2012年廣州典型灰霾過程個例分析

李 菲,黃曉瑩,張芷言,劉顯通,譚浩波,李麗云,鄧雪嬌*

(1.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東 廣州510080；2.廣東省氣象臺,廣東 廣州510080；3.廣州市番禺區氣象局,廣東 廣州511490)

2012年廣州典型灰霾過程個例分析

李 菲1,黃曉瑩2,張芷言1,劉顯通1,譚浩波1,李麗云3,鄧雪嬌1*

(1.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東 廣州510080；2.廣東省氣象臺,廣東 廣州510080；3.廣州市番禺區氣象局,廣東 廣州511490)

針對2012年珠江三角洲地區出現的2個典型灰霾個例(3月18～21日,10月13～15日),利用廣州番禺大氣成分綜合觀測基地的同期觀測資料集,包括:能見度(VIS)、大氣顆粒物質量濃度(PM10/PM2.5/PM1)、黑碳濃度(BC)等觀測數據,分析過程中的氣溶膠物理光學特征;配合過程的天氣類型,氣象要素和后向氣流軌跡等對過程的成因進行綜合分析.結果表明:在兩個典型灰霾過程中,番禺日均能見度低至5.3km,黑碳濃度小時均值最高達19.0μg/m3、PM2.5濃度小時均值最高達163.0μg/m3,細粒子與黑碳粒子污染特征較為明顯.兩次典型灰霾過程分別受到冷鋒前-均壓場-冷鋒前天氣形勢和臺風外圍-準均壓場-冷鋒前天氣類型等不利于污染物輸送擴散的氣象條件影響.珠江三角洲地區低能見度的霾天氣主要發生在高相對濕度的條件下,并可推斷在珠江三角洲地區濕季的氣溶膠吸濕能力明顯高于干季.

典型灰霾過程；天氣類型；細粒子；廣州

灰霾天氣,尤其是持續出現3d以上的典型灰霾過程,對大氣環境、公眾健康、交通安全帶來嚴重影響.目前我國灰霾污染備受關注的有三大重點地區,包括京津冀地區、長江三角洲地區和珠江三角洲地區.與長三角、京津冀地區的灰霾天氣特征和成因可能不同的是,廣州所處的珠江三角洲地區有其地域和氣候背景的特殊性.珠江三角洲地區是我國的高濕地區,春季冷暖空氣交替頻繁,風向多變;夏季印度洋西南暖濕氣流異常活躍,盛行風向以偏南風為主[1];秋季冷空氣過境后的靜小風天氣形勢;都可能是該地區灰霾天氣爆發并持續,導致出現典型灰霾過程的重要成因[2-6].過去20多年來,人們對大自然和城區能見度下降的原因進行了連續的研究,區域灰霾的產生主要是由于大氣顆粒物和大氣對可見光的散射和吸收[7-8].關于灰霾的空間和時間變化趨勢,許多研究通過研究灰霾的物理化學特性來了解它的來源,形成和傳輸[9-11].氣象因素如相對濕度,風速,風向和混合層高度等對城區大氣能見度有著重要的影響,先前研究[12-15]總結出能見度與不同的天氣氣象條件之間的關系.在這些氣象因素當中,風速和相對濕度被認為是影響能見度最主要的兩個因素.但是,關于珠江三角洲地區灰霾天氣的影響因素的分析工作尚在初期階段,而且對于持續的灰霾過程的形成、演變及消散等各階段特征及成因的研究分析工作也明顯不足.由于持續的灰霾過程對于能見度惡化的嚴重影響及其與氣溶膠顆粒物濃度、污染物等環境空氣質量要素特征變化的密切相關,也引起了各級政府、社會公眾和媒體的極大關注.廣東省氣象部門長年開展對影響大氣污染物輸送、擴散和變化的天氣氣候條件的研究與業務預報,以期初步建立區域灰霾天氣的監測、預報與預警體系.

