近36a来四川盆地持续霾事件特征及环流分析

2019-09-26马振峰赵鹏国卿清涛李小兰

中国环境科学 2019年9期

罗玉,马振峰,赵鹏国,卿清涛,孙彧,刘佳,李小兰,孙蕊

罗玉1,2,马振峰2,赵鹏国3*,卿清涛2,孙彧4,刘佳2,李小兰2,孙蕊2

(1.中国气象局成都高原气象研究所,高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室,四川成都 610072；2.四川省气候中心,四川成都 610072；3.成都信息工程大学大气科学学院,四川成都 610225；4.四川省气象灾害防御技术中心,四川成都 610072)

利用1981~2016年四川盆地102个气象观测站逐日霾日观测资料,对四川盆地持续霾事件(定义为连续3d及以上有烟幕或霾发生的天气)的时空分布特征、变化趋势进行分析,然后对冬季霾事件环流场特征进行研究.结果表明:1981~2016年四川盆地持续霾事件的年平均日数呈增加趋势,持续霾事件日数占霾总日数的百分比与霾总日数增加趋势较为一致,霾总日数的增加主要是由持续霾事件的增加引起的.四川盆地持续霾事件的空间分布不均匀,与霾日数的大值区的分布较为一致,主要集中在川东北城市群、成都平原城市群以及川南城市群.持续霾事件多发区的范围在1981~2010年呈年代际增大,在2011~2016年范围减少显著.通过分析盆地冬季霾事件的环流场发现,霾事件偏多(少)年时段,四川盆地处于暖(冷)高(低)压大值区域,乌拉尔山阻塞高压偏弱(强),东亚大槽偏弱(强),盆地上空为一定程度的辐合(辐散),存在(不存在)明显逆温结构,垂直上升运动弱(强),这些条件均有利于污染物颗粒聚集在浅薄的边界层内(利于污染物的扩散),造成霾天气的维持(消散).

四川盆地；持续霾事件；环流特征

霾是发生在大气近地层中,使能见度降低、空气质量变差、给交通和人体健康带来危害的灾害性天气[1-7].近年来,我国中东部的很多大城市霾天气显著增多,霾的问题日益成为人们的关注重点.国内外学者对霾天气的气候特征进行了相关研究,我国霾日数东部地区多,西部地区少,霾天气主要发生在长江中下游、华北和华南以及四川盆地、云南南部,自1961年以来全国平均霾日数呈增加趋势,且多发生在冬季[8-10].国外学者Vautard等[11]分析发现,1980~ 2009年欧洲在过去30a中低能见度天气(如雾、轻雾、霾)呈下降趋势,认为这与二氧化硫等污染物排放量的下降具有一致性.

随着经济的迅速发展,城市化进展的加快,能源消耗、房屋建筑施工、机动车尾气排放以及区域传输是造成城市霾天气发生的主要原因,风速、相对湿度等大尺度气象条件的变化与霾的发生关系密切[3,12-13].近几年,针对气候变化对霾的影响机理研究也取得了一些新进展,超强厄尔尼诺事件、东亚冬季风、北极海冰以及西北太平洋关键区海温均是影响霾频发的重要因子[14-18].

四川盆地主要是盆周山地,盆内平原,盆中丘陵,并在西部和北部形成了特殊的地形特征,秋、冬季雾霾天气频发,春、夏季较少,同时也是我国四大霾区之一[21],盆地大气层结稳定,易出现逆温和静风现象,不利于霾的扩散.盆地内包括成都、自贡等共有17个城市,区域内人口密度大,机动车保有量高,工业发展快[19].大量能源消耗以及人为排放的污染物导致盆地的空气质量在过去几十年持续恶化[20].此外,不同于其他地区,四川盆地霾天气气象成因复杂[21],特殊的环流形势、高湿度、低风速以及逆温共同造成霾天气频发[22-27].青藏高原大地形以及盆地的特殊地形使得污染物易在盆地内聚集不易扩散[28-29],高排放量是盆地霾天气发生的另一个重要因素[30].

综上所述,已有的研究主要针对四川盆地霾日数的特征及其成因进行分析,对四川盆地持续霾事件的研究多集中在针对单个事件的分析,对持续霾事件的长期气候演变特征缺乏更深入的研究,没有给出持续霾事件的特征及成因.因此针对四川盆地持续霾事件的特征以及可能与之联系的环流进行深入研究,以期为霾的预测研究提供理论依据.

