雾霾北京

AnalysisoftheClimateCharacteristicsand

InfluencingFactorsofFog/HazeinBeijingArea

WeihuaCao,QingchunLi

InstituteofUrbanMeteorology,CMA,Beijing100089,China

北京地区雾霾气候特征及影响因子分析

曹伟华，李青春

中国气象局北京城市气象研究所，北京100089,中国

Abstract

Thispaperanalyzedtheclimatecharacteristic

andinfluencingfactorsoffogandhazein

ultsshowedthatthe

variationsoffogandhazedayshadobvious

n1980and

1996,fogdaysvariedwithasignificantupward

trend,whilebetween1997and2010werewith

ysdecreadin

eachofthetwostages,butafter1997,the

averagehazedayswerestillhigherthanthat

s,monthlyfogdayschanged

significantly,highestfromOctobertoDecember,

butmonthlyhazedayswererelativelyuniform.

Fromtheviewofspatialdistribution,fogand

hazehadriousinfluencetothesoutheastof

Beijingarea,buthadtheleastinfluenceonthe

fasustainedfogandhaze

fromNovember3to82009waxaminedfora

increaofPM2.5concentrationwasthemain

factorsreducinghazevisibilityatthebeginning

stageinwhichhazedominated;whilerelative

humiditywasthemainfactorsleadingtolow

visibilityduringthenextstagewhenhaze

/hazedissipated

duetotheintrusionofnortherncoldair.

Keywords:Fogandhaze;Relativehumidity;

