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        廊坊市不同等級(jí)霾日氣象條件異同特征分析

        2018-12-26 12:01:00秦云苗郭立平張衛(wèi)中閆利霞
        四川環(huán)境 2018年6期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速

        秦云苗, 郭立平, 張衛(wèi)中, 閆利霞, 單 琨 , 聞 靜

        (1.河北省廊坊市氣象局,河北 廊坊 065000;2.河北省霸州市氣象局,河北 霸州 065700;3.廊坊市環(huán)保局,河北 廊坊 065000)

        1 前 言

        中國(guó)氣象局地面氣象觀測(cè)規(guī)范[1]規(guī)定:霾是大量極細(xì)微的干塵粒均勻浮游空中,使水平能見度小于10.0km,空氣普遍混濁的現(xiàn)象。近年來(lái),隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,霾的問題日趨嚴(yán)重。霾天氣特別是重度霾可導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降,引發(fā)交通事故,造成航班延誤、高速公路封閉[2~4]。此外,霾中含有的有毒有害物質(zhì)還會(huì)引發(fā)鼻炎、支氣管炎、肺炎甚至肺癌等呼吸道疾病[5-6]。霾的形成、分布與影響已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注,一些專家學(xué)者從多方面對(duì)霾進(jìn)行了研究,其中,吳兌[7-8]從云霧滴特征、相對(duì)濕度及能見度等方面討論了城市霾與霧的區(qū)別,提出了區(qū)分霧與霾的建議,并建立了霧與霾區(qū)分的概念模型。段再明[9]分析了秋冬季霧霾天氣形成的氣象條件。高歌[10]對(duì)1961~2005年中國(guó)霾的時(shí)空分布?xì)夂蛱卣鳌⒆兓厔?shì)作了詳細(xì)分析。

        廊坊市地處華北平原中東部(39.5°N,116.7°E,海拔13.7m),位于京、津兩大直轄市之間,處于霾的高發(fā)區(qū)[11]。近年來(lái)隨著城市化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,能見度惡化事件頻發(fā),霾日發(fā)生頻率呈增多趨勢(shì)[12],準(zhǔn)確預(yù)報(bào)霾天氣,為政府、公眾提供信息服務(wù),具有十分重要的意義。目前科研工作者對(duì)廊坊市霾天氣進(jìn)行了一些研究,主要集中在霾的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的探討[13]及霾的時(shí)空分布特征方面,但對(duì)不同等級(jí)霾天氣發(fā)生時(shí)的各氣象要素條件缺乏深入分析。本文針對(duì)上述研究?jī)?nèi)容欠缺部分,深入分析不同季節(jié)各級(jí)別霾日氣象要素分布特征,進(jìn)而為科學(xué)有效地預(yù)測(cè)霾提供依據(jù)。

        2 資料和方法

        本文選用廊坊市氣象站2013~2015年地面常規(guī)觀測(cè)資料及環(huán)保部門的PM2.5資料進(jìn)行分析。霾的觀測(cè)與分級(jí)以QXT113-2010《霾的觀測(cè)與預(yù)報(bào)等級(jí)》[14]中對(duì)霾的判別條件為準(zhǔn),根據(jù)能見度標(biāo)準(zhǔn)將霾分為輕微、輕度、中度和重度四個(gè)級(jí)別,對(duì)應(yīng)的能見度標(biāo)準(zhǔn)分別為:5.0km≤V<10.0km、3.0km≤V<5.0km、2.0km≤V<3.0km、V<2.0km。季節(jié)按 3~5月為春季,6~8月為夏季,9~11月為秋季,12月、1~2月為冬季統(tǒng)計(jì)。

        3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

        3.1 各級(jí)別霾日的季節(jié)分布特征

        2013~2015年廊坊市共出現(xiàn)550個(gè)霾日,其中輕微霾340d,占全部霾日的61.8%,輕度霾97d,占17.6%,中度霾69d,占12.5%,重度霾44d,占8.0%。重度霾出現(xiàn)最少,輕微霾最多。表1為各級(jí)霾日的季節(jié)分布情況,可見各級(jí)霾的季節(jié)分布略有差異,輕微霾以夏季最多,輕度、中度霾以秋季最多,重度霾以冬季最多,除輕微霾秋季最少外,其余各級(jí)均以春季最少,重度霾春季未出現(xiàn)。 造成這種分布特征的主要原因是廊坊市四季分明、生態(tài)環(huán)境相差較大,春季風(fēng)速在一年四季中是最大的,利于空氣污染物擴(kuò)散,冬季降水日數(shù)少,生態(tài)環(huán)境脆弱、加上人類生活影響,如冬季取暖等,不利于空氣流動(dòng)和污染物擴(kuò)散,而夏季、秋季降水日數(shù)多,特別夏季降水量是一年中最多的季節(jié),降水天氣對(duì)空氣污染物沉降、稀釋有一定作用,也由于空氣濕度較其余季節(jié)大,因此是輕微霾及輕、中度霾易發(fā)的季節(jié)。

