武汉灰霾天气气候特征及成因讨论

何 飞，袁业畅

（湖北省气象服务中心，湖北 武汉430074）

1 引言

2013年，中国遭遇了史上最严重雾霾天气，雾霾发生频率高、波及面广、污染程度前所未有，全国平均雾霾天数达29.2d，创52年之最。特别是2013年1月全国出现4次较大范围雾霾过程，涉及30个省（市、区），南至中原地区（河南及湖北），北至京津冀北部并波及辽宁，东至山东，西至山西［1］。多个城市 PM2.5指数爆表，能见度不足几十米，有些城市甚至中小学停课，航班停飞，高速公路封闭，公交线路暂停营运。

这次大气重污染过程引起了许多学者的关注，高健［1］等人基于天气形势分析认为2013年1月大气灰霾污染是由于我国中东部地区弱的气压场控制下地面静稳天气条件背景下，区域污染和局地污染耦合而成；侯振奎［2］等人分析了2013年1月份我国中东部地区稳定的层结、强冷空气活动偏少，地面风速小以及中东地区上空较强的西南暖湿气流输送导致地区温度增加等因素促成了雾霾天气的形成；王丛梅［3］等人分析河北省中南部在2013年1月地面气象要素相比历史同期表现异常，气温偏低，湿度偏高，日照偏小，降水日数多但量级少；《中国科学》杂志发表了2013年1月中国东部严重雾霾天气的专题文章，其中张人禾［4］等人利用资料诊断，分析了气象条件在这次持续性强雾霾天气中发生的作用，多元性回归分析的结果表明，热力和动力因子对这次雾霾天气过程具有大致相同的作用，气象因子可以解释超过2/3的雾霾天气逐日变化的方差，方差贡献达到0.68；中国科学院“大气灰霾追因与控制”专项组［5］得用其建立的“中国气溶胶观测研究网”（CARE－China）对整个强霾污染过程进行了全程追踪观测，分析得出该次强霾污染的外因是弱的天气系统、不利的局地气象条件及地理位置，内部促发因素是一次排放的气态污染物向颗粒态的快速转化。

武汉市地处中国腹地中心，是中部第一的巨大型城市，伴随着近年来经济发展速度加快，工业化、城市化、机动车保有量迅速增加及城区改造及房地产业的迅猛发展，霾的出现频率呈现上升趋势，在2013年武汉也遭遇了21世纪以来的最严重的一次雾霾天气。对于此次严重雾霾天气，武汉大学测绘信息工程重点实验室［6］对武汉市2013年1月期间的PM1.0的离子成分进行了监测，表明霾日颗粒物为酸性，缺乏对武汉市霾日气象条件和成因的分析。本文利用武汉市近6年的气象观测资料，研究武汉市霾的气候特征和气象影响因素，以期了解武汉市霾的成因和影响因素。

2 资料及霾日的选取

本文使用的资料取自湖北省气象信息与技术保障中心的数据，是武汉市地面气象观测站2008～2013年的霾实际观测资料以及08时高空探测规定层气温资料，资料内容包括定时气压、气温、风速、风向、能见度和相对湿度以及逐日的平均气压、气温、风速、降水量、平均相对湿度和天气现象。使用的资料经过质量保证，完整性很高。

随着霾出现的越来越频繁，人们的关注度越来越高，有必要对地面观测资料进行订正，以便区分开霾和轻雾。《霾的观测和预报等级》中，对霾观测的判识条件中，将能见度小于10.0km，排除其他视程障碍，将湿度作为判别霾的辅助条件。参考湖北地区其他城市，本文将相对湿度小于80%的能见度恶化现象确定为霾，相对湿度大于90%的能见度恶化现象确定为雾，相对湿度介于80%～90%时的能见度恶化现象确定为霾和雾的混合物，也作为霾处理，并参考天气现象记录，排除其他视程障碍，若记录霾现象也记作一个霾日［8］。由于2013年9月采取自动观测能见度，与人工观测数据相差数量级，两套观测系统相距较大，2013年的霾日主要参考天气现象的记录。

3 霾的时间分布

3.1 霾的年际分布

图1是武汉市近6年来霾出现日数的统计图。从图1中可看出，武汉市2013年的总霾日达到了近6年来的最高值，仅天气现象中记录的霾日就达到81d之多，比第二高值2008年总霾日的33d高出1.45倍。除2010年总霾日为20d外，2009和2011年总霾日均为18d，2012年最少为17d。与国内其他地区作横向对比，山西阳泉在2000～2010年间霾的年平均日数达到40.5d［9］，昆山市90年代末期灰霾日数已经为51.8d［10］以及整个长江三角洲城市群［11］2001～2007年平均总霾日数为46.6d相比，武汉2008～2012年的空气质量较好，仅2013年霾日数高发。