2012年珠江三角洲地區主要城市的灰霾日數仍然較多,廣州分別在3月和10月發生典型灰霾過程.本文對于2012年廣州典型灰霾過程的影響天氣形勢進行分析;并配合各項大氣成分要素、地面氣象要素、以及氣流軌跡進行詳細分析

1 數據與方法

本文使用的大氣成分要素和地面氣象要素數據主要來自廣州番禺大氣成分站,位于廣州市番禺區南村鎮大鎮崗山上(圖1),下墊面為次生林植被覆蓋,2km外山腳下(海拔1～5m)為低密度別墅群區,無明顯工業污染源.番禺區是廣州市直轄區,位于廣州市南部、珠江三角洲腹地,珠江三角洲是中國大陸第二大的三角洲,位于大陸海岸線南端,河網縱橫,孤丘散布,平均海拔1～20m.該觀測站房為鋼平臺上放置的集裝箱,站房頂儀器進氣口海拔約150m,該站2005年底建成并投入試運行,可在一定程度上代表珠江三角洲城市群環境大氣平均狀況.

本文使用的數據集為該觀測站點的24h實測數據.其中,能見度由美國BELFORT公司生產的前向散射能見度儀(Model6000)觀測得到,原始分辨率為1min;黑碳濃度由美國MAGEE公司生產的黑碳儀(AE31ER)觀測得到,原始分辨率為5min;顆粒物質量濃度(PM2.5,PM1)由德國GRIMM公司生產的顆粒物監測儀(GRIMM180)觀測得到,原始分辨率為5min;相對濕度、風向風速由自動氣象站觀測得到.以上原始資料均通過野點剔除后,統計平均得到相應小時均值,用于本文分析.

圖1 觀測站點-廣州番禺大氣成分觀測站Fig.1 Station for atmospheric composition watch at Panyu, Guangzhou

2 典型灰霾過程描述

圖2 2012年3月18～21日廣州番禺大氣成分站能見度和黑碳、PM2.5、PM1濃度日變化Fig.2 Variations of visibility, and concentration of black carbon, PM2.5and PM1during Mar.18 to21,2012 at the observation station

2012年廣東省灰霾天氣主要發生在1～3月和10～12月,夏季較少,其中10月最多.2012年3月和10月,珠江三角洲分別出現了兩次典型灰霾過程,各項大氣成分要素指標均嚴重超標.2012年3月18～21日廣州出現了較為嚴重的典型灰霾過程(圖2).其中3月20日番禺日均能見度為6.1km,能見度小時均值最低僅0.8km;黑碳濃度、PM10、PM2.5、PM1濃度等監測指標偏高.黑碳濃度小時均值最高達 10.3μg/m3,PM10濃度小時均值最高達163.2μg/m3, PM2.5、PM1濃度小時均值最高分別達112.6、88.9μg/m3.2012年10月3～16日珠江三角洲出現了大范圍的灰霾過程,其中10月13～15日為廣州市的典型灰霾過程(圖3),10月15日番禺日均能見度低至5.3km,能見度小時均值最低僅2.9km;黑碳濃度、可吸入顆粒物濃度、細粒子氣溶膠濃度等多項監測指標出現超標現象,細粒子與黑碳粒子污染特征較為明顯.黑碳濃度小時均值最高達19.0μg/m3,PM10濃度小時均值最高達198.0μg/m3, PM2.5、PM1濃度小時均值最高分別達163.0、147.4μg/m3.相對而言,10月的典型灰霾過程持續時間較長、覆蓋范圍較廣、強度較大.

圖3 2012年10月13～15日廣州番禺大氣成分站能見度和黑碳、PM2.5、PM1濃度日變化Fig.3 Variations of visibility, and concentration of black carbon, PM2.5and PM1during Oct.13 to15,2012 at the observation station

3 氣象成因分析

3.1 天氣類型

對應2個典型灰霾過程,按冷鋒前、冷高壓變性出海、靜止鋒暖區、均壓場、副高控制、臺風外圍等6種天氣形勢對每個過程中經歷的灰霾天氣分析天氣類型[16],然后匯總每個過程先后處于的不同天氣形勢.

