2010—2015年浙江省霾天气的特征及主要影响因子分析*

2017-10-11陈光宇朱占云陈练廖振杨俞林军

浙江气象 2017年3期

关键词：气象要素能见度气压

陈光宇朱占云陈练廖振杨俞林军

(1.杭州市气象台，浙江杭州 310051；2.浙江省气象服务中心，浙江杭州 310017；3.浙江省气候中心，浙江杭州 310017；4.萧山区气象局，浙江杭州 311201)

2010—2015年浙江省霾天气的特征及主要影响因子分析*

陈光宇1朱占云2陈练3廖振杨4俞林军4

(1.杭州市气象台，浙江杭州 310051；2.浙江省气象服务中心，浙江杭州 310017；3.浙江省气候中心，浙江杭州 310017；4.萧山区气象局，浙江杭州 311201)

利用2010—2015年浙江省国家气象观测站能见度、气温、湿度、气压、风速和降水量等气象要素逐日观测资料，分轻微、轻度、中度和重度四个等级对浙江省霾的变化特征进行了统计分析，并研究了霾多发时段的主要影响因子和气象要素特征，可以得到以下结论，从霾站次(日)的年变化上看，近6年来全省霾站次(日)总体呈上升趋势，2015年霾出现最多，2014年霾影响最重，一年中12月和1月霾最多，7、8、9月霾最少；从空间分布上看，全省霾分布不均，各地差异较大，浙北尤其是杭州的霾程度最为严重，地形因素对霾的空间分布具有重要影响。在霾多发时段内，霾的发生频次与气温、降雨、气压和风速等各气象要素之间均存在不同程度的相关关系，在一般情况下，若杭州当日最高气温较高、气温日较差较大，同时日平均气压高，风速小时，出现霾的概率较大。

霾天气；时空变化；灰霾走廊；气象要素

0 引言

霾是一种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，空气普遍混浊的天气现象[1]。随着我国经济的快速发展，大气污染加剧，霾已经被广泛用于表征城市地区严重大气污染导致的能见度降低及危害人类健康的大气环境现象，成为大气环境领域的研究热点。研究表明，霾的本质是细粒子气溶胶污染，其物质成分除了细尘以外，还包括硫酸盐、硝酸盐、碳氢化合物和黑碳等粒子，因此其发生的频数与人类活动所造成的气溶胶污染密切相关[2-4]。霾粒子通过对太阳光的吸收、散射和折射，使大气混浊、视野模糊并导致地面能见度急剧降低，影响公路、水路和机场运输安全，同时霾中的大部分粒子可被人体呼吸道吸入，对人体健康具有严重影响[5]。2013年11月，世界卫生组织宣布空气污染物是地球上“最危险的环境致癌物质之一”。

国内外学者从霾的辨识判定[6-8]、时空变化[9-12]、影响因子[13-15]等多角度开展了大量研究工作。史军等[16]重建了长江三角洲1961—2007年霾气候数据序列，指出过去47 a长江三角洲霾日数总体上呈逐渐增多的趋势，并以杭州和南京增加最多。王明洁等[17]通过分析深圳不同等级霾天气的长期变化特征后得出结论：深圳霾日总体增多、强度增强，霾日数呈冬季>秋季>春季>夏季的季节特征。牛彧文等[18]研究了近60 a来浙江省城市区域霾天气的长期变化趋势，指出2000年以后是灰霾天气出现最多的时期，湖州、绍兴、杭州、嘉兴等浙北城市增加速度尤其显著。王珊等[19]统计分析了西安雾霾天气与气象要素的关系后发现，气温越低，日平均风速越小，14时前后出现负变压或正变温，连续不降水日数越长时，越有利于雾霾天气的形成。齐冰等[20]通过对杭州地区典型气象要素以及环境污染状况下霾天气特征及形成机制进行的综合分析研究后指出，杭州地区高压类型天气形势对霾产生有重要影响，另外，杭州特殊的地形环境对霾的发生有一定的促进作用。本文拟利用浙江省国家气象站相对湿度、能见度等气象要素观测资料，对全省霾的时空分布特征及其影响因子进行研究。

1 资料与方法

本文采用2010—2015年浙江省75个国家气象观测站的气象要素观测资料，主要包含相对湿度、能见度、日均2 min平均风速(4时次平均，下同)、日最大风速、日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均海平面气压(以下简称为日平均气压)，其中相对湿度和能见度为逐小时观测资料，其余要素为逐日资料。

研究中对霾日的界定主要参考吴兑等[6]和刘端阳等[21]对霾日的判定方法，选取全省75个国家站2010—2015年的逐日气象资料，对每天02:00、08:00、14:00、20:00 4个时次的能见度和相对湿度进行判断，当任一个国家站满足任一时次能见度小于10 km，且相对湿度小于80%，并排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和烟幕等其他能导致低能见度事件的情况为一个霾站次(日)，当相对湿度介于80%到90%之间时，翻查观测资料是否记录了霾天气现象，若有则记为一个霾站次(日)。当确定霾站次(日)后，再根据中国气象局制定的《霾的观测与预报等级》[22]将霾分为4个等级：轻微霾(5.0 km≤能见度<10.0 km)、轻度霾(3.0 km≤能见度<5.0 km)、中度霾(2.0 km≤能见度<3.0 km)、重度霾(能见度<2.0 km)。

