基于自动观测资料的浙江省霾日判识指标研究*

陈懿妮 罗玲 张纪伟 赵军平

(1.浙江省气象台，浙江 杭州 310017；2.浙江省气象局，浙江 杭州 310002)

基于自动观测资料的浙江省霾日判识指标研究*

陈懿妮1罗玲1张纪伟2赵军平1

(1.浙江省气象台，浙江 杭州 310017；2.浙江省气象局，浙江 杭州 310002)

基于逐小时自动观测资料，综合考虑能见度、相对湿度和PM2.5浓度的变化及其持续时间，拟定四种方案来判识霾日，从而对浙江省近两年的霾日进行回算。结果对比分析表明：综合考虑能见度、相对湿度、PM2.5及持续时间的判识方法是可行的，得到的霾日数在合理范围内，能较好的反映霾天气的空间分布、日变化、季节变化和污染天气发生的状况；相对湿度条件的不同使得夜间霾次数波动较大，从排除弱降水和轻雾影响的角度来看，相对湿度阈值定为小于90%更为合理。

霾日；判识；PM2.5；回算

0 引 言

随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，近年来，霾天气的影响日趋严重。尤其是2013年冬季中国中东部地区大范围的持续性霾天气过程，引起了社会各界的广泛关注[1-4]。浙江省地处长江三角洲腹地，经济和社会发展迅速，受霾天气影响严重[5]。根据杭州国家基准气候站监测，从2003年以来杭州主城区人工观测年霾日数基本在150天以上。当今的霾天气不再是完全的自然现象，而是呈现出明显的复合性[6]。霾已经被广泛用于表征城市地区严重大气污染导致的能见度降低及危害人类健康的大气环境现象[7]。

中国气象局《地面气象观测规范》中提到，霾是一种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 km的空气普遍浑浊现象。然而我国对于霾日的定义目前没有统一标准。由于中国地面气象观测规范中缺乏对霾的客观判断标准，霾的观测记录受观测员主观判断的影响较大，在相当长的时期内，霾被记录成了轻雾，有的台站早期长期无霾记录。2010年中国气象局颁布了国家行业标准《霾的观测和预报等级》(QX/T 113-2010)，霾的判识有了定量化的指标，但是该标准并没有给出具体的霾日判识标准。因此，探寻科学合理的霾日判识指标意义重大。

根据相关研究成果[8]和实际业务工作中对霾的观测经验，有必要在判识霾日的时候综合考虑过程能见度、相对湿度和PM2.5浓度的变化，以及持续时间。

浙江省在2013年9月率先实现全省能见度自动观测，自此能见度观测有了逐小时的数据资料，避免了长期以来的人工观测主观偏差。但是由于仪器观测原理的限制，所测能见度比目测能见度更容易偏低，因此在判识霾日的时候应将能见度标准适当的提高[9]，可将过去常用的小于10 km标准提高到小于5 km。按照相对湿度的不同霾可以分为干霾和湿霾，二者光学特性有所不同，在湿度较高的气象条件下，细颗粒物能够吸湿增长[10]，所以本文试用95%和90%两个阈值来回算以比较相对湿度对霾日的影响。在当前的城市大气环境中细颗粒物(即PM2.5)浓度居高不下[11-12]，新形势下判识霾日有必要考虑大气环境状况，才能使得结果更符合公众的直观感受，提高气象服务质量。按照天气现象连续变化的特征，从前仅用几个定时时刻的观测值来判定霾日[13-14]不尽合理，应该根据连续的资料先判定“霾时”，再进一步根据“霾时”判定霾日才更科学。

根据以上讨论，可以拟定以下4种方案来判识霾日：

1)能见度低于5 km，相对湿度小于90%，排除降水等天气因素的影响，不考虑PM2.5；2)能见度低于5 km，相对湿度小于95%，排除降水等天气因素的影响，不考虑PM2.5；3)在方案一的基础上考虑PM2.5；4)在方案二的基础上考虑PM2.5。

本文将参照这4种方案来回算近两年(2014年—2015年)浙江省的霾日分布情况，并进行对比分析，以期提供具有较好历史延续性且能反映浙江省霾日时空变化特征的判识指标。