2012年3月18～21日的較為嚴重的典型灰霾過程先后屬于冷鋒前-均壓場-冷鋒前天氣形勢.18日廣東省高層為一致西南風場,濕度較高;地面我國中東部有冷空氣活動,冷高中心在內蒙東部,鋒面位于江南流域,廣東省地區有弱的正變壓(圖4a),廣州出現灰霾天氣.19日隨著地面冷高減弱,同時西南低渦趨于發展,廣州地區逐漸轉處東高西低的均壓場中,地面吹偏南風,風速較小(圖4b),廣州出現灰霾天氣.20日北方有冷空氣補充,地面冷高壓再次南壓,鋒面11:00壓至南嶺附近,受鋒前空氣堆積影響(圖4c),隨后廣州出現灰霾天氣.21日,地面冷高東移出海,廣州地區從地面至高層轉為一致南到東南風場(圖4d),隨后出現灰霾天氣.

2012年10月13～15日的典型灰霾過程先后經歷了臺風外圍-準均壓場-冷鋒前天氣類型.12日20:00,500hPa東亞高緯主要維持兩槽兩脊形勢,中緯為偏西流場,多小槽活動,巴士海峽以東洋面有1221號強臺風“派比安”活動,華南為弱反氣旋環流控制;850hPa我省為較一致的偏北風場;地面受弱脊控制.受高低層一致的反氣旋下沉氣流影響,廣州天氣晴,無灰霾.13日,中高層基本環流形勢少變,仍為反氣旋環流控制;地面處于準均壓場中,風速很小,同時繼續受緩慢北上的“派比安”外圍下沉環流影響,廣州出現輕霧天氣(圖5a).14～15日,500hPa中緯有多個西風小槽快速東移,引導弱冷空氣影響我國東部地區,期間850hPa低層快速由東北風場轉為冷高壓后部的偏南風場(圖5b、圖5c).14日我省地面處于脊后槽前的準均壓場中,地面風場漸轉東南風;我國東部的弱冷空氣低層滲透至南嶺北部,有一風向復合線位于南嶺附近(圖5d).受冷暖氣團堆積及“派比安”外圍下沉環流共同影響,14日開始我省多地區相繼出現霧霾天氣,其中廣州15日出現持續的灰霾天氣.16日中高緯有明顯西風槽東移,引導北方一股較強冷空氣中路南下,鋒面17日白天到達沿海地區,此次灰霾過程結束.

圖4 2012年3月18～21日地面天氣Fig.4 Surface weather maps during Mar.18to21,2012

圖5 2012年10月13～15日天氣Fig.5 Surface weather maps during Oct.13 to15,2012

3.2 地面氣象要素對污染物的影響

2012年3月18～21日較嚴重的典型灰霾過程中,廣州的小時風速均在5m/s以內,主導風向為偏南風向.在此風向上,PM2.5質量濃度小時均值和黑碳濃度小時均值,均在靜小風區對應高濃度區;小風速比大風速時的質量濃度相對較高,且偏東南風向的濃度隨風速遞減效果弱于偏南風向(圖6).說明此次灰霾過程中,PM2.5、BC的高質量濃度大部分來源于廣州本地,部分來自偏東南方向;主導風速逐漸增加,對PM2.5、BC的高濃度起到一定的清除作用,但偏東南風向的氣溶膠和黑碳質量濃度較高,可能的原因是,與偏南氣流帶來的海洋氣團不同,站點東南方向的東莞、惠州城市以及沙角電廠等源排放可能導致PM2.5、BC的較高濃度.

圖6 2012年3月18～21日廣州番禺大氣成分站PM2.5和黑碳濃度在風向風速上分布Fig.6 Wind dependency map of PM2.5(a) and black carbon (b) concentration during Mar.18～21,2012.實線表示該風向的頻率

2012年10月13～15日的大范圍典型灰霾過程中,廣州的小時風速均在2.5m/s以內,小時風向以偏南風向為主,偏北風向次之(圖7),這與過程前期的冷空氣剛過,天氣轉為穩定形勢有關.在偏南風向上,PM2.5質量濃度小時均值普遍高于70μg/m3,且該風向上靜小風區對應高濃度區,偏西南風向相對偏東南風向的質量濃度較高;同一風向上,小風速比大風速時的質量濃度略微偏高(圖7a).說明此次灰霾過程中,廣州PM2.5高質量濃度的來源仍以廣州本地為主,西南部相對于東南部來源較強;2.5m/s以下的風速對 PM2.5的高濃度清除作用較不明顯.黑碳(BC)濃度小時均值在偏南風向出現明顯高值,同一風向隨風速增大,BC濃度略有減少(圖7b);說明廣州本地偏南部為灰霾過程中 BC高濃度的來源,偏南風帶來的海洋氣團對于其高濃度起到輕微的清除作用.

