近36a來四川盆地持續霾事件特征及環流分析

羅 玉,馬振峰,趙鵬國,卿清濤,孫 彧,劉 佳,李小蘭,孫 蕊

近36a來四川盆地持續霾事件特征及環流分析

羅 玉1,2,馬振峰2,趙鵬國3*,卿清濤2,孫 彧4,劉 佳2,李小蘭2,孫 蕊2

(1.中國氣象局成都高原氣象研究所,高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室,四川 成都 610072；2.四川省氣候中心,四川 成都 610072；3.成都信息工程大學大氣科學學院,四川 成都 610225；4.四川省氣象災害防御技術中心,四川 成都 610072)

利用1981~2016年四川盆地102個氣象觀測站逐日霾日觀測資料,對四川盆地持續霾事件(定義為連續3d及以上有煙幕或霾發生的天氣)的時空分布特征、變化趨勢進行分析,然后對冬季霾事件環流場特征進行研究.結果表明:1981~2016年四川盆地持續霾事件的年平均日數呈增加趨勢,持續霾事件日數占霾總日數的百分比與霾總日數增加趨勢較為一致,霾總日數的增加主要是由持續霾事件的增加引起的.四川盆地持續霾事件的空間分布不均勻,與霾日數的大值區的分布較為一致,主要集中在川東北城市群、成都平原城市群以及川南城市群.持續霾事件多發區的范圍在1981~2010年呈年代際增大,在2011~2016年范圍減少顯著.通過分析盆地冬季霾事件的環流場發現,霾事件偏多(少)年時段,四川盆地處于暖(冷)高(低)壓大值區域,烏拉爾山阻塞高壓偏弱(強),東亞大槽偏弱(強),盆地上空為一定程度的輻合(輻散),存在(不存在)明顯逆溫結構,垂直上升運動弱(強),這些條件均有利于污染物顆粒聚集在淺薄的邊界層內(利于污染物的擴散),造成霾天氣的維持(消散).

四川盆地；持續霾事件；環流特征

霾是發生在大氣近地層中,使能見度降低、空氣質量變差、給交通和人體健康帶來危害的災害性天氣[1-7].近年來,我國中東部的很多大城市霾天氣顯著增多,霾的問題日益成為人們的關注重點.國內外學者對霾天氣的氣候特征進行了相關研究,我國霾日數東部地區多,西部地區少,霾天氣主要發生在長江中下游、華北和華南以及四川盆地、云南南部,自1961年以來全國平均霾日數呈增加趨勢,且多發生在冬季[8-10].國外學者Vautard等[11]分析發現,1980~ 2009年歐洲在過去30a中低能見度天氣(如霧、輕霧、霾)呈下降趨勢,認為這與二氧化硫等污染物排放量的下降具有一致性.

隨著經濟的迅速發展,城市化進展的加快,能源消耗、房屋建筑施工、機動車尾氣排放以及區域傳輸是造成城市霾天氣發生的主要原因,風速、相對濕度等大尺度氣象條件的變化與霾的發生關系密切[3,12-13].近幾年,針對氣候變化對霾的影響機理研究也取得了一些新進展,超強厄爾尼諾事件、東亞冬季風、北極海冰以及西北太平洋關鍵區海溫均是影響霾頻發的重要因子[14-18].

四川盆地主要是盆周山地,盆內平原,盆中丘陵,并在西部和北部形成了特殊的地形特征,秋、冬季霧霾天氣頻發,春、夏季較少,同時也是我國四大霾區之一[21],盆地大氣層結穩定,易出現逆溫和靜風現象,不利于霾的擴散.盆地內包括成都、自貢等共有17個城市,區域內人口密度大,機動車保有量高,工業發展快[19].大量能源消耗以及人為排放的污染物導致盆地的空氣質量在過去幾十年持續惡化[20].此外,不同于其他地區,四川盆地霾天氣氣象成因復雜[21],特殊的環流形勢、高濕度、低風速以及逆溫共同造成霾天氣頻發[22-27].青藏高原大地形以及盆地的特殊地形使得污染物易在盆地內聚集不易擴散[28-29],高排放量是盆地霾天氣發生的另一個重要因素[30].

綜上所述,已有的研究主要針對四川盆地霾日數的特征及其成因進行分析,對四川盆地持續霾事件的研究多集中在針對單個事件的分析,對持續霾事件的長期氣候演變特征缺乏更深入的研究,沒有給出持續霾事件的特征及成因.因此針對四川盆地持續霾事件的特征以及可能與之聯系的環流進行深入研究,以期為霾的預測研究提供理論依據.

