长株潭地区霾的气候变化特征*

邓新林,李细生,谢倩雯

(株洲市气象局,湖南 株洲 412000)

0 引言

霾是一种由大量粒径为几毫米以下的大气气溶胶粒子造成的低能见度天气现象,多由工业废气、汽车尾气排放增多及较差的大气扩散条件共同引起,人为排放的气溶胶是霾的主要成因[1-2]。霾中含有数百种大气化学颗粒物质,它们在人们毫无防范的时候侵入人体呼吸道和肺叶中,引发呼吸系统疾病[3-5];长期暴露于PM2.5超标的空气中,心血管病的发病率与死亡率也会提高[6-7]。霾与社会经济发展、人类活动密切相关,其出现的频率及强度表征着生态环境、空气质量的好坏。霾的长期变化特征也可以反映出工业经济及社会的发展趋势或大气环境治理的成效[8]。随着经济的持续高速增长,霾的多发与加重成了环境治理工作中的一个难题。长沙、株洲、湘潭(下文中简称长株潭)城市群是长江中下游城市群的重要组成部分。长沙作为湖南省的省会,工业和经济保持着高速发展,株洲、湘潭两市是国家“一五”时期确定的老工业基地,三地霾多发,大气污染问题较为严峻。

我国的霾主要发生在冬季,多发于早晨。华北、河南、珠三角及长三角地区是雾霾多发地,长株潭地区位于湖南中东部,是长江中游城市群的重要组成部分,也是湖南省经济发展的核心增长极,人口集中,经济相对发达,是气溶胶排放的高值区[9]。关于霾的长期变化特征研究结果表明:我国的霾自20世纪60年代以来呈上升趋势,但60年代是霾发生频率相对低值时段,70年代至80年代霾发生频率较高,90年代有所减少,2001年以来霾急剧增长,我国东部大部分地区年平均霾日数几乎都超过100 d[10-13]。袁智生等[13]对湖南省霾的气候变化特征进行分析发现,20世纪70年代以来,年霾日有增多的趋势,冬季霾发生频率最高,霾日数占全年近一半。

近年来,长株潭三地的大气污染问题较为突出,尽管大气污染防治已初步取得成效,但目前也进入深水区,向前推进的难度在逐渐加大。为了了解长株潭地区霾的长期变化规律,为大气污染防治提供科学决策依据,本文基于近41年的地面气象观测数据,使用霾观测记录、日均法与14时实测法对长沙、株洲、湘潭三地的霾日气候变化特征进行了分析。

1 资料与方法

本文所用到的数据有:长沙、株洲、湘潭三个国家气象观测站逐时次(北京时02时、08时、14时、20时)的天气现象观测记录、水平能见度及相对湿度数据。文中相对湿度日平均数据使用的是北京时02、08、14、20四个时次的算数平均。由于02时的历史能见度观测记录缺测,故能见度的日平均数据使用的是北京时08、14、20三个时次的算数平均。

在改革开放之前,经济相对欠发达,霾极为少见,气象观测上未明确霾的识别要点,气象观测员不易区分霾与轻雾、霭等其他短视程天气现象,且我国对霾的观测规范进行了多次调整[14],霾的观测记录在时间上没有可比性,因此不能直接使用天气现象记录对霾的长期气候特征进行研究。科研上对于处理长时间的历史资料,霾日的判别有两类常用的方法,一类是日均值法:将日均能见度<10 km,日均相对湿度<90%,并排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘、烟幕等天气记为一个霾日[14-15],而毛敏娟[16]等在分析浙江霾的天气成因时,把日均相对湿度<80%作为判断霾的阈值;另一种是14时实测法,这也是国际上[17-19]广泛采用的讨论霾长期趋势的方法:判别14∶00观测数据满足能见度<10 km,相对湿度<90%,并排除其他能导致低能见度事件的情况视为一个霾日。刘晓慧[20]等在判别长江三角洲地区霾时,也将相对湿度<80%作为判断霾的阈值。在最新的《霾的观测识别》(GB/T 36542—2018)[21]中,规定水平能见度<10.0 km,且相对湿度<80%,直接识别为霾;水平能见度<10.0 km,且80%≤相对湿度<95%时,当吸湿增长后气溶胶消光系数与实际大气消光系数的比值达到或超过0.8时识别为霾,一日内霾现象持续6 h以上时,记为一个霾日。最新的霾日判别标准适用于目前的气象全自动化观测与天气现象自动判别系统,由于大气气溶胶历史数据的缺乏,此判别标准并不适用于霾的长期气候特征分析。

