广州地区灰霾与清洁天气变化特征及影响因素分析

吴 蒙,范绍佳*,吴 兑,,廖碧婷,李海燕 (.中山大学环境科学与工程学院,广东 广州 5075；.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东 广州 50080)

通常将由非水成物组成的气溶胶系统造成水平能见度小于 10km的视程障碍现象称为灰霾[1-2].灰霾出现时,往往伴随着能见度的明显恶化,空气质量明显下降.灰霾天气给城市居民生产生活环境的保护和改善带来了新的挑战.

已有的研究表明,城市地区污染物的排放和城市群之间的相互作用是灰霾天气发生的重要影响因子,气象条件是灰霾天气出现与否的决定性控制条件,近地层输送条件即地面流场与大气污染物的扩散稀释密切相关.目前关于灰霾天气的研究,国内外已做了许多极有意义的研究,也取得了丰富的成果[3-6],但仍然存在许多值得进一步探索的问题.

广州位于珠江三角洲核心,是我国经济最活跃的前沿地区之一.珠江三角洲特殊的地理环境使广州极易受到南北气流及其他局地环流的影响[7-17].本文尝试根据地面观测资料,从定量方面对广州地区灰霾天气出现的指标进行一些探讨,揭示近地层输送条件对灰霾天气的影响.

1 资料和研究方法

研究资料为2006～2010年广州地面气象站每日 4次相对湿度、能见度资料,每日逐时地面风速、风向资料以及2006～2009年珠江三角洲地区33个地面气象站每日逐时风速、风向资料.

资料处理时,参考吴兑等[1-2,13]的划分标准,将日平均能见度＜7km,同时日平均相对湿度＜90%,并持续3日以上的事件称为灰霾天气过程;将连续 3日以上日平均能见度＞15km的事件称为清洁天气过程.根据灰霾天气过程和清洁天气过程的定义,利用广州地面气象站每日 4次的相对湿度和能见度资料,挑选出 2006～2010年两种天气过程的所有个例进行统计分析.统计分析时,为滤去风速的季节差异,用实测风速减去相应季节的多年平均值得到距平风速.

风矢量和(VST)[13]是判断大气扩散能力的有力指标,有着与流场不同的物理意义,能够有效反映出一个区域在一个时间段空气流动的输送作用.为了清晰反映出广州地区的风矢量和特征,本文在采用cressman插值法对站点观测数据进行网格化(0.05°×0.05°)后,对广州站及以广州站为中心的四周4个格点共5个格点进行时间和空间矢量叠加,在计算时以24h为时间步长,同时在进行空间叠加后除以5作为广州站的均值;而在进行个例分析时,为从整体上更加直观反映区域矢量和的特征,计算时对广东全省每个插值后格点进行120h时间叠加的同时也进行相应的空间叠加.

为探讨风场与能见度之间的关系,分别计算了风速与能见度、矢量和与能见度之间的滑动相关系数.参照林学椿[18]对滑动相关系数不同窗口实验的结果,同时考虑天气过程自身的时间尺度特征,分析时取滑动窗口为11d,滑动相关值记在窗口的第6d,从而得到灰霾和清洁天气过程逐日的滑动相关值.

2 结果分析

2.1 广州灰霾与清洁天气过程年际及季节分布特征

广州位于亚热带地区,四季并不分明,但是存在显著的干湿季,通常将4～9月定义为湿季,10月至翌年3月定义为干季[19-20].

表1给出2006～2010年广州地区逐年干湿季灰霾与清洁天气过程总日数的分布情况.

表1 灰霾过程与清洁过程年、季分布情况(d)Table 1 Yearly variation of hazy and cleaning weather in each seasons (d)

由表1可见,2006～2010年广州地区灰霾天气过程的出现日数,在2008年达到最大值后呈现出显著的下降趋势,2009年总日数最少,仅为3d,只出现一次灰霾天气过程;2006～2010年广州地区清洁天气过程总日数呈现出增长的趋势,2009年达到最大值,2006～2010年广州空气质量有明显改善.

2006～2010年广州地区灰霾天气过程主要出现在干季,湿季则较少发生,部分年份湿季甚至完全没有个例出现;与灰霾天气相反,清洁天气过程则主要出现在湿季,干季也有出现.这种分布特征,与大尺度环流背景的季节变化以及干湿季地面风场特征有密切的联系[9].

2.2 广州灰霾与清洁天气过程地面风场特征

图1a给出2006～2010年广州地区所有灰霾天气过程的风速分布情况,图1b为风速与能见度的滑动相关系数. 由图1a可见,绝大部分灰霾天气过程的日平均风速＜1.5m/s(经统计,频率达到93%以上);干季大部分灰霾天气过程日平均风速＜1.0m/s,极端个例甚至在0.5m/s以下. 从图1b中还可以看出,灰霾天气过程发生时,风速与能见度的相关系数大部分都在0.5以上,说明两者存在着较强相关.同时也存在少数个例由于风速相对较大而出现弱相关乃至负相关,经分析发现此类个例多为灰霾天气发生中的灰霾日,这是由于灰霾天气发生期间污染物已经累积了较长时间,能见度已经相当低,即便风速出现波动,能见度也不会迅速随之波动.总体来看,灰霾发生时,风速越小相关系数越大,风速小于1.5m/s时,强相关比较明显,这说明水平风场对灰霾天气有着重要影响.

