新疆和田地区烟幕天气变化特征及成因分析

刘海涛，蒋丽，韩春光，李绣东，冯燕，徐建斌，陈天宇

（1.和田地区气象局，新疆 和田 848000；2.太湖县气象局，安徽 太湖 246400；3.石河子地区气象局，新疆 石河子 832000；4.伊宁机场气象台，新疆 伊宁 835000）

新疆和田地区烟幕天气变化特征及成因分析

刘海涛1，蒋丽2，韩春光3，李绣东1，冯燕4，徐建斌1，陈天宇1

（1.和田地区气象局，新疆 和田 848000；2.太湖县气象局，安徽 太湖 246400；3.石河子地区气象局，新疆 石河子 832000；4.伊宁机场气象台，新疆 伊宁 835000）

运用和田地区气象、社会统计、NCEP/NCAR再分析资料，综合应用气候趋势、小波、突变、合成方法分析了1960—2010年和田地区烟幕天气的变化趋势、周期及突变特征，揭示了影响烟幕天气多发的气候及社会成因，结果发现：（1）和田地区烟幕天气呈现出递增（15.4 d/10 a）的趋势，多年平均日数66 d，其代表站——和田高达123 d，烟幕天气在20世纪60年代最少、90年代增至最高峰，2000—2010年大幅减少，年烟幕日数呈单峰型，峰值在10月—次年3月的冬半年，日烟幕频数呈双峰型，峰值在20—01时和早上09—12时；（2）年烟幕日数具有稳定的准17 a振荡周期，1982年为显著突变增加年、2005年为显著突变减少年；（3）影响和田地区烟幕天气多寡的主因是人口快速增长下，冬半年长时间向空中大量排放烟尘，加之冬半年受高空浅暖高压脊和地面塔里木盆地低气压环流的控制，气层稳定、逆温易发且频率高，风速较小，烟尘不易扩散。

和田地区；烟幕；气候特征；成因

烟幕是指大量的烟存在空气中，使水平能见度小于10.0 km以下的一种天气现象，城市、工矿区上空的烟幕呈黑色、灰色或褐色，浓时可以闻到烟味[1]。烟幕天气不仅使能见度变差，影响交通运输，而且还对环境造成污染，导致空气质量下降，诱发呼吸道等多种疾病，危害人类的身心健康。内地一些学者中，刘瑞晨等[2]最早分析了北京地区烟幕的一般规律，讨论了影响北京地区烟幕的气象条件以及与北京地区烟幕有密切联系的几种常见的地面天气形势，闫海庆等[3]、张风林等[4]、陆春花等[5]从观测角度分析了烟幕、轻雾、霾之间的区别，有助于提高民众对三者的辨识，景小琴[6]从气候学角度统计分析了济南市烟幕形成的一些特征规律，发现济南市冬季烟幕日数最多，高压天气系统控制和大气层结较稳定是其多烟幕的主要原因，刘发新等[7]通过对哈尔滨市烟幕形成条件的统计、分析发现，天气系统、大气稳定度、风向风速、气压、相对湿度等对烟幕均有影响。杜红、孙东霞、李华等学者[8-11]对北疆频发的雾天气特征进行了分析，所用方法对同样为影响视程且频发于南疆的烟幕研究有很大的启示。和田地区位于新疆维吾尔自治区西南部，地理坐标77°31′～84°55′E，34°22′～39°38′N，南踞昆仑山，向北深入塔克拉玛干大沙漠，总面积达249 147 km2，全年干旱少雨、多风沙，属于典型的农业灌溉区[12]，至2012年末，总人口212.34万人，其中农业人口175.76万人，较2011年增长1.8%，非农业人口36.58万人，较2011年增长4.5%，实现生产总值145.44亿元。随着人口的快速增加，民众生活水平和生活质量的逐步提高，烟幕天气已引起社会和公众的广泛关注，但该地与此有关的分析研究目前尚未见到。鉴于此，为提高当地社会和公众对烟幕天气的认识，探究其变化成因，对于今后应对烟幕天气灾害、减轻城市空气污染、保护生存环境等都具有重要的意义。

