近40年晉城地區(qū)霾日數(shù)氣候特征分析＊

趙珺，趙海英

（1.山西省晉城市氣象局，山西 晉城 048000；2.山西省氣象臺，山西 太原 030006）

近40年晉城地區(qū)霾日數(shù)氣候特征分析＊

趙珺1，趙海英2

（1.山西省晉城市氣象局，山西 晉城 048000；2.山西省氣象臺，山西 太原 030006）

根據(jù)山西晉城地區(qū)5個氣象站1987—2016年歷史地面觀測資料，利用趨勢分析、M-K突變檢驗、小波分析等方法，研究霾日數(shù)的變化趨勢和氣候特征。結(jié)果表明，晉城地區(qū)霾日數(shù)年際變化總體呈現(xiàn)極顯著增加的趨勢。全年霾現(xiàn)象冬季出現(xiàn)最多，春秋季次之，夏季最少。每年深秋到次年初春時分（10月—次年3月）是一年中霾現(xiàn)象多發(fā)時段。M-K突變檢驗表明，晉城地區(qū)霾日數(shù)在1987—1992年間呈現(xiàn)減少的趨勢，在1993—2016年間呈現(xiàn)增加的趨勢，且在1996年后增加趨勢顯著。同時，1996年是晉城地區(qū)1987—2016年間霾日數(shù)突變開始的時間。小波分析顯示，近30年來，晉城地區(qū)霾日數(shù)存在顯著的12～16年的年代際尺度周期變化。1996年后，等值線分布逐漸由12～16年的年代際尺度向4～8年的年際尺度傾斜。特別是在2012年至今的霾現(xiàn)象偏多期內(nèi)，周期變化在時域內(nèi)表現(xiàn)異常顯著，表明這段時間處于霾現(xiàn)象的顯著多發(fā)期。

霾；氣候特征；M-K突變檢驗；小波分析

霾是指大量的氣溶膠顆粒均勻地懸浮在空氣中，與空氣中的水汽相結(jié)合，從而形成的一種視程障礙現(xiàn)象[1]。在中國氣象局的《地面氣象觀測規(guī)范》中，霾天氣被定義為：“大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的空氣普遍有混濁現(xiàn)象，使遠處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍色。”[2]

隨著社會發(fā)展水平的提高，近些年來，霾天氣現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，越來越多的城市受到霾的影響[3]。組成霾的氣溶膠顆粒種類有數(shù)百種，這些顆粒能夠入侵人體呼吸系統(tǒng)，對人們的健康造成極大危害[4]。同時，霾天氣下的低能見度現(xiàn)象也容易引發(fā)交通事故。一些學(xué)者對霾天氣下的氣候特征進行分析研究，結(jié)果表明，霾現(xiàn)象的發(fā)生季節(jié)主要為秋冬季[5-7]；氣溫、氣壓、降水量、相對濕度等氣象要素都會對霾的出現(xiàn)造成一定的影響[8]，而且霾現(xiàn)象也會對全球的氣候效應(yīng)產(chǎn)生深遠影響[9]。近年來，晉城市區(qū)域性的霾天氣頻發(fā)，影響日趨嚴重。研究晉城市霾的變化趨勢和氣候特征，對于治霾防霾具有重要的參考意義。

1 資料統(tǒng)計

歷史資料表明，晉城地區(qū)建站以來的年平均霾日數(shù)為18.2 d，霾日數(shù)年際變化呈極顯著的增多趨勢，增多速率為8.5 d/10 a。20世紀70年代中期之前基本無灰霾天氣發(fā)生，20世紀80年代后期至20世紀90年代前期緩慢增長，進入90年代后期為快速增長階段。

根據(jù)晉城地區(qū)5個氣象站1987—2016年歷史地面觀測資料，觀測有霾天氣現(xiàn)象時記錄為一個霾日數(shù)。統(tǒng)計各站歷年霾日數(shù)結(jié)果顯示，30年間年平均霾日數(shù)5站之和高達148.6 d，其中，晉城和陽城霾日數(shù)所占比例最大，沁水次之，高平和陵川占比最小，5站年平均霾日數(shù)為29.7 d，具體統(tǒng)計情況如表1所示。

