近十年天津市霾日数变化特征及持续性霾天气特征分析

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　　摘 要：本文利用天津滨海国际机场2008—2017年每隔半小时发布的METAR报文、ERA-Interim数据以及探空数据等，分析了近十年天津市霾日数变化特征，并从湿度、风场、压力场等方面进行霾的成因分析，此外还挑选一次持续性霾天气进行个例分析，结果表明：1）天津市年霾日数从2008年逐年上升，在2014年达到十年间最高值，之后有明显下降趋势，2017年降至十年间最低值。2）从季节分布来看，天津地区霾天气呈现全年易发的特点，但总体来看，秋冬较春夏多，其中12月最多，5月最少。3）一日之中，霾出现的概率有明显的日变化特征，清晨6点以后霾的出现频率剧增，高峰值出现在9-12点，午后，霾逐渐消散或转为轻雾。4）在霾天气发生前后，能见度、温度、湿度、风向风速均有显著差异，冬季霾在刚出现时，风向变化不明显，以偏南风为主，此后风向顺转，在霾消散的过程中，以西北风为主。5）逆温层的存在和大气层结稳定是霾发生的一个重要条件，表现为多个逆温层，逆温层高度较高，厚度较大。
　　关键词：霾;霾日数;气象成因;霾天气特征;风场;逆温
　　1 概述
　　根据中国气象局《地面气象观测规范》[1] 霾是一种视程障碍现象，是指大量极细微的干尘粒等均匀地游浮在空中，使能见度小于10千米的空气普遍混浊现象。近年来，随着社会经济的发展和城市化进程的加快，使得霾天气频繁发生，霾主要发生在大气底层，严重的霾或雾霾混合天气往往造成能见度严重不足，给交通运输行业带来很大影响;同时，霾天气严重影响空气质量，使空气质量等级达到重度污染，甚至严重污染，影响人们的日常生活和身体健康。可见，研究霾天气的时空变化特征及成因分析，加强霾的准确预报，发展气象探测技术，对公众出行和维护身心健康具有重要意义。
　　但在2005年之前，我国对霾的系统性研究不多，甚至对霾的观测都没有足够重视，近年来，随着霾天气被归入严重的灾害性天气当中，受到的关注和研究也多了起来，[2]我国针对霾天气的相关研究涉及许多方面，如霾的时空分布特征，霾的气象成因分析、污染影响因子分析、边界层分析、气候特征分析等，[3]潘玮等（2017）指出，近50年来（1961-2013年），中国霾天气主要集中在东部从华南到华北的大部分地区，霾日数呈增加趋势，而我国西部和东北大部分地区年霾日数则以减少趋势为主。秋冬两季是霾天气发生最频繁，变化最明显的两个季节。[4]中国北方，尤其是华北平原冬季霾污染愈发严重，霾的易发期由冬季转变为全年，冬季霾日数也明显上升。[5]
　　霾的形成在很大程度上受到人类活动的影響，霾天气频发除了与污染物排放有关，还受到天气、气候的影响，张文龙（2016）等指出：在污染排放尚未得到全面管控和明显改善的情况下，气象条件仍是决定霾天气发生、空气质量变差甚至达到重度污染的关键因素。[6]气象条件对污染物的扩散、稀释、分布和积累有一定的作用，在污染源强一定的条件下，污染物浓度的大小主要取决于气象条件。[7]马晓倩（2016）等研究表明，在东亚冬季风减弱和颗粒物充足的大背景下，霾天气与风力之间的负相关明显减弱，而水汽条件（降水和湿度）的正相关明显加强。[8]东亚冬季风在年代际和年际尺度上，都可以显著影响北方冬季霾，风是边界层内影响污染物扩散的重要动力因子，风向决定着大气中污染物的输送方向，风速决定着大气中污染物的扩散稀释速度，特别是低层风向、风速的变化直接影响空气污染物的聚散及各处的浓度变化。
　　我国学者针对霾天气的研究主要关注热点在中国东部区域的冬季霾，东部区域又以京津冀地区居多，如对北京严重霾天气过程的研究，[9]河北廊坊市连续重污染天气的气象条件分析等，[10-11]而针对天津地区的霾日数特征及成因鲜有研究，事实上，天津地区作为一个沿海城市，空气流动性相对较大，相比北京、石家庄等京津冀其他地区，气象要素对空气污染的影响存在较大时空差异，因此，研究天津地区的霾日数变化特征及气象成因分析具有一定现实意义。
　　2 数据与方法
　　2.1 资料来源
　　本文使用的数据为天津滨海国际机场2008年1月1日00：00-2017年12月31日12：30（UTC时间）的的METAR报文，报文内容主要包含风向、风速、能见度/RVR（跑道视程）、天气现象、温度/露点、气压值等。对霾的成因分析则使用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim数据，水平分辨率为1°×1°，此外，还有来源于北京南郊气象观测台的探空数据。
　　2.2 霾日判定标准
