近40年晋城地区霾日数气候特征分析＊

2018-12-23赵珺赵海英

科技与创新 2018年1期

关键词：晋城日数尺度

赵珺，赵海英

（1.山西省晋城市气象局，山西晋城 048000；2.山西省气象台，山西太原 030006）

近40年晋城地区霾日数气候特征分析＊

赵珺1，赵海英2

（1.山西省晋城市气象局，山西晋城 048000；2.山西省气象台，山西太原 030006）

根据山西晋城地区5个气象站1987—2016年历史地面观测资料，利用趋势分析、M-K突变检验、小波分析等方法，研究霾日数的变化趋势和气候特征。结果表明，晋城地区霾日数年际变化总体呈现极显著增加的趋势。全年霾现象冬季出现最多，春秋季次之，夏季最少。每年深秋到次年初春时分（10月—次年3月）是一年中霾现象多发时段。M-K突变检验表明，晋城地区霾日数在1987—1992年间呈现减少的趋势，在1993—2016年间呈现增加的趋势，且在1996年后增加趋势显著。同时，1996年是晋城地区1987—2016年间霾日数突变开始的时间。小波分析显示，近30年来，晋城地区霾日数存在显著的12～16年的年代际尺度周期变化。1996年后，等值线分布逐渐由12～16年的年代际尺度向4～8年的年际尺度倾斜。特别是在2012年至今的霾现象偏多期内，周期变化在时域内表现异常显著，表明这段时间处于霾现象的显著多发期。

霾；气候特征；M-K突变检验；小波分析

霾是指大量的气溶胶颗粒均匀地悬浮在空气中，与空气中的水汽相结合，从而形成的一种视程障碍现象[1]。在中国气象局的《地面气象观测规范》中，霾天气被定义为：“大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10 km的空气普遍有混浊现象，使远处光亮物微带黄、红色，使黑暗物微带蓝色。”[2]

随着社会发展水平的提高，近些年来，霾天气现象频繁出现，越来越多的城市受到霾的影响[3]。组成霾的气溶胶颗粒种类有数百种，这些颗粒能够入侵人体呼吸系统，对人们的健康造成极大危害[4]。同时，霾天气下的低能见度现象也容易引发交通事故。一些学者对霾天气下的气候特征进行分析研究，结果表明，霾现象的发生季节主要为秋冬季[5-7]；气温、气压、降水量、相对湿度等气象要素都会对霾的出现造成一定的影响[8]，而且霾现象也会对全球的气候效应产生深远影响[9]。近年来，晋城市区域性的霾天气频发，影响日趋严重。研究晋城市霾的变化趋势和气候特征，对于治霾防霾具有重要的参考意义。

1 资料统计

历史资料表明，晋城地区建站以来的年平均霾日数为18.2 d，霾日数年际变化呈极显著的增多趋势，增多速率为8.5 d/10 a。20世纪70年代中期之前基本无灰霾天气发生，20世纪80年代后期至20世纪90年代前期缓慢增长，进入90年代后期为快速增长阶段。

根据晋城地区5个气象站1987—2016年历史地面观测资料，观测有霾天气现象时记录为一个霾日数。统计各站历年霾日数结果显示，30年间年平均霾日数5站之和高达148.6 d，其中，晋城和阳城霾日数所占比例最大，沁水次之，高平和陵川占比最小，5站年平均霾日数为29.7 d，具体统计情况如表1所示。

2 气候特征分析

2.1 霾日数年际变化特征

对晋城地区5个气象站1987—2016年霾日数求平均进行统计分析，并求出年代平均和线性变换趋势。从图1中可以看出，过去30年间最多霾日数为109 d，发生在2014年；最少霾日数为8.6 d，发生在1990年。平均霾日数线性趋势方程为y＝1.64（x－1986）＋4.25，霾日数年际变化总体呈现极显著增加的趋势，其增加速度为16.4 d/10 a。由年代平均值曲线可知，20世纪80年代末年平均霾日数为10.6 d，远低于30年平均水平，处于霾天气少发期；20世纪90年代年平均霾日数有所增加，尤其是后期增加趋势加快；21世纪后进入霾现象高发期，霾日数与30年平均值基本持平，除2008—2010年有明显下降外，其他年份基本处于高增长趋势；特别是2013—2014年霾现象达到了峰值期，2015年后开始回落。

图1 晋城地区1987—2016年平均霾日数变化

2.2 气象要素年际变化特征

从图2a中可以看出，晋城地区平均气温在过去30年间以0.4℃/10 a的速度显著上升。由于城市化进程加快，化石燃料燃烧、工厂废气、汽车尾气排放加大，产生了大量气溶胶颗粒，这些污染物吸收太阳红外辐射，使得大气温度逐渐升高，使得城市热岛效应显著提高。由于城市整体气温高于郊区，暖气团上升，使得城市近地层形成低压带，产生从郊区吹向城市的局地风，形成局地环流。

图2 晋城地区1987—2016年气象要素年际变化

结合图2b可知，过去30年间晋城地区平均气压总体表现为下降趋势。局地环流将城市周边的污染物输送到城市中，造成污染物的大量堆积，从而使得霾现象加剧。如图2c和2d所示，在近30年间，年降水量呈增加趋势的同时年平均相对湿度却以2%/10 a的速度显著下降。这是由于城市的主体部分为成片的钢筋和水泥筑就的不透水下垫面，降水大部分都经排水管道排到其他地方，缺少了土壤和植被对水分的吸收和蓄积，从而导致城市近地层空气中的水分偏少，湿度偏低，较为干燥，使得城市成为孤立于周围地区的“干岛”，即干岛效应。干岛效应导致城市大气相对湿度降低，如图2c所示，使得城市大气稳定度提高，近地层大气趋于静稳，不易与高层大气发生对流，城市污染物集中于城市下垫面区域，造成持续的大气污染，加剧城市霾现象的发生。

2.3 霾日数季节变化特征

统计历年各月霾日数结果显示，春季（3月—5月份）霾日数占全年总数的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%，具体如表2所示。每年深秋到次年初春时分（10月—次年3月）是一年中霾现象多发时段，霾日数在全年中所占比例高达62.7%，其中，1月份霾日数最多，为19.2 d，占全年总数的12.9%.

