青島市霧、霾天時(shí)空變化特征及影響因素分析

　　摘要：本研究基于青島市2005—2019年的氣象與空氣污染數(shù)據(jù)，主要分析了青島市霧、霾天區(qū)域分布及其年際、季節(jié)和日變化特征與影響因素。結(jié)果顯示，青島市自2005—2019年近14年來(lái)霧天天數(shù)緩慢減少(p<0.1)，霧天天數(shù)變化和相對(duì)濕度變化具有良好的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。青島市各季節(jié)霾天天數(shù)呈波動(dòng)變化，在2010—2013年間霾天天數(shù)每年均超過(guò)100d，2008年霾天天數(shù)最少，為75d。霧事件持續(xù)時(shí)間多為1～2d，占比為77.5%，而持續(xù)時(shí)間為1d的霾事件占60%，持續(xù)時(shí)間超過(guò)3d的占6.3%。在沿海型站點(diǎn)(市南、大橋三)，春夏季霧天天數(shù)明顯高于秋冬季，過(guò)渡型站點(diǎn)(膠南、膠州)和內(nèi)陸型站點(diǎn)(萊西、平度)則沒(méi)有該顯著差異，暗示了海洋對(duì)沿海城市霧天的影響程度。從日變化來(lái)看，各站點(diǎn)霧時(shí)數(shù)的高值主要出現(xiàn)于午夜至早8時(shí)，霾時(shí)數(shù)呈現(xiàn)雙峰分布，峰值出現(xiàn)于8：00—12：00和18：00—24：00。相關(guān)分析表明，每月霧時(shí)數(shù)與PM2.5、SO2濃度、相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，與O3濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，而霾時(shí)數(shù)與PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO濃度呈顯著正相關(guān)，與O3濃度、氣溫、相對(duì)濕度和氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)。

　　關(guān)鍵詞：霧天;霾天;氣象條件;空氣污染;時(shí)空變化

　　霧和霾是造成大氣能見(jiàn)度降低的主要天氣現(xiàn)象，可導(dǎo)致人們心情灰暗壓抑、海陸空交通受阻，甚至影響醫(yī)療和旅游等產(chǎn)業(yè)[1-2]。隨著氣候條件、城市發(fā)展以及空氣污染類(lèi)型等方面的變化，中國(guó)霧、霾事件出現(xiàn)頻率及主要影響因素也存在明顯差異。許多研究表明，中國(guó)多個(gè)區(qū)域霧天天數(shù)呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減少的趨勢(shì)[3-5]。林建等[6]發(fā)現(xiàn)1985—2005年我國(guó)除華南、江南地區(qū)霧日變化趨勢(shì)不明顯，其余各地的大霧日(能見(jiàn)度<1km)基本呈遞減趨勢(shì)，這可能與我國(guó)快速城市化以及森林覆蓋率減少導(dǎo)致的溫度升高、濕度下降有關(guān)[7-9]。吳兌等[10]分析發(fā)現(xiàn)，1954—2004年珠江三角洲霧和輕霧造成的低能見(jiàn)度變化主要反映了氣候波動(dòng)固有的年際和年代際變化特征。

　　環(huán)境保護(hù)論文霧霾天氣引發(fā)的法律思考

　　自20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，珠江三角洲地區(qū)灰霾天數(shù)呈增加趨勢(shì)，并有3次大的波動(dòng)，主要與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)保措施、復(fù)合大氣污染有關(guān)[10]。Zhang等[11]結(jié)合我國(guó)681個(gè)地面站點(diǎn)的能見(jiàn)度資料，以及人口密度、氣溶膠總排放量等數(shù)據(jù)，定義了我國(guó)4個(gè)主要霾區(qū)，分別為華北和關(guān)中平原、長(zhǎng)江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)以及四川盆地。史軍等[12]研究表明，近30年來(lái)長(zhǎng)江三角洲大城市、中等城市和城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村間霾日數(shù)變化具有明顯差異，而趙普生等[13]指出京津冀范圍內(nèi)城區(qū)站點(diǎn)、非城區(qū)站點(diǎn)霾日數(shù)均有增加趨勢(shì)且兩者差距越來(lái)越小。氣溶膠及氣候系統(tǒng)對(duì)霧、霾的形成有重要影響[14-16]。一般來(lái)說(shuō)氣溶膠有助于霧的生成，而當(dāng)氣溶膠濃度超過(guò)一定閾值，空氣中有限的水汽爭(zhēng)奪大量的氣溶膠，霧滴數(shù)量反而會(huì)下降[3，17]。

