基于自動(dòng)觀測資料的浙江省霾日判識(shí)指標(biāo)研究*

陳懿妮 羅玲 張紀(jì)偉 趙軍平

(1.浙江省氣象臺(tái)，浙江 杭州 310017；2.浙江省氣象局，浙江 杭州 310002)

基于自動(dòng)觀測資料的浙江省霾日判識(shí)指標(biāo)研究*

陳懿妮1羅玲1張紀(jì)偉2趙軍平1

(1.浙江省氣象臺(tái)，浙江 杭州 310017；2.浙江省氣象局，浙江 杭州 310002)

基于逐小時(shí)自動(dòng)觀測資料，綜合考慮能見度、相對(duì)濕度和PM2.5濃度的變化及其持續(xù)時(shí)間，擬定四種方案來判識(shí)霾日，從而對(duì)浙江省近兩年的霾日進(jìn)行回算。結(jié)果對(duì)比分析表明：綜合考慮能見度、相對(duì)濕度、PM2.5及持續(xù)時(shí)間的判識(shí)方法是可行的，得到的霾日數(shù)在合理范圍內(nèi)，能較好的反映霾天氣的空間分布、日變化、季節(jié)變化和污染天氣發(fā)生的狀況；相對(duì)濕度條件的不同使得夜間霾次數(shù)波動(dòng)較大，從排除弱降水和輕霧影響的角度來看，相對(duì)濕度閾值定為小于90%更為合理。

霾日；判識(shí)；PM2.5；回算

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，近年來，霾天氣的影響日趨嚴(yán)重。尤其是2013年冬季中國中東部地區(qū)大范圍的持續(xù)性霾天氣過程，引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1-4]。浙江省地處長江三角洲腹地，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展迅速，受霾天氣影響嚴(yán)重[5]。根據(jù)杭州國家基準(zhǔn)氣候站監(jiān)測，從2003年以來杭州主城區(qū)人工觀測年霾日數(shù)基本在150天以上。當(dāng)今的霾天氣不再是完全的自然現(xiàn)象，而是呈現(xiàn)出明顯的復(fù)合性[6]。霾已經(jīng)被廣泛用于表征城市地區(qū)嚴(yán)重大氣污染導(dǎo)致的能見度降低及危害人類健康的大氣環(huán)境現(xiàn)象[7]。

中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》中提到，霾是一種大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的空氣普遍渾濁現(xiàn)象。然而我國對(duì)于霾日的定義目前沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。由于中國地面氣象觀測規(guī)范中缺乏對(duì)霾的客觀判斷標(biāo)準(zhǔn)，霾的觀測記錄受觀測員主觀判斷的影響較大，在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，霾被記錄成了輕霧，有的臺(tái)站早期長期無霾記錄。2010年中國氣象局頒布了國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《霾的觀測和預(yù)報(bào)等級(jí)》(QX/T 113-2010)，霾的判識(shí)有了定量化的指標(biāo)，但是該標(biāo)準(zhǔn)并沒有給出具體的霾日判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)。因此，探尋科學(xué)合理的霾日判識(shí)指標(biāo)意義重大。

根據(jù)相關(guān)研究成果[8]和實(shí)際業(yè)務(wù)工作中對(duì)霾的觀測經(jīng)驗(yàn)，有必要在判識(shí)霾日的時(shí)候綜合考慮過程能見度、相對(duì)濕度和PM2.5濃度的變化，以及持續(xù)時(shí)間。

浙江省在2013年9月率先實(shí)現(xiàn)全省能見度自動(dòng)觀測，自此能見度觀測有了逐小時(shí)的數(shù)據(jù)資料，避免了長期以來的人工觀測主觀偏差。但是由于儀器觀測原理的限制，所測能見度比目測能見度更容易偏低，因此在判識(shí)霾日的時(shí)候應(yīng)將能見度標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)?shù)奶岣遊9]，可將過去常用的小于10 km標(biāo)準(zhǔn)提高到小于5 km。按照相對(duì)濕度的不同霾可以分為干霾和濕霾，二者光學(xué)特性有所不同，在濕度較高的氣象條件下，細(xì)顆粒物能夠吸濕增長[10]，所以本文試用95%和90%兩個(gè)閾值來回算以比較相對(duì)濕度對(duì)霾日的影響。在當(dāng)前的城市大氣環(huán)境中細(xì)顆粒物(即PM2.5)濃度居高不下[11-12]，新形勢下判識(shí)霾日有必要考慮大氣環(huán)境狀況，才能使得結(jié)果更符合公眾的直觀感受，提高氣象服務(wù)質(zhì)量。按照天氣現(xiàn)象連續(xù)變化的特征，從前僅用幾個(gè)定時(shí)時(shí)刻的觀測值來判定霾日[13-14]不盡合理，應(yīng)該根據(jù)連續(xù)的資料先判定“霾時(shí)”，再進(jìn)一步根據(jù)“霾時(shí)”判定霾日才更科學(xué)。

