中國(guó)不同歷時(shí)霾日數(shù)時(shí)空變化特征及其與城鎮(zhèn)化和風(fēng)速的關(guān)聯(lián)性研究(1961-2015)*

孔 鋒，代光爍，李 曼，方 建，呂麗莉，張黎黎，王卓妮，徐宏輝

( 1.中國(guó)氣象局 氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；2.中國(guó)氣象局 發(fā)展研究中心，北京 100081；3.北京師范大學(xué) 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；4.民政部/教育部 減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；5.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；6. 武漢大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院保險(xiǎn)與精算系，湖北 武漢 430079；7.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；8.浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江 杭州 310008)

中國(guó)不同歷時(shí)霾日數(shù)時(shí)空變化特征及其與城鎮(zhèn)化和風(fēng)速的關(guān)聯(lián)性研究(1961-2015)*

孔 鋒1,2,3,4，代光爍5，李 曼6，方 建7，呂麗莉1,2，張黎黎1，王卓妮1，徐宏輝8

( 1.中國(guó)氣象局 氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；2.中國(guó)氣象局 發(fā)展研究中心，北京 100081；3.北京師范大學(xué) 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；4.民政部/教育部 減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；5.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；6. 武漢大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院保險(xiǎn)與精算系，湖北 武漢 430079；7.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；8.浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江 杭州 310008)

利用中國(guó)氣象局提供的2 474個(gè)霾日數(shù)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用多種統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算了1961-2015年中國(guó)不同歷時(shí)的霾日數(shù)頻次和變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：1961-2015年中國(guó)不同歷時(shí)年總霾日數(shù)呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，尤其是2000年以來(lái)增長(zhǎng)迅猛，且以短歷時(shí)的霾事件為主。在空間上，中國(guó)不同歷時(shí)的霾日數(shù)呈現(xiàn)出“東南高—西北低”的空間格局，尤其是京津冀、山西南部和陜西中東部、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)出現(xiàn)頻率最高。在變化趨勢(shì)上，不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)在京津冀、山西南部、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)增長(zhǎng)最為明顯，而陜西及其周邊地區(qū)則減少明顯。通過(guò)人口和風(fēng)速與不同歷時(shí)霾日數(shù)進(jìn)行時(shí)間和空間的相關(guān)分析結(jié)果表明，在時(shí)間相關(guān)上，中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)與總?cè)丝?、城?zhèn)人口和城市化率的正相關(guān)性很高，而與平均風(fēng)速的負(fù)相關(guān)性較高。在空間相關(guān)上，中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝诿芏扰c不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)呈空間正相關(guān)，且空間系數(shù)隨著年代推移呈現(xiàn)出一致性的增加趨勢(shì)。而全國(guó)平均風(fēng)速與不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)呈空間負(fù)相關(guān)，且空間系數(shù)隨著年代推移呈現(xiàn)出一致性的增加趨勢(shì)。因此， 1961-2015年中國(guó)快速城市化和平均風(fēng)速減小可能是中國(guó)年總霾日數(shù)日數(shù)顯著增加的主因。

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；霾天氣；時(shí)空演變；城鎮(zhèn)化；風(fēng)速變化；空間相關(guān)；中國(guó)

全球氣候變化背景下，多地地表平均風(fēng)速減小[1-2]。同時(shí)伴隨著中國(guó)快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程[3-5]，諸多城市霾天氣頻發(fā)[6-8]，空氣質(zhì)量紅線屢屢被突破已成常態(tài)[9-10]。然而設(shè)立紅線的警示意義在于如何回歸紅線，而在現(xiàn)在區(qū)域治理碎片化的機(jī)制下，回歸紅線絕非易事，需要對(duì)霾天氣和影響因素有全面系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。霧霾圍城致多地“失守”[11]，嚴(yán)重影響日常交通活動(dòng)，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人民健康和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了深遠(yuǎn)影響[12]。一方面以霾為表征的低能見(jiàn)度天氣持續(xù)、反復(fù)，致使各地醫(yī)院呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)持續(xù)增加[7]。另一方面“空氣有毒”引來(lái)國(guó)內(nèi)外媒體的諸多討論，已經(jīng)成為中國(guó)政府極為關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一[8]?？梢?jiàn)以霾為表征的低能見(jiàn)度事件，已經(jīng)成為直接危及到人民群眾身體健康的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素之一，各地高層連續(xù)發(fā)聲“治霾”，要求“必須有所作為”。

