中山市2000~2014年霾天氣特征及氣象影響因子

李穎敏,鄧雪嬌,鄧 濤,勞釗明,夏冠聰

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中山市2000~2014年霾天氣特征及氣象影響因子

李穎敏1,鄧雪嬌2*,鄧 濤2,勞釗明1,夏冠聰1

(1.中山市氣象局,廣東 中山 528400；2.中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510080)

利用中山市2000~2014年氣象資料及2013~2014年環(huán)境監(jiān)測(cè)站資料,分析中山市霾特征及氣象影響因子,結(jié)果表明,中山市霾日數(shù)年際變化明顯,最少為11d,出現(xiàn)在2005年;最多為134d,出現(xiàn)在2008年.霾天氣主要發(fā)生在秋冬季節(jié),霾日數(shù)最多的月份是1月,平均為10.5d.霾日PM2.5的平均濃度是非霾日的2.26倍,PM2.5是霾天氣的重要污染物.中山市霾日典型天氣形勢(shì)有7種:大陸高壓型、海上高壓型、均壓場(chǎng)型、冷鋒前部型、臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流型、槽前脊后型、低壓槽型.其中以大陸高壓型占比例最高,為52.03%,冷鋒前部型造成的能見度最低.氣流軌跡聚類分析表明,影響中山的氣流軌跡有7類,主要來源于東北方向的大陸和偏東方向的沿海;在東北方向氣流軌跡影響下,污染物濃度較高;在東部沿海的氣流軌跡下,能見度較低,表明中山市的霾天氣受區(qū)域傳輸影響顯著.

霾特征；大氣污染物；天氣形勢(shì)；氣流軌跡

珠江三角洲區(qū)域性的空氣污染日益嚴(yán)重[1-2],污染物的排放以及城市間的相互傳輸是珠三角區(qū)域污染的重要原因[3-8].氣象條件對(duì)污染物濃度存在顯著的影響,區(qū)域霾天氣與區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)靜小風(fēng)與無明顯降水密切相關(guān),在東北氣流和沿海氣團(tuán)的影響下,容易形成珠三角高濃度的污染過程[9-20].珠三角城市群的發(fā)展對(duì)邊界層大氣輸送與擴(kuò)散條件影響很大,局地環(huán)流特征明顯,使污染物更易集中在城市群區(qū)域內(nèi)[21-24].近10年來,珠三角的大氣能見度與霾研究逐漸得到加強(qiáng),提出了霾與霧區(qū)別的討論[25],分析了能見度的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)[26-27],開展了有關(guān)珠三角氣溶膠的細(xì)粒子特征、能見度光學(xué)特性與閉合實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)研究,分析了氣溶膠的散射性、吸收性與吸濕性特征,以及PM1細(xì)粒子的消光貢獻(xiàn),從多方面研究了能見度的影響因子[28-32].由于能見度的影響因子十分復(fù)雜,能見度的高低受氣溶膠的成分譜、粒子譜特性的影響,能見度的時(shí)空演變特征與霾過程的生消和天氣形勢(shì)與氣象條件關(guān)系十分密切.以往的研究多關(guān)注珠三角大都市(如廣州和香港)的能見度與污染變化特征,對(duì)地市縣區(qū)域,特別是相關(guān)聯(lián)的影響天氣形勢(shì)仍缺乏系統(tǒng)深入的分析.目前,精細(xì)化空氣質(zhì)量與霾天氣預(yù)報(bào)預(yù)警以及區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控的推進(jìn)對(duì)相關(guān)區(qū)域精細(xì)高分辨的污染分析研究提出了迫切的需求.

中山市是廣東省經(jīng)濟(jì)總量名列前茅的地級(jí)市,位于珠江三角洲中部偏南的西、北江下游出海處,北接廣州市番禺區(qū)和佛山市順德區(qū),西鄰江門市區(qū)、新會(huì)區(qū)和珠海市斗門區(qū),東南連珠海市,東隔珠江口伶仃洋與深圳市和香港特別行政區(qū)相望,具有重要的地理與經(jīng)濟(jì)地位.本文根據(jù)2000~2014年中山市霾資料,分析中山市霾天氣的變化特征;利用2013~2014年中山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站資料,分析霾天氣時(shí)相應(yīng)的污染物特征;重點(diǎn)分析霾天氣的影響天氣型、氣流軌跡等的氣象影響因子.

