上海霾的影響因素與特征

張弛

摘要 利用2009年12月～2010年11月的上海氣象資料、顆粒物資料和后向軌跡聚類分析方法對在此期間的霾日進行統計分析。結果表明，上海霾發生時多盛行由內陸而來的西南和西北氣流，且各季有所不同，夏季以西南氣流為主，春季比較平均，秋、冬季節則以西北氣流為主；較高的相對濕度和較小的風速有利于霾的形成；上海霾的發生受到當地和外部輸送兩方面因素影響，其中以當地影響為主；細顆粒物對霾發生的貢獻很大，上海絕大部分的霾日中，PM2.5/PM10的比值均達0.5以上；上海霾的產生可能與機動車尾氣排放有比較密切的關系。

關鍵詞 霾；影響因素；變化特征；上海

中圖分類號 S161 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）20-06725-03

霾是指大量極細微的干塵粒均勻地浮游在空中，使遠處光亮物微帶黃、紅色，黑暗物微帶藍色，水平能見度<10 km的空氣普遍有混濁的天氣現象。研究表明，霾中的物質成分除了細塵以外，還包括硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、碳氫化合物、黑碳等粒子[1]，正是由于大量極細微的污染性氣溶膠的存在，霾天氣對人類的身體健康具有極大的危害性。上海市霾期間PM2.5、PM10污染對醫院呼吸科日均門診人數具有一定影響[2-3]。因此，霾的特征和成因均日益受到人們的關注。

國外學者較早地對霾的物質組成及氣候特征進行了研究[4-6]。近年來，我國學者對霾的研究也漸趨深入，我國年和四季霾日的空間分布特征均呈現東多西少的空間分布態勢，且霾的增加是造成太陽總輻射減少的主要原因之一[7]。進一步研究發現，在我國風力條件（大氣污染物稀釋擴散能力）的變化對霾天氣增減趨勢的影響非常顯著[8]；而在對各地的研究中，珠江三角洲區域灰霾天氣過程與區域內靜小風過程有密切聯系，清潔對照過程與強平流輸送有關[1]，較高的PM2.5濃度和較高的相對濕度及較小的風速是導致廣州霾天氣形成的主要原因[9]。 可見，霾的形成與氣象條件和空氣中顆粒物含量均有密切聯系。筆者利用后向軌跡聚類等方法，綜合兩方面因素，對2009年12月～2010年11月上海1年內霾日進行分析，以期對上海霾的形成、發展、成因和特征等有較細致和全面的了解。

1 資料與方法

1.1 資料來源

所用風速和相對濕度資料來自于上海徐家匯測點，能見度資料使用的是上海市普陀區華東師范大學PWD22能見度儀的觀測數據，其經緯度坐標為31.14°N、121.24°E，15 m。顆粒物數據包括PM2.5和PM10的小時數據，均來自于上海普陀監測站。用于軌跡計算的氣象場資料為NOAA 的FNL 資料。參考世界衛生組織提出的空氣質量準則，過渡時期目標中規定PM2.5的日平均濃度<0.037 5 mg/m3。在此以PM2.5日均值<0.037 5 mg/m3以及能見度日均值<10 000 m為篩選標準，篩選出2009年12月～2010年11月發生的霾日數。

1.2 研究方法

由于氣象場的觀測誤差、分析誤差、時空分辨率以及模式所用的一些假定會對單根軌跡的精度產生各種影響，因此常采用聚類分析的方法來研究空氣質量、氣溶膠的理化特性與不同輸送態勢之間的關系。聚類分析是一種多元統計技術，近年來，在大氣污染研究方面得到廣泛應用[10]。 開始聚類分析時，定義每條軌跡為獨立的1組，即N條軌跡對應N組。第1次迭代前，需要計算每對軌跡組合的空間方差（SPVAR）。 空間方差定義為組內各軌跡與它們的坐標平均值之差的平方和，SPVAR之和為總空間方差（TSV）。使TSV最小的組合形成1組。經過1次迭代后，聚類數為N-1，即產生N-1類；第2次迭代，在N-1類中計算各種軌跡組合的SPVAR與TSV，與第1步相同，使TSV增加最小的軌跡組合歸為1組。由此循環至所有軌跡最終歸為1類。最初幾次迭代，TSV增加得很快；隨后，TSV通常增加比較緩慢，但在某些迭代后，其值會突然增加，表明該次迭代形成的類與之前的類有較大區別。

