霾与清洁天气的特征及气象影响因素分析

张莹+唐迪+赵燕华+庞礴+周航+吴新胜

摘要：利用江苏省宿迁市气象观测资料和空气污染物浓度数据，分析了霾与清洁天气的气候变化特征、霾天气过程的污染物特征以及两者的气象影响因素。结果表明：（1）宿迁市2000年之前霾日相对平稳，之后突增，2008—2010年为下降期。10月至翌年1月及6月霾日较多，由于夏收秋收期间秸秆燃烧的影响，导致6月、10—11月霾日和污染事件增多。2006—2009年清洁天气较多，2010年以后清洁天气相对较少。夏季清洁天气最多，冬、秋季次之，春季最少。（2）霾天气过程发生时空气质量良至严重污染，空气质量越差，出现频率越小。10月至翌年3月及6月出现霾天气过程时，空气质量能达到中度污染及以上级别，其他月份出现霾天气过程时，空气质量均为良或轻度污染。霾天气过程首要污染物有PM2.5、PM10、O3和NO2，PM2.5贡献最大，其次是PM10和O3。（3）静风出现霾的频率最高，其次为SE风，NE风出现清洁天气的频率最高，其次为ENE风。风速越小，霾出现频率越高，风速大，清洁天气出现频率高。降水日与霾日的变化基本呈反位相，而与清洁天气日数的变化有较好的一致性。相对湿度<90%时，相对湿度越大，霾出现频率越高，相对湿度大，清洁天气出现频率也高。（4）宿迁地区出现重度霾时，高空多受西北或偏西气流控制，地面处于均压场中。77.3%的重度霾伴有低层逆温，逆温层的高度很低，对污染物的扩散起抑制作用，其他5、6月的重度霾低层多为相对稳定的等温层结。

关键词：霾；清洁天气；气候特征；污染物；秸秆燃烧；气象影响因素

中图分类号： S165文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）05-0244-07

霾是指大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度<10 km的空气普遍混浊现象[1]。随着我国经济的快速发展、城市化进程的加快，大气气溶胶污染日趋严重，人类活动直接排放的气溶胶或气态污染物通过光化学反应产生的细粒子二次气溶胶，可形成霾。20世纪80年代以后中国霾日明显增加[2]，我国中东部地区霾日数呈现明显的阶段性上升趋势，特别是2000年后上升更为显著，年平均霾日数有3.69 d/10年的上升趋势[3]。霾天气增多除与大气污染物排放的增多密切相关外，气象或气候条件变化也是重要的原因[4]。气象条件是霾天气出现与否的决定性控制条件，近地层输送条件即地面流场与大气污染物的扩散稀释密切相关[5]。在不同气象条件下，同一污染源排放所造成的地面污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍[6]。

霾出现时不仅使能见度下降、空气质量恶化，组成霾的气溶胶粒子还能反射或吸收太阳辐射[7-8]，从而造成到达地面的太阳总辐射和日照时数减少[9-12]。商兆堂等研究表明，江苏省冬小麦生长发育期间日照时数减小等气候变化，可能会增加冬小麦生产的脆弱性[13]。张佩等指出在气候变化背景下，淮北地区自20世纪90年代初，油菜全生育期日照总体呈减少趋势[14]。因此，由于霾引起的太阳辐射和日照时数减少，将降低农作物的光合作用，影响其产量和品质。

宿迁市地处黄淮海平原，是我国霾区之一[15]，因此开展霾的相关研究意义重大。本研究将重点分析霾与清洁天气的气候变化特征、霾天气过程的污染物特征以及两者的气象影响因素，为宿迁市霾的预报预警、科学防治和影响评估提供基础，从而减小霾对农作物生长的影响。

1数据及判识标准

1.1数据

采用的数据有：1981—2015年宿迁市逐日08：00、14：00和20：00的相对湿度、能见度和日天气现象等观测资料，以及其他地面气象观测资料和Micaps数据。2006—2015年宿迁市逐日SO2、NO2和PM10空氣污染物浓度数据，以及2013—2015年宿迁市逐日O3、CO和PM2.5空气污染物浓度数据，均来自于宿迁市环境监测中心站的空气质量日报。