1 资料与方法

本文资料来源于1981~2016年四川盆地102个国家站的逐日定时观测资料,主要使用其中的能见度、相对湿度以及地面天气现象观测资料,气候态取1981~2010年共30a平均值,所有资料均经过了四川省气象信息中心的质控检验.环流场资料采用NCEP/NCAR月平均大气再分析资料,时间范围为1981年12月~2017年2月,水平分辨率为2.5°× 2.5°,垂直分辨率为17层.本文冬季指当年12月~次年2月.

由于四川特殊的地理特征,导致霾天气一般出现在盆地,加之雾天气现象发生时大气湿度一般接近饱和(100%),因此为了真实反映四川霾天气的气候变化特征,结合四川特殊的地理原因,利用改进后的关于霾日历史资料判别方法进行统计,即排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、吹雪、雪暴等影响视程的天气现象的基础上,以同时满足能见度£5.0km且相对湿度<95%的时次判识为霾时:北京时间20:00为日界,一日持续1/4(含)以上定时观测时次判别为霾,则该日记为霾日.当霾跨日界持续时间长达1/4(含)定时时次以上,但日界前(或后)持续时长不足1/4定时时次且大于1/8定时时次,则相应的上跨日(或下跨日)记为霾日[25,31]

根据气象行业标准《霾的观测和预报等级》(QX/T-2010)[2],从有烟幕或霾发生到结束,称为一次霾事件;将连续3d及以上有烟幕或霾发生,称为一次持续霾事件.

2 结果与分析

2.1 霾日空间分布特征

2.1.1 霾事件的空间分布特征从图1a中可以看出霾日数的大值区主要集中在川东北城市群(南充、广安、达州)、成都平原城市群(成都、德阳、绵阳、眉山、资阳、乐山)以及川南城市群(自贡、泸州、内江、宜宾),大值中心年均霾日数在100d以上,霾的发生具有一定的局地性.从霾日数的季节平均来看(图1b~e),四季的霾日数与年均霾日数的分布特征较为相似,也有3个相似的大值区,冬季的霾日数最多,秋季次之,再者为春季,最少的为夏季.盆地大部冬季霾日数在20d以上,最多的区域在成都平原的新津,高达47d;川南的自贡,也为47d;其次为川东北的大竹,为41d.秋季、春季和夏季的霾日数明显比冬季少,但秋季、春季(夏季)霾日数的大值区在25d(15d)以上的站点均集中在与冬季霾日大值相同的区域.在特大城市成都冬季霾日数较其他3个季节多,与冬季北京、上海霾天气较其他3个季节频发较为一致,而与广州在春季霾天气频发不同[32].

值的注意的是,位于盆地边缘的雅安、广元、巴中比盆地中间的城市四季霾日少.3个城市群春、秋季霾日分布总体较为一致,总体差异不大.内江-自贡一带四季霾日均为高值区,四季变化不明显,主要由于自贡等市装备制造、化工工业发达,夏季该区域仍为霾高值区,在夏季期间,该区域秸秆燃烧所产生的PM2.5、PM10等气溶胶污染物造成空气质量恶化,易造成污染物的堆积.在冬季3个城市群的霾污染较为严重,受盆地地形和青藏高原大地形共同影响,由于霾多发区位于盆地底部,盆地边缘多为山地,研究指出冬季盆地内部排放源对污染物浓度贡献较大,而盆地外部排放源受到高嵩山脉的阻挡,对污染物浓度贡献率微弱[33-34].霾多发区人口密度大,交通工业发达,人类生产所产生的油烟、道路扬尘以及工业废气、秸秆燃烧排放的污染物受到周边高山阻挡在低海拔地区积聚,加剧低海拔地区的空气污染;在高原大地形东侧背风坡存在特殊的垂直环流结构,在冬季背风坡为下沉气流,对盆地大气污染物的扩散抑制作用显著,会出现类似静稳天气的“避风港”效应[28];且在冬季易受到大陆高压的控制,大气层结稳定,利于污染物颗粒聚集在大气低层,形成霾天气.