2 結果與分析

2.1 霾日統計結果

經統計，2009年12月～2010年11月上海總共有霾日107 d，其中，冬季霾日發生的最多，且各月分布比較均勻，12、1、2月分別為20、13、11 d，均超過10 d；夏季和秋季次之，但各月分布較不均勻，在夏季，6月的霾日（15 d）較之7月（6 d）和8月（4 d）明顯偏多；而在秋季，9月的霾日（1 d）則較之10月（9 d）和11月（11 d）明顯偏少；春季發生的霾日最少，各月分布也比較均勻，3、4、5月分別為7、5、5 d，均未超過10 d。結合氣流路徑、氣象條件、顆粒物濃度等因素進行分析，可以進一步分析各月和各季節霾日分布不均的特征和原因。

2.2 后向軌跡聚類分析

從2009年12月～2010年11月500 m高度每日24 h后向軌跡的聚類結果（圖1）可以看出，來自西北、東北和西南的氣流所占比例差不多，東南方向的偏少；而從軌跡長度上來看，東南和西北方向的軌跡較長，超過600 km，說明東南和西北方向來的氣流移動路徑均較長，西南方向軌跡的長度較短（<300 km），說明氣流從較近的地方移至上海。

圖1 2009年12月～2010年11月24 h后向軌跡聚類結果

對各霾日氣流來向進行分析統計，與2009年12月～2010年11月全年總的氣流統計情況進行比較，結果發現（表1），就全年而言，在總共107 d霾日中，氣流來向為西北和西南的霾日分別達43、39 d，東北方向為22 d，最少的為東南方向，僅為3 d；而從各方向氣流下的霾日占各方向氣流的總天數的比例來看，西北和西南分別占43.4%和44.0%，東北方向為19.6%，東南方向為4.5%。所以，就全年的情況而言，從霾日發生的天數來看，西北和西南方向是霾日氣流的主要來向；從發生的概率來看，當氣流來向為西北和西南方向時，霾產生的幾率較大。首先，西北和西南方向的氣流均是從內陸移動至上海，沿途較易攜帶各種外源顆粒物影響上海，而東北和東南方向的氣流由海上移動至上海，由于海上人類活動較少，因此，海上的清潔氣流對上海的顆粒物濃度有稀釋作用；其次，從后向軌跡的長度來看，西南氣流的長度較短，說明當霾日產生時氣流方向為西南氣流時，上海霾日的產生更多的是受長三角等周邊地區以及當地影響所致；而西北氣流長度較長，說明受西北方向氣流影響而產生的霾日受外源長途輸送的影響較大。

就各季節（表2）而言，春季的17 d霾日中，氣流來向為西南和西北方向的最多，均為6 d，東北和東南方向的霾日分別為3、2 d；從發生概率上來說，西南方向最多，西北方向次之，之后是東南和東北方向。夏季的25 d霾日中，氣流來向為西南方向的達15 d，之后依次是東北方向5 d、西北方向4 d、東南方向1 d；但從發生概率而言，西北方向最高，西南方向和東北方向次之，東南方向最少；秋季和冬季均是西北方向的霾日最多，西南和東北次之，東南方向沒有，而從發生概率上而言，秋季西南方向氣流影響下，發生霾日的概率高于西北方向，東北方向概率較小；冬季西南和西北方向發生霾日的概率基本持平，東北方向略小。

