2010—2015年浙江省霾天氣的特征及主要影響因子分析*

陳光宇 朱占云 陳練 廖振楊 俞林軍

(1.杭州市氣象臺(tái)，浙江 杭州 310051；2.浙江省氣象服務(wù)中心，浙江 杭州 310017；3.浙江省氣候中心，浙江 杭州 310017；4.蕭山區(qū)氣象局，浙江 杭州 311201)

2010—2015年浙江省霾天氣的特征及主要影響因子分析*

陳光宇1朱占云2陳練3廖振楊4俞林軍4

(1.杭州市氣象臺(tái)，浙江 杭州 310051；2.浙江省氣象服務(wù)中心，浙江 杭州 310017；3.浙江省氣候中心，浙江 杭州 310017；4.蕭山區(qū)氣象局，浙江 杭州 311201)

利用2010—2015年浙江省國家氣象觀測(cè)站能見度、氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速和降水量等氣象要素逐日觀測(cè)資料，分輕微、輕度、中度和重度四個(gè)等級(jí)對(duì)浙江省霾的變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并研究了霾多發(fā)時(shí)段的主要影響因子和氣象要素特征，可以得到以下結(jié)論，從霾站次(日)的年變化上看，近6年來全省霾站次(日)總體呈上升趨勢(shì)，2015年霾出現(xiàn)最多，2014年霾影響最重，一年中12月和1月霾最多，7、8、9月霾最少；從空間分布上看，全省霾分布不均，各地差異較大，浙北尤其是杭州的霾程度最為嚴(yán)重，地形因素對(duì)霾的空間分布具有重要影響。在霾多發(fā)時(shí)段內(nèi)，霾的發(fā)生頻次與氣溫、降雨、氣壓和風(fēng)速等各氣象要素之間均存在不同程度的相關(guān)關(guān)系，在一般情況下，若杭州當(dāng)日最高氣溫較高、氣溫日較差較大，同時(shí)日平均氣壓高，風(fēng)速小時(shí)，出現(xiàn)霾的概率較大。

霾天氣；時(shí)空變化；灰霾走廊；氣象要素

0 引 言

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，空氣普遍混濁的天氣現(xiàn)象[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大氣污染加劇，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，成為大氣環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研究表明，霾的本質(zhì)是細(xì)粒子氣溶膠污染，其物質(zhì)成分除了細(xì)塵以外，還包括硫酸鹽、硝酸鹽、碳?xì)浠衔锖秃谔嫉攘Ｗ?，因此其發(fā)生的頻數(shù)與人類活動(dòng)所造成的氣溶膠污染密切相關(guān)[2-4]。霾粒子通過對(duì)太陽光的吸收、散射和折射，使大氣混濁、視野模糊并導(dǎo)致地面能見度急劇降低，影響公路、水路和機(jī)場(chǎng)運(yùn)輸安全，同時(shí)霾中的大部分粒子可被人體呼吸道吸入，對(duì)人體健康具有嚴(yán)重影響[5]。2013年11月，世界衛(wèi)生組織宣布空氣污染物是地球上“最危險(xiǎn)的環(huán)境致癌物質(zhì)之一”。

