2012年广州典型灰霾过程个例分析

李 菲,黄晓莹,张芷言,刘显通,谭浩波,李丽云,邓雪娇*

(1.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东 广州510080；2.广东省气象台,广东 广州510080；3.广州市番禺区气象局,广东 广州511490)

2012年广州典型灰霾过程个例分析

李 菲1,黄晓莹2,张芷言1,刘显通1,谭浩波1,李丽云3,邓雪娇1*

(1.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东 广州510080；2.广东省气象台,广东 广州510080；3.广州市番禺区气象局,广东 广州511490)

针对2012年珠江三角洲地区出现的2个典型灰霾个例(3月18～21日,10月13～15日),利用广州番禺大气成分综合观测基地的同期观测资料集,包括:能见度(VIS)、大气颗粒物质量浓度(PM10/PM2.5/PM1)、黑碳浓度(BC)等观测数据,分析过程中的气溶胶物理光学特征;配合过程的天气类型,气象要素和后向气流轨迹等对过程的成因进行综合分析.结果表明:在两个典型灰霾过程中,番禺日均能见度低至5.3km,黑碳浓度小时均值最高达19.0µg/m3、PM2.5浓度小时均值最高达163.0µg/m3,细粒子与黑碳粒子污染特征较为明显.两次典型灰霾过程分别受到冷锋前-均压场-冷锋前天气形势和台风外围-准均压场-冷锋前天气类型等不利于污染物输送扩散的气象条件影响.珠江三角洲地区低能见度的霾天气主要发生在高相对湿度的条件下,并可推断在珠江三角洲地区湿季的气溶胶吸湿能力明显高于干季.

典型灰霾过程；天气类型；细粒子；广州

灰霾天气,尤其是持续出现3d以上的典型灰霾过程,对大气环境、公众健康、交通安全带来严重影响.目前我国灰霾污染备受关注的有三大重点地区,包括京津冀地区、长江三角洲地区和珠江三角洲地区.与长三角、京津冀地区的灰霾天气特征和成因可能不同的是,广州所处的珠江三角洲地区有其地域和气候背景的特殊性.珠江三角洲地区是我国的高湿地区,春季冷暖空气交替频繁,风向多变;夏季印度洋西南暖湿气流异常活跃,盛行风向以偏南风为主[1];秋季冷空气过境后的静小风天气形势;都可能是该地区灰霾天气爆发并持续,导致出现典型灰霾过程的重要成因[2-6].过去20多年来,人们对大自然和城区能见度下降的原因进行了连续的研究,区域灰霾的产生主要是由于大气颗粒物和大气对可见光的散射和吸收[7-8].关于灰霾的空间和时间变化趋势,许多研究通过研究灰霾的物理化学特性来了解它的来源,形成和传输[9-11].气象因素如相对湿度,风速,风向和混合层高度等对城区大气能见度有着重要的影响,先前研究[12-15]总结出能见度与不同的天气气象条件之间的关系.在这些气象因素当中,风速和相对湿度被认为是影响能见度最主要的两个因素.但是,关于珠江三角洲地区灰霾天气的影响因素的分析工作尚在初期阶段,而且对于持续的灰霾过程的形成、演变及消散等各阶段特征及成因的研究分析工作也明显不足.由于持续的灰霾过程对于能见度恶化的严重影响及其与气溶胶颗粒物浓度、污染物等环境空气质量要素特征变化的密切相关,也引起了各级政府、社会公众和媒体的极大关注.广东省气象部门长年开展对影响大气污染物输送、扩散和变化的天气气候条件的研究与业务预报,以期初步建立区域灰霾天气的监测、预报与预警体系.

