浦口霾日突變影響因素分析

陳其旭

（南京市浦口區(qū)氣象局，南京211800）

0 引言

在分析霾日變化特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)霾日數(shù)據(jù)存在不連續(xù)的現(xiàn)象。為避免因數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而產(chǎn)生分析誤差，需要對(duì)影響霾日的各種因素進(jìn)行分析[1-2]。很多專家學(xué)者對(duì)影響霾日的因素做了大量的研究工作[3-5]。魏建蘇等[6]對(duì)南京霾日分析后，得出大氣顆粒物（特別是細(xì)顆粒物）污染加劇很可能是南京霾天氣頻發(fā)的一個(gè)重要原因的結(jié)論；田心如等[7]分析了江蘇霾日特征，發(fā)現(xiàn)2011年之后霾日呈急劇上升趨勢(shì)，且2011年之后的江蘇霾日逐年大幅增多與氣象條件的變化關(guān)系不大，霾日明顯增多的關(guān)鍵原因可能是污染物的明顯增多；宋娟等[8]通過(guò)對(duì)快速城市化對(duì)霧霾的影響分析，表明城市化的快速發(fā)展是導(dǎo)致霾日上升的重要原因。以上研究都取得了一定的成果，但這些研究都是從氣象條件和空氣質(zhì)量的角度展開(kāi)分析，還不夠全面，需要對(duì)氣象條件和空氣質(zhì)量之外的影響因子進(jìn)行研究。

本研究利用多種統(tǒng)計(jì)方法[9]，并結(jié)合臺(tái)站檔案變動(dòng)情況表，分析人為因素和觀測(cè)環(huán)境的變化，霾判別標(biāo)準(zhǔn)的改變和能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)等非氣象條件和空氣質(zhì)量因素對(duì)霾日的影響程度，以期為今后進(jìn)行霾日訂正和研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

本研究所用資料為浦口1981—2017年霾日年、月資料，2014—2016年每天逐小時(shí)能見(jiàn)度和相對(duì)濕度自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

浦口自建站以來(lái)，只是在2013年發(fā)生站址變動(dòng)（由浦口區(qū)江浦街道西門(mén)遷至老山腳下），新舊站址距離在3 km之內(nèi)，對(duì)霾日不造成明顯影響。

1.2 分析處理方法

數(shù)據(jù)分析采用趨勢(shì)分析法、對(duì)比分析法和數(shù)據(jù)細(xì)化分析法[10-11]。采用線性傾向估計(jì)和累積距平對(duì)霾日變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，突變檢測(cè)采用M-K檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)，并結(jié)合累積距平和序列自身演變綜合判定突變點(diǎn)[12-14]。

1.3 霾判別標(biāo)準(zhǔn)的演變歷程

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)1 2007年之前，當(dāng)V＜10 km時(shí)（V是能見(jiàn)度），U≤60%記霾（U是相對(duì)濕度）；U≥80%記輕霧或霧；60%＜U＜80%之間觀測(cè)員靈活判斷。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)2 2007年江蘇省氣象局業(yè)務(wù)處下發(fā)了霾的判斷標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)V＜10 km時(shí)，U≤60%記霾；U≥80%記輕霧或霧；60%＜U＜80%之間，用公式U＇=80-(V2/5)的計(jì)算值作為霾的判斷指標(biāo)，當(dāng)U＜U＇時(shí)，記霾，U≥U＇時(shí)記輕霧。

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)3[15]2017年9月開(kāi)始執(zhí)行最新觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，以相對(duì)濕度80%和自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度小于7.5 km作為分界線（注：自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度7.5 km等同于人工觀測(cè)10 km）。當(dāng)U＜80%且V＜7.5 km時(shí)記霾，并且連續(xù)6 h及以上有霾，算1個(gè)霾日。也就是有霾，但不一定能達(dá)到霾日的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單易行且符合天氣學(xué)原理，這也是與之前標(biāo)準(zhǔn)最大的不同，以前只要有0.5 h以上達(dá)到霾的標(biāo)準(zhǔn)就可以算1個(gè)霾日。