根據(jù)以上討論，可以擬定以下4種方案來判識(shí)霾日：

1)能見度低于5 km，相對(duì)濕度小于90%，排除降水等天氣因素的影響，不考慮PM2.5；2)能見度低于5 km，相對(duì)濕度小于95%，排除降水等天氣因素的影響，不考慮PM2.5；3)在方案一的基礎(chǔ)上考慮PM2.5；4)在方案二的基礎(chǔ)上考慮PM2.5。

本文將參照這4種方案來回算近兩年(2014年—2015年)浙江省的霾日分布情況，并進(jìn)行對(duì)比分析，以期提供具有較好歷史延續(xù)性且能反映浙江省霾日時(shí)空變化特征的判識(shí)指標(biāo)。

1 資料和方法

1.1 資料及缺測情況

采用浙江省環(huán)保局提供的分區(qū)縣污染物逐時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，匹配相應(yīng)區(qū)縣氣象代表站地面氣象觀測的逐時(shí)數(shù)據(jù)，得到同步的PM2.5、自動(dòng)能見度、自動(dòng)相對(duì)濕度逐時(shí)數(shù)據(jù)。匹配完成后，全省總計(jì)69站有效數(shù)據(jù)；資料時(shí)間長度為2014年至2015年共1208880時(shí)次。其中缺測時(shí)次為平均23.2時(shí)/站，且缺測時(shí)次85%集中在夏季，對(duì)總體分析影響不大，不作進(jìn)一步處理。

1.2 回算方法

1.2.1 單站霾日和等級(jí)界定方法

首先，逐小時(shí)統(tǒng)計(jì)能見度(以下簡稱V)≤5 km，相對(duì)濕度(以下簡稱RH)<95%(方案二和四)或90%(方案一和三)，PM2.5小時(shí)濃度(以下簡稱PM2.5)>75 μg/m3(方案三和四)，并排除降水的情況，符合條件則判定為一個(gè)霾時(shí)次。在滿足霾時(shí)次條件的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足3.0150 μg/m3則判定為重度霾，不同時(shí)滿足的情況降級(jí)處理。(方案一和二不需要滿足PM2.5的分級(jí)條件。)

21—20時(shí)內(nèi)連續(xù)6 h及以上有霾時(shí)次，則記為一個(gè)霾日。如果跨日界出現(xiàn)連續(xù)6 h，霾日記錄歸在大于3 h的日內(nèi)；若相同，則統(tǒng)一歸到前一日。在滿足霾日條件的基礎(chǔ)上，霾時(shí)次等級(jí)出現(xiàn)頻次最多的等級(jí)作為該日的霾日等級(jí)，若出現(xiàn)頻次相同，則以最高等級(jí)作為該日的霾日等級(jí)。

1.2.2 區(qū)域霾日和等級(jí)界定方法

浙江省的各個(gè)行政區(qū)域內(nèi)某一天有大于或等于1/3測站滿足霾日條件，則該行政區(qū)域記一個(gè)霾日。霾日等級(jí)出現(xiàn)頻次最多的等級(jí)作為該日的霾日等級(jí)，頻次相同時(shí)取最高等級(jí)。

1.2.3 全省平均霾日算法

用69個(gè)測站的霾日數(shù)求算術(shù)平均得到全省平均霾日數(shù)。求全省霾的日、月變化時(shí)，也用69站的算術(shù)平均值來表征其變化規(guī)律。

2 回算結(jié)果與分析

2.1 各級(jí)霾時(shí)次的日分布

對(duì)浙江全省69個(gè)站平均的霾時(shí)次(2014—2015年的總和)做小時(shí)分析，從圖1中可以看到，浙江省霾時(shí)表現(xiàn)出“雙峰雙谷”的日分布特征，主峰值出現(xiàn)在09時(shí)左右，次峰值出現(xiàn)在22—23時(shí)左右，谷值分別在05—06時(shí)和15時(shí)左右。11—17時(shí)，方案一和二重合率較高，方案三和四重合率較高；18時(shí)—次日10時(shí)，方案一和二差異增大，方案三和四差異增大?？梢娤鄬?duì)濕度閾值的改變使得夜間霾次數(shù)波動(dòng)較大，白天一致性較好。