1 资料与方法

本文使用和田地区皮山、和田、于田、民丰4个基本（准）代表站1960—2010年的完整月烟幕天气日数及气温、气压、相对湿度、极端最低气温、风速资料，统计中年烟幕天气日数及年气温、气压、相对湿度、极端最低气温、风速取对应站12个月的合计值，春、夏、秋、冬四季取3—5、6—8、9—11月、12—次年2月的合计值，皮山、和田、于田、民丰代表站年和四季的算术平均表示和田地区，据此得到51 a和田地区及四个代表站年、四季烟幕天气日数及气温、气压、相对湿度、极端最低气温、风速分析序列，多年平均取1960—2010年平均值，气候标准值取世界气象组织1981—2010年平均值。烟幕及气温、气压、相对湿度、极端最低气温、风速日变化使用和田基准站2000年10月—2010年3月逐日、逐小时资料，逆温分析使用和田探空站L波段2006年1月—2010年12月逐日07、19时探空资料，500 hPa位势高度、温度和地面海平面气压合成图使用气象绘图软件（Grads）对NCEP/NCAR（2.5°×2.5°）1960—2010年一日4次再分析资料绘制而成。采用线性倾向估计、Morlet小波函数[13-15]、滑动t、累计距平（CA）检验方法[16]分析烟幕序列的长期变化趋势、周期和突变特点,文中线性倾向率、滑动t显著性判别分别使用相关系数和T检验,累计距平显著性判别使用信噪比法[17]。

2 结果分析

2.1 时间变化

2.1.1 年际变化

图1为和田地区及皮山、和田、民丰代表站1960—2010年烟幕天气日数年际变化曲线，由图1看出，51 a来和田地区及代表站烟幕天气日数一致地呈现出递增的趋势，经历了少—多—少的变化阶段，至2010年都处于相对偏少的时期。由和田地区变化（图1a）看出，51 a烟幕天气日数递增率为15.4 d/10 a（相关系数为0.626 2，通过0.001信度检验），1960—1982年、2006—2010年为偏少期，1983—2005年为偏多期，偏多期中1986年烟幕天气日数最多（123 d），偏少期中1961年烟幕天气日数最少（10 d）；皮山（图1b）51 a烟幕天气日数递增率较明显,为26.6 d/10 a（相关系数为0.774 9，通过0.001信度检验），1960—1985年、2009—2010年为偏少期,1986—2008年为偏多期,偏多时期2002年烟幕天气日数最多（137 d），偏少时期1961、1968、1980年烟幕天气日数最少，仅2 d；和田（图1c）51 a烟幕天气日数递增率为8.3 d/10 a（相关系数为0.232 2，未通过检验），1960—1979年、2003—2010年为偏少期，1980—2002年为偏多期，偏多时期1992年烟幕天气日数最多（212d），偏少时期1960年烟幕天气日数最少（27d）；于田51 a烟幕天气日数递增率为10.3 d/10 a（相关系数为0.499 7，通过0.01信度检验），1960—1981年、2006—2010年为偏少期，1982—2005年为偏多期，偏多时期1987年最多（107 d），偏少期中1965—1969连续5 a烟幕天气日数均为0 d，2009、2010连续两年烟幕天气日数均为23 d；民丰（图1d）51 a烟幕天气日数递增率为16.3 d/10 a（相关系数为0.645 9，通过0.001信度检验），1960—1982年、2009—2010年为偏少期，1983—2008年为偏多期，偏多时期1986年烟幕天气日数最多（121d），偏少期中1977年烟幕天气日数最少（4 d）。

