張弛

摘要 利用2009年12月～2010年11月的上海氣象資料、顆粒物資料和后向軌跡聚類分析方法對在此期間的霾日進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，上海霾發(fā)生時多盛行由內(nèi)陸而來的西南和西北氣流，且各季有所不同，夏季以西南氣流為主，春季比較平均，秋、冬季節(jié)則以西北氣流為主；較高的相對濕度和較小的風(fēng)速有利于霾的形成；上海霾的發(fā)生受到當(dāng)?shù)睾屯獠枯斔蛢煞矫嬉蛩赜绊?，其中以?dāng)?shù)赜绊憺橹鳎患氼w粒物對霾發(fā)生的貢獻很大，上海絕大部分的霾日中，PM2.5/PM10的比值均達0.5以上；上海霾的產(chǎn)生可能與機動車尾氣排放有比較密切的關(guān)系。

關(guān)鍵詞 霾；影響因素；變化特征；上海

中圖分類號 S161 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）20-06725-03

霾是指大量極細微的干塵粒均勻地浮游在空中，使遠處光亮物微帶黃、紅色，黑暗物微帶藍色，水平能見度<10 km的空氣普遍有混濁的天氣現(xiàn)象。研究表明，霾中的物質(zhì)成分除了細塵以外，還包括硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、碳氫化合物、黑碳等粒子[1]，正是由于大量極細微的污染性氣溶膠的存在，霾天氣對人類的身體健康具有極大的危害性。上海市霾期間PM2.5、PM10污染對醫(yī)院呼吸科日均門診人數(shù)具有一定影響[2-3]。因此，霾的特征和成因均日益受到人們的關(guān)注。

國外學(xué)者較早地對霾的物質(zhì)組成及氣候特征進行了研究[4-6]。近年來，我國學(xué)者對霾的研究也漸趨深入，我國年和四季霾日的空間分布特征均呈現(xiàn)東多西少的空間分布態(tài)勢，且霾的增加是造成太陽總輻射減少的主要原因之一[7]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在我國風(fēng)力條件（大氣污染物稀釋擴散能力）的變化對霾天氣增減趨勢的影響非常顯著[8]；而在對各地的研究中，珠江三角洲區(qū)域灰霾天氣過程與區(qū)域內(nèi)靜小風(fēng)過程有密切聯(lián)系，清潔對照過程與強平流輸送有關(guān)[1]，較高的PM2.5濃度和較高的相對濕度及較小的風(fēng)速是導(dǎo)致廣州霾天氣形成的主要原因[9]。 可見，霾的形成與氣象條件和空氣中顆粒物含量均有密切聯(lián)系。筆者利用后向軌跡聚類等方法，綜合兩方面因素，對2009年12月～2010年11月上海1年內(nèi)霾日進行分析，以期對上海霾的形成、發(fā)展、成因和特征等有較細致和全面的了解。

1 資料與方法

1.1 資料來源

所用風(fēng)速和相對濕度資料來自于上海徐家匯測點，能見度資料使用的是上海市普陀區(qū)華東師范大學(xué)PWD22能見度儀的觀測數(shù)據(jù)，其經(jīng)緯度坐標為31.14°N、121.24°E，15 m。顆粒物數(shù)據(jù)包括PM2.5和PM10的小時數(shù)據(jù)，均來自于上海普陀監(jiān)測站。用于軌跡計算的氣象場資料為NOAA 的FNL 資料。參考世界衛(wèi)生組織提出的空氣質(zhì)量準則，過渡時期目標中規(guī)定PM2.5的日平均濃度<0.037 5 mg/m3。在此以PM2.5日均值<0.037 5 mg/m3以及能見度日均值<10 000 m為篩選標準，篩選出2009年12月～2010年11月發(fā)生的霾日數(shù)。

1.2 研究方法

由于氣象場的觀測誤差、分析誤差、時空分辨率以及模式所用的一些假定會對單根軌跡的精度產(chǎn)生各種影響，因此常采用聚類分析的方法來研究空氣質(zhì)量、氣溶膠的理化特性與不同輸送態(tài)勢之間的關(guān)系。聚類分析是一種多元統(tǒng)計技術(shù)，近年來，在大氣污染研究方面得到廣泛應(yīng)用[10]。 開始聚類分析時，定義每條軌跡為獨立的1組，即N條軌跡對應(yīng)N組。第1次迭代前，需要計算每對軌跡組合的空間方差（SPVAR）。 空間方差定義為組內(nèi)各軌跡與它們的坐標平均值之差的平方和，SPVAR之和為總空間方差（TSV）。使TSV最小的組合形成1組。經(jīng)過1次迭代后，聚類數(shù)為N-1，即產(chǎn)生N-1類；第2次迭代，在N-1類中計算各種軌跡組合的SPVAR與TSV，與第1步相同，使TSV增加最小的軌跡組合歸為1組。由此循環(huán)至所有軌跡最終歸為1類。最初幾次迭代，TSV增加得很快；隨后，TSV通常增加比較緩慢，但在某些迭代后，其值會突然增加，表明該次迭代形成的類與之前的類有較大區(qū)別。