PM2.5;Climatecharacteristics

摘要

雾霾天气是一种重要的城市气象灾害。本文分

析了北京地区雾霾天气的气候特征和影响因

素。研究表明，北京地区雾霾日数年际分布表

现出显著的阶段性特点，大雾在1980—1996

年呈显著的上升趋势，在1997—2010年呈显

著的下降趋势，而霾在两个阶段均表现出下降

趋势，并且1997年后的平均水平要明显高于

1996年之前水平；从雾霾的月际分布来看，

雾日的月分布不均，主要集中于10—12月份，

而霾日的月分布均匀，各月霾日差异较小；从

雾霾的空间分布来看，雾霾天气在北京东南及

城区发生频率最高、强度最大，在北京西北部

雾霾发生频率最低、强度最小。2009年11月

3—8日的一次持续性雾霾天气过程具有显著

阶段性特征，在过程开始的霾天气阶段，PM2.5

浓度增加是影响雾霾能见度降低的主要因素；

在过程发展成熟的大雾天气阶段，相对湿度增

大是导致能见度下降的主要因素；最后雾霾的

消散则直接受到北方冷空气入侵的影响。

关键词：雾霾；相对湿度；PM2.5；气候特

征

1．引言

北京雾霾天气频繁发生，对城市大气环境、群

众健康、交通安全、农业生产等带来了的影响

日益显著，极易酿成雾霾灾害。同时，由于大

部分严重的雾霾天气一旦形成往往很难消散

（李江波，2010），此类持续性雾霾天气对城

市环境的危害往往尤其严重，并容易带来较强

的社会负面影响。在2011年，雾霾天气第一

次入选中国十大天气气候事件，反映出社会公

众对雾霾天气关注程度的进一步提高。与此同

时，人们对雾霾灾害风险认知意识正逐渐提

高，初步开展了针对城市承灾体的大雾灾害风

险评估研究（扈海波，2010）。雾霾气候特征

和影响因素是雾霾灾害风险评估的基础性工

作，对于雾霾防灾减灾和雾霾风险防范具有重

要意义。

目前雾霾气候特征相关研究已取得了不

少进展，主要通过历史资料揭示雾霾气候特征

与规律（王丽萍，2005；刘小宁，2005；陈潇

潇，2008；史军，2010），统计分析雾霾天气

的主要影响因素（王淑英，2002;张丽娜，

2008）。针对北京地区，王继志等（2002）对

1980—2000年北京能见度和雾的时空演变特

征进行了分析。以上研究增进了我们对雾霾灾

害的气候特征及规律的认识，但目前对北京地

区大雾和霾的时空演变差异研究仍然缺乏，这

制约了人们对于该地区雾霾灾害的深刻认识。

鉴于目前的研究现状，本文采用

1980—2010年逐日气象资料对北京地区的

雾霾时空特征进行分析，揭示大雾和霾的气

候特征，并进一步通过选取北京一次典型的

持续性雾霾天气作为研究个例，对北京地区

持续性雾霾的影响因素进行细致剖析。本文

的研究结果将为雾霾灾害风险评估和预警

提供依据。

2．资料及处理

本文采用的观测资料包括：1)1980—2010年北

京地区20个常规气象站的逐日能见度、温度、

湿度、风速资料；2）VAISALA的ROSA道

面气象自动站能见度、相对湿度、温度、风速

资料（VAISALA，2002）；3）北京海淀区北

洼路宝联体育公园内宝联站的PM2.5资料。雾

日和霾日的提取遵从如下规则：采用逐日能见

度、温度、湿度、风速资料，提取满足08时

能见度小于等于1km，同时08时湿度大于等

于90%且当日无降水作为一个雾日；提取满足

08时能见度小于等于10km，同时08时湿度

小于90%，且当日无降水作为一个霾日。

3．雾霾的时空特征

3.1.雾霾日数年际变化

图1给出了1980—2010年北京年平均雾日和

霾日的时间变化序列。可以看出，北京年平均

雾日和霾日的时间变化特征不同。雾日具有显

著的二阶趋势特征，1996年之前雾日呈增加

趋势，1996—2010年雾日呈下降趋势。而就

霾日而言，1996年之前呈显著减少趋势，1997

年后霾日出现跳跃式的增加，在1997—2010

年霾日整体上呈下降趋势，然而从霾日平均水

平来看，1997—2010年间平均每年霾日数是

75.6，超过前期（1980—1996年）平均年均霾

日数71.8，这反映出1996年后的霾天气要比

之前霾天气发生频繁，说明霾天气整体上有所

增加。1997年后霾日下降幅度最大、下降速

率最快的时期是在2006—2009年期间，霾日

50

60

70

80

90

100

619982

年份

霾

日(

日/

年)

1

2

3

4

5

6

7

619982

年份

雾

日(

日/

年)

(a)(b)

图1.1980—2010年雾、霾年日数变化序列（a.雾日数，b.霾日数）

迅速从2006年的84.4天下降至2009年的60.5

天，这期间恰逢北京举办2008年北京奥运会，

由于2008年奥运会前后北京市政府采取的一

系列大气污染控制措施，促进北京市的空气质

量得到改善，这与期间雾霾日数减少关系密

切。

3.2.雾霾日数月际变化

在年均雾霾日数分析的基础上，进一步通过累

年月平均雾日数和霾日数来分析雾霾变化，图

2给出了北京1980—2010年期间平均雾日、

霾日的逐月分布。

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1112

雾

日(

日/

月)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

霾

日(

日/

月)

