上海地区霾的观测标准探讨及统计特征分析

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1、上海地区霾的观测标准探讨及统计特征分析 上海地区霾的观测标准探讨及统计特征分析 陈敏 施红 陈辉 阴俊 潘文伟 （上海浦东新区气象局，上海 200135） 摘 要 摘 要 本文以上海浦东地区的观测资料为例，详细探讨了“霾”天气的不同观测标准及在提高相对湿度阈值后“霾”天气的统计方法及分布演变特征。 并详细分析了自动站能见度仪观测值与人工能见度观测值的差异特征， 首次尝试将新的 “雾、轻雾、霾”的观测标准应用到自动站能见度仪观测资料库。结果表明：1.由于判别标准的不确定、不统一以及相对湿度阈值的明显偏低，大量的“霾”被记成了轻雾或雾，吴兑等提出的“雾、轻雾、霾”的观测标准将相对湿度阈值提高到80

2、%95%更有理论依据。2.维萨拉 FD12P 型能见度仪观测值明显偏小于人工能见度观测值，在上海地区“霾”天气现象发生的 110 公里能见度范围内，人工观测对能见度仪观测值的平均调整比例在 2 倍左右。3.将新的“雾、轻雾、霾”观测标准按试验确定的统计标准应用到自动站逐时历史资料库提取的霾样本日及其统计特征分布是合理的。 关键词：霾，相对湿度阈值，能见度，人工，自动站 1 引言 1 引言 我国改革开放以来，经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快,使得化石燃料煤、石油、天然气等 的消耗量迅猛增加, 汽车尾气、燃油、燃煤、废弃物燃烧直接排放的气溶胶粒子和气态污染物通过光化 学反应产生的二次气溶胶污染

3、物日增。而这些空气中的灰尘、硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐、有机碳氢 化合物等气溶胶粒子，正是形成“霾”的干尘粒。因此“霾”已由一种少见的天气现象成为常见的天气 现象。其组成成分中的许多有毒有害物质, 可被人体呼吸道吸入，尤其是亚微米粒子会分别沉积于上、 下呼吸道和肺泡中，从而引起鼻炎、支气管炎等病症，对人体健康和环境的危害远大于沙尘暴， “霾” 已经成为一种新的灾害性天气。可以说， “霾”的出现有着重要的空气质量的指示意义1。 气象学上，雾和轻雾、霾都是造成视程障碍的天气现象，在气象台站的地面观测记录簿中历来都有 记载，与之匹配的天气符号分别为：、。在每天 8 个时次的地面天气图中，可以实时监测

4、全国 各地以及其他国家或地区是否发生了这些造成视程障碍的天气现象。但是，由于对“雾、轻雾、霾”定 义理解上的不统一，全国并没有统一的“雾、轻雾、霾”的观测标准，在天气较复杂时霾和轻雾或雾的 记录很容易混淆， 从而影响了 “霾” 的监测， 这必然为 “霾” 的科学研究设置障碍。 那么究竟怎样的 “雾、 轻雾、霾”的观测标准相比更加科学、更加合理呢？如何将新确定的“霾”的观测标准应用于历史资料 库以建立“霾”天气的“历史档案”？新的观测标准下“霾”天气的分布演变特征又有怎样的变化呢？ 2 “霾”的观测标准探讨 2 “霾”的观测标准探讨 中国气象局地面气象观测规范中，对“雾、轻雾、霾”有详细定义(表

5、 1)。由于天气现象的复 杂性，定义中对雾、轻雾、霾的定义实际上还是定性为主，并没有一个统一的定量判别标准。在气象观 测中，主要还是靠观测员的目测及经验来进行判别。 吴兑1的调查表明，全国各地对“雾、轻雾、霾”的观测标准五花八门。我国南方的大多数地区都是用相对湿度的某一阈值来区分，有些地区还结合了天气的变化趋势，但绝大多数地区这一阈值的确定 都是约定俗成的，而且基本都以 60%70%来区分；而我国北方广大地区由于湿度水平一般比较低，易于 区分“雾、轻雾、霾”这些天气现象，故而大多数地方未规定附加的相对湿度标准。 表 1. 表 1. 中国气象局地面气象观测规范中有关雾、轻雾、霾的特征描述 天气现

