湖南省近43年霧霾氣候變化特征分析

袁智生，陳 濤，肖 蘭，李 超

(1.湖南衡陽市氣象局，湖南衡陽 421001；2.湖南省氣候中心，湖南長沙 410007)

湖南省近43年霧霾氣候變化特征分析

袁智生1，陳 濤1，肖 蘭1，李 超2

(1.湖南衡陽市氣象局，湖南衡陽 421001；2.湖南省氣候中心，湖南長沙 410007)

對湖南76個地面氣象觀測站1970―2012年逐日能見度、相對濕度數(shù)據(jù)分析，獲取湖南各區(qū)域逐日霧、霾情況，利用線性趨勢分析霧、霾歷年變化特點(diǎn)，采用MK分析得到霧霾突變情況，結(jié)果表明：近43a湖南霧日減少而霾日增多，其變化趨勢通過信度為0.01顯著性檢驗(yàn)。年霧日從2008年開始呈斷崖式減少，突變點(diǎn)通過了MK檢驗(yàn)，年霾日呈穩(wěn)定增多，沒有突變發(fā)生；年霧日數(shù)在1～20d/a的臺站最多(75.0%)，而有59.2%臺站霾日數(shù)在21～50d/a之間，這也使得全省霾日分布范圍較霧廣，年均天數(shù)較霧日多，霧日數(shù)區(qū)域變化明顯；四季中冬季霧、霾最嚴(yán)重，特別是冬霾日占全年近一半，夏季霧霾出現(xiàn)次數(shù)最少，在湘中有一個三角型分布的霾高發(fā)區(qū)域。

霧、霾變化；時空分布；線性分析；MK突變

0 引言

霧、霾是近地面氣層造成視程障礙的天氣現(xiàn)象，其對人體的感官影響相似，但形成機(jī)制有本質(zhì)不同。霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，是近地面層空氣中水汽凝結(jié)(或凝華)的產(chǎn)物，其對可見光的散射作用使測站能見度小于1km；霾是指空氣中大量極細(xì)微的灰塵、硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、有機(jī)碳?xì)浠衔锏攘Ｗ踊旌象w，導(dǎo)致大氣混濁，視野模糊，水平能見度小于10km。

由于霧、霾對人們身體健康、交通出行等多方面影響嚴(yán)重，相關(guān)學(xué)者開展了廣泛而深入的研究[1-6]。吳兌等[1]研究結(jié)果顯示，1956—1980年中國霾日都較少，1980年代以后，中國城市區(qū)域霾有顯著增加趨勢，這與經(jīng)濟(jì)活動密切相關(guān)。就中國大陸而言，12月和1月霾日明顯偏多，其總數(shù)占全年30%，9月霾日數(shù)最少；虞俊[4]對長江三峽庫區(qū)大霧分析發(fā)現(xiàn)，三峽庫區(qū)20世紀(jì)80至90年代霧偏多，而20世紀(jì)60至70年代及21世紀(jì)初霧偏少，表現(xiàn)出明顯的10—20年和30—40年周期。庫區(qū)的年霧日數(shù)與年相對濕度呈顯著的正相關(guān)，氣溫的變化造成相對濕度變化，從而影響霧的發(fā)生頻率；張運(yùn)英[7]利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)分析了近24 a廣東霧霾天氣能見度時空特征，年際年代際變化主要表現(xiàn)在EOF的前2個主模態(tài)，第一模態(tài)的空間場與廣東省自然地理區(qū)劃基本對應(yīng)，與人類活動的明顯增強(qiáng)有關(guān)，第二模態(tài)的空間場反映出廣東地區(qū)能見度時空變化一致性的特點(diǎn)，具有受ENSO影響的年際變化特征。