1 資料來源和處理

氣象資料為2000~2014年中山市紫馬嶺國(guó)家地面觀測(cè)站數(shù)據(jù),以及NCEP/NCAR的再分析資料.

大氣污染物資料為2013~2014年中山市紫馬嶺環(huán)境監(jiān)測(cè)站資料,包括SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3.

霾日標(biāo)準(zhǔn):日平均能見度<10km且日平均相對(duì)濕度￡90%,同時(shí)剔除中雨以上級(jí)別降水(日雨量310mm).

后向軌跡聚類分析利用了美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)HYSPLIT4模式.

2 結(jié)果分析

2.1 中山市霾特征分析

由圖1可見,中山市霾天氣年際變化明顯,最小值為11d,出現(xiàn)在2005年;最大值為134d,出現(xiàn)在2008年.2000~2006年中山市霾日數(shù)較少,均在40d以下;2007年霾日數(shù)急劇增加,增加到107d,2007~2011年中山市霾日數(shù)均在100d以上;2010~2014年霾日數(shù)呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì).

經(jīng)統(tǒng)計(jì),中山市74%霾天氣發(fā)生在秋冬季節(jié),夏季霾天氣相對(duì)較少.由圖2可見,中山市霾日數(shù)年變化明顯,霾日數(shù)最多的月份是1月,平均為10.5d,2月霾日數(shù)有所減少,3月霾日數(shù)增多,之后逐月減少,到7月霾日數(shù)最少,平均為0.2d,之后霾日數(shù)逐月增多.

利用2013~2014年紫馬嶺環(huán)境監(jiān)測(cè)站資料,得出中山市霾日與非霾日大氣污染物濃度,如表1所示.霾日PM2.5的平均濃度為79.01mg/m3,是非霾日的2.26倍;霾日PM10的平均濃度為102.63mg/m3,是非霾日的2.03倍.非霾日PM2.5平均濃度占PM10平均濃度的69%,霾日PM2.5平均濃度占PM10平均濃度的77%.霾日NO2的濃度是非霾日的1.98倍.由此可見,PM2.5、PM10和NO2是霾天氣的重要污染物.

霾日O3平均濃度是非霾日的1.04倍,說明霾日硫化物、氮化物等發(fā)生化學(xué)反應(yīng),當(dāng)SO2和NO2濃度增加時(shí),霾日與非霾日O3濃度差異不明顯.

表1 霾日與非霾日大氣污染物濃度對(duì)比Table 1 Comparison of pollutant concentration between haze days and non-haze days

注:O3以日最大值進(jìn)行計(jì)算.

2.2 氣象條件對(duì)霾的影響

2.2.1 霾日典型天氣形勢(shì) 利用2000~2014年氣象資料,分析中山市霾日天氣形勢(shì),總結(jié)出7種主要天氣形勢(shì):大陸高壓型、海上高壓型、均壓場(chǎng)型、冷鋒前部型、臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流型、槽前脊后型、低壓槽型.

由表2可見,中山市霾日天氣型以大陸高壓型比例最高,占52.03%,其次是海上高壓型,占19.59%,再其次是均壓場(chǎng)型,占16.55%,這3種天氣型總共占了88.18%;低壓槽型所占的比例最低,為1.80%.從平均能見度可見,冷鋒前部型造成的能見度最低,為6.41km,其對(duì)應(yīng)的最大風(fēng)向頻率為靜風(fēng),平均風(fēng)速最小,為1.28m/s,靜小風(fēng)條件下容易造成嚴(yán)重霾天氣.能見度第2低值的天氣型為槽前脊后型,為6.69km,其對(duì)應(yīng)的最大風(fēng)向頻率為東南偏南風(fēng),平均風(fēng)速為1.80m/s,該種天氣形勢(shì)下中山的相對(duì)濕度一般較高,由于氣溶膠吸濕增長(zhǎng)效應(yīng)容易使能見度下降.

