寶坻區霾的統計特征及天氣形勢和要素場分析

趙茹儀

摘要：本文使用自動站歷史數據、Micaps軟件天氣實況圖，運用Danial趨勢檢驗法、統計分析方法等研究了寶坻區近30-38年的霾氣象要素特征。得出近30年來，寶坻的霾天氣呈現明顯的季節分布特征，冬季頻率最高，其次為春、秋和夏季。而近38年來霾的日變化分為三個階段，其日數的緩慢上升及21世紀以來的激增趨勢與工業化進程密不可分。2018年1月18日至20寶坻區出現了一次中度霾天氣過程，主要由上游污染物配合弱的西南風引起，并在較長時間的均壓場控制及低邊界層、不利擴散條件影響下維持。過程期間海平面氣壓梯度小、風速弱，是致使擴散條件差，霾過程持久的首要原因，而污染物濃度的上升對應著濕度增加及氣溫降低，即相對濕度與氣溫呈負相關。

關鍵詞：霾；顯著上升；季節分布；均壓場；不利擴散條件；負相關

1.引言

寶坻區地處京、津、唐三角地帶，具備農村一二三產業融合發展先導優勢[1]。近年來，區域工業發展及城市化進程加速了近地面污染物、粉塵等微小顆粒累積，配合一定天氣系統引發的近地層逆溫，霾天氣時有發生?；姻仓饕怯蓱腋≡诳諝庵械募氼w粒引起的大氣能見度降低的天氣現象，與空氣污染程度的變化關系密切[2]。本文以寶坻氣象局本站探測環境范圍為研究對象，統計分析了1989-2018年寶坻區霾的氣候學概況，并以2018年1月18日-20日發生的一次中度霾天氣過程為例淺析霾天氣下氣象要素場之間的相關關系及此次霾過程的影響因素，為重污染天氣的預測、預警提供參考。

2.資料收集與處理

2.1 霾資料

本文中霾的定義為：水平能見度小于7.5km（人工閾值10.0km），相對濕度小于60%的視程障礙現象?！兜孛鏆庀笥^測業務技術規定實用手冊》在2016年將日數據中霾的記錄規定為一日內連續6小時及以上出現霾，則記入日數據文件連續天氣現象段[3]。為保持歷史數據采集一致性，本文利用1989-2018年寶坻區地面觀測資料中的天氣現象小時數據為數據源，即定義一日內滿足1小時出現霾（排除浮沉、揚沙、降水等天氣過程影響），則該日為一個霾日。

3.霾的時間分布特征

表1為1989-2018年寶坻區霾的季節分布，由表1可見，1989-2018年共10957天，出現霾的天數2250天，年平均出現率20.5%。寶坻區霾的季節分布特征較明顯，冬季霾的出現率最高，達30.3%；春季與年平均接近，為22.1%；秋季略少（17.6%）；夏季最少（12.3%）。又根據1981-2010年霾日數（1981-1988年統計數值略）分析得出：80年代霾天氣較少，趨勢傾向率為7.6天/a；90年代急劇上升為33.7天/a；2001-2010年增多至77天/a，是90年代的2.3倍，是80年代的10.1倍；2011年至今的8年傾向率增至139.2天/a[5]。

4.寶坻區霾天氣影響因素分析

影響霾天氣發生和發展的因素較多，與人類活動密切相關的有城市化進程、大氣污染、氣候變化等，氣象因素包括：降水、日照、氣溫、相對濕度、風速、云量、下墊面、天氣形勢等[6]。下面將列舉部分進行討論。

4.1 城市化與大氣污染

根據第3節的分析結果，結合部分現有研究結論，我們將近38年來寶坻區的霾日年變化大致分為3個階段。1982-1990年為第一階段，霾天氣從1981-1983年經歷了一次波動，此后較為穩定，這段時期寶坻本地排放的大氣污染物極少，推測這一時期的霾天氣可能與直接排放的粉塵污染或外來源相關聯[7]；1991年-2000年為第二階段，寶坻工業發展開始起步，但水平較低，污染物排放較為分散，主要為硫酸鹽離子與粉塵相疊加形成[8]；進入21世紀后，寶坻區城市化、工業化發展迅速，機動車保有量不斷增加，主要出現的是機動車尾氣引起的光化學污染[9]疊加上述兩階段污染物組成的混合大氣污染，因此2001年至今為第三階段，其中2014年的霾日數達到了峰值的248天。2017年政府實施大氣污染治理最嚴“停工令”方案，寶坻區霾天氣有所緩解，但仍維持在150d/a左右的水平。

4.2 2018年1月18日-20日寶坻區霾天氣過程實況及氣象條件分析

重污染天氣過程前24小時：17日05時至09時平均風速為1.1米/秒、相對濕度為75%，霾和輕霧交替出現，高濕度和小風速（<1.5米/秒）導致PM2.5累積，空氣質量維持在輕度污染水平，午后風力加大，空氣質量轉為2級良。

