廣州地區灰霾與清潔天氣變化特征及影響因素分析

吳 蒙,范紹佳*,吳 兌,,廖碧婷,李海燕 (.中山大學環境科學與工程學院,廣東 廣州 5075；.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東 廣州 50080)

通常將由非水成物組成的氣溶膠系統造成水平能見度小于 10km的視程障礙現象稱為灰霾[1-2].灰霾出現時,往往伴隨著能見度的明顯惡化,空氣質量明顯下降.灰霾天氣給城市居民生產生活環境的保護和改善帶來了新的挑戰.

已有的研究表明,城市地區污染物的排放和城市群之間的相互作用是灰霾天氣發生的重要影響因子,氣象條件是灰霾天氣出現與否的決定性控制條件,近地層輸送條件即地面流場與大氣污染物的擴散稀釋密切相關.目前關于灰霾天氣的研究,國內外已做了許多極有意義的研究,也取得了豐富的成果[3-6],但仍然存在許多值得進一步探索的問題.

廣州位于珠江三角洲核心,是我國經濟最活躍的前沿地區之一.珠江三角洲特殊的地理環境使廣州極易受到南北氣流及其他局地環流的影響[7-17].本文嘗試根據地面觀測資料,從定量方面對廣州地區灰霾天氣出現的指標進行一些探討,揭示近地層輸送條件對灰霾天氣的影響.

1 資料和研究方法

研究資料為2006～2010年廣州地面氣象站每日 4次相對濕度、能見度資料,每日逐時地面風速、風向資料以及2006～2009年珠江三角洲地區33個地面氣象站每日逐時風速、風向資料.

資料處理時,參考吳兌等[1-2,13]的劃分標準,將日平均能見度＜7km,同時日平均相對濕度＜90%,并持續3日以上的事件稱為灰霾天氣過程;將連續 3日以上日平均能見度＞15km的事件稱為清潔天氣過程.根據灰霾天氣過程和清潔天氣過程的定義,利用廣州地面氣象站每日 4次的相對濕度和能見度資料,挑選出 2006～2010年兩種天氣過程的所有個例進行統計分析.統計分析時,為濾去風速的季節差異,用實測風速減去相應季節的多年平均值得到距平風速.

風矢量和(VST)[13]是判斷大氣擴散能力的有力指標,有著與流場不同的物理意義,能夠有效反映出一個區域在一個時間段空氣流動的輸送作用.為了清晰反映出廣州地區的風矢量和特征,本文在采用cressman插值法對站點觀測數據進行網格化(0.05°×0.05°)后,對廣州站及以廣州站為中心的四周4個格點共5個格點進行時間和空間矢量疊加,在計算時以24h為時間步長,同時在進行空間疊加后除以5作為廣州站的均值;而在進行個例分析時,為從整體上更加直觀反映區域矢量和的特征,計算時對廣東全省每個插值后格點進行120h時間疊加的同時也進行相應的空間疊加.

為探討風場與能見度之間的關系,分別計算了風速與能見度、矢量和與能見度之間的滑動相關系數.參照林學椿[18]對滑動相關系數不同窗口實驗的結果,同時考慮天氣過程自身的時間尺度特征,分析時取滑動窗口為11d,滑動相關值記在窗口的第6d,從而得到灰霾和清潔天氣過程逐日的滑動相關值.

2 結果分析

2.1 廣州灰霾與清潔天氣過程年際及季節分布特征

廣州位于亞熱帶地區,四季并不分明,但是存在顯著的干濕季,通常將4～9月定義為濕季,10月至翌年3月定義為干季[19-20].

表1給出2006～2010年廣州地區逐年干濕季灰霾與清潔天氣過程總日數的分布情況.

表1 灰霾過程與清潔過程年、季分布情況(d)Table 1 Yearly variation of hazy and cleaning weather in each seasons (d)

由表1可見,2006～2010年廣州地區灰霾天氣過程的出現日數,在2008年達到最大值后呈現出顯著的下降趨勢,2009年總日數最少,僅為3d,只出現一次灰霾天氣過程;2006～2010年廣州地區清潔天氣過程總日數呈現出增長的趨勢,2009年達到最大值,2006～2010年廣州空氣質量有明顯改善.

2006～2010年廣州地區灰霾天氣過程主要出現在干季,濕季則較少發生,部分年份濕季甚至完全沒有個例出現;與灰霾天氣相反,清潔天氣過程則主要出現在濕季,干季也有出現.這種分布特征,與大尺度環流背景的季節變化以及干濕季地面風場特征有密切的聯系[9].