2.1.2 年代际变化

和田地区及各代表站1960—2010年烟幕天气日数年代际变化见表1，整个和田地区1960—2010年烟幕平均日数为66 d，皮山、和田、于田、民丰烟幕多年平均日数分别为54、123、35、53 d，可以看出和田站烟幕天气日数最多,皮山、民丰相近,于田最少。和田地区1971—2000年平均日数为81 d，1981—2010年平均日数比1971—2000年增加10 d，60年代至90年代烟幕天气日数呈明显的逐年代增加势头，平均日数由60年代的23 d增加到90年代的105 d，期间1980—1989年增幅最明显（平均烟幕天气日数较1970—1979年增加58 d），2000—2010年减少到73 d；和田、于田、民丰三站均在20世纪60—80年代呈逐年代增加并在80年代达到峰值，80年代也是增幅最明显的时期（增幅分别为69、57、80 d），90年代起三站都开始减少,相较80年代分别有6、14、10 d的减幅；皮山60—90年代逐年代增加，90年代达顶峰且该时期增幅最大（平均日数较70年代增加100 d、较80年代增加72 d），2000—2010年起开始减少,减幅达16 d。2000—2010年的减少期中，和田代表站减幅达81 d，远较皮山、于田、民丰明显。

2.1.3 年变化和日变化

和田地区及各代表站烟幕天气日数年变化（图2a）呈现出单峰型的特点，年内烟幕天气日数主要分布在冬半年的10月至次年3月，期间（除民丰1月最多）又以12月为最多月，该月和田地区平均烟幕天气日数为15 d，皮山、和田、于田3站分别为15、25、9 d；其次是1月（民丰12月），和田地区平均烟幕天气日数为14 d；再其次是11月（12 d）。各代表站除和田5—8月每月均有平均1 d的烟幕天气日数外，其余站5—8月烟幕天气日数均为0 d，可见，和田的烟幕天气在一年的12个月里都有出现。

和田代表站烟幕日变化（图2b）呈双峰型,烟幕集中出现在20—01时和09—12时两个时段，上述峰值集中时段内又以22时和10时发生频率最高，达到40%以上，2、3月10时甚至高达82%，03—07时烟幕出现频率最低，接近0。

2.1.4 周期和突变

和田地区年烟幕天气日数Morlet小波变换实部（图3a）显示了烟幕天气发生的多时间尺度特征，“少—多—少—多—少—多—少”闭合中心贯穿整个序列且交替振荡明显,呈现出稳定的准17 a振荡周期，该周期在1990—2005年间信号明显加强，此外在1985年以前还存在一个信号强度较弱的准10 a的周期。

和田地区年烟幕天气日数序列的滑动t、累计距平CA检验结果（图3b）显示，滑动步长n取5、10时t值与CA值均在1982年达到最小（n=5时，|t=-7.46|＞ta=0.01=3.36；n=10时，|t=-12.64|＞ta=0.001=3.92；CA=-755.57），显著性水平通过0.01及以上信度检验；亦可看出,滑动（t n=5）、累计距平CA均在2005年达到最大（n=5时，t=5.79＞ta=0.01=3.36；CA=97.86），通过0.01及以上信度检验。以上说明，在1982、2005年和田地区烟幕天气日数分别发生了显著的增加和减少突变。