　　按照中华人民共和国气象行业标准《霾的观测和预报等级》（QX/T113-2010），霾观测的识别条件为：能见度小于10.0km，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮沉、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍，相对湿度小于80%，判识为霾;相对湿度小于80%-95%时，按照地面气象观测规范规定的描述或大气成分指标进一步判识（中国气象局，2010）。现有的研究对某日某地是否发生霾天气的判定方法不尽相同，现行行业标准判定霾日需要用到大气成分观测数据（如PM2.5），可能无法推演出较早时期的霾。[12]由于机场报文中天气现象一项中“霾”是根据能见度和相对湿度判识的，可信度高，为此，本文根据机场报文中“天气现象”一项出现“HZ”作为判识霾出现的标准，采用14时（UTC时间为6时）实测值，[13-14]即，在14时出现霾，则认定为霾日。
　　3 近十年霾日数变化特征及成因分析
　　3.1 近10年霾日数年变化特征
　　3.2 近10年霾日数季节变化特征
　　3.2.1 霾日数季节变化特征
　　3.2.2 成因分析
　　3.2.2.1 气候学分析
　　为从气候学的角度分析霾的成因，将2008-2017年的ERA数据按月份做10年平均化处理，以表征每个月的气候特征，由图2可知，10、11、12、1这四个月份为霾的多发月份，因此我们选取其中两个月850hpa对应的高度场和风场作为研究对象，因为该层大气能较好的反映大尺度的天气形势。 　　在进入10月份以后，降水天气明显减少，霾的出现则随之增加。从图a可以看出10月的850hpa高度场受到副热带高压控制，此时天气晴朗，干燥，污染物浓度相对较高，但不是全年最高，这是由于受到北方冷空气的影响，导致北风分量增大。而增大的北风分量有利于霾的消散。12月（b）相比10月份（a）冷空气活动更加频繁，北风分量也更大，但是平均霾日有增无减。這可能是由于北方冬季取暖大量燃烧煤炭造成的。
　　3.2.2.2 湿度分析
　　大气中水汽的含量影响着霾与雾的形成，且大气湿度是衡量大气中水分含量多少的参数，故选湿度作为研究霾成因的气象要素。
　　根据3.1得出的结论：2014年是天津市十年间年霾日数最高，而最低值出现在2017年，因此，这里选取2014年和2017年作为研究对象，结果见图4。
　　3.3 近10年霾出现概率日变化特征
　　图5为2008-2017年霾出现概率日变化图（北京时间），将一天24个小时划分为8个时间段，每个时间段包括三个小时，从中可看出：各季节霾出现概率日变化趋势基本一致，从全年来看，9点-12点是霾天气出现的高4.1 天气实况
　　2014年12月7日-10日，天津遭遇大范围雾霾天气。此次天气持续过程中，出现了霾——雾霾——雾相互转化的过程，霾多形成于白天，傍晚夜间转化为雾霾或轻雾，具有明显的日变化特征，这与本文3.3结论相吻合。此次雾霾天气持续时间长，影响范围广，造成低能见度和空气污染，给人们出行和身体健康带来严重影响。
　　4.2 地面基本气象要素特征
　　5 结论
　　（1）根据长期机场报文数据分析，天津地区年霾日数在2014年以前呈上升趋势，在2014年达到十年间最高值，2014年以后有明显下降趋势，2017年降至十年间最低值，这与政府对生态环境建设的重视密切相关。
　　（2）从季节分布来看，天津地区霾天气呈现全年易发的特点，但总体来看，冬季雾霾的出现频率为全年四季最高，大陆高压的控制以及中低层风场风速减小，使得冬季的霾日数和严重程度较其他季节多。
　　（3）霾出现的概率有显著的日变化特征，各季节霾出现概率日变化趋势基本一致，清晨6点以后霾的出现频率剧增，高峰值出现在9-12点，午后，霾逐渐消散或转为轻雾，入夜后，霾出现的概率较小。
　　（4）十年间，在霾日数较少的年份，相对湿度与霾日数的相关性最强，相对湿度的变化对霾的形成有较大影响，在霾高发的年间，相对湿度和霾日数的相关性较差。
　　（5）在霾与雾交替出现过程中，能见度、温度、湿度、风向风速均有显著差异，较霾天气相比，轻雾或雾霾混合天气往往能见度更低，相对湿度较大，风速更弱，在霾刚出现时，风向变化不明显，以偏南风为主，此后风向顺转，在霾消散的过程中，以西北风为主。
　　（6）霾天气持续期间，天津地区上空始终有逆温层存在，层结特征表现为：多个逆温层同时存在，并且逆温层高度较高，厚度大。
　　参考文献：
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　　基金来源：天津市大学生创新创业项目（项目编号：20180059065）
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