在霾的界定方面，大氣觀測(cè)上，霾主要由兩個(gè)氣象變量判定，一是水平能見(jiàn)度小于10 km；二是相對(duì)濕度一般小于80%[7]。大氣水平能見(jiàn)度是反映空氣質(zhì)量的指標(biāo)之一，也是空氣污染最顯著的標(biāo)志。因?yàn)楫?dāng)大氣相對(duì)濕度小于80%時(shí)，大氣渾濁視野模糊導(dǎo)致的能見(jiàn)度變化主要是霾造成的。霾是特定氣候條件與人類(lèi)活動(dòng)相互作用的結(jié)果[13]。霾的源頭多種多樣，比如汽車(chē)尾氣、工業(yè)排放、建筑揚(yáng)塵、垃圾焚燒，甚至火山噴發(fā)等等，霾天氣通常是多種污染源混合作用形成的[14]。但各地區(qū)的霧霾天氣中，不同污染源的作用程度各有差異[15]。高密集的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)活動(dòng)必然會(huì)排放大量細(xì)顆粒物，一旦排放超過(guò)大氣循環(huán)能力和承載度，細(xì)顆粒物濃度將持續(xù)積聚，此時(shí)如果受靜穩(wěn)天氣等影響，極易出現(xiàn)大范圍的霾[5]。長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和城鎮(zhèn)化等主要目標(biāo)的引領(lǐng)下，中國(guó)社會(huì)各領(lǐng)域的能源類(lèi)需求增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界其他國(guó)家和地區(qū)，快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來(lái)的污染物排放和城市建成區(qū)面積增長(zhǎng)也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[16-17]，尤其是胡煥庸線以東地區(qū)是高密度經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和高濃度污染物排放的集中地區(qū)。同時(shí)城市中的大樓越建越高，阻擋和摩擦作用使風(fēng)流經(jīng)城區(qū)時(shí)明顯減弱[18]。靜風(fēng)現(xiàn)象增多，不利于大氣中懸浮微粒的擴(kuò)散稀釋?zhuān)菀自诔菂^(qū)和近郊區(qū)周邊積累[19]。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)最大的500個(gè)城市中，只有不到1%的城市達(dá)到世界衛(wèi)生組織推薦的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，此外，世界上污染最嚴(yán)重的10個(gè)城市有7個(gè)在中國(guó)[20]。2013年以來(lái)，全國(guó)重點(diǎn)城市的空氣污染天數(shù)已經(jīng)占到相當(dāng)大的比例，其中北京175 d、天津197 d、沈陽(yáng)152 d、成都125 d、石家莊264 d、蘭州122 d。2013年北京空氣質(zhì)量一級(jí)優(yōu)的天數(shù)有41 d；二級(jí)良天數(shù)135 d；三級(jí)輕度污染天總計(jì)84 d；四級(jí)中度污染天為47 d；五級(jí)重度污染有45 d；六級(jí)嚴(yán)重污染一共13 d[5]；全年優(yōu)良天數(shù)共計(jì)176 d，占全年總天數(shù)的48.22%，不足一半；在重污染天數(shù)方面，五級(jí)和六級(jí)重污染天數(shù)累計(jì)出現(xiàn)58 d，占全年總天數(shù)的15.9%，平均下來(lái)，相當(dāng)于每隔6 d或7 d，就會(huì)出現(xiàn)一次重污染天氣過(guò)程。2014年秋季至2015年春季，中國(guó)東部廣大地區(qū)包括華北中南部、江淮北部在內(nèi)的150萬(wàn)km2范圍被霾天氣所籠罩[5,21-23]。