图1 广州灰霾天气过程日平均风速及相关系数Fig.1 Scatter diagram for diurnal mean wind speed and correlation coefficient of haze weather over Guangzhou

为分析灰霾天气发生时的风速与相应的季节平均风速的关系,图2给出灰霾天气过程日距平风速(实测风速减去相应季节的多年平均值)点聚图. 由图2可看出,86%以上距平风速为负值,说明灰霾天气发生时的风速往往要小于相应的季节平均风速.与日平均风速的分布相似,除三月份部分个例距平风速较大外,干季的距平风速均较小,整体来看灰霾天气过程中大部分日平均风速比相应季节平均风速小0.5m/s左右.

图3a为2006年-2010年广州地区所有清洁天气过程的风速分布情况,图3b为清洁天气过程中风速与能见度的滑动相关系数.从图3a和图3b可看出,2006～2010年广州湿季清洁天气过程出现频率要高于干季.干季清洁天气过程发生时,日平均风速与能见度的相关系数较大,表现出强的正相关.而在湿季,风速大于1.5m/s时相关系数较大,小于1.5m/s时相关性则较弱,这是由于湿季季风活动较强,大气对流旺盛,而且降水也较多,因此有些时候虽然风速较小,但是污染物也难以积累.综合发现,风速越大,相关系数也越大,此时水平风场的清除作用也越显著.

图2 广州灰霾天气过程日距平风速Fig.2 Scatter diagram for diurnal anomaly wind speed of haze weather over Guangzhou

图3 广州清洁天气过程日平均风速与相关系数Fig.3 Scatter diagram for diurnal mean wind speed and correlation coefficient of cleaning weather over Guangzhou

经统计还可以发现,全年 65%以上清洁天气过程日平均风速值大于 1.5m/s,与此同时干季的清洁天气过程日平均风速高于 1.5m/s的比例更是达到 70%以上,湿季则有较多个例在风速小于1.5m/s的情况依然是清洁天气过程,这是由于湿季天气多变,大气活动旺盛,扩散条件较好,灰霾天气过程极少出现.

图4为2006～2010年广州地区清洁天气过程距平风速的分布情况,从图 4可看出,2006年-2010年清洁天气过程的距平风速普遍＞0,距平风速在1m/s以上的个例也相当多,说明清洁天气过程日平均风速大多大于相应的季节平均风速;湿季则存在一定数量的清洁天气过程的距平风速＜0,这与湿季扩散条件较好,清洁天气过程较易出现有关.

图4 广州清洁天气过程日距平风速点聚图Fig.4 Scatter diagram for diurnal anomaly wind speed of cleaning weather over Guangzhou

仔细对比分析图1～图4灰霾天气过程和清洁天气过程的风速特征,可以发现:灰霾天气在风速较小时(＜1.5m/s)较易发生,风速比相应的季节平均风速小;与灰霾天气过程相反,清洁天气过程的风速往往较大,比相应的季节平均风速大.而且干季灰霾天气过程和清洁天气过程中能见度与风速的相关系数均较好,风速较大时,能见度也较大,风速较小时,能见度也相应较小;湿季则由于受到对流、降水等其他因素的影响,大气扩散能力较好,风速与能见度的相关性相对较弱.

图5为2006～2010年广州地区灰霾天气与清洁天气的风向频率分布.从图5可见,湿季的灰霾天气过程多出现在东风和偏东风,清洁天气过程多出现在东南风(图5a2),与湿季的主导风向是一致的(图5a3).干季灰霾天气过程多出现在东南风(图b1),这与干季主导风向有着显著差别(图5b3),干季清洁天气过程则主要发生在北风(图5b2),与多年风向频率中主导风向一致,北方越过南岭而来的强冷空气能够有效的将污染物稀释扩散.从静风频率看,灰霾天气过程静风频率远远大于清洁天气过程,静风天气时空气停滞,扩散条件较差,容易导致灰霾天气,清洁天气过程静风频率比多年静风频率要小很多.

图5 2006～2010年广州地区风向频率分布Fig.5 Diagram of wind direction frequency in Guangzhou during the year 2006-2010

2.3 矢量和特征

图6a和图6b给出2006～2010年广州地区所有灰霾天气过程的风矢量和以及风矢量和与能见度的滑动相关系数分布情况.由图 6a中可见,在灰霾天气过程中矢量和风速较小,81%都在25m/s以下,说明风速的输送作用较弱,大气扩散条件较差;而在清洁天气过程中,矢量和风速较大,尤其是冬春季大部分都大于25m/s,风速的输送作用比较显著,污染物难以堆积.由图6b可知,大部分个例的风矢量和与能见度存在着较强相关,而且风矢量和越小,相关系数越大;也存在少数相关性较弱的个例,这是因为一次灰霾天气过程是由多个连续的灰霾日组成的,而在这连续的灰霾日中时间居中的灰霾日往往受风场波动影响较小.