1 資料與方法

本文資料來源于1981~2016年四川盆地102個國家站的逐日定時觀測資料,主要使用其中的能見度、相對濕度以及地面天氣現象觀測資料,氣候態取1981~2010年共30a平均值,所有資料均經過了四川省氣象信息中心的質控檢驗.環流場資料采用NCEP/NCAR月平均大氣再分析資料,時間范圍為1981年12月~2017年2月,水平分辨率為2.5°× 2.5°,垂直分辨率為17層.本文冬季指當年12月~次年2月.

由于四川特殊的地理特征,導致霾天氣一般出現在盆地,加之霧天氣現象發生時大氣濕度一般接近飽和(100%),因此為了真實反映四川霾天氣的氣候變化特征,結合四川特殊的地理原因,利用改進后的關于霾日歷史資料判別方法進行統計,即排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、吹雪、雪暴等影響視程的天氣現象的基礎上,以同時滿足能見度￡5.0km且相對濕度<95%的時次判識為霾時:北京時間20:00為日界,一日持續1/4(含)以上定時觀測時次判別為霾,則該日記為霾日.當霾跨日界持續時間長達1/4(含)定時時次以上,但日界前(或后)持續時長不足1/4定時時次且大于1/8定時時次,則相應的上跨日(或下跨日)記為霾日[25,31]

根據氣象行業標準《霾的觀測和預報等級》(QX/T-2010)[2],從有煙幕或霾發生到結束,稱為一次霾事件;將連續3d及以上有煙幕或霾發生,稱為一次持續霾事件.

2 結果與分析

2.1 霾日空間分布特征

2.1.1 霾事件的空間分布特征 從圖1a中可以看出霾日數的大值區主要集中在川東北城市群(南充、廣安、達州)、成都平原城市群(成都、德陽、綿陽、眉山、資陽、樂山)以及川南城市群(自貢、瀘州、內江、宜賓),大值中心年均霾日數在100d以上,霾的發生具有一定的局地性.從霾日數的季節平均來看(圖1b~e),四季的霾日數與年均霾日數的分布特征較為相似,也有3個相似的大值區,冬季的霾日數最多,秋季次之,再者為春季,最少的為夏季.盆地大部冬季霾日數在20d以上,最多的區域在成都平原的新津,高達47d;川南的自貢,也為47d;其次為川東北的大竹,為41d.秋季、春季和夏季的霾日數明顯比冬季少,但秋季、春季(夏季)霾日數的大值區在25d(15d)以上的站點均集中在與冬季霾日大值相同的區域.在特大城市成都冬季霾日數較其他3個季節多,與冬季北京、上海霾天氣較其他3個季節頻發較為一致,而與廣州在春季霾天氣頻發不同[32].

值的注意的是,位于盆地邊緣的雅安、廣元、巴中比盆地中間的城市四季霾日少.3個城市群春、秋季霾日分布總體較為一致,總體差異不大.內江-自貢一帶四季霾日均為高值區,四季變化不明顯,主要由于自貢等市裝備制造、化工工業發達,夏季該區域仍為霾高值區,在夏季期間,該區域秸稈燃燒所產生的PM2.5、PM10等氣溶膠污染物造成空氣質量惡化,易造成污染物的堆積.在冬季3個城市群的霾污染較為嚴重,受盆地地形和青藏高原大地形共同影響,由于霾多發區位于盆地底部,盆地邊緣多為山地,研究指出冬季盆地內部排放源對污染物濃度貢獻較大,而盆地外部排放源受到高嵩山脈的阻擋,對污染物濃度貢獻率微弱[33-34].霾多發區人口密度大,交通工業發達,人類生產所產生的油煙、道路揚塵以及工業廢氣、秸稈燃燒排放的污染物受到周邊高山阻擋在低海拔地區積聚,加劇低海拔地區的空氣污染;在高原大地形東側背風坡存在特殊的垂直環流結構,在冬季背風坡為下沉氣流,對盆地大氣污染物的擴散抑制作用顯著,會出現類似靜穩天氣的“避風港”效應[28];且在冬季易受到大陸高壓的控制,大氣層結穩定,利于污染物顆粒聚集在大氣低層,形成霾天氣.

