重慶市區(qū)灰霾天氣變化及特征分析

張 燦，周志恩，翟崇治，張 丹

重慶市環(huán)境科學(xué)研究院(重慶市環(huán)境監(jiān)測中心)，城市大氣環(huán)境綜合觀測與污染防控重慶市重點實驗室，重慶 401147

灰霾因影響大氣環(huán)境質(zhì)量、降低城市能見度、危害人體健康，已成為城市或區(qū)域大氣環(huán)境的主要問題。中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》中對霾的定義為“大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的空氣普遍混濁現(xiàn)象”[1]。吳兌等[2]指出，空氣中的灰塵、硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、有機碳氫化合物等粒子也能使大氣混濁、視野模糊并導(dǎo)致能見度惡化，如果水平能見度小于10 km，將這種非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成的視程障礙稱為霾或灰霾，相對濕度小于80%時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化是霾造成的，相對濕度大于90%時是霧造成的，相對濕度為80%～90%時是霾和霧的混合物共同造成的，但其主要成分是霾[2-4]。白志鵬等[5]認為，形成灰霾天氣的氣溶膠粒子的平均直徑約為1～2 μm，主要是細粒子濃度升高影響能見度。可見，(灰)霾是一種由于氣溶膠(尤其是細粒子)污染導(dǎo)致的能見度下降的天氣現(xiàn)象，能見度和相對濕度是判斷灰霾的2項重要指標。

根據(jù)中國氣象局發(fā)布的《霾(灰霾)的觀測和預(yù)報等級》(QX/T 113—2010)，能見度小于10 km，排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙，相對濕度小于80%，判識為霾；相對濕度80%～95%時，按照地面氣象觀測規(guī)范規(guī)定的描述或大氣成分指標(PM2.5濃度、PM1.0濃度、吸收系數(shù)+散射系數(shù))進一步判識，其中5～10 km屬于輕微灰霾現(xiàn)象，3～5 km屬于輕度灰霾，2～3 km屬于中度灰霾，少于2 km則為重度灰霾。

我國目前存在四大灰霾區(qū)域：黃、淮、海地區(qū)，長江三角洲，四川盆地和珠江三角洲[6-7]。重慶市位于東經(jīng)105°11′～110°11′、北緯28°10′～32°13′的四川盆地東部邊緣，屬于低山丘陵地帶，1997年直轄以來，重慶市能源消費總量從2 030.13萬t標煤增至2011年的7 951.12萬t，增長了2.9倍；其中煤炭的消費量從1 383.98萬t標煤增至5 338.03萬t，增長了2.86倍[8]。能源消耗的快速增長，加上自身地理氣象條件不利于污染物擴散，給改善大氣環(huán)境質(zhì)量帶來了巨大壓力。《“十二五”重點區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控規(guī)劃》將重慶與成都為代表的“成渝地區(qū)”作為“三區(qū)六群”之一列入灰霾控制重點區(qū)域。另外，重慶也是全國灰霾監(jiān)測試點城市之一，但目前灰霾研究多集中在京津、珠三角等地區(qū)，鮮見重慶地區(qū)對灰霾的研究報道。該文以重慶市區(qū)為研究對象，分析1997—2012年灰霾天氣的變化特征及影響能見度導(dǎo)致灰霾發(fā)生的主要污染物，為控制灰霾、提高城市能見度提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 數(shù)據(jù)來源和處理

1997—2012年5 844組逐日氣象數(shù)據(jù)(相對濕度、降水量、能見度)來自沙坪壩氣象觀測臺(編號57516，東經(jīng)106°28′E北緯29°35′N，海拔高度259.1 m)。1997—2012年主要大氣污染物(PM10、SO2、NO2、PM2.5和O3)逐日濃度數(shù)據(jù)來自重慶市環(huán)境監(jiān)測中心，其中PM10日均濃度數(shù)據(jù)為4 711個，PM2.5為725個，SO2為4 745個，NO2為4 747個。

