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江西省霾日的氣候特征及氣象條件對其影響

引言 霾是指大量極細微的干塵粒子均勻地浮游在空中,使大氣混濁、視野模糊和能見度惡化,水平能見度小于 10 km 的空氣普遍有混濁的天氣現象。霾的組成成分復雜,包括數百種大氣顆粒物,如灰塵、硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽等粒子。霾天氣發生時,懸浮在空氣中的大量極
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論文摘要

  引言

  霾是指大量極細微的干塵粒子均勻地浮游在空中,使大氣混濁、視野模糊和能見度惡化,水平能見度小于 10 km 的空氣普遍有混濁的天氣現象。霾的組成成分復雜,包括數百種大氣顆粒物,如灰塵、硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽等粒子。霾天氣發生時,懸浮在空氣中的大量極細微的灰塵、煙粒、鹽粒等干塵粒子,不但能進入并沉積于呼吸道甚至肺部,其攜帶的有害物還會對人體產生毒性作用,誘發疾病,導致患有心血管病、呼吸系統疾病和其他疾病的敏感體質患者的死亡。另外,霾天氣還會導致近地層紫外線的減弱,易使空氣中的傳染性病菌活性增強,傳染病增多。

  近年來,隨著經濟擴張規模的擴大、機動車和能源消耗的快速增加,大氣污染也隨之增加,霾天氣頻繁發生。王建國等發現 1951—2006 年濟南的霾日呈總體上升趨勢,但在20 世紀80 年代初期有一個下降過程。魏文秀發現 1971—2007 年河北省霾日呈總體上升趨勢,但在20 世紀80 年代后期有一個下降過程。吳兌等發現中國最早建設的重工業基地沈陽的霾日在 20 世紀50 年代初至 80 年代末均非常多,90 年代后隨著國家產業結構調整和老工業基地的改造,其霾日明顯較少,但 21 世紀以來又重新出現增長趨勢。與合肥相似,南京、杭州、長沙和廣州等地的霾日均在 70 年代后期開始明顯增加。高歌指出 1961—2005 年全國平均霾日呈明顯上升趨勢,且霾的空間分布不均,總體呈東多西少的分布形勢。廖國蓮等研究發現,隨著經濟發展引起污染排放的增長,廣西近 50 a 霾日呈總體上升趨勢,尤其自 2003 年起,上升明顯。除了顯著的年際變化和年代際變化外,中國霾日的季節變化明顯,大部分地區霾主要出現在秋冬季節,夏季最少,且不同地區最少和最多霾日出現的月份有所不同,如濟南最少(平均 3. 5 d) 出現在 6 月,最多(平均 11 d) 出現在12 月; 合肥最少(平均不足 1 d) 出現在 8 月,最多(平均12 d) 出現在1 月; 西安最少(平均3 d) 出現在 6 月,最多(平均 10 d) 出現在 12 月; 杭州最少(平均 3 d) 出現在 7 月,最多(平均 9 d) 出現在 12月。但與這些城市或地區明顯不同,北京在夏季霾日反而較多,集中出現在 6—9 月,尤其是盛夏季節的 7—8 月。

  許多研究表明,灰塵、硫酸與硫酸鹽等污染物排放進入大氣后,其擴散傳輸和轉化主要取決于氣象條件。大氣擴散理論研究和試驗研究表明,在不同的氣象條件下,同一污染源排放所造成的地面污染物濃度可相差幾十倍乃至幾百倍。有利于污染物擴散和稀釋的氣象條件將降低污染物的濃度,不利于污染物擴散的氣象條件將造成污染物的累積,引起濃度升高并造成持續性污染。張小玲等指出 2006 年春季期間氣象條件是影響北京空氣質量的主要因素,在集中燃放煙花爆竹后,除夕后由于存在有利擴散的氣象條件,北京的空氣質量較好,但元宵節前后不利于擴散的氣象條件致使了北京的空氣質量較差。

