近53年山东省霾季节性特征的年代际变异

李 恬，赵天良*，杨晓霞，王 宏，李长军

1. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室，江苏 南京 210044；2. 山东省气象台，山东 济南 250031；3. 中国气象科学研究院大气成分研究所，北京 100081；4. 山东省气象信息中心，山东 济南 250031

近53年山东省霾季节性特征的年代际变异

李 恬1，赵天良1*，杨晓霞2，王 宏3，李长军4

1. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室，江苏 南京 210044；2. 山东省气象台，山东 济南 250031；3. 中国气象科学研究院大气成分研究所，北京 100081；4. 山东省气象信息中心，山东 济南 250031

为了进一步认识山东省霾日长期变化特征，从而为政府决策和空气质量预报提供科学依据，基于山东省80个气象站53年（1961─2013）的观测资料分析，利用多项式及线性回归拟合、定义表示随季节和年际变化程度的变量如季节变化率、年际变化率等多种统计方法分析了近53年来山东省霾日季节性的年际、年代际长期变化及空间分布规律，结果表明，山东上个世纪明显的冬季霾高发的典型季节性特征演变为本世纪模糊的季节差异，即霾多发时段随年际增长逐渐由冬季蔓延至秋季，夏季和春季。全省平均霾日的季节变率从60年代的84.0%，70─80年代的72.4%～73.6%，到90年代跌至56.4%，而在本世纪的13年低达42.3%，体现了山东霾日变化季节性的年代际特征，即近53年季节差异在不断减小，霾趋于常年化发生的大气污染事件。霾日季节性的空间分布及年际变化特征还表明：近53年山东霾日呈持续上升趋势，1990年之前呈显著的增长趋势，1990年之后上升缓慢，但维持霾高发的水平。霾日高发区域主要集中在济南地区，济宁-泰安-莱芜一带，枣庄-临沂一带，青岛地区和聊城西部地区，其中，高中心依次为济南的80.9 d·a-1，临沂的78.2 d·a-1和青岛的69.0 d·a-1。山东中东部的霾日年增长率整体高于西部地区，鲁中、鲁南及半岛南部地区是霾日年际增长高值区。山东省霾日年际变化趋势以夏季增长率最高，大部分地区的年际增长率都在4.5%·a-1以上，其次是秋季、春季霾日年际变化趋势，冬季霾日年际变化趋势普遍增长率最低，且大部分地区的变化率值为1.5%·a-1以上，近53年来山东大部分地区出现了霾日模糊季节性变异。

山东省；霾；能见度；季节变化；气候趋势

霾是大量细微颗粒物均匀地浮游在近地面大气中，使水平能见度小于10 km的空气普遍混浊现象（张小曳等，2013）。随着人为排放源的不断增加，大气中污染气体及颗粒物的浓度加剧（曹国良等，2011），当今中国霾的发生已经不完全是自然现象，而成为人为污染事件（Zhang等，2012）。中国北方城市CO和SO2等污染气体明显高于南方，大城市环境大气中PM2.5及PM10的平均浓度明显高于世界平均水平（Chai等，2014）。气象因素的变化提供了霾污染颗粒物形成和堆积的有利大气环境，随着气候变暖，近几十年来中国霾日数总体呈增长的趋势（Ding和Liu，2014），中东部地区降水日数、平均风速和大风日数减小，导致污染物难以沉降、不易扩散，从而更易形成霾天气（宋连春等，2013）。静稳的天气形势也为霾的维持提供了有利的条件（张人禾等，2013）。中东部的京津冀、长三角和珠三角等城市群是我国霾的主要高发区，上个世纪八十年代以来，我国中东部地区的霾污染事件呈现明显的年际增加（赵普生等，2012；Cheng等，2013；张运英等，2009；Kang等，2013；Zhao等，2011）。我国中东部霾日具有显著的季节变化和冬季霾高发的典型季节性特征，总体上秋冬季霾的分布范围及日数大于春夏（孙彧等，2013；胡亚旦和周自江，2009）。目前对于我国霾污染年际变化趋势的研究相对广泛，对霾的季节性特征的长期演变仍有待认识。为此，本文以山东省为例，试图分析近几个年代霾污染季节性特征的变异特点，以更全面地认识我国中东部大气环境变化及其可能成因。