平均雾日

平均霾日

图21980—2010年月平均雾霾日数分布

可以看出，月平均雾日月际变化明显，在

10—11月份最雾日最多，说明北京雾天气主

要发生在秋冬季节，从5月至11月雾日具有

显著的上升趋势；而霾的月平均日数月分布相

对均匀，平均每月有5—7个霾日。月平均雾

日和霾日对比发现，北京大雾天气发生日数

少、季节分布不均，且主要集中在秋季；而霾

天气各月出现频繁，且霾日月分布相对均匀，

季节差异较小。

3.3.雾霾日数空间分布

采用年平均雾霾日数作为雾霾发生频繁程度

的度量指标，进一步分析雾霾频数的空间特

征。图3中阴影表示1980—2010年北京年平

均雾日和霾日。可以看出，北京雾日空间分布

呈东南向西北递减趋势（图3a），东南及城区

是大雾高发区，随着向西北方向推进，雾日随

之逐渐减小，在北京东北的密云县至西南的房

山门头沟一带是大雾天气的低发地区，而延伸

至西北部的延庆和怀柔地区大雾日数反而又

有所增加。大雾天气在北京东南地区及城区频

发，大雾日数整体分布趋势与北京西部和北部

山区形成的马蹄形地形有密切关系（王继志，

2002）。北京霾日的空间分布与雾日分布类似

但有所区别（图3b），霾日更加集中于北京东

南地区，在北京东南的大兴、通州及北京城区

是霾日的高发区，而北部和西南的郊区霾日相

对较少，这点与雾日分布类似，但霾日分布随

地形变化不显著，而在城郊之间表现出明显的

差异。综上所述，北京霾天气的空间分布更集

中于东南及城区，在东北、西北和西南郊区的

霾日较少；而大雾天气空间分布与地形关系密

切，东南城区高发，西北部山区相对较少。北

京东南及城区始终是大雾和霾的高发地区，这

一带经济、人口及交通运输更加发达，一旦出

现雾霾天气，将更容易对人们的生产生活产生

严重的影响，酿成重大城市灾害。

3.4.雾霾的能见度空间分布

图3中等值线表示1980—2010年雾霾期间能

见度分布情况，从图3（a）可以看出，大雾的

平均能见度空间分布不均匀，与大雾日数的空

间分布趋势明显不同，500m以上的大雾能见

度主要集中在城区以及怀柔顺义的狭长带区，

500m以下的大雾在城区西北部的昌平、城区

西南的房山东部和城区东部的通州北部较为

明显，可见大雾的低能见度（500m以下）多

发生在北京城区的近郊地区（城区北部顺义除

外）。这说明，城区大雾更加频繁但平均能见

度相对偏高（接近1km），而近郊区大雾强度

相对更大，能见度较差。霾的能见度平均强度

与大雾分布又有所不同（图3（b）），可以看

出，霾日数最高的东南向西北推进一带同时也

是霾能见度最小的一带，这包括东南大兴和

城区和昌平，而在北部的怀柔和顺义不仅霾日

较少，同时其霾天气的能见度水平也相对较

好，这表明该地区受霾天气影响较小；而西部

门头沟和房山地区尽管霾日较少，但是其能见

度水平相对较低，说明该地区出现的霾天气强

度较大。综上所述，北京东南及城市中心区大

雾和霾的频率都很高，而大雾强度相对稍小、

霾的强度最大，受雾霾影响最大；西北部怀柔

及顺义地区雾霾频率低、强度小，是受雾霾影

响最小的地区；东北部（密云和平谷）雾霾发

生的频率低，但一旦出现雾霾时，其平均强度

偏大；西南部（门头沟和房山）雾霾发生的频

率低，强度比东北部地区接近。北京地区雾霾

影响特征（频率和强度）表现出东南及城区受

雾霾影响最严重，西北受雾霾影响最轻，而东北和西南较为接近。

(a)(b)