6、象 符号 特征或成因 影响能见度的程度(km)天气条件 大致出现时间 天气现象 符号 特征或成因 影响能见度的程度(km)天气条件 大致出现时间 雾 大量微小水滴浮游空中 1.0 相对湿度接近 100% 日出前及锋面过境前后轻雾 微小水滴或已湿的吸湿性质粒所构成的稀薄雾幕1.010.0 空气较潮湿且稳定 早晚 霾 大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中 10.0 气团稳定且较干燥 一天中的任何时候 2151在详细分析了形成雾滴及霾粒子的气溶胶粒子的物理及化学特性后，吴兑等2进一步指出，大气中主要的水溶性气溶胶的相变湿度都在 80%95%之间， 我国绝大多数地区约定俗成地区分霾与轻雾或雾的 相对湿

7、度阈值定得相当低，业务中常常将大量“霾”记成了轻雾或雾，直接后果就是在天气图上出现莫 名其妙的雾区或轻雾区，而本该监测到的“霾”却丢失了。 近年来，已经有很多省、市和地区的专家们开展了“霾”的相关研究工作，有不少省市已率先推出 了“霾”的预报和预警业务，其中一些省市更是以文件形式统一了“雾、轻雾、霾”的观测标准。 比如，吴兑等1，2，3在分析了大气中吸湿性气溶胶粒子的相变湿度后建议，将相对湿度小于 80%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化的天气现象确定为 “霾” ， 相对湿度大于 95%时的大气混浊视野模糊 导致的能见度恶化的天气现象确定为雾， 而相对湿度介于 80%95%之间时的大气混浊视

8、野模糊导致的能 见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分应该是“霾” 。这里，相对湿度的限值有一个区 间 80-95，主要是考虑雾与霾是可以相互转化的，而在观测和预报的业务实践过程中，用一个限值去 一刀切来区分雾与霾，也不具备可操作性，况且区分霾和轻雾或轻雾，还需要考虑影响天气系统的连续 变化和台站所处相对位置，结合宏观特征的各种判据来确定，因而给出一个区间，让观测员和预报员有 一定的酌情权。在此基础上，广东省气象局首先以文件形式统一了广东省“雾、轻雾、霾”的观测标准； 针对灰霾预警信号的发布，他们还制定了广东省灰霾天气预警信号发布细则 ，2006 年 1 月起正式在 日常天气预报中增

9、加灰霾预报，2006 年 6 月 1 日经省人大和省政府的批准正式发布灰霾预警信号。 另外，北京市气象台也制定了“北京地区霾预报服务标准” ，其中对“霾”的观测标准制定得相对 简单，只以相对湿度低于 80做为霾与轻雾或雾的区分标准，并从 2007 年 2 月 1 日起正式向全市发布 “霾”天气预报；中国气象局也于 2007 年 1 月 12 日面向全国下发了“关于征求灰霾预报业务规定(试 行)意见的函” ，其中关于“霾”的建议观测标准与广东局基本一致。 总体而言，吴兑等经过详细研究而确定的霾与雾或轻雾的区分标准更有理论依据，相比而言也更加 合理。比如在 2007 年 5 月 15 日 08 时

10、的地面天气图上(图 1 左） ，广东、台湾南部、甚至更偏南的菲律 宾都有测站记录有“霾”天气，而相近纬度的其他省份的各测站则一律记为轻雾；而到了当天中午 11 时的地面天气图上(图 1 右)，由于日变化造成相对湿度的明显下降，则相临省份的有些地区也开始记录 有“霾”天气。因无法获得当日各台站空气污染指数的时序变化图，只能从当日各站 12 时12 时的空 气质量日平均值来分析：虽然没有一个测站 API 指数达到三级轻微污染，但各测站当日的空气污染指数 都比前几日有一小幅上升：广州 78，汕头 81，福州 79，厦门 85，且首要污染物都为可吸入颗粒物。 各省、市和地区的专家还按照各自新的“霾”的