长株潭地区位于长江中下游、江南西部,空气湿度大,年平均相对湿度在70%～80%之间。本文基于前人的工作与本地的气候特点,使用了三种方法对霾日进行判别,方法见表1。

表1 1980年—2020年霾日的判别方法

本文在讨论霾的长期气候变化特点时用到了非参数统计检验法(Mann-Kendall检验,简称M-K检验)[22]。对于具有n个样本量的时间序列x,构造一秩序列:

其中

在时间序列随机独立的假定下,定义统计量:

其中UF1=0,E(sk),Var(sk)是累计数sk的均值和方差,UFi为标准正态分布,它是按时间序列x序列x1,x2,…,xn计算出的统计量序列,给定显著性水平的α,查正态分布表,若|UFi|>Uα,则表明序列存在明显的趋势变化。按时间序列x逆序xn,xn-1,…,x1,再重复上述过程,同时使UFk=-UBk(k=n,n-1,…,1),UB1=0。分别绘出的UFk、UFb曲线,当他们超过临界线时,表明上升或下降趋势显著。如果UFk、UFb两条曲线出现交点,且交点在临界线之间,那么交点相对应的值便是突变开始的时间。

2 结果与分析

2.1 长株潭三地41年总霾日

本文首先使用了三种方法,对长株潭三地1980年至2020年近41年内的霾日进行了统计,结果见表2。霾观测记录显示,近41年来长沙的霾日最多,达1399天(年均霾日为34.1天),其次为湘潭,总霾日为965天(年均霾日为24.5天),霾日最少的为株洲,41年总霾日为737天,年均霾日仅为18天;由日均法统计的总霾日比霾观测记录多,总霾日数长沙>湘潭>株洲;14时实测法统计出来的霾日最多的为湘潭,其次为长沙,最少为株洲。湘潭、株洲由三种方法统计出来的霾日数比例为霾观测记录∶日均法∶14时实测法≈1∶2.8∶3,而长沙由三种方法统计出来的霾日数比例为霾观测记录∶日均法∶14时实测法≈1∶2.4∶1.8。

表2 三种方法统计的41年霾日数

2.2 长株潭三地霾日逐月变化

图1是由三种方法统计的长株潭三地逐月的霾日数,由图可见,霾日的逐月分布均呈一致的上抛物线,冬半年(10月至次年3月)霾日多,夏半年(3月至9月)霾日少,这也说明了虽然日均法与14时观测法判别出来的霾日的数量与人工观测记录的相比差别较大,但是仍能反映出霾日的气候分布特征。霾日在1月至2月最多,可达8天以上;2月之后霾日逐渐减少;6月至8月的霾日最少,在4天以下,其中长沙、湘潭6月至8月的月均霾日在1天左右,株洲6月至8月的月均霾日不足一天,7月仅为0.2天;9月之后,霾日逐月增多,到12月达到最大值。

图1 长株潭三地1980—2020年的月均霾日

霾日的逐月变化与气候的年内变化相对应:9月至次年3月,地面易受均压场控制,近地面风力小,大气条件静稳,逆温层出现的概率高,混合层高度低,大气扩散条件较差,导致冬半年霾多发;3月开始,西南季风开始发展,降水与雨日逐渐增多,降水的冲刷作用有利于污染物的沉降,霾日逐月变少。

2.3 霾日的年代际变化

由于人工判别的霾存在一定的主观上的误差,基于能见度和相对湿度的霾判别方法可以客观地判别霾日,虽然结果上与人工观测的霾日数存在较大偏差,但其表现出来的年代际的气候变化特征具有很高的可靠性。

图2-图4是长株潭三地霾日数的逐年变化及非参数化统计检验(M-K检验)统计量的变化曲线,给定显著性水平α=0.05,即u0.05=±1.96。

图2 长沙霾日的逐年变化

从霾日的逐年变化上看(图2(a)),过去41年,长沙霾日在2015年前总体呈上升趋势:1980—1996年霾日呈波动性上升,1996年—2000年霾日略有下降,2000年至2011年霾日明显上升。2011年以后,三种方法统计出来的霾日呈现不同的趋势:人工观测的霾日数逐年下降,而日均法及14时观测法统计出来的霾日数表现出较为一致的趋势,年霾日数在2015年达到最大值,随后出现明显下降。

