劉紅年，朱 焱，林惠娟，王學遠（.南京大學大氣科學學院，江蘇 南京 003；.蘇州市氣象局，江蘇 蘇州 53）

基于自動站資料的蘇州灰霾天氣分析

劉紅年1*，朱 焱2，林惠娟2，王學遠1（1.南京大學大氣科學學院，江蘇 南京 210023；2.蘇州市氣象局，江蘇 蘇州 215131）

利用蘇州2010～2013年的逐時氣象和大氣成分觀測資料，對蘇州灰霾天氣特征進行了統(tǒng)計分析，研究發(fā)現(xiàn)：蘇州灰霾的小時頻率為30.7%，灰霾等級以輕微灰霾為主，干霾占總灰霾的比例為85.6%.2013年12月灰霾小時頻率最高，達82.3%.灰霾小時頻率有明顯的日變化特征，峰值出現(xiàn)在上午8：00時，達36.3%，14：00～16：00時，灰霾頻率最低，約為25%左右；灰霾期間，PM10、PM2.5、PM1.0和散射系數(shù)分別是非灰霾期間的1.72、2.07、1.88和2.58倍.采用不同的灰霾日標準，蘇州年均灰霾日數(shù)在94～243之間，相差極大.灰霾頻率和氣象條件有密切關系，灰霾頻率最高的相對濕度區(qū)間為70%～80%，重度霾最多出現(xiàn)在90%～95%的相對濕度條件下；隨風速增加，灰霾頻率逐漸下降，在西北風向下，灰霾頻率最大.大氣消光以顆粒物散射消光為主，約占總消光的82%左右，黑碳的吸收消光約占13%左右.

灰霾；蘇州；PM2.5；氣象條件；大氣消光

2013年1月，我國中東部地區(qū)連續(xù)遭受多場長時間、大范圍、高強度的灰霾天氣［1］，2013年12月長江三角洲地區(qū)再次發(fā)生了大范圍、高強度的灰霾天氣，引發(fā)了社會各界對灰霾的強烈關注.高濃度的顆粒物污染會引起能見度惡化［2-3］，從而導致灰霾天氣，頻發(fā)的灰霾天氣對人體健康造成嚴重危害［4-6］，因此引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注.灰霾還會對全球氣候和區(qū)域氣候產(chǎn)生影響［7］，Ding等［8］通過一次灰霾個例研究了灰霾過程對天氣形勢的影響，研究表明灰霾天氣導致到達地面的太陽輻射減少超過70%，感熱減少超過85%，氣溫下降大約10℃，并延遲和增強了南京地區(qū)的降水.

灰霾的成分十分復雜，主要的成分為硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、含碳顆粒、重金屬和地殼物質(zhì)等.Kim等［9］對Seoul和Incheon的細顆粒物特征和對能見度的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同灰霾等級下，PM2.5的濃度相差兩倍，低能見度和上升的硫酸鹽、硝酸鹽及黑碳濃度有很好的對應關系.Huang等［10］通過對上海的灰霾天氣進行觀測，將灰霾性事件分為3種：二次無機灰霾、沙塵灰霾、以及生物燃燒引起的灰霾，并對其成因機制進行了研究.朱彤等［11］提出了大氣復合污染與灰霾形成的概念模型，在模型中增加了一個正反饋機制——大氣顆粒物表面非均相反應在顆粒物表面生成一層吸濕性強的硫酸鹽和硝酸鹽，它們對吸濕性的增強會加速非均相反應、增大顆粒物的消光系數(shù).Jo等［12］研究了韓國首爾和釜山兩個城市的氣象條件對灰霾的影響，將灰霾分為遠距離輸送灰霾與靜止灰霾兩類.吳蒙等［13］研究了廣州地區(qū)灰霾與清潔天氣變化特征及影響因素，曹玲嫻等［14］發(fā)現(xiàn)太原冬季灰霾期間重金屬濃度有顯著上升.

