肇庆灰霾和环境气象条件的分析

2016-06-21刘谦郭媚媚陈国贞麦冠华周义昌翁佳烽李文辉

广东气象 2016年3期

关键词：灰霾肇庆

刘谦，郭媚媚，陈国贞，麦冠华，周义昌，翁佳烽，李文辉

（1．肇庆市气象局，广东肇庆 526060；2．高要区气象局，广东高要 526100）

肇庆灰霾和环境气象条件的分析

刘谦1，郭媚媚1，陈国贞1，麦冠华2，周义昌1，翁佳烽1，李文辉1

（1．肇庆市气象局，广东肇庆 526060；2．高要区气象局，广东高要 526100）

摘要：利用1854-2013年肇庆市高要测站灰霾日数资料，统计分析了灰霾的气候变化特征，使用M - K法和累积距平曲线分析了灰霾日数的趋势变化和突变特征。结果表明：肇庆年灰霾日数总体呈显著的增加趋势；12和4月灰霾最多，7和8月最少；高要、四会、广宁的灰霾总体比其他台站要严重，封开处于全市最低水平；M - K检验和累积距平曲线表明20世纪80年代以来，特别是2000年以后灰霾日数显著增加，灰霾天气发展趋势历经了3个阶段，第3阶段从2003年开始，与2002年是气候突变年的结论相吻合；肇庆2012—2013年逐月灰霾日数与平均能见度、风速的变化趋势相反，与PM2．5质量浓度相同；冬春季节肇庆地面常为冷高压脊控制，风速较小，低层大气层结稳定，不利于空气中污染物的扩散和稀释，容易造成空气污染。

关键词：应用气象；灰霾；肇庆

稿日期：2015 -08 -06

刘谦，郭媚媚，陈国贞，等．肇庆灰霾和环境气象条件的分析［J］．广东气象，2016，38（3）：41 -44．

霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10 km的空气普遍混浊现象［1］。我国部分地区也将对人类活动显著影响的霾称为灰霾。灰霾天气使能见度降低，容易引起交通事故。形成灰霾天气的有毒、有害颗粒物散布在空气中，对人类和生态系统会造成不同程度的危害，如引发呼吸道等疾病，影响身体健康；妨碍植物的呼吸和光合作用，造成农作物减产、绿地生态系统生长受阻［2 -3］。因此，对灰霾天气的研究越来越受到人们的关注［4 -7］。近年来，很多学者对珠三角空气污染气象条件和典型天气背景［8 -10］进行了分析，得出了很多有意义的研究成果，如范绍佳等［11］建立了反映珠江三角洲大气边界层一般机理的大气边界层概念模型，解释了环境空气质量变化的原因。近年来，肇庆城市化进程和经济迅速发展，灰霾天气出现有上升的趋势，因此研究肇庆灰霾天气很有必要。

1　资料和方法

本研究选取肇庆市各气象观测台站1854—2013年灰霾日数、能见度、相对湿度、风速等地面资料和肇庆市环境保护监测站提供的肇庆2012—2013年PM2．5质量浓度、AQI资料。一天当中任何时候能见度（人工观测）＜10 km，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍，相对湿度＜80%时，判识为霾，计1个霾日。相对湿度80%～85%时，按照地面气象观测规范规定的描述或大气成分指标进一步判识。

2　灰霾的气候特征

2．1年变化

高要年灰霾日数总体呈显著的增加趋势，增加速率为2．2 d/年，并有明显的阶段性变化（图1）。

图1 1954-2013年高要年灰霾日数

1854—1885年，灰霾日数很少，年平均仅2．8 d。20世纪80年代开始，灰霾日数从早期1883年以前的不到10 d猛增至到最近10年（2004—2013年）的108．8 d，增加达8倍多。

2．2月和季节变化

统计1854—2013年肇庆市的逐月灰霾日数，可知高要站12月份的灰霾日最多，达到16．2 d，其次是4月15．5 d，2月14．3 d，最少的月份为7和8月，分别是3．2和5．7 d。冬季12—2月出现灰霾最多，占全年的32．8%；春季3—5月略少，为30．8%；夏季6—8月最少，只占11．7%。

2．3空间分布

由图2可见，2007—2012年高要、四会、广宁的灰霾总体比其他台站要严重。

图2 2007-2012年肇庆各站逐年灰霾日数

德庆的灰霾日数呈逐年下降趋势，从2007年高达187 d降到了2011年全市最低的水平48 d。广宁除了2007年灰霾日数比德庆少、2012年比四会、高要少外，其余年份都处于全市最高的水平，在156～165 d之间。位于肇庆东部的广宁灰霾情况比其他台站严重的原因是双转移工业、厂房建的比较多。封开地处肇庆西部，灰霾日数一直位于全市最低水平。

