1981～2018年成都平原经济区霾日变化分析

胡俊峰 , 孙 彧 , 王 富 , 祁生秀 , 景号然

（1. 中国民用航空西南地区空中交通管理局气象中心, 成都 610072；2. 四川省气象灾害防御技术中心, 成都 610072；3. 中国气象局国家卫星气象中心/中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室, 北京 100081；4. 中国气象局地球系统数值预报中心, 北京 100081；5. 四川省农业气象中心, 成都 610072；6. 四川省气象探测数据中心, 成都 610072）

引言

大气气溶胶是指均匀分散于大气中的固体微粒和液体微粒所构成的稳定混合体系。大气气溶胶不仅能够影响地球辐射收支平衡、天气气候过程和地球生态环境系统，甚至直接威胁到人类健康[1−3]。在人类活动集中的大城市及其周边，由于工业废气、汽车尾气等排放量较高，造成局部地区大气气溶胶本底浓度增加，有利于二次气溶胶的生成和聚集，成为大气污染事件频繁发生的重要原因之一[4]。

我国环保部门从20世纪90年代末开始进行空气质量监测，2012年在国家环境空气监测网基础上，依据有关标准和监测规范，进一步优化调整了监测点位，并规范了观测项目[5]。我国气象部门自有气象观测站以来就开始了雾、霾等天气现象的观测，并逐步规范了雾、霾的观测标准[6−7]。已有研究[8−11]表明，直到2013年，中国大陆地区灰霾日数仍呈明显增长趋势。其中，长江三角洲地区[12]及珠江三角洲地区[13]、京津冀地区等大城市群及工业区更是灰霾天气发生频率最高的区域[14]。长期雾霾特征除了跟人为源排放有关，也受到大气湿度、风场等天气条件的影响[11,15]。“大气十条”颁布实施以来，由于各类减排措施落实得当，大气污染有所缓解，卫星观测得到气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）数据自2013年以来呈下降趋势，说明大气环境正在逐步改善[16−17]。

四川盆地位于青藏高原东缘，该地区整体风速小、雨雾多、逆温出现频繁、大气环境容量极为有限，诸多条件都为污染天气的产生和发展创造了有利条件[18−20]。与全国变化趋势较为一致，近10 a四川盆地AOD呈现下降的趋势[21]，霾日集中分布在川东北城市群、成都平原城市群以及川南城市群[22]。成都平原经济区地处四川盆地中心，是四川盆地乃至中国西部人口密度最大、城镇化水平最高的地区，其雾霾日数时空演变对当地社会生产和人民生活具有重大影响，但目前针对这一问题的研究并不多见。基于此，本文利用1981～2018年成都平原经济区44个气象站点霾日观测资料，分析该地区霾天气的气候变化特征，旨在深刻理解区域污染天气形成机制，进而为科学开展大气污染防治提供理论依据。

1 数据与方法

1.1 站点选取

根据四川省人民政府2019年发布的《成都平原经济区“十三五”发展规划》和2021年发布的《成都平原经济区“十四五”一体化发展规划》中对成都平原经济区的释义及情况介绍：成都平原经济区包括成都、德阳、绵阳、乐山、眉山、资阳、遂宁和雅安8个市的68个县（市、区），幅员面积8.65万km2，占全省面积的17.8%；人口近3800万，占全省的45.8%；2020年，经济区地区生产总值由2015的1.91万亿元增加至2.95万亿元，全省占比超过60%。

中国气象局在成都平原经济区共建有44个气象站（图1），较好地覆盖了主要经济区。由静止轨道气象卫星（风云四号A星（图1a）和葵花8号（图1b））资料年均AOD空间分布可知，成都平原经济区中部和东部地区是AOD高值区域，而站点较好覆盖了该高值区域，能够监测到区域内大气污染事件的发生。

图1 观测站点位置（黑点）及2017年静止轨道气象卫星年均AOD空间分布（a. 风云四号A星，b. 葵花8号）

1.2 资料选取

选取四川省气象探测数据中心提供的成都平原经济区44个气象站逐日观测数据，要素包括能见度、天气现象观测、雨量、风速、相对湿度等，所有资料均通过了国家气象信息中心的质控检验。由于1981年之前能见度资料按照等级划分，而1981年之后以m为单位进行观测记录，为了保证研究结论的科学合理，资料时段选取为1981～2018年。