2 結(jié)果與分析

2.1 年霾日特征分析

從圖1可見(jiàn)，霾日總體呈上升趨勢(shì)，傾向值b=5.014，相關(guān)系數(shù)|r|＞r0.05=0.325，上升趨勢(shì)非常顯著。從圖2可以看出，1981—2017年浦口霾日明顯可以分為2個(gè)階段，以2007年為界，1981—2006年為偏少階段，2007—2017年為偏多階段；其中，1988—1999年異常偏少，2011—2015年異常偏多。通過(guò)與江蘇省霾日變化趨勢(shì)和南京站霾日變化趨勢(shì)比較[7]，1988—1999年異常偏少與實(shí)際不符，2011—2015年異常偏多與全省霾日變化趨勢(shì)一致。

圖1 1981—2017年霾日及線性傾向估計(jì)

圖2 1981—2017年霾日累積距平曲線

2.2 月霾日特征分析

圖3 1981—2017年月霾日出現(xiàn)頻率

從圖3可以看出，月霾日出現(xiàn)頻率在8%～25%之間，霾日出現(xiàn)頻率最高與最低之間相差3倍以上，差異非常明顯。7—9月霾日出現(xiàn)頻率最低，霾日出現(xiàn)頻率都未超過(guò)10%，8月霾日出現(xiàn)頻率僅有8%；1月、6月和11—12月霾日出現(xiàn)頻率都達(dá)到了20%，12月霾日出現(xiàn)頻率高達(dá)25%。浦口霾日月變化特征與全省基本一致。

2.3 霾日突變檢驗(yàn)

本研究所述的突變是指人工觀測(cè)天氣現(xiàn)象有一些非規(guī)律性、非線性的“突變過(guò)程”，即由一種穩(wěn)定狀態(tài)短時(shí)間內(nèi)跳躍式地變成另一種穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)象[16-18]。對(duì)1981—2017年浦口年霾日進(jìn)行M-K檢驗(yàn)（見(jiàn)圖4），結(jié)果表明，浦口年霾日在2007年前后發(fā)生了1次明顯的突變，與累積距平變化趨勢(shì)基本一致（見(jiàn)圖2）；1989—2001年霾日變化趨勢(shì)超過(guò)顯著性水平0.05臨界值。從M-K檢驗(yàn)的UF曲線可以看出，2000年是浦口霾日變化的臨界點(diǎn)，由之前的下降轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)。用4年、5年、6年和7年滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)年霾日進(jìn)行突變檢測(cè)（見(jiàn)圖5a～d），結(jié)果表明，2000年和2010年前后突變最明顯，在1988年和2006年前后也都檢測(cè)到突變。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果和圖1、表1，并結(jié)合直觀分析，確定1988年、2000年、2007年、2011年和2016年為突變點(diǎn)。通過(guò)對(duì)霾日突變點(diǎn)前后的歷史數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)表1），結(jié)果表明突變前后的差值明顯，其中，最大差值達(dá)到120天以上，最小也達(dá)到27.2天。

圖4 1981—2017年M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量曲線

2.4 霾日突變影響因素分析

1981—2017 年浦口霾日共出現(xiàn)了5次突變，而且2000年以來(lái)就發(fā)生了4次，其中，2007年比2006年霾日多1.7倍，2011年比2010年霾日多1.2倍，如此頻繁的劇烈變化不可能是氣象條件和空氣質(zhì)量突然改變?cè)斐傻腫19-20]。為了弄清楚造成霾日突變的原因，普查了浦口1981年以來(lái)的每年臺(tái)站檔案變動(dòng)情況表和大事記，發(fā)現(xiàn)除去氣象條件、空氣質(zhì)量、城市建設(shè)和大氣污染防控力度加大等影響因素之外，1988年、2000年、2007年和2011年4次突變都與霾判別標(biāo)準(zhǔn)的變動(dòng)、能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)、人為因素和觀測(cè)環(huán)境的變化等4個(gè)因素有關(guān)，并且突變點(diǎn)與影響因素改變的時(shí)間點(diǎn)基本是吻合的。以下重點(diǎn)分析各種因素對(duì)霾日的影響程度。