2.2 烟幕天气变化成因分析

烟幕天气的发生及变化主要与气候、社会两大因素有关，本文就此展开分析讨论。

2.2.1 气候因素

2.2.1.1 高、低空环流背景分析

特定的高低空环流形势有利于烟幕天气的发生和维持。对1960—2010年NCEP/NCAR（2.5°×2.5°）再分析资料进行合成分析后，绘制和田地区烟幕天气多发期（冬半年）欧亚范围500 hPa位势高度、温度和地面海平面气压各年代际及最多（次多）年（月）、最少（次少）年（月）、偏多（偏少）期平均场、距平场。51 a冬半年平均高度、温度合成图（图4a）上，欧亚范围为纬向环流，欧洲为平直的西风气流，新疆为浅脊，东亚为弱槽，温度脊（槽）与高度脊（槽）位置相互重叠，新疆和田地区受暖的浅高压脊控制，环流形势稳定，有利于高空逆温的产生；平均海平面气压图（图4b）上，冷高主体在新疆上空的巴尔喀什湖至贝加尔湖之间，冷高中心在北疆阿勒泰上空，中心强度1 035.0 hPa，南疆盆地处于冷高后部的低压中，低压中心正好处在和田地区上空，中心值1 022.5 hPa，与盆地西部、东部的气压梯度不大，气层较稳定，不利于烟幕扩散。各年代际及最多（次多）年（月）、最少（次少）年（月）、偏多（偏少）期平均位势高度、温度和海平面气压场差异不大，接近冬半年平均高度、温度和海平面气压场，和田地区均处在浅而弱的暖高压脊、塔里木盆地低压中，位势高度、温度距平场数值相差无几且变幅不大，唯有海平面气压距平场在数值上有差异。20世纪60、70年代、最少年（1961年）、次少年（1960年）、偏少期（1960—1982年）、最少月（10月）、次少月（3月）南疆盆地海平面气压均为负距平，距平值分别是：60年代-2.0～-1.5 hPa、70年代-0.5～0.0 hPa、1961年-10.0～-14.0 hPa、1960—1982年-0.4～0.0 hPa、10月-4.0～-7.0 hPa,负距平中心都在和田地区上空；80、90、21世纪10年代、最多年（1986年）、次多年（1992年）、偏多期（1983—2005年）、最多月（12月）、次多月（1月）南疆盆地海平面气压均为正距平，距平值分别是：80年代0.5～1.0 hPa、90年代1.0～1.5 hPa、21世纪第一个10 a0.0～0.5 hPa、1986年3.0～6.0 hPa、1983—2005年0.6～1.0 hPa、12月3.0～5.0 hPa,正距平中心也都在和田地区上空。以上海平面气压距平变化场说明，和田地区为负距平时，盆地内外气压梯度增大，有利于烟幕的扩散，烟幕天气日数就少，反之和田地区为正距平时，盆地内外气压梯度减小，不利于烟幕的扩散，烟幕天气日数就多。气压梯度的增减，实际反映的是地面风速的变化，气压梯度增大，地面风速就增大，气压梯度减小，地面风速相应也减小，文后地面风速各年代及年变化分析结果与此结论相一致。

2.2.1.2 逆温分析

逆温对烟幕天气的产生有较大的影响。当逆温出现时，逆温层阻碍空气的垂直运动，有利于大量烟尘聚集在逆温层下面，导致能见度变坏，从而造成大气污染。经对和田探空站L波段2006年1月—2010年12月逐日07、19时探空资料统计发现，和田平均有331 d/a在早上07时出现逆温，出现频率占到全年的90.8%，183 d/a在19时出现逆温，占全年的50.2%，其中冬半年在早上07时出现逆温的日数占到全年逆温日数的52.2%，19时出现逆温的日数占到全年逆温日数的61.1%。可见，和田上空逆温发生的频率相当高，尤其是冬半年早上和傍晚有近半数以上的日子出现逆温。表2为各月07时和19时逆温发生频率，从中看出，冬半年的11月—次年2月07时和19时逆温出现的频率远高于夏半年的5—8月，尤其是烟幕天气日数较多的12月、1月，逆温发生频率达到峰值,12月0时高达98.7%、19时高达85.2%，1月07时高达97.4%、19时高达87.1%。