2.2 廣州灰霾與清潔天氣過程地面風場特征

圖1a給出2006～2010年廣州地區所有灰霾天氣過程的風速分布情況,圖1b為風速與能見度的滑動相關系數. 由圖1a可見,絕大部分灰霾天氣過程的日平均風速＜1.5m/s(經統計,頻率達到93%以上);干季大部分灰霾天氣過程日平均風速＜1.0m/s,極端個例甚至在0.5m/s以下. 從圖1b中還可以看出,灰霾天氣過程發生時,風速與能見度的相關系數大部分都在0.5以上,說明兩者存在著較強相關.同時也存在少數個例由于風速相對較大而出現弱相關乃至負相關,經分析發現此類個例多為灰霾天氣發生中的灰霾日,這是由于灰霾天氣發生期間污染物已經累積了較長時間,能見度已經相當低,即便風速出現波動,能見度也不會迅速隨之波動.總體來看,灰霾發生時,風速越小相關系數越大,風速小于1.5m/s時,強相關比較明顯,這說明水平風場對灰霾天氣有著重要影響.

圖1 廣州灰霾天氣過程日平均風速及相關系數Fig.1 Scatter diagram for diurnal mean wind speed and correlation coefficient of haze weather over Guangzhou

為分析灰霾天氣發生時的風速與相應的季節平均風速的關系,圖2給出灰霾天氣過程日距平風速(實測風速減去相應季節的多年平均值)點聚圖. 由圖2可看出,86%以上距平風速為負值,說明灰霾天氣發生時的風速往往要小于相應的季節平均風速.與日平均風速的分布相似,除三月份部分個例距平風速較大外,干季的距平風速均較小,整體來看灰霾天氣過程中大部分日平均風速比相應季節平均風速小0.5m/s左右.

圖3a為2006年-2010年廣州地區所有清潔天氣過程的風速分布情況,圖3b為清潔天氣過程中風速與能見度的滑動相關系數.從圖3a和圖3b可看出,2006～2010年廣州濕季清潔天氣過程出現頻率要高于干季.干季清潔天氣過程發生時,日平均風速與能見度的相關系數較大,表現出強的正相關.而在濕季,風速大于1.5m/s時相關系數較大,小于1.5m/s時相關性則較弱,這是由于濕季季風活動較強,大氣對流旺盛,而且降水也較多,因此有些時候雖然風速較小,但是污染物也難以積累.綜合發現,風速越大,相關系數也越大,此時水平風場的清除作用也越顯著.

圖2 廣州灰霾天氣過程日距平風速Fig.2 Scatter diagram for diurnal anomaly wind speed of haze weather over Guangzhou

圖3 廣州清潔天氣過程日平均風速與相關系數Fig.3 Scatter diagram for diurnal mean wind speed and correlation coefficient of cleaning weather over Guangzhou

經統計還可以發現,全年 65%以上清潔天氣過程日平均風速值大于 1.5m/s,與此同時干季的清潔天氣過程日平均風速高于 1.5m/s的比例更是達到 70%以上,濕季則有較多個例在風速小于1.5m/s的情況依然是清潔天氣過程,這是由于濕季天氣多變,大氣活動旺盛,擴散條件較好,灰霾天氣過程極少出現.

圖4為2006～2010年廣州地區清潔天氣過程距平風速的分布情況,從圖 4可看出,2006年-2010年清潔天氣過程的距平風速普遍＞0,距平風速在1m/s以上的個例也相當多,說明清潔天氣過程日平均風速大多大于相應的季節平均風速;濕季則存在一定數量的清潔天氣過程的距平風速＜0,這與濕季擴散條件較好,清潔天氣過程較易出現有關.

圖4 廣州清潔天氣過程日距平風速點聚圖Fig.4 Scatter diagram for diurnal anomaly wind speed of cleaning weather over Guangzhou

仔細對比分析圖1～圖4灰霾天氣過程和清潔天氣過程的風速特征,可以發現:灰霾天氣在風速較小時(＜1.5m/s)較易發生,風速比相應的季節平均風速小;與灰霾天氣過程相反,清潔天氣過程的風速往往較大,比相應的季節平均風速大.而且干季灰霾天氣過程和清潔天氣過程中能見度與風速的相關系數均較好,風速較大時,能見度也較大,風速較小時,能見度也相應較小;濕季則由于受到對流、降水等其他因素的影響,大氣擴散能力較好,風速與能見度的相關性相對較弱.

圖5為2006～2010年廣州地區灰霾天氣與清潔天氣的風向頻率分布.從圖5可見,濕季的灰霾天氣過程多出現在東風和偏東風,清潔天氣過程多出現在東南風(圖5a2),與濕季的主導風向是一致的(圖5a3).干季灰霾天氣過程多出現在東南風(圖b1),這與干季主導風向有著顯著差別(圖5b3),干季清潔天氣過程則主要發生在北風(圖5b2),與多年風向頻率中主導風向一致,北方越過南嶺而來的強冷空氣能夠有效的將污染物稀釋擴散.從靜風頻率看,灰霾天氣過程靜風頻率遠遠大于清潔天氣過程,靜風天氣時空氣停滯,擴散條件較差,容易導致灰霾天氣,清潔天氣過程靜風頻率比多年靜風頻率要小很多.