2012年珠江三角洲地区主要城市的灰霾日数仍然较多,广州分别在3月和10月发生典型灰霾过程.本文对于2012年广州典型灰霾过程的影响天气形势进行分析;并配合各项大气成分要素、地面气象要素、以及气流轨迹进行详细分析

1 数据与方法

本文使用的大气成分要素和地面气象要素数据主要来自广州番禺大气成分站,位于广州市番禺区南村镇大镇岗山上(图1),下垫面为次生林植被覆盖,2km外山脚下(海拔1～5m)为低密度别墅群区,无明显工业污染源.番禺区是广州市直辖区,位于广州市南部、珠江三角洲腹地,珠江三角洲是中国大陆第二大的三角洲,位于大陆海岸线南端,河网纵横,孤丘散布,平均海拔1～20m.该观测站房为钢平台上放置的集装箱,站房顶仪器进气口海拔约150m,该站2005年底建成并投入试运行,可在一定程度上代表珠江三角洲城市群环境大气平均状况.

本文使用的数据集为该观测站点的24h实测数据.其中,能见度由美国BELFORT公司生产的前向散射能见度仪(Model6000)观测得到,原始分辨率为1min;黑碳浓度由美国MAGEE公司生产的黑碳仪(AE31ER)观测得到,原始分辨率为5min;颗粒物质量浓度(PM2.5,PM1)由德国GRIMM公司生产的颗粒物监测仪(GRIMM180)观测得到,原始分辨率为5min;相对湿度、风向风速由自动气象站观测得到.以上原始资料均通过野点剔除后,统计平均得到相应小时均值,用于本文分析.

图1 观测站点-广州番禺大气成分观测站Fig.1 Station for atmospheric composition watch at Panyu, Guangzhou

2 典型灰霾过程描述

图2 2012年3月18～21日广州番禺大气成分站能见度和黑碳、PM2.5、PM1浓度日变化Fig.2 Variations of visibility, and concentration of black carbon, PM2.5and PM1during Mar.18 to21,2012 at the observation station

2012年广东省灰霾天气主要发生在1～3月和10～12月,夏季较少,其中10月最多.2012年3月和10月,珠江三角洲分别出现了两次典型灰霾过程,各项大气成分要素指标均严重超标.2012年3月18～21日广州出现了较为严重的典型灰霾过程(图2).其中3月20日番禺日均能见度为6.1km,能见度小时均值最低仅0.8km;黑碳浓度、PM10、PM2.5、PM1浓度等监测指标偏高.黑碳浓度小时均值最高达 10.3μg/m3,PM10浓度小时均值最高达163.2μg/m3, PM2.5、PM1浓度小时均值最高分别达112.6、88.9μg/m3.2012年10月3～16日珠江三角洲出现了大范围的灰霾过程,其中10月13～15日为广州市的典型灰霾过程(图3),10月15日番禺日均能见度低至5.3km,能见度小时均值最低仅2.9km;黑碳浓度、可吸入颗粒物浓度、细粒子气溶胶浓度等多项监测指标出现超标现象,细粒子与黑碳粒子污染特征较为明显.黑碳浓度小时均值最高达19.0μg/m3,PM10浓度小时均值最高达198.0μg/m3, PM2.5、PM1浓度小时均值最高分别达163.0、147.4μg/m3.相对而言,10月的典型灰霾过程持续时间较长、覆盖范围较广、强度较大.

图3 2012年10月13～15日广州番禺大气成分站能见度和黑碳、PM2.5、PM1浓度日变化Fig.3 Variations of visibility, and concentration of black carbon, PM2.5and PM1during Oct.13 to15,2012 at the observation station

3 气象成因分析

3.1 天气类型

对应2个典型灰霾过程,按冷锋前、冷高压变性出海、静止锋暖区、均压场、副高控制、台风外围等6种天气形势对每个过程中经历的灰霾天气分析天气类型[16],然后汇总每个过程先后处于的不同天气形势.