2.2.1.3 气象要素分析

气温、气压、相对湿度和风速气象要素与烟幕发生日数的相关性结果显示，烟幕天气日数与气温、气压的相关系数分别为0.174 4、0.205 8，没有通过显著性检验；与相对湿度、极端最低气温的相关系数分别为0.343 3、0.344 7，通过0.05信度检验，呈显著的正相关；与平均风速呈显著的负相关，相关系数达-0.728 8，通过0.000 1信度检验。表3给出了1960—2010年和田地区及代表站平均风速、相对湿度各年代的变化，由表中看出，20世纪60—70年代平均风速较大且变化平稳，80年代开始减小，90年代减至最小，较60年代减小了0.4～0.8 m·s-1，2000—2010年突然增大，较90年代有0.3～0.7 m·s-1的增加，对应表1中各年代烟幕天气日数，正好反映了风速大、烟幕天气日数少，风速小、烟幕天气日数多，风速减小、烟幕天气日数增加，风速增大、烟幕天气日数减少的特点；相对湿度变化不如风速明显，60—90年代相对湿度缓幅增加，烟幕天气日数最多的90年代相对湿度也达最大，2000—2010年烟幕天气日数开始减少，相对湿度随之减小；极端最低气温60年代最低（-18.2℃，和田地区平均，下同），其后不断上升，至90年代升至最高（-15.4℃），2000—2010年有所下降（-15.9℃），恰好与烟幕各年代变化情况相一致。

图5为代表站及和田本站风速、相对湿度的年（图5a、5c）、日（图5b、5d）变化。可以看出，风速（图5a）在冬半年的10月—次年2月较小，12月最小,其次是1月，3—8月相对较大，9月开始减小，对应烟幕天气日数年变化（图2a）正好呈现出反位相的特征；风速的日变化（图5b）与烟幕的日变化（图2b）亦呈反位相的对应关系，即在烟幕集中出现的20—01时、09—12时两个时段风速相应都较小，烟幕频率最高的22、10时恰好是风速一日当中的最小和次小值。相对湿度（图5c）与烟幕天气日数在冬半年10月—次年3月的变化近乎一致，12月、1月相对湿度较大，烟幕天气日数也最多；相对湿度的日变化（图5d）中，烟幕集中出现的20—01时、09—12时两个时段相对湿度都维持较大，尤为明显的是烟幕频率最高的10时正对应一日当中湿度最大的时刻。极端最低气温1月份最低，其次是12月，早上08—10时是其出现的时刻，烟幕在上述时段（刻）也是多而高发。以上分析概括地说明，年、日风速、湿度和极端最低气温气象条件影响着烟幕的发生，年、日风速小、湿度大、极端最低气温低有利于烟幕天气的产生和高发，反之则不利。

2.2.2 社会因素

新疆和田地区属于农牧业为主的灌溉区，市民及广大农牧民生活、取暖主要依赖薪柴、燃煤，其中以冬半年的供暖表现的最为突出，供暖始于每年的10月15日，止于次年的3月15日，在长达半年的供暖期里，城市、城郊、农村集中或非集中式地向空中排放着大量的烟尘。20世纪60、70年代由于城市小、人口少的原因，排放相对少，烟幕天气日数相应也少；进入80年代，随着改革开放的不断深入和推进以及农村家庭联产承包制的实行,城市开始发展、农村得以壮大，人口以每年1.87%的速度增加；到了90年代，发展速度更快，人口则以每年2.39%的速度继续增加,急剧增加的人口加剧了烟尘的排放，使得全地区烟幕天气日数在该时期达到最高；进入21世纪后，人口虽然还在持续增加，但自90年代末期由政府强制推行的城市集中供暖渐渐凑效，无序排放得以控制,烟幕天气日数整体开始下降，特别是自2004年10月23日和田河气田建成投产后，先后向和田市及周边的和田县、洛浦县、墨玉县输送天然气，一举成为全国首个实现整体天然气供暖的中型城市。据统计[18]，至2010年底，和田地区天然气入户总数达3.91万户，占全地区总户数的7.2%，其中农村用户达到4 132户，累计节约原煤60万余吨，大大优化了和田市、和田县、墨玉县及洛浦县的能源结构，缓解了和田因燃料短缺、烧煤烧柴带来的污染问题，烟幕天气日数出现了极为明显的下降，全市区烟尘排放量较以往下降了81.7%，二氧化硫排放量由577 t下降到10.5 t，下降98.2%，空气质量明显提高。