國內(nèi)外學(xué)者從霾的辨識(shí)判定[6-8]、時(shí)空變化[9-12]、影響因子[13-15]等多角度開展了大量研究工作。史軍等[16]重建了長江三角洲1961—2007年霾氣候數(shù)據(jù)序列，指出過去47 a長江三角洲霾日數(shù)總體上呈逐漸增多的趨勢(shì)，并以杭州和南京增加最多。王明潔等[17]通過分析深圳不同等級(jí)霾天氣的長期變化特征后得出結(jié)論：深圳霾日總體增多、強(qiáng)度增強(qiáng)，霾日數(shù)呈冬季>秋季>春季>夏季的季節(jié)特征。牛彧文等[18]研究了近60 a來浙江省城市區(qū)域霾天氣的長期變化趨勢(shì)，指出2000年以后是灰霾天氣出現(xiàn)最多的時(shí)期，湖州、紹興、杭州、嘉興等浙北城市增加速度尤其顯著。王珊等[19]統(tǒng)計(jì)分析了西安霧霾天氣與氣象要素的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，氣溫越低，日平均風(fēng)速越小，14時(shí)前后出現(xiàn)負(fù)變壓或正變溫，連續(xù)不降水日數(shù)越長時(shí)，越有利于霧霾天氣的形成。齊冰等[20]通過對(duì)杭州地區(qū)典型氣象要素以及環(huán)境污染狀況下霾天氣特征及形成機(jī)制進(jìn)行的綜合分析研究后指出，杭州地區(qū)高壓類型天氣形勢(shì)對(duì)霾產(chǎn)生有重要影響，另外，杭州特殊的地形環(huán)境對(duì)霾的發(fā)生有一定的促進(jìn)作用。本文擬利用浙江省國家氣象站相對(duì)濕度、能見度等氣象要素觀測(cè)資料，對(duì)全省霾的時(shí)空分布特征及其影響因子進(jìn)行研究。

1 資料與方法

本文采用2010—2015年浙江省75個(gè)國家氣象觀測(cè)站的氣象要素觀測(cè)資料，主要包含相對(duì)濕度、能見度、日均2 min平均風(fēng)速(4時(shí)次平均，下同)、日最大風(fēng)速、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均海平面氣壓(以下簡稱為日平均氣壓)，其中相對(duì)濕度和能見度為逐小時(shí)觀測(cè)資料，其余要素為逐日資料。

研究中對(duì)霾日的界定主要參考吳兌等[6]和劉端陽等[21]對(duì)霾日的判定方法，選取全省75個(gè)國家站2010—2015年的逐日氣象資料，對(duì)每天02:00、08:00、14:00、20:00 4個(gè)時(shí)次的能見度和相對(duì)濕度進(jìn)行判斷，當(dāng)任一個(gè)國家站滿足任一時(shí)次能見度小于10 km，且相對(duì)濕度小于80%，并排除降水、吹雪、雪暴、揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵和煙幕等其他能導(dǎo)致低能見度事件的情況為一個(gè)霾站次(日)，當(dāng)相對(duì)濕度介于80%到90%之間時(shí)，翻查觀測(cè)資料是否記錄了霾天氣現(xiàn)象，若有則記為一個(gè)霾站次(日)。當(dāng)確定霾站次(日)后，再根據(jù)中國氣象局制定的《霾的觀測(cè)與預(yù)報(bào)等級(jí)》[22]將霾分為4個(gè)等級(jí)：輕微霾(5.0 km≤能見度<10.0 km)、輕度霾(3.0 km≤能見度<5.0 km)、中度霾(2.0 km≤能見度<3.0 km)、重度霾(能見度<2.0 km)。

2 霾的時(shí)空分布特征

2.1 霾的年際變化特征

研究中首先計(jì)算了全省75個(gè)國家站2010—2015年的總霾站次(日)，圖1給出全省各級(jí)別霾站次的年變化，從圖上可以看到，2010—2015年全省霾總體呈增加趨勢(shì)，2015年霾站次(日)較2010年增加了一倍多，其中2011年和2013年這兩年增加最為顯著。從不同等級(jí)的霾來看，輕度及以上等級(jí)霾站次(日)(灰色、黑色柱狀)在2012年前較少，2013年起呈明顯增加的趨勢(shì)，中、重度霾比例(黑色實(shí)線)2013年起也從前一年的1%左右迅速上升，2014年達(dá)13%以上，2015年明顯回落至5%左右。因此綜合來看，2015年霾出現(xiàn)最多，2014年霾影響最重。

圖1 2010—2015年浙江省各級(jí)別霾站次(日)

