武漢灰霾天氣氣候特征及成因討論

何 飛，袁業(yè)暢

（湖北省氣象服務(wù)中心，湖北 武漢430074）

1 引言

2013年，中國遭遇了史上最嚴(yán)重霧霾天氣，霧霾發(fā)生頻率高、波及面廣、污染程度前所未有，全國平均霧霾天數(shù)達(dá)29.2d，創(chuàng)52年之最。特別是2013年1月全國出現(xiàn)4次較大范圍霧霾過程，涉及30個(gè)省（市、區(qū)），南至中原地區(qū)（河南及湖北），北至京津冀北部并波及遼寧，東至山東，西至山西［1］。多個(gè)城市 PM2.5指數(shù)爆表，能見度不足幾十米，有些城市甚至中小學(xué)停課，航班停飛，高速公路封閉，公交線路暫停營運(yùn)。

這次大氣重污染過程引起了許多學(xué)者的關(guān)注，高健［1］等人基于天氣形勢分析認(rèn)為2013年1月大氣灰霾污染是由于我國中東部地區(qū)弱的氣壓場控制下地面靜穩(wěn)天氣條件背景下，區(qū)域污染和局地污染耦合而成；侯振奎［2］等人分析了2013年1月份我國中東部地區(qū)穩(wěn)定的層結(jié)、強(qiáng)冷空氣活動(dòng)偏少，地面風(fēng)速小以及中東地區(qū)上空較強(qiáng)的西南暖濕氣流輸送導(dǎo)致地區(qū)溫度增加等因素促成了霧霾天氣的形成；王叢梅［3］等人分析河北省中南部在2013年1月地面氣象要素相比歷史同期表現(xiàn)異常，氣溫偏低，濕度偏高，日照偏小，降水日數(shù)多但量級(jí)少；《中國科學(xué)》雜志發(fā)表了2013年1月中國東部嚴(yán)重霧霾天氣的專題文章，其中張人禾［4］等人利用資料診斷，分析了氣象條件在這次持續(xù)性強(qiáng)霧霾天氣中發(fā)生的作用，多元性回歸分析的結(jié)果表明，熱力和動(dòng)力因子對(duì)這次霧霾天氣過程具有大致相同的作用，氣象因子可以解釋超過2/3的霧霾天氣逐日變化的方差，方差貢獻(xiàn)達(dá)到0.68；中國科學(xué)院“大氣灰霾追因與控制”專項(xiàng)組［5］得用其建立的“中國氣溶膠觀測研究網(wǎng)”（CARE－China）對(duì)整個(gè)強(qiáng)霾污染過程進(jìn)行了全程追蹤觀測，分析得出該次強(qiáng)霾污染的外因是弱的天氣系統(tǒng)、不利的局地氣象條件及地理位置，內(nèi)部促發(fā)因素是一次排放的氣態(tài)污染物向顆粒態(tài)的快速轉(zhuǎn)化。

武漢市地處中國腹地中心，是中部第一的巨大型城市，伴隨著近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，工業(yè)化、城市化、機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加及城區(qū)改造及房地產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，霾的出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)上升趨勢，在2013年武漢也遭遇了21世紀(jì)以來的最嚴(yán)重的一次霧霾天氣。對(duì)于此次嚴(yán)重霧霾天氣，武漢大學(xué)測繪信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室［6］對(duì)武漢市2013年1月期間的PM1.0的離子成分進(jìn)行了監(jiān)測，表明霾日顆粒物為酸性，缺乏對(duì)武漢市霾日氣象條件和成因的分析。本文利用武漢市近6年的氣象觀測資料，研究武漢市霾的氣候特征和氣象影響因素，以期了解武漢市霾的成因和影響因素。

2 資料及霾日的選取

本文使用的資料取自湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心的數(shù)據(jù)，是武漢市地面氣象觀測站2008～2013年的霾實(shí)際觀測資料以及08時(shí)高空探測規(guī)定層氣溫資料，資料內(nèi)容包括定時(shí)氣壓、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、能見度和相對(duì)濕度以及逐日的平均氣壓、氣溫、風(fēng)速、降水量、平均相對(duì)濕度和天氣現(xiàn)象。使用的資料經(jīng)過質(zhì)量保證，完整性很高。