圖7 2012年10月13～15日廣州番禺大氣成分站PM2.5和黑碳濃度在風向風速上分布Fig.7 Wind dependency map of PM2.5(a) and black carbon (b) concentration during Oct.13～15,2012實線表示該風向的頻率

圖8 2012年3月18～21日能見度與相對濕度對比Fig.8 Comparison between visibility and relative humidity during Mar.18～21,2012

圖9 2012年10月13～15日能見度與相對濕度對比Fig.9 Comparison between visibility and relative humidity during Oct.13～15,2012

圖10 2012年3月18～21日(實線)和10月13～15日(點線)能見度與相對濕度、氣溶膠濃度對比Fig.10 Comparison between visibility and relative humidity and PM2.5concentration

在2012年3月18～21日和2012年10月13～15日的兩次典型灰霾過程中,風速在2m/s左右,可以從圖8、9中看到能見度變化與相對濕度變化明顯反相關,隨著相對濕度逐漸升高,能見度逐漸降低.而且從圖10顯示,細粒子氣溶膠(PM2.5)質量濃度較高(65～114μg/m3)時期對應的能見度(<10km)明顯持續低于質量濃度較低時期的能見度.以上分析說明在水平擴散條件較差的時候,珠江三角洲地區PM2.5質量濃度普遍較高,低能見度的霾天氣主要發生在高相對濕度的條件下.這與 Chen等[18]在華北地區的研究結果類似,氣溶膠的吸濕特性是低能見度形成的一個關鍵因素.另外,從圖10中紅、黑點線和紅、黑實線兩組對應曲線的相互關系可以分析珠江三角洲地區干濕季氣溶膠吸濕性的差異.在干季,雖然氣溶膠質量濃度相對濕季較高,但是隨著相對濕度逐漸升高,能見度的降低程度相對較不明顯;而在濕季,在相對濕度高于70%以后,能見度隨相對濕度增長迅速惡化至5km以下.因此,可以推斷珠江三角洲地區,濕季的氣溶膠吸濕能力明顯高于干季,這與以往的研究結論相符[15,17].

3.3 氣流軌跡

2012年3月18～21日較嚴重的典型灰霾過程中,從00:00UST72h后向軌跡圖(綠、藍、紅色線分別為離地面1500,500,10m處后向軌跡,軌跡經過的地方如果存在污染物質,可能對軌跡沿途下游地方造成污染),可見3月17～19日(圖11a～圖11c),廣州地區中低空主要受到源自南面南海海域的海洋氣團,途經珠江三角洲西部的影響,近地面受到源自南面南海海域和東面臺灣海峽的海洋氣團,途經珠江口北上影響;近地面和中低空氣流都較平穩.3月20日(圖11d),廣州地區中低空仍受較近距離南海海域的海洋氣團北上,經珠江口后在廣州地區上空停滯影響,近地面受源自東北面東海的海洋氣團影響,途經東南沿海移動至珠江口,轉而北上的海洋氣團影響;近地面氣流在20～21日呈明顯下沉.2012年10月13～15日的大范圍典型灰霾過程中,從00:00UST72h后向軌跡圖(綠、藍、紅色線分別為離地面1500,500,10m處后向軌跡,軌跡經過的地方如果存在污染物質,可能對軌跡沿途下游地方造成污染),可見10月12～13日(圖12a～圖12b),廣州地區中低空主要受途經北方山西省、河北省、河南省、江蘇省、浙江省、福建省及廣東省內粵東地區等陸地氣團影響,近地面由12日受途經湖北省、江西省及廣東省內粵東北地區、珠江三角洲地區等陸地氣團影響轉為13日受浙江省、福建省沿海地區氣團影響.10月14～15日(圖12c,圖12d),廣州地區1500m高度仍受到途經湖南省進入粵北地區的陸地氣團影響;近地面仍受途徑浙江省、福建省沿海地區氣團影響,特別在15日沿海地區氣團出海后至珠江口向北移動影響廣州地區;而14日低空的途徑江蘇省、浙江省、福建省沿海地區氣團也對廣州地區產生影響,15日轉為珠江三角洲地區陸地氣團較穩定影響.此次灰霾過程中低空氣流下沉明顯,12～13日近地面氣流較平穩.

