上海的雾霾天气特征及影响因素

钱佳丽 朱昊辰 贺文智 黄菊文 徐竟成 李光明

同济大学环境科学与工程学院

1 引言

近年来，雾霾天气在全国范围内大量爆发，尤其是在长三角、珠三角和京津冀地区增加非常明显，其中以上海为代表的中心城市污染程度最为显著，根据上海市气象局初步统计，上海地区年均雾霾日已超过200天。雾、霾都属于悬浮在近地面大气层中经常发生的一种视程障碍现象，《地面气象观测规范》中定义，雾是指大量微小水滴浮游空中，使水平能见度小于1.0 km的天气现象；霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10.0 km，造成空气普遍浑浊的天气现象[1]。在自然界，雾和霾可以相互转化，当相对湿度增加超过100%时，霾微粒吸附析出的液态水成为雾滴；当相对湿度降低时，雾滴脱水成为霾微粒悬浮在大气中[2]。实际观测中，各专家学者对雾和霾的判定方式不尽相同，在本文中，将雾霾作为一个整体进行分析与探讨。

频繁发生的雾霾天气不仅会影响大气能见度，同时雾霾天气中大量的细颗粒物（PM 2.5）对人类健康有着重要的影响。研究表明，随着人体吸入的PM 2.5浓度的提高，可能导致各种呼吸道疾病和心脏疾病，另外由于PM 2.5表面含有多种有机污染物，会对人体有严重的致癌作用，这使人们对雾霾和PM 2.5的关注度越来越高。

长期以来，人们针对雾霾天气以及PM 2.5在各地区开展了大量的研究工作，张小红等利用1970-2012年间长沙地区地区气象观测资料及环境监测数据，分析了这43年间长沙地区雾霾特征及影响因子[3]；尹承美等利用1961-2013年济南市6个地面气象观测站的气象观测资料，分析了济南市雾霾特征[4]；胡琳等利用西安气象站建站以来的天气现象资料，分析了西安地区霾天气特征及影响因素[5];赵秀娟等利用北京城区和郊区2011年PM 2.5质量浓度等观测资料研究了北京秋季雾霾天PM 2.5污染特征[6]。

此外，也有一些研究针对上海市或包括上海市的某个特定区域，如胡亚旦等利用1961-2007年全国721个气象站的霾天气观测资料，分析了中国大陆地区霾天气的时空分布特征，指出上海在这47年间平均霾天气年总日数为58 d[7]；史军等基于华东449个气象站点1961-2007年的雾、霾、气温等数据，分析了华东雾和霾日数的变化特征及成因[8]；靳利梅等利用上海11个气象站点1951-2007年期间雾日和霾日统计资料，分析了上海雾和霾日的气候特征及变化规律。然而，涉及上海市雾霾天气变化的研究多集中在1961-2007期间，但对近几年上海市雾霾天气变化研究较少。

本文首先对上海市长期以来雾霾天气年际变化情况及影响因素进行总结和分析，在此基础上利用上海市空气质量实时发布系统（http://www.semc.gov.cn/aqi/home/index.aspx）和美领馆空气质量实时监测系统（http://www.stateair.net/web/post/1/4.html）公布的近年来上海市PM 2.5数据以及上海市历史天气数据（http://tianqi.2345.com/wea_history/58362.htm）对PM 2.5变化趋势及相关影响因素进行分析，从PM 2.5的角度直观反映近几年上海市雾霾天气，从而为未来上海市雾霾天气预测及雾霾污染防治提供一定依据。

2 上海雾霾天气特征

2.1 上海雾霾天气年代际变化及影响因素

研究表明[7-9,10]，1961-2007年期间上海市雾日数除在崇明和青浦分别以3.7 d/10a和2.1 d/10a的线性趋势增加外，其他区、县都减少，而霾日数在所有区县都呈增加趋势，以十年作为一个时间段，这时期上海多年平均年总雾和霾日数变化情况如图1所示。