本质上，霾是大气细颗粒物PM2.5尤其是PM1污染事件。由于我国大气细颗粒物观测记录的年限，我国对霾事件的判定目前主要基于气象观测的大气能见度、相对湿度和天气现象等资料的综合判断（吴兑，2012）。目前对霾的判识常采用以下标准（吴兑等，2010；赵普生等，2011）：（1）日均值法：定义当日均能见度小于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、烟幕等其它能导致低能见度事件的情况为一个霾日；（2）14时法：满足14时能见度小于10 km，相对湿度小于90%，且排除吹雪、扬沙、沙尘暴和浮尘等其它导致低能见度事件的，记为一个霾日。另外，2010年新的国家行业标准（QX/T113-2010）将PM2.5，PM1，气溶胶散射系数及消光系数等因子引入霾的判识（戴永立等，2013；郑秋萍等，2013）。本文分析采用了判别霾的日均值方法，这一方法在霾的气候分析中已被广泛应用（Ding和Liu，2014；赵普生等，2011）。

山东省位于华东沿海地区，紧临京津冀及其华北平原，是经济和人口大省，2002年以来，山东省GDP一直名列全国前三，自70年代末以来，随着改革开放和市场经济政策的确立实施，山东省走上了快速发展的经济道路，至2008年，山东省城市化水平已达到47.6%。人口增加、城市化进程加快和能源消耗加速在带来经济利益的同时，不可避免地对大气环境也产生影响（王庆松，2010）。山东省同样也存在霾污染的大气环境问题。王业宏等（2009）分析了山东省1961─2005年霾日数时空变化的气候特征及其年际变化，山东年总霾日数在2000年之后略下降，具有霾污染变化的区域特征。为了进一步认识霾污染及大气环境长期变化特征，本文以将山东省霾日时间序列延长至2013年，侧重从霾日季节特征的变异角度认识山东省霾的长期变化趋势，以全面地认识我国中东部霾污染变化的复杂性，为政府决策和空气质量监控等提供了科学依据。

1 资料与方法

本文选取了山东全省80个站点1961─2013年逐日的气象观测资料（图2及图6中的小点均表示站点的位置）。由于1980年前能见度以等级划分，而1980年及以后能见度标记为具体的距离数（单位为km），本文首先根据秦世广等（2010）的方法对大气能见度资料作了统一，即将1980年及以后所有站点的能见度按照标准划为等级，在相应的等级区间内求得所有能见度值的平均值，再将得到的各等级的平均值分别带入到1980年前的各个等级中，统一记“km”为单位。然后采用了判别霾的日均值方法整理了全省80个测站1961─2013年的霾日资料。最后分别对这53年的80个测站的霾日以及通过计算80个站点霾日的算术平均值得到的全省平均霾日资料作下列气候分析：

（1）多项式及线性回归拟合方法以估计全年及各个季节霾日变化趋势并作显著性检验。

（2）霾日季节变化率即定义霾日的月际变化的标准差值与全年月平均值的百分比。

（3）霾日的年际变化率Rate（单位：%·a-1）来表示霾日的年际变化趋势相对于其年均值的幅度，其公式为：

其中，LR为53年霾日变化线性趋势值（单位：d·a-1），AVE为53年年均霾日数（单位：d）。

应该指出，讨论霾的季节演变不同年代特征时，为量化霾日的季节变化，利用季节变率的概念表示霾日随季节变化差异的大小，即定义霾日的季节变化率为各年代际中霾日月际变化的标准差值与12个月的平均值（d·month-1）的百分比，反映其单位均值上月际变化的离散程度。霾日季节变化率是衡量资料中观测值季节性变异程度的一个统计量（刘建慧等，2013），其值越大说明季节性特征越明显，反之亦然。

2 结果分析

2.1 山东平均年霾日数年际变化

图1给出了1961─2013年山东省平均年霾日数的年际变化。山东霾日数具有显著的年际变化，总体呈持续上升趋势，1990年之前3个年代呈显著的增长趋势，尽管1990年之后上升缓慢，但维持多霾日的较高水平。全省多站年平均的霾日数最大值发生在2006年，约为55.8 d。上世纪六七十年代处于霾少发期，低于53年平均值32.1 d。八十年代中期以后大于该平均值，整体霾日数保持在较高的水平，反映了改革开放后社会经济发展带来的人为污染物排放对大气环境影响。八十年代末以来，山东年霾日在较高的水平作年际波动，霾日数2000年之后有略下降的趋势，而2005年之后又有明显上升。

图1 山东省1961—2013年平均霾日数年际变化Fig. 1 Variation of annual number of haze days averaged over Shandong Province from 1961 to 2013