  隨著經濟的發展以及城市化進程的不斷加快,近年江西機動車數量和能源消耗的快速增加,汽車尾氣和工業煙塵等污染物的排放量也明顯增加,致使江西霾天氣逐漸增多,如南昌在20 世紀80 年代初年霾日數約為 20 d,到 21 世紀初年霾日數突破了100 d。霾天氣不僅會對人體健康造成一定的影響,還影響交通安全(因為能見度低) 。本文利用江西省83 個地面常規氣象觀測站和南昌、贛州兩個探空站的觀測資料,分析江西省霾日的氣候特征,并探討氣象條件對霾的影響,為環境治理和霾天氣的預報提供參考。

  1、 資料與方法

  1980 年以前,中國地面氣象站大氣能見度的觀測是自近向遠劃分為 9 個等級進行記錄的,而 1980年以后,大氣能見度才用具體的距離(以 km 為單位)作為觀測值進行記錄。由于 1980 年以前后觀測規范不同,且 1980 年以前的大氣能見度的觀測精度相對較差,故本文用于分析江西霾的氣候特征及其與氣象條件關系的資料,選用 1980—2011 年江西 83 個常規氣象站的觀測資料,這些資料來源于江西省氣象信息中心,包括大氣能見度、相對濕度、風速、氣壓、降水、天氣現象等要素。用于分析逆溫的資料來源于江西省氣象信息中心提供的南昌和贛州兩站1980—2011 年每日 08 時的探空觀測資料。此外,文中所用的江西民用汽車擁有量、能源消費總量、工業SO2排放量和工業煙塵排放量的資料來源于江西省統計年鑒。

  霾的定義將日平均能見度小于 10 km,日平均相對濕度小于 90%,并排除降水、吹雪、雪暴、揚沙、沙塵暴、浮塵和煙幕等其他能導致低能見度事件的情況作為一個霾日。并將大氣能見度小于 2 km、2—3 km、3—5 km、5—10 km 時的霾劃分為重度、中度、輕度和輕微 4 個等級。

  2、 結果分析

  2. 1 霾的空間分布

  根據以上霾的定義,統計了 1980—2011 年江西霾日的空間分布特征(圖 1) 。從圖 1 可以看出,整個江西均有霾出現,但霾日的空間分布不均,總體上呈現中北部多,南部少的分布形勢,其中霾日較多的地區主要集中于萍鄉至上饒的鐵路沿線和九江至樟樹的鐵路沿線一帶 (為江西的主要城市及其周邊較發達地區) ,霾日最多的地區位于樟樹和余江,年平均霾日均超過了 85 d(余江為 98. 6 d,樟樹為86. 8 d) 。從江西霾日的空間分布形勢(圖 1) 還可以看出,除了江西南部贛州地區外,江西霾日較少的地區主要位于海拔較高的山區,如江西西北部的修水和銅鼓、江西東北部的德興和萬年、江西北部的廬山和西部的井岡山等地,其年平均霾日均小于 25 d。

  2. 2 霾的時間變化

  2. 2. 1 月變化

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  從圖 2 可以看出,江西霾日有著明顯的季節變化特征,與中國大部分地區和城市相似,江西霾日在秋冬季節較多,平均每月為 3. 6 d,12 月霾日最多,平均為 5. 6 d,其次為 1 月,平均 4. 5 d。江西霾日在春夏季節相對較少(北方地區和城市春季霾日依然較多,但夏季霾日較少) ,平均每月為 0. 9 d,7 月霾日最少,平均僅為0. 3 d,其次是6 月,平均為0. 7 d。結合與氣象條件的關系分析發現,江西霾日的這種季節變化特征,主要是因為秋冬季節江西常受冷高壓或高壓脊控制、對流層中低層常有逆溫層存在、降水量少等氣象條件不利于污染物向外輸送、擴散或被雨水濕沉降至地面,致使污染物在空中堆積,有利于霾天氣的出現。與之相反,江西春夏季節的氣象條件不利于霾天氣的發生。

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  2. 2. 2 年際變化

  圖 3 為 1980—2011 年江西年霾日及各等級霾日的分布。由圖 3 可知,江西平均每年的霾日為 26. 9d,且霾日有著顯著的年際變化特征和年代際變化特征,1980—1988 年霾日呈波動式直線上升的趨勢,霾日從1980 年的18. 3 d 上升至1988 年的28. 1 d,平均每年上升 1. 1 d,1989—1999 年霾日一直維持在27 d左右波動,2000—2002 年有一個明顯的減弱過程(從1999 年的 29. 7 d 降至 2000 年的22 d左右) ,但隨后迅速增加,2003 年霾日接近 40 d,達到歷史最高,2006 年后又有一個明顯的減弱過程。從圖 3 還可以看出,江西的霾以輕微霾為主,輕度霾次之,中度霾和重度霾較少,年平均不足 0. 2 d。