表2 7種霾天氣形勢(shì)及氣象要素的比較Table 2 Comparison of synoptic patterns and meteorological parameters

大陸高壓型,如圖3(a)所示.這種天氣類型多發(fā)生于秋、冬、春冷空氣比較活躍的季節(jié),主要是中國(guó)大陸受內(nèi)蒙古或青藏高原的冷高壓控制,冷空氣南下影響后,中山市受高壓系統(tǒng)控制,低空風(fēng)速較小.此類天氣形勢(shì)下,地面主要是偏北風(fēng),同時(shí)氣壓梯度和風(fēng)速也不大,平均風(fēng)速為1.61m/s,有利于污染物從北面輸送到中山并累積,所造成的霾天氣持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),最長(zhǎng)可造成中山連續(xù)8d出現(xiàn)霾天氣.

海上高壓型,如圖3(b)所示.這類天氣形勢(shì)主要包括2種天氣過程:一是發(fā)生于秋、冬、春冷空氣比較活躍的季節(jié),南下的大陸冷高壓主體東移出海變性,高壓中心位于海上,珠江三角洲地區(qū)處于變性高壓脊控制之下,低空主要為偏東風(fēng);二是夏季西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)西伸,脊線伸展到珠江三角洲地區(qū),低空通常為反氣旋性下沉氣流.經(jīng)統(tǒng)計(jì),95%的霾天氣屬于第1種天氣過程,5%屬于第2種天氣過程.該類型造成的霾天氣,發(fā)生在3月的頻率最高.在高壓脊的控制下,地面主要是東北風(fēng),平均風(fēng)速為1.49m/s,容易造成污染物輸送并累積,最長(zhǎng)可造成中山連續(xù)5d出現(xiàn)霾天氣.

均壓場(chǎng)型,如圖3(c)所示.這類天氣形勢(shì)主要是珠江三角洲沒有明顯天氣系統(tǒng)影響,低空風(fēng)場(chǎng)也較弱,大氣層結(jié)穩(wěn)定.地面主要以靜小風(fēng)為主,污染物不易擴(kuò)散,經(jīng)統(tǒng)計(jì),靜風(fēng)頻率為14.3%,平均風(fēng)速1.31m/s.此類型可發(fā)生在一年四季,其造成的霾天氣,發(fā)生在10月的頻率最高,其次是4月,即發(fā)生在過渡季節(jié)的概率相對(duì)較高,若沒有其他天氣系統(tǒng)影響,可一直持續(xù),最長(zhǎng)可造成中山連續(xù)5d出現(xiàn)霾天氣.

冷鋒前部型,如圖3(d)所示.這類天氣形勢(shì)多發(fā)生在秋、冬、春冷空氣比較活躍的季節(jié),當(dāng)冷鋒或靜止鋒位于南嶺或粵北時(shí),此時(shí)低空廣東以北地區(qū)為偏北風(fēng),廣東南部為弱南風(fēng),偏南暖濕氣流爬升,容易在珠江三角洲地區(qū)形成逆溫層.中山地面主要是靜小風(fēng),靜風(fēng)頻率為14.3%,平均風(fēng)速為1.28m/s;在這種穩(wěn)定的大氣層結(jié)下,極不利于污染物的擴(kuò)散,這種天氣形勢(shì)最容易造成低能見度事件.此天氣形勢(shì)造成的霾天氣通常為1天,但有時(shí)冷空氣移動(dòng)比較慢,在南嶺附近形成靜止鋒,也會(huì)連續(xù)2d產(chǎn)生霾.

臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流型,如圖3(e)所示.夏、秋季節(jié),中山地區(qū)經(jīng)常受到臺(tái)風(fēng)的影響,當(dāng)臺(tái)風(fēng)在特定的位置,特別是巴士海峽、南海東北部附近區(qū)域時(shí),中山常處于臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流控制區(qū),中低層均為北風(fēng)下沉氣流,大氣層結(jié)穩(wěn)定,抑制了污染物的擴(kuò)散和輸送.中山地面主要是弱的偏北風(fēng),平均風(fēng)速為1.59m/s.此類型造成的霾天氣發(fā)生在9月的頻率最高,其次是8月.此類天氣形勢(shì)造成的霾持續(xù)時(shí)間與臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度、方向等密切相關(guān),最長(zhǎng)可造成中山連續(xù)4d出現(xiàn)霾天氣.

