常州市霾天气特征及其影响因子分析

沈 琰，雷正翠，杨卫芬，宋大伟

（1.常州市环境监测中心，江苏 常州 213001；2.常州市气象台，江苏 常州213022）

常州市霾天气特征及其影响因子分析

沈 琰1，雷正翠2，杨卫芬1，宋大伟1

（1.常州市环境监测中心，江苏 常州 213001；2.常州市气象台，江苏 常州213022）

基于常州市气象观测站 2001—2013年的气象资料和大气自动站 2009—2013年的监测数据，对常州市霾天气的变化特征、成因及其影响因子进行了初步分析。结果表明：2001—2013年，霾日数在全年及四季都呈现逐渐增多的年际变化特征，其中在 2001—2008年，霾日数的趋势平稳且窄幅波动，但2009—2013年，霾日数急剧增加。季节变化上表现出夏季少、冬季多的分布特征。霾天气多发生在午后，11时出现的次数最多。常州霾天气持续日数不断增加，2013年连续霾日最长是 16d。常州霾典型天气形势为受冷高压或变性冷高压控制之下和处于入海高压后部或底部。常州霾天气受气象因子的影响，在静风、偏东风、50%～60%的相对湿度、逆温、降水偏少和大气湍流不利气象扩撒条件下都易形成霾。

霾；特征；气象要素；影响因子；分析；常州

霾是大量极细微的干尘粒等均匀地游浮在空中，使水平能见度 ＜10.0km的空气普遍浑浊现象。霾使远处光亮物体微带黄、红色，使黑暗物微带蓝色［1］。由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快，我国区域性霾日益严重的主要因素是人为排放的大量气溶胶，霾已经不是一种完全的自然现象。霾不仅使能见度降低影响交通安全［2～3］，加重城市空气污染［4～5］，诱发与心肺功能障碍有关的疾病威胁人体健康［6］，还会降低农作物的产量和品质［7～8］。

国际上对霾的广泛重视始于 1995—1999年进行的 INDOEX观测计划。Sisler James F［9］曾对细粒子成分进行了研究，提出高浓度的硫酸盐是影响霾的最大因素，硝酸盐和有机物是第二大因素；西欧和北美对燃煤产生的 SO2污染问题做了大量研究，发现硫酸盐对霾的影响和对人体健康的危害是大气污染的后果之一；Appel等［10］则认为，细粒子硝酸盐颗粒对光的散射效应比硫酸盐更强。我国学者也对霾天气特征、霾物质的组成进行了研究，如高歌［11］对 1961—2005年中国霾的时空气候分布特征、变化趋势进行了详细分析并探索了霾变化的原因；王京丽等［12］研究了北京霾天气成因的主要气象因素；童尧青等［13］分析了1961—2005年南京地区霾天气的气候特征、气象要素特征及其成因；刘爱君等［14］分析了广州霾天气的气候特征；吴兑等［15～16］在广东霾天气研究等方面做了大量工作。

传统的煤烟型污染问题尚未解决，新的污染问题又接踵出现。发达国家经历了近百年的环境污染问题在我国经济发达地区近二三十年内集中爆发，呈现了煤烟型与机动车尾气污染共存的特殊大气复合污染格局。常州作为四大霾区域之一长三角的核心城市，也受到了霾天气的困扰。

1 资料来源

研究所用气象资料有常州市地面气象观测站2001—2013年的气象资料，包括霾天气日期、霾日地面观测记录（北京时间02∶00、05∶00、08∶00、11∶00、14∶00、17∶00、20∶00）。常州市大气自动站2009—2013年部分自动监测数据。

2 雾和霾的区别

2.1 雾和霾的转变过程

由于城市经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快，大气气溶胶污染日趋严重，雾霾频发，一天时间内经常出现由霾向雾或由雾向霾以及雾霾混合的变换过程。大致过程：夜间近地面温度显著下降，近地面形成逆温，大气中的污染物难以扩散，此时多以霾为主；随着温度的不断降低以及水汽的凝结，雾逐渐形成，但相对湿度 ＜90%，雾与霾混合存在；随着相对湿度的不断加大，霾粒子吸湿成为雾滴，逐渐转换为雾；日出以后，阳光辐射加强使地面温度升高，大气相对湿度降低，雾逐渐消散，但由于污染无法扩散，雾滴脱水后霾粒子又再悬浮在大气中，能见度下降，雾又逐渐转换为霾。