2 結(jié)果與分析

2.1 霾日統(tǒng)計結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計，2009年12月～2010年11月上?？偣灿婿踩?07 d，其中，冬季霾日發(fā)生的最多，且各月分布比較均勻，12、1、2月分別為20、13、11 d，均超過10 d；夏季和秋季次之，但各月分布較不均勻，在夏季，6月的霾日（15 d）較之7月（6 d）和8月（4 d）明顯偏多；而在秋季，9月的霾日（1 d）則較之10月（9 d）和11月（11 d）明顯偏少；春季發(fā)生的霾日最少，各月分布也比較均勻，3、4、5月分別為7、5、5 d，均未超過10 d。結(jié)合氣流路徑、氣象條件、顆粒物濃度等因素進行分析，可以進一步分析各月和各季節(jié)霾日分布不均的特征和原因。

2.2 后向軌跡聚類分析

從2009年12月～2010年11月500 m高度每日24 h后向軌跡的聚類結(jié)果（圖1）可以看出，來自西北、東北和西南的氣流所占比例差不多，東南方向的偏少；而從軌跡長度上來看，東南和西北方向的軌跡較長，超過600 km，說明東南和西北方向來的氣流移動路徑均較長，西南方向軌跡的長度較短（<300 km），說明氣流從較近的地方移至上海。

圖1 2009年12月～2010年11月24 h后向軌跡聚類結(jié)果

對各霾日氣流來向進行分析統(tǒng)計，與2009年12月～2010年11月全年總的氣流統(tǒng)計情況進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表1），就全年而言，在總共107 d霾日中，氣流來向為西北和西南的霾日分別達43、39 d，東北方向為22 d，最少的為東南方向，僅為3 d；而從各方向氣流下的霾日占各方向氣流的總天數(shù)的比例來看，西北和西南分別占43.4%和44.0%，東北方向為19.6%，東南方向為4.5%。所以，就全年的情況而言，從霾日發(fā)生的天數(shù)來看，西北和西南方向是霾日氣流的主要來向；從發(fā)生的概率來看，當(dāng)氣流來向為西北和西南方向時，霾產(chǎn)生的幾率較大。首先，西北和西南方向的氣流均是從內(nèi)陸移動至上海，沿途較易攜帶各種外源顆粒物影響上海，而東北和東南方向的氣流由海上移動至上海，由于海上人類活動較少，因此，海上的清潔氣流對上海的顆粒物濃度有稀釋作用；其次，從后向軌跡的長度來看，西南氣流的長度較短，說明當(dāng)霾日產(chǎn)生時氣流方向為西南氣流時，上海霾日的產(chǎn)生更多的是受長三角等周邊地區(qū)以及當(dāng)?shù)赜绊懰?；而西北氣流長度較長，說明受西北方向氣流影響而產(chǎn)生的霾日受外源長途輸送的影響較大。

就各季節(jié)（表2）而言，春季的17 d霾日中，氣流來向為西南和西北方向的最多，均為6 d，東北和東南方向的霾日分別為3、2 d；從發(fā)生概率上來說，西南方向最多，西北方向次之，之后是東南和東北方向。夏季的25 d霾日中，氣流來向為西南方向的達15 d，之后依次是東北方向5 d、西北方向4 d、東南方向1 d；但從發(fā)生概率而言，西北方向最高，西南方向和東北方向次之，東南方向最少；秋季和冬季均是西北方向的霾日最多，西南和東北次之，東南方向沒有，而從發(fā)生概率上而言，秋季西南方向氣流影響下，發(fā)生霾日的概率高于西北方向，東北方向概率較??；冬季西南和西北方向發(fā)生霾日的概率基本持平，東北方向略小。