        表1 2013~2015年廊坊市各級(jí)別霾日季節(jié)分布Tab.1 The seasonal distribution of each levels of haze days in Langfang city in 2013 ~ 2015 (d)

        3.2 各級(jí)別霾日的氣象要素異同特征分析

        統(tǒng)計(jì)2013~2015年廊坊霾日的氣象要素條件發(fā)現(xiàn)(表2),當(dāng)廊坊地區(qū)霾發(fā)生時(shí),日平均氣溫在6.0℃~14.7℃,日平均氣壓為1 013.3 hPa~1 019.2 hPa,日平均相對(duì)濕度為61%~82%,日

        平均風(fēng)速在1.43~1.6 m/s,各級(jí)別霾的日平均風(fēng)速均在3級(jí)以下,日平均日照時(shí)數(shù)為2.2~6.1h,各級(jí)別霾日無(wú)降水日數(shù)占比最多,降水有利于污染物的擴(kuò)散,不利于霾的生成。

        3.2.1 霾日的日平均氣溫特征

        表2 2013~2015年廊坊市各級(jí)別霾日平均氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速及日照時(shí)數(shù)分布Tab.2 The daily mean temperature、relative humidity、air pressure、wind speed and sunshine hours of all levels of haze days in langfang city in 2013 ~ 2015

        從表2可知,隨著霾級(jí)別的加重,日平均氣溫呈逐步降低的趨勢(shì)。以輕微霾為最高,重度霾為最低,最高最低相差達(dá)8.7℃。

        由于霾具有較強(qiáng)的季節(jié)性,對(duì)不同季節(jié)各級(jí)別霾日的日平均溫度與相應(yīng)季平均溫度進(jìn)行對(duì)比(圖1),可知,各季節(jié)不同級(jí)別霾日氣溫的分布特點(diǎn)不盡相同。春季各級(jí)霾日平均氣溫均低于季平均值,較低的氣溫利于霾的發(fā)生;夏季的輕、中度霾低于季平均值,而輕微和重度霾則高于季平均值;秋季除輕微霾高于季平均值,其余均偏低;冬季除輕度霾低于平均值外,其余均偏高,冬季較高的氣溫利于霾的發(fā)生。重度霾時(shí),其日平均氣溫接近相應(yīng)季節(jié)的季平均氣溫,輕微及中度霾則與季平均氣溫相差較大,輕度霾與季平均氣溫相差最大。

        圖1 2013~2015年各級(jí)別霾日的日平 均溫度與季平均溫度的對(duì)比Fig.1 The comparison between the daily mean temperature of different levels of haze days and the seasonal average temperature in 2013 ~ 2015

        3.2.2 各級(jí)別霾日平均相對(duì)濕度特征

        從表2的相對(duì)濕度的分布可看出,隨著霾級(jí)別的加重,日平均相對(duì)濕度呈逐步增加的趨勢(shì)。以重度霾為最大,輕微霾為最小,二者最大相差21%。

        圖2為各級(jí)霾日季平均相對(duì)濕度與相應(yīng)季平均值的對(duì)比圖,同樣可以看出,各季節(jié)隨著霾級(jí)別的加重,平均相對(duì)濕度呈逐步上升的趨勢(shì)。春季:各級(jí)別霾日分別較季平均值偏高9%、17%和22%;夏季:各級(jí)別霾日分別較季平均相對(duì)濕度偏高2%、12%、17%和20%;秋季:輕微霾日相對(duì)濕度與季平均值相同,其余各級(jí)別霾日分別較季平均值偏高10%、15%和17%;冬季:各級(jí)別霾日分別較季平均值偏高2%、15%、27%和29%。由此可知各級(jí)別霾日的平均相對(duì)濕度,除秋季輕微霾日與季平均值相同外,均高于相應(yīng)季的季平均值。這一結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了高濕條件有利于重度霾的形成,與吳兌關(guān)于高濕度是在高濃度氣溶膠基礎(chǔ)上形成嚴(yán)重灰霾的必要條件[15]相一致。

        圖2 2013~2015年各級(jí)別霾日日平均相對(duì) 濕度與季平均相對(duì)濕度的對(duì)比Fig.2 The comparison between daily mean relative humidity of different levels of haze days and the seasonal average relative humidity in 2013 ~ 2015