關于灰霾的成分、成因、與氣象條件的關系、數(shù)值模擬等已有大量的研究［15］，也有基于長時間序列的小時資料進行灰霾特征研究［16］，如陳靜等［17］使用2004～2007年廣州地區(qū)逐時氣象資料分析了廣州地區(qū)低能見度事件的年、季和日變化等變化規(guī)律.蘇州是長江三角洲地區(qū)重要城市，經(jīng)濟發(fā)達，灰霾天氣較多，本文利用蘇州近4年的小時觀測資料，對蘇州市灰霾天氣進行了統(tǒng)計分析，分析了蘇州灰霾的基本特征.

1 資料來源與處理

本文所用資料為2010年1月1日至2013年12月31日的PM10、PM2.5、散射系數(shù)、能見度資料和相對濕度等小時觀測資料.資料來源于蘇州市氣象局大氣成分觀測站，該站位于蘇州市區(qū)內(nèi)的蘇州氣象局大樓頂部（經(jīng)度120.63°，緯度31.27°），采樣點屬于蘇州市行政辦公區(qū)，周圍無明顯大氣污染源，視野比較開闊，監(jiān)測數(shù)據(jù)能很好地代表蘇州城市區(qū)域大氣污染水平及其氣象狀況.能見度測量采用的是VAISACA公司的visibility sensor PWD 10/20型能見度儀，測量范圍為0.01～20km；PM10和PM2.5的監(jiān)測采用Thermo Scientific公司的TEOM 1405-DF環(huán)境粒子監(jiān)測儀，該儀器采用先進的真實微量稱重技術，使用采樣接口，同時在線測量PM10、PM2.5的濃度，測量范圍為0～106μg/m3，測量精度為0.1μg/m3，散射系數(shù)采用澳大利亞Ecotech公司的Aurora-1000積分式濁度儀測量，測量范圍為0.25～2000Mm-1，其原理是利用一個漫射光源從側(cè)向照射測量腔體，腔內(nèi)的顆粒物和氣體對入射光產(chǎn)生散射，在光源和檢測器之間用光闌阻隔直射光線，使得只有顆粒物和氣體產(chǎn)生的散射光可以到達檢測器；黑碳的監(jiān)測采用美國MAGEE科技公司研制和生產(chǎn)的AethalometerTM黑碳儀，該儀器利用黑碳氣溶膠對光的吸收特性進行測量，采用透光均勻的石英纖維膜采集樣品，可同時在紫外、可見光和近紅外的7個波長上（370，470，520，590，660，880，950nm）對大氣黑碳氣溶膠進行長期監(jiān)測，本文采用是880nm波長的測量數(shù)據(jù)，測量精度為0.1μg/m3.

在所有監(jiān)測項目中，PM10、PM2.5和黑碳每5min記錄一次數(shù)據(jù)，散射系數(shù)每分鐘記錄1次數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制后，計算得到各監(jiān)測項目的小時平均值.相對濕度是氣象自動站觀測資料，每小時記錄1次數(shù)據(jù)，能見度監(jiān)測也是每小時記錄1次數(shù)據(jù).

2010～2013年共計35064h，其中共有4453h至少缺測1種或多種資料，因此去除這些資料，全部資料齊全的有效小時數(shù)為30611h.

參照《中華人民共和國氣象行業(yè)標準 霾的觀測和預報等級（QX/T 113-2010）》［18］（以下簡稱“標準”），對霾的判識條件是：能見度小于10km，排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙.相對濕度小于80%，判識為霾；相對濕度80%～95%時，按照地面觀測規(guī)范規(guī)定的描述或大氣成分指標進一步判識（“標準”中規(guī)定了霾的3種大氣成分指標，PM2.5濃度限值為75μg/m3，PM1.0濃度限值為65μg/m3，氣溶膠散射系數(shù)與氣溶膠吸收系數(shù)之和的限值為480Mm-1）.按照能見度的高低將灰霾天氣分為4個等級，分別為重度灰霾（能見度小于2km）、中度灰霾（能見度在2～3km之間）、輕度灰霾（能見度在3～5km之間）和輕微灰霾（能見度在5～10km之間）.