排除降水的影響，該研究將能見度小于10 km、相對濕度小于80%的天氣判斷為灰霾天氣；能見度小于10 km、相對濕度80%～95%時，由于目前尚未有PM1.0濃度、吸收系數(shù)和散射系數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，而研究表明[9]，氣溶膠總消光系數(shù)的90%來自細粒子，PM2.5與能見度線性相關(guān)系數(shù)高達0.96[10]，因此PM2.5日均質(zhì)量濃度大于0.075 mg/m3時即判斷為灰霾天氣。2011年重慶市正式啟動PM2.5監(jiān)測，2011—2012年數(shù)據(jù)顯示PM2.5日均質(zhì)量濃度約占PM10的65%。2011年前缺少PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)，由于2007年重慶市實施了藍天行動，粗粒子PM10得到有效控制，因此，2007—2010年，PM2.5日均質(zhì)量濃度按照PM10日均濃度的65%進行計算；2007年前PM2.5日均質(zhì)量濃度按照PM10日均質(zhì)量濃度的55%進行計算。

1.2 分析方法

利用最小二乘法和累積距平法[11]對灰霾發(fā)生的時間變化趨勢進行估計。通過相關(guān)性分析判斷出影響大氣能見度引發(fā)灰霾的主要污染物。

1.2.1 最小二乘法線性估計

用xi表示樣本量為n的某一變量，ti表示所對應(yīng)的時刻，建立xi與ti之間的一元線性回歸：

xi=a+bti

(1)

式中a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)。a和b可以用最小二乘法進行估計。

(2)

(3)

(4)

(5)

ti與xi之間的相關(guān)系數(shù)r：

(6)

b>0表明隨時間增加x呈上升趨勢，b<0表示隨時間增加x呈下降趨勢。b的大小反映上升或下降的速率。r表示變量x與時間t之間的線性相關(guān)的密切程度。r也可以說明x的上升下降趨勢，要判斷變化趨勢是否顯著可對r進行檢驗。

1.2.2 累積距平

(7)

n個時刻的累積距平值可繪出累積距平曲線進行趨勢分析。累積距平曲線呈上升趨勢，表示有正距平值，呈下降趨勢則表示有負距平值。從曲線明顯的上下起伏，可以判斷其長期顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化，甚至還可診斷出發(fā)生突變的大致時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 灰霾變化趨勢

1997—2012年統(tǒng)計的5 844 d內(nèi)，降水2 265 d，占38.8%；灰霾2 405 d，占41.2%；非灰霾、非降水1 174 d，占20.1%。2 405 d灰霾日中，輕微、輕度、中度和重度灰霾分別占45.3%、25.7%、18.3%和10.7%。說明重慶市區(qū)天氣以灰霾為主，其次為降水天氣，而灰霾以輕微灰霾為主。

近15年來，年灰霾發(fā)生天數(shù)均在100 d以上，見圖1(e)。1997—1999年灰霾從128 d逐年降至102 d，2000年突增至172 d；2000—2007年，灰霾天數(shù)變化不大，但發(fā)生頻率較高，集中在156～183 d；2008—2009年，灰霾減至109 d；2010年又逐年增加，2012年達到185 d，為近15年之最。與1997年比，2012年灰霾增加了57 d，輕微、輕度、中度和重度灰霾分別增加了20、25、3、9 d。

灰霾與時間的擬合線斜率均為正，說明1997—2012年灰霾總天數(shù)以及輕微、輕度、中度和重度灰霾呈上升趨勢。為進一步判斷變化趨勢的顯著性，利用SPSS相關(guān)性分析進行r檢驗，見表1。由表1可知，灰霾總天數(shù)及各種等級灰霾天數(shù)隨時間的變化趨勢并不顯著，但輕度、中度灰霾與灰霾在α=0.01下顯著正相關(guān)，重度灰霾與灰霾在α=0.05下顯著正相關(guān)，說明近15年灰霾變化趨勢并不明顯，但隨著灰霾天數(shù)的增加，輕度、中度和重度灰霾的發(fā)生天數(shù)明顯增加，而對輕微灰霾影響不大。