2012年3月18～21日的较为严重的典型灰霾过程先后属于冷锋前-均压场-冷锋前天气形势.18日广东省高层为一致西南风场,湿度较高;地面我国中东部有冷空气活动,冷高中心在内蒙东部,锋面位于江南流域,广东省地区有弱的正变压(图4a),广州出现灰霾天气.19日随着地面冷高减弱,同时西南低涡趋于发展,广州地区逐渐转处东高西低的均压场中,地面吹偏南风,风速较小(图4b),广州出现灰霾天气.20日北方有冷空气补充,地面冷高压再次南压,锋面11:00压至南岭附近,受锋前空气堆积影响(图4c),随后广州出现灰霾天气.21日,地面冷高东移出海,广州地区从地面至高层转为一致南到东南风场(图4d),随后出现灰霾天气.

2012年10月13～15日的典型灰霾过程先后经历了台风外围-准均压场-冷锋前天气类型.12日20:00,500hPa东亚高纬主要维持两槽两脊形势,中纬为偏西流场,多小槽活动,巴士海峡以东洋面有1221号强台风“派比安”活动,华南为弱反气旋环流控制;850hPa我省为较一致的偏北风场;地面受弱脊控制.受高低层一致的反气旋下沉气流影响,广州天气晴,无灰霾.13日,中高层基本环流形势少变,仍为反气旋环流控制;地面处于准均压场中,风速很小,同时继续受缓慢北上的“派比安”外围下沉环流影响,广州出现轻雾天气(图5a).14～15日,500hPa中纬有多个西风小槽快速东移,引导弱冷空气影响我国东部地区,期间850hPa低层快速由东北风场转为冷高压后部的偏南风场(图5b、图5c).14日我省地面处于脊后槽前的准均压场中,地面风场渐转东南风;我国东部的弱冷空气低层渗透至南岭北部,有一风向复合线位于南岭附近(图5d).受冷暖气团堆积及“派比安”外围下沉环流共同影响,14日开始我省多地区相继出现雾霾天气,其中广州15日出现持续的灰霾天气.16日中高纬有明显西风槽东移,引导北方一股较强冷空气中路南下,锋面17日白天到达沿海地区,此次灰霾过程结束.

图4 2012年3月18～21日地面天气Fig.4 Surface weather maps during Mar.18to21,2012

图5 2012年10月13～15日天气Fig.5 Surface weather maps during Oct.13 to15,2012

3.2 地面气象要素对污染物的影响

2012年3月18～21日较严重的典型灰霾过程中,广州的小时风速均在5m/s以内,主导风向为偏南风向.在此风向上,PM2.5质量浓度小时均值和黑碳浓度小时均值,均在静小风区对应高浓度区;小风速比大风速时的质量浓度相对较高,且偏东南风向的浓度随风速递减效果弱于偏南风向(图6).说明此次灰霾过程中,PM2.5、BC的高质量浓度大部分来源于广州本地,部分来自偏东南方向;主导风速逐渐增加,对PM2.5、BC的高浓度起到一定的清除作用,但偏东南风向的气溶胶和黑碳质量浓度较高,可能的原因是,与偏南气流带来的海洋气团不同,站点东南方向的东莞、惠州城市以及沙角电厂等源排放可能导致PM2.5、BC的较高浓度.

图6 2012年3月18～21日广州番禺大气成分站PM2.5和黑碳浓度在风向风速上分布Fig.6 Wind dependency map of PM2.5(a) and black carbon (b) concentration during Mar.18～21,2012.实线表示该风向的频率

2012年10月13～15日的大范围典型灰霾过程中,广州的小时风速均在2.5m/s以内,小时风向以偏南风向为主,偏北风向次之(图7),这与过程前期的冷空气刚过,天气转为稳定形势有关.在偏南风向上,PM2.5质量浓度小时均值普遍高于70µg/m3,且该风向上静小风区对应高浓度区,偏西南风向相对偏东南风向的质量浓度较高;同一风向上,小风速比大风速时的质量浓度略微偏高(图7a).说明此次灰霾过程中,广州PM2.5高质量浓度的来源仍以广州本地为主,西南部相对于东南部来源较强;2.5m/s以下的风速对 PM2.5的高浓度清除作用较不明显.黑碳(BC)浓度小时均值在偏南风向出现明显高值,同一风向随风速增大,BC浓度略有减少(图7b);说明广州本地偏南部为灰霾过程中 BC高浓度的来源,偏南风带来的海洋气团对于其高浓度起到轻微的清除作用.