2 結(jié)果與分析

2.1 灰霾統(tǒng)計結(jié)果

在總有效觀測小時30611h中，灰霾小時數(shù)為9395h，出現(xiàn)頻率為30.7%，相當于蘇州有大約1/3的時間處于灰霾控制之中，其中各等級灰霾頻率見表1.總體而言，蘇州灰霾的等級并不高，輕微灰霾出現(xiàn)頻率最高，為18.4%，中度和重度灰霾出現(xiàn)頻率僅為2.8%和2.2%.將相對濕度低于80%的灰霾定義為“干霾”，將相對濕度在80%～95%之間的灰霾定義為“濕霾”，干霾受高濕度條件下的氣溶膠吸濕性增長的影響較小，而濕霾則受到高相對濕度的顯著影響.蘇州灰霾以干霾為主，頻率為26.3%，占灰霾小時數(shù)的85.6%，濕霾頻率為4.4%，占灰霾小時數(shù)的14.4%.在共計9395h的灰霾中，輕微、輕度、中度和重度灰霾的比例分別為60.1%、23.8%、9.1%和7.0%.

表1 蘇州2010～2013年小時灰霾頻率Table 1 Hourly haze frequency of Suzhou from 2010 to 2013

2.2 灰霾頻率的時間變化特征

圖1是4年期間月均灰霾頻率的變化，除2013年12月以外，總體上灰霾頻率呈下降趨勢，但2013年12月，中國東部尤其長江三角洲地區(qū)發(fā)生大范圍長時間灰霾現(xiàn)象，蘇州灰霾頻率達82.3%.2013年7～10月，灰霾發(fā)生頻率分別為0.7%、0%、2.5%和0.2%，尤其是2013年8月，灰霾出現(xiàn)頻率為0，為4年來最干凈的月份，這個月PM10和PM2.5的平均值為77.2和40.1μg/m3，月平均散射系數(shù)僅為183.8Mm-1.在灰霾頻率最高的2013年12月，PM10、PM2.5和PM1.0的月平均值達144、87.7和56.2μg/m3，月平均散射系數(shù)和能見度分別為642.3Mm-1和5.2km.灰霾的月變化特征總體上冬季高，夏季低，這主要是因為冬夏的氣象特征差異造成的，夏季混合層高，降雨量大，有利于污染物的擴散和濕清除.

圖1 灰霾頻率的月變化特征Fig.1 The monthly variation of haze frequency

圖2 是4年平均的灰霾頻率日變化，灰霾頻率峰值出現(xiàn)在上午8：00，達36.3%，這主要是由交通早高峰引起的，從8：00起，隨氣溫上升，混合層抬升，污染物濃度下降，導致能見度也逐漸好轉(zhuǎn)，灰霾頻率也逐漸下降，在午后14：00～16：00時，灰霾頻率最低，約為25%左右，隨后又逐漸增加，在夜間，23：00～6：00時，灰霾頻率一直維持在較高的水平上，大約為33%.

圖2 灰霾頻率的日變化特征Fig.2 The daily variation of haze frequency

2.3 不同灰霾等級下污染物濃度

灰霾是由顆粒物污染引起的能見度下降現(xiàn)象，灰霾期間，污染物濃度較高，對人體健康影響極大，表2給出了晴天非灰霾和各等級灰霾期間的顆粒物濃度和散射系數(shù)等.

表2 不同灰霾等級下污染物濃度Table 2 Pollutant concentrations of different haze grade

灰霾期間，PM10、PM2.5和PM1.0分別是非灰霾期間的1.72、2.07和1.88倍，灰霾期間散射系數(shù)則是非灰霾的2.58倍，隨顆粒物濃度增加，灰霾等級也逐步增加，其中PM2.5濃度的增加起更重要的作用，重度灰霾期間PM10、PM2.5和PM1.0分別是非灰霾期間的2.48、3.51和2.67倍，PM2.5增加最大.隨灰霾等級提高，PM2.5在PM10中所占比例也從非灰霾期間的0.49逐步增加到重度灰霾期間的0.68，說明細粒子對灰霾起了更大的作用，但蘇州四年平均的PM2.5/PM10比值為52.8%，低于北京［19］、上海［20］、天津［21］、廣州［22］、杭州［23］，說明蘇州氣溶膠中粗粒子仍占有相當大比例，這可能和近幾年蘇州地鐵等城市建設導致的地表揚塵增加有關.

