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(xù)霾事件特征及環(huán)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(zāi)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(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610225；4.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)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(xù)霾事件(定義為連續(xù)3d及以上有煙幕或霾發(fā)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(huán)流場特征進行研究.結(jié)果表明:1981~2016年四川盆地持續(xù)霾事件的年平均日數(shù)呈增加趨勢,持續(xù)霾事件日數(shù)占霾總?cè)諗?shù)的百分比與霾總?cè)諗?shù)增加趨勢較為一致,霾總?cè)諗?shù)的增加主要是由持續(xù)霾事件的增加引起的.四川盆地持續(xù)霾事件的空間分布不均勻,與霾日數(shù)的大值區(qū)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(xù)霾事件多發(fā)區(qū)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(huán)流場發(fā)現(xiàn),霾事件偏多(少)年時段,四川盆地處于暖(冷)高(低)壓大值區(qū)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(jié)構(gòu),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(nèi)(利于污染物的擴散),造成霾天氣的維持(消散).

四川盆地；持續(xù)霾事件；環(huán)流特征

霾是發(fā)生在大氣近地層中,使能見度降低、空氣質(zhì)量變差、給交通和人體健康帶來危害的災(zāi)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(guān)注重點.國內(nèi)外學(xué)者對霾天氣的氣候特征進行了相關(guān)研究,我國霾日數(shù)東部地區(qū)多,西部地區(qū)少,霾天氣主要發(fā)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(shù)呈增加趨勢,且多發(fā)生在冬季[8-10].國外學(xué)者Vautard等[11]分析發(fā)現(xiàn),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(jīng)濟的迅速發(fā)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(qū)域傳輸是造成城市霾天氣發(fā)生的主要原因,風(fēng)速、相對濕度等大尺度氣象條件的變化與霾的發(fā)生關(guān)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(fēng)、北極海冰以及西北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫均是影響霾頻發(fā)的重要因子[14-18].

四川盆地主要是盆周山地,盆內(nèi)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(fā),春、夏季較少,同時也是我國四大霾區(qū)之一[21],盆地大氣層結(jié)穩(wěn)定,易出現(xiàn)逆溫和靜風(fēng)現(xiàn)象,不利于霾的擴散.盆地內(nèi)包括成都、自貢等共有17個城市,區(qū)域內(nèi)人口密度大,機動車保有量高,工業(yè)發(fā)展快[19].大量能源消耗以及人為排放的污染物導(dǎo)致盆地的空氣質(zhì)量在過去幾十年持續(xù)惡化[20].此外,不同于其他地區(qū),四川盆地霾天氣氣象成因復(fù)雜[21],特殊的環(huán)流形勢、高濕度、低風(fēng)速以及逆溫共同造成霾天氣頻發(fā)[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(nèi)聚集不易擴散[28-29],高排放量是盆地霾天氣發(fā)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(shù)的特征及其成因進行分析,對四川盆地持續(xù)霾事件的研究多集中在針對單個事件的分析,對持續(xù)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(xù)霾事件的特征及成因.因此針對四川盆地持續(xù)霾事件的特征以及可能與之聯(lián)系的環(huán)流進行深入研究,以期為霾的預(yù)測研究提供理論依據(jù).

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(xiàn)象觀測資料,氣候態(tài)取1981~2010年共30a平均值,所有資料均經(jīng)過了四川省氣象信息中心的質(zhì)控檢驗.環(huán)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(dāng)年12月~次年2月.

由于四川特殊的地理特征,導(dǎo)致霾天氣一般出現(xiàn)在盆地,加之霧天氣現(xiàn)象發(fā)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(jié)合四川特殊的地理原因,利用改進后的關(guān)于霾日歷史資料判別方法進行統(tǒng)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(xiàn)象的基礎(chǔ)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(xù)1/4(含)以上定時觀測時次判別為霾,則該日記為霾日.當(dāng)霾跨日界持續(xù)時間長達1/4(含)定時時次以上,但日界前(或后)持續(xù)時長不足1/4定時時次且大于1/8定時時次,則相應(yīng)的上跨日(或下跨日)記為霾日[25,31]

根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《霾的觀測和預(yù)報等級》(QX/T-2010)[2],從有煙幕或霾發(fā)生到結(jié)束,稱為一次霾事件;將連續(xù)3d及以上有煙幕或霾發(fā)生,稱為一次持續(xù)霾事件.