2．4趋势和突变分析

Mann - Kendall（M - K）法秩次相关检验是一种非参数统计检验方法。其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用水文、气象等非正态分布的数据［12］。采用M - K检验法，对高要1854—2013年逐年灰霾日数序列进行突变检验，绘出UF和UB曲线图，并给出临界值为U0．05=±1．86（图略）。由图可见，1854—1855、1857—1876、1882—1885年UF值＜0，灰霾日数呈下降趋势；而在1855—1856、1877—1881、1886—2013年UF值＞0，灰霾日数呈上升趋势。其中1858—1865年UF值低于信度线下边界，显著减少。1882—2013年UF值高于信度线上边界，显著增加。UF和UB曲线在1887年存在明显交点，但交点在临界线外。

当交点出现在临界线外，用累积距平曲线判断变化趋势，确定突变点（图3）。当累积距平曲线呈上升趋势，表示距平值增加，即上升趋势，否则为下降趋势。当累积距平绝对值达最大时，则所对应年份是转折年份。若转折年份前后两阶段要素的信噪比＞1时，可认为该要素在这个年份存在气候突变，否则突变不显著，只能作为气候转折年份［13］。由累积距平曲线可见，灰霾日数在20世纪80年代之前维持负距平，2000年以后显著增加。累积距平曲线的绝对值最大值在2002年前后。这次转折是灰霾日数从偏少期转为偏多期，至今仍在持续。计算转折年份的信噪比为2．35，可以认为2002年是气候突变年。

图3 1954-2013年高要灰霾日数距平累加时间变化曲线

吴兑等［14］、夏冬等［15］曾分析过广州、东莞近50年灰霾的变化趋势，认为广州、东莞灰霾天气的发展经历了3个阶段。肇庆、广州、东莞同处珠江三角洲，且肇庆与广州相邻，灰霾的发展趋势与广州、东莞相似，也历经了3个阶段。第1个阶段为1880年代初—1880年代后期，高要撤县设市，工业化进程加快，粉尘排放增多，灰霾日数出现小幅上升，但年平均不到5 d；第2阶段为1880年代初—2002年，肇庆经济发展起步，但总体工业发展水平相对较低，灰霾日数年平均已增至接近20 d；第3阶段为2003年至今，在珠三角经济圈的带动下，肇庆的经济迅速发展，城市化进程加快，机动车尾气污染加重，承接了一批从珠三角转移的陶瓷企业，粉尘排放大量增加，灰霾日数急剧增加，年平均高达102 d。第3阶段从2003年开始，与2002年是气候突变年的结论相吻合。

3　灰霾的气象条件分析

统计可知，2012—2013年肇庆灰霾日数总体呈现为春季（3—5月）＞冬季（12—2月）＞秋季（8—11月）＞夏季（6—8月）的特征。图4显示，肇庆逐月灰霾日数与月平均能见度、风速的变化趋势呈反相关，相关系数分别为- 0．7和-0．4，与PM2．5质量浓度呈显著正相关，相关系数达0．8。春季风速为4季中的最小值1．6 m/ s，PM2．5质量浓度最大，达55 μg/ m3；冬季雨量最少，为182．7 mm，相对湿度73%，仅次于秋季；夏季雨量最多，为727．4 mm，风速最大，为1．8 m/ s，PM2．5质量浓度最小，为24 μg/ m3。

吴祖常等［16］认为多数内陆地区的大气混合层高度最低值出现在冬季，而最高值出现在夏季。分析清远观测站（距离肇庆约100 km）2012—2013年每天08：00和20：00的t - logp图资料，发现冬季大气中低层存在逆温层的概率高达85．3%（345/362）。逆温层主要集中在850～1 000 hPa。夏季逆温层出现概率最低，仅为25．3%。可见，冬春2季混合层高度较低、大气层结较稳定、风速偏小、空气干燥、上空存在逆温层，与大气颗粒物难以扩散稀释有关。而夏季雨水丰沛，而且地表温度高、对流旺盛，大气层结常处于强烈的不稳定状态。因此，夏季灰霾出现最少。

图4 2012—2013年高要逐月灰霾日数、PM2．5质量浓度及各气象要素的分布

4　个例分析

在冬季，首要污染物绝大多数是PM2．5，可以用AQI指数代表灰霾的严重程度。2013年12月上半月肇庆持续出现明显的雾霾天气（图5）。

图5 2013年12月1—17日肇庆AQI变化

从图中可见，12月4—14日，高要和肇庆城区持续出现11 d的中度灰霾天气，能见度3～5 km，其中12月14日出现重度灰霾天气，20：00高要观测站测得最低能见度830 m。该时段是肇庆2013年冬季最为严重的空气污染时期之一（图5）。4日AQI值达到124，属于轻度污染，8日达到了中度污染，11日达到峰值216，属5级重度污染，直至15日才下降到轻度污染限值100以下，区域空气污染结束。

该次空气重污染时期的天气形势属于高压底部型（图略）。冷高压中心位于内蒙古地区，冷空气影响广东并南移出海，华南地区等压线较为平直均匀，肇庆位于高压底部，地面气压场较弱，主要受弱的东北偏北风影响，风速较小，在1～2 m/ s（图6），垂直方向上逆温厚度较大（图略），强度较强，不容易被破坏，低层大气层结稳定，不利于空气中污染物的扩散和稀释，局地的下沉气流导致的污染物向低层输送并大量累积，造成空气污染。