河北省衡水市霧霾災(zāi)害天氣演變特征分析*

于文金，文亞平，于步云，吳　雁,2，黃亦露，邱新法

(1.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044； 2.衡水市氣象局，河北 衡水 053000)

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河北省衡水市霧霾災(zāi)害天氣演變特征分析*

于文金1，文亞平1，于步云1，吳雁1,2，黃亦露1，邱新法1

(1.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044； 2.衡水市氣象局，河北 衡水 053000)

摘要:以1960-2013 年河北省衡水市地面觀測站資料為依據(jù)，運(yùn)用線性傾向估計(jì)、Morlet 小波分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)等方法對衡水市霧、霾日數(shù)的演變特征及周期進(jìn)行了分析，結(jié)果表明: 1960-2013年衡水市霧日數(shù)是增多的趨勢，而霾日數(shù)(1971-2013年)是減少的趨 勢。四季中霧日數(shù)冬季>秋季>夏季>春季，霾日數(shù)冬季>秋季>春季>夏季；霧、霾日數(shù)均是12月最多，1月份次之。1971-2013年衡水共出現(xiàn)霧日766 d，其中濃霧日最多，強(qiáng)濃霧最少，共出現(xiàn)霾日491 d，其中輕微霾最多，中度霾最少。連續(xù)3 d及以上大霧天氣110次，1990年代年平均連續(xù)大霧次數(shù)最多，1960年代最少，連續(xù)大霧多出現(xiàn)在冬季；連續(xù)3 d及以上霾日24次，1980年代最多，大部分連續(xù)霾日都出現(xiàn)在11月至次年2月。衡水市年霧日數(shù)和各月霧日數(shù)的周期性特征顯著，目前大多處于霧日偏多期，年霧日數(shù)和12個月中6個月的霧日數(shù)發(fā)生了突變。

關(guān)鍵詞:霧霾；災(zāi)害天氣演變特征；控制因素；河北衡水市

霧霾，是霧和霾的統(tǒng)稱。霧是懸浮于近地面氣層中水汽凝結(jié)成水滴或冰晶使水平能見度小于1km的天氣現(xiàn)象。霾是一種大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10km且空氣普遍混濁的天氣現(xiàn)象[1]。隨著城市化和工業(yè)化的迅速發(fā)展，都市霧霾天氣日趨嚴(yán)重，霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，給人們的生活和健康帶來了不利影響。霧霾已經(jīng)成為影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市環(huán)境的重要因素。霧霾災(zāi)害已經(jīng)成為世界熱點(diǎn)問題[2]。河北作為京津唐的核心地區(qū)是我國霧霾嚴(yán)重的區(qū)域之一，近年來，許多專家學(xué)者都對霧霾天氣進(jìn)行了研究[3-7]，陳瑞敏等[8-10]在分析衡水市2013年1月份連續(xù)霧霾天氣時發(fā)現(xiàn)，霧日時大部分時段為霧和霾的混合物。王叢梅等[11-15]研究發(fā)現(xiàn)2013年1月河北中南部地面要素與歷史同期相比異常，強(qiáng)逆溫層結(jié)、干暖蓋、地面風(fēng)向輻合線等有利于出現(xiàn)霧霾和嚴(yán)重污染。目前，關(guān)于霧霾天氣的規(guī)律及經(jīng)濟(jì)影響的定量分析尚少，本文以河北省衡水市為研究區(qū)域，重點(diǎn)對衡水市霧、霾天氣演變特征進(jìn)行分析，以期為衡水市霧霾天氣的預(yù)報以及環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

1資料來源及研究方法

1.1資料來源及處理

研究所用的資料為河北省衡水市常規(guī)氣象觀測站1960-2013年氣象觀測資料，包括逐日08、14和20時的能見度、相對濕度、天氣現(xiàn)象、風(fēng)向風(fēng)速、降水等資料。本文以逐日觀測資料08、14和20時3個觀測時次任意2個時次的能見度<10km，且相對濕度<90%，定為一個霾日，但當(dāng)同時有降水、霧、大風(fēng)、沙塵暴、揚(yáng)塵等天氣現(xiàn)象時，剔除該日。

本文中的霧日以觀測站記錄的霧為準(zhǔn)。比較難區(qū)分的是輕霧、霾及煙幕。就衡水而言，由于霾的記錄較少，很多霾被記錄成了輕霧或煙幕。中國氣象局2014年1月1日起，取消了煙幕等天氣現(xiàn)象的觀測[16]，因此把以前的煙幕現(xiàn)象歸入到霾。由于資料缺測問題，霾日的分析從1971年1月1日開始。