2 氣候特征分析

2.1 霾日數(shù)年際變化特征

對晉城地區(qū)5個氣象站1987—2016年霾日數(shù)求平均進行統(tǒng)計分析，并求出年代平均和線性變換趨勢。從圖1中可以看出，過去30年間最多霾日數(shù)為109 d，發(fā)生在2014年；最少霾日數(shù)為8.6 d，發(fā)生在1990年。平均霾日數(shù)線性趨勢方程為y＝1.64（x－1986）＋4.25，霾日數(shù)年際變化總體呈現(xiàn)極顯著增加的趨勢，其增加速度為16.4 d/10 a。由年代平均值曲線可知，20世紀80年代末年平均霾日數(shù)為10.6 d，遠低于30年平均水平，處于霾天氣少發(fā)期；20世紀90年代年平均霾日數(shù)有所增加，尤其是后期增加趨勢加快；21世紀后進入霾現(xiàn)象高發(fā)期，霾日數(shù)與30年平均值基本持平，除2008—2010年有明顯下降外，其他年份基本處于高增長趨勢；特別是2013—2014年霾現(xiàn)象達到了峰值期，2015年后開始回落。

圖1 晉城地區(qū)1987—2016年平均霾日數(shù)變化

2.2 氣象要素年際變化特征

從圖2a中可以看出，晉城地區(qū)平均氣溫在過去30年間以0.4℃/10 a的速度顯著上升。由于城市化進程加快，化石燃料燃燒、工廠廢氣、汽車尾氣排放加大，產(chǎn)生了大量氣溶膠顆粒，這些污染物吸收太陽紅外輻射，使得大氣溫度逐漸升高，使得城市熱島效應(yīng)顯著提高。由于城市整體氣溫高于郊區(qū)，暖氣團上升，使得城市近地層形成低壓帶，產(chǎn)生從郊區(qū)吹向城市的局地風(fēng)，形成局地環(huán)流。

圖2 晉城地區(qū)1987—2016年氣象要素年際變化

結(jié)合圖2b可知，過去30年間晉城地區(qū)平均氣壓總體表現(xiàn)為下降趨勢。局地環(huán)流將城市周邊的污染物輸送到城市中，造成污染物的大量堆積，從而使得霾現(xiàn)象加劇。如圖2c和2d所示，在近30年間，年降水量呈增加趨勢的同時年平均相對濕度卻以2%/10 a的速度顯著下降。這是由于城市的主體部分為成片的鋼筋和水泥筑就的不透水下墊面，降水大部分都經(jīng)排水管道排到其他地方，缺少了土壤和植被對水分的吸收和蓄積，從而導(dǎo)致城市近地層空氣中的水分偏少，濕度偏低，較為干燥，使得城市成為孤立于周圍地區(qū)的“干島”，即干島效應(yīng)。干島效應(yīng)導(dǎo)致城市大氣相對濕度降低，如圖2c所示，使得城市大氣穩(wěn)定度提高，近地層大氣趨于靜穩(wěn)，不易與高層大氣發(fā)生對流，城市污染物集中于城市下墊面區(qū)域，造成持續(xù)的大氣污染，加劇城市霾現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 霾日數(shù)季節(jié)變化特征

統(tǒng)計歷年各月霾日數(shù)結(jié)果顯示，春季（3月—5月份）霾日數(shù)占全年總數(shù)的24.9%，夏季（6月—8月份）最少，占17.0%，秋季（9月—11月份）占24.7%，冬季（12月—次年2月份）最多，占33.4%，具體如表2所示。每年深秋到次年初春時分（10月—次年3月）是一年中霾現(xiàn)象多發(fā)時段，霾日數(shù)在全年中所占比例高達62.7%，其中，1月份霾日數(shù)最多，為19.2 d，占全年總數(shù)的12.9%.

表2 晉城地區(qū)歷年各月霾日數(shù)統(tǒng)計（1987—2016年）

圖3 晉城地區(qū)1987—2016年氣象要素季節(jié)變化

由圖3可知，每年6—9月是晉城地區(qū)的主汛期，降水條件充沛，雨水使得空氣中的氣溶膠粒子沉降到地面，有助于污染物的稀釋和清除，減少霾現(xiàn)象的發(fā)生（圖3a）。10月份汛期結(jié)束，降水減少，氣溫降低，大氣環(huán)流趨于穩(wěn)定，水平風(fēng)減小（圖3b）；再加上秋冬季逆溫層的出現(xiàn)頻率逐漸增多，阻礙了大氣的垂直對流運動[10]，在排放到大氣中的污染物總量不變的前提下，霾現(xiàn)象發(fā)生頻率迅速升高。

進入11月份后，晉城地區(qū)集中供暖，污染物排放增多，導(dǎo)致城市上空近地層氣溶膠粒子富集，有利于霾現(xiàn)象的發(fā)生和維持。直到次年4月份，氣溫回升，近地層層結(jié)日趨不穩(wěn)定，降水增多，水平風(fēng)速增大（圖3b），大氣擴散條件轉(zhuǎn)好；同時，供暖結(jié)束，污染物排放減少，霾現(xiàn)象的發(fā)生頻率迅速下降。