隨著霾出現(xiàn)的越來越頻繁，人們的關(guān)注度越來越高，有必要對(duì)地面觀測資料進(jìn)行訂正，以便區(qū)分開霾和輕霧。《霾的觀測和預(yù)報(bào)等級(jí)》中，對(duì)霾觀測的判識(shí)條件中，將能見度小于10.0km，排除其他視程障礙，將濕度作為判別霾的輔助條件。參考湖北地區(qū)其他城市，本文將相對(duì)濕度小于80%的能見度惡化現(xiàn)象確定為霾，相對(duì)濕度大于90%的能見度惡化現(xiàn)象確定為霧，相對(duì)濕度介于80%～90%時(shí)的能見度惡化現(xiàn)象確定為霾和霧的混合物，也作為霾處理，并參考天氣現(xiàn)象記錄，排除其他視程障礙，若記錄霾現(xiàn)象也記作一個(gè)霾日［8］。由于2013年9月采取自動(dòng)觀測能見度，與人工觀測數(shù)據(jù)相差數(shù)量級(jí)，兩套觀測系統(tǒng)相距較大，2013年的霾日主要參考天氣現(xiàn)象的記錄。

3 霾的時(shí)間分布

3.1 霾的年際分布

圖1是武漢市近6年來霾出現(xiàn)日數(shù)的統(tǒng)計(jì)圖。從圖1中可看出，武漢市2013年的總霾日達(dá)到了近6年來的最高值，僅天氣現(xiàn)象中記錄的霾日就達(dá)到81d之多，比第二高值2008年總霾日的33d高出1.45倍。除2010年總霾日為20d外，2009和2011年總霾日均為18d，2012年最少為17d。與國內(nèi)其他地區(qū)作橫向?qū)Ρ龋轿麝柸?000～2010年間霾的年平均日數(shù)達(dá)到40.5d［9］，昆山市90年代末期灰霾日數(shù)已經(jīng)為51.8d［10］以及整個(gè)長江三角洲城市群［11］2001～2007年平均總霾日數(shù)為46.6d相比，武漢2008～2012年的空氣質(zhì)量較好，僅2013年霾日數(shù)高發(fā)。

圖1 武漢市2008～2013年霾日數(shù)

3.2 霾的月、季分布

近6年武漢市各月、季灰霾日數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。從表中可以看出，12月和1月在近6年均出現(xiàn)了灰霾天氣，出現(xiàn)的天數(shù)也分別位于第一、第二，6年內(nèi)12月總共出現(xiàn)44個(gè)灰霾日，1月為37d，特別是2013年12月霾持續(xù)了一個(gè)月，導(dǎo)致近6年來12月的灰霾天數(shù)達(dá)到最高值，而1月在近6年內(nèi)均有較多霾日出現(xiàn)；7、8、9月為霾出現(xiàn)較少的時(shí)期，8月僅在2012年出現(xiàn)過2d的霾日，7月在3年中也只出現(xiàn)了3d的霾日，9月在3年內(nèi)出現(xiàn)6d的霾日。

本文的四季劃分為春（3～5月）、夏（6～8月）、秋（9～11）和冬（12～2）月。從季節(jié)分布來看，秋冬季節(jié)在近六年內(nèi)均出現(xiàn)了灰霾現(xiàn)象，春夏季節(jié)出現(xiàn)的頻率較低。冬季灰霾最嚴(yán)重，年均為16d，占總天數(shù)的51.3%，其次是秋季，年均9d，占28.9%，春夏季灰霾較少，春季年均3.7d，占11.8%，夏季最少，年均僅為2.5d，占總天數(shù)的8%。

表1 武漢市2008～2013年各月、季灰霾日數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.3 持續(xù)霾日分布情況

統(tǒng)計(jì)武漢市2008～2013年霾日數(shù)資料，結(jié)果見表2，2010～2012年期間灰霾持續(xù)時(shí)間較短，一般為1～2d；2008、2009灰霾天氣持續(xù)時(shí)間較長，最長為2009年持續(xù)了6d，出現(xiàn)在2月3日～2月8日；其次為2008年持續(xù)了5d，出現(xiàn)在1月6日～1月10日，兩年內(nèi)總共出現(xiàn)4次持續(xù)3d的情況，分別出現(xiàn)在1、10、12月。灰霾最為嚴(yán)重的2013年，分別出了一次持續(xù)時(shí)間長達(dá)19、37d的灰霾天氣，分別出現(xiàn)在11月3日～11月23日和11月25日～12月31日。可見較長時(shí)間的霾日發(fā)生在秋冬季節(jié)，2013年霾日數(shù)不僅激增，還具有持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)。

