引言

霾是指悬浮在空中，肉眼无法分辨的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，使空气混浊，水平能见度降至10 km以下的一种天气现象^[1]。霾使远处光亮物体微带黄、红色，使黑暗物体略带蓝色^[2]。由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快，我国区域性霾天气现象日益严重，最直接的表现为能见度降低，大气中经常呈现灰蒙蒙的一片。霾的出现不仅对交通有严重影响，还会导致空气质量下降，影响人们的身心健康。

国外学者在20世纪90年代对霾的组成和气候特征进行了研究。1999年欧美科学家发现每年12月至次年4月在亚洲南部上空经常笼罩着一层3 km厚的棕色污染尘霾，并称其为亚洲棕色云团(Asia Brown Clouds, ABC)^[3]，Ramanathan等^[4-6]研究表明云团中含有大量碳颗粒物、硫酸盐、硝酸盐和有机颗粒物等物质，同时通过卫星资料反演、外场观测和数值模拟研究了ABC对区域性和全球气候可能产生的影响。Malm^[7]对美国大陆霾天气的时空演变特征进行了分析，并对霾产生的源头进行了追踪和模拟；Schichtel等^[8]利用了美国298个气象站的观测数据分析了美国1980—1995年霾的变化趋势，发现美国自实施干净空气行动之后，年霾日数15年间下降了约10%。进入21世纪后，我国也逐步开展针对霾的观测研究工作，特别是珠江三角洲地区作为我国霾观测研究起步较早的地区，在这方面做了大量的工作。刘爱君等^[9]通过多年观测资料分析了广州霾天气的气候特征。陈欢欢等^[10]用天气学及矢量分析法分析了天气形势及近地层风对严重霾过程的影响。吴兑等^[11-14]对珠江三角洲霾天气的成因和输送条件进行了大量的研究，表明霾的出现导致能见度恶化，而能见度的恶化主要与细粒子关系比较大。许多研究表明这种情况在其他地区也是如此^[15-16]。与此同时，国内其他地区的一些学者也对全国或区域的霾气候特征和成因开展研究，如高歌^[17]、胡亚旦等^[18]对中国霾的时空分布特征、变化趋势进行了详细分析，并探讨了霾变化的可能原因。魏文秀^[19]对河北霾的时空分布特征进行了统计，发现霾出现频数具有明显的地域性和月际分布特征。伍红雨等^[20]采用多种统计诊断方法，分析了华南年霾日、雾日的时空特征和变化。

杭州作为长江三角洲中的经济发达地区，也是国家历史文化名城和重要的风景旅游城市。进入21世纪以来，杭州霾天气现象急剧增多，已经成为当地新的灾害性天气，同时在城市发展过程中对人居生态环境起着至关重要的影响。为此，本文利用1998—2010年杭州常规地面气象观测资料、高空探测资料和环境污染物观测资料量化分析了杭州地区天气形势、大气稳定度、近地逆温以及环境污染物等气象环境因子与霾天气的相互关系，以期为今后开展霾的预警预报服务工作提供一些参考和理论依据。

1 资料和方法

本文选取1998—2010年杭州国家基本气象站(30°14′N、120°10′E，海拔高度41.7 m)常规地面观测的日资料、小时资料以及2004—2010年每日08和20时高空观测资料。观测方法和仪器符合中国气象局颁发的气象要素观测规范要求。在能见度(VIS)小于10 km，相对湿度小于90%时，排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和烟幕等天气现象造成的视程障碍判定为霾。对于霾日的界定，各地气象观测员标准不一，甚至同一个站点不同观测员也不一样，因此本文主要参考吴兑等^[11]、赵普生等^[21]对霾日的判定方法，采用日均气象数据对霾日进行判定，即日均能见度(VIS)小于10 km，日均相对湿度小于90%，并排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和烟幕等天气现象造成的视程障碍视为一个霾日。同时根据中国气象局制定的《霾的观测与预报等级》^[2]将霾分为4个等级：轻微(5.0 km≤VIS＜10.0 km)、轻度(3.0 km≤VIS＜5.0 km)、中度(2.0 km≤VIS＜3.0 km)、重度(VIS＜2.0 km)。

本研究采用修正的Pasquill稳定度划分方法^[22]。这种方法采用太阳高度角及风速、云量资料将大气稳定度等级分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定6级。分别由A、B、C、D、E和F表示，其中AB、BC和CD表示介于两种稳定度之间，本文中将大气稳定度分为3大类进行讨论，即不稳定类(包括强不稳定、不稳定、弱不稳定)、中性类和稳定类(包括较稳定和稳定)。

