王明潔,朱小雅,陳申鵬

(1.深圳市國家氣候觀象臺,廣東 深圳 518040；2.深圳市氣象局,廣東 深圳 518040)

霾是大量極細(xì)微的干塵粒均勻地飄浮在空中,使大氣水平能見度小于10.0km的空氣普遍混濁現(xiàn)象[1].隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大氣污染加劇,霾天氣日益增多,給人體健康、生態(tài)環(huán)境和交通安全等帶來了嚴(yán)重危害.我國學(xué)者從霾的觀測識別[2-3]到時(shí)空分布、氣候特征[4-6]、成因分析[7-9]以及數(shù)值模擬[11-12]、氣溶膠特性[13-15]等方面開展了大量研究工作.高歌等[4]通過對中國霾的時(shí)空分布特征及變化趨勢的分析發(fā)現(xiàn),全國平均年霾日數(shù)呈現(xiàn)明顯的增加趨勢,空間分布特征呈東多西少分布.目前中國 4大霾嚴(yán)重地區(qū)為京津冀地區(qū)、長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)與四川盆地[2].吳兌等[9-10]對珠江三角洲地區(qū)的霾天氣進(jìn)行了深入的研究,指出珠江三角洲自20世紀(jì)80年代初開始,能見度急劇惡化,灰霾天氣顯著增加, 灰霾天氣的本質(zhì)是細(xì)粒子氣溶膠污染,與光化學(xué)煙霧相關(guān)聯(lián).毛敏娟等[11]通過多元觀測資料融合應(yīng)用發(fā)現(xiàn)灰霾天氣形成起主要作用的是細(xì)粒子,關(guān)鍵排放因子是黑碳、NO2、SO2等.

深圳地處珠江三角洲城市群,經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化及交通運(yùn)輸現(xiàn)代化給生態(tài)環(huán)境帶來前所未有的壓力,其中霾天氣頻發(fā),已引起了政府和公眾的極大關(guān)注.目前針對深圳不同等級霾天氣長序列的研究較少,本研究對深圳市歷史霾資料進(jìn)行分析,揭示深圳市不同等級霾天氣的長期變化特征,同時(shí)分析大氣水平能見度、空氣質(zhì)量與霾的關(guān)系,以期為霾預(yù)測、控制和深圳市大氣污染的治理提供參考.

1 資料與方法

本文所使用的氣象資料為 1961～2010年深圳地面氣象觀測站資料,包括霾日數(shù)、能見度等資料,其中能見度資料長度為1981～2010年;空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)為 2005～2010年深圳市環(huán)保監(jiān)測站監(jiān)測資料,包括全市日平均 PM10、SO2、NO2濃度和荔香站的逐時(shí)監(jiān)測資料.

霾日以觀測記錄為準(zhǔn),根據(jù)《霾的觀測和預(yù)報(bào)等級》[16](QX/T 113-2010)規(guī)定將霾分為4級:輕微霾(5～10km);輕度霾(3～5km);中度霾(2～3km);重度霾(0～2km).受能見度資料的限制,僅對1981～2010年30年的霾天氣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以當(dāng)天出現(xiàn)的最嚴(yán)重霾為標(biāo)準(zhǔn).

采用線性回歸和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法,分析霾日的長期變化趨勢以及不同等級霾與能見度、空氣污染物濃度的關(guān)系.