2.4 灰霾日標準討論

2010年6月1日頒布的中國氣象行業(yè)標準“霾的觀測和預報等級”［14］中并沒有對霾日做明確定義，目前國內(nèi)關于霾日的定義并不統(tǒng)一，各地采用不同的霾日標準得出的霾日數(shù)完全沒有可比性，在霾日的歷史變化分析中，早期器測資料缺乏也使得霾日的歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)在的霾日數(shù)缺乏可比性，為了解不同霾日標準造成的霾日統(tǒng)計結(jié)果差異，本文給出了不同霾日標準下的蘇州霾日數(shù).

標準1：即單次值法［24］，1d中只要有1h為灰霾，該日即為霾日，霾日等級用該日最嚴重的小時灰霾等級表示.這是參考氣象上關于降水日、雷暴日的統(tǒng)計方法（氣象上定義只要1d中觀測到降雨或雷暴，該日即為降雨日或雷暴日），霾日的標準1是最嚴格的標準，這種統(tǒng)計方法不能反映1d中灰霾的平均狀況，只能反映1d中最嚴重的灰霾狀況.

標準2：如果1d中有持續(xù)時間3h及以上的灰霾，該日即為灰霾日.長江三角洲部分城市的氣象部門業(yè)務采用該標準.

標準3：采用日均值定義［3］，參考中國氣象行業(yè)標準“霾的觀測和預報等級”［14］中霾的定義，如果日平均能見度小于10km，日平均相對制度小于80%，則判識為灰霾日，如日平均能見度小于10km，日平均相對制度在80%～95%之間，則進一步根據(jù)日平均顆粒物濃度判識是否為灰霾日.這種標準能反映平均的灰霾狀況，但會忽略一天中短時間的灰霾現(xiàn)象.

根據(jù)上述3個常用標準判定的霾日分別記為霾日1、霾日2和霾日3.

圖3 不同標準下蘇州2010～2013年年均灰霾日數(shù)Fig.3 Mean annual haze days of Suzhou from 2010 to 2013 under different standard

不同標準下的霾日數(shù)見圖3，可見3種標準下霾日數(shù)相差極大，按標準1、標準2和標準3分別統(tǒng)計，蘇州年均霾日分別為243d、190d和94d.尤其是重度霾日數(shù)相差最大，按標準1統(tǒng)計，重度霾日達33d，而按標準3統(tǒng)計，重度霾日僅有2d.這是因為日均能見度小于2km（標準3的重度霾標準）極為罕見，通常是一天中少數(shù)時間達到重度霾標準.總體而言，標準1太嚴格，完全不考慮日平均狀況，標準3太寬松，只考慮日平均狀況，完全不考慮個別時間出現(xiàn)灰霾的現(xiàn)象，同民眾的觀感不符，標準2則介于兩者之間，較為可取.

2.5 灰霾和氣象條件的關系

在城市地區(qū)，如果污染源排放沒有較大的變化，氣象條件是決定污染物濃度的關鍵因子，氣象因素和污染物濃度的關系比較復雜，如風速較大，一般有利于污染物的擴散，但在北方受沙塵影響較大的區(qū)域，大風天氣容易引起地表揚塵，高溫天氣能促進混合層發(fā)展，使污染物垂直擴散能力增強，因此一般在午后氣溫較高時，PM10和PM2.5等污染物濃度較低，但高溫天氣又有利于光化學反應進行，從而使O3等二次污染物濃度增加.本文利用長達4年的蘇州污染物濃度和氣象條件的小時資料，分析了污染物濃度和氣象條件之間的相關關系（表3），表中結(jié)果全部通過置信度為0.95的檢驗.