霧、霾日發(fā)生受人類活動影響較大，同時與當(dāng)?shù)貧夂驙顩r有關(guān)，存在地域性差異。湖南地處中國中南部，長江以南，南嶺以北，云貴高原以東，羅霄山等山脈以西，地勢屬于云貴高原向江南丘陵和南嶺山地向江漢平原的過渡地帶。全省東、西、南三面山地環(huán)繞，逐漸向中部及東北部傾斜，形成向東北開口不對稱的馬蹄形。湖南屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣溫的年變化大，冬冷夏熱四季分明，最冷月出現(xiàn)在1月，最暖月出現(xiàn)在7月。近年來，隨著中國沿海地區(qū)中低端產(chǎn)業(yè)大規(guī)模內(nèi)遷，湖南承接了大量勞動密集型產(chǎn)業(yè)，區(qū)域經(jīng)濟(jì)十分活躍。工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展造成近地層污染物、粉塵等微小顆粒物濃度增加，致使能見度降低，城市空氣污染加重，霧霾天氣已成為危害湖南環(huán)境及氣象安全的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。因此，分析湖南霧霾時空分布特征和演變規(guī)律，對準(zhǔn)確預(yù)報(bào)霧霾天氣、減少災(zāi)害損失、保障交通安全和環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

1 資料與方法

歷來人們對霧霾如何辨別就有爭議[8-11]，全國對霾與輕霧或霧的識別沒有統(tǒng)一的判別標(biāo)準(zhǔn)，大多將很低的相對濕度作為區(qū)分輕霧與霾的界限[12]。湖南省氣象局對人工觀測能見度及相對濕度時霧霾辨別標(biāo)準(zhǔn)是：在能見度小于1km時，相對濕度大于或等于80%判別為霧，小于則為霾；能見度在1.0～10.0km時，相對濕度小于65%為霾。即使有上述標(biāo)準(zhǔn)，在執(zhí)行過程中，受觀測員主觀性影響，不同臺站或同一臺站各觀測員之間的觀測結(jié)果都可能存在差異，因此原始霧、霾記錄缺乏一致性。為了統(tǒng)一霧、霾判別標(biāo)準(zhǔn)，在參考有關(guān)專家研究成果基礎(chǔ)上[13-15]，設(shè)定本次分析中霧、霾判別標(biāo)準(zhǔn)：每日14時觀測能見度小于10km，相對濕度小于90%記霾一次；每日4次觀測中(02時、08時、14時、20時)，任一次相對濕度大于94%，且能見度小于1km，定義出現(xiàn)霧一次。

湖南省現(xiàn)有97個地面氣象站，建站時間不盡相同，在綜合考慮各站資料完整性和穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，選取其中76個觀測點(diǎn)逐時(02時、08時、14時、20時)能見度和相對濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。時間跨度為1970—2012年。1979年后，湖南地面氣象觀測規(guī)范變更了能見度觀測方式，故對1970—1979年能見度數(shù)據(jù)予以修訂。李維[16]研究表明，能見度觀測方式變更前后的資料連續(xù)性和均一性較好，對分析影響不大，故不再討論。

歷年霧霾變化趨勢采用線性分析，霧、霾突變用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法(Mann-Kendall檢驗(yàn)，簡稱M-K檢驗(yàn))，具體處理過程有關(guān)文獻(xiàn)介紹較多[17-22]，在此不再贅述。

2 霧霾變化分析

2.1 霧霾空間分布

圖1、圖3分別為湖南近43a(1970—2012年)年均霧、霾日空間分布。從色斑圖顏色深度來看，霾日數(shù)明顯多于霧日，全省霧日分布有明顯地域性特點(diǎn)，總體表現(xiàn)是北多南少。霾日在空間分布上則一致性偏多，霾日少的區(qū)域屈指可數(shù)。

圖1 1970—2012年湖南年均霧日分布Fig.1 The distribution of annual average foggy days in Hunan Province，1970—2012

圖2 不同霧日段臺站數(shù)分布Fig.2 The distribution of station number in different foggy day interval