丁一汇和柳艳菊（Ding和Liu，2014）分析了我国近50年霾的长期变化特征，全国平均霾日在总体上升过程中，可以划分为3个阶段：20世纪60─70年代是缓慢上升阶段，平均上升率为2.3 d·10a-1；80─90年代是平稳阶段，维持在每年平均5.2天的霾日；从2001年开始到2011年，是快速上升阶段，上升率平均为8.8 d·10a-1。山东霾日的年际变化既受大气环境中污染源高排放的影响，也受山东区域气候变化背景下区域气象条件的影响（王业宏等，2009）。本文山东霾日数的气候分析表明，山东霾的长期气候变化具有明显的区域特征，大气环境容量（严李锟，2010）和区域气候变化亦有可能对污染物的聚积产生一定的调节作用。

图2a和2b分别为山东省53年平均的年霾日和年际变化趋势值的空间分布，其中87.5%的站点通过了置信度为95%的显著性检验（即标识符为小圆圈的站点，标识符为小方形的未通过显著性检验，下同）。53年平均霾日大值区集中分布在：济南地区，济宁-泰安-莱芜一带，枣庄-临沂一带，青岛地区和聊城西部地区。其中，高值中心依次为济南的80.9 d，临沂的78.2 d和青岛的69.0 d。山东大部分地区53年来的霾日变化呈显著增长趋势（图2b）。霾日数增长趋势值最大区位于鲁南地区以临沂为中心的临沂-枣庄一带，中心的霾日增长值可达3.01 d·a-1；其次是济宁-莱芜-泰安一带，中心区增长值达2.34 d·a-1；另外，以青岛为中心的半岛南部一带也属于霾日增长大值区，霾日增长值达1.91 d·a-1。只有淄博-潍坊一带为霾日弱负增长地区，图2a中这些地区年平均霾日数也较低。另外，虽然济南地区的增长趋势没有通过显著性检验，但济南地区属于多年平均霾日高值区。

2.2 霾日季节性的变异

依照传统四季的气候划分，选择春季为3─5月，夏季为6─8月，秋季为9─11月，冬季为12月至次年2月。由于2013年的冬季只有12月，因此忽略2013年冬季的霾日（算法下同）。就全省平均值而言，冬季霾日占全年霾的比重最高，平均值为14.5 d，其次为秋季的8.1 d、夏季的4.9 d和春季的4.6 d。山东霾日的季节性表现为冬季为霾日的主要高发时段，秋、夏、春季均为霾日数相对低发时段。

图2 山东省1961—2013年（a）平均年霾日（单位：d）及其（b）年际变化趋势分布（单位：d·a-1，实心圆表示通过了置信度为95%的显著性检验的站点）Fig. 2 Distribution of (a) annual haze days(Unit: d) and (b)their trends in the inter-annual changes over Shandong Province during 1961─2013(Unit: d·a-1, solid dots present the linear trend passed 95% significance test)

图3 山东省1961─2013年四季霾日年际变化Fig. 3 Inter-annual variation of seasonal haze days averaged over Shandong Province during 1961─2013

近53年来山东省平均的四季霾日的年际变化趋势分析（图3）揭示了山东地区冬季霾高发的季节性特征由上个世纪的明显变异为本世纪的模糊，即霾多发时段由冬季蔓延至秋季，夏季和春季，尤其是本世纪前10年山东秋夏季的霾发生频数几乎与冬季相当，霾的发生趋于常年化，这是一个值得关注的大气环境变化事实。为了进一步分析山东霾日季节性的年代际变异，图4和表1给出近5个不同年代段山东省平均霾日的月际变化以及季节变率。全省平均各月霾日数总体上是随着年代的增加逐渐升高的，但是近2个年代以来，冬季和春季（1月，3─4月和12月）月份霾日数甚至有减小、晚春及夏秋两季（5月─11月份）有不断增加的趋势，夏秋季霾日数增加尤为明显（图4）。山东霾日夏秋季增高和冬春季降低的趋势使得其季节差异变小。表1表示了5个年代以来霾日数的季节变率值。从表1中看到，随着年代的推进，伴随山东霾日的增加，其季节变率从60年代的84.0%，70─80年代的72.4%～73.6%，到90年代跌至56.4%，而在本世纪的13年低达42.3%。这表明山东省上个世纪明显的霾日季节性特征经过60─80年代逐渐变弱和90年代后突变，演变为本世纪模糊的霾日季节性特征。霾的出现已趋向于常态而不只是冬季的天气现象。