大气污染物(SO₂、NO₂和PM₁₀)日均值数据来源于杭州市环境监测中心站(30°16′N、120°8′E)空气质量自动监测站，该监测站是国家环境空气自动监测控制点位。其中SO₂、NO₂和PM₁₀采用1998—2010年日均值资料。此外，杭州市环境监测中心站距离杭州国家基本气象站水平距离约为5 km。

文中分析方法采用统计分析和相关分析等方法。

2 气候环境要素下霾特征分析 2.1 天气形势与霾

根据杭州天气气候特点，我们将杭州天气形势主要分成9种类型。由表 1可见，1998—2010年杭州地区在9种天气形势影响下均不同程度地出现了霾，其中在高压控制天气下霾天气出现次数最多，而在气旋和东风带系统下则很少出现霾天气。由图 1可以看出不同天气形势下霾与非霾时污染物(PM₁₀)浓度，霾时PM₁₀浓度均在0.080 mg·m^-3以上, 而非霾时则低于0.075 mg·m^-3。而霾时又以高压控制天气类型下PM₁₀浓度最高，其次为高压后部，在东风带系统天气类型下PM₁₀浓度最低。现分析不同天气形势对霾天气产生的影响及其污染物的浓度水平。

(1) 高压控制是影响杭州主要的天气系统，在其控制下大气层结稳定，变压很小，地面通常为微风或静风，污染物在低层空气中容易积聚，易产生霾天气。特别是在持续几天高压控制天气后，霾等级将会明显加强。观测期间，高压控制天气形势下霾天气出现376 d，霾天气下高压控制系统出现频率最高，为35.6%(见表 1)。在此类型天气形势下，有时会出现持续3~5 d的霾天气，甚至更长时间，霾时PM₁₀平均浓度为0.115 mg·m^-3。

(2) 高压后部主要是前一股冷空气势力减弱，北方又无明显冷空气入侵，杭州市处于冷高压后部，受西南气流影响，不利于污染物的扩散和稀释。由于一般都出现在高压控制天气之后，因此，也非常容易产生霾天气。研究期间，高压后部天气形势下霾天气出现245 d，霾天气下高压后部出现频率次之，为23.2%。在此类型天气形势下，多数情况霾天气持续2~3 d，霾时PM₁₀平均浓度为0.108 mg·m^-3。

(3) 高压前部和高压底部分别有着较稳定的东北风和偏东风。东北风和偏东风都会把海洋上的干净空气带到杭州，有利于杭州上空污染物的稀释。但是处于这两种形势场下，天气状况较差，地面有弱的冷平流，使近地面层温度下降较快，而在中低空冷空气路径偏北，杭州还处于暖气团控制下，使得低空形成下冷上暖的逆温层结，阻碍大气污染物的垂直扩散，所以霾出现的概率也往往较高。在高压前部和高压底部控制天气形势下霾天气出现分别为118和125 d，霾天气下高压前部和高压底部出现频率相差不大，分别为11.2%和11.8%。在此两类天气形势下，霾天气持续时间不长，多数情况为1~2 d，霾时PM₁₀平均浓度也相差不大，分别为0.085和0.082 mg·m^-3。

(4) 倒槽天气地面气压场较弱，气压梯度小，风速小，温高湿重，不利于污染物的水平扩散；但空气对流较为活跃，高低空湍流交换强，有利于污染物的垂直输送，故霾天气的出现概率有所降低。倒槽天气形势下霾天气出现75 d，霾天气下倒槽天气系统出现频率为7.1%。在此类型天气形势下，霾天气有时也会持续1~2 d，霾时PM₁₀平均浓度为0.089 mg·m^-3。

(5) 冷锋前通常伴随有高空暖平流出现，地面存在弱辐合场，加之地面风力很小，气温明显升高，湿度增大，逆温出现率较高，高低空湍流交换弱，风对污染物的稀释能力较差，不利于大气污染物的水平扩散和垂直输送，故有时也容易出现霾天气。冷锋前天气形势下霾天气出现54 d，霾天气下冷锋前天气系统出现频率为5.1%。在此类型天气形势下，霾天气只是偶有发生，霾时PM₁₀平均浓度为0.104 mg·m^-3。

(6) 冷锋后天气往往伴随较强的偏北风。气流的垂直和水平交换都很强烈，近地面经常出现6级以上大风，有利于空气污染物的稀释，但有时受到强干冷空气影响，地面出现偏北大风而无明显降水，会将北方沙尘带入杭州，造成杭州出现浮尘或扬沙天气，进而形成霾。这种天气形势不多，但出现时往往比较严重。冷锋后天气形势下霾天气出现33 d，霾天气下冷锋后天气系统出现频率为3.1%。在此类型天气形势下，霾时PM₁₀平均浓度为0.089 mg·m^-3。