表2 灰霾持續(xù)天數(shù)的次數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 成因討論

4.1 大氣污染源討論

霾的形成以及霧與霾的轉(zhuǎn)化機(jī)制雖然沒有完全清楚，但是不良的擴(kuò)散氣象條件、以及污染源增加是形成霾的兩個(gè)重要原因。根據(jù)武漢市環(huán)保局網(wǎng)站資料，2013年1月和12月空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)均僅為1d，并且兩個(gè)月的主要超標(biāo)污染物均為PM10和PM2.5。2013年可吸入顆粒物PM10年平均濃度與2012年上升27μg/m3，超標(biāo)0.5倍；日平均濃度達(dá)標(biāo)率為69.6%，細(xì)顆粒物PM2.5年平均濃度為94μg/m3，超標(biāo)1.7倍，日平均濃度達(dá)標(biāo)率僅為51.5%。但2013年全市工業(yè)廢氣排放總量及煙（粉）塵量較上年均有所下降，僅機(jī)動(dòng)車氮氧化物排放量與上年有小幅增加，增長3.31%［12］。從環(huán)境監(jiān)測結(jié)果來看：粗顆粒粉塵污染減輕，但細(xì)顆粒物較往年有所加重，PM2.5首年列入監(jiān)測內(nèi)容，超標(biāo)嚴(yán)重，前體物氮氧化物增加。

4.2 氣象條件的討論

霧霾的產(chǎn)生，特別是二次氣溶膠的形成有賴于特定的氣象條件，如溫度、濕度、輻射強(qiáng)度等，一次排放的氣態(tài)污染物向顆粒態(tài)的快速轉(zhuǎn)化，是強(qiáng)霾污染“爆發(fā)性”和“持續(xù)性”的內(nèi)部促發(fā)因子，特別是大氣中燃油排放的大量NOX促發(fā)了空氣中SO2向顆粒態(tài)硫酸鹽的快速轉(zhuǎn)化.通過NOX/SO2協(xié)同轉(zhuǎn)化途徑分析，發(fā)現(xiàn)氣態(tài)污染物在細(xì)顆粒表面的非均相反應(yīng)可改變大氣顆粒物的粒徑及化學(xué)組分，促使顆粒物中的二次無機(jī)鹽（如硫酸鹽和硝酸鹽等）的比例逐漸增大，導(dǎo)致顆粒物吸濕性顯著增強(qiáng)，從而對(duì)強(qiáng)霾污染形成起到了促進(jìn)作用［13］；污染物的擴(kuò)散主要依賴氣象條件，霧霾發(fā)展與消除受到風(fēng)力、降水、降雪等因素影響［14］。因此下面從污染氣象條件考慮氣候形勢對(duì)霧霾天氣形成的影響。

4.2.1 霾與逐日氣象條件分析

表3是將2008～2013年間霾日與非霾日的日平均風(fēng)速、平均降水量及平均相對(duì)濕度進(jìn)行對(duì)比，霾日平均風(fēng)速相對(duì)非霾日的風(fēng)速較小，但兩者差異不大，在2012年例外，霾日與非霾日風(fēng)速接近，霾日風(fēng)速略高；霾日的平均降水量遠(yuǎn)小于非霾日，差異顯著，表明武漢市降雨對(duì)消除霧霾有較好效果；相對(duì)濕度霾日較高，僅在2010年霾日的濕度略低于非霾日的溫度，在穩(wěn)定的氣層中，相對(duì)高濕的環(huán)境更易形成霾。

表3 2008～2013年間霾日與非霾日的逐日氣象條件對(duì)比統(tǒng)計(jì)

由表4對(duì)靜風(fēng)的分析可見，秋、冬季靜風(fēng)頻率較高，春夏季較低。2013年全年的靜風(fēng)頻率明顯偏高，秋季靜風(fēng)頻率達(dá)到24.2%，而冬季靜風(fēng)頻率較往年顯著增加，達(dá)到20.4%，致使2013年冬季11、12月出現(xiàn)持久的霧霾現(xiàn)象。由于秋冬季冷空氣最活躍，武漢市地面受冷高壓或變性高壓控制，空氣干燥、氣層穩(wěn)定，靜風(fēng)頻率對(duì)霾現(xiàn)象有較好的解釋。但從日平均風(fēng)速來看，霾日與非霾日差異并不顯著，一方面可能是由于地面風(fēng)受地形及周邊環(huán)境影響較大，代表性不強(qiáng)；另一方面日均風(fēng)速可能遮掩了風(fēng)向等情況。因此特別需要進(jìn)行高空氣象資料、逐時(shí)風(fēng)資料的分析。

表4 武漢市2008～2013年各季靜風(fēng)頻率統(tǒng)計(jì)表 %

4.2.2 霾與逆溫層的分析

逆溫層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使污染物在垂直方向上難以轉(zhuǎn)移擴(kuò)散，極易造成霧霾現(xiàn)象的持續(xù)。表5是統(tǒng)計(jì)2008～2013年間，霧霾天氣及非霾天氣時(shí)低空逆溫的狀況。除了2012年，其他五年霾日出現(xiàn)逆溫層的比例均比非霾日要高得多，這表明逆溫條件既不是霧霾天氣的充分條件也非必要條件，非霾日污染較輕，即使出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象也不會(huì)造成霧霾；若污染源較強(qiáng)或水平擴(kuò)散能力較差等因素也會(huì)造成霧霾。非霾日逆溫層的出現(xiàn)比例為一般小于30%，霾日逆溫層出現(xiàn)的比例一般在30%以上，2013年霾日出現(xiàn)逆溫層的比例高達(dá)70.4%，表明穩(wěn)定的空氣層結(jié)是2013年武漢市霾日高發(fā)，持續(xù)時(shí)間長的一個(gè)重要因素。