图7 2012年10月13～15日广州番禺大气成分站PM2.5和黑碳浓度在风向风速上分布Fig.7 Wind dependency map of PM2.5(a) and black carbon (b) concentration during Oct.13～15,2012实线表示该风向的频率

图8 2012年3月18～21日能见度与相对湿度对比Fig.8 Comparison between visibility and relative humidity during Mar.18～21,2012

图9 2012年10月13～15日能见度与相对湿度对比Fig.9 Comparison between visibility and relative humidity during Oct.13～15,2012

图10 2012年3月18～21日(实线)和10月13～15日(点线)能见度与相对湿度、气溶胶浓度对比Fig.10 Comparison between visibility and relative humidity and PM2.5concentration

在2012年3月18～21日和2012年10月13～15日的两次典型灰霾过程中,风速在2m/s左右,可以从图8、9中看到能见度变化与相对湿度变化明显反相关,随着相对湿度逐渐升高,能见度逐渐降低.而且从图10显示,细粒子气溶胶(PM2.5)质量浓度较高(65～114µg/m3)时期对应的能见度(<10km)明显持续低于质量浓度较低时期的能见度.以上分析说明在水平扩散条件较差的时候,珠江三角洲地区PM2.5质量浓度普遍较高,低能见度的霾天气主要发生在高相对湿度的条件下.这与 Chen等[18]在华北地区的研究结果类似,气溶胶的吸湿特性是低能见度形成的一个关键因素.另外,从图10中红、黑点线和红、黑实线两组对应曲线的相互关系可以分析珠江三角洲地区干湿季气溶胶吸湿性的差异.在干季,虽然气溶胶质量浓度相对湿季较高,但是随着相对湿度逐渐升高,能见度的降低程度相对较不明显;而在湿季,在相对湿度高于70%以后,能见度随相对湿度增长迅速恶化至5km以下.因此,可以推断珠江三角洲地区,湿季的气溶胶吸湿能力明显高于干季,这与以往的研究结论相符[15,17].

3.3 气流轨迹

2012年3月18～21日较严重的典型灰霾过程中,从00:00UST72h后向轨迹图(绿、蓝、红色线分别为离地面1500,500,10m处后向轨迹,轨迹经过的地方如果存在污染物质,可能对轨迹沿途下游地方造成污染),可见3月17～19日(图11a～图11c),广州地区中低空主要受到源自南面南海海域的海洋气团,途经珠江三角洲西部的影响,近地面受到源自南面南海海域和东面台湾海峡的海洋气团,途经珠江口北上影响;近地面和中低空气流都较平稳.3月20日(图11d),广州地区中低空仍受较近距离南海海域的海洋气团北上,经珠江口后在广州地区上空停滞影响,近地面受源自东北面东海的海洋气团影响,途经东南沿海移动至珠江口,转而北上的海洋气团影响;近地面气流在20～21日呈明显下沉.2012年10月13～15日的大范围典型灰霾过程中,从00:00UST72h后向轨迹图(绿、蓝、红色线分别为离地面1500,500,10m处后向轨迹,轨迹经过的地方如果存在污染物质,可能对轨迹沿途下游地方造成污染),可见10月12～13日(图12a～图12b),广州地区中低空主要受途经北方山西省、河北省、河南省、江苏省、浙江省、福建省及广东省内粤东地区等陆地气团影响,近地面由12日受途经湖北省、江西省及广东省内粤东北地区、珠江三角洲地区等陆地气团影响转为13日受浙江省、福建省沿海地区气团影响.10月14～15日(图12c,图12d),广州地区1500m高度仍受到途经湖南省进入粤北地区的陆地气团影响;近地面仍受途径浙江省、福建省沿海地区气团影响,特别在15日沿海地区气团出海后至珠江口向北移动影响广州地区;而14日低空的途径江苏省、浙江省、福建省沿海地区气团也对广州地区产生影响,15日转为珠江三角洲地区陆地气团较稳定影响.此次灰霾过程中低空气流下沉明显,12～13日近地面气流较平稳.