槽前脊后型,如圖3(f)所示.此類天氣形勢(shì)多發(fā)生在冬季和春季,特別是春季,時(shí)常有低壓在西南部發(fā)展,其槽線向東伸展,位置在江南南部或粵北地區(qū),同時(shí),冷空氣主體東移出海產(chǎn)生回流,形成高壓脊,其脊線位置位于華南沿海附近,廣東沿海低層為東到東南風(fēng).在這種天氣形勢(shì)下,中山地面最大風(fēng)頻為東南偏東風(fēng),平均風(fēng)速1.80m/s.該類型造成的霾天氣發(fā)生在3月的頻率最高,此類天氣型造成的霾天氣通常持續(xù)時(shí)間為1~2d.

低壓槽型,如圖3(g)所示.此類天氣形勢(shì)多發(fā)生在春、夏、秋季節(jié),此類天氣形勢(shì)特征是,在北部灣、廣西或者粵西有低壓形成,低壓槽自西向東,影響到中山地區(qū),中山處于弱的低壓區(qū)中,低空為弱的偏南風(fēng),地面主要吹西南風(fēng),平均風(fēng)速1.90m/s.此類天氣形勢(shì)出現(xiàn)的頻率比較小,一旦低壓槽帶來降水,由于降水對(duì)污染物有沖刷作用,污染物濃度也隨之下降,所以此類天氣形勢(shì)造成的霾天氣持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng),通常是1d.

表3 2013~2014年7種霾天氣形勢(shì)的污染物濃度Table 3 Concentration of air pollutants of seven typical synoptic patterns during 2013 to 2014

注:O3以日最大值進(jìn)行計(jì)算.

以上7種天氣形勢(shì)是與中山霾密切相關(guān)的氣象場(chǎng),但天氣形勢(shì)是復(fù)雜多變的天氣系統(tǒng),在某一階段的表現(xiàn),各個(gè)天氣系統(tǒng)并不是孤立存在的,天氣系統(tǒng)總是處在不斷新生、發(fā)展和消亡過程中,既可以不斷演變、發(fā)展和交替,也可以相互結(jié)合,共同發(fā)揮作用.此外,由于天氣系統(tǒng)各自的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間不同,其貢獻(xiàn)也有所差異.

利用2013~2014年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),分析中山市霾天氣下污染物濃度特征,如表3可見,SO2、PM10、PM2.5濃度在臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流影響下濃度最高,大陸高壓型下濃度次高.NO2濃度在低壓槽下濃度最高,大陸高壓型下濃度次高.CO濃度在臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流影響下濃度最高,低壓槽型下濃度次高.O3濃度在臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流影響下濃度最高,冷鋒前部型下濃度次高;這2個(gè)天氣形勢(shì)下濃度達(dá)到200μg/m3,比其他類型下的濃度明顯偏高,這是因?yàn)榕_(tái)風(fēng)外圍下沉氣流下天氣晴朗、冷鋒前部型下廣東容易出現(xiàn)回暖晴好的天氣,形成有利于光化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)光照條件,使臭氧濃度顯著升高.總體來說,臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流型和大陸高壓型下污染物濃度較高,這2種天氣型下地面為北風(fēng),容易使中山上游的污染物輸送到本地,使污染物濃度升高.

2.2.2 霾天氣后向軌跡分析 為研究中山地區(qū)霾天氣的氣流來源,利用HYSPLIT4軌跡模式,計(jì)算中山2013~2014年霾日(共125d)逐日的48h地面氣流后向軌跡,進(jìn)行聚類分析.由圖4可見,中山霾天氣氣流軌跡主要來源于東北方向的大陸和偏東方向的沿海.東北方向的軌跡包括軌跡1、2、3,分別源于粵北、江西中部、江西南部,途徑珠江三角洲污染源城市,共占68%.偏東方向的軌跡包括軌跡4、5、6,分別源于臺(tái)灣海峽、福建沿海、浙江沿海,軌跡沿著海岸線,途徑香港、深圳,共占26%.軌跡7為短距離輸送,氣流源于廣東南部的沿海,占4%,氣流高度為100m以下.