持續(xù)高發(fā)、頻發(fā)、連片、并且越來(lái)越嚴(yán)重的霧霾，使城市空氣污染問(wèn)題成為公眾最關(guān)心的問(wèn)題之一。漫天的霧霾，讓許多人感受到了一種無(wú)力的焦慮和無(wú)解的迷茫，不知道怎么去防治和消除。這種“霧鎖霾困”之下的無(wú)力感使上上下下痛定思痛，高層重視、公眾呼吁和隨時(shí)可能再來(lái)的霧霾的倒逼下，地方政府開(kāi)始采取各種措施治理霧霾，有的著力治標(biāo)，有的著力治本[24-26]。已有大量研究開(kāi)始關(guān)注霾天氣變化，并探究其可能的成因機(jī)制[27-29]。如宋連春等研究了我國(guó)霾日數(shù)的變化特征和氣候成因[7]，丁一匯等研究了近50年我國(guó)霧和霾的長(zhǎng)期變化特征及其與大氣濕度的關(guān)系[8]，鄭慶鋒等進(jìn)行了上海霾天氣發(fā)生的影響因素分析[9]。目前，現(xiàn)有研究多從自然因子角度研究霾日數(shù)時(shí)空變化，而從自然和人文因子雙重作用研究的相對(duì)較少。

因此，基于這一現(xiàn)狀，本文從時(shí)間序列動(dòng)態(tài)變化和空間分布格局兩方面診斷1961-2015年中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)時(shí)空變化格局，并探究城鎮(zhèn)化因子和平均風(fēng)速與不同歷時(shí)的霾日數(shù)的關(guān)聯(lián)性，從而為全面了解霾日數(shù)時(shí)空變化提供參考，同時(shí)也為區(qū)域霾治理提供可能的科技支撐。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 資料來(lái)源和資料控制

本文采用中國(guó)氣象局提供的霾日數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)自“霧霾專(zhuān)題數(shù)據(jù)集(V1.0)”。該數(shù)據(jù)集包含了1961-2015年中國(guó)2 474個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象站的霾天氣現(xiàn)象觀測(cè)數(shù)據(jù)，站點(diǎn)分布如圖1所示。如果出現(xiàn)霾天氣記為1，未出現(xiàn)則記為0，當(dāng)天無(wú)天氣現(xiàn)象觀測(cè)為8。在質(zhì)量控制方法上，本數(shù)據(jù)集制作過(guò)程中，應(yīng)用氣候界限值或允許值檢查、內(nèi)部一致性檢查和空間一致性檢查3類(lèi)方法，進(jìn)行質(zhì)量控制，質(zhì)量良好，各要素項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)有率均在98%以上，數(shù)據(jù)的正確率均接近100%。本文采用城鎮(zhèn)化數(shù)據(jù)包括1961-2015年的中國(guó)總?cè)丝?、城?zhèn)人口和城市化率的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，以及空間上1953、1964、1982、1990、2000和2010年的中國(guó)縣級(jí)人口數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要整編來(lái)自中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒、中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒、中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒和人口普查數(shù)據(jù)等。本文采用的風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局的1961-2015年838站的逐日平均風(fēng)速。

1.2 計(jì)算方法

首先本文通過(guò)分析1961-2015年中國(guó)2 474個(gè)站點(diǎn)在不同歷時(shí)即持續(xù)1 d及以上至12 d及以上的年總霾日數(shù)的時(shí)空變化；其次根據(jù)2 474個(gè)霾日數(shù)站點(diǎn)和838個(gè)平均風(fēng)速站點(diǎn)的相應(yīng)計(jì)算結(jié)果，利用地理學(xué)和氣象學(xué)中常用的反距離權(quán)重(IDW)方法插值成1 km×1 km的柵格空間分布數(shù)據(jù)；最后以縣級(jí)行政單元為統(tǒng)計(jì)單位，采用空間相關(guān)的方法計(jì)算不同歷時(shí)年總霾日數(shù)與縣級(jí)人口密度和平均風(fēng)速的空間相關(guān)系數(shù)?？臻g相關(guān)的具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同歷時(shí)霾日數(shù)長(zhǎng)期氣候態(tài)時(shí)空格局

