寶坻區(qū)霾的統(tǒng)計(jì)特征及天氣形勢(shì)和要素場(chǎng)分析

趙茹儀

摘要：本文使用自動(dòng)站歷史數(shù)據(jù)、Micaps軟件天氣實(shí)況圖，運(yùn)用Danial趨勢(shì)檢驗(yàn)法、統(tǒng)計(jì)分析方法等研究了寶坻區(qū)近30-38年的霾氣象要素特征。得出近30年來，寶坻的霾天氣呈現(xiàn)明顯的季節(jié)分布特征，冬季頻率最高，其次為春、秋和夏季。而近38年來霾的日變化分為三個(gè)階段，其日數(shù)的緩慢上升及21世紀(jì)以來的激增趨勢(shì)與工業(yè)化進(jìn)程密不可分。2018年1月18日至20寶坻區(qū)出現(xiàn)了一次中度霾天氣過程，主要由上游污染物配合弱的西南風(fēng)引起，并在較長時(shí)間的均壓場(chǎng)控制及低邊界層、不利擴(kuò)散條件影響下維持。過程期間海平面氣壓梯度小、風(fēng)速弱，是致使擴(kuò)散條件差，霾過程持久的首要原因，而污染物濃度的上升對(duì)應(yīng)著濕度增加及氣溫降低，即相對(duì)濕度與氣溫呈負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：霾；顯著上升；季節(jié)分布；均壓場(chǎng)；不利擴(kuò)散條件；負(fù)相關(guān)

1.引言

寶坻區(qū)地處京、津、唐三角地帶，具備農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展先導(dǎo)優(yōu)勢(shì)[1]。近年來，區(qū)域工業(yè)發(fā)展及城市化進(jìn)程加速了近地面污染物、粉塵等微小顆粒累積，配合一定天氣系統(tǒng)引發(fā)的近地層逆溫，霾天氣時(shí)有發(fā)生?；姻仓饕怯蓱腋≡诳諝庵械募?xì)顆粒引起的大氣能見度降低的天氣現(xiàn)象，與空氣污染程度的變化關(guān)系密切[2]。本文以寶坻氣象局本站探測(cè)環(huán)境范圍為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)分析了1989-2018年寶坻區(qū)霾的氣候?qū)W概況，并以2018年1月18日-20日發(fā)生的一次中度霾天氣過程為例淺析霾天氣下氣象要素場(chǎng)之間的相關(guān)關(guān)系及此次霾過程的影響因素，為重污染天氣的預(yù)測(cè)、預(yù)警提供參考。

2.資料收集與處理

2.1 霾資料

本文中霾的定義為：水平能見度小于7.5km（人工閾值10.0km），相對(duì)濕度小于60%的視程障礙現(xiàn)象?！兜孛鏆庀笥^測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定實(shí)用手冊(cè)》在2016年將日數(shù)據(jù)中霾的記錄規(guī)定為一日內(nèi)連續(xù)6小時(shí)及以上出現(xiàn)霾，則記入日數(shù)據(jù)文件連續(xù)天氣現(xiàn)象段[3]。為保持歷史數(shù)據(jù)采集一致性，本文利用1989-2018年寶坻區(qū)地面觀測(cè)資料中的天氣現(xiàn)象小時(shí)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，即定義一日內(nèi)滿足1小時(shí)出現(xiàn)霾（排除浮沉、揚(yáng)沙、降水等天氣過程影響），則該日為一個(gè)霾日。

3.霾的時(shí)間分布特征

表1為1989-2018年寶坻區(qū)霾的季節(jié)分布，由表1可見，1989-2018年共10957天，出現(xiàn)霾的天數(shù)2250天，年平均出現(xiàn)率20.5%。寶坻區(qū)霾的季節(jié)分布特征較明顯，冬季霾的出現(xiàn)率最高，達(dá)30.3%；春季與年平均接近，為22.1%；秋季略少（17.6%）；夏季最少（12.3%）。又根據(jù)1981-2010年霾日數(shù)（1981-1988年統(tǒng)計(jì)數(shù)值略）分析得出：80年代霾天氣較少，趨勢(shì)傾向率為7.6天/a；90年代急劇上升為33.7天/a；2001-2010年增多至77天/a，是90年代的2.3倍，是80年代的10.1倍；2011年至今的8年傾向率增至139.2天/a[5]。