图11 2012年3月18～21日典型灰霾过程中广州番禺大气成分站72h后向轨迹Fig.11 72h backward trajectory charts of a typical event during Mar.18～21,2012at the station

图12 2012年10月12～15日典型灰霾过程中广州番禺大气成分站72h后向轨迹Fig.12 72h backward trajectory charts of a typical event during Oct.12-15,2012 at the station

4 结论

4.1 通过对于2012年2个典型灰霾过程的个例特征分析,并配合过程的天气类型,气象要素和后向气流轨迹等对过程的成因进行综合分析,发现大气细粒子是目前广东省灰霾天气形成的内因;不利于污染物输送扩散的气象条件是灰霾天气形成的外因.

4.2 在2个典型灰霾过程中,黑碳浓度、颗粒物浓度出现超标现象,细粒子与黑碳粒子污染较为明显.其中番禺日均能见度低至5.3km,黑碳浓度小时均值最高达19.0μg/m3,PM2.5浓度小时均值最高达163.0μg/m3.

4.3 两次典型灰霾过程分别受到冷锋前-均压场-冷锋前天气形势和台风外围-准均压场-冷锋前天气类型影响;其中锋前的气团堆积、台风外围的下沉气流以及准/均压场的冷暖气流堆积等不利于污染物输送扩散的气象条件均是导致典型灰霾过程的重要成因.

4.4 珠江三角洲地区在边界层水平扩散条件较差时,PM2.5质量浓度普遍较高,低能见度的霾天气主要发生在高相对湿度的条件下,可推断在珠江三角洲地区湿季的气溶胶吸湿能力高于干季.

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A study of2 cases of typical hazy weather in guangzhou during2012.

LI Fei1, HUANG Xiao-ying2, ZHANG Zhi-yan1, LIU Xian-tong1, TAN Hao-bo1, LI Li-yun3, DENG Xue-jiao1*
(1.Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou510080, China；2.Guangdong Provincial Meteorological Observatory, Guangzhou510080, China；3.Panyu District Meteorological Bureau, Guangzhou511490, China). China Environmental Science,2014,34(8)：1912～1919

Two typical hazy weather events which occurred in the Pearl River Delta (PRD) cities from Mar.18 to Mar.21 and from Oct.13 to Oct.15,2012respectively were selected in this paper. A comprehensive analysis of the causes of the events was made by using the in-situ measurement of visibility (VIS), aerosol mass concentration (PM10/PM2.5/PM1), the concentration of black carbon (BC) at an integrated observation base for atmospheric composition in Panyu, Guangzhou, the weather type, meteorological elements and backward airflow trajectory during these events. The results are shown as follows: Daily visibility was as low as5.3km, black carbon’s hourly concentration value was up to19.0µg/m3, PM2.5’s hourly concentration was163.0µg/m3at its highest. These two events were affected by the weather conditions which weren’t conducive to the transport or spread of pollutants. In PRD, low visibility of haze weather occurs mainly in condition of high relative humidity. It is deduced that aerosol has greater hygroscopicity in the dry season than in the wet season in this region.

t：typical hazy weather events；weather type；fine particle；Guangzhou

X513

：A

：1000-6923(2014)08-1912-08

李 菲(1981-),女,福建龙岩人,工程师,硕士,主要从事大气物理与大气环境观测研究.发表论文10余篇.

2013-11-04

国家“973”项目(2011CB403403);国家自然科学基金(41375156);国家公益性(气象)行业项目(201306042);广东省科技计划 重 点 项 目 (2010A030200012);广 东 省 自 然 科 学 基 金(S2013010013265);广东省气象局科技创新团队计划(201103)

* 责任作者, 研究员, dxj@grmc.gov.cn