1.2方法

Morlet小波分析

小波方差分析是小波分析的重要內(nèi)容，小波方差圖反映了能量隨時間尺度的分布,可以確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強(qiáng)度[17-18]，對應(yīng)峰值處的尺度稱為主要時間尺度，用以反映時間序列的主要周期。其計(jì)算式為:

(1)

Morlet小波系數(shù)的實(shí)部表示不同特征時間尺度信號在不同時間上的分布和相位兩方面的信息，正的小波系數(shù)反映出分析對象在該時間段為偏多期，負(fù)值時反映為偏少期，零值對應(yīng)著突變點(diǎn)。

2衡水市霧霾天氣統(tǒng)計(jì)分析

2.1年代際和年際變化特征

霧霾日數(shù)的年代際變化可以反映每個階段霧、霾日數(shù)的平均特征。從1960-2013年衡水各年代平均霧日變化(圖1a)來看，1990年代年平均霧日數(shù)最多，為34.8d；其次是2000年代，有28.8d；1970年代平均霧日26.7d；近4年來年平均霧日數(shù)也達(dá)到24.5d；1960年代年平均霧日數(shù)最少，為19.2d。年平均霾日數(shù)(圖1b)最多的是1980年代，年平均達(dá)15.8d；其次是1970年代，年平均13.3d；最少的是2000年代，年平均霾日只有5.5d。

(a)平均霧日數(shù)

(b)平均霧日數(shù)圖1　衡水市各年代平均霧日數(shù)和霾日數(shù)

從逐年的霧、霾日數(shù)變化更能詳細(xì)地反映出衡水霧、霾日數(shù)的變化趨勢，從圖2可以看出，總體來說在1960-2013年的54年里，衡水的霧日數(shù)是增多的趨勢(圖2a)，除1964年最多(55d)，出現(xiàn)了2個較明顯的峰值區(qū)，一個是1971-1977年，另一個是1990-1998年。在1960-1990年的30年里，平均每年21.7d，而自1990-2013年的24年間，年平均霧日數(shù)達(dá)30.6d。相對的低值區(qū)出現(xiàn)在1965-1970年、1979-1984年，這與年代際變化趨勢是一致的。

而1971-2013年衡水霾日是呈下降趨勢的(圖2b)，且霾日數(shù)下降趨勢比霧日的增多趨勢要顯著。期間霾日數(shù)最多的是1982年(26d)，最少的是1984年、2008年和2009年，平均只有2d。1972-1982年、1985-1995年為兩個峰值區(qū)，1990年代中期以后霾日數(shù)明顯下降，2012-2013年又有所增加，與其年代際變化趨勢也是一致的。

(a)逐年霧日數(shù)

(b)逐年霾日數(shù)圖2　衡水市1960-2013年逐年霧日數(shù)和1971-2013年逐年霾日數(shù)

2.2季節(jié)和月變化特征

衡水市位于河北平原的東南部，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，特點(diǎn)是四季分明，冷暖干濕差異較大，其特殊的地理位置和氣候特點(diǎn)決定了秋冬季多大霧天氣。從圖3a中我們也可以看出，冬季霧日數(shù)最多(11.9d)，秋季其次，秋冬季節(jié)占一年霧日數(shù)的78.2%，而春季因?yàn)楦珊刀囡L(fēng)增溫快，霧日數(shù)最少(2.3d)，夏季潮溫悶熱，濕度相對較大，但溫度較高對流旺盛，不容易出現(xiàn)大霧天氣。霾日最多的也是冬季(圖3b)，秋季其次，與霧日不同的是夏季霾日最少。

(a)四季平均霧日數(shù)

(b)四季平均霾日數(shù)圖3　衡水市1960-2013年四季平均霧日(a)及1971-2013年四季平均霾日數(shù)(b)

從衡水霧日的月變化來看(圖4a)，月際變化呈“W”型，霧日數(shù)最多的為12月(5.2d)，其次是1月、11月，平均都在4d以上，3-6月出現(xiàn)大霧的頻率不足1d，其中6月份霧日數(shù)最少(0.6d)。霾日的月變化趨勢與霧日相似，月平均霾日最多的也是12月份(3.5d)，其次是1月、11月，5月份最少(不足0.1d)。

(a)逐月平均霧日數(shù)

(b)逐月平均霾日圖4　衡水市1960-2013年逐月平均霧日及1971-2013年逐月平均霾日數(shù)