2 霾的时空分布特征

2.1 霾的年际变化特征

研究中首先计算了全省75个国家站2010—2015年的总霾站次(日)，图1给出全省各级别霾站次的年变化，从图上可以看到，2010—2015年全省霾总体呈增加趋势，2015年霾站次(日)较2010年增加了一倍多，其中2011年和2013年这两年增加最为显著。从不同等级的霾来看，轻度及以上等级霾站次(日)(灰色、黑色柱状)在2012年前较少，2013年起呈明显增加的趋势，中、重度霾比例(黑色实线)2013年起也从前一年的1%左右迅速上升，2014年达13%以上，2015年明显回落至5%左右。因此综合来看，2015年霾出现最多，2014年霾影响最重。

图1 2010—2015年浙江省各级别霾站次(日)

2.2 霾的月变化特征

统计全省11个地市逐日观测资料后得到各地区每月霾出现的日数(霾日)，图2为2010—2015年浙江省11个地级市霾日的逐月变化，从图上可以明显看出，7、8、9 3个月为各地霾日最少的时段，各地平均后的月均霾日仅为2.9 d。10月起霾日迅速增加，秋、冬季是各地霾多发的时段，又以12月和1月最多，以这两个月为例，各地霾日在12.7(舟山)～22.6 d(衢州)之间，2月起各地霾日都呈明显下降的趋势。这主要是由于冬季浙江省主要受亚洲冷高压控制，主导风向为偏北或东北风，除本地产生污染物以外，还会与来自北方地区的输入性污染叠加，同时冬季降水较少，当遇大气污染扩散条件不佳时，极易引发灰霾天气；夏季主要受副高西侧的东南风或偏南风控制，来自海洋的清洁气流有利于污染物的稀释，霾产生的几率较低。而春秋季为冬夏季的转换阶段，各地降水量较冬季多，雨水冲刷作用在一定程度上有利于污染物颗粒的扩散和稀释。

图2 浙江省11个地市2010—2015年霾日的逐月变化

2.3 霾的空间分布特征

图3给出5年来浙江省霾日的空间分布，从平均霾日的分布来看(图3a)，各地霾日分布并不均匀，差异显著，浙北地区、浙中西部和温州地区是年均霾日分布的大值区，霾日在100 d以上，最大为杭州达160 d左右，浙西北、西南山区和舟山地区霾日较少，年均霾日在30 d以下，最少的丽水市庆元县仅为2.8 d。同时期中度以上级别霾日的分布特征(图3b)也大致相同，浙北杭州、湖州和绍兴3地是中、重度霾日分布大值区，其中杭州最多达9 d以上。结合全省地形(图略)不难发现，自浙北平原经金华到衢州存在的霾日分布大值区，与全省的地形分布也存在着较好的对应关系，从全省地形分布图上，自杭嘉湖地区经金华到衢州有一条东北—西南走向的平原河谷地带，海拔较低，这一带地区人口密集、城镇众多，而且冬季时有利于偏北风或东北风携带输入性污染物南下，形成一条“霾走廊”，可以说，地形对浙江省年均霾日的空间分布有较大的影响。

图3 2010—2015年浙江省霾日的地域分布

为了探讨不同地区，不同等级霾日的构成，研究中选取了浙北的杭州和嘉兴，浙中的衢州、浙南的温州，统计了2010—2015年年均轻微霾、轻度霾、中度霾和重度霾的日数。图4给出了4地不同等级霾的比重，可以看出，4地在不同等级霾的构成上有所差别，浙北的杭州和嘉兴中、重度霾比重之和分别达到8%和7%，明显高于衢州和温州的3%，同时杭州的轻度霾比重明显高于其余3地，轻微霾比重低于其余3地，说明杭州不但年均霾日多，同时霾等级也较重。不仅如此，除杭州和嘉兴外，研究表明浙北的湖州、绍兴各类霾的比重构成与杭州、嘉兴较为相似，都表现为中、重度霾比重明显偏高，这与图3b得出的结果较为一致，表明浙北是全省霾影响最严重的地区。

3 霾日与各气象要素的关系

从以上研究中可知，1月和12月是全省霾天气的高发时段，为探求以上时段霾天气出现时的气象要素特点，利用2010—2015年1月和12月全省霾资料，并结合同时期的各气象要素资料，以霾日较多的杭州、绍兴、金华、衢州为例，分析4地霾日与各气象要素的相互关系(表1)。可以看出在气温方面，4地霾日与气温日较差和最高气温存在较明显的正相关关系，其中杭州、衢州通过了99%信度检验，即最高气温越高、气温日较差越大，越容易出现霾天气，而与平均气温、最低气温的相关性并不明显。在日平均气压上，除金华外，3地与霾日存在较明显正相关，即日平均气压越高，越容易出现霾天气。在风速上，除衢州外，3地的日平均风速和最大风速均与霾日存在负相关，其中绍兴通过了99%信度检验，说明风速越小，越容易出现霾天气。总结以上结论后，我们可以大致描述4地冬季霾天气出现时的天气背景：无降雨，日最高气温较高，气温日较差较大，平均气压较高，同时风速较小。