2.2 霾的月變化特征

統(tǒng)計(jì)全省11個(gè)地市逐日觀測(cè)資料后得到各地區(qū)每月霾出現(xiàn)的日數(shù)(霾日)，圖2為2010—2015年浙江省11個(gè)地級(jí)市霾日的逐月變化，從圖上可以明顯看出，7、8、9 3個(gè)月為各地霾日最少的時(shí)段，各地平均后的月均霾日僅為2.9 d。10月起霾日迅速增加，秋、冬季是各地霾多發(fā)的時(shí)段，又以12月和1月最多，以這兩個(gè)月為例，各地霾日在12.7(舟山)～22.6 d(衢州)之間，2月起各地霾日都呈明顯下降的趨勢(shì)。這主要是由于冬季浙江省主要受亞洲冷高壓控制，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠被驏|北風(fēng)，除本地產(chǎn)生污染物以外，還會(huì)與來自北方地區(qū)的輸入性污染疊加，同時(shí)冬季降水較少，當(dāng)遇大氣污染擴(kuò)散條件不佳時(shí)，極易引發(fā)灰霾天氣；夏季主要受副高西側(cè)的東南風(fēng)或偏南風(fēng)控制，來自海洋的清潔氣流有利于污染物的稀釋，霾產(chǎn)生的幾率較低。而春秋季為冬夏季的轉(zhuǎn)換階段，各地降水量較冬季多，雨水沖刷作用在一定程度上有利于污染物顆粒的擴(kuò)散和稀釋。

圖2 浙江省11個(gè)地市2010—2015年霾日的逐月變化

2.3 霾的空間分布特征

圖3給出5年來浙江省霾日的空間分布，從平均霾日的分布來看(圖3a)，各地霾日分布并不均勻，差異顯著，浙北地區(qū)、浙中西部和溫州地區(qū)是年均霾日分布的大值區(qū)，霾日在100 d以上，最大為杭州達(dá)160 d左右，浙西北、西南山區(qū)和舟山地區(qū)霾日較少，年均霾日在30 d以下，最少的麗水市慶元縣僅為2.8 d。同時(shí)期中度以上級(jí)別霾日的分布特征(圖3b)也大致相同，浙北杭州、湖州和紹興3地是中、重度霾日分布大值區(qū)，其中杭州最多達(dá)9 d以上。結(jié)合全省地形(圖略)不難發(fā)現(xiàn)，自浙北平原經(jīng)金華到衢州存在的霾日分布大值區(qū)，與全省的地形分布也存在著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從全省地形分布圖上，自杭嘉湖地區(qū)經(jīng)金華到衢州有一條東北—西南走向的平原河谷地帶，海拔較低，這一帶地區(qū)人口密集、城鎮(zhèn)眾多，而且冬季時(shí)有利于偏北風(fēng)或東北風(fēng)攜帶輸入性污染物南下，形成一條“霾走廊”，可以說，地形對(duì)浙江省年均霾日的空間分布有較大的影響。

圖3 2010—2015年浙江省霾日的地域分布

為了探討不同地區(qū)，不同等級(jí)霾日的構(gòu)成，研究中選取了浙北的杭州和嘉興，浙中的衢州、浙南的溫州，統(tǒng)計(jì)了2010—2015年年均輕微霾、輕度霾、中度霾和重度霾的日數(shù)。圖4給出了4地不同等級(jí)霾的比重，可以看出，4地在不同等級(jí)霾的構(gòu)成上有所差別，浙北的杭州和嘉興中、重度霾比重之和分別達(dá)到8%和7%，明顯高于衢州和溫州的3%，同時(shí)杭州的輕度霾比重明顯高于其余3地，輕微霾比重低于其余3地，說明杭州不但年均霾日多，同時(shí)霾等級(jí)也較重。不僅如此，除杭州和嘉興外，研究表明浙北的湖州、紹興各類霾的比重構(gòu)成與杭州、嘉興較為相似，都表現(xiàn)為中、重度霾比重明顯偏高，這與圖3b得出的結(jié)果較為一致，表明浙北是全省霾影響最嚴(yán)重的地區(qū)。