(7) 气旋和东风带系统天气通常伴有大风和降水，典型的特征是300、600和900 m的低空风突然增大至10 m·s^-1以上(平常不超过5 m·s^-1)。在大风的稀释和降水的清洗作用下，空气中污染物(特别是颗粒物)浓度下降非常明显，故很少出现霾天气。气旋系统和东风带系统天气形势下霾天气出现分别为15和14 d，霾天气下气旋系统和东风带系统出现频率很低，仅仅分别为1.4%和1.3%。此两类天气形势下，霾时PM₁₀平均浓度分别为0.086和0.080 mg·m^-3。

2.2 大气稳定度与霾

1998—2010年霾天气下不同大气稳定度出现频率如图 2所示。由图 2可以看出，霾天气下不稳定类出现频率为17.6%；其中又以C类出现频率居多，占7.2%，AB、B和BC类比较接近，而A和CD类则极少出现，分别仅为0.4%和0.2%。霾天气下中性类出现频率为54.3%，稳定类出现频率为28.1%，其中E和F类出现频率仅次于D类且相差不大，分别为13.3%和14.8%。由此可见，杭州霾天气下大气稳定度主要表现为中性类。

中性稳定度通常反映两类大气状况，一类是大风，一类是阴天或雾天^[23]。从1998—2010年24时次不同风速与霾时次统计结果(表 2)可以看出，霾多出现在风速1~4 m·s^-1时，占总数的81.8%；其中风速在2~3 m·s^-1时出现概率最高为31.5%，风速大于6 m·s^-1时仅有1.0%的概率。表明风速较小时，霾出现频率较高，值得注意的是，当风速为0~1 m·s^-1时(静风)，霾出现次数又减少。所以，微风有利于霾天气的发生。当风速大于3 m·s^-1时，霾出现次数也逐渐减少，尤其是风速大于6 m·s^-1，霾的出现概率很低。说明风速较大有利于大气污染水平输送；风速大，湍流也较强，也利于垂直方向的输送和扩散。反之，则容易造成污染物堆积，霾将会维持或加重。因此，大风不是造成中性稳定度下霾出现的主要原因。而在霾的判别上，已经排除了雾天，所以阴天是造成杭州地区霾多发的重要原因。图 3为1998—2010年杭州霾天气下晴天、少云、多云和阴天的出现频率。可以看出霾天气下阴天出现频率最高，为58.0%，晴天次之为29.4%，多云和少云出现频率相差不大，分别为5.8%和6.8%。综合上述分析可知，杭州霾天气下大气稳定度主要以中性为主。

从图 3还可以看出，霾天气下晴天出现频率为也相对较高，可能是由于白天太阳辐射强烈，大气光化学反应活跃，容易导致二次污染物的产生，有研究表明杭州细粒子中存在平均的二次污染物^[24]，这可能是造成晴天天气下能见度下降，霾天气出现的主要原因。

2.3 近地层逆温与霾

研究表明^[25]杭州地区一年四季皆有逆温层存在，污染物浓度与逆温频率、厚度和强度呈正相关。逆温是决定大气稀释扩散能力的一个重要因子。当逆温生成时，湍流运动受到抑制，尤其湍流垂直运动难以发展，大气扩散能力减弱，污染物被向下卷夹，造成近地层污染物的大量积累，对霾的产生创造了有利的外部条件。本文所分析的近地层逆温是层顶高度≤1500 m的逆温层，不包括等温层(等温层在杭州的出现次数很少)。

2004—2010年08和20时的近地层逆温出现总次数分别为1166和671次；在近地层逆温条件下，霾出现的总次数分别为741和378次，出现频率分别为63.6%和56.3%。在近地层逆温条件下08时霾出现次数远高于20时。显而易见，近地层逆温频繁出现的同时会导致霾的多发，这也是由于逆温本身特性造成的。晚高峰过后大气中存在大量的污染物，伴随着日落，逆温层开始生成，污染物无法向上层输送，夜间大气层结也比较稳定，直至清晨早高峰的到来，导致大气污染物在混合层内堆积，从而可能造成08时更易出现霾天气。2004—2010年霾与非霾时逆温强度和厚度如表 3所示。可以看出霾时，20时平均逆温强度高于08时，但平均逆温层厚度、平均最大逆温强度和平均最大逆温层厚度均低于08时。对比霾与非霾时逆温情况可知，霾时平均逆温强度略高于非霾时，而霾时平均逆温层厚度、平均最大逆温强度和平均最大逆温层厚度均低于非霾时。

