京津冀区域霾天气变化特征

中国环境学会  2011年 06月22日

  赵普生,张小玲,徐晓峰,徐敬 (中国气象局北京城市气象研究所,北京,100089)
   
  摘要:随着经济发展,京津冀区域细粒子污染日益加重,致使灰霾天气日益增多,能见度水平下降。本研究通过系统分析京津冀区域内107个地面站的气象要素和能见度资料,结合气溶胶监测资料,确定霾天气判别标准,并分析区域内整体以及主要城区站点近40年的霾天气变化特征,通过分析发现,京津冀区域内年均霾天气数明显增加,且整体变化趋势非常相似,表明区域内细粒径气溶胶污染呈区域化特点。
  关键词:京津冀,霾,相对湿度
   
  随着经济快速发展,京津冀地区汽车尾气以及VOCS的排放迅速增加,致使以二次气溶胶为主的细颗粒物污染加重,这些二次气溶胶虽然质量浓度不大,但是粒径很小,可以严重影响大气能见度和人体健康[1,2]。近几年研究表明,京津冀区域内细颗粒物污染严重,且细颗粒物浓度与能见度水平密切相关,能见度水平下降,社会对霾天气的关注逐渐增加[3-5]。


  1资料来源
  汇总北京市20个地面站,天津市5个地面站和河北省82个地面站,共107个地面站1970-2008年气象要素、能见度及天气现象资料。此外,选取上甸子、宝联等站点的气溶胶自动监测资料。


  2霾天气判别指标


  2.1基本指标确定
  灰霾天气尽管是一种天气现象,但与空气中颗粒物细粒子、气溶胶及光化学烟雾等污染物污染状况密切相关。当出现灰霾天气时,城市空气污染往往呈现复合型与区域性污染现象,对视觉空气质量以及人体健康造成很大影响与危害。近年,国外一些国家相继开展了大气气溶胶、能见度、灰霾等研究,对灰霾的成因,引起能见度下降的机理、能见度评估方法、灰霾影响及其治理措施的研究取得了重要进展。在我国,有关灰霾和能见度量化相关性的研究,对灰霾天气城市空气污染程度与能见度量化判据的建立尚处于研究阶段。
  空气中气溶胶、细粒子污染加重灰霾天气空气污染,特别是在城市群密集区域大气复合型污染问题凸现,导致城市能见度下降。因此,从本质上讲霾污染与空气中颗粒物的浓度、粒径及其化学成分等因素密不可分。为有效评定灰霾天气对空气质量的危害程度,基于灰霾天气与空气污染的相互关系,利用北京城区自2005年1月~2008年12月PM2.5浓度、相对湿度和能见度的日平均资料进行统计,探讨霾天气污染的评判标准。
  首先从2005年1月~2008年12月的日平均值资料中筛选出能见度低于10km的样本,共计429个;再从这些样本中筛选出PM2.5日平均浓度大于100μg/m3的样本,共计284个;针对上述284个样本进行分析(如图1所示),我们看到除个别沙尘天气外,在能见度较低的前提下(小于10km),当PM2.5日平均浓度大于100μg/m3,相对湿度的范围主要分布在40%~90%(个别情况甚至高于90%,但不超过95%)。由此看来,历史观测记录中,针对霾的判别以能见度小于10km,且相对湿度小于60%(相对湿度大于60%时为雾)的标准是不科学的。
  反过来看,当能见度小于10km,相对湿度分布在40%~90%(扣除了降水资料),PM2.5浓度日平均值均高于50μg/m3(如图2所示),且其中92%以上的样本为PM2.5浓度日平均值均高于100μg/m3。因此,通过上述分析同时结合国内外相关研究结论,可以看出,针对历史资料的整理,在没有颗粒物浓度资料的情况下,将能见度低于10km,且相对湿度<90%作为霾天气污染的判据更为合理。


  2.2霾判别所用历史资料统计方法
  目前有两种常用的处理大量历史资料的统计方法:一种是用日均值,定义日均能见度小于10km,日均相对湿度小于90%,并排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和烟幕等其它能导致低能见度事件的情况为一个霾日;另一种是使用14时实测值,用于分析能见度小于10km相对湿度小于90%并排除其它能导致低能见度事件的情况为一个霾日,这两种方法被国际上广泛用来讨论长期能见度的变化趋势[6]。
  图3-4为海淀和南郊气象站分别利用日均值及14时实测值两种方法进行年霾日数统计的结果比较,发现利用两种方法筛选出来的具体霾日和霾日的数量虽有所区别,但是其整体变化趋势和变化特点非常相似,所以此两种方法均可作为分析霾天气长期变化特征的方法。
  2.3本研究霾判别指标
  通过对107个地面站相关资料分析发现,许多站点缺少02时的能见度数据,此外,1980年以前的能见度数据为等级值,并非公里数。所以利用日均值来判别霾日不能对所有站点的逐年资料进行全面分析,所以选择14时实测值进行判别。通过分析各站点多年天气现象发现,各地区各站点对于霾天气的判别比较混乱,缺乏可比性,甚至有的站点30年没有一个霾日记录,此外,许多观测资料中霾天气都不是单独出现,除了很多和轻雾同时出现外,还有许多是和上述几种需要排除的天气现象同时出现,尤其是烟幕这种现象,很多台站的多年资料中霾记录很少,反而许多烟幕的观测记录,所以在气象观测中,同样存在霾与烟幕天气的混淆。根据以上分析,不能直接利用天气现象报表中的霾日、轻雾日资料进行统计,而且在进行其它导致低能见度事件的剔除时,不能简单剔除烟幕天气。
  综上,本研究选取以下指标作为霾日的判别标准:满足14时能见度小于10km,相对湿度小于90%,且根据天气现象资料,排除吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和14时降水的,记为一个霾日。