表1 灰霾變化趨勢顯著性檢驗

注：“**”在0.01水平上顯著相關(guān)(雙側(cè)檢驗)；“*”在0.05水平上顯著相關(guān)(雙側(cè)檢驗)。

1997—2012年各種等級灰霾發(fā)生天數(shù)的累積距平值見圖2。近15年來，輕微和輕度灰霾發(fā)生天數(shù)大致經(jīng)歷了減少、增加、減少、增加的過程，輕微灰霾轉(zhuǎn)折點發(fā)生在1999、2004、2010年，輕度灰霾轉(zhuǎn)折點發(fā)生在1999、2006、2009年，而中度和重度灰霾發(fā)生天數(shù)大致經(jīng)歷了從減少到增加再到減少的過程，中度灰霾轉(zhuǎn)折點約發(fā)生在1999、2007年，重度灰霾轉(zhuǎn)折點發(fā)生在2001、2007年。

近15年來，雖然灰霾發(fā)生天數(shù)并沒有明顯的變化趨勢，但中度和重度灰霾發(fā)生天數(shù)有所降低，灰霾嚴重程度有所減緩。

圖1 1997—2012年灰霾時間變化趨勢

圖2 不同等級灰霾的累積距平值

從季節(jié)變化看，冬季灰霾天最多，達到777 d，占近15年灰霾總天數(shù)的32.3%；其次是春、秋季節(jié)，分別占25.3%和23.1%；夏季灰霾天最少，為464 d，占19.3%。

4個季節(jié)不同等級灰霾的發(fā)生頻率見圖3。春、夏和秋季輕微灰霾發(fā)生頻率最高，尤其是夏季，達到了67.67%，其次是輕度灰霾；春季中度和重度灰霾發(fā)生頻率相當(dāng)，夏、秋季節(jié)重度灰霾發(fā)生頻率最小。與其余3個季節(jié)相比，冬季4種等級灰霾的發(fā)生頻率相當(dāng)，其中中度灰霾頻率最高，達到32.18%，其次是輕度、輕微和重度灰霾，重度灰霾發(fā)生頻率達到19.82%。因此，冬季是灰霾發(fā)生的天數(shù)最多最嚴重的季節(jié)，夏季灰霾天數(shù)最少，程度最輕。

1997—2012年灰霾月平均變化見表2。1—3月及12月灰霾天數(shù)較多，其中1月灰霾天數(shù)全年最多，平均有18個灰霾天；6—8月灰霾天數(shù)較少，其中7月平均灰霾天數(shù)最少，為9 d。

從灰霾等級來看，中度及重度灰霾月變化趨勢一致，1—2月及11—12月平均發(fā)生天數(shù)較多，其中1月重度灰霾5 d，中度灰霾6 d；6—8月天數(shù)較少。輕微灰霾在3—5月及7—9月發(fā)生天數(shù)較多，1月及11—12月較少；輕度灰霾月變化不大，在2—3月天數(shù)最多。由此可見，1月是全年灰霾發(fā)生天數(shù)最多、最嚴重的月份，12月灰霾嚴重程度較高，其次為2和11月。6—8月，灰霾發(fā)生天數(shù)最少，程度最輕。

2.2 灰霾持續(xù)發(fā)生特征

灰霾持續(xù)發(fā)生頻率見表3。1997—2012年，持續(xù)1 d的灰霾次數(shù)最多，隨著持續(xù)時間的延長，灰霾次數(shù)逐漸減少，最長持續(xù)時間為34 d，持續(xù)時間達20、29 d的灰霾也分別發(fā)生過一次，連續(xù)15 d以上的長時間持續(xù)灰霾天氣均發(fā)生在冬季。輕微灰霾最長持續(xù)時間為7 d，春、夏和秋季各發(fā)生一次；輕度灰霾最長持續(xù)時間為5 d，發(fā)生在春季；中度和重度灰霾最長持續(xù)時間為6 d，其中持續(xù)中度灰霾發(fā)生在秋季，2次持續(xù)重度灰霾均發(fā)生在冬季。可見，冬季灰霾持續(xù)時間長，且容易發(fā)生重度的持續(xù)灰霾。

表2 各月平均灰霾天數(shù) d

表3 灰霾持續(xù)發(fā)生次數(shù)