湖南平均霧日為17.1d/a，其中湘西北、湘西南和湘北東部霧日數(shù)相對偏多，霧日數(shù)大部分在18 d/a以上，最多的是通道縣(53.0d/a)。湘北北部、湘中局部、湘南大部分區(qū)域霧日數(shù)較少，大部分區(qū)域霧日數(shù)18d以下，江永縣霧日數(shù)全省最少(2.0d/a)。圖2為各霧日段的臺站數(shù)分布狀況，霧日數(shù)在1～20d/a臺站最多，占總站數(shù)75.0%，其中年霧日在1～10d/a和11～20d/a臺站分別有29、28個，霧日數(shù)在21～50d/a的臺站占總數(shù)的23.7%，霧日數(shù)在50 d/a以上僅一站。

圖3 1970—2012年湖南年均霾日分布Fig.3 The distribution of station number in each hazy day

湖南平均霾日為39.4d/a，較霧日偏多21.9 d/a，霾日數(shù)的空間分布不如霧層次分明，其等值線較密集(圖3)。全省霾日數(shù)少的區(qū)域不多，主要集中在湘西西部及湘南東南部狹小地帶。霾日最少的是汝城縣(1.6d/a)。湘西北至湘南中部一線為霾日多發(fā)區(qū)域，大部分區(qū)域霾日在30d/a以上，最多的是桃江縣(120.4 d/a)。各霾日段的臺站數(shù)分布與霧不同，有中段多，兩端少的特點(diǎn)(圖4)。霾日數(shù)在21～50d/a的臺站占總臺站的59.2%，霾日在50d/a以上臺站數(shù)占23.7%，而1～20d/a的臺站數(shù)只有17.1%。

圖4 不同霾日段臺站數(shù)分布Fig.4 The distribution of station number in different hazy day interval

2.2 霧霾時間分布

近43a來，湖南霧日呈減少趨勢(圖5a)，氣候傾向率為-2.63d/10a，趨勢系數(shù)為0.601，通過了0.01顯著性水平檢驗(yàn)，43a間霧日數(shù)累計(jì)減少11.3d。全省年均霧日變化可分為兩階段：1970—2007年，年際間波動大，減少趨勢不明顯，平均霧日為18.63d/a；2008—2012年，霧日數(shù)迅速減少，平均為4.49d/a，較第一階段偏少13.64d。

與霧日變化相反，近43a來，湖南霾日呈增多趨勢(圖5b)，氣候傾向率為4.52d/10a，趨勢系數(shù)為0.809，通過了0.01顯著性水平檢驗(yàn)，43a間霾日數(shù)累計(jì)增加19.4d。

2.3 霧霾突變分析

圖6為湖南年均霧、霾日數(shù)的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(M-K檢驗(yàn))統(tǒng)計(jì)量變化曲線，給定顯著性水平α=0.05，即u0.05=±1.96。

圖5 湖南歷年(1970—2012年)霧(a)、霾(b)天數(shù)變化曲線及趨勢圖Fig.5 The change and trend of foggy(a)and hazy(b)days in Hunan Province，1970—2012

1970—1998年，湖南霧的統(tǒng)計(jì)量UF曲線(圖6a)以零線為基礎(chǔ)上下波動，1970—1973年、1977—1998年為霧日增多期，1974—1976年為霧日減少期。1999年至今，湖南霧日持續(xù)減少，2008年發(fā)生突變。1999年超過了0.05臨界線，2010年則超過了0.001臨界線(u0.001=2.56)。

圖6 湖南歷年(1970—2012年)霧(a)、霾(b)M-K突變分析Fig.6 The analysis of MK mutation of foggy(a)and hazy(b)days in Hunan Province，1970—2012

對年霾日MK曲線分析(圖6b)，結(jié)果顯示自1970年以來，湖南省霾日呈持續(xù)增多的趨勢，在1978年以后，這種增多趨勢超過了0.05臨界線，1979年則超過了0.001的顯著性水平線，表明湖南省霾日增多趨勢十分顯著。由于兩條統(tǒng)計(jì)量曲線相交于信度線之以外(1985年)，這表明這種增多趨勢未發(fā)生突變。