图6 广州灰霾天气过程风矢量和与相关系数Fig.6 Scatter diagram for diurnal sum of wind vectors and correlation coefficient of haze weather over Guangzhou

图7a为2006～2010年广州地区所有清洁天气过程的风矢量和分布情况,图7b为清洁天气过程中风矢量和与能见度的滑动相关系数.从图7a中可知,在清洁天气过程发生时,风矢量和大部分较大,统计表明70%在25m/s以上,说明该条件下大气扩散能力较强,污染物难以堆积.由图6b可知,2006～2010年广州清洁天气过程中干季风矢量和与能见度存在着显著的相关性,风矢量和越大,相关系数越大,但是在湿季有部分个例风矢量较小,相关系数也相对较小,这主要是受湿季本身扩散条件较好影响.

图7 广州清洁天气过程风矢量和及相关系数Fig.7 Scatter diagram for diurnal sum of wind vectors and correlation coefficient of cleaning weather over Guangzhou

综合分析图6和图7可知,风矢量和能够有效的反映出风场对污染的输送作用.当灰霾天气出现时,风速较小,同时风向的摆动也较为剧烈,导致风矢量和较小;而清洁天气过程中,风速风向往往持续稳定,风场对污染物有着较强的输送作用.灰霾天气过程中,大多数时候风矢量和与能见度存在较强相关,风矢量和越小,能见度也越小;而清洁天气过程中,干季风矢量和与能见度的相关性较好,湿季由于扩散条件较好,风矢量和与能见度的相关性要略差.

2.4 典型个例分析

为进一步分析扩散条件对广州地区灰霾天气过程与清洁天气过程的影响,选取 2009年 11月19～28日为典型个例进行剖析,其中19～23日是一次清洁天气过程,26～28日则为一次灰霾天气过程.

图8给出2009年11月19～28日广州地面观测站的风速时间变化情况.从图8可看出,19～23日清洁过程的风速较大,风向非常稳定,主要为北风;24～25日属于过渡阶段,这段时间内风速显著减小,风向多变,大气扩散能力减弱,污染物开始堆积;26～28日灰霾天气爆发,风速依然较小,在1.5m/s左右波动,北风较弱,偶有南风.

图9分别给出清洁过程(19～23日)和灰霾过程(24～28日)进行 120h风矢量和计算后得到的矢量和空间分布图.从图9a可以看出,清洁天气过程中风的矢量和较大,珠三角地区大气扩散条件较好,不利污染物的堆积;而灰霾天气过程出现时,图9b中矢量和显著减小,珠三角地区存在一块显著的气流停滞区,大气扩散条件很差,污染物难以扩散,导致广州地区出现灰霾.

从图8和图9还可以发现,在持续、稳定的强风作用下,风矢量和较大,污染物难以堆积,大气比较清洁;而风速较小、风向多变时,风矢量和较小,污染物累积效应增强,会导致灰霾天气爆发.

图8 2009年11月19～28日广州风速随时间变化Fig.8 Changes of wind velocity over Guangzhou during Nov. 19-28,2009

图9 风的120h矢量和Fig.9 Sum of wind vectors for 120 hours

3 结论

3.1 广州灰霾天气过程主要发生在干季,湿季极少发生;清洁天气过程主要出现在湿季,干季则相对较少出现.这与亚洲大尺度纬向环流的冬强夏弱有一定关系.

3.2 大部分灰霾天气过程发生时,广州地面风速一般小于 1.5m/s,比相应季节的平均风速小0.5m/s以上;清洁天气过程中广州地面风速一般在 1.0～3.0m/s之间,大部分比相应季节平均风速大0.5m/s以上,部分时候甚至大1m/s以上.

3.3 在干季,灰霾天气过程出现时主要为东南及东南偏南风,而清洁天气过程的主导风向则为北风及偏北风.湿季时的灰霾天气过程较少,多表现为东风,清洁天气过程主要为东南风,与多年主导风向一致.

3.4 灰霾天气过程出现时,广州地区矢量和风速较小,风场的输送作用较弱;清洁天气过程的风矢量和则较大,能够有效的将污染物扩散出去.

3.5 广州灰霾天气发生时,能见度与风速以及风矢量和的相关性较好,风速和矢量和越小,相关性也越强;而清洁天气过程发生时,干湿季能见度与风速以及风矢量和相关系数则存在显著差异,干季相关性较强,风速和风矢量和越大,相关性越强,湿季则由于受到其他因素的影响,相关性相对较弱.

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致谢：本文中所使用的数据均由中国气象局广州热带海洋气象研究所提供,在此表示感谢.