2.3 主要大氣污染物對灰霾的影響

能見度是與灰霾天氣密切相關(guān)的參數(shù)之一。根據(jù)污染物濃度分布計算出城市大氣能見度，從而可以預(yù)測灰霾天氣[12]。不同天氣下，主要污染物濃度及能見度水平見表4。灰霾天氣下，PM10、PM2.5、SO2、NO2質(zhì)量濃度最高，分別為(0.188±0.092)、(0.110±0.052)、(0.101±0.069)、(0.053±0.022)mg/m3，是非降水非灰霾天氣的1.76、2.09、1.51、1.36倍，說明PM2.5是引發(fā)灰霾的重要污染物。廣州市研究數(shù)據(jù)表明，灰霾天PM2.5濃度是非灰霾天的2.5倍[13]，2個城市的數(shù)據(jù)對比說明，重慶市區(qū)比廣州更易發(fā)生灰霾。

PM2.5是引發(fā)灰霾的重要污染物，減少灰霾發(fā)生需重點控制PM2.5污染，根據(jù)來源解析結(jié)果，重慶市區(qū)PM2.5的2個主要來源為機動車尾氣、二次粒子(硫酸鹽、硝酸鹽)，對PM2.5的濃度貢獻分別為33.55%和32.2%[14]。“重慶市藍天行動(2013—2017)”研究表明，從CMAQ模型對PM2.5濃度的空間分布模擬結(jié)果可以看出，重慶市區(qū)PM2.5高濃度地區(qū)主要集中在內(nèi)環(huán)以內(nèi)，因此需要重點控制機動車尾氣、二次粒子，重點控制區(qū)為內(nèi)環(huán)以內(nèi)，以減少灰霾天氣的發(fā)生。

非灰霾、非降水天氣下PM10、PM2.5、SO2、NO2濃度最低，但由于這種天氣能見度高，太陽輻射較強烈，有利于光化學(xué)作用的進行，因此O3質(zhì)量濃度最高，為(0.027±0.017) mg/m3；降水天氣下，由于光化學(xué)作用被抑制，因此O3濃度最低，灰霾天氣下O3濃度介于兩者之間。國內(nèi)研究同樣發(fā)現(xiàn)，灰霾天PM10、SO2、NO2濃度高于非灰霾天[15]；能見度與NO2呈負相關(guān)關(guān)系，與O3呈正相關(guān)關(guān)系[16]；國外也有研究表明，灰霾天氣下作為前體物的氣態(tài)物質(zhì)濃度高于非灰霾天氣[17]。灰霾天氣下能見度水平最低，為(4.72±2.43) km，高于降水天氣下的(5.04±3.27) km。說明灰霾天氣下，顆粒物、SO2和NO2污染嚴重，但O3污染相對較輕，灰霾對能見度的影響大于降水對其的影響。

PM10、PM2.5、SO2、NO2濃度隨著灰霾加重而增加。重度灰霾期間，PM10平均質(zhì)量濃度為(0.257±0.106)mg/m3，是GB 3095—2012國家二級年均標準值(0.07 mg/m3)的3.67倍，是輕微灰霾天氣下的1.64倍；PM2.5平均質(zhì)量濃度為(0.171±0.072)mg/m3，是標準值(0.035 mg/m3)的4.89倍，是輕微灰霾天氣下的2.48倍；SO2的平均質(zhì)量濃度為(0.127±0.074)mg/m3，是標準值(0.060 mg/m3)的2.12倍，是輕微灰霾天氣下的1.48倍；NO2的平均質(zhì)量濃度為(0.062±0.023)mg/m3，是標準值(0.040 mg/m3)的1.55倍，是輕微灰霾天氣下的1.29倍。灰霾天氣下，氣象條件不利于污染物擴散，導(dǎo)致濃度升高，顆粒物的消光作用又使能見度下降，導(dǎo)致灰霾加重；另外，氣態(tài)污染物也具有吸光作用，如美國丹佛市1987年氣體吸收系數(shù)貢獻了總消光系數(shù)的12%，北京地區(qū)氣體的消光占總消光的比例為7.1%[18]，因此，隨著SO2和NO2濃度遞增，能見度降低，導(dǎo)致灰霾加重。PM2.5的上升幅度較大，說明PM2.5濃度增加是導(dǎo)致灰霾加重的重要因素。

