东北地区近50年来霾天气气候特征

崔 妍,赵春雨,周晓宇,敖 雪,王 涛,李 倩,刘鸣彦,马凡舒



东北地区近50年来霾天气气候特征

崔 妍1*,赵春雨1,周晓宇1,敖 雪1,王 涛1,李 倩1,刘鸣彦1,马凡舒2

(1.沈阳区域气候中心,辽宁 沈阳 110016；2.沈阳农业大学,辽宁 沈阳 110866)

利用东北地区194个地面气象观测站的1961~2013年观测资料,对东北地区霾日及不同等级霾日的空间分布特征和时间演变规律进行分析.结果表明:东北地区霾日空间分布差异显著,辽宁中部和黑龙江中北部霾日相对较多,年平均霾日超过50d,吉林西部地区霾日最少,年平均霾日不超过2d,不同等级的霾日日数空间分布与总霾日日数基本一致;东北地区霾日主要集中在冬季,占全年霾日57.9%,秋季次之,春季最少;1961~2103年东北地区平均霾日呈显著增加趋势(2.9d/10a),其中1981~2000年时段增加最为显著,轻微霾日、轻度霾日、中度霾日和重度霾日均呈增加趋势,但轻度霾日、中度霾日和重度霾日21世纪以来较80年代略有减少.

东北地区；霾日；时空分布特征

霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮在空中,使水平能见度小于10km的空气普遍混浊现象[1].近年来区域性持续性雾霾天气不断发生,霾天气已经越来越成为一种新的气象环境灾害现象,不仅对人体健康造成严重危害,还可以直接引发海、陆、空交通事故和城市空气质量问题[2].

国外对霾天气的研究非常重视,对雾、霾的组成及其气候特征进行深入的研究.Malm[3]对美国大陆的霾现象分布特征和起源做了统计分析,Kerr[4]揭示了霾对局地气候产生的变冷效应.近年来随着霾污染的逐渐增多,国内也加强了对全国性或区域性霾现象气候特征研究,高歌[5]详细分析了近40年来中国霾的时空分布和变化趋势,并探讨了霾日变化的可能原因;吴兑等[6]利用中国大陆743个站气象资料分析了霾日的长期变化趋势.对东北地区的霾日也有一些研究成果,张云海等[7]和洪也等[8]对辽宁中部城市群的灰霾现象进行了详细研究,刘宁微等[9]以沈阳单站为例分析了霾日的长期变化,袭祝香等[10]建立了雾霾事件综合指数并在此基础上分析了吉林省雾霾事件的时空分布特征,崔妍等[11]分析了辽宁省不同等级霾现象的变化规律,并进一步探讨了其气候成因.

对东北地区霾现象目前虽然已有不少研究成果,但对于整个东北三省霾日和不同等级霾日的空间分布、长期变化以及季节分布尚没有系统研究.本文利用东北地区194个站的气象观测资料对东北地区霾日时空分布进行分析,旨在为政府部门制定相关的治理措施提供科学依据.

1 资料与方法

本文所用资料来自于中国东北三省(吉林、黑龙江和辽宁)气象信息中心提供的1961~2013年194个站点的逐日4次相对湿度、能见度资料和逐日天气现象资料.进行资料处理时日均能见度为逐日4个时次能见度的平均,此外由于1980年之前能见度观测记录是以等级划分的,因此先通过能见度等级换算表将等级换算成相应的中间值(以km为单位)再做进一步计算[12].

在气象常规观测中虽然有对霾天气现象的观测,但是由于在中国气象系统台站观测业务中,1952年以来长期没有统一的辅助判别标准,各地(不同观测员)识别霾时太过主观随意,科学性不高,直接使用天气现象资料分析霾日非常不客观,因此需要使用能见度、天气现象和相对湿度进行综合判断,并且要将其他引起视程障碍的现象剔除[13].