3 霾日與各氣象要素的關(guān)系

從以上研究中可知，1月和12月是全省霾天氣的高發(fā)時(shí)段，為探求以上時(shí)段霾天氣出現(xiàn)時(shí)的氣象要素特點(diǎn)，利用2010—2015年1月和12月全省霾資料，并結(jié)合同時(shí)期的各氣象要素資料，以霾日較多的杭州、紹興、金華、衢州為例，分析4地霾日與各氣象要素的相互關(guān)系(表1)?？梢钥闯鲈跉鉁胤矫?，4地霾日與氣溫日較差和最高氣溫存在較明顯的正相關(guān)關(guān)系，其中杭州、衢州通過了99%信度檢驗(yàn)，即最高氣溫越高、氣溫日較差越大，越容易出現(xiàn)霾天氣，而與平均氣溫、最低氣溫的相關(guān)性并不明顯。在日平均氣壓上，除金華外，3地與霾日存在較明顯正相關(guān)，即日平均氣壓越高，越容易出現(xiàn)霾天氣。在風(fēng)速上，除衢州外，3地的日平均風(fēng)速和最大風(fēng)速均與霾日存在負(fù)相關(guān)，其中紹興通過了99%信度檢驗(yàn)，說明風(fēng)速越小，越容易出現(xiàn)霾天氣?？偨Y(jié)以上結(jié)論后，我們可以大致描述4地冬季霾天氣出現(xiàn)時(shí)的天氣背景：無降雨，日最高氣溫較高，氣溫日較差較大，平均氣壓較高，同時(shí)風(fēng)速較小。

圖4 杭州、嘉興、衢州和溫州4地各等級(jí)霾比重

表1 2010—2015年1、12月4地霾天氣與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

注：**表示通過99%信度檢驗(yàn)，*表示通過95%信度檢驗(yàn)

為進(jìn)一步研究各天氣背景下霾日的分布情況，本文以霾日出現(xiàn)較多的杭州市為例，利用2010—2015年1、12月霾日出現(xiàn)的時(shí)間與該時(shí)刻氣象要素分布的比值，得出與霾日關(guān)系密切的氣溫日較差、日最高氣溫、日平均氣壓、日平均風(fēng)速4類氣象要素不同分布下霾日出現(xiàn)的概率。圖5a為不同的氣溫日較差下霾日出現(xiàn)的概率，可以看出隨著氣溫日較差的逐漸增大，霾日概率雖呈單峰型分布，但總體仍呈逐漸增大的趨勢(shì)，這與表1給出的結(jié)果一致，并且當(dāng)氣溫日較差為9～12 ℃時(shí)，霾日出現(xiàn)概率最高達(dá)82%，這能從氣象條件給出一定的解釋：當(dāng)氣溫日較差較小時(shí)往往為陰天或降雨天氣，此時(shí)由于空氣濕度較高，不易形成霾；當(dāng)氣溫日較差適中時(shí)一般受高壓控制，不利于污染物擴(kuò)散易形成霾；當(dāng)氣溫日較差較大時(shí)(大于12 ℃)往往為低層西南風(fēng)的暖區(qū)天氣且風(fēng)力較強(qiáng)，不利于北方上游地區(qū)污染物的南下和本地污染物的積累，霾日出現(xiàn)的概率也略有下降。從霾日出現(xiàn)概率隨最高氣溫的分布圖上(圖5b)可以看出，隨著氣溫的升高，霾日概率也總體呈增大趨勢(shì)，從小于4 ℃時(shí)的41%上升到到12～16 ℃時(shí)的73%，大于16 ℃區(qū)間略下降至68%，可以認(rèn)為這樣分布的原因與氣溫日較差相同?？傮w來說，杭州日最高氣溫越高，越不利于污染物的擴(kuò)散和清除易形成霾天氣，這與我國北方地區(qū)氣溫越低霾日出現(xiàn)概率越高的結(jié)論(王珊等[19]；崔冬林等[23])不一致，因此推斷我國南、北方霾的發(fā)生機(jī)制可能有所不同，具體還需做進(jìn)一步研究。