1.2判识标准

查阅宿迁市地面气象观测记录发现，霾的观测记录比较混乱。吴兑等指出，使用长期气候资料统计霾日，需要有统一的定量标准，使用能见度、天气现象、相对湿度来综合判断，而且要将其他视程障碍现象剔除[2，16]，就是说要自己处理资料，不能直接使用报表的霾日资料。

本研究中霾日的标准为：对每天08：00、14：00和20：00的3个观测时次的能见度、相对湿度进行判断，当满足任一时次能见度<10 km，且相对湿度<90%，记为1个霾日。但当同时有降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等能导致低能见度的天气现象时，剔除该日。2014年起宿迁市能见度开始自动观测，由于仪器的系统偏差，2014年以后将霾的能见度标准调整为<7.5 km。按照此标准，重建了1981年以来宿迁市的霾日序列。霾持续3 d以上称为1次霾天气过程。达到国家环境空气质量一级标准定义为清洁天气。

2宿迁市霾与清洁天气的气候特征

2.1霾的气候特征

图1为1981—2015年宿迁市霾日的年变化，常年（1981—2010年，下同）年霾日数为112.7 d，2009年霾日最少，仅62 d，2015年霾日最多，达231 d。1981年以来宿迁市霾日变化经历了4个阶段：2000年之前霾日数相对平稳，在常年值上下浮动；2000—2007年霾日突增，均超过常年值；2008—2010年下降至相对较少的天数，每年霾日仅有60～70 d；[JP2]2011—2015年霾日又急剧增加，成为1981年以来的顶峰。总体而言，1981—2015年宿迁市霾日的年变化有2个峰值，分别为2000—2007年和2011—2015年。符传博等的研究也表明，我国中东部地区霾日数在2000年后上升更为显著[3]。[JP]

图2为宿迁市常年季节（图2-a）和逐月（图2-b）平均霾日数。从图2-a可知，宿迁市秋冬季节平均霾日较多，均为32 d左右，占全年霾日的57%，其中秋季略多于冬季，宿迁市秋冬季降水少，且易出现静稳天气形势，有利于污染物在近地面集聚，所以霾日较多。春夏季节平均霾日相对较少，均为24 d左右，其中春季略少于夏季。由图2-b可知，10月至翌年1月以及6月平均霾日较多，均在10 d以上，这5个月的霾日占全年霾日的51%，其中12月最多，平均霾日达 12.6 d；2—5月、7—9月平均霾日相对较少，其中7月最少，平均霾日仅 6.4 d。

许多研究指出，6月、10—11月江苏省进入夏收、秋收时节，农民因为抢收抢种、保持土壤肥力、减轻病虫害等原因往往就地焚烧农作物秸秆，排放大量的颗粒物、CO、VOC、SO2、NO2以及PAHs等有毒有害物质进入大气，在静稳气象条件下，直接导致霾天气和重污染事件的发生[17-20]。此类由秸秆燃烧引起的霾并不是偶然的，特别是近年来随着农村生活水平的普遍提高，秸秆已不再作为农村的生活燃料，而成了多余的副产品，秸秆燃烧造成江苏省及周边地区夏收秋收时期霾日出现几率显著变大[18]。

我国农作物秸秆每年产量超过7亿t，宿迁市为农业大市，每年都会有大量的稻麦类秸秆产生，因此亟須综合开发利用作物秸秆资源，使之符合减量化、再使用、再循环原则[21]。王志春研究显示，大量的秸秆在经过预处理后还田，不仅可以完全替代化肥实现作物高产，还能显著增加土壤氮磷钾及有机质的含量，改良土壤，实现农业的可持续发展；同时，能有效减少因焚烧秸秆所造成的霾污染[22]。