图1 武汉市2008～2013年霾日数

3.2 霾的月、季分布

近6年武汉市各月、季灰霾日数统计见表1。从表中可以看出，12月和1月在近6年均出现了灰霾天气，出现的天数也分别位于第一、第二，6年内12月总共出现44个灰霾日，1月为37d，特别是2013年12月霾持续了一个月，导致近6年来12月的灰霾天数达到最高值，而1月在近6年内均有较多霾日出现；7、8、9月为霾出现较少的时期，8月仅在2012年出现过2d的霾日，7月在3年中也只出现了3d的霾日，9月在3年内出现6d的霾日。

本文的四季划分为春（3～5月）、夏（6～8月）、秋（9～11）和冬（12～2）月。从季节分布来看，秋冬季节在近六年内均出现了灰霾现象，春夏季节出现的频率较低。冬季灰霾最严重，年均为16d，占总天数的51.3%，其次是秋季，年均9d，占28.9%，春夏季灰霾较少，春季年均3.7d，占11.8%，夏季最少，年均仅为2.5d，占总天数的8%。

表1 武汉市2008～2013年各月、季灰霾日数统计

3.3 持续霾日分布情况

统计武汉市2008～2013年霾日数资料，结果见表2，2010～2012年期间灰霾持续时间较短，一般为1～2d；2008、2009灰霾天气持续时间较长，最长为2009年持续了6d，出现在2月3日～2月8日；其次为2008年持续了5d，出现在1月6日～1月10日，两年内总共出现4次持续3d的情况，分别出现在1、10、12月。灰霾最为严重的2013年，分别出了一次持续时间长达19、37d的灰霾天气，分别出现在11月3日～11月23日和11月25日～12月31日。可见较长时间的霾日发生在秋冬季节，2013年霾日数不仅激增，还具有持续时间长的特点。

表2 灰霾持续天数的次数统计

4 成因讨论

4.1 大气污染源讨论

霾的形成以及雾与霾的转化机制虽然没有完全清楚，但是不良的扩散气象条件、以及污染源增加是形成霾的两个重要原因。根据武汉市环保局网站资料，2013年1月和12月空气质量优良天数均仅为1d，并且两个月的主要超标污染物均为PM10和PM2.5。2013年可吸入颗粒物PM10年平均浓度与2012年上升27μg/m3，超标0.5倍；日平均浓度达标率为69.6%，细颗粒物PM2.5年平均浓度为94μg/m3，超标1.7倍，日平均浓度达标率仅为51.5%。但2013年全市工业废气排放总量及烟（粉）尘量较上年均有所下降，仅机动车氮氧化物排放量与上年有小幅增加，增长3.31%［12］。从环境监测结果来看：粗颗粒粉尘污染减轻，但细颗粒物较往年有所加重，PM2.5首年列入监测内容，超标严重，前体物氮氧化物增加。

4.2 气象条件的讨论

雾霾的产生，特别是二次气溶胶的形成有赖于特定的气象条件，如温度、湿度、辐射强度等，一次排放的气态污染物向颗粒态的快速转化，是强霾污染“爆发性”和“持续性”的内部促发因子，特别是大气中燃油排放的大量NOX促发了空气中SO2向颗粒态硫酸盐的快速转化.通过NOX/SO2协同转化途径分析，发现气态污染物在细颗粒表面的非均相反应可改变大气颗粒物的粒径及化学组分，促使颗粒物中的二次无机盐（如硫酸盐和硝酸盐等）的比例逐渐增大，导致颗粒物吸湿性显著增强，从而对强霾污染形成起到了促进作用［13］；污染物的扩散主要依赖气象条件，雾霾发展与消除受到风力、降水、降雪等因素影响［14］。因此下面从污染气象条件考虑气候形势对雾霾天气形成的影响。

4.2.1 霾与逐日气象条件分析

表3是将2008～2013年间霾日与非霾日的日平均风速、平均降水量及平均相对湿度进行对比，霾日平均风速相对非霾日的风速较小，但两者差异不大，在2012年例外，霾日与非霾日风速接近，霾日风速略高；霾日的平均降水量远小于非霾日，差异显著，表明武汉市降雨对消除雾霾有较好效果；相对湿度霾日较高，仅在2010年霾日的湿度略低于非霾日的温度，在稳定的气层中，相对高湿的环境更易形成霾。