圖5 2006～2010年廣州地區風向頻率分布Fig.5 Diagram of wind direction frequency in Guangzhou during the year 2006-2010

2.3 矢量和特征

圖6a和圖6b給出2006～2010年廣州地區所有灰霾天氣過程的風矢量和以及風矢量和與能見度的滑動相關系數分布情況.由圖 6a中可見,在灰霾天氣過程中矢量和風速較小,81%都在25m/s以下,說明風速的輸送作用較弱,大氣擴散條件較差;而在清潔天氣過程中,矢量和風速較大,尤其是冬春季大部分都大于25m/s,風速的輸送作用比較顯著,污染物難以堆積.由圖6b可知,大部分個例的風矢量和與能見度存在著較強相關,而且風矢量和越小,相關系數越大;也存在少數相關性較弱的個例,這是因為一次灰霾天氣過程是由多個連續的灰霾日組成的,而在這連續的灰霾日中時間居中的灰霾日往往受風場波動影響較小.

圖6 廣州灰霾天氣過程風矢量和與相關系數Fig.6 Scatter diagram for diurnal sum of wind vectors and correlation coefficient of haze weather over Guangzhou

圖7a為2006～2010年廣州地區所有清潔天氣過程的風矢量和分布情況,圖7b為清潔天氣過程中風矢量和與能見度的滑動相關系數.從圖7a中可知,在清潔天氣過程發生時,風矢量和大部分較大,統計表明70%在25m/s以上,說明該條件下大氣擴散能力較強,污染物難以堆積.由圖6b可知,2006～2010年廣州清潔天氣過程中干季風矢量和與能見度存在著顯著的相關性,風矢量和越大,相關系數越大,但是在濕季有部分個例風矢量較小,相關系數也相對較小,這主要是受濕季本身擴散條件較好影響.

圖7 廣州清潔天氣過程風矢量和及相關系數Fig.7 Scatter diagram for diurnal sum of wind vectors and correlation coefficient of cleaning weather over Guangzhou

綜合分析圖6和圖7可知,風矢量和能夠有效的反映出風場對污染的輸送作用.當灰霾天氣出現時,風速較小,同時風向的擺動也較為劇烈,導致風矢量和較小;而清潔天氣過程中,風速風向往往持續穩定,風場對污染物有著較強的輸送作用.灰霾天氣過程中,大多數時候風矢量和與能見度存在較強相關,風矢量和越小,能見度也越小;而清潔天氣過程中,干季風矢量和與能見度的相關性較好,濕季由于擴散條件較好,風矢量和與能見度的相關性要略差.

2.4 典型個例分析

為進一步分析擴散條件對廣州地區灰霾天氣過程與清潔天氣過程的影響,選取 2009年 11月19～28日為典型個例進行剖析,其中19～23日是一次清潔天氣過程,26～28日則為一次灰霾天氣過程.

圖8給出2009年11月19～28日廣州地面觀測站的風速時間變化情況.從圖8可看出,19～23日清潔過程的風速較大,風向非常穩定,主要為北風;24～25日屬于過渡階段,這段時間內風速顯著減小,風向多變,大氣擴散能力減弱,污染物開始堆積;26～28日灰霾天氣爆發,風速依然較小,在1.5m/s左右波動,北風較弱,偶有南風.

圖9分別給出清潔過程(19～23日)和灰霾過程(24～28日)進行 120h風矢量和計算后得到的矢量和空間分布圖.從圖9a可以看出,清潔天氣過程中風的矢量和較大,珠三角地區大氣擴散條件較好,不利污染物的堆積;而灰霾天氣過程出現時,圖9b中矢量和顯著減小,珠三角地區存在一塊顯著的氣流停滯區,大氣擴散條件很差,污染物難以擴散,導致廣州地區出現灰霾.

從圖8和圖9還可以發現,在持續、穩定的強風作用下,風矢量和較大,污染物難以堆積,大氣比較清潔;而風速較小、風向多變時,風矢量和較小,污染物累積效應增強,會導致灰霾天氣爆發.

圖8 2009年11月19～28日廣州風速隨時間變化Fig.8 Changes of wind velocity over Guangzhou during Nov. 19-28,2009

圖9 風的120h矢量和Fig.9 Sum of wind vectors for 120 hours

3 結論

3.1 廣州灰霾天氣過程主要發生在干季,濕季極少發生;清潔天氣過程主要出現在濕季,干季則相對較少出現.這與亞洲大尺度緯向環流的冬強夏弱有一定關系.