1 资料和方法

1.1 资料及缺测情况

采用浙江省环保局提供的分区县污染物逐时监测数据，匹配相应区县气象代表站地面气象观测的逐时数据，得到同步的PM2.5、自动能见度、自动相对湿度逐时数据。匹配完成后，全省总计69站有效数据；资料时间长度为2014年至2015年共1208880时次。其中缺测时次为平均23.2时/站，且缺测时次85%集中在夏季，对总体分析影响不大，不作进一步处理。

1.2 回算方法

1.2.1 单站霾日和等级界定方法

首先，逐小时统计能见度(以下简称V)≤5 km，相对湿度(以下简称RH)<95%(方案二和四)或90%(方案一和三)，PM2.5小时浓度(以下简称PM2.5)>75 μg/m3(方案三和四)，并排除降水的情况，符合条件则判定为一个霾时次。在满足霾时次条件的基础上，同时满足3.0150 μg/m3则判定为重度霾，不同时满足的情况降级处理。(方案一和二不需要满足PM2.5的分级条件。)

21—20时内连续6 h及以上有霾时次，则记为一个霾日。如果跨日界出现连续6 h，霾日记录归在大于3 h的日内；若相同，则统一归到前一日。在满足霾日条件的基础上，霾时次等级出现频次最多的等级作为该日的霾日等级，若出现频次相同，则以最高等级作为该日的霾日等级。

1.2.2 区域霾日和等级界定方法

浙江省的各个行政区域内某一天有大于或等于1/3测站满足霾日条件，则该行政区域记一个霾日。霾日等级出现频次最多的等级作为该日的霾日等级，频次相同时取最高等级。

1.2.3 全省平均霾日算法

用69个测站的霾日数求算术平均得到全省平均霾日数。求全省霾的日、月变化时，也用69站的算术平均值来表征其变化规律。

2 回算结果与分析

2.1 各级霾时次的日分布

对浙江全省69个站平均的霾时次(2014—2015年的总和)做小时分析，从图1中可以看到，浙江省霾时表现出“双峰双谷”的日分布特征，主峰值出现在09时左右，次峰值出现在22—23时左右，谷值分别在05—06时和15时左右。11—17时，方案一和二重合率较高，方案三和四重合率较高；18时—次日10时，方案一和二差异增大，方案三和四差异增大。可见相对湿度阈值的改变使得夜间霾次数波动较大，白天一致性较好。

从不同等级霾时次的日变化来看，总霾、轻度霾、中度霾和重度霾的波形都比较相似，轻度霾时次数量是中度霾时次的两倍左右，重度霾时次最少。考虑PM2.5的影响可使得各级霾时次数量有一定程度的衰减。

2.2 单站和区域霾日数的空间分布

图2a—2d给出了近两年(2014—2015年)平均的单站霾日数空间分布，各方案回算结果都呈现出浙中北多浙南少、浙西多浙东少的总体分布特点。从地形来看，霾日较多的区域主要集中在杭嘉湖平原和金衢盆地，较少的区域集中在浙南丘陵和沿海岛屿，体现出盆地、平原多，丘陵、沿海岛屿少的分布特征。对比近5年(2008—2012年)历史平均人工观测霾日数(图2e)来看，空间分布形态基本一致，杭嘉湖平原和金衢盆地高值区对应好，但是方案三和四的中心最大值明显小于方案一和二，同时，温州地区高值在方案三和方案四的回算结果中没有体现，这是因为人工观测没有充分考虑PM2.5浓度的变化所造成的。总体来看，霾日判识方案的历史延续性在空间分布上表现的较好。

图1 全省69站平均霾时次日分布(2014—2015年总和)

表1给出了浙江69个单站回算霾日数分布范围和11个行政区霾日数统计结果。浙江省霾日数分布县域差异大，单站范围跨度大，霾日数最多的站和最小的站天数相差可达到100天以上。总体来看霾日数最多的行政区域是绍兴地区，最少的是台州地区。2015年的霾日数较2014年有所减少，减少幅度大约在20%左右，这与环保部发布的《2015中国环境状况公报》趋势一致，折射出生态文明建设取得的积极进展。各方案霾日数对比表现为：方案三<方案四<方案一<方案二。方案二回算结果远远大于其他三种方案，结合我省实际和历史数据的分析，可以看出方案二的回算结果明显偏多，尤其是绍兴地区会出现一年有200多个霾日的情况，几乎非雨即霾。方案一回算结果略多于方案四。从霾日数量来看方案一、三和四比较接近近5年历史平均数。