上海市多年平均雾日数由1961-1970年间的36.8d/a减少为2001-2007年间的19.3d/a，平均雾日数几乎降低了一半，降幅为3.5d/10a。雾日数的减少往往与冬季最低温度的升高以及相对湿度的减小有关[11]。1961-2007年间上海市增温显著，同时平均温度露点差增加(露点温度指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度）[9]，表明上海市天气呈现出变暖变干的趋势。另外，研究表明，雾日数的减少与城市化和城市下垫面的改变有联系[10]，这期间，上海市经济发展迅速，城市化进程遥遥领先，高楼大厦崛地而起，城市下垫面性质有了很大的改变，改变了自然的辐射平衡和水汽平衡，城市热岛效应加强，对雾的形成起了一定的抑制作用。

在雾日数减少的同时，上海市霾日数增加速度非常快，其中1991-2000年间平均霾日数较前一个时期有降低趋势，但随后一个时期内，又迅速增加，并达到峰值。整体上来看，上海市平均霾日数从1961-1970年期间的7.7d/a到2001-2007年期间的141d/a，增加了17倍，增幅约为26d/10a。霾日数的增加往往与平均风速的减小以及人类活动排放的大气污染物增加有联系[12]。上海市的快速发展，使煤炭等主要能源的消耗增多，随之产生的废气量增加，同时机动车辆的猛增使得汽车尾气的排放也成为一大主要污染排放源，大气中悬浮颗粒物增加迅猛，导致霾日的出现越来越频繁。

图1 上海市多年平均雾和霾日数

2.2 上海市PM 2.5浓度变化及影响因素分析

《上海市环境状况公报2013》[25]中指出，上海市2013年全年124个污染日中，首要污染物为PM 2.5的有87天，占70.2%，其年日均值为62μg/m³，超出《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）二级标准27μg/m³。在2012年底到2013年上半年，上海市雾霾天气中，PM 2.5的日平均浓度长时间高达250μg/m³以上。现在利用2008年以来上海市PM 2.5的年平均质量浓度及月平均质量浓度等数据，对近年来上海市PM 2.5变化进行分析。

（1）年平均质量浓度变化及其影响因素

上海市2005年启动PM 2.5试点监测，目前设有普陀、虹口、徐汇上师大、杨浦四漂等九个国控评价点以及青浦淀山湖的一个清洁对照点。亢燕铭[13]等采用上海市城市环境气象中心2008年-2012年连续观测的PM 2.5小时资料，对上海市环境空气PM 2.5变化特征做了简要分析，本文利用其文献中提及的2008-2012年PM 2.5年平均值以及相关网站上[19,20]公布的2012年1月1日至2014年12月31日期间的历史有效PM 2.5值，得到2008年以来PM 2.5的年平均值变化情况，如图2所示。从图2中可以看出，上海市PM 2.5年平均质量浓度在2008-2011年期间呈下降趋势，2012-2013年呈上升趋势，其中2013年涨幅明显，这也与2013年上海遭遇长时间强雾霾天气相一致，2014年又有所回落。根据《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中规定PM 2.5的年均值的二级标准限制（35 μg/m³），2008年以来，除了2011年的年均值（34 μg/m³）达标以外，其余几年均都不达标。

图2 2008-2014年上海市年均PM 2.5浓度

上海市PM 2.5来源如图3所示，其中机动车排放、工业排放等为主要的因素。根据上海市统计年鉴，可以得到2008 ～ 2014年上海市工业废气排放总量以及民用车辆拥有量的变化情况，如图4。上海市工业废气排放总量呈现增加后稳定的趋势，自2010年以来维持在13 000亿标m³左右，民用汽车拥有量成逐年增加趋势，但两者变化趋势与PM 2.5年均变化趋势相关性不明显。

图3 上海PM 2.5主要来源

图4 2008～2014年上海市工业废气排放量及民用汽车拥有量

（2）月均质量浓度变化及影响因素

此处利用上海市空气至来年个实时发布系统公布的PM 2.5日均浓度值，对2012-2014年期间的上海市PM 2.5按月进行整理，得到PM 2.5平均质量浓度月变化情况，如图5。从图中可以看出，每年PM 2.5的月均值呈先减小后增大的趋势，其中12月、1月份的PM 2.5月均值明显高于其他月份，介于64.41-122.18 μg/m³之间，8月份的月均值处于一年中的最低值，介于16.64-30.14 μg/m³之间，这符合雾霾天气的季节分布基本是冬多夏少，春秋季居中的规律。上海市冬季受大陆高压控制，大气稳定度大，雨量少，较为干燥，易于地层大气中细颗粒物的富集，形成雾霾天气；而夏季雨日多、雨量大，雨水对空气中的灰尘等污染物起冲刷作用，并且局地对流强烈，不利于雾霾天气的形成。