2.2 雾的主要特征

雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，由于对可见光的散射作用，使能见度显著降低，是近地面层空气中水汽凝结（或凝华）的产物。雾是由水滴或冰晶组成的，因而相对湿度应该是饱和的［1］。雾形成的条件一是冷却，二是加湿，三是有凝结核增加水汽含量。

2.3 霾的主要特征

当空气中的灰尘、硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐、有机碳氢化合物等粒子使大气浑浊、视野模糊并导致能见度恶化，这种非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍就称为霾。霾天气是指大气边界层乃至对流层低层整体的大气浑浊现象。

2.4 雾与霾的区别雾与霾有六大区别。一是能见度范围不同：雾的水平能见度＜1km，霾的水平能见度 ＜10km；二是相对湿度不同：雾的相对湿度 ＞90%，霾的相对湿度 ＜80%，相对湿度介于 80%～90%是霾和雾的混合物，但其主要成分是霾；三是厚度不同：雾的厚度只有几十～200m左右，霾的厚度可达1～3km左右；四是边界特征不同：雾的边界很清晰，过了 “雾区”可能就是晴空万里，但是霾与晴空区之间没有明显的边界；五是颜色不同：雾的颜色是乳白色、青白色，霾则是黄色、橙灰色；六是日变化不同：雾一般午夜至清晨最易出现，霾的日变化特征不明显，当气团没有大的变化，空气团较稳定时，持续出现时间较长。

3 常州霾天气变化特征

3.1 霾的年际变化

由图 1可见，常州 2001—2013年霾日数共出现1483d，平均霾日数 114d／a，期间以 2013年最多 （252d），而以2009年最少 （47d）。过去13年间，霾日数总体呈现出增多的变化特征，其中在2001—2008年，霾日数的趋势平稳且窄幅波动，而在2009—2013年，霾日数急剧增加。

大气颗粒物 （尤其是细颗粒物）污染加剧是霾频发的主要原因之一。2011年常州市大气污染物排放清单研究结果表明，细颗粒物 （PM2.5）排放贡献率前三位分别为道路扬尘、机动车尾气和工业。工业格局稳定的情况下，与道路扬尘和尾气排放息息相关的机动车就变得尤为重要。2009年常州市机动车保有量36万辆，2013年常州市机动车保有量76万辆，5年间增加 1.1倍，机动车快速增长可能是霾日数急剧增加的重要原因。

3.2 霾的月、季变化

图2给出了2001—2013年常州平均月霾日数变化情况。霾日数有明显的月季差异，一年当中，霾日数最多为 11月份 （14.2d），其次为12月份（12.7d），最少为8月份 （4.4d）。由图3可见，冬季 （12月—次年2月）出现霾日数最多（33.3d），秋季 （9—11月）和春季 （3—5月）次之，分别为 30.8d和 30.2d，夏季 （6—8月）最少 （19.8d）。由图 4可见，2010—2013年四季的霾日数都急剧增多，值得关注的是春季增幅最大，几乎每年成倍上升，2013年较2011年增加了53d。

夏季一般处于汛期，降水日数多且降水强度大，充沛的雨水对空气中悬浮的灰尘和粉尘等粗粒子起冲刷作用，不利于霾的形成。另外，夏季大气对流活动旺盛，使近地层污染物 （尤其是细颗粒污染物）扩散稀释，霾较少发生。冬季，常州受冷高压控制，下沉气流使低层大气生成稳定层结，随气流上传的颗粒物累积在稳定层下层形成霾层，并可持续数日。因此，常州霾的季节变化表现出夏季少、冬季多的分布特征。

3.3 霾的日变化

由 图 5可见，在 （北 京 时 间02∶00、05∶00、08∶00、11∶00、14∶00、17∶00、20∶00）7个时次中，11时出现霾的频次最高，年均59次，其次是14时，再次为17时，最少的是05时。究其原因可能是接近正午随着太阳辐射加强，近地层温度上升，即使有雾也逐渐转化为霾。

3.4 霾的持续日数

统计结果表明，一般情况下霾持续 1～4d，很少超过 10d。2011年起，常州每年均有若干次霾连续出现 6d以上，持续 10d的霾出现过 5次，分别发生在 2011年 （1次）、2012年 （1次）、2013年 （3次）。2013年连续霾日最长是16d，出现在2013年 11月 30日—12月15日；还有一次连续12d，出现在2013年1月5日—1 月16日。霾持续日期的增长、持续数日现象的频繁发生，是霾日数逐年增多的必然结果，更是空气污染形势严峻化的体现。