2.3霧、霾的等級分布

根據(jù)霧、霾天不同能見度將霧分為3個等級(中國氣象局，2010)，當(dāng)0.5km≤VIS<1.0km為霧， 0.05km≤VIS<0.5km為濃霧，VIS<0.05km為強(qiáng)濃霧。霾分為4個等級，當(dāng)5km≤VIS<10km定為輕微霾，當(dāng) 3km≤VIS<5km為輕度霾， 2km≤VIS <3km為中度霾，VIS<2km以下為重度霾。霾等級越高，對戶外活動及人體健康危害越大。由于能見度資料缺失，霧的分級也是分析1971-2013年的情況。衡水市1971-2013年共出現(xiàn)霧日766d，其中濃霧日最多占50%(380d)，霧日占34%，強(qiáng)濃霧最少(圖5a)。霧出現(xiàn)在1990年代最多(占35.8%)，其次是2000年代，1980年代；濃霧是1990年代最多，其次是1970年代、2000年代；強(qiáng)濃霧是2000年代最多，其次是1990年代，1980年代；85%以上濃霧、95%以上強(qiáng)濃霧均出現(xiàn)在秋冬季節(jié)；1971-2013年共出現(xiàn)霾491d，由圖5b可以看出輕微霾占57%，輕度霾次之，中度霾最少僅占8%，重度霾占12%。1970-1980年代輕微霾出現(xiàn)最多，1990年代次之；輕度霾1980年代最多，1990年代次之，中度霾1990年代最多，1980年代次之，重度霾1980年代最多，1990年代次之，基本上各級別霾都是2000年代最少。87%以上輕微霾、92%以上輕度霾以及絕大多數(shù)中度霾和重度霾出現(xiàn)在秋冬季節(jié)。

(a)各級別霧日出現(xiàn)比例圖

(b)各級別霾日出現(xiàn)比例圖圖5　衡水市1971-2013年各級別霧和各級別霾出現(xiàn)比例圖

2.4連續(xù)3d及以上霧、霾次數(shù)變化特征

1960-2013年以來衡水出現(xiàn)連續(xù)3d及以上大霧天氣110次，具體天數(shù)見圖6。由圖6中可見，連續(xù)3d大霧占一半以上(57.3%)，其次是連續(xù)4d有24次(21.8%)，連續(xù)5d有14次，時間最長的一次是連續(xù)13d大霧，為1972年的2月6-18日；1次連續(xù)10d的大霧出現(xiàn)在2002年的12月9-18日；連續(xù)8d的有5次，其中有4次在1990-1997年之間，剩下的一次也在1972年1月25日-2月1日，可見大霧的連續(xù)出現(xiàn)也是與大氣氣候環(huán)流背景關(guān)系密切。從年代際變化看(圖略)，1990年代年平均連續(xù)大霧次數(shù)是最多的，每年出現(xiàn)接近3次，其次是2000年代，年平均2.3次，1960年代出現(xiàn)的頻率是最低的，年平均不到1.5次。

(a)連續(xù)3 d及以上霧出現(xiàn)次數(shù)

(b)連續(xù)多日霧圖6　衡水市1960-2013年連續(xù)3 d及以上霧出現(xiàn)次數(shù)以及連續(xù)多日霧的統(tǒng)計(jì)

從逐年分布變化情況來看(圖6b)，1960-2013年衡水的連續(xù)霧日數(shù)是增多的趨勢，期間有兩個相對峰值區(qū)，一個是1972-1979年，另一個是1990-1994年，1960年代連續(xù)霧日相對較少，這與霧日數(shù)的逐年變化是一致的。另外我們還可以看到，1980年代以前，年出現(xiàn)連續(xù)大霧頻率的變化幅度較大，1980年代以后變化幅度相對較少。按季節(jié)分析(圖略)，冬季76次，占總次數(shù)的69.1%，秋季29次，占總次數(shù)的26.4%，夏季4次，春季最少僅1次，秋冬季節(jié)占了95%以上。分布到各月的情況，54年來12月份最多，共出現(xiàn)39次連續(xù)大霧，其次是1月份25次，11月份24次。4月、5月、6月和9月沒有出現(xiàn)過連續(xù)3d及以上的大霧天氣。

1971-2013年共出現(xiàn)連續(xù)3d及以上霾日24次(圖略)，其中連續(xù)3d有23次，連續(xù)4d有1次。1970年代出現(xiàn)連續(xù)3d及以上霾日有5次，1980年代有10次，連續(xù)4d霾日出現(xiàn)在1986年，1990年代出現(xiàn)連續(xù)3d及以上霾日有6次，2010-2013年出現(xiàn)連續(xù)3d及以上霾日有3次。分布到各月，大部分連續(xù)霾日都出現(xiàn)在11月-次年2月，其中12月份最多(10次)，占41.7%，其次是1月份(6次)，唯一一次連續(xù)4d霾日也是出現(xiàn)在1月份，2月、11月各3次，10月份2次，冬季占了79.2%。