　　此外，氣溶膠的輻射效應(yīng)還會(huì)通過(guò)改變局地氣溫，影響霧的持續(xù)時(shí)間[18]：吸收性氣溶膠會(huì)加熱霧滴，從而延緩夜間霧的形成，加速日間霧的消散;散射性氣溶膠在日間散射太陽(yáng)輻射，降低霧滴表面溫度，增加霧的持續(xù)時(shí)間。同時(shí)有研究指出，中國(guó)東部地區(qū)霧、霾形成受氣候系統(tǒng)影響較大。Fu等[19]研究表明風(fēng)場(chǎng)的分布和風(fēng)速、相對(duì)濕度的年代際變化對(duì)霧、霾的形成具有很大影響;Yin等[20]發(fā)現(xiàn)華北黃淮地區(qū)冬季霾的形成與風(fēng)速、降水具有一定相關(guān)性，但隨著近年來(lái)東亞冬季風(fēng)減弱，水汽條件成為霧、霾形成的關(guān)鍵因素，與風(fēng)速無(wú)明顯相關(guān)性[19]。青島市位于海霧多發(fā)區(qū)黃海之濱，每年4—7月霧的發(fā)生頻率最高且大部分為平流冷卻霧[21-23]。馬艷等[24-25]研究表明，青島市2006—2012年平均霧天數(shù)為55d，霧天氣背景下常伴隨著不同程度的空氣污染。

　　張曉慧等[26]對(duì)青島市冬季霧的天氣氣候特征進(jìn)行研究，表明青島冬季霧的發(fā)生頻率為年均12d，占全年霧日數(shù)的22%，其中受天氣系統(tǒng)明顯影響的霧占48%。近年來(lái)青島市空氣質(zhì)量有所改善，PM2.5由2011—2012年的(102±37)μg·m-3降低到2014—2018年的(51±18)μg·m-3[27]。但冬季濃度仍能達(dá)到(79±54)μg·m-3，遠(yuǎn)超國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(35μg·m-3)，且在高濕、靜穩(wěn)條件下，造成灰霾天氣頻發(fā)[27-29]。目前關(guān)于青島地區(qū)霧天、霾天相關(guān)研究主要集中在事件性天氣成因分析、不同天氣對(duì)氣溶膠成分的影響以及氣象條件對(duì)氣溶膠光學(xué)特性的影響等方面，對(duì)霧天、霾天長(zhǎng)期變化規(guī)律及影響因素的研究較少。

　　本研究主要結(jié)合青島市2005—2019年大氣能見(jiàn)度、相對(duì)濕度等氣象小時(shí)數(shù)據(jù)、顆粒物濃度在線觀測(cè)數(shù)據(jù)等，分析了青島市近十幾年霧天、霾天的歷史變化趨勢(shì)，探討青島市不同區(qū)域霧、霾天氣發(fā)生特征及差異，以及霧天和霾天時(shí)空變化與氣象條件、空氣污染水平等因素的關(guān)系，為評(píng)估和改善青島市空氣質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持和理論支撐。