4 常州霾典型天气形势和类型

4.1 典型天气形势

霾的出现与天气形势关系密切，图6为常州霾典型天气形势图。通过分析重污染霾出现时的地面形势，得出当常州受冷高压或变性冷高压控制之下和处于入海高压后部或底部易形成霾。受冷高压或变性冷高压控制之下这种形势主要分为两种：一种是高压主体控制江南，常州位于高压中心部，没有压力阶差导致风力极小，叠加上游污染输送易出现霾；第二种高压底前部或 L型高压，秋冬季节弱冷空气南下影响，高压主体在河套或蒙古地区，冷峰过境后易出现霾。另外，当冷高压主体在华东一带入海时，常州位于入海高 压后部或底部，以均压场为主，也易出现霾。

4.2 典型天气类型

通过对近年常州霾天气过程、特征、形成原因和污染来源等分析，对霾典型天气类型进行归纳，主要得到五类霾天气类型。

4.2.1 冷峰前部型

冷峰前部型主要与冷空气活动有关，秋、冬、春三个季节均有可能出现。这种情况往往伴随着较强冷空气南下，锋面未到达常州，常处于山东半岛到江汉平原一带或以北的位置。由于大气扩散条件不利，造成大气污染物的堆积，出现霾。锋面过境时常伴有降水，空气受降水冲刷作用会明显好转。4.2.2 静稳天气型

静稳天气型一般是秋冬季节受冷高压控制，常州处于高压中心部，有逆温导致不利大气扩散条件出现，本地排放的污染物堆积在近地面无法向高空扩散。这类霾天气最长会持续一周左右，且会有由轻慢慢加重的过程。

4.2.3 雾霾天气型

雾霾天气型多发生在秋冬季多雾季节，天气通常晴好，风速较小，水汽湿度合适。大气扩散条件不利，且易形成逆温，造成污染物的堆积。颗粒物吸湿后膨胀，有利于化学反应生成二次污染粒子，促进雾与霾之间的相互转换。

4.2.4 秸秆焚烧型

随着农村生活水平的普遍提高，秸秆已不再作为农村的生活燃料，作物秸秆逐渐成为粮食收获以后的多余副产品，在夏、秋粮食收获期间，秸秆焚烧频发，加重霾的污染。研究表明，秸秆焚烧时，短时间内产生大量的污染物，加重了霾天气污染程度。另外，加强管理后杜绝了大面积焚烧，但零星分次焚烧也增加了霾发生的频次。

4.2.5 外来影响型

外来影响型是指本地污染源排放稳定的情况下，由于受外源影响短时间内突然造成污染，形成霾。通常是北方沙尘或者污染物随冷空气南下输送影响，沙尘影响主要集中在每年春季，污染物影响主要集中在冬季北方供暖季节。

5 气象因子对霾的影响

5.1 风对霾的影响

风是边界层内影响污染物扩散的重要动力因子。风向决定着大气中污染物的输送方向，风速则影响着大气中污染物的扩散稀释快慢，特别是低层风向、风速的变化直接影响空气污染物的聚散及各处的浓度分布。由表1可见，风速在0.1 ～3m／s时，霾的出现概率最高，占83.2%；风速为3.1～4m／s的出现概率次高，占10.1%；风速6m／s时仅有 0.13%的概率。表明当风速较小时，霾的出现概率较大，特别是静风和微风有利于霾天气的发生；而当风速6m／s时，有利于大气污染物水平输送；同时风速大，湍流加强，也利于垂直风向的输送和扩散，不利于霾的形成，因而出现霾的机率很小。从风向上看，出现霾概率最多的风向是ESE，占12.7%；其次是E，占11.6%。霾多出现在偏东风时，ENE到 SE的 5个风向就占了总数的47.4%，这可能与大气污染物输送有关。

5.2 相对湿度对霾的影响

统计2009—2013年，空气质量指数类别属于重度污染（即AQI＞200）时的相对湿度分布情况，见表 2，相对湿度在 50%～60%的概率最大，占41.3%；其 次 是 相对湿 度 在60% ～70%，占23.6%。可见适当的相对湿度是产生霾的有利条件。适当的相对湿度，一方面气溶胶粒子通过吸湿增大；另一方面气溶胶粒子吸收水份后更易发生化学反应，促进了二次污染粒子的产生，从而增加了霾的严重程度。