從不同等級(jí)霾時(shí)次的日變化來看，總霾、輕度霾、中度霾和重度霾的波形都比較相似，輕度霾時(shí)次數(shù)量是中度霾時(shí)次的兩倍左右，重度霾時(shí)次最少?？紤]PM2.5的影響可使得各級(jí)霾時(shí)次數(shù)量有一定程度的衰減。

2.2 單站和區(qū)域霾日數(shù)的空間分布

圖2a—2d給出了近兩年(2014—2015年)平均的單站霾日數(shù)空間分布，各方案回算結(jié)果都呈現(xiàn)出浙中北多浙南少、浙西多浙東少的總體分布特點(diǎn)。從地形來看，霾日較多的區(qū)域主要集中在杭嘉湖平原和金衢盆地，較少的區(qū)域集中在浙南丘陵和沿海島嶼，體現(xiàn)出盆地、平原多，丘陵、沿海島嶼少的分布特征。對(duì)比近5年(2008—2012年)歷史平均人工觀測霾日數(shù)(圖2e)來看，空間分布形態(tài)基本一致，杭嘉湖平原和金衢盆地高值區(qū)對(duì)應(yīng)好，但是方案三和四的中心最大值明顯小于方案一和二，同時(shí)，溫州地區(qū)高值在方案三和方案四的回算結(jié)果中沒有體現(xiàn)，這是因?yàn)槿斯び^測沒有充分考慮PM2.5濃度的變化所造成的?？傮w來看，霾日判識(shí)方案的歷史延續(xù)性在空間分布上表現(xiàn)的較好。

圖1 全省69站平均霾時(shí)次日分布(2014—2015年總和)

表1給出了浙江69個(gè)單站回算霾日數(shù)分布范圍和11個(gè)行政區(qū)霾日數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。浙江省霾日數(shù)分布縣域差異大，單站范圍跨度大，霾日數(shù)最多的站和最小的站天數(shù)相差可達(dá)到100天以上?？傮w來看霾日數(shù)最多的行政區(qū)域是紹興地區(qū)，最少的是臺(tái)州地區(qū)。2015年的霾日數(shù)較2014年有所減少，減少幅度大約在20%左右，這與環(huán)保部發(fā)布的《2015中國環(huán)境狀況公報(bào)》趨勢一致，折射出生態(tài)文明建設(shè)取得的積極進(jìn)展。各方案霾日數(shù)對(duì)比表現(xiàn)為：方案三<方案四<方案一<方案二。方案二回算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他三種方案，結(jié)合我省實(shí)際和歷史數(shù)據(jù)的分析，可以看出方案二的回算結(jié)果明顯偏多，尤其是紹興地區(qū)會(huì)出現(xiàn)一年有200多個(gè)霾日的情況，幾乎非雨即霾。方案一回算結(jié)果略多于方案四。從霾日數(shù)量來看方案一、三和四比較接近近5年歷史平均數(shù)。

表1 浙江69站及行政區(qū)霾日數(shù)回算結(jié)果 d

圖2 浙江省霾日數(shù)空間分布圖(a、b、c、d分別為方案一二三四回算的2014、2015年平均69站霾日數(shù)，e為2008—2012年平均人工觀測霾日數(shù))(單位：d)

2.3 霾日等級(jí)的空間分布和占比

2014—2015年霾日等級(jí)回算的地區(qū)分布結(jié)果如圖3所示，不同等級(jí)霾日數(shù)比較來看，方案一和二均表現(xiàn)為：中度霾>輕度霾>重度霾，方案三和四除了溫州地區(qū)是：輕度霾>中度霾>重度霾，其他地區(qū)都表現(xiàn)為：中度霾>輕度霾>重度霾(其中方案四杭州、麗水中度霾略小于輕度霾)。輕度霾和中度霾平均日數(shù)中排名前三的依次為紹興、嘉興、杭州地區(qū)。重度霾日數(shù)都比較少，基本只出現(xiàn)在杭州、湖州、紹興、金華、麗水、舟山地區(qū)(其中舟山地區(qū)由于測站只有三個(gè)，有一站滿足條件就被判識(shí)為區(qū)域滿足條件，所以容易被判識(shí)為有霾)。

