近十年天津市霾日數(shù)變化特征及持續(xù)性霾天氣特征分析

鄭繼強 楊洋 侯景 岳沈 等

摘 要：本文利用天津濱海國際機場2008—2017年每隔半小時發(fā)布的METAR報文、ERA-Interim數(shù)據(jù)以及探空數(shù)據(jù)等，分析了近十年天津市霾日數(shù)變化特征，并從濕度、風(fēng)場、壓力場等方面進行霾的成因分析，此外還挑選一次持續(xù)性霾天氣進行個例分析，結(jié)果表明：1）天津市年霾日數(shù)從2008年逐年上升，在2014年達到十年間最高值，之后有明顯下降趨勢，2017年降至十年間最低值。2）從季節(jié)分布來看，天津地區(qū)霾天氣呈現(xiàn)全年易發(fā)的特點，但總體來看，秋冬較春夏多，其中12月最多，5月最少。3）一日之中，霾出現(xiàn)的概率有明顯的日變化特征，清晨6點以后霾的出現(xiàn)頻率劇增，高峰值出現(xiàn)在9-12點，午后，霾逐漸消散或轉(zhuǎn)為輕霧。4）在霾天氣發(fā)生前后，能見度、溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速均有顯著差異，冬季霾在剛出現(xiàn)時，風(fēng)向變化不明顯，以偏南風(fēng)為主，此后風(fēng)向順轉(zhuǎn)，在霾消散的過程中，以西北風(fēng)為主。5）逆溫層的存在和大氣層結(jié)穩(wěn)定是霾發(fā)生的一個重要條件，表現(xiàn)為多個逆溫層，逆溫層高度較高，厚度較大。

關(guān)鍵詞：霾;霾日數(shù);氣象成因;霾天氣特征;風(fēng)場;逆溫

1 概述

根據(jù)中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》[1] 霾是一種視程障礙現(xiàn)象，是指大量極細微的干塵粒等均勻地游浮在空中，使能見度小于10千米的空氣普遍混濁現(xiàn)象。近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，使得霾天氣頻繁發(fā)生，霾主要發(fā)生在大氣底層，嚴重的霾或霧霾混合天氣往往造成能見度嚴重不足，給交通運輸行業(yè)帶來很大影響;同時，霾天氣嚴重影響空氣質(zhì)量，使空氣質(zhì)量等級達到重度污染，甚至嚴重污染，影響人們的日常生活和身體健康。可見，研究霾天氣的時空變化特征及成因分析，加強霾的準確預(yù)報，發(fā)展氣象探測技術(shù)，對公眾出行和維護身心健康具有重要意義。

但在2005年之前，我國對霾的系統(tǒng)性研究不多，甚至對霾的觀測都沒有足夠重視，近年來，隨著霾天氣被歸入嚴重的災(zāi)害性天氣當(dāng)中，受到的關(guān)注和研究也多了起來，[2]我國針對霾天氣的相關(guān)研究涉及許多方面，如霾的時空分布特征，霾的氣象成因分析、污染影響因子分析、邊界層分析、氣候特征分析等，[3]潘瑋等（2017）指出，近50年來（1961-2013年），中國霾天氣主要集中在東部從華南到華北的大部分地區(qū)，霾日數(shù)呈增加趨勢，而我國西部和東北大部分地區(qū)年霾日數(shù)則以減少趨勢為主。秋冬兩季是霾天氣發(fā)生最頻繁，變化最明顯的兩個季節(jié)。[4]中國北方，尤其是華北平原冬季霾污染愈發(fā)嚴重，霾的易發(fā)期由冬季轉(zhuǎn)變?yōu)槿辏决踩諗?shù)也明顯上升。[5]

