1981～2010年深圳市不同等級霾天氣特征分析

王明潔,朱小雅,陳申鵬

(1.深圳市國家氣候觀象臺,廣東 深圳 518040；2.深圳市氣象局,廣東 深圳 518040)

霾是大量極細微的干塵粒均勻地飄浮在空中,使大氣水平能見度小于10.0km的空氣普遍混濁現象[1].隨著我國經濟的快速發展,大氣污染加劇,霾天氣日益增多,給人體健康、生態環境和交通安全等帶來了嚴重危害.我國學者從霾的觀測識別[2-3]到時空分布、氣候特征[4-6]、成因分析[7-9]以及數值模擬[11-12]、氣溶膠特性[13-15]等方面開展了大量研究工作.高歌等[4]通過對中國霾的時空分布特征及變化趨勢的分析發現,全國平均年霾日數呈現明顯的增加趨勢,空間分布特征呈東多西少分布.目前中國 4大霾嚴重地區為京津冀地區、長三角地區、珠三角地區與四川盆地[2].吳兌等[9-10]對珠江三角洲地區的霾天氣進行了深入的研究,指出珠江三角洲自20世紀80年代初開始,能見度急劇惡化,灰霾天氣顯著增加, 灰霾天氣的本質是細粒子氣溶膠污染,與光化學煙霧相關聯.毛敏娟等[11]通過多元觀測資料融合應用發現灰霾天氣形成起主要作用的是細粒子,關鍵排放因子是黑碳、NO2、SO2等.

深圳地處珠江三角洲城市群,經濟的快速發展、城市化及交通運輸現代化給生態環境帶來前所未有的壓力,其中霾天氣頻發,已引起了政府和公眾的極大關注.目前針對深圳不同等級霾天氣長序列的研究較少,本研究對深圳市歷史霾資料進行分析,揭示深圳市不同等級霾天氣的長期變化特征,同時分析大氣水平能見度、空氣質量與霾的關系,以期為霾預測、控制和深圳市大氣污染的治理提供參考.

1 資料與方法

本文所使用的氣象資料為 1961～2010年深圳地面氣象觀測站資料,包括霾日數、能見度等資料,其中能見度資料長度為1981～2010年;空氣質量監測數據為 2005～2010年深圳市環保監測站監測資料,包括全市日平均 PM10、SO2、NO2濃度和荔香站的逐時監測資料.

霾日以觀測記錄為準,根據《霾的觀測和預報等級》[16](QX/T 113-2010)規定將霾分為4級:輕微霾(5～10km);輕度霾(3～5km);中度霾(2～3km);重度霾(0～2km).受能見度資料的限制,僅對1981～2010年30年的霾天氣進行統計分析,以當天出現的最嚴重霾為標準.

采用線性回歸和數理統計等方法,分析霾日的長期變化趨勢以及不同等級霾與能見度、空氣污染物濃度的關系.

2 深圳市霾天氣氣候變化特征分析

2.1 不同等級霾年際變化特征

由圖 1可知,深圳市年霾日數總體呈增多趨勢,以 41d/10a的線性趨勢顯著增多,這與深圳經濟快速發展、人口劇增、污染物排放增多密不可分[10].深圳年霾日數變化大致可劃分為3個階段:第1階段1961～1970年代末,霾日數最少,1961年首次記錄到霾,1961～1970年代年均霾日數僅為0.5d,最多只有3d.這個時期作為邊陲小鎮的深圳經濟發展緩慢,機動車數量和人口數量較少,因此能見度好,霾少有發生;第2階段1980年代初～中后期,霾日數開始小幅度增多,年均 9.2d.此時深圳處于改革開放局部推進階段,經濟發展開始加速,但主要以基礎硬件建設為主,因此霾雖然開始增多,但增幅較小;第3階段1980年代末至今,霾日數劇增,由80年代年平均9.2d增加至90年代82.4d,2001～2010年持續增至163.2d,年最多高達240d (2008年).該階段是深圳改革開放全面推進和跨越式發展階段,經濟迅速發展、城市規模不斷擴大、人口劇增、汽車保有量至2012年已超過200萬輛,這些因素導致空氣污染加劇,霾天氣頻發.

