京津冀區域霾天氣特征

趙普生,徐曉峰,孟 偉,董 璠,何 迪,石慶峰,張小玲 (.中國氣象局北京城市氣象研究所,北京00089；.北京市石景山區氣象局,北京 00043)

京津冀區域霾天氣特征

趙普生1,2*,徐曉峰2,孟 偉1,董 璠1,何 迪1,石慶峰1,張小玲1(1.中國氣象局北京城市氣象研究所,北京100089；2.北京市石景山區氣象局,北京 100043)

匯總京津冀區域內107個地面站的氣象資料,利用14時實測的氣象要素和天氣現象資料對霾日進行判別,統計出各個站點1980~2008年中逐年及各月的霾日數.結果表明,北京、天津、河北霾天氣整體變化趨勢和波動特征較為相似,且均呈增加趨勢,非城區站點平均霾日數明顯呈增加趨勢,且與市區站點霾日數的差距越來越小.京津冀區域霾日數的月際變化呈明顯的雙峰特征,即夏季和冬季霾日數較高.空間分布表明,霾日數高值區主要位于北京、天津、保定、石家莊、邯鄲和邢臺等地.多數站點霾日14時平均風速比非霾日低了1.0m/s以上,14時平均相對濕度則比非霾日高出20%以上.

京津冀；霾;能見度；特征

隨著經濟快速發展,以京津冀、長三角和珠三角為代表區域的復合型大氣污染日益凸顯,細顆粒物尤其是二次氣溶膠污染加重,造成霾天氣日益增加,嚴重影響大氣能見度和人體健康.

國內關于區域性大氣能見度的研究從2000年以后逐漸開展,尤以珠三角的相關研究居多,且較為系統,長三角和京津冀相關研究相對較少.目前,國內研究多集中在以下幾方面:區域和城市范圍的能見度(霾)變化趨勢,霾天氣的判別標準,能見度水平和氣溶膠濃度的相互關系,低能見度條件下的氣溶膠化學組成特點和氣象條件特征等[1-9].

由于缺乏對霾天氣的統一觀測標準,在進行長期資料的統計分析時不能參考基于人工觀測的霾記錄.目前國際上有2種常用的處理大量歷史資料的統計方法:一種是用日均值,定義日均能見度小于 10km,日均相對濕度小于 90%,并排除降水、吹雪、雪暴、揚沙、沙塵暴、浮塵和煙幕等其他能導致低能見度事件的情況為一個霾日;另一種是使用14時實測值(或12時實測值),用于分析能見度小于 10km,相對濕度小于 90%,并排除其他能導致低能見度事件的情況為一個霾日[10].本文作者針對這2種判別標準進行了系統討論和比較,發現利用14時實測氣象資料進行霾日的統計,在較大區域、較長時間范圍內更能反映霾天氣的實際變化特征[11].

本研究利用京津冀區域 1980~2008年多站點氣象資料,采用 14時實測值對霾日進行判別,進而分析區域內霾日的時空分布及相關氣象要素的特征.

1 研究方法

圖1 京津冀107個地面站位置Fig.1 Locations of 107 meteorological stations

1980年以前區域內多數站點氣象資料不完整,所以本研究匯總京津冀區域107個地面站(北京20個站,天津5個站,河北82個站,其中城區站點18個,圖1)1980~2008年逐日14時的相對濕度、能見度和天氣現象資料,結合計算機程序綜合判斷計算各站點逐年各月的霾日數.霾日判別具體采用如下指標:滿足14時能見度小于10km,相對濕度小于 90%,且排除降水、吹雪、揚沙、沙塵暴和浮塵的,記為1個霾日.

2 結果與討論

2.1 霾日年際變化特征

不少站點在 1980~2008年中間有過一次或多次站址遷移,這些站點不能得到連貫的霾日變化,所以選擇部分站址較為固定的代表性站點進行單站點霾日變化趨勢分析.

