赵普生,徐晓峰,孟 伟,董 璠,何 迪,石庆峰,张小玲 (.中国气象局北京城市气象研究所,北京00089；.北京市石景山区气象局,北京 00043)

京津冀区域霾天气特征

赵普生1,2*,徐晓峰2,孟 伟1,董 璠1,何 迪1,石庆峰1,张小玲1(1.中国气象局北京城市气象研究所,北京100089；2.北京市石景山区气象局,北京 100043)

汇总京津冀区域内107个地面站的气象资料,利用14时实测的气象要素和天气现象资料对霾日进行判别,统计出各个站点1980~2008年中逐年及各月的霾日数.结果表明,北京、天津、河北霾天气整体变化趋势和波动特征较为相似,且均呈增加趋势,非城区站点平均霾日数明显呈增加趋势,且与市区站点霾日数的差距越来越小.京津冀区域霾日数的月际变化呈明显的双峰特征,即夏季和冬季霾日数较高.空间分布表明,霾日数高值区主要位于北京、天津、保定、石家庄、邯郸和邢台等地.多数站点霾日14时平均风速比非霾日低了1.0m/s以上,14时平均相对湿度则比非霾日高出20%以上.

京津冀；霾;能见度；特征

随着经济快速发展,以京津冀、长三角和珠三角为代表区域的复合型大气污染日益凸显,细颗粒物尤其是二次气溶胶污染加重,造成霾天气日益增加,严重影响大气能见度和人体健康.

国内关于区域性大气能见度的研究从2000年以后逐渐开展,尤以珠三角的相关研究居多,且较为系统,长三角和京津冀相关研究相对较少.目前,国内研究多集中在以下几方面:区域和城市范围的能见度(霾)变化趋势,霾天气的判别标准,能见度水平和气溶胶浓度的相互关系,低能见度条件下的气溶胶化学组成特点和气象条件特征等[1-9].

由于缺乏对霾天气的统一观测标准,在进行长期资料的统计分析时不能参考基于人工观测的霾记录.目前国际上有2种常用的处理大量历史资料的统计方法:一种是用日均值,定义日均能见度小于 10km,日均相对湿度小于 90%,并排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和烟幕等其他能导致低能见度事件的情况为一个霾日;另一种是使用14时实测值(或12时实测值),用于分析能见度小于 10km,相对湿度小于 90%,并排除其他能导致低能见度事件的情况为一个霾日[10].本文作者针对这2种判别标准进行了系统讨论和比较,发现利用14时实测气象资料进行霾日的统计,在较大区域、较长时间范围内更能反映霾天气的实际变化特征[11].

本研究利用京津冀区域 1980~2008年多站点气象资料,采用 14时实测值对霾日进行判别,进而分析区域内霾日的时空分布及相关气象要素的特征.

1 研究方法

图1 京津冀107个地面站位置Fig.1 Locations of 107 meteorological stations

1980年以前区域内多数站点气象资料不完整,所以本研究汇总京津冀区域107个地面站(北京20个站,天津5个站,河北82个站,其中城区站点18个,图1)1980~2008年逐日14时的相对湿度、能见度和天气现象资料,结合计算机程序综合判断计算各站点逐年各月的霾日数.霾日判别具体采用如下指标:满足14时能见度小于10km,相对湿度小于 90%,且排除降水、吹雪、扬沙、沙尘暴和浮尘的,记为1个霾日.

2 结果与讨论

2.1 霾日年际变化特征

不少站点在 1980~2008年中间有过一次或多次站址迁移,这些站点不能得到连贯的霾日变化,所以选择部分站址较为固定的代表性站点进行单站点霾日变化趋势分析.

图 2为北京主要城区站点和上甸子本底站多年霾日变化.石景山现址开始工作日期为1998年1月.海淀、石景山和上甸子整体呈增加趋势,丰台霾日数波动较大.

图2 北京主要站点(站号)逐年霾日数变化Fig.2 Annual hazy day trends at urban stations of Beijing

图3为天津3个地面站多年霾日数变化,从图3中可以看出,各站点2000年以后霾日整体呈增加趋势.2004~2008年,天津和塘沽站点霾日数均接近或超过100d.