图5 2012-2014年上海市月均PM 2.5浓度

如上文所述，PM 2.5平均质量浓度季节性变化规律明显，而季节性变化中最明显的变化因素为气温和降水量，另外由于2013年冬季PM 2.5水平明显高于其他两年，因此以2013年上海市每月平均气温和降水量数据为例，得到平均气温和降水量随月份变化的规律，如图6。分别对比平均气温和降水量月变化趋势与2013年PM 2.5月均浓度变化趋势可以发现，上海市PM 2.5质量浓度变化规律与平均气温以及平均降水量均呈负相关，且相关性都较为明显，其中与气温的相关系数为0.85，与降水量的相关系数为0.79，如图7。因此，在雾霾防治过程中，不可忽视气温及降水量等因素的影响。

图6 2013年上海市月平均气温（℃）与降水量（mm）

图7 2013年上海市月均PM 2.5质量浓度与月平均气温及降水量的相关性

（3）雾霾天气下PM 2.5在一天中的变化

为研究雾霾天气下PM 2.5在1 d中随时间的变化，利用美领馆公布的2013年12月上海市每天的PM 2.5小时浓度值，对12月期间31 d的PM 2.5值按小时进行平均化处理，得到PM 2.5浓度月时均值的变化情况如图8。该月上海市出现持续性强雾霾天气，PM 2.5时均浓度普遍偏高。从日变化情况来看，0:00～3:00点期间PM 2.5浓度较为稳定，4:00开始有明显上升趋势，到9:00达到峰值，随后开始回落，12:00出现一个波谷值，12:00之后的浓度较为稳定，起伏不大，其中在14:00和19:00出现两个较小的峰值。早上6:00左右随着人类活动的开始，机动车尾气排放使得空气中PM 2.5含量迅速升高，9:00左右达到上班高峰时段，同时此时地面还处于温度较低的状态，逆温不利于PM 2.5的扩散，导致其质量浓度达一天中的最大值。高峰期后，机动车尾气排放减弱，同时太阳光照辐射增强，地面温度升高，大气层结处于不稳定状态，有利于PM 2.5的扩散，这也解释了雾霾污染一般在9:00左右最为严重。

图8 2013年12月PM 2.5平均每小时质量浓度日变化情况

3 结论与建议

（1）1961-2007年间，上海市雾日数整体呈减少趋势，降幅为3.5 d/10a，而霾日数在所有区县都呈增加趋势，从1961-1970年期间年均总霾日数7.7 d到1961-2007年期间年均总霾日数141 d，增加了17倍。

（2）上海市PM 2.5年平均质量浓度在2008-2014年期间呈降-升-降的趋势，除了2011年的年均值（34 μg/m³）达到《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中二级标准以外，其余几年都不达标。另外，PM 2.5的月均值呈先减小后增大的趋势，其中12月、1月份的PM 2.5月均值明显高于其他月份，8月份的月均值处于一年中的最低值，符合霾天气的季节分布基本是冬多夏少，春秋季居中的规律，这与气温和降水量等气象因素有较为明显的相关性。

（3）通过对PM 2.5的日变化研究可知，由于早高峰人类活动产生的机动车尾气的排放以及逆温层的存在，上海市PM 2.5质量浓度在上午9:00左右达到峰值。

（4）在雾霾治理过程中，不仅要针对传统雾霾形成机理，更应该根据上海市雾霾天气的特殊性，提出合理控制与预防方案。PM 2.5是雾霾形成的主要成分，控制与减少PM 2.5的排放或生成非常重要，上海市PM 2.5主要来自于工业、机动车尾气排放、区域相互影响、秸秆燃烧、餐饮等，因此必须从这些源头上控制PM 2.5的源排放。其次，气象因素在雾霾的形成过程中举足轻重，在雾霾防治过程中，不可忽视对气象要素的考虑。另外，在城市化进程不断加快的同时，尽量保护植被不被破坏，保证城市下垫面性质不发生大的改变，从而维持上海市的辐射平衡和水汽平衡。

[1] 杨洪斌, 邹旭东, 汪宏宇等. 大气环境中PM 2.5的研究进展与展望[J]. 气象与环境学报, 2012, 28(3): 77-82.