霾的形成在很大程度上受到人類活動的影響，霾天氣頻發(fā)除了與污染物排放有關(guān)，還受到天氣、氣候的影響，張文龍（2016）等指出：在污染排放尚未得到全面管控和明顯改善的情況下，氣象條件仍是決定霾天氣發(fā)生、空氣質(zhì)量變差甚至達到重度污染的關(guān)鍵因素。[6]氣象條件對污染物的擴散、稀釋、分布和積累有一定的作用，在污染源強一定的條件下，污染物濃度的大小主要取決于氣象條件。[7]馬曉倩（2016）等研究表明，在東亞冬季風(fēng)減弱和顆粒物充足的大背景下，霾天氣與風(fēng)力之間的負相關(guān)明顯減弱，而水汽條件（降水和濕度）的正相關(guān)明顯加強。[8]東亞冬季風(fēng)在年代際和年際尺度上，都可以顯著影響北方冬季霾，風(fēng)是邊界層內(nèi)影響污染物擴散的重要動力因子，風(fēng)向決定著大氣中污染物的輸送方向，風(fēng)速決定著大氣中污染物的擴散稀釋速度，特別是低層風(fēng)向、風(fēng)速的變化直接影響空氣污染物的聚散及各處的濃度變化。

我國學(xué)者針對霾天氣的研究主要關(guān)注熱點在中國東部區(qū)域的冬季霾，東部區(qū)域又以京津冀地區(qū)居多，如對北京嚴重霾天氣過程的研究，[9]河北廊坊市連續(xù)重污染天氣的氣象條件分析等，[10-11]而針對天津地區(qū)的霾日數(shù)特征及成因鮮有研究，事實上，天津地區(qū)作為一個沿海城市，空氣流動性相對較大，相比北京、石家莊等京津冀其他地區(qū)，氣象要素對空氣污染的影響存在較大時空差異，因此，研究天津地區(qū)的霾日數(shù)變化特征及氣象成因分析具有一定現(xiàn)實意義。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 資料來源

本文使用的數(shù)據(jù)為天津濱海國際機場2008年1月1日00：00-2017年12月31日12：30（UTC時間）的的METAR報文，報文內(nèi)容主要包含風(fēng)向、風(fēng)速、能見度/RVR（跑道視程）、天氣現(xiàn)象、溫度/露點、氣壓值等。對霾的成因分析則使用了歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）的ERA-Interim數(shù)據(jù)，水平分辨率為1°×1°，此外，還有來源于北京南郊氣象觀測臺的探空數(shù)據(jù)。

2.2 霾日判定標準

按照中華人民共和國氣象行業(yè)標準《霾的觀測和預(yù)報等級》（QX/T113-2010），霾觀測的識別條件為：能見度小于10.0km，排除降水、沙塵暴、揚沙、浮沉、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙，相對濕度小于80%，判識為霾;相對濕度小于80%-95%時，按照地面氣象觀測規(guī)范規(guī)定的描述或大氣成分指標進一步判識（中國氣象局，2010）?，F(xiàn)有的研究對某日某地是否發(fā)生霾天氣的判定方法不盡相同，現(xiàn)行行業(yè)標準判定霾日需要用到大氣成分觀測數(shù)據(jù)（如PM2.5），可能無法推演出較早時期的霾。[12]由于機場報文中天氣現(xiàn)象一項中“霾”是根據(jù)能見度和相對濕度判識的，可信度高，為此，本文根據(jù)機場報文中“天氣現(xiàn)象”一項出現(xiàn)“HZ”作為判識霾出現(xiàn)的標準，采用14時（UTC時間為6時）實測值，[13-14]即，在14時出現(xiàn)霾，則認定為霾日。

3 近十年霾日數(shù)變化特征及成因分析

3.1 近10年霾日數(shù)年變化特征

3.2 近10年霾日數(shù)季節(jié)變化特征

3.2.1 霾日數(shù)季節(jié)變化特征

3.2.2 成因分析

3.2.2.1 氣候?qū)W分析

為從氣候?qū)W的角度分析霾的成因，將2008-2017年的ERA數(shù)據(jù)按月份做10年平均化處理，以表征每個月的氣候特征，由圖2可知，10、11、12、1這四個月份為霾的多發(fā)月份，因此我們選取其中兩個月850hpa對應(yīng)的高度場和風(fēng)場作為研究對象，因為該層大氣能較好的反映大尺度的天氣形勢。