我国中东部霾日频发的主要成因在于近几十年大气污染排放物的急剧增加，同时也与全球气候变化大背景下影响我国的天气气候变化特征有关（张人禾等，2014）。大气环境中的高排放污染源与区域气象条件的变化会影响山东地区霾日的年际变化（王业宏等，2009）。在人为污染物排放不断增加的条件下，气候因子如风场、水汽场等对霾的季节变化亦会产生影响效应。山东霾日的季节特点的变异值得进一步深入研究。

2.3 不同季节霾日的年际变化

图5给出了近53年山东省区域平均的4个季节霾日数的年际变化趋势。在春夏秋冬4个季节，山东的霾日均呈现显著的年与年之间差异，但年际变化趋势则有不同季节特征。通过多项式拟合趋势可以清楚地看到，春和冬季的霾日变化具有相似特征，而夏秋季的霾日变化具有相似特征。冬季和春季霾日数先后在90年代达到峰值，随后有略下降的趋势，以冬季尤为突出，但90年代以后依然维持霾多发的高水平；而夏秋季近53年来以接近线性的趋势持续增加，其中，夏季的年际增长趋势（拟合度的r2=0.823）尤为显著。山东省平均霾日四季各异的年际变化趋势既减弱了其季节差异，也改变了山东霾日变化的气候特征。

图4 近5个多不同年代山东省平均霾日数月际变化Fig. 4 Monthly changes of haze days averaged over Shandong Province in recent 5 decades

表1 1961─2013年山东省霾日年代际的季节变率Table 1 Rates of seasonal changes of haze days over Shandong Province in 5 decades (1961─2013)

图5 1961─2013年山东省春季(a)，夏季(b)，秋季(c)，冬季(d)霾日年际变化趋势及年平均（单位:d）Fig. 5 Inter-annual variations in the number of the seasonal haze days averaged over Shandong Province during 1961─2013 and the averaged values(unit: d) in spring(a), summer(b), autumn(c) and winter(d)

近53年山东省春夏秋冬4个季节的霾日年际变化率分布如图6所示，其中在计算线性趋势时，春季66.3%，夏季93.8%，秋季87.5%和冬季75%的站点通过了置信度为90%的显著性检验。山东春夏秋冬4个季节的霾日年际变化率的空间分布（图6a-d）均呈现为全省绝大部分地区为正的年际变化率，即霾日增加；中东部的霾日年变化率整体高于西部地区，变化率高值区呈片状地分散分布在鲁中、鲁南及半岛南部地区。仅有极少负增长率区与图2b中年霾日数的负线性趋势地区分布相似。从图6填充色的深浅可以直观看出，山东霾日长期增长趋势地理分布的季节差异，以冬季最低，其次是春季，秋季，夏季最高。夏季全省普遍处于霾日年变化率高值区，大部分地区的增长率都在4.5%·a-1以上，霾日的高增长率区呈大片的带状分布，其中鲁北和鲁西南地区新出现了霾日增长率中心值达7.5%·a-1以上的高值区，而霾日的负增长率区面积最小，强度最弱。秋季部分地区维持在4.5%·a-1以上，鲁中、鲁南及鲁北的增长率高值带相比夏季而言有所减小。春季霾日年际变化率中东部整体高于西部地区，变化率高值区呈分散的片状分布在鲁中、鲁南及半岛南部地区，这些地区的年变化率多在3.0%·a-1以上。冬季中东部地区仍是变化率相对较高的地区，但大部分地区的变化率的值相对秋季而言有所降低，为1.5%·a-1以上。图6的山东霾日增长趋势地理分布的季节差异意味着山东大部分地区出现了霾日季节性的模糊变化特征。

本文利用日均值判定法对霾日的季节特征进行了分析，针对不同霾日判定方法对山东地区霾日长期变化的比较分析，不同典型区域（城市及农村）霾日特征演变规律及山东地区霾区域气候特征形成的机理需要进一步工作的深入研究。

图6 1961─2013年山东省春季（a），夏季（b），秋季（c），和冬季（d）霾日年际变化率的空间分布（单位：%·a-1，实心圆表示通过了置信度为90%的显著性检验的站点）Fig. 6 Spatial distribution of trend rate of inter-annual variations in haze days in spring(a), summer(b), autumn(c), winter(d) over Shandong Province during 1961─2013(Unit: %·a-1, solid dots present the linear trend passed 90% significance test)

3 结论

本文利用山东省80个气象站1961─2013年的观测资料，并将1980年前后能见度资料进行统一化处理之后，选择日均能见度小于10.0 km，日均相对湿度小于90%，排除降水、沙尘、扬沙等天气现象的霾日判定方法分析了近53年山东省霾季节性特征的年代际变异特征。