中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)在1961-2015年呈現(xiàn)出十分明顯的時(shí)間變化特征和空間分布格局。從時(shí)間序列來(lái)看：在長(zhǎng)期氣候態(tài)上，持續(xù)7 d及以上的年總霾日數(shù)僅占總霾日數(shù)的14.86%，而持續(xù)6 d及以下的年總霾日數(shù)占總霾日數(shù)的85.14%；持續(xù)3 d及以上的年總霾日數(shù)僅占總霾日數(shù)的48.70%，而持續(xù)2 d及以下的年總霾日數(shù)占總霾日數(shù)的51.30%。在年際變化上，1961-2015年中國(guó)不同歷時(shí)年總霾日數(shù)均在波動(dòng)中呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)(圖2)，尤其是2000年以來(lái)伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)經(jīng)濟(jì)總量從第四躍居第二[3-5]；與此同時(shí)中國(guó)的工業(yè)快速發(fā)展，這期間中國(guó)不同歷時(shí)年總霾日數(shù)急劇增長(zhǎng)，在1961-2015年，年均增長(zhǎng)105%左右。其中持續(xù)7 d和8 d及以上的年總霾日數(shù)增長(zhǎng)最多，2015年同比1961年分別增長(zhǎng)了20.47和20.01倍；持續(xù)1 d及以上的年總霾日數(shù)增長(zhǎng)最少，增長(zhǎng)了8.28倍；其它歷時(shí)的年總霾日數(shù)也都增加了10倍以上?？梢?jiàn)1961-2015年中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)的變化是跨越式的增加，尤其是21世紀(jì)以來(lái)增長(zhǎng)迅猛。值得注意的是中國(guó)氣象局在1980年之前《氣象觀測(cè)暫行規(guī)范(地面部分)》的觀測(cè)方法中能見(jiàn)度觀測(cè)資料以等級(jí)方式記錄[31]，1980年后則以千米記錄，已有的很多研究均采用換算關(guān)系將能見(jiàn)度等級(jí)換算成千米。由于霾的觀測(cè)中將水平能見(jiàn)度小于10 km作為其中一個(gè)條件，因此，中國(guó)年總霾日數(shù)時(shí)間序列在1980年前后出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，但這并不影響中國(guó)霾天氣不斷增加的事實(shí)。

圖1 中國(guó)數(shù)字高程和氣象站點(diǎn)分布

圖2 中國(guó)不同歷時(shí)年霾日數(shù)總和時(shí)間序列變化(1961-2015)

從空間分布格局來(lái)看，首先，1961-2015年中國(guó)從持續(xù)1 d及以上的年總霾日數(shù)到持續(xù)12 d及以上的年總霾日數(shù)，其長(zhǎng)期氣候態(tài)均值高值范圍依次縮小。其次，1961-2015年中國(guó)不同歷時(shí)霾日數(shù)呈現(xiàn)出明顯的“東南高-西北低”的空間分布格局(圖3)。再次，不論何種歷時(shí)的霾日數(shù)在城市群分布地帶，人口稠密，城市化和工業(yè)化程度和速率都普遍較高的京津冀、山西南部和陜西中東部、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)出現(xiàn)頻率最高(圖4)；而與之形成鮮明對(duì)比的是廣大西北和西南地區(qū)的不同歷時(shí)霾日數(shù)出現(xiàn)頻率相對(duì)較低。最后，值得注意的是內(nèi)蒙古、東北、山東半島、福建和海南等邊疆和沿海地區(qū)的不同歷時(shí)霾日數(shù)的出現(xiàn)頻率也相對(duì)較低。