2.4 霧霾四季變化

圖7為湖南各區(qū)域1970—2012年春、夏、秋、冬四季霧(a-d)、霾(e-h)的年均分布情況。從色斑圖顏色深度及分布范圍來看，同季節(jié)大霧出現(xiàn)范圍及發(fā)生次數(shù)均比霾少，四季中霧、霾出現(xiàn)次數(shù)、范圍大小各有不同，夏季最少、冬季最多，春、秋季居中。

圖7 湖南省歷年(1970—2012年)春、夏、秋、冬霧(a-d)、霾(e-h)年均分布Fig.7 The distribution of annual average foggy(a-d)and hazy(e-h)days in spring，summer，autumn，winter of Hunan Province，1970—2012

春季霧日為四季中次少，平均為3.85d，全省最多的是平江(10.09d)，江永最少(0.67d)。從湖南春霧分布來看，有三高中心(圖7 a)，分別是永順—安化、黔陽—通道、平江。湘北、湘南及湘中局部春霧較少。湖南平均春霾8.80d，為四季中次多。全省春霾最多的是步城(27.19d)，汝城最少(0.40d)，全省春霾有兩個中心區(qū)(圖7e)，分別是慈利—耒陽、步城，春霾較少的區(qū)域不多，僅在會同—通道及桂東—臨武一線。

夏季霧霾無論在出現(xiàn)范圍及出現(xiàn)次數(shù)都是四季中最少的。全省平均夏霧1.62d，主要分布在湖南西部(圖7b)。湘西北的永順、保倩、桑植、花垣、沅陵，湘西南的通道、靖縣、會同是夏季霧多發(fā)區(qū)域，平均霧日9d左右。而湖南中、東部及南部夏季霧出現(xiàn)機(jī)率少。夏季平均霾日3.26d。全省有3個霾日高發(fā)區(qū)域(圖7f)，益陽—桃江中心范圍最大，其次是慈利縣和城步兩個小區(qū)域中心，霾日多發(fā)區(qū)呈三角形結(jié)構(gòu)。夏季霾在湖南東部、西部和南部相對較少，中部和北部偏多。

全省平均秋霧5.17d，僅次于冬季。最多的通道縣(21.07d)，最少的是江永縣(0.28d)。從秋霧全省分布來看(圖7c)，湘西北、湘西南及湘東局部(平江為中心)為秋霧多發(fā)區(qū)，湘中、湘南偏少。全省平均秋霾有8.29d，僅比夏季偏多。步城縣平均31.93d，居全省之冠，桂東縣最少，為0.14 d。全省秋霾分布廣泛(圖7g)，慈利—城步—耒陽是秋霾嚴(yán)重的三角帶，大部分區(qū)域在9d以上。相對而言，湖南西部、湘南桂東—宜章一線，南縣、平江一帶較少。

冬季霧霾均是各季節(jié)中最為嚴(yán)重的。全省年均冬霧日6.46d，占全年總數(shù)37.75%，較次多的秋季高出7.71%。從冬季霧日分布來看(圖7d)，湘中以北、湘西是冬霧高發(fā)區(qū)，此外在永興—資興一線，冬霧也較嚴(yán)重。全省平均冬霾為18.91d，接近全年一半(48.17%)，較次多的春霾高出25.76%。湖南省絕大部分區(qū)域冬霾嚴(yán)重(圖7 h)，僅在湘西南的通道、靖縣、會同一帶、湘南的桂東—汝城一線略少。