2.4 污染物与霾

霾天气现象多产生于特定的天气形势背景下，大气层结比较稳定、风力温和且湍流较弱，并常常伴有逆温的出现。霾层内大气边界层的结构不利于空气污染物的扩散，所以霾的出现通常会加剧地面空气污染状况。当相对湿度较低时，空气中大量的干性尘埃、盐粒(尤其是其中的细粒子)以及一次污染物(SO₂、NO₂、CO和O₃等)使大气浑浊，导致能见度恶化，进而产生霾天气。即污染物(如PM₁₀、PM_2.5、SO₂和NO₂等)对霾的生成发展也会有至关重要的影响。

近年来虽然杭州市空气质量优良率在80%~85%之间变化^[26]，但霾日数却依旧呈现居高不下的态势。对1998—2010年霾日与非霾日下不同污染物浓度的分析发现(图 4)，霾日下污染物PM₁₀、SO₂和NO₂的浓度分别为0.120、0.055和0.044 mg·m^-3，而非霾日下PM₁₀、SO₂和NO₂的浓度分别下降了0.040、0.011和0.008 mg·m^-3。非霾日比霾日污染物浓度分别下降了33.3%、20.0%和18.2%。说明霾日下污染物浓度高于非霾日。不同霾等级下污染物浓度如图 5，可以看出随着霾等级增加，不同污染物浓度也随之增加，其中PM₁₀从0.087 mg·m^-3增加到0.122 mg·m^-3，增加最为显著；而SO₂和NO₂的浓度也表现出不同程度的上升趋势。

图 6为2010年10月29日至11月2日持续霾天气污染物浓度的变化。这段时间杭州受到高压控制天气类型影响，连续多日出现霾天气，从图 6可以看出，随着风速的减小，能见度不断下降，污染物浓度随之增加。10月29—31日均为轻微霾，11月1日过渡到轻度霾，11月2日转变成为中度霾，而不同污染物浓度随着霾的加重也出现了不同程度的增加，其中PM₁₀浓度从0.082 mg·m^-3增加到0.148 mg·m^-3，NO₂浓度从0.042 mg·m^-3增加到0.103 mg·m^-3，这两种污染物的增加较为明显。

选取2006—2009年日平均能见度与PM₁₀、SO₂和NO₂日浓度进行相关分析，共计1425个样本。能见度与PM₁₀浓度的指数关系相关性较好(R=0.3426)，能见度随PM₁₀浓度的升高而降低。对于NO₂，能见度也随NO₂浓度升高而降低，但相关系数略小于PM₁₀(R=0.3025)。而SO₂与能见度变化的相关性较低(R=0.2232)。叶堤等^[27]研究认为，许多城市尤其是在光化学污染较轻的城市大气中PM₁₀的消光作用远强于NO₂气体。刘新罡等^[28]的研究表明，对于首要污染物为颗粒物的城市，大气消光的主要贡献者就是大气中的气溶胶。如前所述，杭州即为一个以颗粒物为首要污染物的城市，这个结果与洪盛茂等^[29]的研究结果相吻合。

2.5 地形环境对霾的可能影响

以2010年浙江省霾日数分布为例，杭州正处于两条霾日多发带的交叉点上，一条为杭州—金华—衢州，地形特征为从平原向盆地转换，一条为杭州—绍兴—宁波，地形特征为处于平原与山区的过度地带(图 7)。此外，杭州背山而居，大气扩散条件弱于开阔平原，也弱于沿海地区，导致大气颗粒物不易扩散，较容易聚集在城市区域，从而造成的霾日数居高不下。因此，杭州所处的地理位置以及地形环境对杭州霾的形成可能也起到一定的促进作用。

3 结论

(1) 杭州地区高压类型天气形势对霾的产生有重要影响，霾出现频率达80%以上，而在气旋系统和东风带系统天气形势下则较少出现霾天气。

(2) 杭州地区霾天气下大气稳定度主要表现为中性类，出现频率为54.3%。霾天气下阴天出现频率也高达58.0%；二次污染物的高浓度可能是造成晴天下霾出现频率较高的原因之一。风速在1~4 m·s^-1时霾天气出现频率较高。

(3)08时逆温条件下霾出现次数高于20时；霾时平均逆温强度高于非霾时，而平均逆温层厚度、平均最大逆温强度和平均最大逆温层厚度均低于非霾时。

(4) 非霾日比霾日大气中污染物PM₁₀、SO₂和NO₂浓度有明显下降。随着霾等级的增加，不同污染物浓度也随之增加，颗粒物是造成能见度下降的主要原因。

(5) 杭州特殊的地理位置以及地形环境对霾的发生有一定的促进作用。