　　1資料來(lái)源與研究方法

　　1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

　　本研究所用氣象數(shù)據(jù)有兩個(gè)來(lái)源：(1)ReliablePrognosis網(wǎng)站(https：//rp5.ru)，數(shù)據(jù)資料包括2005—2019年逐日8個(gè)時(shí)次(02：00、05：00、08：00、11：00、14：00、17：00、20：00、23：00)的水平能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、溫度等氣象要素和各時(shí)次天氣現(xiàn)象，這些數(shù)據(jù)已被用于霧、霾等天氣現(xiàn)象的相關(guān)研究[30]，本研究用以分析青島市(氣象站編號(hào)為54857，經(jīng)緯度：36.067°N，120.333°E)近年來(lái)霧天、霾天天數(shù)的變化趨勢(shì);(2)青島市氣象局2013—2019年6個(gè)站點(diǎn)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，包含大橋三、膠南、膠州、萊西、平度和市南6個(gè)站點(diǎn)的水平能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、溫度和降雨量等逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，用于分析青島市不同區(qū)域之間的霧頻、霾頻差異。

　　PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3和AQI小時(shí)數(shù)據(jù)收集于全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(http：//106.37.208.233：20035/)，包括市南區(qū)西部子站、膠南、膠州、萊西和平度站5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2014年5月13日—2019年12月31日。

　　1.2方法

　　1.2.1霧天、霾天和站點(diǎn)類(lèi)型的判定標(biāo)準(zhǔn)

　　本研究根據(jù)ReliablePrognosis網(wǎng)站2005—2019年青島市氣象站(編號(hào)54857)天氣現(xiàn)象記錄和降水量數(shù)據(jù)，排除雨、雪、沙塵暴等其他能使能見(jiàn)度降低的天氣后，定義一天中有任意相對(duì)濕度≥90%、能見(jiàn)度≤1km的數(shù)據(jù)記錄，則判定該天為霧天[31]。定義一天中14：00相對(duì)濕度<90%、能見(jiàn)度≤10km的天氣為霾天[18，32-33]。

　　由于膠南、膠州、萊西、平度和市南5個(gè)氣象觀測(cè)站分別有臨近環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，本研究在識(shí)別各站點(diǎn)霾天時(shí)，增加14：00PM2.5濃度≥75μg·m-3的限制指標(biāo)。為分析各站點(diǎn)逐時(shí)的霧、霾發(fā)生頻率分布特征，若各站點(diǎn)任意時(shí)刻的氣象記錄為相對(duì)濕度≥90%、能見(jiàn)度≤1km，則該時(shí)刻被定義為霧時(shí)刻;若任意時(shí)刻氣象記錄為相對(duì)濕度<90%、能見(jiàn)度≤10km，且PM2.5濃度≥75μg·m-3，則該時(shí)刻被定義為霾時(shí)刻。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1青島市霧天、霾天天數(shù)年際變化特征

　　本節(jié)運(yùn)用青島市2005—2019年逐日8個(gè)時(shí)次氣象數(shù)據(jù)對(duì)霧天、霾天天數(shù)年際變化特征進(jìn)行討論。青島市2005—2019年年均霧天天數(shù)為41d，在2006年出現(xiàn)峰值(66d)，隨后呈緩慢減少的趨勢(shì)(p<0.1)，到2019年達(dá)到最低值(20d)。2005—2019年霾天天數(shù)呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，在2006、2010和2016年出現(xiàn)3個(gè)明顯峰值，分別為106、143和114d，在2010—2013年間霾天天數(shù)每年均超過(guò)100d，2008年霾天天數(shù)最少，為75d。

　　分別為青島市氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和降水量在2005—2019年期間的變化趨勢(shì)，風(fēng)速、相對(duì)濕度和降水量都呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。青島市氣溫在2005—2019年間波動(dòng)范圍約為1℃，2005—2007年呈上升趨勢(shì)，2007—2012年呈下降趨勢(shì)(-0.18℃·a-1，p>0.05)，2012—2019年呈上升趨勢(shì)(0.17℃·a-1，p<0.05)。從中可以看出，青島市2006—2019年相對(duì)濕度呈波動(dòng)變化，有不斷降低的趨勢(shì)(-0.31%·a-1，p<0.05)。

