宝坻区霾的统计特征及天气形势和要素场分析

赵茹仪

摘要：本文使用自动站历史数据、Micaps软件天气实况图，运用Danial趋势检验法、统计分析方法等研究了宝坻区近30-38年的霾气象要素特征。得出近30年来，宝坻的霾天气呈现明显的季节分布特征，冬季频率最高，其次为春、秋和夏季。而近38年来霾的日变化分为三个阶段，其日数的缓慢上升及21世纪以来的激增趋势与工业化进程密不可分。2018年1月18日至20宝坻区出现了一次中度霾天气过程，主要由上游污染物配合弱的西南风引起，并在较长时间的均压场控制及低边界层、不利扩散条件影响下维持。过程期间海平面气压梯度小、风速弱，是致使扩散条件差，霾过程持久的首要原因，而污染物浓度的上升对应着湿度增加及气温降低，即相对湿度与气温呈负相关。

关键词：霾；显著上升；季节分布；均压场；不利扩散条件；负相关

1.引言

宝坻区地处京、津、唐三角地带，具备农村一二三产业融合发展先导优势[1]。近年来，区域工业发展及城市化进程加速了近地面污染物、粉尘等微小颗粒累积，配合一定天气系统引发的近地层逆温，霾天气时有发生。灰霾主要是由悬浮在空气中的细颗粒引起的大气能见度降低的天气现象，与空气污染程度的变化关系密切[2]。本文以宝坻气象局本站探测环境范围为研究对象，统计分析了1989-2018年宝坻区霾的气候学概况，并以2018年1月18日-20日发生的一次中度霾天气过程为例浅析霾天气下气象要素场之间的相关关系及此次霾过程的影响因素，为重污染天气的预测、预警提供参考。

2.资料收集与处理

2.1 霾资料

本文中霾的定义为：水平能见度小于7.5km（人工阈值10.0km），相对湿度小于60%的视程障碍现象。《地面气象观测业务技术规定实用手册》在2016年将日数据中霾的记录规定为一日内连续6小时及以上出现霾，则记入日数据文件连续天气现象段[3]。为保持历史数据采集一致性，本文利用1989-2018年宝坻区地面观测资料中的天气现象小时数据为数据源，即定义一日内满足1小时出现霾（排除浮沉、扬沙、降水等天气过程影响），则该日为一个霾日。

3.霾的时间分布特征

表1为1989-2018年宝坻区霾的季节分布，由表1可见，1989-2018年共10957天，出现霾的天数2250天，年平均出现率20.5%。宝坻区霾的季节分布特征较明显，冬季霾的出现率最高，达30.3%；春季与年平均接近，为22.1%；秋季略少（17.6%）；夏季最少（12.3%）。又根据1981-2010年霾日数（1981-1988年统计数值略）分析得出：80年代霾天气较少，趋势倾向率為7.6天/a；90年代急剧上升为33.7天/a；2001-2010年增多至77天/a，是90年代的2.3倍，是80年代的10.1倍；2011年至今的8年倾向率增至139.2天/a[5]。

4.宝坻区霾天气影响因素分析

影响霾天气发生和发展的因素较多，与人类活动密切相关的有城市化进程、大气污染、气候变化等，气象因素包括：降水、日照、气温、相对湿度、风速、云量、下垫面、天气形势等[6]。下面将列举部分进行讨论。

4.1 城市化与大气污染

根据第3节的分析结果，结合部分现有研究结论，我们将近38年来宝坻区的霾日年变化大致分为3个阶段。1982-1990年为第一阶段，霾天气从1981-1983年经历了一次波动，此后较为稳定，这段时期宝坻本地排放的大气污染物极少，推测这一时期的霾天气可能与直接排放的粉尘污染或外来源相关联[7]；1991年-2000年为第二阶段，宝坻工业发展开始起步，但水平较低，污染物排放较为分散，主要为硫酸盐离子与粉尘相叠加形成[8]；进入21世纪后，宝坻区城市化、工业化发展迅速，机动车保有量不断增加，主要出现的是机动车尾气引起的光化学污染[9]叠加上述两阶段污染物组成的混合大气污染，因此2001年至今为第三阶段，其中2014年的霾日数达到了峰值的248天。2017年政府实施大气污染治理最严“停工令”方案，宝坻区霾天气有所缓解，但仍维持在150d/a左右的水平。

4.2 2018年1月18日-20日宝坻区霾天气过程实况及气象条件分析

重污染天气过程前24小时：17日05时至09时平均风速为1.1米/秒、相对湿度为75%，霾和轻雾交替出现，高湿度和小风速（<1.5米/秒）导致PM2.5累积，空气质量维持在轻度污染水平，午后风力加大，空气质量转为2级良。

通过Micaps4绘图软件查询历史资料，分析高空、地面图，得出统计表（表略），并总结出此次污染天气过程的天气形势和气象条件：

17日20时，河北中南部部分地区已形成重度污染；宝坻区地面流场呈弱的南北风场辐散，高空为槽后西北气流，海平面受均压场控制，地表偏西风，风力不大，相对湿度24%。23时，地面转为偏北风，18日02时开始受弱的西南风控制，受不利区域输送影响，空气质量在01时骤降（AQI达峰值387）后维持在严重污染水平（图3）。