表3 2008～2013年间霾日与非霾日的逐日气象条件对比统计

由表4对静风的分析可见，秋、冬季静风频率较高，春夏季较低。2013年全年的静风频率明显偏高，秋季静风频率达到24.2%，而冬季静风频率较往年显著增加，达到20.4%，致使2013年冬季11、12月出现持久的雾霾现象。由于秋冬季冷空气最活跃，武汉市地面受冷高压或变性高压控制，空气干燥、气层稳定，静风频率对霾现象有较好的解释。但从日平均风速来看，霾日与非霾日差异并不显著，一方面可能是由于地面风受地形及周边环境影响较大，代表性不强；另一方面日均风速可能遮掩了风向等情况。因此特别需要进行高空气象资料、逐时风资料的分析。

表4 武汉市2008～2013年各季静风频率统计表 %

4.2.2 霾与逆温层的分析

逆温层的稳定结构使污染物在垂直方向上难以转移扩散，极易造成雾霾现象的持续。表5是统计2008～2013年间，雾霾天气及非霾天气时低空逆温的状况。除了2012年，其他五年霾日出现逆温层的比例均比非霾日要高得多，这表明逆温条件既不是雾霾天气的充分条件也非必要条件，非霾日污染较轻，即使出现逆温现象也不会造成雾霾；若污染源较强或水平扩散能力较差等因素也会造成雾霾。非霾日逆温层的出现比例为一般小于30%，霾日逆温层出现的比例一般在30%以上，2013年霾日出现逆温层的比例高达70.4%，表明稳定的空气层结是2013年武汉市霾日高发，持续时间长的一个重要因素。

表5 2008～2013年霾日及非霾日低空逆温统计

4.2.3 霾与定时风力条件的分析

表6为武汉市2008～2013年霾日的风速特征表。当霾出现时，大于4m/s的风速仅占到7.2%，92.8%的风速集中在4m/s以内，武汉市霾日静风频率所占比例不高，主要风速集中在0.1～2m/s之间。风速较小时，霾易出现，当风速增大时，污染物在垂直和水平方向的扩散和输送加快。

表6 武汉市2008～2013年霾日的风速分布表

图2是通过统计分析霾出现时刻时风向的分布特征绘制的风向玫瑰图，分别统计了6年来总霾、夏半年霾和冬半年霾的风向玫瑰图（5～10月划分为夏半年，11～4月划分为冬半年），并将2013年作为一个典型年，分析了当年冬半年的风向分布。由图可见，出现霾的时候主导风向为N、NNE、NE，和武汉市常年的主导风向一致，夏半年中NE和NNE风向所站比例最高，两者合计占到32.6%，冬半年内N向风增加，与NNE的频率相当，为14.2%，NE第二为13.6%。2013年的冬半年，风向与总的霾日风向有所变化，NE风向大大减少，仅为4.3%，但是N和NNE两上方向的风仍然很大，频率均为18.6%。2013年霾日风向没有发生显著变化，但由于2013年全国范围内多地暴发雾霾现象，北方地区尤为严重，不排除偏北向风引导北方的沙尘和上游的污染物扩散至武汉。

5 结语

（1）武汉市2008～2012年霾日的发生次数相对较低，但2013年霾日的天数多，持续时间长，与前5年骤然发生了较大的变化。

（2）武汉市近6年来霾日主要分布在12月和1月，7、8、9月为霾出现较少的时期，从发生频率上来看，秋冬季节在近六年内均出现了灰霾现象，春夏季节出现的频率较低，冬季灰霾最严重。

（3）2010～2012年期间灰霾持续时间较短，一般为1～2d；2008、2009和2013年灰霾天气持续时间较长。2013年，分别出了一次持续时间长达19、37d的灰霾天气，分别出现在11月3日～11月23日和11月25日～12月31日。

（4）从污染源来分析霾的影响因素，2013年粗颗粒粉尘污染减轻，但细颗粒物较往年有所加重，前体物氮氧化物增加，易在高湿环境下生成粒径较大的颗粒物。

（5）从气象条件来分析霾的影响因素，霾受到弱的日降水量、逆温层、静小风等因素的影响较大，受相对湿度和风向的影响较小。

（6）总体说来，冷空气活动弱，地面风速小，地面及低空逆温层的存在，使得扩散条件差，导致染物和悬浮物难以扩散输送；另一方面，同期山西及东北地区出现雾霾天气，中低空偏北气流影响，颗粒物南下扩散，这些因素共同导致2013年武汉市持续严重雾霾天气的出现。

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