總的來說，從霾日發(fā)生的天數(shù)來看，就各季節(jié)而言，西北和西南方向仍舊是霾日氣流的主要來向；其中，春季氣流來向為西南和西北方向的霾日數(shù)比較平均，夏季則西南高于西北；秋冬季節(jié)為西北高于西南。從各方向氣流影響下霾日發(fā)生的概率來看，各季節(jié)均是以西南和西北方向更易產(chǎn)生霾日，但就各季節(jié)比較而言，春季發(fā)生的概率較其他三季低；夏季西北方向發(fā)生概率最高，西南方向次之；秋季西南方向發(fā)生概率最高，西北方向次之；春季和冬季西南和西北方向發(fā)生的概率則相差不大，但較之另2個方向大。這主要是由于秋、冬季節(jié)主要是受西北方向弱冷高壓影響，因此霾日中西北方向氣流所占比重較大；而夏季主要是受副熱帶高氣壓帶影響，因此霾日中西北方向氣流所占比重較大；春季則為兩者的過渡期，因此所占比例也比較均等。在秋冬季節(jié)，西北弱冷高壓南下控制上海，上海處于弱高壓前緣或中心地帶，一方面，穩(wěn)定的天氣形勢使當(dāng)?shù)氐念w粒物不易擴散；另一方面，弱高壓沿途攜帶的顆粒物又被帶入上海，導(dǎo)致霾日的產(chǎn)生。而夏季則多為副熱帶高壓減弱，導(dǎo)致上海處于弱氣壓場控制，從而產(chǎn)生霾天氣。

2.3 霾產(chǎn)生時的氣象條件

2.3.1

相對濕度。由表3可見，從全年來看，霾日的日平均相對濕度主要集中在60%～90%。從各季節(jié)情況而言，大體與全年情況一致，相對濕度也主要集中在60%～90%，但具體而言，各季節(jié)略有差異，春季相對濕度在80%～90%區(qū)間的霾日數(shù)所占比例特別大，達春季總霾日數(shù)的58.8%；說明春季當(dāng)霾日發(fā)生時，相對濕度大多在80%～90%；夏季相對濕度在70%～80%區(qū)間的霾日數(shù)所占比例最大，達夏季總霾日數(shù)的52.0%；秋季以60%～80%居多，冬季則在60%～90%的各區(qū)間段內(nèi)分布較均勻。說明霾日產(chǎn)生時，相對濕度一般較高，因為較高的相對濕度有利于顆粒物的吸濕性增長，從而導(dǎo)致霾天氣的發(fā)展和加劇。

2.3.2

風(fēng)速。從表4可以看出，就全年而言，當(dāng)有霾發(fā)生時，日平均風(fēng)速大多為0～2 m/s，占總霾日數(shù)的75.7%；風(fēng)速為2～4 m/s的占總霾日數(shù)的24.3%；而當(dāng)日平均風(fēng)速>4 m/s時，霾日則不會產(chǎn)生。說明霾日發(fā)生時，日平均風(fēng)速一般均在2 m/s以下，較小的風(fēng)速使顆粒物不易擴散，大量顆粒物的積聚使霾更易產(chǎn)生。

從各季節(jié)來看，在春季，霾日中風(fēng)速達2～4 m/s的天數(shù)較多，達52.9%，而其他季節(jié)霾日的日平均風(fēng)速則多集中在0～2 m/s，說明春季霾日可能更多是受到外部影響，由于顆粒物從周邊地區(qū)長途輸送導(dǎo)致霾日的產(chǎn)生；而其他季節(jié)的霾日更多的是受到當(dāng)?shù)氐挠绊憽?/p>

2.3.3

PM特征。

在107 d霾日中，PM2.5/PM10超過0.5的天數(shù)有97 d，占總數(shù)的90.7%，說明大部分霾日中，細顆粒物在總顆粒物中所占比重很大，起到了很重要的作用。

進一步對107 d霾日每日各小時的超標情況進行統(tǒng)計，仍以能見度<10 000 m和PM2.5值<0.037 5 mg/m3為標準，從各小時超標值的統(tǒng)計結(jié)果可以看到，在07：00～09：00和18：00～20：00有2個小高峰，分別對應(yīng)上下班高峰，說明上海霾日的產(chǎn)生與汽車尾氣排放有一定的聯(lián)系。

3 小結(jié)

（1）上海霾發(fā)生時多盛行由內(nèi)陸而來的西南和西北氣流；且各季有所不同，夏季以西南氣流為主、春季比較平均，秋、冬季節(jié)則以西北氣流為主。

（2）較高的相對濕度、較小的風(fēng)速有利于上海霾的形成。

（3）上海霾的發(fā)生受到當(dāng)?shù)睾屯獠枯斔蛢煞矫嬗绊?，其中以?dāng)?shù)赜绊憺橹鳌?/p>

（4）上海霾發(fā)生時PM2.5/PM10的比值多大于0.5，而從每天的小時濃度變化情況來看，上海霾日在早晚高峰出現(xiàn)小時濃度的峰值，說明上海霾日可能與機動車尾氣排放有比較密切的關(guān)系。

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