图3 天津主要站点(站号)逐年霾日数变化Fig.3 Annual hazy day trends at urban stations of Tianjin

图4为河北5个城区地面站多年霾日数变化,发现各站点霾日数和整体变化趋势差异较大,除廊坊整体呈增加趋势外,其他站点在较长时间范围内没有统一的变化趋势,但基本在2003年以后呈现出上下波动的特点.石家庄霾日最多,多年平均霾日数达到116d.

图4 河北省主要站点(站号)逐年霾日数变化Fig.4 Annual hazy day trends at urban stations of Hebei

忽略迁站因素,分析各站点多年总平均霾日数,共有11个站点1980~2008年共29a平均霾日超过 100d,从高到低各站点(站号)依次为昌平(54499)、赞皇(53795)、武安(53890)、北京(54511)、石家庄(53698)、丰台(54514)、朝阳(54433)、平山(53694)、隆尧(53794)、海淀(54399)、行唐(53688),昌平最高,达到155d.

综合以上 3个区域内各站点霾日变化情况,发现对于单一站点来说,在近 30a的时间内大多站点在不同的时期呈现不同的变化趋势,且各个站点相互之间也有较大区别.影响区域能见度(霾)的主要因素为气溶胶的理化属性和气象条件[11],气象条件年际变化相对较小,所以可以推断在近 30a时间内,每个站点所处区域气溶胶污染状况及周边环境都有较大程度的变化.综合分析京津冀区域内主要城区站点发现,大多数2008年霾日数较前 2年都有明显下降,主要原因是2008整体气象条件相对较好,此外还和奥运会前后明显减少了污染物排放有密切关系.

图5A为1980~2008年北京、天津、河北3区域多站点逐年平均霾日数变化,图5B为京津冀区域内 18个城区站点和其余非城区站点逐年平均霾日数.在进行此部分计算时,无论各站点是否迁站,每个站的相关数据均统计进去.从图 5A中可以看出,虽然区域内各地面站霾天气变化趋势复杂,霾日数水平也有很大差异,但从长时间大范围的角度来看,北京、天津、河北霾日整体变化趋势和波动特征较为相似,表明京津冀范围内霾变化具有明显的区域性特点.京津冀区域霾日数近30a呈增加趋势,这与区域内社会经济发展,污染物排放增加,尤其是细颗粒物污染加重密不可分.其中,北京20个地面站从1980年的年均50d左右增加到2008年的72d,天津5个站点从1980年的30d左右增加到2008年的95d,河北82个站点从1970年的年均28d增加到2007年的42d.北京和天津霾天数明显高于河北,从2002年开始,天津区域霾日数高于北京.此外,和单站点特征类似,2008年霾日数较前2年都有明显下降.

图5 京津冀区域逐年平均霾日数变化Fig.5 Annual average hazy day trends in the BTH area

由图5B可知,城区站点的平均霾日数30年内基本在40~60d内波动,非城区站点的平均霾日数却明显呈上升趋势,并与城区站点具有同样的波动特征,且与市区站点霾日数的差距越来越小,表明影响霾天气形成的气溶胶污染在非城区范围逐渐加重,且和城区逐渐趋于一致.

京津冀区域内霾日数年际变化整体趋势,以及城区和非城区的趋同特征,在京津冀区域的能见度长期趋势研究中也表现出类似特征[12].

2.2 霾天气月际变化特征

图6A为北京、天津和河北1980~2008年月平均霾日数变化,每个霾日数均为相应区域内各站点所有该月霾日数的平均值,图 6B为京津冀区域内所有站点不同时段月平均霾日数变化.

京津冀区域霾日数的月际变化特征也极为相似,呈明显的双峰特征,即夏季和冬季霾日数较高.冬季主要是由于采暖燃煤排放颗粒物较多,夏季则主要是由于光化学反应较强,产生较多的二次粒子,夏季相对湿度较高,且相对湿度对二次粒子散射效应的促进作用也最明显[13-14].与天津和河北霾日数月际变化略有不同,北京冬季霾日数增加幅度相对较小,主要原因是北京冬季平均风速明显高于天津和河北,而平均相对湿度却明显低于天津和河北[12].

图6 京津冀区域逐月平均霾天数变化Fig.6 Monthly average hazy day trends in the BTH area

此外,近30a内,京津冀区域内各个月份的霾日整体都有所增加,尤其在夏季和秋季增加明显.