[2] 亢燕铭, 王洪强, 贺千山. 上海环境空气PM 2.5变化特征的简要分析[J]. 绿色建筑, 2014, 1: 18-20.

[3] 张运英, 黄菲, 杜娟, 等. 广东雾霾天气能见度时空特征分析——年际年代际变化[J]. 热带地理, 2009, 29(4): 324-328.

[4] 中国气象局. 地面气象观测规范[M]. 北京: 气象出版社, 2003: 21-27.

[5] 吴兑. 霾与雾的识别和资料分析处理[J]. 环境化学, 2008b, 27(3):3 27-330.

[6] 何萍芬. 郑州市大气污染物分析及其与呼吸道感染疾病的相关性[J].中国临床康复, 2006, 10(36): 1-3.

[7] 邓启红, 胡肖肖, 刘蔚巍等. 颗粒物在人体呼吸系统传输与沉积数值模拟研究[J]. 建筑热能通风空调, 2009, 3: 008.

[8] McCreanor J, Cullinan P, Nieuwenhuijsen MJ. et.al. Respiratory Effects of Exposure to Diesel Traffic in Persons with Asthma[J]. The New England Journal of Medicine. 2007, 357: 2348-58.

[9] Pope III CA, Ezzati M. Dockery DW.et al. Fine-Particulate Air Pollution and Life Expectancy in the United States[J]. The New England Journal of Medicine. 2009, 360(3): 76-86.

[10] Lepeule J, Laden F, Dockery D, Schwartz J. Chronic Exposure to Fine Particles and Mortality: An Extended Follow-up of the Harvard Six Cities Study from 1974 to 2009[J]. Environmental Health Perspect.2012. 120: 965-970.

[11] Evans J, van Donkelaar A, Martin RV, et.al. Estimates of global mortality attributable to particulate air pollution using satellite imagery[J]. Environ Res. 2013, 120: 33-42.

[12] 张小红, 刘炼华, 陈喜红. 长沙地区雾霾特征及影响因子分析[J].环境工程学报, 2014, 8(8): 3361-3366.

[13] 尹承美, 于丽娟, 张永靖等. 济南市雾霾特征分析[J]. 中国人口: 资源与环境, 2014, 24(11): 68-70.

[14] 胡琳, 苏静, 陈建文等. 西安地区霾天气特征及影响因素分析[J].干旱区资源与环境, 2014, 28(7): 42-45.

[15] 赵秀娟, 蒲维维, 孟伟等. 北京地区秋季雾霾天PM2.5污染与气溶胶光学特征分析[J]. 2013, 34(2):416-423.

[16] 胡亚旦, 周自江. 中国霾天气的气候特征分析[J]. 气象, 2009,35(7): 73-78.

[17] 史军, 崔林丽, 贺千山, 孙林. 华东雾和霾日数的变化特征及成因分析[J]. 地理学报, 2010, 65(5): 533-542.

[18] 靳利梅, 史军. 上海雾和霾日数的气候特征及变化规律[J]. 高原气象, 2008,27: 138-143.

[19] 上海市空气质量实时发布系统. http://www.semc.gov.cn/aqi/home/index.aspx.

[20] U.S. Quality Department of State Air Quality Monitoring Program.http://www.stateair.net/web/post/1/4.html

[21] 上海历史天气查询. http://tianqi.2345.com/wea_history/58362.htm.

[22] 于润玲, 穆海振. 上海雾的气候变化特征及城市化对雾影响的初步研究[J]. 大气科学研究与应用, 2009, 1: 27-36.

[23] 刘小宁, 张洪政, 李庆祥等. 我国大雾的气候特征及变化初步解释[J]. 应用气象学报, 2005, 16: 220-229.

[24] 高歌. 1961～2005 年中国霾日气候特征及变化分析[J]. 地理学报,63: 762-768.

[25] 2013 上海市环境公报. http://www.envir.gov.cn/law/bulletin/2013/.

[26] 张襦心. 北京雾霾与上海雾霾的区别在于铜锅涮肉与猫屎咖啡[J].新民周刊, 2013, 48: 37-39.

[27] 上海统计年鉴 2014. http://www.stats-sh.gov.cn/data/toTjnj.xhtml?y=2014.