1.3 方法介绍

本文综合比较了几种常用的霾日判别方法（表1），结合前期研究成果[23]，选取了表1中方法三，利用成都平原经济区44个气象站相对湿度、天气现象、能见度、风速等资料，计算得到1981～2018年共计38 a的霾日资料。

表1 霾日判别方法介绍

根据订正后的霾日资料分析霾日空间分布、年代际变化及周期变化特征。

2 结果分析

2.1 成都平原经济区霾日空间分布特征

与卫星监测气溶胶的结果相类似，成都平原经济区霾日数空间分布并不均匀。根据空间分布（图2），并结合表2可知，1981～2018年整个成都平原经济区霾日平均值达到57.47 d；近38 a霾日高值中心自北向南分别为德阳区（中江，101.5 d）、成都区（新津，115.37 d）和乐山区（乐山，108.84 d）；霾日低值中心分别为平武（6.13 d）、雅安名山（17.95 d）及雅安雨城（18.55 d）。总之，上述分布特征与已有研究结论基本一致[21 − 22]。

表2 年代际霾日最大及最小站

图2 近38a 平均成都平原经济区霾日空间分布（单位：d）

图3a给出了1981～2018年成都平原经济区霾日空间分布的年代际变化特征。如图3a所示，1981～1990年成都平原经济区霾日平均值为59.61 d，比近38 a平均值高出2.13 d；霾日高值中心由北向南分别为德阳地区（中江，101.5 d；广汉，102.5 d；绵竹，115.7 d）和简阳地区（简阳，105.7 d）；霾日低值中心为平武（6.13 d）、雅安名山（17.95 d）和雅安雨城（18.55 d）。

图3 1981～2018年成都平原经济区霾日空间分布的年代际变化特征（a. 1981～1990年，b. 1991～2000年，c. 2001～2010年，d. 2011～2018年，单位：d）

如图3b所示，1991～2000年成都平原经济区霾日平均值达到67.79 d，比前10 a平均增长8.18 d，比近38 a平均多8.18 d；霾日高值中心由北向南分别是德阳地区（德阳，131.6 d；中江，127.9 d）、成都区（新津，117.6 d；简阳，106.3 d；金堂，108.7 d）和乐山区（乐山，110.1 d）；霾日低值中心为平武（1.4 d）。

如图3c所示，2001～2010年成都平原经济区霾日平均值达到54.3 d，比前10 a平均减少13.45 d，比近38 a平均少3.13 d；霾日高值中心更为集中，由北向南分别为德阳区（中江，124.4 d）、成都−眉山区（新津，156.1 d；青神，128 d）和乐山区（乐山，127.4 d）；霾日低值中心为龙泉驿（8.1 d）。

如图3d所示，2011～2018年成都平原经济区霾日平均值为45.83d，比前10 a平均减少8.51 d，比近38 a平均少11.64 d；霾日高值中心由北向南分别为成都区（新津，100.38 d）和乐山区（乐山，106 d）。

综上可知，近38 a成都平原经济区霾日高值中心集中在德阳区、成都区和乐山区，而平武为低值中心的代表，可见高值区大多是工业经济较发达的地区[22,23]；2011～2018年成都平原经济区霾日下降趋势明显，这可能与节能减排相关。根据四川省统计年鉴，2010～2015 年四川省氮氧化物、SO2呈减少趋势，2010～2013年烟（粉）尘排放量显著减少[25]。

2.2 成都平原经济区霾日EOF分析

为了进一步揭示成都平原经济区霾日的时空分布特征，利用EOF（Empirical Orthogonal Function）进行分析，显著性检验表明EOF前5个模态具有主要贡献，其方差贡献率以及累计方差见表3。

表3 EOF各特征向量方差贡献率及累积方差贡献率

图4依次给出了霾日数EOF分解前三个特征向量及对应时间系数。如图4a所示，EOF第一模态反映出成都平原经济区霾的空间变化具有区域一致性，大部地区均为正相关，仅在北部存在少量负相关区域；其中资阳、乐至、射洪、邛崃、大邑、乐山为高正值区，系数最大为0.27；平武北部为负值中心，系数最小为−0.2。结合其对应的时间系数（图4b），该分布特征在1980s～1990s较为明显，而在2000s～2010s，该分布特征呈现反向的分布形势，这可能与工业减排有关。