圖3 中國(guó)持續(xù)7 d以下的霾日數(shù)空間格局(1961-2015)

圖4 中國(guó)持續(xù)7 d以上的霾日數(shù)空間格局(1961-2015)

圖5 中國(guó)持續(xù)7 d以下的霾日數(shù)變化趨勢(shì)(1961-2015)

圖6 中國(guó)持續(xù)7 d以上的霾日數(shù)變化趨勢(shì)(1961-2015)

2.2 不同歷時(shí)霾日數(shù)變化趨勢(shì)

從變化趨勢(shì)來(lái)看，首先，1961-2015年中國(guó)從持續(xù)1 d及以上的年總霾日數(shù)到持續(xù)12 d及以上的年總霾日數(shù)，其變化趨勢(shì)呈增加的范圍依次縮小。其次，1961-2015年中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)的地區(qū)主要集中在河北和山西以南的中國(guó)東部地區(qū)(圖5)。其中京津冀、山西南部、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)是不同歷時(shí)年均霾日數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)最為明顯的地區(qū)(圖6)。再次，值得注意的是陜西及其周邊地區(qū)的6 d及以下的霾日數(shù)氣候態(tài)分布較高(圖3)，但是其卻呈現(xiàn)減少趨勢(shì)(圖5)。最后，東北、西北、西南及內(nèi)蒙古大部分地區(qū)是不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)變化趨勢(shì)相對(duì)不大，尤其是西藏東部、青海、云南和內(nèi)蒙古變化趨勢(shì)相對(duì)較低。

圖7 中國(guó)分類(lèi)能源的消耗量

2.3 不同歷時(shí)霾日數(shù)與城鎮(zhèn)化因素的時(shí)空關(guān)聯(lián)性

自1949年新中國(guó)建國(guó)以來(lái)，中國(guó)經(jīng)歷了舉世矚目的快速城市化過(guò)程。在長(zhǎng)時(shí)期以經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和城鎮(zhèn)化為主要目標(biāo)的引領(lǐng)下，中國(guó)社會(huì)各領(lǐng)域的能源類(lèi)的需求增長(zhǎng)速率不斷攀升(圖7)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界其他國(guó)家和地區(qū)。在時(shí)間序列上，已有諸多研究表明，中國(guó)的總?cè)丝诤统擎?zhèn)人口均呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。進(jìn)一步地，本文采用中國(guó)總?cè)丝?、城?zhèn)人口和城市化率與不同歷時(shí)的霾日數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.60以上，均通過(guò)了0.01顯著性水平的檢驗(yàn)。在空間面板上，不同年代的土地利用變化數(shù)據(jù)是表征中國(guó)城鎮(zhèn)化的重要指標(biāo)之一。由于中國(guó)城鎮(zhèn)人口數(shù)據(jù)在不同年代的缺失，僅有1964、1990、2000和2010年的數(shù)據(jù)。而中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝谟?953、1964、1982、1990、2000和2010年的數(shù)據(jù)，在時(shí)間上大致相當(dāng)于1951-1960、1961-1970、1971-1980、1981-1990、1991-2000、2001-2010年，因此，我們采用了縣級(jí)總?cè)丝跀?shù)據(jù)來(lái)代替城鎮(zhèn)人口。中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝诳臻g格局隨著時(shí)間推移，呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在中國(guó)黑龍江黑河至云南騰沖一線以東的地區(qū)縣級(jí)總?cè)丝谠黾友杆?圖8)，該空間增加趨勢(shì)與中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)變化趨勢(shì)的空間格局變化具有一定的相似性。

圖9 中國(guó)年際平均風(fēng)速及變化趨勢(shì)(1961-2015)