圖1 1961～2010年深圳年霾日年際變化Fig.1 Annual variation of haze days in Shenzhen during 1961～2010

由圖 2可知,深圳市各級霾日數均呈現增多趨勢,不同等級霾日數占年霾日數的比例隨著等級升高而降低,即越嚴重的霾所占比例越低.輕微霾日數最多,占年霾日數比例也最高,30年平均為77%,但其比例呈減少趨勢,1981～2001年約為97%, 2001～2010年減少至 67%,最低降至 53%;輕度霾1992年首次出現,2000年后明顯增多,由20世紀90年代的年均2.3d上升至47.5d,其比例變化與輕微霾相反,呈增多趨勢,由1981～2001年的3.3%上升到2001～2010年的28.7%,最高時達49%;中度霾1993年首次出現,之后至2003年才再度出現,2003～2010年每年均記錄到中度霾,且日數明顯增多,2007年最多達 23d;重度霾 1999年首次出現,共 7年有重度霾記錄,最多為4d(2007和2008年).

圖2 1981～2010年深圳不同等級霾年際變化Fig.2 Annnual variation for haze days with different level in Shenzhen during 1981～2010

由上述分析可見,深圳霾天氣20世紀80年代末開始明顯增多,2000年初強度開始增強,表現為中度以上霾出現并增多.

2.2 不同等級霾季、月變化特征

由表1可知,深圳四季均有霾出現,但存在明顯的季節變化.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月開始逐漸減少,春季約占全年的 17.1%;夏季霾進一步減少(10.5%), 是霾最少的季節,6月為一年中霾最少的月份;入秋后開始明顯增多,秋冬季(9月至～蒞年 2月)是霾出現最集中的季節(92.8%).

輕微、輕度、中度霾的月、季變化一致,均是冬季最多、秋季次之、夏季最少,12月和1月是出現最多的月份;重度霾與其他等級霾不同,夏季最多,秋季次之,8月是重度霾出現最多的月份.根據陳聯壽等提出的臺風概念模型[17],在臺風系統移動方向的側緣和前進方向為強下沉氣流,在下沉區域內空氣污染物的輸送、擴散受到抑制,導致污染物累積和增加,從而在臺風側緣形成大范圍污染物的增量區[18].據統計,深圳市 50%以上重度霾是由臺風外圍環流造成的,8月恰是臺風影響深圳最多的月份.

表1 深圳1981～2010年不同等級霾月、季節分布Table 1 The seasonal and monthly variations of haze with different level in Shenzhen during 1981～2010

2.3 霾與能見度的關系

2.3.1 霾日平均能見度變化 由圖3可知,任何年份霾日的能見度均低于非霾日,霾日平均能見度較非霾日約低 6～7km;無論霾日還是非霾日能見度總體均呈下降趨勢,2001～2005年降至最低,2006年開始好轉,且非霾日能見度轉好幅度明顯大于霾日.

2.3.2 霾日能見度日變化 為了解霾日能見度逐時變化特征,利用2007～2008年深圳逐時能見度觀測資料,對比分析霾日和非霾日能見度日變化差異(圖4).任何時次霾日能見度均低于非霾日,平均能見度較非霾日低 10km 左右;霾日與非霾日的能見度均具有明顯的日變化特征:清晨(3:00～6:00)最低,之后開始逐漸轉好,午后(15:00～17:00)達到最高,之后逐漸轉差,這與深圳市風速和相對濕度的日變化特征一致.另外,霾日能見度日變化幅度較小,最低值與最高值相差僅有 3km,而非霾日可達 7km;霾日除午后14:00～17:00外,各時次平均能見度均在10km以下,非霾日各時次平均能見度均在 15km以上.這一方面表明霾的出現導致大氣水平能見度明顯下降,另一方面也說明霾出現在大氣層結穩定的情況下,不利于空氣中污染物的擴散,霾天氣持續時間較長.

圖3 霾日和非霾日平均能見度年際變化Fig.3 Annual variation of average visibility for haze and non-haze days

圖4 霾日和非霾日平均能見度日變化Fig.4 Diurnal variation of average visibility for haze and non-haze days

2.3.3 不同等級霾條件下能見度變化 由圖 5可知,霾等級越高,能見度越低.重度霾日平均能見度在4km附近波動,7月重度霾能見度最低,平均為 2.8km;中度霾日能見度在 5km附近波動,7～8月中度霾平均能見度最高,為7～8km,說明7～8月出現的中度霾持續時間較短;輕度和輕微霾平均能見度各月的差異不大,分別在6～7km和10～11km之間,7月能見度最好.