2.4.1 霾判別標(biāo)準(zhǔn)改變對(duì)霾日的影響

（1）不同判別標(biāo)準(zhǔn)對(duì)霾日的影響分析[21-23]。1981—2006年按照標(biāo)準(zhǔn)1規(guī)定記錄霾，霾的判別主要依靠觀測(cè)員主觀判斷為主，沒(méi)有定量的標(biāo)準(zhǔn)，觀測(cè)員業(yè)務(wù)能力和探測(cè)環(huán)境好壞對(duì)霾日的多少起主要作用，判別標(biāo)準(zhǔn)對(duì)霾日的影響不大，也是造成這一時(shí)期霾日偏少的主要原因；2007年開(kāi)始霾的判別標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生重大調(diào)整，按標(biāo)準(zhǔn)2的相關(guān)規(guī)定記錄霾，從2007年1月開(kāi)始霾日持續(xù)上升（見(jiàn)圖6），霾日上升趨勢(shì)的傾向值b=0.31，相關(guān)系數(shù)|r|＞r0.05，上升趨勢(shì)非常顯著；2017年9月，霾判別標(biāo)準(zhǔn)再次發(fā)生重大改變，開(kāi)始按照標(biāo)準(zhǔn)3記錄霾日，同樣的觀測(cè)數(shù)據(jù)之前可以算1個(gè)霾日，而新標(biāo)準(zhǔn)則達(dá)不到記錄霾日的規(guī)定，霾日呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（見(jiàn)圖7），霾日下降趨勢(shì)的傾向值b=0.505，相關(guān)系數(shù)|r|＞r0.05，下降趨勢(shì)顯著。2007年和2017年9月2次霾判別標(biāo)準(zhǔn)的改變對(duì)霾日影響都非常明顯。

（2）2014—2016年標(biāo)準(zhǔn)2和標(biāo)準(zhǔn)3霾日對(duì)比分析[24]。筆者選取2014—2016年3年每小時(shí)能見(jiàn)度和相對(duì)濕度按照標(biāo)準(zhǔn)3重新統(tǒng)計(jì)霾日（見(jiàn)表2）。從表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，2014—2016年各月按標(biāo)準(zhǔn)3統(tǒng)計(jì)的霾日都小于或等于標(biāo)準(zhǔn)2的霾日。2014—2016年月霾日減少最多的分別是3—5月和9月，霾日減少都達(dá)到40%或以上；1月和6—7月減少不明顯。2014年3月和2015年5月和9月霾日減少的天數(shù)都達(dá)到10天或以上。

圖5 霾日多年滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)量

表1 霾日突變前后的數(shù)據(jù)分析

3年霾日總天數(shù)由579天下降為418天，霾日減少了28%。2014年和2015年霾日分別減少61天和67天。

2.4.2 能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)對(duì)霾日的影響分析 2011年下半年能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)儀器投入業(yè)務(wù)使用，觀測(cè)員在進(jìn)行人工目測(cè)能見(jiàn)度時(shí)，參考了能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)儀器的數(shù)據(jù)，因此，霾日開(kāi)始明顯增加，2012年比2011年霾日多34%，從2010—2012年各月霾日變化圖可以清晰看出，能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)儀器使用對(duì)霾日的影響非常大（見(jiàn)圖8），霾日上升趨勢(shì)的傾向值b=0.571，相關(guān)系數(shù)|r|＞r0.05，上升趨勢(shì)非常顯著。田心如等將2011年后的霾日極劇上升歸結(jié)于污染物的增多是不全面的，并沒(méi)有考慮到能見(jiàn)度觀測(cè)由人工觀測(cè)改為自動(dòng)觀測(cè)對(duì)霾日的影響。因此，2011年開(kāi)始霾日極劇上升與影響霾日的氣象條件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不一致原因，主要是能見(jiàn)度觀測(cè)由目測(cè)變?yōu)槠鳒y(cè)造成。