11、观测标准，统计了历史观测资料中“霾”的样本日， 并分析了相应的气候演变特征。其中比较一致的观点是：随着经济建设的发展， “霾”天气现象日趋严图 1.”雾、轻雾、霾”的不同观测标准所产生的对天气现象记录的差异 Fig 1. Different records for the haze on May.15 2007 due to the different observational standard of mist ,light fog and haze2007 年 5 月 15 日 08时 2007 年 5 月 15 日 11时2152重，而大幅增加的霾样本日中大部分都是由于人类活动影响的气溶

12、胶细粒子污染造成的。比如，广东省 按照新的标准统计的结果表明，广州近几年灰霾天气增加迅猛：2001 年 56 天，2002 年 65 天，2003 年 87 天，2004 年 142 天，2005 年 132 天。深圳市则根据地面气象观测资料的记录统计：20 世纪 70 年代 全市总共只有 3 天灰霾，80 年代共出现 58 天灰霾，而 90 年代灰霾天数急剧增加到 773 天； 2003 年 出现灰霾的天数则为 131 天,打破 50 年来历史最高纪录，其中 12 月份共有 29 天出现了灰霾，是历史 上出现灰霾最多的月份。而北京市统计的结果是： “霾”的常年平均天数为 27.2 天，而 2

13、006 年则出现 了 34 天。这些资料均来自互联网的相关新闻报导。 上海地区各人工观测台站对 “霾” 天气的观测标准也没有一个明文规定， 但也基本约定在 60%70%， 相比也是明显偏低。是否可将吴兑等建议的新的“雾、轻雾、霾”的观测标准应用到上海地区？不同的 观测标准下“霾”的分布演变特征又有怎样的变化呢？以下将以上海浦东地区能见度及相对湿度的历史 观测资料为例进行详细分析。在采纳吴兑等建议的观测标准对上海地区的霾与轻雾或雾进行重新划分 时，还首先探讨了人工观测历史资料库与自动气象观测站历史资料库的差异，以期更加科学合理地统计 上海地区“霾”的历史样本资料及相应的分布演变特征。 3 上海地

14、区原有观测标准下霾样本日的统计特征分析 3 上海地区原有观测标准下霾样本日的统计特征分析 以浦东台为例，上海地区各人工观测台站对“霾”天气的观测标准主要是以观测员的经验代代口传 下来的：当能见度低于 10 公里并稳定持续一段时间后，若相对湿度60%时一般记“霾” ，若相对湿度 70%一般记“轻雾” ，若相对湿度在 60%70%时则结合变化趋势判别。观测记录中还没有出现过能见度 低于 1 公里、相对湿度（60%70%）的“霾” 。 按照浦东地区人工观测气表-1 资料中记录的霾样本日进一步统计了上海浦东地区 “霾” 天气的年变 化和年际变化特征（图 2） 。 结果表明： 上海浦东地区 1961 年

15、至 2006 年的 46 年里，共出现 564 个霾样本日，平均每年约 12 天，平均年 际变化幅度约 15 天。其中有两个高峰段，一个出现在 19781989 年，12 年中只有两年出现 11 天霾样 本日、略低于平均数，其余都超过了平均数；第二个高峰出现在 2001 年至今，都超过了平均数，其中 2002 年为最多，达 70 天。在文革的 10 年期间有 6 年霾样本日为 0。 46 年里，1961 年1977 年为霾样本日的一致偏少年，19781992 年除个别年份外都为霾样本日 的偏多年，1993 年2000 年则基本为偏少年，而 2001 年以来又出现霾样本日的一致偏多年，且进入一

16、个高速增长期，6 年“霾”的总样本日数为 237 天，占了 46 年总量的 42%。 46 年里，上海地区“霾”天气主要出现在冬半年（11 月次年 4 月） ，最多为 12 月，其次为 1图 2. 上海市浦东气象台 1961-2006 年人工观测霾样本日的年际变化及累计距平曲线图(a)和相应的年变化堆积面积图(b) Fig 2. Interannual changes accumulative departure (a) and annual variations pile-up process (b) of haze from 1961-2006 manual observational data 01020304050607080195919631967197119751979198319871991199519992003年份天数-250-200-150-100-500累计距平0204060801001201月 2月 3月 4月 5月 6月 7月