        3.2.3 各級(jí)別霾日平均氣壓特征

        從表2的日平均氣壓的分布可知,隨著霾級(jí)別的加重,日平均氣壓呈逐步升高的趨勢(shì)。以輕微霾為最低,重度霾為最高,最高最低氣壓相差達(dá)5.9hPa。

        進(jìn)一步按季節(jié)分析發(fā)現(xiàn)(圖3),除春季和冬季的輕度霾,夏季的輕微霾以及秋季的中度霾高于相應(yīng)季平均氣壓外,其它各級(jí)別霾日的平均氣壓均低于相應(yīng)季的平均值,尤其以重度霾偏低的程度最大,這說(shuō)明較低的氣壓利于重度霾的發(fā)生。

        圖3 2013~2015年各級(jí)別霾日的日平均 氣壓與季平均氣壓的對(duì)比Fig.3 The comparison between daily mean air pressure of different levels of haze days and the seasonal average air pressure in 2013 ~ 2015

        3.2.4 各級(jí)別霾日平均風(fēng)速特征

        從表2的日平均風(fēng)速分布可知,隨著霾級(jí)別的加重,日平均風(fēng)速大致呈減小的趨勢(shì),以輕微霾為最大,中度霾為最小,二者僅相差0.17 m/s。

        按《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》風(fēng)力等級(jí)表[1]中的風(fēng)速范圍值,對(duì)各級(jí)霾日對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),在全部550d霾日中,1級(jí)風(fēng)占了319d,其次是2級(jí)風(fēng)220d,3級(jí)風(fēng)11d,無(wú)4級(jí)及以上的風(fēng)速出現(xiàn),見表7。重度霾發(fā)生時(shí),風(fēng)速為1級(jí)的天數(shù)占了全部重度霾日數(shù)的75%,中度霾占了其總?cè)諗?shù)的72%,輕度霾占了其總?cè)諗?shù)的60%,輕微霾占其總數(shù)的52%??梢?,近地層長(zhǎng)期小風(fēng)速有利于霾的形成和維持[16],隨著風(fēng)速增大,大氣輸送能力增強(qiáng),大氣中污染物易被驅(qū)散而不利于霾天氣的形成[17-18](見表3)。

        表3 2013~2015年廊坊市各級(jí)別霾日不同級(jí)別風(fēng)速的分布Tab.3 The different wind speed levels distribution in different levels of haze days in Langfang city in 2013 ~ 2015 (d)

        進(jìn)一步按季節(jié)分析發(fā)現(xiàn)(圖4),各季節(jié)所有級(jí)別霾日的平均風(fēng)速均小于同季的季平均風(fēng)速,且以重度霾偏小最多,進(jìn)一步說(shuō)明了較小的風(fēng)速利于霾的形成;以春季的平均風(fēng)速及各級(jí)霾日的平均風(fēng)速為最大,較大的風(fēng)速使得春季成為一年中霾日最少的季節(jié)。進(jìn)一步分析冬季重度霾日平均風(fēng)速,發(fā)現(xiàn)2013年2月6日、17日、28日和2015年1月26日的值明顯大于重度霾冬季的平均值,這幾日均為夜間出現(xiàn)重度霾,上午9時(shí)后冷空氣南下,使日平均風(fēng)速偏大,從而不能代表霾發(fā)生時(shí)的實(shí)際風(fēng)速,冬季重度霾期間實(shí)際平均風(fēng)速是小于此統(tǒng)計(jì)值(1.6m/s),重度霾的實(shí)際平均風(fēng)速應(yīng)小于其它級(jí)別。

        圖4 2013~2015年各級(jí)別霾日平 均風(fēng)速與季平均風(fēng)速的對(duì)比Fig.4 The comparison between daily mean wind speed of different levels of haze days and the seasonal average wind speed in 2013 ~ 2015

        3.2.5 各級(jí)別霾日的日照時(shí)數(shù)特征

        從表2的日平均日照時(shí)數(shù)分布可知,隨著霾級(jí)別的加重,日平均日照時(shí)數(shù)呈逐步減少的趨勢(shì)。以輕微霾為最多,重度霾最少,兩者相差達(dá)3.9h。

        進(jìn)一步按季節(jié)分析發(fā)現(xiàn)(圖5),各級(jí)霾日平均日照時(shí)數(shù)在各季均低于相應(yīng)的季平均值,且均以輕微霾日照時(shí)數(shù)最多,除春季輕度霾最少外,其余各季均為中度霾日照時(shí)數(shù)最少。霾與日照時(shí)數(shù)的關(guān)系密切,二者是互為因果的關(guān)系,一方面隨著空氣中污染物的增加,導(dǎo)致能見度降低,從而減少了日照時(shí)數(shù),另一方面,日照有助于增加空氣中細(xì)顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度,促進(jìn)污染物的擴(kuò)散,從而使霾減弱。