  為了進一步揭示江西霾日的周期變化,利用Morlet 小波變換對 1980—2011 年江西年霾日進行分析,結果表明江西霾日有著顯著的年際變化周期和年代際變化周期(圖 4a) ,霾日年際變化周期信號較強的有 4 a 左右和 8 a 左右的變化周期,主要出現在20 世紀 90 年代中至 21 世紀初。年代際變化周期信號主要是 15 a 左右的變化周期,這個信號從 1980—2011 年均較強 (圖 4a) 。小波變換模的分布圖 (圖4b) 也說明了這一點,即霾日在小波變化域中其波動能量曲面上有 3 個能量最聚集的中心,它代表年霾日數波動能量變化的特性,其中一個中心尺度位于15 a 附近,其能量波動貫穿整個時域,在 80 年代到90 年代中期表現最為強烈。另外有兩個中心尺度在4 a 和 8 a 附近,波動能量主要影響的時域為 20 世紀90 年代中期至 21 世紀。

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  2. 2. 3 霾的變化趨勢

  圖5為1980—2011年江西年霾日變化趨勢(即線性傾向估計的回歸系數) ,其中三角形代表該站的變化通過了 95% 的信度檢驗。可以看出,江西大部分地區(57 個站) 霾日均呈增加趨勢,其中有 40 個站的增加趨勢通過了 95% 的信度檢驗,在經濟相對發達的南昌、九江、鷹潭和撫州等地,霾日的增加趨勢尤其明顯; 僅有樟樹、吉安中北部和贛州東北部靠近武夷山等地區(26 個站) 呈現減少趨勢,其中有 16 個站的減少趨勢通過了 95% 的信度檢驗,霾日減少趨勢最為明顯的地區為樟樹市。霾日的減少主要與當地環境治理的努力有關,如近些年來,樟樹市開展污染減排和環境綜合整治工作,環境質量顯著改善,霾日成為江西全省減少最為明顯的地區。

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  2. 3 霾與污染物排放

  灰塵、硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽等粒子是霾的主要組成部分,而這些粒子與人類活動產生的污染物(工業煙塵、工業 SO2、汽車尾氣等) 的排放密切相關。圖6為1989—2010年江西民用汽車擁有量、能源消費總量、工業 SO2排放量(經過氧化能生產硫酸鹽粒子) 、工業煙塵排放量的逐年演變過程。從圖6a 可以看出,隨著江西經濟和工業的發展,1989 年以來江西能源消耗總量和汽車擁有量呈顯著增加趨勢,能源消耗在 2000 年以后增加顯著,汽車擁有量在 2003 年以后的增加非常顯著。與之對應,1989 年以來江西能源消耗所產生的污染物和汽車尾氣的排放也呈顯著的增加趨勢,這是 1989—2010 年江西霾日呈總體增加(圖 3) 的主要原因之一。1989—2010年江西省工業 SO2和工業煙塵排放量的變化情況(圖 6b) 顯示,SO2與工業煙塵排放量的變化情況相似,SO2(工業煙塵) 排放量在 1994 年以前為增加趨勢,1994 年至 2002 年(2001 年) 呈減少趨勢,2002 年(2001 年) 至 2006 年(2005 年) 呈快速增加趨勢,2006 年(2005 年) 后又呈減少趨勢。2001—2002 年與 2009—2010 年是 SO2和工業煙塵排放量的低值年,與圖 3 中江西年霾日的低值段對應,2005 年前后是 SO2排放的高值年,與圖 3 中江西霾日的高值段對應,表明 SO2和工業煙塵排放量為影響江西霾日的主要原因之一。1993 年和 2005 年是江西霾日的兩個極小值年(圖 3) ,但能源消費總量、民用汽車擁有量、工業 SO2排放量和工業煙塵排放量均不是極小值年(圖 6) 。同樣,1996 年是江西霾日的一個極大值年,但能源消費總量、民用汽車擁有量、工業 SO2排放量和工業煙塵排放量均不是極大值年,表明江西霾日除了與污染源本身的排放密切相關以外,還可能與其他因素有關,如氣象條件。