表1 浙江69站及行政区霾日数回算结果 d

图2 浙江省霾日数空间分布图(a、b、c、d分别为方案一二三四回算的2014、2015年平均69站霾日数，e为2008—2012年平均人工观测霾日数)(单位：d)

2.3 霾日等级的空间分布和占比

2014—2015年霾日等级回算的地区分布结果如图3所示，不同等级霾日数比较来看，方案一和二均表现为：中度霾>轻度霾>重度霾，方案三和四除了温州地区是：轻度霾>中度霾>重度霾，其他地区都表现为：中度霾>轻度霾>重度霾(其中方案四杭州、丽水中度霾略小于轻度霾)。轻度霾和中度霾平均日数中排名前三的依次为绍兴、嘉兴、杭州地区。重度霾日数都比较少，基本只出现在杭州、湖州、绍兴、金华、丽水、舟山地区(其中舟山地区由于测站只有三个，有一站满足条件就被判识为区域满足条件，所以容易被判识为有霾)。

从不同等级霾日占比来看(表2)，2014年和2015年，在方案一和二的结果中，中度霾比例都超过60%，在方案三和四的结果中，轻度霾比例略小于50%而中度霾比例略大于50%，四种方案回算重度霾比例都低于2.3%。2014和2015年相比，各级霾日数占比变化不大。

从以上分析可以看出，霾的判识指标中加入PM2.5的条件，会使得轻度霾的比重增加，中度霾的比重下降，变化幅度10%～15%，重度霾的比重略有增加。在不考虑PM2.5的时候，提高相对湿度的阈值，会使得轻度霾比重略有减少、中度霾和重度霾略有增加。而考虑PM2.5的时候，提高相对湿度的阈值，会使得中度霾比重略有减少、轻度霾和重度霾略有增加。

图3 浙江11个行政区各级霾日数对比(2014—2015年总和)

2014年方案一方案二方案三方案四2015年方案一方案二方案三方案四轻度霾37．0%32．2%49．2%51．1%34．2%29．6%41．3%44．9%中度霾62．5%66．5%50．1%46．9%64．6%68．9%56．8%52．8%重度霾0．5%1．3%0．7%2．0%1．2%1．5%1．9%2．3%

2.4 霾的季节变化

图4给出了2014—2015年总共的霾日数月分布情况。由图可见，各方案都体现出霾天气在冬季多、夏季少的特点，春秋为过渡季节，其中春季有一个弱的次峰值。方案一二跟方案三四的差别最大在春季，其次在秋季、夏季、冬季，这与PM2.5的浓度在冬季达到峰值，向着夏季衰减的规律是相匹配的，即PM2.5作为首要污染物的比重从冬季到夏季是衰减的。这与以往的研究结果也是一致的[12]。

图4 全省69站平均霾日数月分布(2014—2015年总和)

3 结 语

基于逐小时的自动观测资料，本文使用了四种不同的霾日判识方案，对2014—2015年浙江省的霾日进行了回算，并对比分析，得出如下结论：

1)从霾时的小时变化来看，相对湿度阈值选取90%和95%的差异主要出现在夜间时段，白天两者的一致性较好。这主要是由湿度的日变化引起的，相对湿度阈值选取小于90%，可以排除弱降水和轻雾的影响。同时，回算结果能够反映霾天气的“双峰双谷”日变化特征。

2)考虑霾天气的持续时间的判识方法，按照方案一、三、四回算得到的霾日数均在合理范围内，按照方案二回算得到的霾日数偏多。霾日数的空间分布形态，和历史人工观测结果一致，具有良好的延续性。2015年的霾日数少于2014年，这符合环保部发布的《2015中国环境状况公报》。

3)考虑了PM2.5的回算方案，会使得轻度霾的比重增加而中度霾的比重下降，这是符合逻辑的。同时，能够反映污染天气发生的状况，这与近年来的空气质量状况相符，符合公众的直观感受，可行性大。

4)回算结果能够反映霾日数“秋冬多、春夏少”的季节变化特征。

5)综合来看，考虑自动能见度小于5 km、自动相对湿度小于90%，同时考虑PM2.5浓度的变化及其持续时间的方案三，回算效果最为理想。

目前浙江省已全面开启能见度、相对湿度自动观测时代，采用逐小时能见度、相对湿度自动观测值来进行霾的判识具有可操作性。但需要解决如何与历史上的人工观测资料进行均一性订正的问题，这有待进一步研究。

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2016-08-01

*资助项目：浙江省气象科技计划项目(2015ZD07)