2.2清洁天气的气候特征

图3为2006—2015年宿迁市清洁天气日数的年变化，近10年平均清洁天气年日数为37.4 d，2007、2008年清洁天气最多，均为57 d，2012、2013年清洁天气最少，仅15 d。近10年来，2006—2009年宿迁市清洁天气较多，超过平均日数；2010年以后清洁天气相对较少，均少于平均日数，尤其是在2012—2013年降到低谷。

图4为宿迁市近10年季节和逐月平均清洁天气日数。从图4-a可知，宿迁市夏季清洁天气最多，为16.2 d，占全年的43%，由于宿迁市季风气候特征明显，夏季雨水集中，降雨使空气中的污染物沉降，导致清洁天气增多。冬季、秋季清洁天气次之，春季最少，仅4.4 d。从逐月分布（图4-b）来看，7—9月清洁天气较多，均在5 d以上，占全年清洁天气日数的51%，其中8月最多，平均清洁天气日数达7.8 d；2月和12

月还有2个清洁天气的小高峰；其余各月清洁天气相对较少，平均日数在1～2 d，其中10月最少，平均清洁天气日数仅 1 d。

3宿迁市霾天气过程的污染物特征

2013年起宿迁市环境监测中心站执行环境空气质量指数技术新规，衡量空气质量的指标由空气污染指数API改为空气质量指数AQI，并增加了O3、CO和PM2.5的监测。

3.1霾天气过程空气质量的特征

执行新规后，宿迁市霾天气过程各级空气质量出现频率（图5-a）表明，霾天气过程发生时空气质量由良至严重污染，空气质量越差，出现频率越小。其中，霾天气过程中空气质量为良出现频率最多，占比43.7%，其次是轻度污染，占比32.3%，中度污染和重度污染出现频率分别为14.0%和 9.3%，严重污染出现频率最少，占比仅为0.8%。

从逐月分布（图5-b）来看，霾天气过程中空气质量为良和轻度污染的逐月分布较均匀，每月均有出现，空气质量为良在10月出现频率最高，11月出现频率最低，轻度污染在1月出现频率最高，9月出现频率最低。霾天气过程中空气质量为中度污染及以上级别的逐月分布有明显差异。中度污染出现在10月至翌年3月以及6月，1月出现频率最高，冬季出现频率占全年的71.7%。重度污染出现在11月至翌年2月以及6月，12月出现频率最高，12月至翌年1月出现频率占全年的74.3%。严重污染仅出现在1月、3月和12月。即10月至翌年3月以及6月出现霾天气过程时，空气质量能达到中度污染及以上级别，其他月份出现霾天气过程时，空气质量均为良或轻度污染，较秋冬、春初、夏初的霾污染物浓度更低。

虽然6月宿迁市雨量、雨日明显多于秋冬季节，但出现霾天气过程时空气质量能恶化至中度-重度污染，而相邻的5月、7月未出现中度污染及以上级别，原因是夏收期间秸秆集中燃烧对大气污染的影响，在稳定的天气形势下，秸秆燃烧产生的污染物积聚在近地层，从而加重空气污染。

3.2霾天气过程首要污染物的特征

统计2013年以来霾天气过程中PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2和CO等6项污染物作为首要污染物出现的频率（图6-a），可知霾天气过程首要污染物有PM2.5、PM10、O3和NO2。其中，PM2.5出现频率最高，占比73.3%，PM10和O3次之，分别占比16.7%、12.4%，NO2出现频率极低，仅占0.3%。即霾天气过程细颗粒物PM2.5贡献最大，其次是可吸入颗粒物PM10和O3。

霾天气过程首要污染物为NO2频率极低，且仅出现在12月，因此主要分析霾天气过程中首要污染物为PM2.5、PM10、O3的逐月分布（图6-b）。由图6-b可知，霾天气过程中PM2.5作为首要污染物在1月出现频率最高，12月次之，7、8月出现频率较低；霾天气过程中PM10作为首要污染物在10月出现频率最高，12月次之，7、8、11月出现频率最低；霾天气过程中首要污染物为O3只出现在5—11月，其逐月变化曲线呈单峰状，6—8月出现频率较高，7月达到顶峰。从季节来看，夏季霾天气过程首要污染物主要为O3，其他季节主要为PM2.5和PM10，这是由于夏季气温高、光照强，大气光化学反应速率高，易产生高浓度臭氧。

