1981～2010年深圳市不同等级霾天气特征分析

王明洁,朱小雅,陈申鹏

(1.深圳市国家气候观象台,广东 深圳 518040；2.深圳市气象局,广东 深圳 518040)

霾是大量极细微的干尘粒均匀地飘浮在空中,使大气水平能见度小于10.0km的空气普遍混浊现象[1].随着我国经济的快速发展,大气污染加剧,霾天气日益增多,给人体健康、生态环境和交通安全等带来了严重危害.我国学者从霾的观测识别[2-3]到时空分布、气候特征[4-6]、成因分析[7-9]以及数值模拟[11-12]、气溶胶特性[13-15]等方面开展了大量研究工作.高歌等[4]通过对中国霾的时空分布特征及变化趋势的分析发现,全国平均年霾日数呈现明显的增加趋势,空间分布特征呈东多西少分布.目前中国 4大霾严重地区为京津冀地区、长三角地区、珠三角地区与四川盆地[2].吴兑等[9-10]对珠江三角洲地区的霾天气进行了深入的研究,指出珠江三角洲自20世纪80年代初开始,能见度急剧恶化,灰霾天气显著增加, 灰霾天气的本质是细粒子气溶胶污染,与光化学烟雾相关联.毛敏娟等[11]通过多元观测资料融合应用发现灰霾天气形成起主要作用的是细粒子,关键排放因子是黑碳、NO2、SO2等.

深圳地处珠江三角洲城市群,经济的快速发展、城市化及交通运输现代化给生态环境带来前所未有的压力,其中霾天气频发,已引起了政府和公众的极大关注.目前针对深圳不同等级霾天气长序列的研究较少,本研究对深圳市历史霾资料进行分析,揭示深圳市不同等级霾天气的长期变化特征,同时分析大气水平能见度、空气质量与霾的关系,以期为霾预测、控制和深圳市大气污染的治理提供参考.

1 资料与方法

本文所使用的气象资料为 1961～2010年深圳地面气象观测站资料,包括霾日数、能见度等资料,其中能见度资料长度为1981～2010年;空气质量监测数据为 2005～2010年深圳市环保监测站监测资料,包括全市日平均 PM10、SO2、NO2浓度和荔香站的逐时监测资料.

霾日以观测记录为准,根据《霾的观测和预报等级》[16](QX/T 113-2010)规定将霾分为4级:轻微霾(5～10km);轻度霾(3～5km);中度霾(2～3km);重度霾(0～2km).受能见度资料的限制,仅对1981～2010年30年的霾天气进行统计分析,以当天出现的最严重霾为标准.

采用线性回归和数理统计等方法,分析霾日的长期变化趋势以及不同等级霾与能见度、空气污染物浓度的关系.

2 深圳市霾天气气候变化特征分析

2.1 不同等级霾年际变化特征

由图 1可知,深圳市年霾日数总体呈增多趋势,以 41d/10a的线性趋势显著增多,这与深圳经济快速发展、人口剧增、污染物排放增多密不可分[10].深圳年霾日数变化大致可划分为3个阶段:第1阶段1961～1970年代末,霾日数最少,1961年首次记录到霾,1961～1970年代年均霾日数仅为0.5d,最多只有3d.这个时期作为边陲小镇的深圳经济发展缓慢,机动车数量和人口数量较少,因此能见度好,霾少有发生;第2阶段1980年代初～中后期,霾日数开始小幅度增多,年均 9.2d.此时深圳处于改革开放局部推进阶段,经济发展开始加速,但主要以基础硬件建设为主,因此霾虽然开始增多,但增幅较小;第3阶段1980年代末至今,霾日数剧增,由80年代年平均9.2d增加至90年代82.4d,2001～2010年持续增至163.2d,年最多高达240d (2008年).该阶段是深圳改革开放全面推进和跨越式发展阶段,经济迅速发展、城市规模不断扩大、人口剧增、汽车保有量至2012年已超过200万辆,这些因素导致空气污染加剧,霾天气频发.