3 结论与讨论

（1）51 a来，和田地区及其代表站皮山、和田、于田、民丰的烟幕天气日数均呈递增的趋势，经历了偏少—偏多—偏少三个变化阶段；整个和田地区多年烟幕平均日数达66 d，其代表站和田平均日数最多（123 d）、皮山（54 d）和民丰（53 d）相近、于田最少（35 d）；20世纪60年代烟幕最少，其后逐年代不断增加，和田、于田、民丰在80年代达到峰值，皮山和整个和田地区则在90年代达到峰值，除皮山在90年代外其余站80年代烟幕天气日数增幅最明显，2000—2010年一致地为减幅最明显的时期；烟幕天气日数在年内呈单峰型，10月—次年3月的冬半年为其主要分布时段，日内则呈双峰型，集中出现在20—01时和09—12时，22时、10时出现频率最高。

（2）Morlet复小波函数结果显示，和田地区年烟幕天气日数具有稳定的准17 a振荡周期，滑动t、累计距平（CA）法综合检验出1982、2005年为其显著的突变增加和突变减少年份。

（3）和田地区社会经济相对落后，加之人口增速快，城市、农村生活所必须的取暖长期依赖薪柴和燃煤，尤其是在长达半年的供暖时期里，集中或非集中式地向空中排放大量烟尘，同时又因冬半年整个南疆高空为浅的暖高压脊、地面为气压梯度小的塔里木盆地低压环流控制，气层相对稳定，逆温易发且频率高，冬半年低空风速较小，不利于烟尘等污染物的扩散。和田地区多烟幕天气的成因除了上述分析到的社会、气侯两大因素外，还与当地的环境、城市建设、大气边界层等息息相关，有待于今后做更深入的分析。

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Variation Features and Causes of Smokescreen Weather in the Hetian Region

LIU Haitao1，JIANG Li2，HAN Chunguang3，LI Xiudong1，FENG Yan4，XU Jianbin1，CHEN Tianyu1
（1.Hetian Meteorological Bureau，Hetian 848000，China；2.Taihu Meteorological Bureau，Taihu 246400，China；3.Shihezi Meteorological Bureau，Shihezi 832000，China；4.Yining Airport Meteoroloyical Station，Yining 835000，China）

Using the data of meteorology,social statistics and NCEP/NCAR reanalysis data in Hetian,with application of climate linear tendency,wavelet,mutation and Synthetic methods the trend,characteristics of cycle and mutations of smokescreen during 1960-2010 in Hotan were analyzed to reveal the impact of climate and social causes of smoke.The result shows as follows：（1）The days of smokescreen weather show an incremental（15.4 d/10 a）trend in Hetian,annual average days are 66 d,its representative station,Hotan,is up to 123 d.The days of smokescreen weather is the least in the 1960s,rose to the highest peak in the 1990s and reduce significantly during 2000-2010.The annual variation of smokescreen weather days shows a single peak pattern with the peak occurring during October to March of the next year.The daily variation of smokescreen weather shows a bimodal pattern with peaks during 20:00-01:00 and 09:00-12:00（.2）The smokescreen weather days shows a stable quasi-17 a oscillation period,increasing significantly in 1982,decreaing significantly in 2005.（3）The main cause of smokescreen weather is mainly due to rapid population growth in Hetian,significant emissions of soot into the air for a long time in the winter half year with the shallow warm ridge of high pressure in the upper atmosphere and low pressure circulation near the surface in the Tarim Basin,stabile atmospheric layer,high-frequency inversion,less wind which cause smoking not easy to spread.

Hetian；smokescreen；climatic characteristics；causes

P463

B

1002-0799（2015）01-0024-08

刘海涛，蒋丽，韩春光，等.新疆和田地区烟幕天气变化特征及成因分析[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（1）：24-31.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.005

2014-01-24；

2014-03-03

公益性行业气象科研专项（GYHY201106025）“风沙灾害对绿洲农业的影响与评估技术”和新疆气象局研究课题（201120）联合资助。

刘海涛（1977-），男，高级工程师，从事天气、气候预测及气象服务工作。E-mail：xjht2008@163.com