圖 2為北京主要城區站點和上甸子本底站多年霾日變化.石景山現址開始工作日期為1998年1月.海淀、石景山和上甸子整體呈增加趨勢,豐臺霾日數波動較大.

圖2 北京主要站點(站號)逐年霾日數變化Fig.2 Annual hazy day trends at urban stations of Beijing

圖3為天津3個地面站多年霾日數變化,從圖3中可以看出,各站點2000年以后霾日整體呈增加趨勢.2004~2008年,天津和塘沽站點霾日數均接近或超過100d.

圖3 天津主要站點(站號)逐年霾日數變化Fig.3 Annual hazy day trends at urban stations of Tianjin

圖4為河北5個城區地面站多年霾日數變化,發現各站點霾日數和整體變化趨勢差異較大,除廊坊整體呈增加趨勢外,其他站點在較長時間范圍內沒有統一的變化趨勢,但基本在2003年以后呈現出上下波動的特點.石家莊霾日最多,多年平均霾日數達到116d.

圖4 河北省主要站點(站號)逐年霾日數變化Fig.4 Annual hazy day trends at urban stations of Hebei

忽略遷站因素,分析各站點多年總平均霾日數,共有11個站點1980~2008年共29a平均霾日超過 100d,從高到低各站點(站號)依次為昌平(54499)、贊皇(53795)、武安(53890)、北京(54511)、石家莊(53698)、豐臺(54514)、朝陽(54433)、平山(53694)、隆堯(53794)、海淀(54399)、行唐(53688),昌平最高,達到155d.

綜合以上 3個區域內各站點霾日變化情況,發現對于單一站點來說,在近 30a的時間內大多站點在不同的時期呈現不同的變化趨勢,且各個站點相互之間也有較大區別.影響區域能見度(霾)的主要因素為氣溶膠的理化屬性和氣象條件[11],氣象條件年際變化相對較小,所以可以推斷在近 30a時間內,每個站點所處區域氣溶膠污染狀況及周邊環境都有較大程度的變化.綜合分析京津冀區域內主要城區站點發現,大多數2008年霾日數較前 2年都有明顯下降,主要原因是2008整體氣象條件相對較好,此外還和奧運會前后明顯減少了污染物排放有密切關系.

圖5A為1980~2008年北京、天津、河北3區域多站點逐年平均霾日數變化,圖5B為京津冀區域內 18個城區站點和其余非城區站點逐年平均霾日數.在進行此部分計算時,無論各站點是否遷站,每個站的相關數據均統計進去.從圖 5A中可以看出,雖然區域內各地面站霾天氣變化趨勢復雜,霾日數水平也有很大差異,但從長時間大范圍的角度來看,北京、天津、河北霾日整體變化趨勢和波動特征較為相似,表明京津冀范圍內霾變化具有明顯的區域性特點.京津冀區域霾日數近30a呈增加趨勢,這與區域內社會經濟發展,污染物排放增加,尤其是細顆粒物污染加重密不可分.其中,北京20個地面站從1980年的年均50d左右增加到2008年的72d,天津5個站點從1980年的30d左右增加到2008年的95d,河北82個站點從1970年的年均28d增加到2007年的42d.北京和天津霾天數明顯高于河北,從2002年開始,天津區域霾日數高于北京.此外,和單站點特征類似,2008年霾日數較前2年都有明顯下降.

圖5 京津冀區域逐年平均霾日數變化Fig.5 Annual average hazy day trends in the BTH area

由圖5B可知,城區站點的平均霾日數30年內基本在40~60d內波動,非城區站點的平均霾日數卻明顯呈上升趨勢,并與城區站點具有同樣的波動特征,且與市區站點霾日數的差距越來越小,表明影響霾天氣形成的氣溶膠污染在非城區范圍逐漸加重,且和城區逐漸趨于一致.

京津冀區域內霾日數年際變化整體趨勢,以及城區和非城區的趨同特征,在京津冀區域的能見度長期趨勢研究中也表現出類似特征[12].