图31980—2010年北京雾(a)和霾(b)日数及强度空间分布（阴影表示雾霾日数，等值线是对应能见度值）

4．雾霾的影响因素分析：以一次持续性雾霾

天气为例

北京地区雾霾的气候特征分析表明，大雾和霾

天气具有不同时空变化特征，北京中心城区不

仅是大雾的高发区同时还是霾天气的高发区。

随着北京城市经济人口的迅速发展，雾霾天气

对人体健康、交通安全和大气环境等方面的压

力也日益明显。2009年11月3—8日华北平

原出现了一次大范围持续性雾霾天气，分布于

北京、天津、河北中南部、辽宁中南部及山东

等地。过程持续时间长、影响范围广、空气污

染严重，对航空、高速及人体健康产生了诸多

不利影响。本文以此次雾霾天气作为研究个

例，在高时空分辨率观测资料基础上，针对本

次雾霾的影响因素展开深入分析，以揭示决定

北京地区雾霾过程发生发展的关键因子。

4.1.空间演变特征

图4是本次持续性雾霾过程中典型时次北京

地区能见度的空间分布。整体而言，本次雾霾

过程期间1km以下能见度的空间分布变化明

显，雾霾低能见度过程于4日20时（北京时，

下同）在北京大兴东部开始，5日6时扩展

到北京东南局部地区，包括大兴和通州东南局

部地区；5日20时范围进一步扩大至海淀东

南、石景山、丰台、朝阳地区；6日6时低能

见度的范围继续在东北延伸，此时北京东南、

东北等东部地区能见度都小于1km；7日6

时，雾霾过程继续向西北方向推进，在房山以

东、昌平中东部、延庆东南局部、怀柔东南部

地区能见度降至1km以下；7日20时，西北

部地区能见度有好转趋势，随后，雾霾过程开

始逐渐消散；至8日上午8时，除东南局部地

区能见度仍小于1km以外，北京大部分地区

的能见度稳步回升，8日6时左右，雾霾天气

过程整体消散。

图4.2009年11月7日06时能见度空间分布

4.2.地面气象要素特征

从2009年11月3—8日北京市气象局道面自

动站能见度、相对湿度、风速、温度平均值随

时间的变化曲线（图5）可以看出，本次过程

期间地面风速较小，地面升温和增湿趋势明

显，同时PM2.5持续增加，地表温、湿、风与

能见度变化紧密配合，傍晚至清晨温度低、相

对湿度大而风速小、能见度较低，中午至午后

则正好相反。本次过程的主要特征是：1）过

程持续时间长。能见度小于10km的雾霾天气

时段自11月2日持续至11月9日，尤其是能

见度小于1km的大雾阶段也持续近60小时。

1000

10

350

1

5000

10000

能

见

度(

m)

40

95

相

对

湿

度(

%)

0

5

温

度

(

o

C)

0.5

1.2

风

速(

m/

s

)

0

75

150

250

P

M

2

.

5

(

u

g

/

m3

)

1

0

3

0:

0

0

1

1

0

3

1

3

:

3

0

1

1

0

4

3:

3

0

1

1

0

4

1

7

:

3

0

1

1

0

5

7:

3

0

1

1

0

5

2

1

:

3

0

1

1

0

6

1

1

:

3

0

1

1

0

7

1:

3

0

1

1

0

7

1

5

:

3

0

1

1

0

8

5:

3

0

1

1

0

8

1

9

:

3

0

1

1

0

9

9:

3

0

1

1

0

9

2

3

:

