 km的空氣普遍混濁現(xiàn)象［1］。我國(guó)部分地區(qū)也將對(duì)人類(lèi)活動(dòng)顯著影響的霾稱(chēng)為灰霾。灰霾天氣使能見(jiàn)度降低，容易引起交通事故。形成灰霾天氣的有毒、有害顆粒物散布在空氣中，對(duì)人類(lèi)和生態(tài)系統(tǒng)會(huì)造成不同程度的危害，如引發(fā)呼吸道等疾病，影響身體健康；妨礙植物的呼吸和光合作用，造成農(nóng)作物減產(chǎn)、綠地生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)受阻［2 -3］。因此，對(duì)灰霾天氣的研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注［4 -7］。近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)珠三角空氣污染氣象條件和典型天氣背景［8 -10］進(jìn)行了分析，得出了很多有意義的研究成果，如范紹佳等［11］建立了反映珠江三角洲大氣邊界層一般機(jī)理的大氣邊界層概念模型，解釋了環(huán)境空氣質(zhì)量變化的原因。近年來(lái)，肇慶城市化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，灰霾天氣出現(xiàn)有上升的趨勢(shì)，因此研究肇慶灰霾天氣很有必要。

1　資料和方法

本研究選取肇慶市各氣象觀測(cè)臺(tái)站1854—2013年灰霾日數(shù)、能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等地面資料和肇慶市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站提供的肇慶2012—2013年P(guān)M2．5質(zhì)量濃度、AQI資料。一天當(dāng)中任何時(shí)候能見(jiàn)度（人工觀測(cè)）＜10 km，排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙，相對(duì)濕度＜80%時(shí)，判識(shí)為霾，計(jì)1個(gè)霾日。相對(duì)濕度80%～85%時(shí)，按照地面氣象觀測(cè)規(guī)范規(guī)定的描述或大氣成分指標(biāo)進(jìn)一步判識(shí)。

2　灰霾的氣候特征

2．1年變化

高要年灰霾日數(shù)總體呈顯著的增加趨勢(shì)，增加速率為2．2 d/年，并有明顯的階段性變化（圖1）。

圖1 1954-2013年高要年灰霾日數(shù)

1854—1885年，灰霾日數(shù)很少，年平均僅2．8 d。20世紀(jì)80年代開(kāi)始，灰霾日數(shù)從早期1883年以前的不到10 d猛增至到最近10年（2004—2013年）的108．8 d，增加達(dá)8倍多。

2．2月和季節(jié)變化

統(tǒng)計(jì)1854—2013年肇慶市的逐月灰霾日數(shù)，可知高要站12月份的灰霾日最多，達(dá)到16．2 d，其次是4月15．5 d，2月14．3 d，最少的月份為7和8月，分別是3．2和5．7 d。冬季12—2月出現(xiàn)灰霾最多，占全年的32．8%；春季3—5月略少，為30．8%；夏季6—8月最少，只占11．7%。

2．3空間分布

由圖2可見(jiàn)，2007—2012年高要、四會(huì)、廣寧的灰霾總體比其他臺(tái)站要嚴(yán)重。

圖2 2007-2012年肇慶各站逐年灰霾日數(shù)

德慶的灰霾日數(shù)呈逐年下降趨勢(shì)，從2007年高達(dá)187 d降到了2011年全市最低的水平48 d。廣寧除了2007年灰霾日數(shù)比德慶少、2012年比四會(huì)、高要少外，其余年份都處于全市最高的水平，在156～165 d之間。位于肇慶東部的廣寧灰霾情況比其他臺(tái)站嚴(yán)重的原因是雙轉(zhuǎn)移工業(yè)、廠房建的比較多。封開(kāi)地處肇慶西部，灰霾日數(shù)一直位于全市最低水平。

2．4趨勢(shì)和突變分析

Mann - Kendall（M - K）法秩次相關(guān)檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)［12］。采用M - K檢驗(yàn)法，對(duì)高要1854—2013年逐年灰霾日數(shù)序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，繪出UF和UB曲線圖，并給出臨界值為U0．05=±1．86（圖略）。由圖可見(jiàn)，1854—1855、1857—1876、1882—1885年UF值＜0，灰霾日數(shù)呈下降趨勢(shì)；而在1855—1856、1877—1881、1886—2013年UF值＞0，灰霾日數(shù)呈上升趨勢(shì)。其中1858—1865年UF值低于信度線下邊界，顯著減少。1882—2013年UF值高于信度線上邊界，顯著增加。UF和UB曲線在1887年存在明顯交點(diǎn)，但交點(diǎn)在臨界線外。