為了說(shuō)明用中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝诿芏葋?lái)表征中國(guó)城鎮(zhèn)化水平的合理性。首先，利用上述ArcGIS中空間統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算縣級(jí)總?cè)丝诿芏群涂h級(jí)城鎮(zhèn)人口密度。其次，用1964、1990、2000和2010年的縣級(jí)總?cè)丝诿芏群涂h級(jí)城鎮(zhèn)人口密度的時(shí)間序列做相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.96，通過(guò)了顯著性水平為0.05但未通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)(n=4)。再次，用1964、1990、2000和2010年的縣級(jí)人口密度和縣級(jí)城鎮(zhèn)人口密度做空間相關(guān)，其1964、1990、2000和2010年的空間相關(guān)系數(shù)分別為0.51、0.59、0.68和0.75，均通過(guò)了0.01顯著性水平的檢驗(yàn)(n=2 618)。這表明中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝诿芏仍谝欢ǔ潭壬峡梢蕴娲袊?guó)城鎮(zhèn)人口密度。除此之外，用1964、1990、2000和2010年的縣級(jí)總?cè)丝诿芏群涂h級(jí)城市化率的時(shí)間序列做相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.97，通過(guò)了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)，但未通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)(n=4)。進(jìn)一步的用1964、1990、2000和2010年的縣級(jí)人口密度和縣級(jí)城鎮(zhèn)人口密度做空間相關(guān)，其1964、1990、2000和2010年的空間相關(guān)系數(shù)分別為0.60、0.69、0.75和0.83，均通過(guò)了0.01顯著性水平的檢驗(yàn)(n=2 618)。這表明中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝诿芏仍谝欢ǔ潭壬峡梢蕴娲袊?guó)縣級(jí)城鎮(zhèn)化率。

除此之外，采用2 618個(gè)縣級(jí)行政區(qū)為統(tǒng)計(jì)單元，計(jì)算中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝诿芏扰c中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)的空間相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明，中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝诿芏扰c中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)的空間系數(shù)隨著年代推移呈現(xiàn)出一致性的增加趨勢(shì)，其中中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝诿芏扰c持續(xù)1 d及以上的年總霾日數(shù)的空間相關(guān)系數(shù)從1960年代到2000年代依次為0.42、0.46、0.53和0.55(n=2 618)，均通過(guò)了0.01顯著性水平的檢驗(yàn)；其它不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)也與中國(guó)縣級(jí)人口密度成不同程度的正相關(guān)，且隨著年代推移空間相關(guān)系數(shù)不斷增加。這表明中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝谂c中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)的空間格局變化有密切關(guān)系，快速城市化進(jìn)程可能導(dǎo)致了中國(guó)霾日數(shù)的顯著增加。