3.3霾天气过程污染物的浓度特征

程时，SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO的日平均浓度极值可达到0.217、0.143、0.430、0.283、3.532 mg/m3，O3的日最大8 h滑动平均浓度极值为0.264 mg/m3。平均而言，霾天气过程中，SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO的日平均浓度为0.040、0.035、0135、0.091、1.429 mg/m3，O3的日最大8 h滑动平均浓度为0.083 mg/m3。

4霾与清洁天气的气象影响因素

4.1风向的影响

图8统计了宿迁市2006—2015年地面各风向出现霾与清洁天气的频率，消除了主导风向的影响[23]。由图8-a可知，静风出现霾的频率最高，达37.0%，由于静风天气时空气停滞，扩散条件较差，容易导致霾天气[5]，其次为SE风，出现霾的频率为28.9%，NE风出现霾的频率最低，仅16.8%。

由图8-b可知，NE风出现清洁天气的频率最高，达 19.6%，其次为ENE风，出现清洁天气的频率为18.0%，主要原因是北方来的强冷空气能够有效地将污染物稀释扩散[5]，SSW、SW、SSE风出现清洁天气的频率较低，仅4%左右。

4.2风速的影响

图9为宿迁市2006—2015年地面各日平均风速出现霾和清洁天气的频率。由图9可知，风速越小，霾出现频率越高，即地面风速小不利于近地面污染物的扩散和稀释，易出现霾。日平均风速为[0，1）m/s时霾出现频率最高，达61.3%，其次是[1，2）m/s，霾出现频率为47.5%，随着风速增大，霾出现频率降低，日平均风速为[5，6）m/s时，霾出现频率仅有 7.1%，日平均风速≥6 m/s时没有霾发生。

另一方面，风速较大时，有利于污染物的水平输送，同时湍流也较强，利于垂直方向上的扩散，因此大气污染物和气溶胶不易堆积[23]，清洁天气出现频率较高。日平均风速≥6 m/s 时，清洁天气出现频率最高，达100%，日平均风速为[4，5）、[5，6）m/s时，清洁天气出现频率相当，为22.7%和21.4%，随着风速减小，清洁天气出现频率降低，日平均风速为[0，1）m/s时，清洁天气出现频率最低，仅有3.3%。

4.3降水的影响

从宿迁市2006—2015年降水、霾、清洁天气的月平均日数变化（图10）可知，霾日与降水日数的变化基本呈反位相，降水日数多，霾日较少，反之降水日数少，霾日较多；清洁天气日数与降水日数的变化则有较好的一致性，降水日数多，清洁天气日数较多，反之降水日数少，清洁天气日数较少。降水可以使大气中的污染物沉降、清除，不利于形成霾，而有利于形成清洁天气。近10年有64.2%的清洁天气伴有降水。另外，周彬等[24]研究表明，降水对气溶胶颗粒物的清除作用较复杂，降水开始前若气溶胶颗粒物浓度较低，降水对其清除效果不佳，雨强增大不会使其浓度继续降低，强降水发生后，雨强减小反而会使气溶胶颗粒物浓度升高[24]。加之其他因素的影响，三者的月际变化并非简单的线性关系。

4.4相对湿度的影响

图11为宿迁市2006—2015年各相对湿度出现霾和清洁天气的频率。由图11可知，相对湿度<90%时，数值越大，霾出现频率越高，即高的相对湿度，有利于霾的形成。相对湿度为[80%，90%）时，霾出现频率最高，达37.4%，其次是[70%，80%），霾出现频率为36.4%，随着相对湿度减小，霾出现频率降低，相对湿度为[10%，20%）时，霾出现频率最低，仅有 2.0%。这是由于当气溶胶粒子中含有水溶性成分时，相对湿度大，会使得可溶性气溶胶更容易吸收水汽而变大，从而使散射作用增强，能见度减小，加剧霾的出现[23]。吴兑指出，如果气溶胶浓度足够高，但湿度较低，并不会出现典型低能见度事件，湿度较高时，吸湿后的气溶胶消光系数会增加3～6倍，使得能见度明显恶化，形成霾[6]。