2.2 霾天氣月際變化特征

圖6A為北京、天津和河北1980~2008年月平均霾日數變化,每個霾日數均為相應區域內各站點所有該月霾日數的平均值,圖 6B為京津冀區域內所有站點不同時段月平均霾日數變化.

京津冀區域霾日數的月際變化特征也極為相似,呈明顯的雙峰特征,即夏季和冬季霾日數較高.冬季主要是由于采暖燃煤排放顆粒物較多,夏季則主要是由于光化學反應較強,產生較多的二次粒子,夏季相對濕度較高,且相對濕度對二次粒子散射效應的促進作用也最明顯[13-14].與天津和河北霾日數月際變化略有不同,北京冬季霾日數增加幅度相對較小,主要原因是北京冬季平均風速明顯高于天津和河北,而平均相對濕度卻明顯低于天津和河北[12].

圖6 京津冀區域逐月平均霾天數變化Fig.6 Monthly average hazy day trends in the BTH area

此外,近30a內,京津冀區域內各個月份的霾日整體都有所增加,尤其在夏季和秋季增加明顯.

2.3 霾天氣空間分布特征

圖7為利用107個站點的位置信息和逐年霾日數分別得到的 1980~1989年,1990~1999年, 2000~2008年以及1980~2008年4個階段平均霾日數的分布圖.從圖 7可見,霾日數高值區主要位于城市區域,其中北京、天津、保定、石家莊、邯鄲和邢臺等地最為明顯.此外,隨著時間推移,各等值線范圍明顯擴大,同一區域的霾日數明顯增多,也反映出京津冀范圍內霾天氣的逐漸增加趨勢.

2.4 霾天氣下氣象要素特征分析

由表1可見,區域內各城區站點霾天氣條件下,14時平均風速明顯偏低,多數站點處于2.0m/s左右,非霾日 14時平均風速比霾日高出 1.0m/s以上.相比之下,各站點霾日 14時相對濕度則明顯較高,多數站點比非霾日 14時相對濕度高出20%以上.表明霾多出現于相對濕度較高,風速較低的相對靜穩狀態.

3 結論

3.1 對于單一站點來說,大多站點在不同的時期呈現不同的變化趨勢,且各個站點相互之間也有較大區別.北京、天津、河北近 30a霾日整體變化趨勢和波動特征較為相似,呈增加趨勢,表明京津冀范圍內霾天氣具有明顯的區域性特點.非城區站點的平均霾日數呈增加趨勢,與城區站點具有同樣的波動特征,并逐漸趨于一致.此外,由于奧運會前后明顯減少了污染物排放,且整體氣象條件較好,大多數站點2008年霾日數較前2年都有一個明顯的下降.

3.2 京津冀區域霾日數的月際變化特征也極為相似,呈明顯的雙峰特征,即夏季和冬季霾日數較高.近 30a內,京津冀區域內各個月份的霾日整體上都有所增加,尤其在夏季和秋季增加明顯.

圖7 京津冀區域多年平均霾日分布Fig.7 Spatial distributions of average hazy day during different decades

3.3 根據霾天氣空間分布,霾日數高值區主要 位于城市區域,其中北京、天津、保定、石家莊、邯鄲和邢臺等地最為明顯.此外,隨著時間推移,各等值線范圍明顯擴大,同一區域的霾日數明顯增多,也反映出京津冀范圍內霾天氣的逐漸增加趨勢.

表1 各城區站點霾日和非霾日14時平均風速和平均相對濕度Table 1 Average wind speed and relative humidity at 14 o’clock in hazy and non-hazy days at urban stations

3.4 多數站點霾日 14時平均風速比非霾日低了1.0m/s以上,14時平均相對濕度則比非霾日高出20%以上.

[1] Qiu J H, Yang L Q. Variation characteristics of atmospheric aerosol optical depths and visibility in North China during 1980–1994 [J]. Atmospheric Environment, 2000,34:603-609.

[2] Xu J, Bergin M H, Yu X, et al. Measurement of aerosol chemical, physical and radiative properties in the Yangtze delta region of China [J]. Atmospheric Environment, 2002,36:161-173.