總的來說，從霾日發生的天數來看，就各季節而言，西北和西南方向仍舊是霾日氣流的主要來向；其中，春季氣流來向為西南和西北方向的霾日數比較平均，夏季則西南高于西北；秋冬季節為西北高于西南。從各方向氣流影響下霾日發生的概率來看，各季節均是以西南和西北方向更易產生霾日，但就各季節比較而言，春季發生的概率較其他三季低；夏季西北方向發生概率最高，西南方向次之；秋季西南方向發生概率最高，西北方向次之；春季和冬季西南和西北方向發生的概率則相差不大，但較之另2個方向大。這主要是由于秋、冬季節主要是受西北方向弱冷高壓影響，因此霾日中西北方向氣流所占比重較大；而夏季主要是受副熱帶高氣壓帶影響，因此霾日中西北方向氣流所占比重較大；春季則為兩者的過渡期，因此所占比例也比較均等。在秋冬季節，西北弱冷高壓南下控制上海，上海處于弱高壓前緣或中心地帶，一方面，穩定的天氣形勢使當地的顆粒物不易擴散；另一方面，弱高壓沿途攜帶的顆粒物又被帶入上海，導致霾日的產生。而夏季則多為副熱帶高壓減弱，導致上海處于弱氣壓場控制，從而產生霾天氣。

2.3 霾產生時的氣象條件

2.3.1

相對濕度。由表3可見，從全年來看，霾日的日平均相對濕度主要集中在60%～90%。從各季節情況而言，大體與全年情況一致，相對濕度也主要集中在60%～90%，但具體而言，各季節略有差異，春季相對濕度在80%～90%區間的霾日數所占比例特別大，達春季總霾日數的58.8%；說明春季當霾日發生時，相對濕度大多在80%～90%；夏季相對濕度在70%～80%區間的霾日數所占比例最大，達夏季總霾日數的52.0%；秋季以60%～80%居多，冬季則在60%～90%的各區間段內分布較均勻。說明霾日產生時，相對濕度一般較高，因為較高的相對濕度有利于顆粒物的吸濕性增長，從而導致霾天氣的發展和加劇。

2.3.2

風速。從表4可以看出，就全年而言，當有霾發生時，日平均風速大多為0～2 m/s，占總霾日數的75.7%；風速為2～4 m/s的占總霾日數的24.3%；而當日平均風速>4 m/s時，霾日則不會產生。說明霾日發生時，日平均風速一般均在2 m/s以下，較小的風速使顆粒物不易擴散，大量顆粒物的積聚使霾更易產生。

從各季節來看，在春季，霾日中風速達2～4 m/s的天數較多，達52.9%，而其他季節霾日的日平均風速則多集中在0～2 m/s，說明春季霾日可能更多是受到外部影響，由于顆粒物從周邊地區長途輸送導致霾日的產生；而其他季節的霾日更多的是受到當地的影響。

2.3.3

PM特征。

在107 d霾日中，PM2.5/PM10超過0.5的天數有97 d，占總數的90.7%，說明大部分霾日中，細顆粒物在總顆粒物中所占比重很大，起到了很重要的作用。

進一步對107 d霾日每日各小時的超標情況進行統計，仍以能見度<10 000 m和PM2.5值<0.037 5 mg/m3為標準，從各小時超標值的統計結果可以看到，在07：00～09：00和18：00～20：00有2個小高峰，分別對應上下班高峰，說明上海霾日的產生與汽車尾氣排放有一定的聯系。

3 小結

（1）上海霾發生時多盛行由內陸而來的西南和西北氣流；且各季有所不同，夏季以西南氣流為主、春季比較平均，秋、冬季節則以西北氣流為主。

（2）較高的相對濕度、較小的風速有利于上海霾的形成。

（3）上海霾的發生受到當地和外部輸送兩方面影響，其中以當地影響為主。

（4）上海霾發生時PM2.5/PM10的比值多大于0.5，而從每天的小時濃度變化情況來看，上海霾日在早晚高峰出現小時濃度的峰值，說明上海霾日可能與機動車尾氣排放有比較密切的關系。

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