图1 1961～2010年深圳年霾日年际变化Fig.1 Annual variation of haze days in Shenzhen during 1961～2010

由图 2可知,深圳市各级霾日数均呈现增多趋势,不同等级霾日数占年霾日数的比例随着等级升高而降低,即越严重的霾所占比例越低.轻微霾日数最多,占年霾日数比例也最高,30年平均为77%,但其比例呈减少趋势,1981～2001年约为97%, 2001～2010年减少至 67%,最低降至 53%;轻度霾1992年首次出现,2000年后明显增多,由20世纪90年代的年均2.3d上升至47.5d,其比例变化与轻微霾相反,呈增多趋势,由1981～2001年的3.3%上升到2001～2010年的28.7%,最高时达49%;中度霾1993年首次出现,之后至2003年才再度出现,2003～2010年每年均记录到中度霾,且日数明显增多,2007年最多达 23d;重度霾 1999年首次出现,共 7年有重度霾记录,最多为4d(2007和2008年).

图2 1981～2010年深圳不同等级霾年际变化Fig.2 Annnual variation for haze days with different level in Shenzhen during 1981～2010

由上述分析可见,深圳霾天气20世纪80年代末开始明显增多,2000年初强度开始增强,表现为中度以上霾出现并增多.

2.2 不同等级霾季、月变化特征

由表1可知,深圳四季均有霾出现,但存在明显的季节变化.冬季最多,占年霾日的 37.8%,其中12月和1月是霾日最多的月份;2月开始逐渐减少,春季约占全年的 17.1%;夏季霾进一步减少(10.5%), 是霾最少的季节,6月为一年中霾最少的月份;入秋后开始明显增多,秋冬季(9月至～莅年 2月)是霾出现最集中的季节(92.8%).

轻微、轻度、中度霾的月、季变化一致,均是冬季最多、秋季次之、夏季最少,12月和1月是出现最多的月份;重度霾与其他等级霾不同,夏季最多,秋季次之,8月是重度霾出现最多的月份.根据陈联寿等提出的台风概念模型[17],在台风系统移动方向的侧缘和前进方向为强下沉气流,在下沉区域内空气污染物的输送、扩散受到抑制,导致污染物累积和增加,从而在台风侧缘形成大范围污染物的增量区[18].据统计,深圳市 50%以上重度霾是由台风外围环流造成的,8月恰是台风影响深圳最多的月份.

表1 深圳1981～2010年不同等级霾月、季节分布Table 1 The seasonal and monthly variations of haze with different level in Shenzhen during 1981～2010

2.3 霾与能见度的关系

2.3.1 霾日平均能见度变化 由图3可知,任何年份霾日的能见度均低于非霾日,霾日平均能见度较非霾日约低 6～7km;无论霾日还是非霾日能见度总体均呈下降趋势,2001～2005年降至最低,2006年开始好转,且非霾日能见度转好幅度明显大于霾日.

2.3.2 霾日能见度日变化 为了解霾日能见度逐时变化特征,利用2007～2008年深圳逐时能见度观测资料,对比分析霾日和非霾日能见度日变化差异(图4).任何时次霾日能见度均低于非霾日,平均能见度较非霾日低 10km 左右;霾日与非霾日的能见度均具有明显的日变化特征:清晨(3:00～6:00)最低,之后开始逐渐转好,午后(15:00～17:00)达到最高,之后逐渐转差,这与深圳市风速和相对湿度的日变化特征一致.另外,霾日能见度日变化幅度较小,最低值与最高值相差仅有 3km,而非霾日可达 7km;霾日除午后14:00～17:00外,各时次平均能见度均在10km以下,非霾日各时次平均能见度均在 15km以上.这一方面表明霾的出现导致大气水平能见度明显下降,另一方面也说明霾出现在大气层结稳定的情况下,不利于空气中污染物的扩散,霾天气持续时间较长.

图3 霾日和非霾日平均能见度年际变化Fig.3 Annual variation of average visibility for haze and non-haze days

图4 霾日和非霾日平均能见度日变化Fig.4 Diurnal variation of average visibility for haze and non-haze days

2.3.3 不同等级霾条件下能见度变化 由图 5可知,霾等级越高,能见度越低.重度霾日平均能见度在4km附近波动,7月重度霾能见度最低,平均为 2.8km;中度霾日能见度在 5km附近波动,7～8月中度霾平均能见度最高,为7～8km,说明7～8月出现的中度霾持续时间较短;轻度和轻微霾平均能见度各月的差异不大,分别在6～7km和10～11km之间,7月能见度最好.