圖4 晉城地區(qū)1987—2016年霾日數(shù)的曼-肯德爾突變檢驗曲線

3 Mann-Kendall突變檢驗[11-12]

利用M-K檢驗法對晉城地區(qū)1987—2016年霾日數(shù)進行突變統(tǒng)計分析，顯著性水平α＝0.05（U0.05＝±1.96）。從圖4中可以看出，UF曲線波動比較大，并且在1987—1992年間小于0，在1993—2016年間大于0.這說明，晉城地區(qū)霾日數(shù)在1987—1992年間呈現(xiàn)減少的趨勢，在1993—2016年間呈現(xiàn)增加的趨勢。UF曲線在1996年后大于顯著性水平α＝0.05（臨界值U0.05＝±1.96）的臨界線。這說明，晉城地區(qū)霾日數(shù)在1996年后增加趨勢顯著，同時表明晉城地區(qū)1996—2016年間霾日數(shù)出現(xiàn)突變現(xiàn)象。圖4中UF和UB曲線有唯一交點，出現(xiàn)在1995—1996年間，且交點在臨界線之間。這表明，1996年是晉城地區(qū)1987—2016年間霾日數(shù)突變開始的時間。

圖5 晉城地區(qū)1987—2016年霾日數(shù)Morlet小波分析周期變化

4 霾日數(shù)周期小波分析[13]

由圖5上部的小波變換系數(shù)實部等值線分布可知，近30年來，晉城地區(qū)霾日數(shù)存在顯著的12～16年的年代際尺度周期變化。此周期變化貫穿于整個時域中，在全時域中均表現(xiàn)為較強的周期性，強度比較大，正負中心值分別達到±1.5.在16年尺度的周期變化上，近30年來晉城地區(qū)霾日數(shù)表現(xiàn)最明顯的時段為1987—1995年的霾現(xiàn)象偏少期，1996—2004年的霾現(xiàn)象偏多期，2005—2011年的霾現(xiàn)象偏少期，2012年至今的霾現(xiàn)象偏多期。由此可以看出，隨著時間的推移，在16年尺度上周期呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，同時，1996年后等值線分布逐漸由12～16年的年代際尺度向4～8年的年際尺度傾斜。特別是在2012年至今的霾現(xiàn)象偏多期內(nèi)，周期變化在時域內(nèi)表現(xiàn)異常顯著，表明處于霾現(xiàn)象的顯著多發(fā)期。

5 結(jié)論

晉城地區(qū)霾日數(shù)年際變化總體呈現(xiàn)極顯著增加的趨勢。20世紀80年代末，年平均霾日數(shù)為10.6 d，遠低于30年平均水平，處于霾天氣少發(fā)期；20世紀90年代年平均霾日數(shù)有所增加，尤其是后期增加趨勢加快；21世紀后進入霾現(xiàn)象高發(fā)期，霾日數(shù)與30年平均值基本持平，除2008—2010年有明顯下降外，其他年份基本處于高增長趨勢；特別是2013—2014年霾現(xiàn)象達到了峰值期，2015年后開始回落。

霾日數(shù)季節(jié)變化顯示，全年霾現(xiàn)象發(fā)生在冬季最多，春秋季次之，夏季最少。每年深秋到次年初春時分（10月—次年3月）是一年中霾現(xiàn)象多發(fā)時段，霾日數(shù)在全年中所占比例高達62.7%，其中，1月份霾日數(shù)最多，為19.2 d，占全年總數(shù)的12.9%.M-K突變檢驗表明，晉城地區(qū)霾日數(shù)在1987—1992年間呈現(xiàn)減少的趨勢，在1993—2016年間呈現(xiàn)增加的趨勢，且在1996年后增加趨勢顯著。同時，1996年是晉城地區(qū)1987—2016年間霾日數(shù)突變開始的時間。

近30年來，晉城地區(qū)霾日數(shù)存在顯著的12～16年的年代際尺度周期變化。1996年后，等值線分布逐漸由12～16年的年代際尺度向4～8年的年際尺度傾斜。特別是在2012年至今的霾現(xiàn)象偏多期內(nèi)，周期變化在時域內(nèi)表現(xiàn)異常顯著，表明處于霾現(xiàn)象的顯著多發(fā)期。

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P468.02

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.048

2095－6835（2018）01－0048－04

＊［資助項目］中國氣象局預(yù)報員專項（CMAYBY2017-010）資助

趙珺，男，山西神池人，2013年畢業(yè)于南京信息工程大學(xué)（本科），助理工程師，主要從事短期預(yù)報和相關(guān)氣象服務(wù)方面的工作。

〔編輯：白潔〕