2.1.2 持续霾事件的空间分布特征持续霾事件空间分布不均匀,与霾日数的大值区的分布较为一致,也有较为集中的三个区域,川东北城市群、成都平原城市群以及川南城市群,在近36a发生持续霾事件累计次数最多的在盆地南部的自贡,达231次,其次为成都平原的新津,为227次,再者为川东北的大竹,为215次;从四季持续(图2b~f)霾事件累计发生次数来看,春、夏季持续霾事件在盆南的自贡分别发生了132次,为最多,而在成都平原以及川东北地区发生持续霾事件较少,在秋季持续霾事件发生次数较多的集中在成都平原的新津、川南的自贡、川东北的大竹,分别为134次、167次以及136次,成都平原城市群、川南城市群以及川东北城市群发生持续霾事件的次数均较春、夏季增多.冬季,持续霾事件与年总次数分布一致,这与冬季形成霾的大尺度环流背景以及气象条件关系密切,由于上述分析主要针对持续3d及以上的持续霾事件发生次数的分布特征,为了了解更长时间的持续霾事件的特征,因此分析了冬季持续7d、10d及以上的霾事件发生次数,得出持续霾事件总次数的大值中心在成都平原的新津以及川南的自贡、威远,发生持续7d及以上的霾事件总次数分别为70次、84次、71次,发生持续10d及以上的霾事件总次数分别为28次、22次、25次.

从1981~2016年四川盆地多年平均霾事件发生的频次、年总日数和持续时间来看(图3),所有霾事件的发生频次与霾事件的年总日数空间分布具有较高的相似性,霾事件的高发区主要集中在川东北城市群、成都平原城市群以及川南城市群,这些区域平均每年发生30次以上的霾事件,其中发生频次最多为位于川南的自贡,平均每年发生55.5次/a,多年平均霾事件总日数为137.6d;第二个高频中心位于川东北的岳池,霾事件频次为52.3次/a,总日数为103.4d;第三个高频中心位于成都平原的新津,平均每年发生霾事件为52次/a,总日数为120.6d.从霾事件发生的高频区来看,持续霾事件占霾事件的百分比也较高,均在25%以上;从持续霾事件年总日数对霾事件年总日数的贡献来看,成都平原、川东北、川南大部在45%~50%之间,其中在川南的自贡和内江贡献最大,为60%以上;从盆地霾的少发区域来看,持续霾发生的比例也较低.可见,霾事件发生频次高、霾事件总日数多的地方,主要为持续霾事件频发造成的.从霾事件的持续时间可以看出,霾事件持续时间较长的发生在川南的富顺,为23d,成都平原和川东北不超过20d;盆地大部霾事件平均天数在1~2.5d,其中成都平原、川南、川东北在1.5~2.5d.

从盆地持续性霾年代变化分布来看(图4a~d), 20世纪80年代,成都平原城市群持续霾日数不到60d,川南城市群和川东北城市群持续性霾日数在40~90d,其中自贡超过了80d,为高值区;90年代~21世纪初的10a,盆地存在3个高值区,分别位于川东北城市群、成都平原城市群、川南城市群,且范围不断扩大,成都平原城市群以及川东北城市群均增加较快;在2011年~2016年,3个城市群的持续性霾日数整体较少,为4个年代最少.

气象条件变化以及区域城市化、土地利用会导致气温的升高以及相对湿度、风速的下降,从而引起霾天气增多[8,35-36].统计发现,1981~2016年四川盆地3大城市群区域平均气温、相对湿度以及风速发生了较大变化.在1981~2000年,盆地3大城市群的气温均呈逐年代增加趋势,相对湿度呈减少趋势,风速变化不大,导致3大城市群的持续性霾日数呈逐年代际增加趋势,高值区范围逐年代扩大,自2011~2016年气温缓慢上升,相对湿度显著上升,且风速明显增大,有利于污染物的扩散,不利于霾天气形成(图略).霾的形成不仅与气象要素有关,还与环境因素密不可分.四川省统计年鉴表明[37],自2000~2009年四川省SO2排放量以及烟(粉)尘排放量呈增加趋势,造成霾天气较多,到了2010~2015年四川省氮氧化物、SO2呈减少趋势,2010~2013年烟(粉)尘排放量显著减少,污染源排放减少,霾天气发生频率降低.