2 結(jié)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(shù)的大值區(qū)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(nèi)江、宜賓),大值中心年均霾日數(shù)在100d以上,霾的發(fā)生具有一定的局地性.從霾日數(shù)的季節(jié)平均來看(圖1b~e),四季的霾日數(shù)與年均霾日數(shù)的分布特征較為相似,也有3個相似的大值區(qū),冬季的霾日數(shù)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(shù)在20d以上,最多的區(qū)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(shù)明顯比冬季少,但秋季、春季(夏季)霾日數(shù)的大值區(qū)在25d(15d)以上的站點均集中在與冬季霾日大值相同的區(qū)域.在特大城市成都冬季霾日數(shù)較其他3個季節(jié)多,與冬季北京、上海霾天氣較其他3個季節(jié)頻發(fā)較為一致,而與廣州在春季霾天氣頻發(fā)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(nèi)江-自貢一帶四季霾日均為高值區(qū),四季變化不明顯,主要由于自貢等市裝備制造、化工工業(yè)發(fā)達,夏季該區(qū)域仍為霾高值區(qū),在夏季期間,該區(qū)域秸稈燃燒所產(chǎn)生的PM2.5、PM10等氣溶膠污染物造成空氣質(zhì)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(yán)重,受盆地地形和青藏高原大地形共同影響,由于霾多發(fā)區(qū)位于盆地底部,盆地邊緣多為山地,研究指出冬季盆地內(nèi)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(fā)區(qū)人口密度大,交通工業(yè)發(fā)達,人類生產(chǎn)所產(chǎn)生的油煙、道路揚塵以及工業(yè)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(qū)積聚,加劇低海拔地區(qū)的空氣污染;在高原大地形東側(cè)背風(fēng)坡存在特殊的垂直環(huán)流結(jié)構(gòu),在冬季背風(fēng)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(xiàn)類似靜穩(wěn)天氣的“避風(fēng)港”效應(yīng)[28];且在冬季易受到大陸高壓的控制,大氣層結(jié)穩(wěn)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(xù)霾事件的空間分布特征 持續(xù)霾事件空間分布不均勻,與霾日數(shù)的大值區(qū)的分布較為一致,也有較為集中的三個區(qū)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(fā)生持續(xù)霾事件累計次數(shù)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(xù)(圖2b~f)霾事件累計發(fā)生次數(shù)來看,春、夏季持續(xù)霾事件在盆南的自貢分別發(fā)生了132次,為最多,而在成都平原以及川東北地區(qū)發(fā)生持續(xù)霾事件較少,在秋季持續(xù)霾事件發(fā)生次數(shù)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(fā)生持續(xù)霾事件的次數(shù)均較春、夏季增多.冬季,持續(xù)霾事件與年總次數(shù)分布一致,這與冬季形成霾的大尺度環(huán)流背景以及氣象條件關(guān)系密切,由于上述分析主要針對持續(xù)3d及以上的持續(xù)霾事件發(fā)生次數(shù)的分布特征,為了了解更長時間的持續(xù)霾事件的特征,因此分析了冬季持續(xù)7d、10d及以上的霾事件發(fā)生次數(shù),得出持續(xù)霾事件總次數(shù)的大值中心在成都平原的新津以及川南的自貢、威遠,發(fā)生持續(xù)7d及以上的霾事件總次數(shù)分別為70次、84次、71次,發(fā)生持續(xù)10d及以上的霾事件總次數(shù)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(fā)生的頻次、年總?cè)諗?shù)和持續(xù)時間來看(圖3),所有霾事件的發(fā)生頻次與霾事件的年總?cè)諗?shù)空間分布具有較高的相似性,霾事件的高發(fā)區(qū)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(qū)域平均每年發(fā)生30次以上的霾事件,其中發(fā)生頻次最多為位于川南的自貢,平均每年發(fā)生55.5次/a,多年平均霾事件總?cè)諗?shù)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?cè)諗?shù)為103.4d;第三個高頻中心位于成都平原的新津,平均每年發(fā)生霾事件為52次/a,總?cè)諗?shù)為120.6d.從霾事件發(fā)生的高頻區(qū)來看,持續(xù)霾事件占霾事件的百分比也較高,均在25%以上;從持續(xù)霾事件年總?cè)諗?shù)對霾事件年總?cè)諗?shù)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(nèi)江貢獻最大,為60%以上;從盆地霾的少發(fā)區(qū)域來看,持續(xù)霾發(fā)生的比例也較低.可見,霾事件發(fā)生頻次高、霾事件總?cè)諗?shù)多的地方,主要為持續(xù)霾事件頻發(fā)造成的.從霾事件的持續(xù)時間可以看出,霾事件持續(xù)時間較長的發(fā)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(shù)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(xù)性霾年代變化分布來看(圖4a~d), 20世紀(jì)80年代,成都平原城市群持續(xù)霾日數(shù)不到60d,川南城市群和川東北城市群持續(xù)性霾日數(shù)在40~90d,其中自貢超過了80d,為高值區(qū);90年代~21世紀(jì)初的10a,盆地存在3個高值區(qū),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(xù)性霾日數(shù)整體較少,為4個年代最少.