[3] Wu D, Tie X X, Li C C, et al. An extremely low visibility event over the Guangzhou region: A case study [J]. Atmospheric Environment, 2005,39:6568-6577.

[4] Deng X J, Tie X X, Wu D, et al. Long term trend of visibility and its characterizations in the Pearl River Delta (PRD) region, China [J]. Atmospheric Environment, 2008,42:1424-1435.

[5] Huang W, Tan J G, Kan H D, et al. Visibility, air quality and daily mortality in Shanghai, China [J]. Science of The Total Environment, 2009,407:3295-3300.

[6] Chang D, Song Y ,Liu B. Visibility trends in six megacities in China 1973–2007 [J]. Atmospheric Research, 2009,94:161-167.

[7] 徐 政,李衛軍,于陽春,等.濟南秋季霾與非霾天氣下氣溶膠光學性質的觀測 [J]. 中國環境科學, 2011,31(4):546-552.

[8] Tan J H, Duan J H, Chen D H, et al. Chemical characteristics of haze during summer and winter in Guangzhou [J]. Atmospheric Research, 2009,94:238-245.

[9] 孫 霞,銀 燕,孫玉穩,等.石家莊地區春季晴、霾天氣溶膠觀測研究 [J]. 中國環境科學, 2011,31(5):705-713.

[10] 吳 兌,吳曉京,朱小祥.霧和霾 [M]. 北京: 氣象出版社, 2009.

[11] Watson J G. Visibility science and regulation [J]. Journal of Air and Waste Management Association, 2002,52:628-713.

[12] Zhao P S, Zhang X L, Xu X F. Long-term visibility trends and characteristics in the region of Beijing, Tianjin, and Hebei, China [J]. Atmospheric Research, 2011,101:711-718.

[13] Pitchford M, Malm W, Schichtel B, et al. Revised algorithm for estimating light extinction from IMPROVE particle speciation data [J]. Journal of Air and Waste Management Association, 2007,57: 1326-1336.

[14] Tang I N. Chemical and size effects of hygroscopic aerosols on light scattering coefficients [J]. Journal of Geophysical Research, 1996,101:19245-19250.

Characteristics of hazy days in the region of Beijing, Tianjin, and Hebei.

ZHAO Pu-sheng1,2*, XU Xiao-feng2, MENG Wei1, DONG Fan1, HE Di1, SHI Qing-feng1, ZHANG Xiao-ling1(1.Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China；2.Meteorological Bureau of Shijingshan, Beijing 100043, China). China Environmental Science, 2012,32(1)：31~36

Meteorological data (1980~2008) were collected from 107 ground stations in the BTH (Beijing, Tianjin, and Hebei) area. Monthly and Annual numbers of hazy day for each station were calculated using meteorological element and weather phenomena. The annual average hazy days for Beijing, Tianjin, and Hebei depicted similar fluctuations and same trends of increasing. Average number of hazy days at non-urban stations depicted an increasing trend, and the difference in the number of hazy days for urban and non-urban stations had been narrowing over time. Monthly variation of hazy days for the BTH area displayed bimodal trends, with more hazy days in the summer and winter. According to the spatial distribution, the areas with more hazy days were mainly located in Beijing, Tianjin, Baoding, Shijiazhuang, Handan, and Xingtai. At most of stations in the BTH area, average wind speed at 14 o’clock in hazy days was over 1.0m/s lower than non-hazy days, and average relative humidity at 14 o’clock in hazy days was over 20% higher than non-hazy days.

Beijing, Tianjin, Hebei；haze；visibility；characteristic

2011-04-21

北京市自然科學基金資助項目(8102016); 國家”973”項目(2006CB403703)

* 責任作者, 副研究員, pszhao@ium.cn

X51

A

1000-6923(2012)01-0031-06

趙普生(1982-),男,河北香河人,副研究員,博士,研究方向為大氣污染成因分析及防治.發表論文10余篇.