2.4 不同歷時(shí)霾日數(shù)與風(fēng)速的時(shí)空關(guān)聯(lián)性

從平均風(fēng)速的動(dòng)態(tài)變化來(lái)看，1961-2015年中國(guó)年際平均風(fēng)速呈現(xiàn)出十分明顯的減小趨勢(shì)(圖9)，變化范圍為2.5～3.5 m/s。中國(guó)不同歷時(shí)年總霾日數(shù)和平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)達(dá)介于-0.61～-0.71之間，通過(guò)了0.01顯著性水平的檢驗(yàn)，其中持續(xù)1 d及以上的年總霾日數(shù)與平均風(fēng)速的負(fù)相關(guān)系數(shù)最大為-0.71；持續(xù)12 d及以上的年總霾日數(shù)與平均風(fēng)速的負(fù)相關(guān)系數(shù)最小為-0.61。在空間上，中國(guó)84.13%的站點(diǎn)的平均風(fēng)速呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢(shì)(圖9)。將平均風(fēng)速與持續(xù)1 d及以上的霾日數(shù)按照縣級(jí)行政單元統(tǒng)計(jì)其年代際均值，然后將兩者進(jìn)行空間相關(guān)。隨著年代推移，兩者之間的空間負(fù)相關(guān)越來(lái)越顯著，從1960-2010年代依次是-0.40、-0.42、-0.45、-0.49、-0.51和-0.57(n=2 618)，均通過(guò)了0.01顯著性水平的檢驗(yàn)；其它不同歷時(shí)的霾日數(shù)與風(fēng)速的空間相關(guān)系數(shù)也呈現(xiàn)出不同程度的負(fù)相關(guān)，且都隨著年代推移，負(fù)相關(guān)程度越來(lái)越高。這表明平均風(fēng)速與年總霾日數(shù)之間存在明顯的負(fù)相關(guān)。這一方面可能是全球變暖背景下，海陸和區(qū)域間的溫差減小，使得氣壓減小，從而平均風(fēng)速趨于減??；另一方面在快速城市化地區(qū)，高大聳立的建筑物阻礙了城市風(fēng)道，使得平均風(fēng)速也趨于減小。因此，在風(fēng)速減小的背景下，快速城市化和工業(yè)化進(jìn)程中持續(xù)排放污染物，“雙管齊下”從而使得年總霾日數(shù)日數(shù)在中國(guó)東部地區(qū)迅速增加。因此，結(jié)合中國(guó)城鎮(zhèn)化與霾日數(shù)的分析結(jié)果，1961-2015年中國(guó)快速城市化和平均風(fēng)速減小可能是中國(guó)年總霾日數(shù)日數(shù)顯著增加的主因。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文主要結(jié)論如下：

(1)在時(shí)間序列上，1961-2015年中國(guó)不同歷時(shí)年總霾日數(shù)呈明顯的增加趨勢(shì)，增長(zhǎng)了10倍以上，年均增長(zhǎng)105%左右，尤其是2000年以來(lái)年總霾日數(shù)增長(zhǎng)迅猛。持續(xù)7 d及以上的年總霾日數(shù)僅占總霾日數(shù)的14.86%，而持續(xù)6 d及以下的年總霾日數(shù)占總霾日數(shù)的85.14%，而持續(xù)2 d及以下的年總霾日數(shù)占總霾日數(shù)的51.30%。可見(jiàn)1951-2015年中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)的變化是跨越式的增加，且以持續(xù)較短的霾事件為主。從空間格局上，1961-2015年中國(guó)從持續(xù)1 d及以上的年總霾日數(shù)到持續(xù)12 d及以上的年總霾日數(shù)分布范圍依次縮小，且呈“東南高-西北低”的空間分布格局。尤其是京津冀、山西南部和陜西中東部、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)出現(xiàn)頻率最高。在變化趨勢(shì)上，1961-2015年中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)的地區(qū)主要集中在河北和山西以南的中國(guó)東部地區(qū)，尤其是京津冀、山西南部、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)是不同歷時(shí)年均霾日數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)最為明顯的地區(qū)，而陜西及其周邊地區(qū)是減少趨勢(shì)較為顯著的地區(qū)。

(2)中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝谂c不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)的空間格局變化有密切正相關(guān)性，快速城市化進(jìn)程可能導(dǎo)致了1961-2015年中國(guó)霾日數(shù)的顯著增加。在時(shí)間序列上，中國(guó)總?cè)丝凇⒊擎?zhèn)人口和城市化率與不同歷時(shí)的霾日數(shù)的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.60以上。在空間面板上，中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝诳臻g增加趨勢(shì)與不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)變化趨勢(shì)的空間格局變化具有一定的相似性。中國(guó)縣級(jí)總?cè)丝诿芏扰c中國(guó)不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)呈正相關(guān)，且空間相關(guān)系數(shù)隨著年代推移呈現(xiàn)出一致性的增加趨勢(shì)，且增加顯著，其中持續(xù)1 d及以上的年總霾日數(shù)與縣級(jí)總?cè)丝诿芏鹊南嚓P(guān)系數(shù)從1960-2000年代依次為0.42、0.46、0.53和0.55，均通過(guò)了0.01顯著性水平的檢驗(yàn)。