  2. 4 霾與氣象條件

  2. 4. 1 霾與地面風速

  為了分析霾與地面風速的關系,將霾日平均地面風速劃分為小于1 m·s- 1、1—2 m·s- 1、2—3 m·s- 1和大 于 3 m·s- 14 個等級進行統計分析,結果見表1 。霾出現的頻率隨著風速的增大而減小,即日平均風速小于 1 m·s- 1時霾日出現的頻率最高,為 43. 18%,其次為日平均風速為 1—2 m·s- 1,霾出現的頻率為 38. 70%,日平均風速超過 2 m·s- 1時霾出現的頻率顯著減少,日平均風速大于 3 m·s- 1時的霾日僅占總霾日的 5. 56%。可見,地面風速是影響江西霾天氣形成和發展的主要氣象因素之一。

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  事實上,水平風速的大小直接影響污染物的水平輸送和擴散,風速較大時,污染物的水平輸送加強、擴散加快,可以有效減小工業煙塵、工業SO2、汽車尾氣等污染物的濃度,不利于霾天氣的發生; 而風速較小時,污染的水平輸送和擴散減弱,工業煙塵、工業 SO2、汽車尾氣等污染物容易堆積,有利于霾天氣的發生。

  2. 4. 2 霾與大氣逆溫

  污染物在對流層低層的輸送,在水平方向受水平風的支配,在垂直方向上受垂直風的支配,而氣溫的垂直分布直接影響著垂直風的大小和方向。對1980—2011 年南昌和贛州兩探空站每日 08 時的探空資料分析發現,在南昌的 2105 個霾日中,分別有1709、1626、1532 d 和 1381 d 在地面與 700、850、925 hPa和 1000 hPa 之間有逆溫層存在,分別占總霾日的 81. 2%、77. 3%、72. 8% 和 65. 6% (表 2) ; 在贛州的203個霾日中,分別有191、180、173 d和136 d在地面與 700、850、925 hPa 和 1000 hPa 之間有逆溫層存在,分別占總霾日的 94. 1%、88. 7%、85. 2% 和67. 0% (表 2) 。可見,絕大部分霾日均出現在低層逆溫的氣象條件下,其中地面至 1000 hPa 之間出現逆溫的概率均超過了 65%。當近地層有逆溫層出現時,大氣層結處于穩定狀態,低空的垂直運動和湍流較弱,不利于污染物向高空輸送和擴散,污染物容易在低空堆積,容易發生霾天氣。

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  2. 4. 3 霾與氣壓

  圖 7 為 1980—2011 年江西各月霾日平均海平面氣壓與月平均的海平面氣壓對比。可以看出,在全年各月中霾日的海平面氣壓均大于相應的月平均海平面氣壓,前者平均高于后者 5. 84 hPa。高氣壓天氣通常與對流層中低層反氣旋或高壓脊相伴,反氣旋或高壓脊對應的反氣旋式環流會使對流層中低層的空氣輻散下沉,這不僅不利于局地污染物向高空輸送,還有可能將其他高污染區的污染物輸送至局地,致使污染物在局地堆積,有利于霾天氣的發生。

  反之,低氣壓天氣對應的氣旋式環流有利于局地污染物向高空輸送,不利于污染物在局地堆積,不利于霾天氣發生。王建國等也發現濟南市的大多數霾日(64. 5%) 發生在高壓天氣形勢下。從圖 7 還可以看出,無論是霾日海平面氣壓還是月平均的海平面氣壓,在冬季均較高,夏季均較低,其中 1 月或 12 月最高,7 月最低,這與江西霾日的季節變化(圖 2) 類似。表明夏(冬) 季海平面氣壓低(高) 是造成江西霾日夏(冬) 季少(多) 的主要原因之一。