從不同等級(jí)霾日占比來看(表2)，2014年和2015年，在方案一和二的結(jié)果中，中度霾比例都超過60%，在方案三和四的結(jié)果中，輕度霾比例略小于50%而中度霾比例略大于50%，四種方案回算重度霾比例都低于2.3%。2014和2015年相比，各級(jí)霾日數(shù)占比變化不大。

從以上分析可以看出，霾的判識(shí)指標(biāo)中加入PM2.5的條件，會(huì)使得輕度霾的比重增加，中度霾的比重下降，變化幅度10%～15%，重度霾的比重略有增加。在不考慮PM2.5的時(shí)候，提高相對(duì)濕度的閾值，會(huì)使得輕度霾比重略有減少、中度霾和重度霾略有增加。而考慮PM2.5的時(shí)候，提高相對(duì)濕度的閾值，會(huì)使得中度霾比重略有減少、輕度霾和重度霾略有增加。

圖3 浙江11個(gè)行政區(qū)各級(jí)霾日數(shù)對(duì)比(2014—2015年總和)

2014年方案一方案二方案三方案四2015年方案一方案二方案三方案四輕度霾37．0%32．2%49．2%51．1%34．2%29．6%41．3%44．9%中度霾62．5%66．5%50．1%46．9%64．6%68．9%56．8%52．8%重度霾0．5%1．3%0．7%2．0%1．2%1．5%1．9%2．3%

2.4 霾的季節(jié)變化

圖4給出了2014—2015年總共的霾日數(shù)月分布情況。由圖可見，各方案都體現(xiàn)出霾天氣在冬季多、夏季少的特點(diǎn)，春秋為過渡季節(jié)，其中春季有一個(gè)弱的次峰值。方案一二跟方案三四的差別最大在春季，其次在秋季、夏季、冬季，這與PM2.5的濃度在冬季達(dá)到峰值，向著夏季衰減的規(guī)律是相匹配的，即PM2.5作為首要污染物的比重從冬季到夏季是衰減的。這與以往的研究結(jié)果也是一致的[12]。

圖4 全省69站平均霾日數(shù)月分布(2014—2015年總和)

3 結(jié) 語

基于逐小時(shí)的自動(dòng)觀測資料，本文使用了四種不同的霾日判識(shí)方案，對(duì)2014—2015年浙江省的霾日進(jìn)行了回算，并對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

1)從霾時(shí)的小時(shí)變化來看，相對(duì)濕度閾值選取90%和95%的差異主要出現(xiàn)在夜間時(shí)段，白天兩者的一致性較好。這主要是由濕度的日變化引起的，相對(duì)濕度閾值選取小于90%，可以排除弱降水和輕霧的影響。同時(shí)，回算結(jié)果能夠反映霾天氣的“雙峰雙谷”日變化特征。

2)考慮霾天氣的持續(xù)時(shí)間的判識(shí)方法，按照方案一、三、四回算得到的霾日數(shù)均在合理范圍內(nèi)，按照方案二回算得到的霾日數(shù)偏多。霾日數(shù)的空間分布形態(tài)，和歷史人工觀測結(jié)果一致，具有良好的延續(xù)性。2015年的霾日數(shù)少于2014年，這符合環(huán)保部發(fā)布的《2015中國環(huán)境狀況公報(bào)》。

3)考慮了PM2.5的回算方案，會(huì)使得輕度霾的比重增加而中度霾的比重下降，這是符合邏輯的。同時(shí)，能夠反映污染天氣發(fā)生的狀況，這與近年來的空氣質(zhì)量狀況相符，符合公眾的直觀感受，可行性大。

4)回算結(jié)果能夠反映霾日數(shù)“秋冬多、春夏少”的季節(jié)變化特征。

5)綜合來看，考慮自動(dòng)能見度小于5 km、自動(dòng)相對(duì)濕度小于90%，同時(shí)考慮PM2.5濃度的變化及其持續(xù)時(shí)間的方案三，回算效果最為理想。

目前浙江省已全面開啟能見度、相對(duì)濕度自動(dòng)觀測時(shí)代，采用逐小時(shí)能見度、相對(duì)濕度自動(dòng)觀測值來進(jìn)行霾的判識(shí)具有可操作性。但需要解決如何與歷史上的人工觀測資料進(jìn)行均一性訂正的問題，這有待進(jìn)一步研究。

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2016-08-01

*資助項(xiàng)目：浙江省氣象科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015ZD07)