表5 2008～2013年霾日及非霾日低空逆溫統(tǒng)計(jì)

4.2.3 霾與定時(shí)風(fēng)力條件的分析

表6為武漢市2008～2013年霾日的風(fēng)速特征表。當(dāng)霾出現(xiàn)時(shí)，大于4m/s的風(fēng)速僅占到7.2%，92.8%的風(fēng)速集中在4m/s以內(nèi)，武漢市霾日靜風(fēng)頻率所占比例不高，主要風(fēng)速集中在0.1～2m/s之間。風(fēng)速較小時(shí)，霾易出現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，污染物在垂直和水平方向的擴(kuò)散和輸送加快。

表6 武漢市2008～2013年霾日的風(fēng)速分布表

圖2是通過統(tǒng)計(jì)分析霾出現(xiàn)時(shí)刻時(shí)風(fēng)向的分布特征繪制的風(fēng)向玫瑰圖，分別統(tǒng)計(jì)了6年來總霾、夏半年霾和冬半年霾的風(fēng)向玫瑰圖（5～10月劃分為夏半年，11～4月劃分為冬半年），并將2013年作為一個(gè)典型年，分析了當(dāng)年冬半年的風(fēng)向分布。由圖可見，出現(xiàn)霾的時(shí)候主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹、NNE、NE，和武漢市常年的主導(dǎo)風(fēng)向一致，夏半年中NE和NNE風(fēng)向所站比例最高，兩者合計(jì)占到32.6%，冬半年內(nèi)N向風(fēng)增加，與NNE的頻率相當(dāng)，為14.2%，NE第二為13.6%。2013年的冬半年，風(fēng)向與總的霾日風(fēng)向有所變化，NE風(fēng)向大大減少，僅為4.3%，但是N和NNE兩上方向的風(fēng)仍然很大，頻率均為18.6%。2013年霾日風(fēng)向沒有發(fā)生顯著變化，但由于2013年全國范圍內(nèi)多地暴發(fā)霧霾現(xiàn)象，北方地區(qū)尤為嚴(yán)重，不排除偏北向風(fēng)引導(dǎo)北方的沙塵和上游的污染物擴(kuò)散至武漢。

5 結(jié)語

（1）武漢市2008～2012年霾日的發(fā)生次數(shù)相對(duì)較低，但2013年霾日的天數(shù)多，持續(xù)時(shí)間長，與前5年驟然發(fā)生了較大的變化。

（2）武漢市近6年來霾日主要分布在12月和1月，7、8、9月為霾出現(xiàn)較少的時(shí)期，從發(fā)生頻率上來看，秋冬季節(jié)在近六年內(nèi)均出現(xiàn)了灰霾現(xiàn)象，春夏季節(jié)出現(xiàn)的頻率較低，冬季灰霾最嚴(yán)重。

（3）2010～2012年期間灰霾持續(xù)時(shí)間較短，一般為1～2d；2008、2009和2013年灰霾天氣持續(xù)時(shí)間較長。2013年，分別出了一次持續(xù)時(shí)間長達(dá)19、37d的灰霾天氣，分別出現(xiàn)在11月3日～11月23日和11月25日～12月31日。

（4）從污染源來分析霾的影響因素，2013年粗顆粒粉塵污染減輕，但細(xì)顆粒物較往年有所加重，前體物氮氧化物增加，易在高濕環(huán)境下生成粒徑較大的顆粒物。

（5）從氣象條件來分析霾的影響因素，霾受到弱的日降水量、逆溫層、靜小風(fēng)等因素的影響較大，受相對(duì)濕度和風(fēng)向的影響較小。

（6）總體說來，冷空氣活動(dòng)弱，地面風(fēng)速小，地面及低空逆溫層的存在，使得擴(kuò)散條件差，導(dǎo)致染物和懸浮物難以擴(kuò)散輸送；另一方面，同期山西及東北地區(qū)出現(xiàn)霧霾天氣，中低空偏北氣流影響，顆粒物南下擴(kuò)散，這些因素共同導(dǎo)致2013年武漢市持續(xù)嚴(yán)重霧霾天氣的出現(xiàn)。

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