如图4c所示，EOF第二模态反映出成都平原经济区东部和中南部的区域一致性，大部地区均为负相关，其中绵阳、德阳、新津、蒲江为负值低值区，系数最小为−0.29。结合其对应的时间系数（图4d），该分布特征的反向分布在1980s～2000s较为明显，而在2010s后，霾日呈较为明显的下降趋势。

如图4e所示，EOF第三模态反映出成都平原经济区霾存在显著的区域差异，该特征向量自西南向东北呈“正-负-正”相关分布，其中平武、成都为高正值区，系数最大为0.35，绵阳为负值中心，系数最小为−0.15。结合其对应的时间系数（图4f），该分布特征在1980s～1990s中期以及2010s较为明显，而在1990s中期～2000s呈现反向的分布形势。

图4 霾日数EOF分解前三个特征向量（a、c、e）及对应时间系数（b、d、f）

2.3 成都平原经济区霾日时间分布特征

分析1981～2018年霾日数年际变化（图5a）可知，近38a成都平原经济区霾日平均值为57.47 d；1981～1990年霾日平均值为59.61 d；1991～2000年成都平原经济区霾日平均值为67.79 d，比前10 a平均值增长8.18 d，比近38 a平均值高10.32 d；2001～2010年霾日平均值达到54.3 d，比前10 a平均值减少13.45 d，比近38 a平均值低3.13 d；2011～2018年霾日平均值为45.83 d，比前10 a平均值减少8.51 d，比近38 a平均值低11.64 d。分析1981～2018年霾日数月际变化（图5b）可知，冬季霾日最多，12月多达10.45 d，夏季霾日最少，8月为2.3 d。

图5 近38a成都平原经济区霾日年际（a）和月际（b）变化（单位：d）

为了更细致地比较成都平原经济区各季霾日数的空间分布特征，图6分别给出了1981～2018年春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）和冬季（12月～次年2月）霾日空间分布。如图所示，冬季是成都平原经济区霾日最多的季节，主要出现在103.5～105.5°E、28.5～31.5°N区域。四季中3个霾日高值区（德阳区、成都区和乐山区）仍然存在，冬季高值区从南向北依次为德阳区（德阳，36.89 d；中江，39.58 d）、成都−眉山区（新津，45.79 d；金堂，36.34 d；青神，38.74 d）和乐山区（乐山，39.21 d），秋季和春季高值介于20～29 d，夏季高值介于10～19 d。由此可见，冬季霾日最多，春秋次之，夏季霾日最少，高值中心稳定，成都平原经济区霾日呈较为一致的季节性变化特征。

图6 成都平原经济区各季霾日数的空间分布特征（a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季，单位：d）

图7a给出了1981～2018年成都平原经济区霾日Morlet小波分析结果。如图所示，1987～1993年成都平原经济区霾日表现出准2 a周期振荡。图7a给出了1981～2018年成都平原经济区霾日气候趋势的空间分布。如图所示，都江堰市彭州附近为−0.5左右，资阳、遂宁东部等地多低于−0.4，尤其是简阳约为−0.7，均通过0.05水平的显著性检验，可见近年来上述区域霾日均呈较为显著的减少趋势。

图7 1981～2018年成都平原经济区霾日Morlet小波分析结果（红线以内区域通过了0.05水平的显著性检验）和气候趋势的空间分布

3 结论

本文利用1981～2018年成都平原经济区44个气象站点霾日观测资料，分析了该地区霾天气的气候变化特征，得到如下主要结论：

（1）1981～2018年成都平原经济区霾日分布区域差异显著，高霾区分别为德阳区、成都区和乐山区。近38 a霾日平均值达到57.47 d。其中，1981～1990年霾日平均值为59.61 d；1991～2000年霾日平均值达到67.79 d，较前10 a有所增加；2001～2010年霾日高值中心更为集中，平均值为54.3 d，较前10 a有所下降；2011～2018年霾日平均值为45.83 d。（2）成都平原经济区霾日数的EOF分解第一模态反映出全区一致性的变化特征，其中资阳、乐至、射洪、邛崃、大邑、乐山为高正值区，第二模态反映出东部和中南部较为一致的局部变化特征，第三模态反映出自西南至东北呈“正−负−正”分布的空间特征。（3）1981～2018年成都平原经济区霾日的年际和月际变化均较为显著，冬季霾日最多，夏季霾日最少，

1987～1993年表现出准2 a的周期振荡特征。近年来成都平原经济区霾日呈明显的下降趋势，尤其是都江堰市、彭州市、资阳市、遂宁东部、简阳市等地较为显著。