圖5c給出不同日平均氣壓下霾日出現(xiàn)的概率，隨著氣壓的升高，霾日出現(xiàn)的概率明顯增加，從小于1015 hPa的46%增加到大于1030 hPa的78%，是因?yàn)槭芨邏嚎刂茣r(shí)近地面污染物不容易擴(kuò)散，造成霾日增多。在霾日概率隨平均風(fēng)速的分布上(圖5d)，隨著風(fēng)速的增大，霾日概率呈先減小后增加的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)速小于1.5 m/s時(shí)霾日概率達(dá)72%，此時(shí)由于本地污染物擴(kuò)散條件差易產(chǎn)生霾，當(dāng)風(fēng)速增大到2.5～3.0 m/s時(shí)霾日概率下降到43%左右，但當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s時(shí)，霾日概率又上升到60%左右，經(jīng)查閱出現(xiàn)風(fēng)速大于3 m/s時(shí)段的影響系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，上述情形下都對(duì)應(yīng)著北方冷空氣的南下，盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)或偏北風(fēng)，有利于冷空氣攜帶北方污染物南下形成輸入性霾，因此霾日概率會(huì)隨風(fēng)速增大出現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。這樣，我們可以總結(jié)出杭州1、12月霾天氣易發(fā)時(shí)的氣象條件：在無降雨情況下，氣溫日較差較高(9～12 ℃)、日最高氣溫較高(12～16 ℃)、日平均氣壓大于1030 hPa和日平均風(fēng)速小(小于1.5 m/s)。因此，在天氣預(yù)報(bào)分析中若將出現(xiàn)連續(xù)晴朗、微風(fēng)的干燥天氣時(shí)，需警惕霧霾天氣持續(xù)或加重的可能，這在今后的預(yù)報(bào)中需加以重視。

圖5 2010—2015年杭州市1、12月不同氣溫日較差(a)、最高氣溫(b)、平均氣壓(c)和平均風(fēng)速(d)分布情況下霾日出現(xiàn)的概率

4 結(jié) 語

利用2010—2015年浙江省國家氣象觀測(cè)站能見度、氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速和降水量等氣象要素逐日觀測(cè)資料，分輕微、輕度、中度和重度4個(gè)等級(jí)對(duì)浙江省霾的時(shí)空變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并研究了霾多發(fā)時(shí)段的主要影響因子和氣象要素特征，可以得到以下主要結(jié)論。

1)2010—2015年浙江省霾站次(日)總體呈上升趨勢(shì)，2015年霾出現(xiàn)最多，2014年霾影響最重。一年中1月和12月霾最多，7、8、9月霾最少。2015年雖然霾站次(日)最多，但程度明顯減輕，這表明了近幾年政府的節(jié)能減排和大氣污染治理措施出現(xiàn)了明顯成效。

2)地形因素對(duì)霾的形成及空間分布有較大影響，全省霾的空間分布不均，差異顯著，杭州年均霾日達(dá)160 d，為全省最多，麗水市慶元縣僅2.8 d，為全省最少，且浙北地區(qū)霾程度普遍較重，中、重度霾的比重較高。

3)在霾天氣的多發(fā)時(shí)段，霾的發(fā)生頻次與氣溫、降雨、氣壓和風(fēng)速等各氣象要素之間均存在不同程度的相關(guān)關(guān)系，在一般情況下，杭州市1、12月霾天氣易發(fā)的氣象條件為氣溫日較差9～12 ℃、日最高氣溫12～16 ℃、日平均氣壓大于1030 hPa、平均風(fēng)速小于1.5 m/s?；邛驳陌l(fā)生頻次與氣象要素的相關(guān)研究推斷我國南、北方地區(qū)霾的發(fā)生機(jī)制可能有所不同，具體還需做進(jìn)一步研究。

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2016-03-02

*資助項(xiàng)目：南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金(KLME1407)資助