[JP2]同样，相对湿度大，清洁天气出现频率高，这是由于近10年宿迁市有64.2%的清洁天气伴有降水。相对湿度为[90%，100%）时，清洁天气出现频率最高，达21.4%，其次是相对湿度为[80%，90%）时，清洁天气出现频率为16.1%，相对湿度为[20%，30%）时，清洁天气出现频率最低，仅有1.4%。[JP]

4.5重度霾的气象影响因素

4.5.1天气形势根据霾的观测和预报等级[1]标准，将能见度<2 km的霾定义为重度霾，重度霾是最严重的等级，因此其影响更为恶劣。2006—2015年宿迁市共出现44 d重度霾，93.2%的重度霾集中在10月至翌年1月以及6月，即霾出现频率最高的5个月内，2、5、8月偶有重度霾出现。分析重度霾500 hPa高空和地面天气形势可知，宿迁地区出现重度霾时，高空多受西北气流或较平直的偏西气流控制，此时在贝加尔湖以东、鄂霍次克海及其以南、我国东北、华北附近常伴有低涡出现，或者在贝加尔湖附近、我国河套至华北东北地区为高压脊控制，又或者在乌拉尔山、贝加尔湖以西为一横槽；地面处于均压场中，宿迁常位于低压倒槽顶部、高压底部或后部、低压前部或底部、冷锋或副冷锋前部。这种天气形势下高空为下沉气流，近地面风速小或静风，不利于空气中污染物的垂直和水平扩散，最终形成重度霾；另外，地面冷锋南下会将北方的污染物输送至宿迁地区，使大气中的污染物浓度增大。图12给出宿迁市出现重度霾时典型的500 hPa高空和地面天气形势。

4.5.2大气层结稳定度分析重度霾低层的温度层结发现，77.3%的重度霾伴有低层逆温，逆温层的高度很低，大多在 1 000 hPa 以下，少数能伸展至925 hPa。如2013年1月18日08：00的探空曲线（图13-a），1 000 hPa以下有明显的逆温层，虽然逆温强度不大，但逆温层的高度非常低，且在 925 hPa 附近还有逆温存在，表明低层大气层结非常稳定，逆温的存在对污染物的扩散起到抑制作用，使污染物在贴近地面的小空间内累积，当天的空气质量为严重污染，首要污染物PM2.5的浓度达0.252 mg/m3，因此低层逆温层的存在对重度霾的产生起到了重要作用。

另外，有10次重度霾没有出现低层逆温，其中9次出现在6月份，1次出现在5月份。进一步分析5、6月重度霾低层的温度层结发现，等温层结占72.7%，温度随高度增加而

降低，即不稳定层结占18.2%，逆温层结近仅有9.1%。即5、6月的重度霾低层没有明显的逆温结构，溫度层结常为等温特征（图13-b），即相对稳定的中性层结，甚至可以是不稳定层结，其他月份的重度霾常伴有低层逆温。吕翔等研究也表明，夏季霾过程中，夜间到早晨低层并没有出现明显的逆温，温度层结显示出弱不稳定，这与其他季节有明显差别[25]。

5結论

通过分析霾与清洁天气的气候变化特征、霾天气过程的污染物特征以及两者的气象影响因素，得到以下结论：

（1）常年宿迁市年霾日为112.7 d，1981—2015年霾日的年变化有2000—2007年和2011—2015年2个峰值，2000年之前霾日相对平稳，之后突增，2008—2010年为下降期。宿迁市秋冬季霾日较多，春夏季霾日相对较少。具体而言，10月至翌年1月以及6月霾日较多，其中12月最多，7月最少。由于夏收秋收期间秸秆燃烧的影响，排放大量污染物进入大气，导致6月、10—11月霾日增多。