2.2 持续性霾事件的长期变化特征

2.2.1 持续性霾事件的时间变化根据图1和图2霾日的变化特征及区域性差异,将盆地17个地市分为3个区域,霾多发区,包括川东北城市群(南充、广安、达州)、成都平原城市群(成都、德阳、绵阳、眉山、资阳、乐山、遂宁)、川南城市群(自贡、内江(威远)、泸州(纳溪)、宜宾(南溪));霾少发区(雅安);过渡区(广安、巴中).

通过分析四川盆地霾日数的时间变化特征(图5)可以发现,所有霾事件年平均日数呈增加趋势,气候倾向率为1.0d.(10a)-1,持续霾事件日数占霾总日数的百分比与霾总日数的增加趋势在1981~2011年具有相同的年际变化特征,2012~ 2016年具有相反的年际变化特征,两者的相关系数为0.53(通过了0.01的显著性检验),说明四川盆地霾总日数的增加主要是由于持续性霾事件增加所引起的.图6选取了霾多发区(川东北城市群)、霾多发区(川南城市群)、霾多发区(成都平原城市群)、霾少发区以及过渡区对比分析霾日数以及连续3d及以上持续性霾事件日数的年际变化特征,可以看出,霾多发区、霾少发区以及过渡区连续霾变化与霾日变化呈正相关,霾日较多的区域,连续霾出现的次数也比较多.

图5 1981~2016年四川盆地霾总日数、持续性霾占总霾日数的百分比

图6 1981~2016年盆地不同区域的霾日数以及持续性霾事件日数

图7 四川盆地不同区域霾日数的月变化特征(36a平均值)

从不同区域霾日数的月变化来看(图7),霾多发区以及霾少发区在10月~次年3月为霾日多发月份,其他月份为霾日少发月,过渡区域在10月~次年2月为霾日多发月,3~9月为霾日少发月,除了霾少发区,其他区域在5月或者6月均出现了一个小峰值,且川南城市群在8月出现了第2个小高峰,主要由于在这几个月份,秸秆焚烧产生的污染物大量产生,造成空气恶化[38].

2.2.2 持续性霾事件的季节变化特征从盆地以及霾多发区、霾少发区以及过渡区持续性霾日的季节变化(图8)来看,不同区域不同季节不同年代均是冬季持续性霾日数最多,秋季次之,春夏季少.盆地、霾多发区(川南城市群)、霾少发区以及过渡区四季持续性霾日均呈增加趋势,霾多发区(成都平原城市群)、霾多发区(川东北城市群)四季持续性霾日数均呈减少趋势.

2.3 四川盆地冬季霾事件环流场分析霾的形成不仅与污染物的排放、输送有关,还与不利于污染物扩散的气象条件有关,而气象因子对霾的影响取决于大尺度的大气环流背景.由前文的分析表明冬季为盆地霾事件发生的高峰期,因此有必要深入分析盆地冬季霾事件的变化特征及其对应的环流场,以期为冬季霾事件的短期气候预测提供一定的理论依据.

在此分析中,选取四川盆地13个地市州代表站,分别为成都、德阳、绵阳、眉山、乐山、资阳、遂宁、内江、南充、达州、广安、自贡、宜宾.站点分布上较为均匀,且为盆地霾事件高发区,可以整体反应四川盆地的霾事件变化.

图10 四川盆地冬季霾事件日数标准化距平变化

图9(a)给出了1981~2016年四川盆地代表站冬季霾事件日数的时间变化特征,表现出明显的年际及年代际变化特征,整体呈略减少趋势.结合图9(a~b),2004年为显著的突变点,在分析环流变化对冬季霾事件年代际变化的影响时,选取1981~2003年为霾日数整体偏多时期,2004~2016年为霾日数偏少时段进行研究.

为分析四川盆地冬季霾日数在年际变化特征上对应的环流变化,因此选取标准化距平大于1为冬季霾事件异常偏多年份,选取标准化距平小于-1为冬季霾事件异常偏少年份,得到霾事件异常偏多的年份为:1986、1987、1998年;霾事件异常偏少的年份为1981、2007、2011年(图10),进行合成分析.