3衡水霧日時間序列的變化周期

霾的出現(xiàn)與人類活動關(guān)系密切，因此分析其時間序列周期變化意義不大，本文只分析衡水1960-2013年霧日時間序列的周期變化。

小波分析具有較好的多尺度分辨功能，已成為分析氣象要素時間序列局部變化特征的通用工具，目前小波分析已廣泛用于氣溫、降水等變化分析，并取得了一些成果，本文選用常用的Morlet小波對衡水市近54年來大霧天數(shù)進(jìn)行周期性分析。

圖7中信號的強(qiáng)弱通過小波系數(shù)模值的大小來表示，實(shí)線表示等值線為正，代表霧日偏多；虛線表示等值線為負(fù)，代表霧日偏少；小波系數(shù)為零則對應(yīng)著突變點(diǎn)。圖7表明，衡水年霧日數(shù)時間序列存在7年的周期振蕩，2010-2011年為偏少年，2012-2013年為偏多年，可以推測2014-2015年仍為偏多年。同理，我們對衡水逐年各月霧日進(jìn)行Morlet小波分析，結(jié)果見表1。

表1可見，除了3月和6月沒有異常顯著振蕩周期外，其他月份都有異常顯著的振蕩周期存在，可以由此推測2014-2015年各月份霧日情況。

圖7　1960-2013年霧日時間序列的Morlet小波分析及方差

4霧日數(shù)時間序列的突變檢驗(yàn)

前面分析了1960-2013年霧日數(shù)表現(xiàn)出的偏多、偏少階段性變化，這種變化是否為突變，可利用Mann-Kendall(M-K)法進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)。M-K方法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，可分析時間序列資料的變化趨勢和突變點(diǎn)。圖8a中UF(實(shí)線)為按時間序列順序計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，UB(虛線)為按逆時間序列計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列。若UF值 > 0，則表明序列呈上升趨勢；UF值 <0 則表明呈下降趨勢。當(dāng)它們超過臨界(1.96)直線時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如果UF與UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時刻便是突變開始的時間。由圖7可見，54年來衡水市霧日數(shù)除1967-1971、1983-1985年是下降的外，大部分時段呈上升趨勢的，在1974年前后發(fā)生了突變，突變后上升趨勢加強(qiáng)，尤其是1994年以后，上升趨勢非常顯著。同理分析衡水各月霧日數(shù)時間序列的突變檢驗(yàn)情況，1月份(圖8b)霧日數(shù)總體呈上升趨勢，突變發(fā)生在1964年，1989年以后上升趨勢顯著。2月份霧日數(shù)也是呈上升趨勢，上升趨勢不如1月份明顯，突變發(fā)生在2004年。3月份霧日數(shù)呈上升趨勢，期間沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，1991年以后上升趨勢顯著。4月份霧日數(shù)呈上升趨勢，期間沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，1977年以后上升趨勢顯著。5月份霧日數(shù)呈上升趨勢，期間沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，1975年以后上升趨勢顯著。6月份霧日數(shù)呈上升趨勢，期間沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，1964年以后上升趨勢均很顯著。7月份霧日數(shù)呈上升趨勢，期間沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，1990年以后上升趨勢顯著。8月份霧日數(shù)大部分時段也是呈上升趨勢，1964年發(fā)生了突變，1987年以后上升趨勢顯著。9月份霧日數(shù)呈上升趨勢，期間沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，1993年以后上升趨勢顯著。10月份霧日數(shù)除1964-1969、1971-1973年是下降的外大部分時段也是呈上升趨勢，1973年前后發(fā)生了突變，2003年以后上升趨勢顯著。11月份(圖8c)1962-1993年基本是呈下降趨勢的，突變發(fā)生在1986年前后，1993年以后呈上升趨勢，但不顯著。12月份(圖8d)霧日數(shù)呈上升趨勢，突變發(fā)生在1974年，1993年以后上升趨勢顯著。 以上突變檢驗(yàn)情況與其他類似分析表現(xiàn)出一致性[19-20]。

表1　衡水1960-2013年各月時間序列主要振蕩周期

注：帶“*”表示周期異常顯著。

(a)年霧日數(shù) (b)1月份

(c)11月份 (b)12月份圖8　1960-2013年衡水年霧日數(shù)、1月份、11月份、12月份時間序列Mann-Kendall突變檢驗(yàn) (實(shí)線：UF，虛線：UB)