2.1.2 持續霾事件的空間分布特征 持續霾事件空間分布不均勻,與霾日數的大值區的分布較為一致,也有較為集中的三個區域,川東北城市群、成都平原城市群以及川南城市群,在近36a發生持續霾事件累計次數最多的在盆地南部的自貢,達231次,其次為成都平原的新津,為227次,再者為川東北的大竹,為215次;從四季持續(圖2b~f)霾事件累計發生次數來看,春、夏季持續霾事件在盆南的自貢分別發生了132次,為最多,而在成都平原以及川東北地區發生持續霾事件較少,在秋季持續霾事件發生次數較多的集中在成都平原的新津、川南的自貢、川東北的大竹,分別為134次、167次以及136次,成都平原城市群、川南城市群以及川東北城市群發生持續霾事件的次數均較春、夏季增多.冬季,持續霾事件與年總次數分布一致,這與冬季形成霾的大尺度環流背景以及氣象條件關系密切,由于上述分析主要針對持續3d及以上的持續霾事件發生次數的分布特征,為了了解更長時間的持續霾事件的特征,因此分析了冬季持續7d、10d及以上的霾事件發生次數,得出持續霾事件總次數的大值中心在成都平原的新津以及川南的自貢、威遠,發生持續7d及以上的霾事件總次數分別為70次、84次、71次,發生持續10d及以上的霾事件總次數分別為28次、22次、25次.

從1981~2016年四川盆地多年平均霾事件發生的頻次、年總日數和持續時間來看(圖3),所有霾事件的發生頻次與霾事件的年總日數空間分布具有較高的相似性,霾事件的高發區主要集中在川東北城市群、成都平原城市群以及川南城市群,這些區域平均每年發生30次以上的霾事件,其中發生頻次最多為位于川南的自貢,平均每年發生55.5次/a,多年平均霾事件總日數為137.6d;第二個高頻中心位于川東北的岳池,霾事件頻次為52.3次/a,總日數為103.4d;第三個高頻中心位于成都平原的新津,平均每年發生霾事件為52次/a,總日數為120.6d.從霾事件發生的高頻區來看,持續霾事件占霾事件的百分比也較高,均在25%以上;從持續霾事件年總日數對霾事件年總日數的貢獻來看,成都平原、川東北、川南大部在45%~50%之間,其中在川南的自貢和內江貢獻最大,為60%以上;從盆地霾的少發區域來看,持續霾發生的比例也較低.可見,霾事件發生頻次高、霾事件總日數多的地方,主要為持續霾事件頻發造成的.從霾事件的持續時間可以看出,霾事件持續時間較長的發生在川南的富順,為23d,成都平原和川東北不超過20d;盆地大部霾事件平均天數在1~2.5d,其中成都平原、川南、川東北在1.5~2.5d.

從盆地持續性霾年代變化分布來看(圖4a~d), 20世紀80年代,成都平原城市群持續霾日數不到60d,川南城市群和川東北城市群持續性霾日數在40~90d,其中自貢超過了80d,為高值區;90年代~21世紀初的10a,盆地存在3個高值區,分別位于川東北城市群、成都平原城市群、川南城市群,且范圍不斷擴大,成都平原城市群以及川東北城市群均增加較快;在2011年~2016年,3個城市群的持續性霾日數整體較少,為4個年代最少.

氣象條件變化以及區域城市化、土地利用會導致氣溫的升高以及相對濕度、風速的下降,從而引起霾天氣增多[8,35-36].統計發現,1981~2016年四川盆地3大城市群區域平均氣溫、相對濕度以及風速發生了較大變化.在1981~2000年,盆地3大城市群的氣溫均呈逐年代增加趨勢,相對濕度呈減少趨勢,風速變化不大,導致3大城市群的持續性霾日數呈逐年代際增加趨勢,高值區范圍逐年代擴大,自2011~2016年氣溫緩慢上升,相對濕度顯著上升,且風速明顯增大,有利于污染物的擴散,不利于霾天氣形成(圖略).霾的形成不僅與氣象要素有關,還與環境因素密不可分.四川省統計年鑒表明[37],自2000~2009年四川省SO2排放量以及煙(粉)塵排放量呈增加趨勢,造成霾天氣較多,到了2010~2015年四川省氮氧化物、SO2呈減少趨勢,2010~2013年煙(粉)塵排放量顯著減少,污染源排放減少,霾天氣發生頻率降低.