2.3 霾天气空间分布特征

图7为利用107个站点的位置信息和逐年霾日数分别得到的 1980~1989年,1990~1999年, 2000~2008年以及1980~2008年4个阶段平均霾日数的分布图.从图 7可见,霾日数高值区主要位于城市区域,其中北京、天津、保定、石家庄、邯郸和邢台等地最为明显.此外,随着时间推移,各等值线范围明显扩大,同一区域的霾日数明显增多,也反映出京津冀范围内霾天气的逐渐增加趋势.

2.4 霾天气下气象要素特征分析

由表1可见,区域内各城区站点霾天气条件下,14时平均风速明显偏低,多数站点处于2.0m/s左右,非霾日 14时平均风速比霾日高出 1.0m/s以上.相比之下,各站点霾日 14时相对湿度则明显较高,多数站点比非霾日 14时相对湿度高出20%以上.表明霾多出现于相对湿度较高,风速较低的相对静稳状态.

3 结论

3.1 对于单一站点来说,大多站点在不同的时期呈现不同的变化趋势,且各个站点相互之间也有较大区别.北京、天津、河北近 30a霾日整体变化趋势和波动特征较为相似,呈增加趋势,表明京津冀范围内霾天气具有明显的区域性特点.非城区站点的平均霾日数呈增加趋势,与城区站点具有同样的波动特征,并逐渐趋于一致.此外,由于奥运会前后明显减少了污染物排放,且整体气象条件较好,大多数站点2008年霾日数较前2年都有一个明显的下降.

3.2 京津冀区域霾日数的月际变化特征也极为相似,呈明显的双峰特征,即夏季和冬季霾日数较高.近 30a内,京津冀区域内各个月份的霾日整体上都有所增加,尤其在夏季和秋季增加明显.

图7 京津冀区域多年平均霾日分布Fig.7 Spatial distributions of average hazy day during different decades

3.3 根据霾天气空间分布,霾日数高值区主要 位于城市区域,其中北京、天津、保定、石家庄、邯郸和邢台等地最为明显.此外,随着时间推移,各等值线范围明显扩大,同一区域的霾日数明显增多,也反映出京津冀范围内霾天气的逐渐增加趋势.

表1 各城区站点霾日和非霾日14时平均风速和平均相对湿度Table 1 Average wind speed and relative humidity at 14 o’clock in hazy and non-hazy days at urban stations

3.4 多数站点霾日 14时平均风速比非霾日低了1.0m/s以上,14时平均相对湿度则比非霾日高出20%以上.

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Characteristics of hazy days in the region of Beijing, Tianjin, and Hebei.

ZHAO Pu-sheng1,2*, XU Xiao-feng2, MENG Wei1, DONG Fan1, HE Di1, SHI Qing-feng1, ZHANG Xiao-ling1(1.Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China；2.Meteorological Bureau of Shijingshan, Beijing 100043, China). China Environmental Science, 2012,32(1)：31~36

Meteorological data (1980~2008) were collected from 107 ground stations in the BTH (Beijing, Tianjin, and Hebei) area. Monthly and Annual numbers of hazy day for each station were calculated using meteorological element and weather phenomena. The annual average hazy days for Beijing, Tianjin, and Hebei depicted similar fluctuations and same trends of increasing. Average number of hazy days at non-urban stations depicted an increasing trend, and the difference in the number of hazy days for urban and non-urban stations had been narrowing over time. Monthly variation of hazy days for the BTH area displayed bimodal trends, with more hazy days in the summer and winter. According to the spatial distribution, the areas with more hazy days were mainly located in Beijing, Tianjin, Baoding, Shijiazhuang, Handan, and Xingtai. At most of stations in the BTH area, average wind speed at 14 o’clock in hazy days was over 1.0m/s lower than non-hazy days, and average relative humidity at 14 o’clock in hazy days was over 20% higher than non-hazy days.

Beijing, Tianjin, Hebei；haze；visibility；characteristic

2011-04-21

北京市自然科学基金资助项目(8102016); 国家”973”项目(2006CB403703)

* 责任作者, 副研究员, pszhao@ium.cn

X51

A

1000-6923(2012)01-0031-06

赵普生(1982-),男,河北香河人,副研究员,博士,研究方向为大气污染成因分析及防治.发表论文10余篇.