5結(jié)論

(1)1960-2013年衡水市霧日數(shù)呈增多的趨勢，而霾日數(shù)(1971-2013年)呈減少的趨勢。霧日數(shù)是1990年代年平均最多，1960年代最少；霾日數(shù)是1980年代最多，2000年代年平均最少。

(2)一年四季中霧、霾日數(shù)均是冬季最多，秋季次之，霧日最少的是春季，霾日最少的是夏季。12個月中，霧、霾日數(shù)均是12月最多，1月份次之，11月份第三。

(3)1971-2013年的42年間，衡水共出現(xiàn)霧日766d，其中濃霧天數(shù)最多，強(qiáng)濃霧天數(shù)最少。霧、濃霧均是1990年代最多，強(qiáng)濃霧是2000年代最多，85%以上濃霧、95%以上強(qiáng)濃霧均出現(xiàn)在秋冬季節(jié)；共出現(xiàn)霾日491d，其中輕微霾最多，中度霾最少，1970-1980年代輕微霾出現(xiàn)最多，輕度霾1980年代最多，中度霾1990年代最多，重度霾1980年代最多，基本上各級別霾都是2000年代最少。87%以上輕微霾、92%以上輕度霾以及絕大多數(shù)中度霾和重度霾出現(xiàn)在秋冬季節(jié)。

(4)近54年衡水市共出現(xiàn)連續(xù)3d及以上大霧天氣110次，其中連續(xù)3d大霧占50%以上(57.3%)，最長的一次是連續(xù)13d大霧。從年代際變化看，1990年代年平均連續(xù)大霧次數(shù)最多，1960年代最少。連續(xù)大霧多出現(xiàn)在冬季，其次是秋季，分布到各月是12月份最多，1月份其次。1971-2013年共出現(xiàn)連續(xù)3d及以上霾日24次，其中連續(xù)3d23次，連續(xù)4d1次。1980年代最多，1990年代次之，大部分連續(xù)霾日都出現(xiàn)在11月至次年2月，其中12月份最多，1月份次之。

(5)1960-2013年衡水年霧日數(shù)及各月份霧日數(shù)具有明顯的偏多、偏少周期性特征，其中年霧日數(shù)存在7年左右的變化周期，各月份也存在3～8年、10～18 年 的不同變化周期，大部分月份的變化周期顯著。

(6)衡水年霧日數(shù)在1974年前后發(fā)生了突變，突變后上升趨勢加強(qiáng)；12個月中大多是上升趨勢，尤其是1980年代末以后，上升趨勢顯著，有6個月份發(fā)生了突變，突變年份各不相同。

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Evolution Characteristics of Fog and Haze Disaster Weather in Hengshui City of Hebei Province

Yu Wenjin1, Wen Yaping1, Yu Buyun1, Wu Yan1, 2, Huang Yilu1and Qiu Xinfa1

(1.NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China;

2.HengshuiMeteorologicalBureau,Hengshui053000,China)

Abstract:According to ground station data in Hengshui city from 1960 to 2013, evolution characteristics and cycle of fog or haze days in Hengshui city are analyzed by linear trend estimate, Morlet wavelet analysis, Mann-Kendall mutation testing methods, etc. Results show that: fog days in Hengshui city from 1960 to 2013 is increasing, while the haze days (1971-2013) are decreasing. Fog days are as winter > autumn > spring > summer, and haze days are as winter > autumn > spring > summer. Fog, haze days are the most in December, followed in January. From 1971 to 2013 in Hengshui there were 766 fog days, most of which were of dense fog, and strong dense fog ones were the least; there were 491 haze days, most of which were of light haze, and moderate ones were the least; Continuous heavy fog weather of 3d and above were 110 times, the average annual continuous heavy fog occurred most in 1990s and least in 1960s, continuous fog appeared most in winter; haze days of continuous 3d and above were 24 times, most in 1980s, and most of the continuous haze appeared in November to next February. The periodic characteristics of the annual fog days and the number of months of fog days in Hengshui City are significant, mostly in the fog day partial multi period. The number of yearly fog days and the days of 6 among 12 months mutated.

Key words:haze; evolution characteristics of disaster weather; controlling factor; Hengshui city in Hebei

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2015.02.015

中圖分類號：P42;X541;X43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-811X(2015)02-0079-06

作者簡介：于文金(1967-)，男，山東淄博人，教授，博士，研究方向?yàn)闅庀鬄?zāi)害評估、區(qū)域經(jīng)濟(jì)開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展.E-mail：yuwj@nuist.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB430202)；國家自然基金(41276187)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程(PAPD)

收稿日期：2014-09-19修回日期：2014-11-17