表4 不同天氣下主要大氣污染物濃度和能見度

O3濃度隨灰霾加重卻表現(xiàn)出下降的趨勢，但重度灰霾下O3濃度略高于中度灰霾。初步分析認為，一方面是O3光解產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)氧原子與水分子反應(yīng)生成的HO·，大氣中的SO2和NOx在HO·的作用下，通過非均相化學(xué)反應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)化成硫酸鹽和硝酸鹽粒子[4]，因此，隨著SO2和NO2濃度的升高，加速了O3的消耗，增加了二次顆粒物的濃度；另一方面，氣溶膠可顯著減小到達地面的光化學(xué)輻射通量，減緩光化學(xué)反應(yīng)進程，并進一步抑制O3的形成[4]。因此，隨著灰霾加重，能見度下降，顆粒物濃度遞增，O3濃度遞減。而重度灰霾下O3濃度稍微反彈，可能是因為該天氣下擴散條件差，其對O3濃度的積聚影響大于對光化學(xué)進程的抑制，因此造成O3濃度略有升高，但仍低于輕微和輕度灰霾天氣。

除去降水的影響，對2 045 d灰霾天氣與1 174 d非灰霾天氣下能見度與主要污染物進行相關(guān)性分析和檢驗見表5。由表5可知，灰霾天氣下，PM10、PM2.5、SO2、NO2與能見度在α=0.01水平下顯著負相關(guān)，即能見度隨PM10、PM2.5、SO2、NO2濃度的升高而降低；能見度隨O3濃度的升高而升高(在α=0.01水平下顯著正相關(guān))，相關(guān)系數(shù)分別為-0.308、-0.360、-0.173、-0.229和0.316，其中能見度與PM2.5的相關(guān)系數(shù)絕對值最大，說明灰霾天氣下能見度受PM2.5的影響最大。

表5 能見度與污染物的相關(guān)性及檢驗

注：“**”表示在0.01水平上顯著相關(guān)(雙側(cè)檢驗)；“*”表示在0.05水平上顯著相關(guān)(雙側(cè)檢驗)。

非灰霾天氣下，能見度隨PM2.5、SO2、NO2濃度的升高而降低，相關(guān)系數(shù)分別為-0.069、-0.069、-0.138，但與PM10的相關(guān)性不明顯；能見度隨O3濃度的升高而升高，相關(guān)系數(shù)為0.485。說明非灰霾天氣下，顆粒物對能見度的影響不大，能見度主要受O3的影響。

3 結(jié)論

1)1997—2012年，重慶市區(qū)灰霾天數(shù)占41.2%。32.3%的灰霾發(fā)生在冬季，冬季是灰霾天數(shù)最多最嚴重的季節(jié)，灰霾持續(xù)時間長，且容易發(fā)生重度的持續(xù)灰霾。夏季灰霾天數(shù)最少，程度最輕。1月平均有18個灰霾天，是全年灰霾發(fā)生天數(shù)最多、最嚴重的月份。

2)近15年來，重慶市區(qū)灰霾發(fā)生天數(shù)并沒有明顯的變化，但灰霾嚴重程度有所減緩。輕微和輕度灰霾發(fā)生天數(shù)經(jīng)歷了減少、增加、再減少、再增加的過程，中度和重度灰霾發(fā)生天數(shù)經(jīng)歷了減少、增加、再減少的過程。

3)灰霾天氣下，PM10、PM2.5、SO2、NO2分別是非降水非灰霾天氣下的1.76、2.09、1.51、1.36倍；PM10、PM2.5、SO2、NO2濃度隨灰霾的加重而增加，其中PM2.5濃度增幅最大，O3濃度隨灰霾的加重而降低。灰霾天氣對能見度的影響大于降水對其的影響。灰霾天氣下能見度受PM2.5影響最大，PM2.5濃度增加是導(dǎo)致灰霾加重的重要因素。非灰霾天氣下，能見度主要受到O3的影響。

4)應(yīng)重點控制機動車尾氣、二次粒子源，重點控制區(qū)為內(nèi)環(huán)以內(nèi)，以減少重慶市區(qū)灰霾天氣的發(fā)生。

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