一般而言,相对湿度<80%时大气混沌视野模糊导致的能见度恶化是由霾导致,相对湿度介于80%~90%之间是由霾和雾混合物共同造成,但其主要成分是霾[14].因此根据吴兑[15]的建议,结合国家行业标准《霾的观测和预报等级》规定的霾日判定标准[1],本文定义日均能见度<10km,相对湿度<90%,排除毛毛雨、雨、雨夹雪、雪、米雪、阵雨、阵性雨夹雪、阵雪、霰、冰雹、浮尘、扬沙、沙尘暴、吹雪和雪暴39种导致低能见度事件的情况视为一个霾日,日均能见度5£Vis<10km之间为轻微霾日,3£Vis<5km之间为轻度霾日,2£Vis<3km为中度霾日, Vis<2km为重度霾日[11].

2 东北地区霾日的变化规律

2.1 东北地区霾日的空间分布

图1给出了东北地区1961~2013年整个时段以及每20年霾日的空间分布.从东北地区1961~2013年霾日空间分布看(图1a),辽宁中部、黑龙江中北部霾日相对较多,吉林西部和东南部霾日相对较少,霾日最多的地区位于沈阳南部,平均每年发生霾日154d,黑龙江霾日最多的站点为伊春,平均每年霾日53.4d;黑龙江小兴安岭西北部、三江平原、吉林西部以及辽西山区霾日多在5d以下;黑龙江中北部、辽宁中部多在20d以上,个别地区在50d以上,这说明东北地区霾日空间分布差异显著,工业和经济发达的大中型城市霾日日数远多于经济相对较落后的地区,“浊岛”现象非常明显[16];从不同时段东北地区霾日的空间分布看,1961~1980年代东北地区霾日(图1b)有3个高值区,分别位于黑龙江中北部、辽宁中部以及辽宁西部偏东地区,吉林全省、黑龙江三江平原和小兴安岭西北部以及辽西山区年平均霾日在2d以下;1981~2000年代东北地区(图1c)2d以下的霾日范围急剧缩小,仅存在于吉林西部,20d以上的霾日范围扩大,黑龙江中部和辽宁西部偏东地区的高值区霾日强度增大,辽宁中部的则减弱;2001~2013年(图1d)20d以上的霾日范围在辽宁继续扩大,黑龙江则无明显变化,吉林中部的霾日也开始增多,尤其是吉林长春,2001年以来年平均霾日增加到了22d,与1961~1980年这一时段相比(3.5d),霾日增加了4倍,这也说明随着经济发展和能耗的增加,空气污染不断加剧使得灰霾天日益增多[17].

国家行业标准《霾的观测和预报等级》中按照能见度的大小将霾日进行了等级划分,图2给出了东北地区轻微霾日、轻度霾日、中度霾日和重度霾日的空间分布.可以看出,4种等级的霾日空间分布基本一致,在辽宁中部城市群、黑龙江中部和东南部的均出现了高值中心,吉林地区4种霾日均相对较少.东北地区轻微霾日在0~132d之间(图2a),黑龙江中部、辽宁中部和辽西偏东地区轻微霾日在35d以上,最高为沈阳,轻微霾日达132d,吉林轻微霾日在10d以下,吉林西部和黑龙江西北部在2d以下,吉林白城最少,为0.02d.东北地区的轻度霾日(图2b)在19.1d以下,吉林、小兴安岭、三江平原、辽西山区和辽宁东部山区轻度霾日在1d以下,轻度霾日最多的站点为沈阳(19.2d),其次为牡丹江(5.9d);中度霾日(图2c)在2.39d以下,黑龙江西部和东南部、辽宁中部在0.1d以上,中度霾日最多的地区位于沈阳,在2d以上,林口、拜泉和牡丹江在1~2d之间,其他地区中等霾日均在1d以下;重度霾日(图2d)的空间分布与轻度霾日(图2b)一致性较高,最多的地区为黑龙江林口(2.32d),其次为辽宁苏家屯(1.02d),82个站点无重度霾日出现.

2.2 东北地区霾日的年内变化

表1 1961~2013年东北地区及三省四季平均霾日日数及其比例Table 1 Days and percentages of averaged seasonal haze days in Northeast China, Liaoning Province, Jilin Provinceand Heilongjiang Province during 1961~2013

从东北地区霾日的年内变化看(图3),东北地区霾日在1月最多,12月次之,5月最少.东北3个省的霾日呈现一致的年变化特征,与东北地区一致,1月最多,5月最少,黑龙江和辽宁的霾日相对较多,吉林霾日最少.东北霾日的这种年内分布特征广泛存在于中国的华中[21]、西北[22-23]、华东[24]和华南地区[25].