4.寶坻區(qū)霾天氣影響因素分析

影響霾天氣發(fā)生和發(fā)展的因素較多，與人類活動(dòng)密切相關(guān)的有城市化進(jìn)程、大氣污染、氣候變化等，氣象因素包括：降水、日照、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、云量、下墊面、天氣形勢(shì)等[6]。下面將列舉部分進(jìn)行討論。

4.1 城市化與大氣污染

根據(jù)第3節(jié)的分析結(jié)果，結(jié)合部分現(xiàn)有研究結(jié)論，我們將近38年來寶坻區(qū)的霾日年變化大致分為3個(gè)階段。1982-1990年為第一階段，霾天氣從1981-1983年經(jīng)歷了一次波動(dòng)，此后較為穩(wěn)定，這段時(shí)期寶坻本地排放的大氣污染物極少，推測(cè)這一時(shí)期的霾天氣可能與直接排放的粉塵污染或外來源相關(guān)聯(lián)[7]；1991年-2000年為第二階段，寶坻工業(yè)發(fā)展開始起步，但水平較低，污染物排放較為分散，主要為硫酸鹽離子與粉塵相疊加形成[8]；進(jìn)入21世紀(jì)后，寶坻區(qū)城市化、工業(yè)化發(fā)展迅速，機(jī)動(dòng)車保有量不斷增加，主要出現(xiàn)的是機(jī)動(dòng)車尾氣引起的光化學(xué)污染[9]疊加上述兩階段污染物組成的混合大氣污染，因此2001年至今為第三階段，其中2014年的霾日數(shù)達(dá)到了峰值的248天。2017年政府實(shí)施大氣污染治理最嚴(yán)“停工令”方案，寶坻區(qū)霾天氣有所緩解，但仍維持在150d/a左右的水平。

4.2 2018年1月18日-20日寶坻區(qū)霾天氣過程實(shí)況及氣象條件分析

重污染天氣過程前24小時(shí)：17日05時(shí)至09時(shí)平均風(fēng)速為1.1米/秒、相對(duì)濕度為75%，霾和輕霧交替出現(xiàn)，高濕度和小風(fēng)速（<1.5米/秒）導(dǎo)致PM2.5累積，空氣質(zhì)量維持在輕度污染水平，午后風(fēng)力加大，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為2級(jí)良。

通過Micaps4繪圖軟件查詢歷史資料，分析高空、地面圖，得出統(tǒng)計(jì)表（表略），并總結(jié)出此次污染天氣過程的天氣形勢(shì)和氣象條件：

17日20時(shí)，河北中南部部分地區(qū)已形成重度污染；寶坻區(qū)地面流場(chǎng)呈弱的南北風(fēng)場(chǎng)輻散，高空為槽后西北氣流，海平面受均壓場(chǎng)控制，地表偏西風(fēng)，風(fēng)力不大，相對(duì)濕度24%。23時(shí)，地面轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，18日02時(shí)開始受弱的西南風(fēng)控制，受不利區(qū)域輸送影響，空氣質(zhì)量在01時(shí)驟降（AQI達(dá)峰值387）后維持在嚴(yán)重污染水平（圖3）。

18日08時(shí)高空淺槽移近，邊界層有所升高，地面轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)速1.0m/s，空氣質(zhì)量略有轉(zhuǎn)好，但因逆溫層的建立，大氣擴(kuò)散條件較差，寶坻區(qū)的空氣質(zhì)量仍處于中度污染水平。20時(shí)，地面位于弱高壓前部的均壓場(chǎng)內(nèi)，地面輻散增強(qiáng)，西南風(fēng)，風(fēng)力略有加大，且相對(duì)濕度在夜間持續(xù)升高，導(dǎo)致空氣污染物快速累積，至19日08時(shí)，AQI再次達(dá)到349的峰值；18日夜間至19日中午時(shí)段，由于地面逐漸轉(zhuǎn)為低壓后部控制，且受貼地逆溫的影響，污染物擴(kuò)散條件極為不利，AQI達(dá)200以上的時(shí)次有9個(gè)。

19日下午至夜間，地面流場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)為弱輻合，風(fēng)力加大，空氣質(zhì)量略有好轉(zhuǎn)，但由于維持西南風(fēng)控制，污染物累積量沒有明顯下降，仍維持在中度污染水平。20日08時(shí)，地面東北風(fēng)，1.2m/s，白天轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)力加大到3-4級(jí)，受海上清潔氣團(tuán)影響，空氣質(zhì)量逐漸轉(zhuǎn)好，11時(shí)AQI已降至100以下。20時(shí)地面處于高壓底部，夜間受持續(xù)偏東風(fēng)影響，逆溫層逐漸瓦解，大氣垂直擴(kuò)散條件改善，霾天氣過程趨于結(jié)束。