圖11 2012年3月18～21日典型灰霾過程中廣州番禺大氣成分站72h后向軌跡Fig.11 72h backward trajectory charts of a typical event during Mar.18～21,2012at the station

圖12 2012年10月12～15日典型灰霾過程中廣州番禺大氣成分站72h后向軌跡Fig.12 72h backward trajectory charts of a typical event during Oct.12-15,2012 at the station

4 結論

4.1 通過對于2012年2個典型灰霾過程的個例特征分析,并配合過程的天氣類型,氣象要素和后向氣流軌跡等對過程的成因進行綜合分析,發現大氣細粒子是目前廣東省灰霾天氣形成的內因;不利于污染物輸送擴散的氣象條件是灰霾天氣形成的外因.

4.2 在2個典型灰霾過程中,黑碳濃度、顆粒物濃度出現超標現象,細粒子與黑碳粒子污染較為明顯.其中番禺日均能見度低至5.3km,黑碳濃度小時均值最高達19.0μg/m3,PM2.5濃度小時均值最高達163.0μg/m3.

4.3 兩次典型灰霾過程分別受到冷鋒前-均壓場-冷鋒前天氣形勢和臺風外圍-準均壓場-冷鋒前天氣類型影響;其中鋒前的氣團堆積、臺風外圍的下沉氣流以及準/均壓場的冷暖氣流堆積等不利于污染物輸送擴散的氣象條件均是導致典型灰霾過程的重要成因.

4.4 珠江三角洲地區在邊界層水平擴散條件較差時,PM2.5質量濃度普遍較高,低能見度的霾天氣主要發生在高相對濕度的條件下,可推斷在珠江三角洲地區濕季的氣溶膠吸濕能力高于干季.

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A study of2 cases of typical hazy weather in guangzhou during2012.

LI Fei1, HUANG Xiao-ying2, ZHANG Zhi-yan1, LIU Xian-tong1, TAN Hao-bo1, LI Li-yun3, DENG Xue-jiao1*
(1.Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou510080, China；2.Guangdong Provincial Meteorological Observatory, Guangzhou510080, China；3.Panyu District Meteorological Bureau, Guangzhou511490, China). China Environmental Science,2014,34(8)：1912～1919

Two typical hazy weather events which occurred in the Pearl River Delta (PRD) cities from Mar.18 to Mar.21 and from Oct.13 to Oct.15,2012respectively were selected in this paper. A comprehensive analysis of the causes of the events was made by using the in-situ measurement of visibility (VIS), aerosol mass concentration (PM10/PM2.5/PM1), the concentration of black carbon (BC) at an integrated observation base for atmospheric composition in Panyu, Guangzhou, the weather type, meteorological elements and backward airflow trajectory during these events. The results are shown as follows: Daily visibility was as low as5.3km, black carbon’s hourly concentration value was up to19.0μg/m3, PM2.5’s hourly concentration was163.0μg/m3at its highest. These two events were affected by the weather conditions which weren’t conducive to the transport or spread of pollutants. In PRD, low visibility of haze weather occurs mainly in condition of high relative humidity. It is deduced that aerosol has greater hygroscopicity in the dry season than in the wet season in this region.

t：typical hazy weather events；weather type；fine particle；Guangzhou

X513

：A

：1000-6923(2014)08-1912-08

李 菲(1981-),女,福建龍巖人,工程師,碩士,主要從事大氣物理與大氣環境觀測研究.發表論文10余篇.

2013-11-04

國家“973”項目(2011CB403403);國家自然科學基金(41375156);國家公益性(氣象)行業項目(201306042);廣東省科技計劃 重 點 項 目 (2010A030200012);廣 東 省 自 然 科 學 基 金(S2013010013265);廣東省氣象局科技創新團隊計劃(201103)

* 責任作者, 研究員, dxj@grmc.gov.cn