从季节变化看(表1),东北地区霾日在冬秋季较多,夏春季较少.东北地区冬季霾日为6.79d,占全年霾日的57.9%,秋季为2.33d,占全年霾日19.8%,春季和夏季霾日比例分别为10.9%和11.4%.3个省中吉林冬季霾日比例最高为73.9%,其次为黑龙江,辽宁相对较小,从冬季霾日所占比例看,东北地区冬季霾日比例较江苏地区比例偏大[24].全年霾日最多的为辽宁省(19.1d),其次为黑龙江(10.7d),吉林霾日最少(4.5d).东北霾日冬季最多主要是因为11月份之后东北地区进入采暖季,燃煤取暖增加了大气中的污染物[18],同时东北地区昼夜温差大,冬季逆温出现频率高,严重抑制和影响大气污染物的扩散和输送[19],为雾霾产生和发展提供了有利的层结条件[16],除此以外,由于东北地区冬季温度低,因此降水减少而降雪增加,而降雪对污染物颗粒的捕获作用远小于降雨,冬季降雪对大气污染物的稀释作用不仅有限还会使得随雪量增加大气污染物浓度升高的概率增大[20],这些因素都是造成了东北地区冬季霾日频发的原因.

从东北地区月霾日长期变化看(图4a),1980年之前东北地区月霾日多在1d以下,1980年~ 1995年左右,1d以上霾日出现月份增多,除冬季外,11月和3月的霾日也超过了1d,冬季霾日数也同时增多,1995年之后,夏季霾日数也偶尔超过1d;辽宁省月霾日的长期变化(图4b)比东北地区(图4a)更加明显,20世纪80年代之前辽宁省3月至10月霾日多在1d以下,1980~2000年1d以下霾日出现的月份变少,多出现在4~7月之间,同时冬季霾日强度也较20世纪80年代之前偏强,出现的月份比例也有所增加,2000年之后这一特征更加明显,1d以下霾日仅在5月份左右出现,2d以上霾日出现的月份也扩展至6个月以上;吉林(图4c)和黑龙江(图4d)的月霾日变化相对较小,吉林省1980年之前霾日都在1d以下,1980年之后只有冬季霾日超过1d,其他月份的霾日多在1d以下,并无明显变化;黑龙江省1975年之前都在1d以下,1980年之后4月~10月的霾日也鲜少超过1d,11月霾日开始增多,至1月达到峰值之后开始减少.

2.3 东北地区霾日的年际变化

从东北地区的年际变化看(图5a),东北霾日呈显著增加趋势,增加率为2.9d/10a,1980年之前较少,1980年前后有明显跃变,但2000~2013年时段的霾日与1981~2000年时段无明显增加.3个省的霾日与东北地区一致,也呈显著增加趋势,辽宁增加趋势最为显著(图5d),平均平均每10年增加4.2d.从3个时段的变化看,1961~1980年3个省的霾日均比较少,但辽宁和黑龙江还是明显多于吉林,1981~2000年3省的霾日均有一个明显的增加特征,2001~2013年吉林霾日变化不明显,黑龙江则有所减少,而辽宁的霾日继续增多,这也可以说明东北霾日的增加主要是辽宁霾日增加导致的,尤其是21世纪以来,在黑龙江霾日略有下降的情况下,东北霾日仍然存在较小幅度的增加主要是由于辽宁霾日大幅度增加导致的.

从不同等级的年际变化看(图6),1961~ 2013年东北地区不同等级霾日均呈增加趋势,轻微霾日的增幅最大(图6a),平均每10年增加2.7d,其次为轻度霾日0.13d/10a(图6b),中度霾日(图6c)和重度霾日(图6d)变化趋势最小,平均每10年增加0.04d和0.01d.从3个时段变化看,轻微霾日呈逐时段递增变化,轻度霾日、中度霾日和重度霾日在1981~2000时段明显增加,但2001~2013时段略有下降,但仍多于1961~1980时段,这说明21世纪以来东北霾日的增加主要是由于轻微霾日增加造成的.进一步分析东北三省不同等级霾日的阶段性分布,可以发现,辽宁省4种等级霾日日数均呈逐时段增加;吉林省轻微霾日、轻度霾日和中度霾日在1980年左右明显增加,之后较为平稳;而黑龙江轻度霾日、中度霾日和重度霾日2001~2013时段相对于1980~2000时段减少明显,轻度霾日从1.22d减少至0.59d,中度霾日从0.30d减少至0.12d,重度霾日从0.21d减少至0.05d,黑龙江省轻度霾日、中度霾日和重度霾日的大幅减少可能是造成东北地区轻度霾日、中度霾日和重度霾日在2001~2013时段略有下降的重要原因.