氣象條件變化以及區(qū)域城市化、土地利用會導(dǎo)致氣溫的升高以及相對濕度、風(fēng)速的下降,從而引起霾天氣增多[8,35-36].統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),1981~2016年四川盆地3大城市群區(qū)域平均氣溫、相對濕度以及風(fēng)速發(fā)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(fēng)速變化不大,導(dǎo)致3大城市群的持續(xù)性霾日數(shù)呈逐年代際增加趨勢,高值區(qū)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(fēng)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(guān),還與環(huán)境因素密不可分.四川省統(tǒng)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(fā)生頻率降低.

2.2 持續(xù)性霾事件的長期變化特征

2.2.1 持續(xù)性霾事件的時間變化 根據(jù)圖1和圖2霾日的變化特征及區(qū)域性差異,將盆地17個地市分為3個區(qū)域,霾多發(fā)區(qū),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(nèi)江(威遠)、瀘州(納溪)、宜賓(南溪));霾少發(fā)區(qū)(雅安);過渡區(qū)(廣安、巴中).

通過分析四川盆地霾日數(shù)的時間變化特征(圖5)可以發(fā)現(xiàn),所有霾事件年平均日數(shù)呈增加趨勢,氣候傾向率為1.0d.(10a)-1,持續(xù)霾事件日數(shù)占霾總?cè)諗?shù)的百分比與霾總?cè)諗?shù)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(guān)系數(shù)為0.53(通過了0.01的顯著性檢驗),說明四川盆地霾總?cè)諗?shù)的增加主要是由于持續(xù)性霾事件增加所引起的.圖6選取了霾多發(fā)區(qū)(川東北城市群)、霾多發(fā)區(qū)(川南城市群)、霾多發(fā)區(qū)(成都平原城市群)、霾少發(fā)區(qū)以及過渡區(qū)對比分析霾日數(shù)以及連續(xù)3d及以上持續(xù)性霾事件日數(shù)的年際變化特征,可以看出,霾多發(fā)區(qū)、霾少發(fā)區(qū)以及過渡區(qū)連續(xù)霾變化與霾日變化呈正相關(guān),霾日較多的區(qū)域,連續(xù)霾出現(xiàn)的次數(shù)也比較多.

圖5 1981~2016年四川盆地霾總?cè)諗?shù)、持續(xù)性霾占總霾日數(shù)的百分比

圖6 1981~2016年盆地不同區(qū)域的霾日數(shù)以及持續(xù)性霾事件日數(shù)

圖7 四川盆地不同區(qū)域霾日數(shù)的月變化特征(36a平均值)

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

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

2.3 四川盆地冬季霾事件環(huán)流場分析 霾的形成不僅與污染物的排放、輸送有關(guān),還與不利于污染物擴散的氣象條件有關(guān),而氣象因子對霾的影響取決于大尺度的大氣環(huán)流背景.由前文的分析表明冬季為盆地霾事件發(fā)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(yīng)的環(huán)流場,以期為冬季霾事件的短期氣候預(yù)測提供一定的理論依據(jù).

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(nèi)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(fā)區(qū),可以整體反應(yīng)四川盆地的霾事件變化.

圖10 四川盆地冬季霾事件日數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的時間變化特征,表現(xiàn)出明顯的年際及年代際變化特征,整體呈略減少趨勢.結(jié)合圖9(a~b),2004年為顯著的突變點,在分析環(huán)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(shù)整體偏多時期,2004~2016年為霾日數(shù)偏少時段進行研究.

為分析四川盆地冬季霾日數(shù)在年際變化特征上對應(yīng)的環(huán)流變化,因此選取標(biāo)準(zhǔn)化距平大于1為冬季霾事件異常偏多年份,選取標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(shù)和表面風(fēng)

矩形為四川盆地

(c)垂直速度垂直分布

(a) 500hPa高度場