2 深圳市霾天氣氣候變化特征分析

2.1 不同等級霾年際變化特征

由圖 1可知,深圳市年霾日數(shù)總體呈增多趨勢,以 41d/10a的線性趨勢顯著增多,這與深圳經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口劇增、污染物排放增多密不可分[10].深圳年霾日數(shù)變化大致可劃分為3個(gè)階段:第1階段1961～1970年代末,霾日數(shù)最少,1961年首次記錄到霾,1961～1970年代年均霾日數(shù)僅為0.5d,最多只有3d.這個(gè)時(shí)期作為邊陲小鎮(zhèn)的深圳經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢,機(jī)動(dòng)車數(shù)量和人口數(shù)量較少,因此能見度好,霾少有發(fā)生;第2階段1980年代初～中后期,霾日數(shù)開始小幅度增多,年均 9.2d.此時(shí)深圳處于改革開放局部推進(jìn)階段,經(jīng)濟(jì)發(fā)展開始加速,但主要以基礎(chǔ)硬件建設(shè)為主,因此霾雖然開始增多,但增幅較小;第3階段1980年代末至今,霾日數(shù)劇增,由80年代年平均9.2d增加至90年代82.4d,2001～2010年持續(xù)增至163.2d,年最多高達(dá)240d (2008年).該階段是深圳改革開放全面推進(jìn)和跨越式發(fā)展階段,經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、人口劇增、汽車保有量至2012年已超過200萬輛,這些因素導(dǎo)致空氣污染加劇,霾天氣頻發(fā).

圖1 1961～2010年深圳年霾日年際變化Fig.1 Annual variation of haze days in Shenzhen during 1961～2010

由圖 2可知,深圳市各級霾日數(shù)均呈現(xiàn)增多趨勢,不同等級霾日數(shù)占年霾日數(shù)的比例隨著等級升高而降低,即越嚴(yán)重的霾所占比例越低.輕微霾日數(shù)最多,占年霾日數(shù)比例也最高,30年平均為77%,但其比例呈減少趨勢,1981～2001年約為97%, 2001～2010年減少至 67%,最低降至 53%;輕度霾1992年首次出現(xiàn),2000年后明顯增多,由20世紀(jì)90年代的年均2.3d上升至47.5d,其比例變化與輕微霾相反,呈增多趨勢,由1981～2001年的3.3%上升到2001～2010年的28.7%,最高時(shí)達(dá)49%;中度霾1993年首次出現(xiàn),之后至2003年才再度出現(xiàn),2003～2010年每年均記錄到中度霾,且日數(shù)明顯增多,2007年最多達(dá) 23d;重度霾 1999年首次出現(xiàn),共 7年有重度霾記錄,最多為4d(2007和2008年).

圖2 1981～2010年深圳不同等級霾年際變化Fig.2 Annnual variation for haze days with different level in Shenzhen during 1981～2010

由上述分析可見,深圳霾天氣20世紀(jì)80年代末開始明顯增多,2000年初強(qiáng)度開始增強(qiáng),表現(xiàn)為中度以上霾出現(xiàn)并增多.

2.2 不同等級霾季、月變化特征

由表1可知,深圳四季均有霾出現(xiàn),但存在明顯的季節(jié)變化.冬季最多,占年霾日的 37.8%,其中12月和1月是霾日最多的月份;2月開始逐漸減少,春季約占全年的 17.1%;夏季霾進(jìn)一步減少(10.5%), 是霾最少的季節(jié),6月為一年中霾最少的月份;入秋后開始明顯增多,秋冬季(9月至～蒞年 2月)是霾出現(xiàn)最集中的季節(jié)(92.8%).

輕微、輕度、中度霾的月、季變化一致,均是冬季最多、秋季次之、夏季最少,12月和1月是出現(xiàn)最多的月份;重度霾與其他等級霾不同,夏季最多,秋季次之,8月是重度霾出現(xiàn)最多的月份.根據(jù)陳聯(lián)壽等提出的臺風(fēng)概念模型[17],在臺風(fēng)系統(tǒng)移動(dòng)方向的側(cè)緣和前進(jìn)方向?yàn)閺?qiáng)下沉氣流,在下沉區(qū)域內(nèi)空氣污染物的輸送、擴(kuò)散受到抑制,導(dǎo)致污染物累積和增加,從而在臺風(fēng)側(cè)緣形成大范圍污染物的增量區(qū)[18].據(jù)統(tǒng)計(jì),深圳市 50%以上重度霾是由臺風(fēng)外圍環(huán)流造成的,8月恰是臺風(fēng)影響深圳最多的月份.