2.2 持續性霾事件的長期變化特征

2.2.1 持續性霾事件的時間變化 根據圖1和圖2霾日的變化特征及區域性差異,將盆地17個地市分為3個區域,霾多發區,包括川東北城市群(南充、廣安、達州)、成都平原城市群(成都、德陽、綿陽、眉山、資陽、樂山、遂寧)、川南城市群(自貢、內江(威遠)、瀘州(納溪)、宜賓(南溪));霾少發區(雅安);過渡區(廣安、巴中).

通過分析四川盆地霾日數的時間變化特征(圖5)可以發現,所有霾事件年平均日數呈增加趨勢,氣候傾向率為1.0d.(10a)-1,持續霾事件日數占霾總日數的百分比與霾總日數的增加趨勢在1981~2011年具有相同的年際變化特征,2012~ 2016年具有相反的年際變化特征,兩者的相關系數為0.53(通過了0.01的顯著性檢驗),說明四川盆地霾總日數的增加主要是由于持續性霾事件增加所引起的.圖6選取了霾多發區(川東北城市群)、霾多發區(川南城市群)、霾多發區(成都平原城市群)、霾少發區以及過渡區對比分析霾日數以及連續3d及以上持續性霾事件日數的年際變化特征,可以看出,霾多發區、霾少發區以及過渡區連續霾變化與霾日變化呈正相關,霾日較多的區域,連續霾出現的次數也比較多.

圖5 1981~2016年四川盆地霾總日數、持續性霾占總霾日數的百分比

圖6 1981~2016年盆地不同區域的霾日數以及持續性霾事件日數

圖7 四川盆地不同區域霾日數的月變化特征(36a平均值)

從不同區域霾日數的月變化來看(圖7),霾多發區以及霾少發區在10月~次年3月為霾日多發月份,其他月份為霾日少發月,過渡區域在10月~次年2月為霾日多發月,3~9月為霾日少發月,除了霾少發區,其他區域在5月或者6月均出現了一個小峰值,且川南城市群在8月出現了第2個小高峰,主要由于在這幾個月份,秸稈焚燒產生的污染物大量產生,造成空氣惡化[38].

2.2.2 持續性霾事件的季節變化特征 從盆地以及霾多發區、霾少發區以及過渡區持續性霾日的季節變化(圖8)來看,不同區域不同季節不同年代均是冬季持續性霾日數最多,秋季次之,春夏季少.盆地、霾多發區(川南城市群)、霾少發區以及過渡區四季持續性霾日均呈增加趨勢,霾多發區(成都平原城市群)、霾多發區(川東北城市群)四季持續性霾日數均呈減少趨勢.

2.3 四川盆地冬季霾事件環流場分析 霾的形成不僅與污染物的排放、輸送有關,還與不利于污染物擴散的氣象條件有關,而氣象因子對霾的影響取決于大尺度的大氣環流背景.由前文的分析表明冬季為盆地霾事件發生的高峰期,因此有必要深入分析盆地冬季霾事件的變化特征及其對應的環流場,以期為冬季霾事件的短期氣候預測提供一定的理論依據.

在此分析中,選取四川盆地13個地市州代表站,分別為成都、德陽、綿陽、眉山、樂山、資陽、遂寧、內江、南充、達州、廣安、自貢、宜賓.站點分布上較為均勻,且為盆地霾事件高發區,可以整體反應四川盆地的霾事件變化.

圖10 四川盆地冬季霾事件日數標準化距平變化

圖9(a)給出了1981~2016年四川盆地代表站冬季霾事件日數的時間變化特征,表現出明顯的年際及年代際變化特征,整體呈略減少趨勢.結合圖9(a~b),2004年為顯著的突變點,在分析環流變化對冬季霾事件年代際變化的影響時,選取1981~2003年為霾日數整體偏多時期,2004~2016年為霾日數偏少時段進行研究.

為分析四川盆地冬季霾日數在年際變化特征上對應的環流變化,因此選取標準化距平大于1為冬季霾事件異常偏多年份,選取標準化距平小于-1為冬季霾事件異常偏少年份,得到霾事件異常偏多的年份為:1986、1987、1998年;霾事件異常偏少的年份為1981、2007、2011年(圖10),進行合成分析.

(a)500hPa風場和溫度場

紅實線和虛線分別表示溫度正距平和負距平(矩形為四川盆地)

(b) 表面抬升指數和表面風

矩形為四川盆地

(c)垂直速度垂直分布

(a) 500hPa高度場