圖6 2006—2007年各月霾日及線性傾向估計(jì)

圖7 2017年1月—2018年2月各月霾日及線性傾向估計(jì)

2.4.3 人為因素對(duì)霾日的影響分析 查閱浦口臺(tái)站檔案變動(dòng)情況表和大事記發(fā)現(xiàn)，1988—1999年浦口觀測(cè)員頻繁變動(dòng)，地面氣象觀測(cè)都是以年輕觀測(cè)員為主，對(duì)能見(jiàn)度的觀測(cè)能力欠缺，能見(jiàn)度普遍偏大，加上對(duì)霾的判別標(biāo)準(zhǔn)理解不透徹，把本應(yīng)記錄霾的，記錄成了輕霧，造成1988—1999年浦口霾日異常偏少，年霾日都沒(méi)有超過(guò)10天，有8年霾日少于5天，其中，1993年、1996年、1998年都未出現(xiàn)霾。經(jīng)與江蘇省平均值比較，并結(jié)合霾日影響因素分析，1988—1999年浦口年霾日應(yīng)該在20～40天之間才算合理。因此，1988—1999年霾日數(shù)據(jù)已經(jīng)不具有使用價(jià)值。經(jīng)與南京站相比[25]，2站霾日相差巨大，也從另外一個(gè)角度反映出人為因素對(duì)霾日的影響特別明顯，特別是在不同臺(tái)站之間表現(xiàn)得更為突出。

表2 2014—2016年標(biāo)準(zhǔn)2和標(biāo)準(zhǔn)3霾日

圖8 2010—2012年各月霾日及線性傾向估計(jì)

2.4.4 觀測(cè)環(huán)境變化對(duì)霾日的影響分析 2000年開(kāi)始浦口氣象觀測(cè)值班室由1樓搬到了5樓，觀測(cè)員的視野相對(duì)開(kāi)闊，能見(jiàn)度的觀測(cè)比較準(zhǔn)確，并且年輕觀測(cè)員業(yè)務(wù)能力也有了一定的提高。因此，霾日開(kāi)始緩慢上升，2000年霾日達(dá)到20天，比1999年霾日多17天，2001年又比2000年多20天，浦口霾日也接近全省常年平均值，數(shù)據(jù)逐漸趨于正常。

3 結(jié)論與討論

（1）在浦口霾日突變的4個(gè)影響因素之中，人為因素對(duì)霾日的影響最大，判別標(biāo)準(zhǔn)的改變和能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)對(duì)霾日影響次之，觀測(cè)環(huán)境的變化對(duì)霾日的影響最小。2007年之前影響霾日的因素主要是人為因素和觀測(cè)環(huán)境的變化；2007年開(kāi)始影響因素主要是霾判別標(biāo)準(zhǔn)的改變和能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)。

（2）2016年的突變反映出近年來(lái)大氣污染防控和大氣治理的成果。

（3）在同一時(shí)期會(huì)有多個(gè)因素同時(shí)影響霾日的多寡，本研究主要分析對(duì)霾日影響最大的因素。比如，1988—1999年霾日異常，既有人為因素又和能見(jiàn)度觀測(cè)環(huán)境差有一定的關(guān)系，但人為因素是主因。

（4）在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)3的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有時(shí)重污染天氣反而沒(méi)有霾，2018年1月16—18日表現(xiàn)最為顯著，AQI都已經(jīng)達(dá)到300以上，但天氣現(xiàn)象中并無(wú)霾，主要原因是達(dá)不到連續(xù)6 h有霾，不能算1個(gè)霾日，這種現(xiàn)象地面氣象觀測(cè)規(guī)范中還未給出處理方法。