图5 不同等级霾日平均能见度月变化Fig.5 The monthly variation of average visibility for haze with different level

2.4 霾与空气质量的关系

2.4.1 霾日空气污染物浓度月变化特征 根据《深圳市环境状况公报》(2005～2010)统计分析[19],深圳首要污染物是可吸入颗粒物(PM10),其次是 NO2.由图 6 可知,霾日 PM10、SO2、NO2浓度均高于同期非霾日,为非霾日的 1.4～1.7倍.霾日 PM10、SO2、NO2日平均浓度分别为 72.5、21.4、53.1mg/m3,3种污染物中SO2浓度最低,与SO2是固定工业污染源高空排放的产物,而高空有利于污染物扩散有关[20].

霾日 PM10浓度随季节呈冬秋季高,夏春季低的特点,12月浓度最高值,其次为 11月和 1月,4～9月浓度处于较低水平,最低值出现在6月,与霾日数的季节变化一致. 霾日NO2和SO2浓度无明显季节变化特征,分别在 50,20mg/m3附近小幅波动,NO2浓度在 11月～至莅年 1月略高,约60mg/m3,SO2在 7～8月浓度略高,约为 30mg/m3,这与火电厂排放是 SO2的主要污染源之一有关,7～8月是深圳的盛夏季节,用电量是一年中最高的月份,从而使得7～8月SO2浓度高.3种污染物无论霾日还是非霾日2月均较1月有小幅下降,3月再次回升,而气象条件在1～2月无明显差异,这可能是与春节前后大量工厂停业、人员离深、机动车停驶导致污染源减少有关.

图6 霾日、非霾日空气污染物浓度月变化对比Fig.6 The monthly variation of air pollutant concentrations for haze and non-haze days

2.4.2 霾日空气污染物浓度日变化特征 为了解霾日空气污染物浓度的日变化特征,选取观测资料完整、污染较重的荔香站为例,分析霾日和非霾日污染物浓度日变化的不同.由图7可知,各时次霾日 PM10、SO2、NO2浓度均高于非霾日,其中霾日 SO2、NO2浓度约为非霾日的 1.5～1.7倍,PM10浓度约为非霾日的 2.2倍,由此可知,PM10大气颗粒物污染加剧可能是深圳能见度恶化,霾增多的一个重要原因.

无论霾日还是非霾日 SO2的浓度均无明显的日变化,白天浓度略高于夜间;PM10、NO2浓度日变化特征明显,一天中存在2个峰值,分别出现在 7:00～9:00和 18:00～20:00,恰与上下班时段相吻合,且霾日NO2浓度变化幅度明显大于非霾日,这与上下班时段机动车尾气剧增,导致NO2浓度明显上升相关[21].

2.4.3 不同等级霾条件下污染物浓度变化特征 由图 8 可知,霾等级越高,空气中 PM10、SO2、NO2的浓度越高. SO2、NO2和PM10浓度从轻微到重度霾各级之间增幅大都在 15%～20%,只有SO2浓度由中度到重度霾增至23.9mg/m3,增幅达78%,即从轻微到重度霾上一级霾 PM10、SO2、NO2的浓度约为下一级的1.1～1.2倍.

图7 荔香站霾日和非霾日空气污染浓度日变化Fig.7 Durial variation of air pollutant concentrations for haze and non-haze days at Lixiang Station

图8 不同等级霾天气空气质量对比Fig.8 Comparison of air quality for haze with different level

3 结论

3.1 1981～2010年深圳市年霾日数显著增多,各等级霾日数也呈明显增多趋势; 霾强度增强,轻微霾占年总霾日的比例明显下降,轻度以上霾增加,表现在2000年以来中度以上霾明显增多.

3.2 轻微、轻度和中度霾均具有冬季>秋季>春季>夏季的季节变化特征,重度霾夏季最多,台风外围下沉作用导致深圳夏季重度霾出现概率最高.

3.3 霾造成大气水平能见度明显下降,霾日平均能见度较非霾日低 6～7km, 霾等级越高能见度下降越明显;霾日由于风力微弱,扩散能力下降,能见度日变化幅度较非霾日减小.

3.4 霾等级与 PM10,SO2和 NO2浓度正相关,大气颗粒物污染加剧可能是深圳霾天气增多的一个重要原因;霾日 PM10和 NO2浓度的双峰型分布与上下班时段吻合,说明机动车的增加是深圳霾天气增多的另一重要因素.

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