表1 深圳1981～2010年不同等級霾月、季節(jié)分布Table 1 The seasonal and monthly variations of haze with different level in Shenzhen during 1981～2010

2.3 霾與能見度的關(guān)系

2.3.1 霾日平均能見度變化 由圖3可知,任何年份霾日的能見度均低于非霾日,霾日平均能見度較非霾日約低 6～7km;無論霾日還是非霾日能見度總體均呈下降趨勢,2001～2005年降至最低,2006年開始好轉(zhuǎn),且非霾日能見度轉(zhuǎn)好幅度明顯大于霾日.

2.3.2 霾日能見度日變化 為了解霾日能見度逐時(shí)變化特征,利用2007～2008年深圳逐時(shí)能見度觀測資料,對比分析霾日和非霾日能見度日變化差異(圖4).任何時(shí)次霾日能見度均低于非霾日,平均能見度較非霾日低 10km 左右;霾日與非霾日的能見度均具有明顯的日變化特征:清晨(3:00～6:00)最低,之后開始逐漸轉(zhuǎn)好,午后(15:00～17:00)達(dá)到最高,之后逐漸轉(zhuǎn)差,這與深圳市風(fēng)速和相對濕度的日變化特征一致.另外,霾日能見度日變化幅度較小,最低值與最高值相差僅有 3km,而非霾日可達(dá) 7km;霾日除午后14:00～17:00外,各時(shí)次平均能見度均在10km以下,非霾日各時(shí)次平均能見度均在 15km以上.這一方面表明霾的出現(xiàn)導(dǎo)致大氣水平能見度明顯下降,另一方面也說明霾出現(xiàn)在大氣層結(jié)穩(wěn)定的情況下,不利于空氣中污染物的擴(kuò)散,霾天氣持續(xù)時(shí)間較長.

圖3 霾日和非霾日平均能見度年際變化Fig.3 Annual variation of average visibility for haze and non-haze days

圖4 霾日和非霾日平均能見度日變化Fig.4 Diurnal variation of average visibility for haze and non-haze days

2.3.3 不同等級霾條件下能見度變化 由圖 5可知,霾等級越高,能見度越低.重度霾日平均能見度在4km附近波動(dòng),7月重度霾能見度最低,平均為 2.8km;中度霾日能見度在 5km附近波動(dòng),7～8月中度霾平均能見度最高,為7～8km,說明7～8月出現(xiàn)的中度霾持續(xù)時(shí)間較短;輕度和輕微霾平均能見度各月的差異不大,分別在6～7km和10～11km之間,7月能見度最好.

圖5 不同等級霾日平均能見度月變化Fig.5 The monthly variation of average visibility for haze with different level

2.4 霾與空氣質(zhì)量的關(guān)系

2.4.1 霾日空氣污染物濃度月變化特征 根據(jù)《深圳市環(huán)境狀況公報(bào)》(2005～2010)統(tǒng)計(jì)分析[19],深圳首要污染物是可吸入顆粒物(PM10),其次是 NO2.由圖 6 可知,霾日 PM10、SO2、NO2濃度均高于同期非霾日,為非霾日的 1.4～1.7倍.霾日 PM10、SO2、NO2日平均濃度分別為 72.5、21.4、53.1mg/m3,3種污染物中SO2濃度最低,與SO2是固定工業(yè)污染源高空排放的產(chǎn)物,而高空有利于污染物擴(kuò)散有關(guān)[20].