  3京津冀区域霾天气特征


  通过程序计算得到107个站点1970-2008年逐月霾日数,进而分析京津冀区域霾天气变化特征。


  3.1霾天气年变化特征
  图5为1970—2008年北京、天津、河北以及京津冀整体区域逐年平均霾日数变化。虽然区域内107个地面站霾天气变化趋势复杂多样,霾日数水平也有很大差异,但从图中可以看出从长时间大范围的角度来看,北京、天津、河北霾日整体变化趋势极为相似,足以表明京津冀范围内霾变化具有明显的区域性特征,即造成买形成的主要条件带有区域性特点。京津冀区域霾日数近30多年呈明显增加趋势,这与区域内社会经济发展,污染物排放增加尤其是细颗粒物污染加重密不可分。其中,北京21个地面站从1970年的年均36天增加到2008年的72天,天津5个站点从1970年的24天增加到2008年的95天,河北82个站点从1970年的年均13天增加到2007年的40天。北京和天津霾天数明显高于河北,此外,从2002年开始,天津区域霾日数高于北京,这与2002年以后北京加大了空气污染治理力度密切相关。
  分析单独站点霾天气变化。图6为北京市主要城区站点和上甸子本地站多年霾日变化,发现海淀和上甸子整体呈明显增加趋势,而丰台和石景山则呈明显双峰变化,南郊则明显呈现先增后减趋势。其中朝阳、南郊、丰台多年平均霾日数均超过了100天,海淀也达到了95天。
  图7为1970—2008年天津5个地面站霾日数变化,从图中可以看出天津区域内,除了站点54517外,霾日均呈现明显增加趋势,2005-2008年,站点54428、54527和54623霾日数均超过100天。
  分析河北省11个地级市城区地面站资料发现(见表1),石家庄多年平均霾日数超过100天,邯郸、保定和邢台霾日数也较多。由图8发现各站点多年平均霾日数和整体变化趋势差异较大,但多数地级市站点2000年以后都呈现出先降低后增加的趋势。
  表1 河北省11个地级市城区地面站多年霾日数平均值

  邯郸

张家口

承德

秦皇岛

廊坊

唐山

沧州

衡水

保定

石家庄

邢台

58.3

33.1

8.4

8.4

9.8

8.2

14.7

24.2

53.5

103.6

96.4


  3.2霾天气月际变化特征
  图9为北京、天津和河北月平均霾日数变化,每个霾日数均为区域内所有站点1970-2008年该月霾日数平均值。发现,京津冀区域霾日数的月际变化特征也极为相似,均为夏季和冬季霾日数较高。


  4 结论


  (1)通过对北京市近几年气溶胶浓度和气象资料对比分析,将能见度低于10km,且相对湿度<90%作为霾天气污染的基本判据更为合理;本研究选取指标为满足14时能见度小于10km,相对湿度小于90%,且根据天气现象资料,排除吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和14时降水的,记为一个霾日。
  (2)区域内107个地面站霾天气变化趋势复杂多样,霾日数水平有很大差异,但通过各站平均,从长时间大范围的角度来看,北京、天津、河北霾日整体变化趋势极为相似,区域霾日数近40年呈明显增加趋势,许多站点年霾日数超过100天。这与区域内社会经济发展,污染物排放增加尤其是细颗粒物污染加重密不可分。
  (3)京津冀区域霾日数的月际变化特征也极为相似,均为夏季和冬季霾日数较高。


  参考文献:
  [1] Watson J G. Visibility Science and Regulation. Journal of Air & Waste Management Association, 2002, 52: 628-713.
  [2] 胡敏, 赵云良, 何凌燕等. 北京冬、夏季颗粒物及其离子成分质量浓度谱分布.环境科学, 2005, 26(4):1-6.
  [3] He K B, Yang F M, Ma Y L, et al. The characteristics of PM2.5 in Beijing, China. Atmospheric Environment, 2001, 35: 44959-4970.
  [4] Zhao X J, Zhang X L, Xu X F, et al. Seasonal and diurnal variations of ambient PM2.5 concentration in urban and rural environments in Beijing. Atmospheric Environment, 2009, 43: 2893–2900.
  [5] 宋宇, 唐孝炎, 方晨等. 北京市能见度下降与颗粒物污染的关系. 环境科学学报, 2003, 23(4): 468-471.
  [6] 吴兑, 吴晓京, 朱小祥. 雾和霾. 北京: 气象出版社, 2009.

 
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