顆粒物與散射系數(shù)的相關系數(shù)較高，其中散射系數(shù)與PM2.5的相關性高于與PM10和PM1.0的相關性，顆粒物濃度與能見度呈顯著負相關，其中PM2.5與能見度的相關性最好，為-0.55.相對濕度（RH）與顆粒物濃度及散射系數(shù)的相關性很小，但與能見度呈顯著負相關關系，相關系數(shù)為-0.36，這是因為氣溶膠在高相對濕度條件下，有較強的吸濕性增長，使大氣散射能力增強，從而降低能見度.氣溫與能見度的相關系數(shù)達0.35，一般在氣溫較高的午后和夏季，能見度較好，灰霾的發(fā)生頻率也較低.風速與顆粒物濃度呈負相關，與能見度呈正相關，但相關系數(shù)都不大，低于其他城市的結(jié)果［25］.氣壓與顆粒物濃度及散射系數(shù)呈正相關，與能見度呈負相關，這是因為高壓控制時多靜穩(wěn)天氣，不利于污染物擴散，低壓時常有大風、降雨等天氣，有利于污染物的擴散和清除，氣壓和能見度的相關性高于濕度、氣溫和風速與能見度的相關性.

表3 污染物和氣象條件的相關系數(shù)Table 3 The correlation coefficient between pollutant and meteorological condition

表4是不同風向和風速條件下的灰霾頻率，總體而言，風速越低，灰霾發(fā)生頻率越高，在風速＜1.0m/s，灰霾頻率平均為44.4%，而在風速3.0～4.0m/s和5.0～6.0m/s的風速區(qū)間中，灰霾的頻率則下降為26.2%和17.2%，低風速情況下的各風向灰霾頻率相差不大，這時灰霾產(chǎn)生的主要原因在于污染物的本地排放，低風速使污染物不易擴散.在風速較高時，不同風向下灰霾頻率相差顯著，如風速＞7m/s時，東風、東南風、南風和西南風下的灰霾頻率為0，而即使風速＞8m/s，北風和西北風下的灰霾頻率仍達到28.6%和30.9%.西北風是最不利的風向，此時蘇州位于長江三角洲重要城市南京、鎮(zhèn)江、常州、無錫的下風向，這些城市污染物的遠距離輸送可能對蘇州造成重要影響，另外西北風多出現(xiàn)在冬季，冬季較低的混合層高度和較多的逆溫現(xiàn)象也是灰霾頻率較大的重要原因.比較準確地確定外來污染物輸送對蘇州灰霾的影響，需要進一步的研究，但一般認為低風速下的灰霾以局地影響為主，高風速下的灰霾以外來輸送為主，那么蘇州灰霾仍以局地污染物排放為主要成因.

礦區(qū)內(nèi)地層傾向，由北而南，總的作北北東、北東東、南東東、(最南端又略轉(zhuǎn)為北東東)的逐漸變化。傾角一般較緩(<30°)，并由南西向北東地層遞次變新，構(gòu)成了較明顯的向北東傾伏之背斜轉(zhuǎn)折構(gòu)造，幅向呈北東-南西，即為三峰庵—內(nèi)招溪背斜的一部分。因礦區(qū)處于背斜的南東翼，地層剛大體作近東緩傾斜的單斜產(chǎn)狀。

表4 不同風向和風速下灰霾頻率（%）Table 4 Haze frequency of different wind speed and wind direction（%）

相對濕度（RH）對灰霾有重要影響，細粒子中的二次無機氣溶膠硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽有較強的吸濕性，在相對濕度較大時的吸濕性增長過程能顯著降低能見度，從不同相對濕度區(qū)間的灰霾頻率看（圖4），重度霾最多出現(xiàn)在RH在90%～95%的情況下，即重度霾以濕霾為主，但是圖4顯示，并非相對濕度越大，灰霾頻率就越高，灰霾頻率最高的相對濕度區(qū)間為70%～80%.

圖4 不同相對濕度區(qū)間的灰霾頻率Fig.4 Haze frequency of different relatively humidity range

2.6 大氣成分對消光的貢獻

圖5 不同季節(jié)大氣各成分的消光比例Fig.5 The contribution rate to the extinction coefficients of the main species

能見度下降是大氣消光增加所致，對大氣消光有貢獻的主要包括顆粒物的散射消光、空氣分子的散射消光、黑碳（BC）的吸收消光和NO2的吸收消光，根據(jù)其質(zhì)量濃度可以估算各成分的消光貢獻.顆粒物散射消光直接測量得到，BC吸收消光為extBC=10×BC（ug/m3）；空氣分子散射消光估計為常數(shù)10Mm-1；NO2吸收消光為extNO2= 0.174×NO2（ug/m3）；大氣總消光系數(shù)為這四者之和［26］.