（2）近10年宿迁市平均清洁天气年日数为37.4 d，2006—2009年清洁天气较多，2007、2008年达到峰值，2010年以后清洁天气相对较少，尤其是在2012、2013年到了低谷。宿迁市夏季清洁天气最多，冬季、秋季次之，春季最少。从逐月分布来看，7—9月清洁天气较多，其中8月最多，2月和12月还有2个小高峰，其余各月清洁天气相对较少，其中10月最少。

（3）霾天气过程发生时空气质量为良至严重污染，空气质量越差，出现频率越小。霾天气过程中空气质量为良和轻度污染的逐月分布较均匀，而中度污染及以上级别的逐月分布差异明显。10月至翌年3月以及6月出现霾天气过程时，空气质量能达到中度污染及以上级别，其他月份出现霾天气过程时，空气质量均为良或轻度污染。由于夏收期间秸秆集中燃烧的影响，导致6月空气污染加重。

（4）霾天气过程首要污染物有PM2.5、PM10、O3和NO2，其中PM2.5贡献最大，其次是PM10和O3；分季节来看，夏季霾天气过程首要污染物主要为O3，其他季节主要为PM2.5和PM10。霾天气过程PM2.5作为首要污染物在1月出现频率最高，12月次之，7、8月较低；PM10作为首要污染物在10月出现频率最高，12月次之；O3作为首要污染物只出现在5—11月，6—8月出现频率较高，7月达到顶峰。

（5）出现霾天气过程时，SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO的日平均浓度极值能达到0.217、0.143、0.430、0.283、3.532 mg/m3，均值为0.040、0.035、0.135、0.091、1.429 mg/m3，O3的日最大8 h滑动平均浓度极值为 0.264 mg/m3，均值为0.083 mg/m3。

（6）分析风的影响，发现静风出现霾的频率最高，其次为SE风，NE风出现霾的频率最低；而NE风出现清洁天气的频率最高，其次为ENE风，SSW、SW、SSE风出现清洁天气的频率较低。风速越小，霾出现频率越高，日平均风速≥6 m/s时没有霾发生；而风速大，清洁天气出现频率高，日平均风速≥6 m/s 时，清洁天气出现频率达100%。

（7）降水日与霾日的变化基本呈反位相，而与清洁天气日数的变化有较好的一致性。降水可以使大气中的污染物沉降、清除，不利于形成霾，而有利于形成清洁天气。相对湿度<90%时，相对湿度越大，霾出现频率越高。这是由于高湿条件下，气溶胶粒子吸湿性增长，使散射作用增强，能见度恶化，加剧霾的出现。同样，相对湿度大，清洁天气出现频率也高，这是由于近10年宿迁市有64.2%的清洁天气伴有降水。

（8）宿迁地区出现重度霾时，高空多受西北气流或较平直的偏西气流控制，地面处于均压场中。这种天气形势下高空为下沉气流，近地面风速小或静风，不利于污染物的垂直和水平扩散，最终形成重度霾；另外，地面冷锋南下会将北方的污染物输送至宿迁地区，使污染物浓度增大。77.3%的重度霾伴有低层逆温，逆温层的高度很低，大多在1 000 hPa以下，少数能伸展至925 hPa。逆温的存在对污染物的扩散起抑制作用，使污染物在贴近地面的小空间内累积，产生重度霾。另外，5、6月的重度霾低层没有明显的逆温结构，温度层结常为等温特征，即相对稳定的中性层结，其他月份的重度霾常伴有低层逆温。

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[FK（H0266*2/3。54ZQ]更正《江苏农业科学》2017年第45卷第1期第33-38页刊登的论文《比较基因组分析斯氏假单胞菌遗传多样性及固氮基因岛进化机制》中，基金项目更正为：国家自然科学基金（编号：21507012）；中国博士后科学基金（编号：2015M570329）；贵州省教育厅自然科学研究项目[重点项目]（编号：黔教合KY字[2015]395）；凯里学院博士专项基金（编号：BS201412）。特此更正。