3

0

第1阶段第2阶段第3阶段

图52009年11月3—9日北京道面自动站能见度、相对湿度、温度、风速每小时平均变化特征

2）雾和霾的混合过程。本次雾霾过程的前半

阶段，大气能见度在清晨较低，午后升高，表

明此时雾霾受太阳辐射的影响较为明显，体现

出轻雾和干霾的特征；后半阶段，大气中PM2.5

浓度显著增加，并基本保持在200µg/m3以上，

能见度维持在1km左右，同时具有大雾和湿霾

的特征。3）阶段性特征明显。本次雾霾过程

表现出明显的阶段性特征。第一阶段，11月5

日晚之前，雾霾较轻，且能见度体现出明显的

日变化特征；第二阶段，11月6日－11月8

日上午，大雾阶段，此时能见度基本在1km以

下，且能见度日变化不明显；第三阶段，11

月8日上午以后，雾霾消散阶段，在冷空气侵

入之后（温度曲线显示明显降温），本次雾霾

过程得以消散，能见度逐渐恢复。

4.3.影响因素分析

雾霾天气的形成和发展与气象条件关系密切。

图6给出2009年11月3—8日期间，相对湿度、

温度、风速、PM2.5与能见度的散点关系。可

以看出，本次雾霾过程能见度的变化和相对湿

度、PM2.5浓度、温度、风速的变化具有很好

的阶段性对应关系。相对湿度与能见度在整个

过程中保持稳定的负相关线性关系，由于温度

决定了相对湿度的水平，因此温度与能见度的

关系实际上反映了相对湿度与能见度关系；而

从整个过程来看PM2.5与能见度是明显的非线

性关系，在第一阶段PM2.5与能见度影响的速

率要明显高于第二阶段，而在第二阶段中，

PM2.5对雾霾能见度的影响水平几乎保持不

变。风速与雾霾能见度是正相关的线性关系，

整体上看，风速越大能见度越好，而从风速对

能见度影响的线性趋势上看，第一阶段风速对

能见度的影响速率要大于第二阶段风速对能

见度的影响速率，第3阶段能见度随着风速的

增加而迅速增大，反映出风速对本次雾霾过程

能见度的转好有重要的作用。

为了进一步定量的分析本次雾霾过程的

主要影响因素，选取与能见度有较好对应关系

的相对湿度、PM2.5浓度和风速与能见度进行

相关分析，结果如表1所示。可以看出，本次

雾霾过程第一阶段中PM2.5浓度与能见度相关

系数最大为-0.804，相对湿度次之是-0.572。这

反映出本次雾霾过程第一阶段中能见度的恶

化与空气中PM2.5浓度增加有主要密切关系，

因此该阶段以干霾天气为主。当雾霾天气发展

至第二阶段后，

相对湿度与能见度的相关系数

最大，达到-0.908，风速次之是0.759，而PM2.5

浓度与能见度相关系数较小，且不显著。这反

映出该阶段，尽管PM2.5浓度持续增加，甚至

超过了250ug/m3，但能见度的变化几乎不受其

影响，说明经过第一阶段浓度积累之后，PM2.5

浓度对大气消光和散射能力已经达到上限。此

时，空气相对湿度增加，对大气能见度下降起

到主要作用。而在北方冷空气的入侵之后，相

对湿度和PM2.5浓度都迅速减小，大雾过程也

随之迅速消散。

306090

0

1

2

3

4

5

相对湿度(%)

能

见

度(

k

m)

051510

0

1

2

3

4

5

温度(

o

C)

100200350

0

1

2

3

4

5

PM2.5(μg/m

3

)

11.20.8

0

1

2

3

4

5

风速（m/s）

图6雾霾期间主要气象要素与能见度的散点关系

（“·”表示第1阶段；“×”表示第2阶段；“▲”表示第3阶段）

表1能见度与相对湿度、PM2.5浓度和风速的相关系数

能见度相对湿度PM2.5浓度风速

第1阶段能见度1-.572(**)

-.804(**)

.415(**)

相对湿度-.572(**)1.311(*)-.831(**)

PM2.5浓度

-.804(**).311(*)1-.066

风速.415(**)-.831(**)-.0661

第2阶段能见度1

-.908(**)

.006

.759(**)

相对湿度-.908(**)1-.259(*)-.747(**)

PM2.5浓度.006-.259(*)1.163

风速.759(**)-.747(**).1631

**表示达到99%的置信度；*表示达到95%的置信度

5.结论

本文采用1980—2010年逐日气象资料对北京

地区的雾霾时空特征进行分析，揭示

大雾和霾的气候特征，同时选取北京一次典型

的持续性雾霾天气作为研究个例，对雾霾的影

响因素进行细致剖析，研究发现：

1）无论是年均水平还是月均水平，霾日

都要远远高于雾日，说明霾天气比雾天气对北

京的影响更为严重。大雾在1980—1996年呈

显著的上升趋势，在1997—2010年呈显著的

下降趋势；而霾虽然在两个阶段均表现出下降

趋势，但是1997年后的平均水平要明显高于

1996年之前水平。

2）从月际变化上来看，大雾天气月变化

十分明显，更集中于10—12月份；而霾天气

在各月差异相对较小，除8—10月份的其他各

月均有较多霾天气出现。

3）从雾霾的空间分布来看，雾霾天气在

北京东南及城区发生频率最高、强度最大，北

京西北部雾霾发生频率最低、强度最小。城区

和东南地区是霾天气影响最为严重的地区，而

大雾天气虽然在东南发生频繁，但是大雾强度

在城区相对较弱，在城区的西北和西南大雾强

度最大。

4）2009年11月3—8日是一次持续时间长、

阶段性特征明显的雾霾混合性天气。本次持续

性雾霾天气的第一阶段是霾阶段，该阶段

PM2.5浓度增加是影响雾霾能见度降低的主要

因素；第二阶段是大雾阶段，该阶段相对湿度

增大是导致能见度下降的重要因素，在持续性

大雾天气的静稳条件下，导致PM2.5浓度累积

增加；第三阶段后由于北方冷空气的入侵，大

雾天气结束。

Acknowledgements

ThisstudywassupportedbyChina

MeteorologicalAdministrationSpecialPublic

WelfareRearchFund(GYHY201006011),and

NationalNaturalScienceFoundationofChina

(No.41175014).

致谢

本研究得到了公益性行业（气象）科研专项

（GYHY201006011）和国家自然科学基金

（41175014）的资助。

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