18日08时高空浅槽移近，边界层有所升高，地面转为西北风，风速1.0m/s，空气质量略有转好，但因逆温层的建立，大气扩散条件较差，宝坻区的空气质量仍处于中度污染水平。20时，地面位于弱高压前部的均压场内，地面辐散增强，西南风，风力略有加大，且相对湿度在夜间持续升高，导致空气污染物快速累积，至19日08时，AQI再次达到349的峰值；18日夜间至19日中午时段，由于地面逐渐转为低压后部控制，且受贴地逆温的影响，污染物扩散条件极为不利，AQI达200以上的时次有9个。

19日下午至夜间，地面流场逐渐转为弱辐合，风力加大，空气质量略有好转，但由于维持西南风控制，污染物累积量没有明显下降，仍维持在中度污染水平。20日08时，地面东北风，1.2m/s，白天转为东南风，风力加大到3-4级，受海上清洁气团影响，空气质量逐渐转好，11时AQI已降至100以下。20时地面处于高压底部，夜间受持续偏东风影响，逆温层逐渐瓦解，大气垂直扩散条件改善，霾天气过程趋于结束。

5.霾天气过程气象要素场分析

2018年1月18日至20日霾过程期间，宝坻区的最小能见度达1300米，首要污染物为PM10，其浓度在19日09时达到0.421mg/ ，相当于污染指数大于300，处于重度污染水平。1月17日21时-20日20时，海平面气压在1019.3hpa至1026.6hpa之間波动，梯度较小，风速除19日13时-16时及20日09时以后均在3级以下，不利扩散条件使得污染物持久累积，引发了长时间的霾天气过程。

通过统计2018年1月17日21时至2018年1月20日20时相对湿度、气温、AQI、PM2.5、PM10浓度等要素实况序列，分析得出：

相对湿度会在污染物累积前有所上升，底层湿度的增加促进了逆温层的建立，在空气质量指数达到峰值（严重污染）后相对湿度逐渐升值极值。而温度的情况与之相反，因此相对湿度与气温呈负相关。

6.结论

近30年，宝坻区的1-12月霾日变化呈显著上升趋势，而月变化没有明显特征；1月份霾日数最多，8月份最少。霾的年平均出现率为20.5%；冬季霾的出现率最高，春季与年平均接近，秋季略少，夏季最少。80年代较少霾天气，趋势倾向率仅7.6天/a；90年代升至33.7天/a；21世纪前10年增至77天/a，是90年代的2.3倍，80年代的10.1倍；2011-2018年倾向率激增到139.2天/a。近38年宝坻区的霾日年变化分3个阶段。分别与直接排放的粉尘污染及外来源、分散的硫酸盐离子叠加粉尘粒子及机动车尾气引发的光化学污染物相关。

2018年1月18日至20日污染天气过程前24小时，PM2.5已经开始小幅度累积。17日20时，上游地区形成重度污染，地面流场弱辐散，高空槽后西北气流，海平面均压场控制，地表偏西风，风力、相对湿度均不大，后半夜开始受弱西南风控制，空气质量骤降，夜间为严重污染水平。18日白天受移近高空浅槽影响，地面风转向，空气质量有所好转，但08时逆温层已建立，大气扩散条件差，空气质量仍处于中度污染水平。18日夜间至19日中午，地面位于弱高压前、低压后均压场内，地面辐散增强，相对湿度持续升高，空气污染物快速累积，且受贴地逆温影响，污染物扩散条件不利，AQI有9个时次达200以上。19日下午到夜间，由于地面转为弱辐合，风力加大，空气质量略有好转，但风向仍维持，污染物浓度没有明显降低，维持在中度。20日白天，地面偏东风，风力继续增大，空气质量转好，至中午前后AQI降至100以内。夜间地面转为高压底部控制，风力及海上清洁气团作用，逆温层瓦解，霾天气过程结束。

此次霾过程期间：宝坻区的首要污染物PM10浓度峰值达0.421mg/ ，导致重度污染；海平面气压梯度小，风速弱，致使扩散条件转差，引发持久霾过程。相对湿度在污染物累积前上升，在空气质量指数达到峰值后趋于极值。温与之相反，相对湿度与气温呈负相关。

参考文献

[1]农业农村部乡村产业发展司.2018年全国农村一二三产业融合发展先导区创建名单公示[EB/OL].http：//www.moa.gov.cn/xw/zxfb/201810/t20181022_6161194.htm.2018-10-22/2019-03-13.

中华人民共和国农业农村部.

[2]吴珂，汪婷，曾山佰，何娜.2011年11月苏州一次灰霾天气过程分析[J].气象与环境学报，2013，29（06）：31-36.

[3]中国气象局气象探测中心.地面气象观测业务技术规定实用手册[M].中国：气象出版社，2016.

[4]隋平，王宏，冯宏芳.1996-2005年福州市灰霾与天气形势关系的统计分析[J].福建气象，2009（1）：29-32.

[5]胡雪红，孙翠凤，张琳.德州市灰霾天气特征及成因分析[J].中国人口·资源与环境，2013，23（S1）：177-179.

[6]吴兑.霾与雾的区别和灰霾天气预警建议[J].广东气象，2004（04）：1-4.

[7]夏冬，吴志权，谭浩波.东莞1957—2011年降水和灰霾的长期变化趋势[J].热带气象学报，2013，29（03）：517-523.

[8]吴兑，邓雪娇，毕雪岩，李菲，谭浩波，廖国莲.细粒子污染形成灰霾天气导致广州地区能见度下降[J].热带气象学报，2007（01）：1-6.

[9]李兰霞，张硕，薛旭，冯晓.洛阳市灰霾天气的气候特征及影响因素[J].安徽农学通报（下半月刊），2010，16（14）：205-206.

（作者单位：天津市宝坻区气象局）