5.3 降水对霾的影响

统计2009—2013年降水资料，常州降水主要集中在夏季 （6—8月），降水 量占 年总量 的48.1%；春季 （3—5月）次之，占23.6%；冬季最少，仅占 13.6%。逐月的降水量和霾日数呈现负相关 （r＝－0.417）。夏季汛期带来充沛的降水对空气中悬浮的灰尘和粉尘起冲刷作用，不利于霾的形成。

5.4 大气湍流对霾的影响

大气湍流是大气中的一种重要运动形式，它的存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强，远大于分子运动的交换强度。分析 2012—2013年常州地界面积逐月垂直运动时间 －高度剖面图 （图 7a、b），表明 1—4月、10—12月对流层均盛行下沉气流，不利于污染物的扩撒。由2013年常州地界面积逐月垂直运动时间 －高度剖面距平图 （图 7c）可见，2013年6—12月对流层异常下沉运动，降水减少和不利气象扩撒条件极易形成霾天气，可能是 2013年出现连续16d霾日的原因之一。

5.5 逆温对霾的影响

一般情况下，在低层大气中，通常气温是随高度的增加而降低的。但有时在某些层次可能出现相反的情况，气温随高度的增加而升高，这种现象称为逆温。逆温层好比一个锅盖盖在城市上空，导致污染物停留在近地层而排放不出去，易出现霾。根据近年统计，常州每年出现霾天气且同时出现逆温的比例均在 85%以上，逆温层高度自 600～1000hPa不等，有时几个高度段还会同时出现。

6 结论

（1）2001—2013年，常 州霾 日数共出现1483d，年平均霾日数114d。霾日数总体呈现出增多的变化特征，其中在 2001—2008年，霾日数的趋势平稳且窄幅波动，而在2009—2013年，霾日数急剧增加。

（2）常州霾的季节变化表现出夏季少、冬季多的分布特征，其中以 11月份最多，8月最少，霾天气多发生在午后，11时出现的次数最多。

（3）2010—2013年全年和四季的霾日数都急剧增多，值得关注的是春季增幅最大，几乎每年成倍上升，2013年较2011年增加了53d。

（4）常州霾天气持续日数不断增加。自 2011年起，常州每年均有若干次霾连续出现6d以上，持续 10d的霾出现过5次，2013年连续霾日最长是16d。

（5）常州霾典型天气形势为受冷高压或变性冷高压控制之下和处于入海高压后部或底部。

（6）对常州霾典型天气类型进行归纳，归纳为冷锋前部型、静稳天气型、雾霾天气型、秸秆焚烧型和外来影响型五类霾天气类型。

（7）常州霾天气受气象因子的影响，风速在0.1～3m／s、偏东风、相对湿度在50%～60%、逆温、降水偏少和大气湍流不利气象扩撒等条件下都易形成霾。

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Characteristics of Haze Weather and Factors Identification in Changzhou

SHEN Yan1，LEI Zheng－cui2，YANG Wei－fen1，SONG Da－wei1
（1.Changzhou Environmental Monitoring Center，Changzhou Jiangsu 213001 China）

The variation trend of haze and factors causing haze in Changzhou were analyzed based on meteorological observations obtained from Changzhou Meteorological Station（2001－2013）and atmospheric monitoring stations （2009－2013）.The frequency of occurrence of haze had the following trends that the number of haze days increased gradually from 2001 to 2013.The number of haze days showed a slight rise from 2001 to 2009.However，it increased sharply from 2009 to 2013.Meanwhile，winter had more haze days than summer.Haze often occurred at noon with the highest frequency of occurrence around 11 o’clock in the morning.The number of continuous haze days has increased in Changzhou in recent years.The longest continuous haze days were 16 days in 2013.The typical weather conditions causing haze were the cold high－pressure or degeneration of the cold high pressure under control and in the rear or bottom pressure in Changzhou.The meteorological factors result in the occurrence of haze.Normally，haze often occurs with no wind or east wind，the relative humidity between 50%and 60%，inversion，less precipitation，and bad meteorological conditions for dispersal of pollutants.

haze；characteristics；meteorological factor；Changzhou

X51

A

1673－9655（2014）04－0032－06

2014－03－20

常州市科技局应用基础研究基金项目 CJ20110017。

沈琰 （1977－），男，江苏省常州市人，汉族，本科，工程师，长期从事环境监测工作。