表2 晋城地区历年各月霾日数统计（1987—2016年）

图3 晋城地区1987—2016年气象要素季节变化

由图3可知，每年6—9月是晋城地区的主汛期，降水条件充沛，雨水使得空气中的气溶胶粒子沉降到地面，有助于污染物的稀释和清除，减少霾现象的发生（图3a）。10月份汛期结束，降水减少，气温降低，大气环流趋于稳定，水平风减小（图3b）；再加上秋冬季逆温层的出现频率逐渐增多，阻碍了大气的垂直对流运动[10]，在排放到大气中的污染物总量不变的前提下，霾现象发生频率迅速升高。

进入11月份后，晋城地区集中供暖，污染物排放增多，导致城市上空近地层气溶胶粒子富集，有利于霾现象的发生和维持。直到次年4月份，气温回升，近地层层结日趋不稳定，降水增多，水平风速增大（图3b），大气扩散条件转好；同时，供暖结束，污染物排放减少，霾现象的发生频率迅速下降。

图4 晋城地区1987—2016年霾日数的曼-肯德尔突变检验曲线

3 Mann-Kendall突变检验[11-12]

利用M-K检验法对晋城地区1987—2016年霾日数进行突变统计分析，显著性水平α＝0.05（U0.05＝±1.96）。从图4中可以看出，UF曲线波动比较大，并且在1987—1992年间小于0，在1993—2016年间大于0.这说明，晋城地区霾日数在1987—1992年间呈现减少的趋势，在1993—2016年间呈现增加的趋势。UF曲线在1996年后大于显著性水平α＝0.05（临界值U0.05＝±1.96）的临界线。这说明，晋城地区霾日数在1996年后增加趋势显著，同时表明晋城地区1996—2016年间霾日数出现突变现象。图4中UF和UB曲线有唯一交点，出现在1995—1996年间，且交点在临界线之间。这表明，1996年是晋城地区1987—2016年间霾日数突变开始的时间。

图5 晋城地区1987—2016年霾日数Morlet小波分析周期变化

4 霾日数周期小波分析[13]

由图5上部的小波变换系数实部等值线分布可知，近30年来，晋城地区霾日数存在显著的12～16年的年代际尺度周期变化。此周期变化贯穿于整个时域中，在全时域中均表现为较强的周期性，强度比较大，正负中心值分别达到±1.5.在16年尺度的周期变化上，近30年来晋城地区霾日数表现最明显的时段为1987—1995年的霾现象偏少期，1996—2004年的霾现象偏多期，2005—2011年的霾现象偏少期，2012年至今的霾现象偏多期。由此可以看出，随着时间的推移，在16年尺度上周期呈现逐渐减小的趋势，同时，1996年后等值线分布逐渐由12～16年的年代际尺度向4～8年的年际尺度倾斜。特别是在2012年至今的霾现象偏多期内，周期变化在时域内表现异常显著，表明处于霾现象的显著多发期。

5 结论

晋城地区霾日数年际变化总体呈现极显著增加的趋势。20世纪80年代末，年平均霾日数为10.6 d，远低于30年平均水平，处于霾天气少发期；20世纪90年代年平均霾日数有所增加，尤其是后期增加趋势加快；21世纪后进入霾现象高发期，霾日数与30年平均值基本持平，除2008—2010年有明显下降外，其他年份基本处于高增长趋势；特别是2013—2014年霾现象达到了峰值期，2015年后开始回落。

霾日数季节变化显示，全年霾现象发生在冬季最多，春秋季次之，夏季最少。每年深秋到次年初春时分（10月—次年3月）是一年中霾现象多发时段，霾日数在全年中所占比例高达62.7%，其中，1月份霾日数最多，为19.2 d，占全年总数的12.9%.M-K突变检验表明，晋城地区霾日数在1987—1992年间呈现减少的趋势，在1993—2016年间呈现增加的趋势，且在1996年后增加趋势显著。同时，1996年是晋城地区1987—2016年间霾日数突变开始的时间。

近30年来，晋城地区霾日数存在显著的12～16年的年代际尺度周期变化。1996年后，等值线分布逐渐由12～16年的年代际尺度向4～8年的年际尺度倾斜。特别是在2012年至今的霾现象偏多期内，周期变化在时域内表现异常显著，表明处于霾现象的显著多发期。

［1］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.

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［3］吴兑，廖碧婷，吴蒙，等.环首都圈霾和雾的长期变化特征与典型个例的近地层输送条件［J］.环境科学学报，2014，34（1）：1-11.

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［5］沈斌，李俊乐，郑国伟，等.2004—2013年抚顺地区霾日数与气象因素变化规律分析［J］.资源与环境科学，2016，23（1）：226-229.

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