从东北地区霾日的变化趋势看(图7),东北地区多数站点霾日呈增加趋势,黑龙江西南部和辽宁中部部分站点呈减少趋势.统计东北194个站点的变化趋势发现其中60个站点无明显变化趋势,127个站点的霾日呈显著增加趋势,增加最明显的为黑龙江鹤岗,增加率为30d/10a,7个站点呈显著减少趋势,减少最明显的为沈阳,平均每10年减少37d.沈阳霾日减少的原因可能是因为20世纪80年代末至90年代沈阳大批工厂停产倒闭,原有工业企业污染排放迅速减少,此外随着政府对环保的大利投入,重污染企业陆续搬离市区,沈阳生态环境得到了改善[9].

3 结论

3.1 东北地区霾日空间分布差异显著,辽宁中部、黑龙江中北部霾日相对较多,吉林西部和东南部霾日相对较少,工业和经济发达的大中型城市霾日日数远多于经济相对较落后的地区;东北地区不同等级霾日(轻微霾日、轻度霾日、中度霾日、重度霾日)日数的空间分布与总霾日日数的空间分布基本一致.

3.2 东北地区多数站点霾日呈增加趋势,黑龙江西南部和辽宁中部部分站点呈减少趋势,194个站中60个站点无明显变化,127个站呈显著增加趋势,7个站点呈减少趋势,其中沈阳站减少最为明显.

3.3 冬秋季是东北霾日的高发时段,57.9%的霾日发生在冬季,吉林冬季霾日比例高达73.9%,从年内变化看,东北霾日1月最高,5月最少,冬季多发主要是由于采暖季大气污染增多导致的.

3.4 1961~2013年东北地区平均霾日呈显著增加趋势,增加率为2.9d/10a,辽宁增加趋势最为显著,黑龙江次之,吉林最小,20世纪80年代之前东北三省霾日均比较少,80年代至20世纪末,3个省和整个东北地区均有一个明显的增加,但是21世纪以来,辽宁霾日持续增加,但是黑龙江略有减少.

3.5 1961~2013年东北不同等级霾日均呈增加趋势,轻微霾日增幅最显著(2.7d/10a),轻微霾日呈逐时段递增变化,轻度霾日、中度霾日和重度霾日则在20世纪80年代增加显著,之后又略有下降.

QX/T113-2010 霾的观测和预报等级 [S].

叶光营,吴毅伟,刘必桔.福州区域雾霾天气时空分布特征分析 [J]. 环境科学与技术, 2010,33(10):114-119.

Malm W C. Characteristics and origins of haze in the continental United States [J]. Earth-Science Reviews, 1992,33(1):1-36.

Kerr R A. Study unveils climate cooling caused by pollutant haze [J]. Science, 1995,268(5212):802-802.

高 歌.1961~2005年中国霾日气候特征及变化分析 [J]. 地理学报, 2008,63(7):761-768.

吴 兑,吴晓京,李 菲,等.1951~2005年中国大陆霾的时空变化 [J]. 气象学报, 2010,68(5):680-688.

张云海,马雁军,刘宁微,等.沈阳地区霾的环境特征研究 [J]. 生态环境学报, 2010,19(11):2636-2641.

洪 也,马雁军,王喜全,等.辽宁中部城市群灰霾天气的外来影响——个案分析 [J]. 环境科学学报, 2013,33(8):2115-2122.

刘宁微,马雁军,刘晓梅,等.1980~2009年沈阳灰霾的变化趋势研究 [J]. 干旱区资源与环境, 2010,24(10):92-94.

袭祝香,张 硕,高晓荻,等.吉林省雾霾和雾霾事件的时空特征及评估方法 [J]. 干旱气象, 2015,33(2):244-248.