由表4可見,軌跡1氣流下,NO2的濃度最高,軌跡2氣流下,SO2、PM10、PM2.5濃度最高,軌跡7氣流下,O3、CO濃度最高;軌跡4氣流下,能見度最低.東北氣流(軌跡1、2、3)下,途經(jīng)污染源城市,污染物濃度較高;偏東氣流(軌跡4、5、6)下,污染物濃度較低,表明中山市的霾天氣受區(qū)域傳輸影響顯著.另外,偏東氣流下由于相對(duì)濕度較高,氣溶膠吸濕增長(zhǎng)作用,導(dǎo)致能見度降低.

表4 7種氣流軌跡下能見度及污染物濃度Table 4 Visibility and pollutant concentration of 7types of airflow transport channels

注:O3以日最大值進(jìn)行計(jì)算.

3 結(jié)論

3.1 2000~2014年中山市霾日數(shù)年際變化明顯,最小值為11d,出現(xiàn)在2005年,最大值為134d,出現(xiàn)在2008年.中山市霾天氣主要發(fā)生在秋冬季節(jié),霾日數(shù)最多的月份是1月,平均為10.5d.PM2.5、PM10和NO2是霾天氣的重要污染物.

3.2 中山市霾日典型天氣形勢(shì)有7種:大陸高壓型、海上高壓型、均壓場(chǎng)型、冷鋒前部型、臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流型、槽前脊后型、低壓槽型.大陸高壓型出現(xiàn)的頻率最高,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),容易造成連續(xù)性霾天氣.冷鋒前部型下容易造成嚴(yán)重霾天氣.臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流和大陸高壓型下污染物濃度較高,臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流和冷鋒前部型下易出現(xiàn)臭氧污染.

3.3 利用聚類分析統(tǒng)計(jì)方法,得出中山霾天氣氣流軌跡有7條,主要來源于東北方向的大陸和偏東方向的沿海,分別占68%和26%.中山市的霾天氣受區(qū)域傳輸影響顯著,東北方向氣流軌跡影響下,污染物濃度較高;東部沿海的氣流軌跡下,空氣濕度升高,由于氣溶膠吸濕增長(zhǎng)作用,容易造成低能見度事件.

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* 責(zé)任作者, 研究員, dxj@grmc.gov.cn

Haze characteristics associated with meteorological factors in Zhongshan during 2000~2014

LI Ying-min1, DENG Xue-jiao2*, DENG Tao2, LAO Zhao-ming1, XIA Guan-cong1

(1.Zhongshan Meteorological Service, Zhongshan 528400, China；2.Key Laboratory of Regional Numerical Weather Prediction, Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou 510080, China)., 2016,36(6)：1638~1644

Based on meteorological data from 2000 to 2014 and environmental monitoring data from 2013 to 2014 in Zhongshan, the haze characteristics and meteorological factors were analyzed. The result showed that haze days had obvious annual variability, there were 11 haze days in 2005 and 134 days in 2008. Haze in Zhongshan mainly occurred in autumn and winter. From 2000 to 2014, the average of haze days was 10.5 days in January, which was the most frequent month of haze pollution. PM2.5was one of the most important pollutants causing haze. When haze occurred, the average concentration of PM2.5was 2.26 times higher than non-haze days. The typical synoptic patterns associated with haze over South China could be summarized into 7major categories: mainland high pressure, ridge on South China Sea, equalizing pressure, foreside of cold front, downward flow of typhoon periphery, foreside of trough or backside of ridge, and trough over South China. The type of mainland high pressure caused the most haze days, taking up by 52.03%, while the type of foreside of cold front caused the lowest visibility. By using cluster analysis, the results revealed that airflow transport channels near the ground in Zhongshan could be divided into 7types. The mainly transport channels were from the northeast China and coastal areas in the East. The northeast channels could cause high pollutant concentration, and the east channels could cause low visibility. The result demonstrated that haze in Zhongshan was noticeably affected by regional airflow transport.

haze characteristics；air pollutant；synoptic patterns；airflow transport channel

X513

A

1000-6923(2016)06-1638-07

李穎敏(1986-),女,廣東江門人,工程師,碩士,研究方向?yàn)榇髿馕锢韺W(xué)與大氣環(huán)境.發(fā)表論文2篇.

2015-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金(41475105);國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAC16B06);科技部公益性(氣象)行業(yè)項(xiàng)目(GYHY2013 06042);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A020215020);廣東省氣象局科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目201506