3.2 大部分灰霾天氣過程發生時,廣州地面風速一般小于 1.5m/s,比相應季節的平均風速小0.5m/s以上;清潔天氣過程中廣州地面風速一般在 1.0～3.0m/s之間,大部分比相應季節平均風速大0.5m/s以上,部分時候甚至大1m/s以上.

3.3 在干季,灰霾天氣過程出現時主要為東南及東南偏南風,而清潔天氣過程的主導風向則為北風及偏北風.濕季時的灰霾天氣過程較少,多表現為東風,清潔天氣過程主要為東南風,與多年主導風向一致.

3.4 灰霾天氣過程出現時,廣州地區矢量和風速較小,風場的輸送作用較弱;清潔天氣過程的風矢量和則較大,能夠有效的將污染物擴散出去.

3.5 廣州灰霾天氣發生時,能見度與風速以及風矢量和的相關性較好,風速和矢量和越小,相關性也越強;而清潔天氣過程發生時,干濕季能見度與風速以及風矢量和相關系數則存在顯著差異,干季相關性較強,風速和風矢量和越大,相關性越強,濕季則由于受到其他因素的影響,相關性相對較弱.

[1]吳 兌.霾與霧的識別和資料分析處理 [J]. 環境化學, 2008,27(3):327-330.

[2]吳 兌.再論都市霾與霧的區別 [J]. 氣象, 2006,32(4):9215.

[3]童堯青,銀 燕,錢 凌,等.南京地區霾天氣分析 [J]. 中國環境科學, 2007,27(5):584-588.

[4]朱佳雷,王體健,邢 莉,等.江蘇省一次重霾污染天氣的特征和機理分析 [J]. 中國環境科學, 2011,31(12):1943-1950.

[5]趙普生,徐曉峰,孟 偉,等.京津冀區域霾天氣特征 [J]. 中國環境科學, 2012,32(1):31-36.

[6]李穎敏,范紹佳,張人文.2008年秋季珠江三角洲污染氣象條件分析 [J]. 中國環境科學, 2011,31(10):1585-1591.

[7]陳 燕,蔣維楣,郭文利,等.珠江三角洲地區城市群發展對局地大氣污染物擴散的影響 [J]. 環境科學學報, 2005,25(5):700-710.

[8]鄭君瑜,張禮俊,鐘流舉.珠江三角洲大氣面源排放清單及空間分布特征 [J]. 中國環境科學, 2009,29(5):455-460.

[9]黃 義,范紹佳.珠江三角洲城市群一次區域性污染過程氣象特征數值模擬 [J]. 中山大學研究生學刊(自然科學醫學版),30(l):78-92.

[10]陳訓來,馮業榮,王安宇,等.珠江三角洲城市群灰霾天氣主要污染物的數值研究 [J]. 中山大學學報(自然科學版), 2007,46(4):103-107.

[11]王淑蘭,張遠航,鐘流舉,等.珠江三角洲城市間空氣污染的相互影響 [J]. 中國環境科學, 2005,25(2):133-137.

[12]Wu D, Tie X, Deng X. Chemical characterizations of soluble aerosols in Southern China [J]. Chemosphere, 2006,64:749-757.

[13]吳 兌,廖國蓮,鄧雪嬌,等.珠江三角洲霾天氣的近地層輸送條件研究 [J]. 應用氣象學報, 2008,19(1):1-9.

[14]范紹佳,王安宇,樊 琦,等.珠江三角洲大氣邊界層特征及其概念模型 [J]. 中國環境科學, 2006,26(增刊):4-6.

[15]范紹佳,王安宇,樊 琦,等.珠江三角洲大氣邊界層概念模型的建立及其應用 [J]. 熱帶氣象學報, 2005,21(3):286-292.

[16]Ding Ai-jun, Wang Tao, Zhao Ming ,et al. Simulation of sea-land breezes and a discussion of their implications on the transport of air pollution during a multi-day ozone episode in the Pearl River Delta of China [J]. Atmospheric Environment, 2004,38(39):6737-6750.

[17]陳歡歡,吳 兌,譚浩波.珠江三角洲 2001—2008年灰霾天氣過程特征分析 [J]. 熱帶氣象學報, 2010,26(2):147-155.

[18]林學椿.統計天氣預報中相關系數的不穩定性問題 [J]. 大氣科學, 1978,2:55-63.

[19]陳創買,鄭德娟,趙仲輝.廣東干濕氣候的特征 [J]. 熱帶氣象學報, 1997,13(3):193-200

[20]王德瀚.雨季劃分及雨帶變動的研究 [J]. 氣象學報, 1981,39(2):252-256

致謝：本文中所使用的數據均由中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所提供,在此表示感謝.