近53年间山东省年均霾日数整体呈上升趋势，90年代之前增长明显，90年代之后，增长缓慢并维持在高值区波动。53年来霾日数高值区主要分布在以济南（80.9 d·a-1）、临沂（78.2 d·a-1）和青岛（69.0 d·a-1）为首的鲁中西部、鲁中南部和半岛南部地区，霾日高发区也基本对应着霾日增长趋势的高值区。随着年代的增长，霾日的季节差异呈减小趋势，近13年低达42.3%，霾多发时段由冬季蔓延至秋季，夏季和春季，尤其是本世纪前10年夏秋季霾发生的频数几乎与冬季相当，其中夏季霾日的增长趋势最为显著，霾的发生趋于常年化。全省大部地区霾日的增长率以冬季最低，其次是春季，秋季，夏季最高。近5个多年代来，山东省霾季节性特征具有年代际模糊的变异特征。

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Inter-decadal Variations in the Seasonality of Haze over Shandong Province in Recent 53 Years

LI Tian1, ZHAO Tianliang1*, YANG Xiaoxia2, WANG Hong3, LI Changjun4
1. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2. Shandong Meteorological Observatory, Jinan 250031, China; 3. Institute of Atmospheric Composition/Key Laboratory of Atmospheric Chemistry of China Meteorological Administration(CMA), Chinese Academy of Meteorological Sciences (CAMS), Beijing 100081, China; 4. Shandong Meteorological Information Center, Jinan 250031, China

To further explore the character of long-term change of haze over Shandong Province and provide theoretical basis for the government decision making and air quality forecasts, in this study by using the surface observation data(1961─2013) collected from 80 meteorological stations of Shandong Province, giving the definitions of seasonal change and inter-annual variability rates to measure the extent of the seasonal and inter-annual variations of haze, combined with several statistical methods such as polynomial and linear fitting, the seasonal characteristic of haze over Shandong Province in a recent 53 years were analyzed. The results indicate that the distinct seasonal characteristics of the occurrence of haze in the last century have become indistinct going in the 21th century, the frequent periods of haze days have been spreading from winter to autumn, summer and even spring. The seasonal change rate of haze days in 1960s was up to 84.0%, 1970s─1980s years ranged over 72.4%～73.6%, dropped to 56.4% in 1990s, while in recent 13 years of this century was as low as 42.3%, which indicated that the seasonal differences of haze days have steady declined. Haze pollution, previously happened in winter in Shandong Province, has tended to be a frequently occurring phenomenon in all over the year. The analysis on the inter-annual and spatial variations of haze over Shandong Province in different seasons also indicated that haze days averaged over Shandong Province exhibited an increasing trend during 1961─1990, and then grew slowly after 1990 with fluctuating at high pollution levels. The regions with high frequent haze are centered over Jinan, Jining-Taian-Laiwu area, Zaozhuang-Linyi area, Qingdao and the west area of Liaocheng city. The highest numbers of haze days in the 53-year average reached to 80.9, 78.2, 69.0 days per year for Jinan, Linyi, Qingdao respectively. In terms of the geographical distributions of inter-annual variability rate of haze, central-eastern Shandong experienced the higher inter-annual variation rates than western Shandong. The large inter-annual variations of haze days concentrated over the central and southern regions as well as the southern Shandong peninsula. Seasonally, the inter-annual increase rates peaked in summer with the values of higher than 4.5%·a-1, and then followed by autumn and spring, and dived in winter with the increase rate of lower than 1.5%·a-1. The indistinct seasonality of haze is exhibited in most areas of Shandong over the recent 53 years.

Shandong Province; haze; visibility; seasonal variation; climate trend

X 16

A

1674-5906（2014）09-1432-06

李恬，赵天良，杨晓霞，王宏，李长军. 近53年山东省霾季节性特征的年代际变异[J]. 生态环境学报, 2014, 23(9): 1432-1437.

LI Tian, ZHAO Tianliang, YANG Xiaoxia, WANG Hong, LI Changjun. Inter-decadal Variations in the Seasonality of Haze over Shandong Province in Recent 53 Years [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(9): 1432-1437.

江苏省科技支撑计划-社会发展重大研究项目(BE2012771)；南京信息工程大学人才启动基金(20110304)；PAPD；国家自然基金面上项目(41275007)

李恬（1990年生），女，硕士研究生，主要研究方向为大气环境。E-mail: njlitian@126.com *责任作者：赵天良，教授，josef_zhao@126.com

2014-08-06