图4 杭州、嘉兴、衢州和温州4地各等级霾比重

表1 2010—2015年1、12月4地霾天气与各气象要素的相关系数

注：**表示通过99%信度检验，*表示通过95%信度检验

为进一步研究各天气背景下霾日的分布情况，本文以霾日出现较多的杭州市为例，利用2010—2015年1、12月霾日出现的时间与该时刻气象要素分布的比值，得出与霾日关系密切的气温日较差、日最高气温、日平均气压、日平均风速4类气象要素不同分布下霾日出现的概率。图5a为不同的气温日较差下霾日出现的概率，可以看出随着气温日较差的逐渐增大，霾日概率虽呈单峰型分布，但总体仍呈逐渐增大的趋势，这与表1给出的结果一致，并且当气温日较差为9～12 ℃时，霾日出现概率最高达82%，这能从气象条件给出一定的解释：当气温日较差较小时往往为阴天或降雨天气，此时由于空气湿度较高，不易形成霾；当气温日较差适中时一般受高压控制，不利于污染物扩散易形成霾；当气温日较差较大时(大于12 ℃)往往为低层西南风的暖区天气且风力较强，不利于北方上游地区污染物的南下和本地污染物的积累，霾日出现的概率也略有下降。从霾日出现概率随最高气温的分布图上(图5b)可以看出，随着气温的升高，霾日概率也总体呈增大趋势，从小于4 ℃时的41%上升到到12～16 ℃时的73%，大于16 ℃区间略下降至68%，可以认为这样分布的原因与气温日较差相同。总体来说，杭州日最高气温越高，越不利于污染物的扩散和清除易形成霾天气，这与我国北方地区气温越低霾日出现概率越高的结论(王珊等[19]；崔冬林等[23])不一致，因此推断我国南、北方霾的发生机制可能有所不同，具体还需做进一步研究。

图5c给出不同日平均气压下霾日出现的概率，随着气压的升高，霾日出现的概率明显增加，从小于1015 hPa的46%增加到大于1030 hPa的78%，是因为受高压控制时近地面污染物不容易扩散，造成霾日增多。在霾日概率随平均风速的分布上(图5d)，随着风速的增大，霾日概率呈先减小后增加的趋势，当风速小于1.5 m/s时霾日概率达72%，此时由于本地污染物扩散条件差易产生霾，当风速增大到2.5～3.0 m/s时霾日概率下降到43%左右，但当风速大于3 m/s时，霾日概率又上升到60%左右，经查阅出现风速大于3 m/s时段的影响系统发现，上述情形下都对应着北方冷空气的南下，盛行风向为西北风或偏北风，有利于冷空气携带北方污染物南下形成输入性霾，因此霾日概率会随风速增大出现先减小后增加的趋势。这样，我们可以总结出杭州1、12月霾天气易发时的气象条件：在无降雨情况下，气温日较差较高(9～12 ℃)、日最高气温较高(12～16 ℃)、日平均气压大于1030 hPa和日平均风速小(小于1.5 m/s)。因此，在天气预报分析中若将出现连续晴朗、微风的干燥天气时，需警惕雾霾天气持续或加重的可能，这在今后的预报中需加以重视。

图5 2010—2015年杭州市1、12月不同气温日较差(a)、最高气温(b)、平均气压(c)和平均风速(d)分布情况下霾日出现的概率

4 结语

利用2010—2015年浙江省国家气象观测站能见度、气温、湿度、气压、风速和降水量等气象要素逐日观测资料，分轻微、轻度、中度和重度4个等级对浙江省霾的时空变化特征进行了统计分析，并研究了霾多发时段的主要影响因子和气象要素特征，可以得到以下主要结论。

1)2010—2015年浙江省霾站次(日)总体呈上升趋势，2015年霾出现最多，2014年霾影响最重。一年中1月和12月霾最多，7、8、9月霾最少。2015年虽然霾站次(日)最多，但程度明显减轻，这表明了近几年政府的节能减排和大气污染治理措施出现了明显成效。

2)地形因素对霾的形成及空间分布有较大影响，全省霾的空间分布不均，差异显著，杭州年均霾日达160 d，为全省最多，丽水市庆元县仅2.8 d，为全省最少，且浙北地区霾程度普遍较重，中、重度霾的比重较高。

3)在霾天气的多发时段，霾的发生频次与气温、降雨、气压和风速等各气象要素之间均存在不同程度的相关关系，在一般情况下，杭州市1、12月霾天气易发的气象条件为气温日较差9～12 ℃、日最高气温12～16 ℃、日平均气压大于1030 hPa、平均风速小于1.5 m/s。基于霾的发生频次与气象要素的相关研究推断我国南、北方地区霾的发生机制可能有所不同，具体还需做进一步研究。

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