霾日 PM10濃度隨季節(jié)呈冬秋季高,夏春季低的特點(diǎn),12月濃度最高值,其次為 11月和 1月,4～9月濃度處于較低水平,最低值出現(xiàn)在6月,與霾日數(shù)的季節(jié)變化一致. 霾日NO2和SO2濃度無明顯季節(jié)變化特征,分別在 50,20mg/m3附近小幅波動(dòng),NO2濃度在 11月～至蒞年 1月略高,約60mg/m3,SO2在 7～8月濃度略高,約為 30mg/m3,這與火電廠排放是 SO2的主要污染源之一有關(guān),7～8月是深圳的盛夏季節(jié),用電量是一年中最高的月份,從而使得7～8月SO2濃度高.3種污染物無論霾日還是非霾日2月均較1月有小幅下降,3月再次回升,而氣象條件在1～2月無明顯差異,這可能是與春節(jié)前后大量工廠停業(yè)、人員離深、機(jī)動(dòng)車停駛導(dǎo)致污染源減少有關(guān).

圖6 霾日、非霾日空氣污染物濃度月變化對比Fig.6 The monthly variation of air pollutant concentrations for haze and non-haze days

2.4.2 霾日空氣污染物濃度日變化特征 為了解霾日空氣污染物濃度的日變化特征,選取觀測資料完整、污染較重的荔香站為例,分析霾日和非霾日污染物濃度日變化的不同.由圖7可知,各時(shí)次霾日 PM10、SO2、NO2濃度均高于非霾日,其中霾日 SO2、NO2濃度約為非霾日的 1.5～1.7倍,PM10濃度約為非霾日的 2.2倍,由此可知,PM10大氣顆粒物污染加劇可能是深圳能見度惡化,霾增多的一個(gè)重要原因.

無論霾日還是非霾日 SO2的濃度均無明顯的日變化,白天濃度略高于夜間;PM10、NO2濃度日變化特征明顯,一天中存在2個(gè)峰值,分別出現(xiàn)在 7:00～9:00和 18:00～20:00,恰與上下班時(shí)段相吻合,且霾日NO2濃度變化幅度明顯大于非霾日,這與上下班時(shí)段機(jī)動(dòng)車尾氣劇增,導(dǎo)致NO2濃度明顯上升相關(guān)[21].

2.4.3 不同等級霾條件下污染物濃度變化特征 由圖 8 可知,霾等級越高,空氣中 PM10、SO2、NO2的濃度越高. SO2、NO2和PM10濃度從輕微到重度霾各級之間增幅大都在 15%～20%,只有SO2濃度由中度到重度霾增至23.9mg/m3,增幅達(dá)78%,即從輕微到重度霾上一級霾 PM10、SO2、NO2的濃度約為下一級的1.1～1.2倍.

圖7 荔香站霾日和非霾日空氣污染濃度日變化Fig.7 Durial variation of air pollutant concentrations for haze and non-haze days at Lixiang Station

圖8 不同等級霾天氣空氣質(zhì)量對比Fig.8 Comparison of air quality for haze with different level

3 結(jié)論

3.1 1981～2010年深圳市年霾日數(shù)顯著增多,各等級霾日數(shù)也呈明顯增多趨勢; 霾強(qiáng)度增強(qiáng),輕微霾占年總霾日的比例明顯下降,輕度以上霾增加,表現(xiàn)在2000年以來中度以上霾明顯增多.

3.2 輕微、輕度和中度霾均具有冬季>秋季>春季>夏季的季節(jié)變化特征,重度霾夏季最多,臺風(fēng)外圍下沉作用導(dǎo)致深圳夏季重度霾出現(xiàn)概率最高.

3.3 霾造成大氣水平能見度明顯下降,霾日平均能見度較非霾日低 6～7km, 霾等級越高能見度下降越明顯;霾日由于風(fēng)力微弱,擴(kuò)散能力下降,能見度日變化幅度較非霾日減小.

3.4 霾等級與 PM10,SO2和 NO2濃度正相關(guān),大氣顆粒物污染加劇可能是深圳霾天氣增多的一個(gè)重要原因;霾日 PM10和 NO2濃度的雙峰型分布與上下班時(shí)段吻合,說明機(jī)動(dòng)車的增加是深圳霾天氣增多的另一重要因素.

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