圖5為按照前述方法估算的不同季節(jié)各成分對大氣消光的貢獻.總體來看，各季節(jié)空氣分子散射消光和NO2吸收消光變化不大，二者之和大約為4%左右，顆粒物散射消光約在82%左右，黑碳的吸收消光約占13%左右.秋冬季顆粒物散射消光比例較高，而夏季黑碳吸收消光比例較高，達到15.17%.劉新罡等［27］估計廣州的氣溶膠消光占總消光的90%左右，與本文中的估計基本一致.

3 結(jié)論

3.1 蘇州灰霾的小時頻率為30.7%，灰霾等級已輕微灰霾為主，小時頻率為18.4%，輕度灰霾頻率為7.3%，中度和重度灰霾出現(xiàn)頻率僅為2.8%和2.2%.蘇州灰霾以干霾為主，頻率為26.3%，濕霾頻率4.4%，占總灰霾的比例分別為85.6%和14.4%.

3.2 灰霾的月變化特征總體上是冬季高，夏季低，除2013年12月以外，總體上灰霾頻率呈下降趨勢，2013年12月，蘇州灰霾頻率最高，達82.3%.

3.3 灰霾小時頻率有明顯的日變化特征，峰值出現(xiàn)在上午8：00，達36.3%，14：00～16：00時，灰霾頻率最低，約為25%左右，隨后又逐漸增加，在夜間，23：00～6：00時，灰霾頻率一直維持在較高的水平上，大約為33%.

3.5 采用不同的灰霾日標準，蘇州年均灰霾日數(shù)在94～243d之間，相差極大.

3.6 灰霾頻率和氣象條件有密切關系，灰霾頻率最高的相對濕度區(qū)間為70%～80%，重度霾最多出現(xiàn)在90%～95%的相對濕度條件下；隨風速增加，灰霾頻率逐漸下降，在西北風向下，灰霾頻率最大.

3.7 大氣消光以顆粒物散射消光為主，約占總消光的82%左右，黑碳的吸收消光約占13%左右.

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致謝：感謝南京大學高性能計算中心提供數(shù)值計算方面的技術支持.

Observation and analysis of haze characteristics in Suzhou based on automatic station data.

LIU Hong-nian1*， ZHU Yan2， LIN Hui-juan2， WANG Xue-yuan1（1.School of Atmospheric Sciences， Nanjing University， Nanjing 210023， China；2.Suzhou Meteorological Service， Suzhou 215131， China）. China Environmental Science， 2015，35（3）：668～675

The characteristics of haze weather in Suzhou were analyzed based on the hourly data from 2010 to 2013. The results show that the hourly frequency of haze is 30.7% （mostly slight haze）， with the maximum haze frequency of 82.3% which is occurred in December of 2013. The ratio of dry haze to total haze is 85.6%. The hourly haze frequency shows obviously daily variation， the peak at 08：00a.m. can reach 36.3%，and the minimum at 14：00～16：00p.m. is approximately 25%. During the haze time， the values of PM10， PM2.5， PM1.0and scatter coefficient are 1.72， 2.07， 1.88 and 2.58 times of that in no-haze time. The average haze day is in the range of 94 to 243 of one year because of the different standard for haze day. The meteorological conditions have significant influence on the haze frequency. When the relatively humidity is in the range of 70%～80%， the haze frequency is the biggest， but heavy haze are often occurred in the relatively humidity range of 90%～95%. Haze frequency of NW wind direction is the biggest and decrease gradually with the increase of wind speed. Particle scattering extinction is the most part of atmospheric extinction and accounted for about 82% ， followed by absorption extinction of black carbon which is 13%.

haze；Suzhou；PM2.5；meteorological condition；atmospheric extinction

X131.1

A

1000-6923（2015）03-0668-08

劉紅年（1968-），男，東蘇阜寧人，教授，博士，主要從事城市氣象研究、氣溶膠等方面研究.發(fā)表論文80余篇.

2014-07-26

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃（973）項目（2014CB441203）；公益性行業(yè)科研專項（GYHY201206011）

* 責任作者， 教授， liuhn@nju.edu.cn