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  2. 4. 4 霾與降水量

  降水量與霾天氣有著密切的關系。降雨時,雨滴會吸收和吸附空氣中的污染物并將之攜帶至地面(即濕沉降) ,對空氣有沖刷凈化作用。強降雨或持續性降雨后的一段時間,由于雨水對污染物的沖刷,空氣中污染物濃度減小,霾天氣不易發生。反之,長時間無降雨或降水量很小,空氣中污染物容易堆積,有利于霾天氣發生。1980—2011 年江西平均的月降水量見圖 7,由圖 7 可知,江西多雨期主要是3—8 月(尤其是 3—6 月,其月平均降水量均超過了150 mm) ,受降雨對氣溶膠粒子濕沉降所致,江西3—8 月的霾日均較少(圖 2) ; 少雨期主要從 9 月至翌年 2 月(尤其是 9 月至翌年 1 月,其月平均降水量小于 80 mm) ,與之對應江西霾日多出現在 9 月至翌年 2 月(圖 2) 。對比圖 2、圖 7 可以發現,4 月的月平均海平面氣壓較 9 月的高,而霾日較 9 月的少,很明顯這是4 月的降水量較9 月多造成的。此外,中國北方的多雨期通常在 7 月及其以后,春季降雨較少,這可能為合肥、河南和河北等城市或地區春季霾日較多的主要原因之一。

  2. 4. 5 霾與相對濕度

  利用江西 83 個站的相對濕度資料,將日平均相對濕度劃分為 0%—50%、50%—60%、60%—70%、70% —80% 和 80% —90% 五個等級對霾日進行統計發現,霾主要出現在高相對濕度日。相對濕度在0% —50% 、50% —60% 和 60% —70% 時,霾出現的概率均較低,分別占總次數的 0. 48%、3. 02% 和15. 99% ; 當相對濕度超過 70% ,霾出現的概率顯著增高,其中相對濕度在 70%—80% 時霾出現的頻率最高,占總次數的 43. 97%,其次為 相 對 濕 度 在80% —90% 時,占總次數的 36. 54% 。合肥霾與相對濕度的關系也類似,即霾多發生于高相對濕度(70%—90%) 環境下。可見適當的相對濕度也是產生霾的有利條件。研究表明,相對濕度對霾的影響是通過氣溶膠粒子吸濕增大而產生的,當氣溶膠粒子中含有水溶性成分時,相對濕度大使得可溶性氣溶膠更易吸收水汽而長大,使氣溶膠粒子的消光作用(主要是散射作用) 加強,能見度降低,有利于霾天氣發生。

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  3、 結論與討論

  (1) 1980—2011 年江西省霾日有著顯著的季節變化、年際變化和年代際變化特征,季節變化為秋冬季多(12 月最多) ,春夏季少(7 月最少) ; 江西霾日呈總體上升趨勢,4 a 和 8 a 左右的變化周期顯著,且在20 世紀 90 年代中至 21 世紀初信號較強,年代際變化周期主要為15 a 左右的變化周期,且在20 世紀80年代到 90 年代中期表現最為強烈。此外,江西大部分地區(83 個站中的 57 個站) 霾日均呈增加的趨勢。

  (2) 江西省霾日空間分布不均,整體呈中北部多南部及山區少的分布形勢,霾日多的地區主要集中于萍鄉至上饒的鐵路沿線和九江至樟樹的鐵路沿線一帶(即江西主要城市及其周邊較發達地區) ,贛州地區和其他海拔較高的山區霾日較少。

  (3) 地面風速小于 2 m·s- 1時,污染物不易水平輸送 和 擴 散,江 西 霾 天 氣 發生較多 (頻率為81. 88% ) ; 相對濕度在 70% —90% 有利于江西霾天氣發生,尤其以相對濕度在 70%—80% 時江西霾出現頻率最高(43. 97%) 。

  (4) 霾與大氣逆溫密切相關,大氣逆溫的存在不利于污染物的垂直輸送和擴散,霾天氣容易發生,南昌和贛州有 80%(70%) 以上的霾天氣發生在地面至700 hPa(925 hPa) 有逆溫層存在時。

  (5) 高(低) 氣壓和降水量少(多) ,不(有) 利于污染的垂直輸送、擴散和濕沉降,有(不) 利于霾天氣發生。故江西秋冬(春夏) 季節氣壓高(低) 、降水量少(多) ,是造成江西秋冬(春夏) 霾天氣多(少) 的主要原因之一。

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