5.霾天氣過程氣象要素場(chǎng)分析

2018年1月18日至20日霾過程期間，寶坻區(qū)的最小能見度達(dá)1300米，首要污染物為PM10，其濃度在19日09時(shí)達(dá)到0.421mg/ ，相當(dāng)于污染指數(shù)大于300，處于重度污染水平。1月17日21時(shí)-20日20時(shí)，海平面氣壓在1019.3hpa至1026.6hpa之間波動(dòng)，梯度較小，風(fēng)速除19日13時(shí)-16時(shí)及20日09時(shí)以后均在3級(jí)以下，不利擴(kuò)散條件使得污染物持久累積，引發(fā)了長時(shí)間的霾天氣過程。

通過統(tǒng)計(jì)2018年1月17日21時(shí)至2018年1月20日20時(shí)相對(duì)濕度、氣溫、AQI、PM2.5、PM10濃度等要素實(shí)況序列，分析得出：

相對(duì)濕度會(huì)在污染物累積前有所上升，底層濕度的增加促進(jìn)了逆溫層的建立，在空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)到峰值（嚴(yán)重污染）后相對(duì)濕度逐漸升值極值。而溫度的情況與之相反，因此相對(duì)濕度與氣溫呈負(fù)相關(guān)。

6.結(jié)論

近30年，寶坻區(qū)的1-12月霾日變化呈顯著上升趨勢(shì)，而月變化沒有明顯特征；1月份霾日數(shù)最多，8月份最少。霾的年平均出現(xiàn)率為20.5%；冬季霾的出現(xiàn)率最高，春季與年平均接近，秋季略少，夏季最少。80年代較少霾天氣，趨勢(shì)傾向率僅7.6天/a；90年代升至33.7天/a；21世紀(jì)前10年增至77天/a，是90年代的2.3倍，80年代的10.1倍；2011-2018年傾向率激增到139.2天/a。近38年寶坻區(qū)的霾日年變化分3個(gè)階段。分別與直接排放的粉塵污染及外來源、分散的硫酸鹽離子疊加粉塵粒子及機(jī)動(dòng)車尾氣引發(fā)的光化學(xué)污染物相關(guān)。

2018年1月18日至20日污染天氣過程前24小時(shí)，PM2.5已經(jīng)開始小幅度累積。17日20時(shí)，上游地區(qū)形成重度污染，地面流場(chǎng)弱輻散，高空槽后西北氣流，海平面均壓場(chǎng)控制，地表偏西風(fēng)，風(fēng)力、相對(duì)濕度均不大，后半夜開始受弱西南風(fēng)控制，空氣質(zhì)量驟降，夜間為嚴(yán)重污染水平。18日白天受移近高空淺槽影響，地面風(fēng)轉(zhuǎn)向，空氣質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)，但08時(shí)逆溫層已建立，大氣擴(kuò)散條件差，空氣質(zhì)量仍處于中度污染水平。18日夜間至19日中午，地面位于弱高壓前、低壓后均壓場(chǎng)內(nèi)，地面輻散增強(qiáng)，相對(duì)濕度持續(xù)升高，空氣污染物快速累積，且受貼地逆溫影響，污染物擴(kuò)散條件不利，AQI有9個(gè)時(shí)次達(dá)200以上。19日下午到夜間，由于地面轉(zhuǎn)為弱輻合，風(fēng)力加大，空氣質(zhì)量略有好轉(zhuǎn)，但風(fēng)向仍維持，污染物濃度沒有明顯降低，維持在中度。20日白天，地面偏東風(fēng)，風(fēng)力繼續(xù)增大，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好，至中午前后AQI降至100以內(nèi)。夜間地面轉(zhuǎn)為高壓底部控制，風(fēng)力及海上清潔氣團(tuán)作用，逆溫層瓦解，霾天氣過程結(jié)束。

此次霾過程期間：寶坻區(qū)的首要污染物PM10濃度峰值達(dá)0.421mg/ ，導(dǎo)致重度污染；海平面氣壓梯度小，風(fēng)速弱，致使擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，引發(fā)持久霾過程。相對(duì)濕度在污染物累積前上升，在空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)到峰值后趨于極值。溫與之相反，相對(duì)濕度與氣溫呈負(fù)相關(guān)。

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（作者單位：天津市寶坻區(qū)氣象局）