2.5 變化成因分析

虞俊[4]等認(rèn)為三峽庫區(qū)的年霧日數(shù)與年相對濕度呈顯著的正相關(guān)。基于這種思路，本文分析了衡陽市區(qū)1960—2013年年霧日數(shù)與年相對濕度的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r=0.448，兩者接近中度相關(guān)水平，可見在非庫區(qū)，年霧日數(shù)與年均相對濕度大小的相關(guān)性也依然存在，只是相關(guān)程度沒有那么強(qiáng)而已。全球氣候變暖，氣溫上升，相對濕度減少[23-25]，最終導(dǎo)致年霧日數(shù)明顯減少。全省年氣溫與霧日的相關(guān)系數(shù)r=-0.16，說明年氣溫與霧日數(shù)是反相關(guān)，但湖南這種相關(guān)性不明顯。霾日逐年增多，這與人類經(jīng)濟(jì)活動加劇密切相關(guān)[26-27]。

3 結(jié)論及討論

通過對湖南76個氣象站逐日的霧霾天數(shù)據(jù)分析，獲得了這兩種不同性質(zhì)天氣現(xiàn)象近43a來的變化規(guī)律，獲取如下結(jié)論：

(1)湖南1970—2012年平均霧日為17.1 d/a。年霧日數(shù)變化分為兩個階段，1970—1997年間，霧日變化以上下波動為主，2008年以后，年霧日數(shù)迅速減少，前后相差13.64d，分析衡陽市區(qū)的數(shù)據(jù)顯示，年霧日數(shù)和年相對濕度接近中等程度的相關(guān)。自1995年以來，湖南霧日數(shù)持續(xù)減少，在2008年發(fā)生了突變。

(2)湖南年均霾日為39.4d/a。近43a來，霾日呈波動增多趨勢，這種變化通過了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn)。增多趨勢沒有發(fā)生突變性變化。

(3)湖南霧日在1～20d/a的臺站最多(75%)，有59.2%臺站霾日數(shù)在21～50d/a之間，這就決定了霾日無論在量上還是分布廣度上都要多于霧日變化。

(4)在四季中，冬季霧、霾最嚴(yán)重，特別是霾日接近全年五成(48.17%)。對比湖南地形圖發(fā)現(xiàn)，湖南霧日分布受地勢高度影響較大，湖南西部地勢高，霧日數(shù)偏多。全省霾日分布廣泛，在夏季霾日較少時段，以桃江為中心，構(gòu)成慈利—桃江—耒陽、桃江—城步三角形型多發(fā)區(qū)，即使冬季，三角形結(jié)構(gòu)依然明顯。

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Recent 43 Years’Fog and Haze Features in Hunan Province

Yuan Zhisheng1，Chen Tao1，Xiao Lan1，Li Chao2
(1.Hengyang Weather Bureau，Hengyang，Hunan 421001，China；2.Climate Center of Hunan Province，Changsha，Hunan 410007，China)

In this article，we analyzed the data of visibility and relative humidity during 1970—2012 from 76 surface stations in Hunan province to obtain conditions of daily fog and haze in each region of Hunan.And then a linear trend analysis was made to learn about the variation characteristics of fog and haze in the past years，and a MK analysis was made to learn about the mutation of fog and haze.The results showed the change trend of fog and haze(The significance of the reliability test is P＜0.01.)—decrease in foggy days and increase in hazy days in recent43 years in Hunan Province.The foggy days decreased abruptly from 2008 and the catastrophe point passed the MK reliability test.The number of hazy days per year increased stably without mutation.Most stations(75.0%)observed about 1-20 foggy days per year while 59.2%of the stations observed 21-50 hazy days per year，which showed that hazy days ranged more widely than foggy days and the annual average number of hazy days was more than that of foggy days；the foggy days varied greatly in different regions.Fog and haze were heavier in winter than in any other season. A half of the annual hazy days were in winter time.Fog and haze occur the least in summer.And in central Hunan there is a triangular high incidence area of haze.

variation of fog and haze；the temporal and spatial distribution；linear trend；MK mutation

P427.1

：A

：1673-8047(2015)04-0061-07

2015-08-10

湖南省氣象局項(xiàng)目(XQKJ15B059)

袁智生(1969—)，男，工程師，主要從事應(yīng)用氣象工作。