當(dāng)交點(diǎn)出現(xiàn)在臨界線外，用累積距平曲線判斷變化趨勢(shì)，確定突變點(diǎn)（圖3）。當(dāng)累積距平曲線呈上升趨勢(shì)，表示距平值增加，即上升趨勢(shì)，否則為下降趨勢(shì)。當(dāng)累積距平絕對(duì)值達(dá)最大時(shí)，則所對(duì)應(yīng)年份是轉(zhuǎn)折年份。若轉(zhuǎn)折年份前后兩階段要素的信噪比＞1時(shí)，可認(rèn)為該要素在這個(gè)年份存在氣候突變，否則突變不顯著，只能作為氣候轉(zhuǎn)折年份［13］。由累積距平曲線可見(jiàn)，灰霾日數(shù)在20世紀(jì)80年代之前維持負(fù)距平，2000年以后顯著增加。累積距平曲線的絕對(duì)值最大值在2002年前后。這次轉(zhuǎn)折是灰霾日數(shù)從偏少期轉(zhuǎn)為偏多期，至今仍在持續(xù)。計(jì)算轉(zhuǎn)折年份的信噪比為2．35，可以認(rèn)為2002年是氣候突變年。

圖3 1954-2013年高要灰霾日數(shù)距平累加時(shí)間變化曲線

吳兌等［14］、夏冬等［15］曾分析過(guò)廣州、東莞近50年灰霾的變化趨勢(shì)，認(rèn)為廣州、東莞灰霾天氣的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段。肇慶、廣州、東莞同處珠江三角洲，且肇慶與廣州相鄰，灰霾的發(fā)展趨勢(shì)與廣州、東莞相似，也歷經(jīng)了3個(gè)階段。第1個(gè)階段為1880年代初—1880年代后期，高要撤縣設(shè)市，工業(yè)化進(jìn)程加快，粉塵排放增多，灰霾日數(shù)出現(xiàn)小幅上升，但年平均不到5 d；第2階段為1880年代初—2002年，肇慶經(jīng)濟(jì)發(fā)展起步，但總體工業(yè)發(fā)展水平相對(duì)較低，灰霾日數(shù)年平均已增至接近20 d；第3階段為2003年至今，在珠三角經(jīng)濟(jì)圈的帶動(dòng)下，肇慶的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染加重，承接了一批從珠三角轉(zhuǎn)移的陶瓷企業(yè)，粉塵排放大量增加，灰霾日數(shù)急劇增加，年平均高達(dá)102 d。第3階段從2003年開(kāi)始，與2002年是氣候突變年的結(jié)論相吻合。

3　灰霾的氣象條件分析

統(tǒng)計(jì)可知，2012—2013年肇慶灰霾日數(shù)總體呈現(xiàn)為春季（3—5月）＞冬季（12—2月）＞秋季（8—11月）＞夏季（6—8月）的特征。圖4顯示，肇慶逐月灰霾日數(shù)與月平均能見(jiàn)度、風(fēng)速的變化趨勢(shì)呈反相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為- 0．7和-0．4，與PM2．5質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0．8。春季風(fēng)速為4季中的最小值1．6 m/ s，PM2．5質(zhì)量濃度最大，達(dá)55 μg/ m3；冬季雨量最少，為182．7 mm，相對(duì)濕度73%，僅次于秋季；夏季雨量最多，為727．4 mm，風(fēng)速最大，為1．8 m/ s，PM2．5質(zhì)量濃度最小，為24 μg/ m3。