在進入10月份以后，降水天氣明顯減少，霾的出現(xiàn)則隨之增加。從圖a可以看出10月的850hpa高度場受到副熱帶高壓控制，此時天氣晴朗，干燥，污染物濃度相對較高，但不是全年最高，這是由于受到北方冷空氣的影響，導(dǎo)致北風(fēng)分量增大。而增大的北風(fēng)分量有利于霾的消散。12月（b）相比10月份（a）冷空氣活動更加頻繁，北風(fēng)分量也更大，但是平均霾日有增無減。這可能是由于北方冬季取暖大量燃燒煤炭造成的。

3.2.2.2 濕度分析

大氣中水汽的含量影響著霾與霧的形成，且大氣濕度是衡量大氣中水分含量多少的參數(shù)，故選濕度作為研究霾成因的氣象要素。

根據(jù)3.1得出的結(jié)論：2014年是天津市十年間年霾日數(shù)最高，而最低值出現(xiàn)在2017年，因此，這里選取2014年和2017年作為研究對象，結(jié)果見圖4。

3.3 近10年霾出現(xiàn)概率日變化特征

圖5為2008-2017年霾出現(xiàn)概率日變化圖（北京時間），將一天24個小時劃分為8個時間段，每個時間段包括三個小時，從中可看出：各季節(jié)霾出現(xiàn)概率日變化趨勢基本一致，從全年來看，9點-12點是霾天氣出現(xiàn)的高4.1 天氣實況

2014年12月7日-10日，天津遭遇大范圍霧霾天氣。此次天氣持續(xù)過程中，出現(xiàn)了霾——霧霾——霧相互轉(zhuǎn)化的過程，霾多形成于白天，傍晚夜間轉(zhuǎn)化為霧霾或輕霧，具有明顯的日變化特征，這與本文3.3結(jié)論相吻合。此次霧霾天氣持續(xù)時間長，影響范圍廣，造成低能見度和空氣污染，給人們出行和身體健康帶來嚴重影響。

4.2 地面基本氣象要素特征

5 結(jié)論

（1）根據(jù)長期機場報文數(shù)據(jù)分析，天津地區(qū)年霾日數(shù)在2014年以前呈上升趨勢，在2014年達到十年間最高值，2014年以后有明顯下降趨勢，2017年降至十年間最低值，這與政府對生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重視密切相關(guān)。

（2）從季節(jié)分布來看，天津地區(qū)霾天氣呈現(xiàn)全年易發(fā)的特點，但總體來看，冬季霧霾的出現(xiàn)頻率為全年四季最高，大陸高壓的控制以及中低層風(fēng)場風(fēng)速減小，使得冬季的霾日數(shù)和嚴重程度較其他季節(jié)多。

（3）霾出現(xiàn)的概率有顯著的日變化特征，各季節(jié)霾出現(xiàn)概率日變化趨勢基本一致，清晨6點以后霾的出現(xiàn)頻率劇增，高峰值出現(xiàn)在9-12點，午后，霾逐漸消散或轉(zhuǎn)為輕霧，入夜后，霾出現(xiàn)的概率較小。

（4）十年間，在霾日數(shù)較少的年份，相對濕度與霾日數(shù)的相關(guān)性最強，相對濕度的變化對霾的形成有較大影響，在霾高發(fā)的年間，相對濕度和霾日數(shù)的相關(guān)性較差。

（5）在霾與霧交替出現(xiàn)過程中，能見度、溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速均有顯著差異，較霾天氣相比，輕霧或霧霾混合天氣往往能見度更低，相對濕度較大，風(fēng)速更弱，在霾剛出現(xiàn)時，風(fēng)向變化不明顯，以偏南風(fēng)為主，此后風(fēng)向順轉(zhuǎn)，在霾消散的過程中，以西北風(fēng)為主。

（6）霾天氣持續(xù)期間，天津地區(qū)上空始終有逆溫層存在，層結(jié)特征表現(xiàn)為：多個逆溫層同時存在，并且逆溫層高度較高，厚度大。

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基金來源：天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（項目編號：20180059065）