圖5 不同等級霾日平均能見度月變化Fig.5 The monthly variation of average visibility for haze with different level

2.4 霾與空氣質量的關系

2.4.1 霾日空氣污染物濃度月變化特征 根據《深圳市環境狀況公報》(2005～2010)統計分析[19],深圳首要污染物是可吸入顆粒物(PM10),其次是 NO2.由圖 6 可知,霾日 PM10、SO2、NO2濃度均高于同期非霾日,為非霾日的 1.4～1.7倍.霾日 PM10、SO2、NO2日平均濃度分別為 72.5、21.4、53.1mg/m3,3種污染物中SO2濃度最低,與SO2是固定工業污染源高空排放的產物,而高空有利于污染物擴散有關[20].

霾日 PM10濃度隨季節呈冬秋季高,夏春季低的特點,12月濃度最高值,其次為 11月和 1月,4～9月濃度處于較低水平,最低值出現在6月,與霾日數的季節變化一致. 霾日NO2和SO2濃度無明顯季節變化特征,分別在 50,20mg/m3附近小幅波動,NO2濃度在 11月～至蒞年 1月略高,約60mg/m3,SO2在 7～8月濃度略高,約為 30mg/m3,這與火電廠排放是 SO2的主要污染源之一有關,7～8月是深圳的盛夏季節,用電量是一年中最高的月份,從而使得7～8月SO2濃度高.3種污染物無論霾日還是非霾日2月均較1月有小幅下降,3月再次回升,而氣象條件在1～2月無明顯差異,這可能是與春節前后大量工廠停業、人員離深、機動車停駛導致污染源減少有關.

圖6 霾日、非霾日空氣污染物濃度月變化對比Fig.6 The monthly variation of air pollutant concentrations for haze and non-haze days

2.4.2 霾日空氣污染物濃度日變化特征 為了解霾日空氣污染物濃度的日變化特征,選取觀測資料完整、污染較重的荔香站為例,分析霾日和非霾日污染物濃度日變化的不同.由圖7可知,各時次霾日 PM10、SO2、NO2濃度均高于非霾日,其中霾日 SO2、NO2濃度約為非霾日的 1.5～1.7倍,PM10濃度約為非霾日的 2.2倍,由此可知,PM10大氣顆粒物污染加劇可能是深圳能見度惡化,霾增多的一個重要原因.

無論霾日還是非霾日 SO2的濃度均無明顯的日變化,白天濃度略高于夜間;PM10、NO2濃度日變化特征明顯,一天中存在2個峰值,分別出現在 7:00～9:00和 18:00～20:00,恰與上下班時段相吻合,且霾日NO2濃度變化幅度明顯大于非霾日,這與上下班時段機動車尾氣劇增,導致NO2濃度明顯上升相關[21].

2.4.3 不同等級霾條件下污染物濃度變化特征 由圖 8 可知,霾等級越高,空氣中 PM10、SO2、NO2的濃度越高. SO2、NO2和PM10濃度從輕微到重度霾各級之間增幅大都在 15%～20%,只有SO2濃度由中度到重度霾增至23.9mg/m3,增幅達78%,即從輕微到重度霾上一級霾 PM10、SO2、NO2的濃度約為下一級的1.1～1.2倍.

圖7 荔香站霾日和非霾日空氣污染濃度日變化Fig.7 Durial variation of air pollutant concentrations for haze and non-haze days at Lixiang Station

圖8 不同等級霾天氣空氣質量對比Fig.8 Comparison of air quality for haze with different level

3 結論

3.1 1981～2010年深圳市年霾日數顯著增多,各等級霾日數也呈明顯增多趨勢; 霾強度增強,輕微霾占年總霾日的比例明顯下降,輕度以上霾增加,表現在2000年以來中度以上霾明顯增多.

3.2 輕微、輕度和中度霾均具有冬季>秋季>春季>夏季的季節變化特征,重度霾夏季最多,臺風外圍下沉作用導致深圳夏季重度霾出現概率最高.

3.3 霾造成大氣水平能見度明顯下降,霾日平均能見度較非霾日低 6～7km, 霾等級越高能見度下降越明顯;霾日由于風力微弱,擴散能力下降,能見度日變化幅度較非霾日減小.

3.4 霾等級與 PM10,SO2和 NO2濃度正相關,大氣顆粒物污染加劇可能是深圳霾天氣增多的一個重要原因;霾日 PM10和 NO2濃度的雙峰型分布與上下班時段吻合,說明機動車的增加是深圳霾天氣增多的另一重要因素.

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