吳祖常等［16］認(rèn)為多數(shù)內(nèi)陸地區(qū)的大氣混合層高度最低值出現(xiàn)在冬季，而最高值出現(xiàn)在夏季。分析清遠(yuǎn)觀測(cè)站（距離肇慶約100 km）2012—2013年每天08：00和20：00的t - logp圖資料，發(fā)現(xiàn)冬季大氣中低層存在逆溫層的概率高達(dá)85．3%（345/362）。逆溫層主要集中在850～1 000 hPa。夏季逆溫層出現(xiàn)概率最低，僅為25．3%?？梢?jiàn)，冬春2季混合層高度較低、大氣層結(jié)較穩(wěn)定、風(fēng)速偏小、空氣干燥、上空存在逆溫層，與大氣顆粒物難以擴(kuò)散稀釋有關(guān)。而夏季雨水豐沛，而且地表溫度高、對(duì)流旺盛，大氣層結(jié)常處于強(qiáng)烈的不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，夏季灰霾出現(xiàn)最少。

圖4 2012—2013年高要逐月灰霾日數(shù)、PM2．5質(zhì)量濃度及各氣象要素的分布

4　個(gè)例分析

在冬季，首要污染物絕大多數(shù)是PM2．5，可以用AQI指數(shù)代表灰霾的嚴(yán)重程度。2013年12月上半月肇慶持續(xù)出現(xiàn)明顯的霧霾天氣（圖5）。

圖5 2013年12月1—17日肇慶AQI變化

從圖中可見(jiàn)，12月4—14日，高要和肇慶城區(qū)持續(xù)出現(xiàn)11 d的中度灰霾天氣，能見(jiàn)度3～5 km，其中12月14日出現(xiàn)重度灰霾天氣，20：00高要觀測(cè)站測(cè)得最低能見(jiàn)度830 m。該時(shí)段是肇慶2013年冬季最為嚴(yán)重的空氣污染時(shí)期之一（圖5）。4日AQI值達(dá)到124，屬于輕度污染，8日達(dá)到了中度污染，11日達(dá)到峰值216，屬5級(jí)重度污染，直至15日才下降到輕度污染限值100以下，區(qū)域空氣污染結(jié)束。

該次空氣重污染時(shí)期的天氣形勢(shì)屬于高壓底部型（圖略）。冷高壓中心位于內(nèi)蒙古地區(qū)，冷空氣影響廣東并南移出海，華南地區(qū)等壓線較為平直均勻，肇慶位于高壓底部，地面氣壓場(chǎng)較弱，主要受弱的東北偏北風(fēng)影響，風(fēng)速較小，在1～2 m/ s（圖6），垂直方向上逆溫厚度較大（圖略），強(qiáng)度較強(qiáng)，不容易被破壞，低層大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于空氣中污染物的擴(kuò)散和稀釋?zhuān)值氐南鲁翚饬鲗?dǎo)致的污染物向低層輸送并大量累積，造成空氣污染。

圖6 重空氣污染時(shí)期的氣象要素變化

5　結(jié)論

1）肇慶年灰霾日數(shù)總體呈顯著增加趨勢(shì)，2000年以后迅速增長(zhǎng)。

2）肇慶12和4月灰霾最多，7和8月最少。高要、四會(huì)、廣寧的灰霾總體比其他臺(tái)站要嚴(yán)重，封開(kāi)處于全市最低水平。

3）M - K檢驗(yàn)表明20世紀(jì)80年代以來(lái)，灰霾日數(shù)顯著增加；累積距平曲線顯示，2000年以后灰霾日數(shù)顯著增加，2002年是氣候突變年。肇慶灰霾天氣發(fā)展趨勢(shì)歷經(jīng)了3個(gè)階段，第3階段從2003年開(kāi)始，與2002年是氣候突變年的結(jié)論相吻合。

4）肇慶2012—2013年逐月灰霾日數(shù)與月平均能見(jiàn)度、風(fēng)速的變化趨勢(shì)相反，與PM2．5質(zhì)量濃度相同。

5）冬春季節(jié)肇慶市地面常為冷高壓脊控制，風(fēng)速較小，低層大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于空氣中污染物的擴(kuò)散和稀釋?zhuān)菀自斐煽諝馕廴尽?/p>

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中圖分類(lèi)號(hào)：P48

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10．3868/ j．issn．1007 -6180．2016．03．010

基金項(xiàng)目：廣東省肇慶市氣象局氣象科技項(xiàng)目《肇慶市環(huán)境氣象條件分析》（201303）

作者簡(jiǎn)介：劉謙（1868年生），男，工程師，學(xué)士，主要從事氣象業(yè)務(wù)管理、預(yù)報(bào)服務(wù)工作。E - mail：13802361470＠138．com