崔 妍,赵春雨,王 涛,等.1961~2013年辽宁省不同等级霾现象时空分布特征及其气候成因 [J]. 环境科学学报, 2015,35(6): 1629-1637.

王业宏,盛春岩,杨晓霞,等.山东省霾日时空变化特征及其与气候要素的关系 [J]. 气候变化研究进展, 2009,5(1):24-28.

吴 兑.近十年中国灰霾天气研究综述 [J]. 环境科学学报, 2012,32(2):257-269.

吴 兑.霾与雾的区别和灰霾天气预警建议 [J]. 广东气象, 2005,31(4):1-4.

吴 兑.霾与雾的识别和资料分析处理 [J]. 环境化学, 2008, 27(3):327-330.

胡亚旦.中国霾天气的时空分布特征及其与气候环境变化的关系 [J]. 气象, 2009,35(7):74-78.

刘晓慧,朱 彬,王红磊,等.长江三角洲地区1980~2009年灰霾分布特征及影响因子 [J]. 中国环境科学, 2013,33(11):1929- 1936.

张 晶,郑有飞,李云川,等.石家庄市周边秸杆焚烧导致云凝结核变化的特征 [J]. 大气科学学报, 2011,34(3):343-350.

马雁军,刘宁微,王扬锋.辽宁中部城市群大气污染分布及典型重污染的成因 [J]. 城市环境与城市生态, 2006,19(6):32-35.

王艳秋,杨晓丽.哈尔滨市降水形势对大气污染物浓度稀释的影响 [J]. 自然灾害学报, 2007,16(5):65-68.

谭成好,赵天良,崔春光,等.近50年华中地区霾污染的特征 [J]. 中国环境科学, 2015,35(8):2272-2280.

刘玉兰,梁 培,刘 娟,等.1961~2008年银川市灰霾天气的气候特征 [J]. 气象与环境学报, 2012,28(1):55-58.

王 珊,修天阳,孙 扬,等.1960~2012年西安地区雾霾日数与气象因素变化规律分析 [J]. 环境科学学报, 2014,34(1):19-26.

刘端阳,魏建苏,严文莲,等.1980~2012年江苏省城市霾日的时空分布及成因分析 [J]. 环境科学, 2014,35(9):3247-3254.

王明洁,朱小雅,陈申鹏.1981~2012年深圳市不同等级霾天气特征分析 [J]. 中国环境科学, 2013,33(9):1563-1568.

* 责任作者, 工程师, cuiyan.mail@foxmail.com

Climatic characteristics of haze days in Northeast of China over the past 50 years

CUI Yan1*, ZHAO Chun-yu1, ZHOU Xiao-yu1, AO Xue1, WANG Tao1, LI Qian1, LIU Ming-yan1, MA Fan-shu2

(1.Shenyang Regional Climate Center, Shenyang 110016, China；2.Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China). China Environmental Science, 2016,36(6)：1630~1637

Based on the surface meteorological data from 194 weather stations located in the Northeast of China during 1961~2013, temporal and spatial characteristics of haze days and haze with varied intensity have been analyzed. In terms of spatial distribution, there are two high-value centers located in the central Liaoning Province and north central Heilongjiang Province respectively, where annual total haze events generally exceed 50days. The least haze events occur in the west of Jilin Province with less than 2days per year.Furthermore, the spatial distribution of varied intensity (slight, mild, moderate and severe) haze days is approximately consistent with that of the total haze days.Haze events are more frequently observed in winter (57.9%), followed by autumn and they are least frequently in springs. Average number of annual haze days in study area has a significant increasing trend of 2.9d/decade during 1961~2013 with greatest increase occurring during 1980~2000. Days with slight ,mild, moderate and severe haze have also increased, but mild, moderate and severe haze days reduced slightly in the 21st century compared with the 1980s.

Northeast China；haze days；trend

X51

A

1000-6923(2016)06-1630-08

崔 妍(1984-),女,河南焦作人,工程师,南京信息工程大学硕士研究生,主要从事气候与气候变化相关研究.发表论文5篇.

2015-11-16

2015年辽宁省科学技术计划项目(2015103038);2014年辽宁省气象局科研课题(201405);2014年公益性行业科研专项(GYHY201206012);2013年中国气象局气候变化专项(CCSF201321)