通過Micaps4繪圖軟件查詢歷史資料，分析高空、地面圖，得出統計表（表略），并總結出此次污染天氣過程的天氣形勢和氣象條件：

17日20時，河北中南部部分地區已形成重度污染；寶坻區地面流場呈弱的南北風場輻散，高空為槽后西北氣流，海平面受均壓場控制，地表偏西風，風力不大，相對濕度24%。23時，地面轉為偏北風，18日02時開始受弱的西南風控制，受不利區域輸送影響，空氣質量在01時驟降（AQI達峰值387）后維持在嚴重污染水平（圖3）。

18日08時高空淺槽移近，邊界層有所升高，地面轉為西北風，風速1.0m/s，空氣質量略有轉好，但因逆溫層的建立，大氣擴散條件較差，寶坻區的空氣質量仍處于中度污染水平。20時，地面位于弱高壓前部的均壓場內，地面輻散增強，西南風，風力略有加大，且相對濕度在夜間持續升高，導致空氣污染物快速累積，至19日08時，AQI再次達到349的峰值；18日夜間至19日中午時段，由于地面逐漸轉為低壓后部控制，且受貼地逆溫的影響，污染物擴散條件極為不利，AQI達200以上的時次有9個。

19日下午至夜間，地面流場逐漸轉為弱輻合，風力加大，空氣質量略有好轉，但由于維持西南風控制，污染物累積量沒有明顯下降，仍維持在中度污染水平。20日08時，地面東北風，1.2m/s，白天轉為東南風，風力加大到3-4級，受海上清潔氣團影響，空氣質量逐漸轉好，11時AQI已降至100以下。20時地面處于高壓底部，夜間受持續偏東風影響，逆溫層逐漸瓦解，大氣垂直擴散條件改善，霾天氣過程趨于結束。

5.霾天氣過程氣象要素場分析

2018年1月18日至20日霾過程期間，寶坻區的最小能見度達1300米，首要污染物為PM10，其濃度在19日09時達到0.421mg/ ，相當于污染指數大于300，處于重度污染水平。1月17日21時-20日20時，海平面氣壓在1019.3hpa至1026.6hpa之間波動，梯度較小，風速除19日13時-16時及20日09時以后均在3級以下，不利擴散條件使得污染物持久累積，引發了長時間的霾天氣過程。

通過統計2018年1月17日21時至2018年1月20日20時相對濕度、氣溫、AQI、PM2.5、PM10濃度等要素實況序列，分析得出：

相對濕度會在污染物累積前有所上升，底層濕度的增加促進了逆溫層的建立，在空氣質量指數達到峰值（嚴重污染）后相對濕度逐漸升值極值。而溫度的情況與之相反，因此相對濕度與氣溫呈負相關。

6.結論

近30年，寶坻區的1-12月霾日變化呈顯著上升趨勢，而月變化沒有明顯特征；1月份霾日數最多，8月份最少。霾的年平均出現率為20.5%；冬季霾的出現率最高，春季與年平均接近，秋季略少，夏季最少。80年代較少霾天氣，趨勢傾向率僅7.6天/a；90年代升至33.7天/a；21世紀前10年增至77天/a，是90年代的2.3倍，80年代的10.1倍；2011-2018年傾向率激增到139.2天/a。近38年寶坻區的霾日年變化分3個階段。分別與直接排放的粉塵污染及外來源、分散的硫酸鹽離子疊加粉塵粒子及機動車尾氣引發的光化學污染物相關。

2018年1月18日至20日污染天氣過程前24小時，PM2.5已經開始小幅度累積。17日20時，上游地區形成重度污染，地面流場弱輻散，高空槽后西北氣流，海平面均壓場控制，地表偏西風，風力、相對濕度均不大，后半夜開始受弱西南風控制，空氣質量驟降，夜間為嚴重污染水平。18日白天受移近高空淺槽影響，地面風轉向，空氣質量有所好轉，但08時逆溫層已建立，大氣擴散條件差，空氣質量仍處于中度污染水平。18日夜間至19日中午，地面位于弱高壓前、低壓后均壓場內，地面輻散增強，相對濕度持續升高，空氣污染物快速累積，且受貼地逆溫影響，污染物擴散條件不利，AQI有9個時次達200以上。19日下午到夜間，由于地面轉為弱輻合，風力加大，空氣質量略有好轉，但風向仍維持，污染物濃度沒有明顯降低，維持在中度。20日白天，地面偏東風，風力繼續增大，空氣質量轉好，至中午前后AQI降至100以內。夜間地面轉為高壓底部控制，風力及海上清潔氣團作用，逆溫層瓦解，霾天氣過程結束。

此次霾過程期間：寶坻區的首要污染物PM10濃度峰值達0.421mg/ ，導致重度污染；海平面氣壓梯度小，風速弱，致使擴散條件轉差，引發持久霾過程。相對濕度在污染物累積前上升，在空氣質量指數達到峰值后趨于極值。溫與之相反，相對濕度與氣溫呈負相關。

參考文獻

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中華人民共和國農業農村部.

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[8]吳兌，鄧雪嬌，畢雪巖，李菲，譚浩波，廖國蓮.細粒子污染形成灰霾天氣導致廣州地區能見度下降[J].熱帶氣象學報，2007（01）：1-6.

[9]李蘭霞，張碩，薛旭，馮曉.洛陽市灰霾天氣的氣候特征及影響因素[J].安徽農學通報（下半月刊），2010，16（14）：205-206.

（作者單位：天津市寶坻區氣象局）