　　經(jīng)過(guò)Spearman相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，2005—2019年青島市霧天天數(shù)變化和相對(duì)濕度變化具有良好的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，說(shuō)明近年霧天 天數(shù)的減少一定程度與相對(duì)濕度不斷降低有關(guān)。顯示近15年青島市風(fēng)速集中出現(xiàn)在2～6m·s-1，整體呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)，由2005年的4.0m·s-1降低到2019年的3.3m·s-1(-0.05m·s-1·a-1，p<0.01)。較高的空氣濕度更易形成暖濕氣流，從而為平流霧的出現(xiàn)提供了條件[35]�？梢�(jiàn)，2007—2019年青島市年降水量不斷降低(-36.53mm·a-1，p<0.05)，與相對(duì)濕度變化趨勢(shì)一致。

　　3結(jié)論

　　本研究通過(guò)以上分析和討論得到如下結(jié)論：

　　(1)青島市近14年霧天天數(shù)變化呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)(p<0.1);每年霾天天數(shù)呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，在2006、2010和2016年出現(xiàn)3個(gè)明顯峰值，分別為106、143和114d。青島市夏季霧天天數(shù)最多，占總霧天天數(shù)42.1%，秋季最少，占總霧天天數(shù)8.0%;其中持續(xù)1 d的霧占55.2%，持續(xù)2d的占22.3%。青島市在秋季霾天天數(shù)較少，平均每年22.4d，占總霾天天數(shù)21.7%，其他季節(jié)為26.1～27.8d，各占25.3%～27.0%。持續(xù)1d的霾占60.0%，持續(xù)2d的占25.5%。

　　(2)青島市沿海型站點(diǎn)(市南、大橋三)與內(nèi)陸型站點(diǎn)(平度、萊西)霧天的季節(jié)分布特征不同，在沿海型站點(diǎn)春夏季霧天天數(shù)明顯高于秋冬季，過(guò)渡型站點(diǎn)和內(nèi)陸型站點(diǎn)則沒(méi)有該顯著差異，表明沿海型站點(diǎn)受平流霧影響較大，而內(nèi)陸型站點(diǎn)以輻射霧為主。從全年12個(gè)月分布來(lái)看，各站點(diǎn)霧主要出現(xiàn)時(shí)間不同，市南站點(diǎn)，春夏季5—7月霧頻占比較高，內(nèi)陸萊西站點(diǎn)秋冬8—11月霧頻占比高，過(guò)渡型站點(diǎn)上下半年沒(méi)有顯著差異。各個(gè)站點(diǎn)霾天分布均呈現(xiàn)冬季多于夏季，春秋季基本持平的特點(diǎn)，各站點(diǎn)的霾多發(fā)生于1和12月。從日變化來(lái)看，各站點(diǎn)霧時(shí)數(shù)的高值主要出現(xiàn)于午夜至早8時(shí)，霾時(shí)數(shù)呈現(xiàn)雙峰分布，峰值出現(xiàn)于8：00～12：00和18：00～24：00。

　　(3)有霾出現(xiàn)時(shí)，各站點(diǎn)PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO五項(xiàng)污染物濃度都顯著高于霧天和總體均值。有霧出現(xiàn)時(shí)，除市南站點(diǎn)，其余站點(diǎn)的PM2.5濃度均顯著高于總體均值。在內(nèi)陸型站點(diǎn)，霧時(shí)數(shù)與NO2、O3濃度之間存在顯著相關(guān)性，沿海型和過(guò)渡型站點(diǎn)則與各項(xiàng)空氣污染物之間相無(wú)明顯相關(guān)性。此外，霾時(shí)數(shù)與氣溫、相對(duì)濕度均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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　　作者：盧一凡1，王嬌1，2，于鋮浩3，馬艷4，高會(huì)旺1，2

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