对长沙霾日的M-K曲线进行分析(图2(b)-图2(d)),结果显示三种方法统计的霾日自20世纪80年代以来呈上升趋势,20世纪90年代初期霾日增多的趋势超过了显著性水平为0.05的临界线,表明霾日增多的趋势是十分显著的。UF和UB曲线在1985年相交,表明霾日增多的趋势在20世纪80年代中后期发生了突变。三种方法统计出来的年霾日M-K曲线显示2015年以后霾日有下降的趋势。

图3(a)是株洲霾日的逐年变化曲线,由日均法及14时观测法得出的逐年霾日变化曲线显示20世纪80年代初至80年代末,霾日有下降的趋势,但霾观测记录显示该段时间内霾日无明显变化;90年代初至90年代末,霾日呈波动性上升;2000年以后,年霾日的上升趋势更为明显,到2010年后,霾日陡增,到2012年,霾日多达150天以上;2012年以后,三种方法统计的霾日出现较大差异:霾观测记录呈明显下降的趋势,而日均法及14时观测法统计的霾日呈一定的波动性,在2016年以后呈下降趋势。综上可得出结论:株洲地区年霾日在2012—2016年达到最大值,2016年以后霾日明显下降。

图3 株洲霾日的逐年变化

三种统计方法统计的霾日M-K曲线均显示,自2005年以来,霾日有增多的趋势,2010年以后霾日显著增多;日均法与14时实测法统计的UF与UB曲线相交于2010年,且在临界线之间,表示2010年霾日增多是一突变现象(图3(b)-图3(d))。

从图4(a)可以看出,20世纪90年代初以前,湘潭霾日呈上升趋势;20世纪90年代初至21世纪初,霾日呈下降趋势;2000年至2010年,霾日变化较为稳定;2011年至2015年,霾日显著上升;2015年以后,霾日显著下降。对湘潭年霾日数进行M-K分析(图4(b)-4(d)),发现20世纪80年代中后期至90年代后期为霾日显著增多期,21世纪初期霾日有所下降,但下降的趋势没有通过置信度为0.05的检验。

图4 湘潭霾日的逐年变化

综上所述,长沙、株洲、湘潭三地霾日年代际变化表现出不一样的特征:长沙自20世纪80年代初以来,霾日呈增多的趋势,20世纪90年代初霾日显著增多,自2015年以来,霾日显著减少。株洲霾日自21世纪初开始呈增多的趋势,2010年以后显著增多,2016年以来,霾日有减少的趋势;湘潭霾日在20世纪80年代后期至90年代有一段霾日的明显上升期,2015年以后,霾日明显下降。

3 结论与讨论

通过对长沙、株洲、湘潭三个国家气象站相对湿度、能见度、天气现象进行分析,使用三种方法统计了近41年来的霾日数,得出如下结论:

1)三种方法统计的41年总霾日数差别较大,长沙站三种方法的比例为霾观测记录∶日均法∶14时实测法≈1∶2.4∶1.8,株洲和湘潭的为霾观测记录∶日均法∶14时实测法≈1∶2.8∶3。

2)三种方法统计的霾日逐月分布较为一致,说明虽然日均法与14时实测法统计的霾日数差别较大,但仍可以表征霾日的长期气候特征。

3)长沙、株洲、湘潭三地霾日年代际变化表现出不一样的特征:长沙自20世纪80年代初以来,霾日呈增多的趋势,20世纪90年代初霾日显著增多,自2015年以来,霾日显著减少。株洲霾日自21世纪初开始呈增多的趋势,2010年以后显著增多,与长沙类似,自2016年以来,霾日有减少的趋势。湘潭霾日在20世纪80年代后期至90年代明显增多,2015年以后,霾日明显下降。

历史上人工观测的霾记录具有较大的主观性,且观测标准经过几次修改,时间上存在前后不一致的情况,在分析霾的气候变化特征上,只可作为参照;14时实测法和日均法得出霾判别的数据中,两者均能较好地用于分析霾的气候变化特征。

由于当前气象观测改革,以前的人工观测逐渐转为全自动观测,对于霾的判别已经完全依赖于基于自动观测数据的计算机自动判识,最新的全自动观测霾的记录与日均法、14时判别法得出的结论的差别还需进一步对比与验证。