        圖5 2013~2015年各級(jí)別霾日的日平均日照 時(shí)數(shù)與季平均日照時(shí)數(shù)的對(duì)比Fig.5 The comparison between daily mean sunshine hours of different levels of haze days and the seasonal average sunshine hours in 2013 ~ 2015

        3.2.6 各級(jí)別霾日降水特征

        分析各級(jí)霾日的降水分布情況(表4),可知無(wú)降水的霾日最多,其中輕微霾的無(wú)降水日為281d,占輕微霾總數(shù)的82.6%,輕度霾為75d,占77.3%,中度霾為49d,占71.0%,重度霾為34d,占77.3%。按照GB/T 28592-2012《降水量等級(jí)》[19]中降水等級(jí)的規(guī)定進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),各級(jí)霾

        日的小雨日數(shù)按上述順序依次為:44d、13d、13d、3d,分別占相應(yīng)級(jí)別霾日的12.9%,13.4%,18.8%,6.8%。中雨日數(shù)分別為:7d、2d、2d、1d,分別占2.1%,2.1%,2.9%,2.3%。大雨日數(shù)分別為:3d、4d、2d、0d,分別占比0.9%,4.1%,2.9%和0%。暴雨只在輕微霾日出現(xiàn)1次,占其總數(shù)的0.3%。小雪的各級(jí)日數(shù)分別為:4d、3d、1d、5d,分別占比1.2%,3.1%,1.4%,11.4%。中雪只在中度霾期間出現(xiàn)2次,占比2.1%。大雪只在重度霾期間出現(xiàn)1次,占比2.3%。

        在有降水的各級(jí)別霾日中,除重度霾外,其余級(jí)別均為小雨占比最多,平均占比13.0%。各級(jí)霾日中雨及以上降水日平均占比4.4%。固態(tài)降水日數(shù)則占全部霾日的2.9%,其中重度霾固態(tài)降水達(dá)6次,占其總?cè)諗?shù)的13.6%,這與重度霾主要出現(xiàn)在冬季有關(guān)。各級(jí)霾日中較大級(jí)別的降水占比較小這一事實(shí),說(shuō)明降水有利于污染物的擴(kuò)散,對(duì)霾的生成不利。

        表4 2013~2015年廊坊市各級(jí)別霾日不同等級(jí)降水日數(shù)Tab.4 The different precipitation levels distribution in different levels of haze days in Langfang city in 2013 ~ 2015 (d)

        對(duì)降水量超過5.0mm的霾日資料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),霾日出現(xiàn)較大降水有以下兩種情況:⑴霾出現(xiàn)在降水過程之前或之后,而在降水期間能見度并未達(dá)到相應(yīng)級(jí)別霾的標(biāo)準(zhǔn);⑵霾出現(xiàn)在降水過程中,但降水強(qiáng)度較小,對(duì)空氣中污染物的沖刷作用不大,且全天持續(xù)出現(xiàn)偏東或偏南風(fēng)[20],造成污染物遠(yuǎn)距離持續(xù)輸送,使能見度降低,這也是廊坊地區(qū)降水日出現(xiàn)污染的一個(gè)不可忽視的特點(diǎn)。

        4 結(jié) 論

        4.1 廊坊市各級(jí)別霾日有明顯的季節(jié)性,重度霾多出現(xiàn)在冬季,中度和輕度霾秋季出現(xiàn)最多,而輕微霾則主要出現(xiàn)在夏季。

        4.2 重度霾發(fā)生時(shí),日平均氣溫接近相應(yīng)季節(jié)的季平均氣溫;與同季節(jié)其它級(jí)別霾日相比重度霾日平均氣壓為最低,各季節(jié)也均低于相應(yīng)季節(jié)的季平均值,地面低氣壓場(chǎng)利于重度霾的形成。

        4.3 各級(jí)別霾的平均相對(duì)濕度值均高于相應(yīng)季平均值,且以重度霾高出平均值為最多。各級(jí)別霾的日平均風(fēng)速均在3級(jí)以下,重度霾的平均風(fēng)速小于同季節(jié)其它級(jí)別霾日的風(fēng)速,各季節(jié)所有級(jí)別的霾的平均風(fēng)速均小于同季節(jié)的季平均風(fēng)速。

        4.4 霾對(duì)日照的影響明顯,隨著霾的嚴(yán)重程度的加深,日照時(shí)數(shù)明顯減少;各級(jí)別霾日無(wú)降水日數(shù)占比最多,總體看降水有利于污染物的擴(kuò)散,不利于霾的生成。

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