(3)1961-2015年中國(guó)年際平均風(fēng)速呈減小趨勢(shì)，其與中國(guó)不同歷時(shí)年總霾日數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)介于-0.61～-0.71之間。在空間上，中國(guó)84.13%的站點(diǎn)的平均風(fēng)速呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢(shì)。不同年代的平均風(fēng)速與持續(xù)1 d及以上的霾日數(shù)呈負(fù)相關(guān)，且隨著年代推移，空間負(fù)相關(guān)越來(lái)越高；其它不同歷時(shí)的霾日數(shù)與風(fēng)速的空間相關(guān)系數(shù)也都隨著年代推移，負(fù)相關(guān)程度越來(lái)越高。這表明平均風(fēng)速與年總霾日數(shù)之間存在明顯的負(fù)相關(guān)。結(jié)合中國(guó)城鎮(zhèn)化與霾日數(shù)的分析，結(jié)果表明1961-2015年中國(guó)快速城市化和平均風(fēng)速減小與中國(guó)年總霾日數(shù)日數(shù)顯著增加密切相關(guān)。

3.2 討論

本文研究了不同歷時(shí)的霾日數(shù)時(shí)空變化，并探究了其與城鎮(zhèn)化和平均風(fēng)速的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上仍有以下四方面的內(nèi)容尚待討論。

(1)不同強(qiáng)度霾日數(shù)的時(shí)空演變特征。本文從持續(xù)時(shí)間角度研究了不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)的時(shí)空變化特征。由于現(xiàn)有的霾預(yù)報(bào)根據(jù)相對(duì)濕度和能見(jiàn)度大小將霾分為輕微霾、輕度霾、中度霾和重度霾四個(gè)等級(jí)。不同等級(jí)的霾對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和人民生活更加具有現(xiàn)實(shí)意義，因此，亟待開(kāi)展不同強(qiáng)度霾日數(shù)的時(shí)空演變特征研究。

(2)不同自然和人文因素在霾日數(shù)增加中的貢獻(xiàn)厘定。霾的變化是自然和人文因素交織綜合作用的結(jié)果?，F(xiàn)有的霾的化學(xué)成分研究已經(jīng)取得了相當(dāng)進(jìn)展，但霾的成因研究，尤其是自然和人文因素對(duì)霾的影響還處于初始階段，且尚未厘定清楚何種因子起主導(dǎo)作用[8,32]。因此，需要針對(duì)特定區(qū)域開(kāi)展不同自然和人文因素對(duì)霾日數(shù)變化的作用。

(3)部分區(qū)域霾日數(shù)異常變化的原因。陜西及周邊地區(qū)的霾日數(shù)發(fā)生頻率在長(zhǎng)期氣候態(tài)分布上屬于高發(fā)地帶，但是變化趨勢(shì)上卻呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，這與京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角和山西南部地區(qū)形成鮮明對(duì)比。陜西及周邊地區(qū)的霾日數(shù)減少趨勢(shì)是地形影響的還是另有其它因素，需要系統(tǒng)開(kāi)展診斷研究。

(4)不同高度場(chǎng)上不同強(qiáng)度風(fēng)速的變化與霾日數(shù)的關(guān)聯(lián)性研究。本文僅從地表風(fēng)速探究了風(fēng)速與霾日數(shù)的協(xié)同變化關(guān)系。由于霾的一般分布在離地面1 km的范圍內(nèi)，而霧僅分布在離地面的數(shù)百米范圍內(nèi)[33,34]，因此，要探究霾日數(shù)與風(fēng)速之間的關(guān)聯(lián)性，還需要探究離地面1 km范圍內(nèi)的不同高度場(chǎng)長(zhǎng)的不同風(fēng)速的變化特征，既要整體研究平均風(fēng)速的變化特征，又要研究能驅(qū)動(dòng)霾運(yùn)動(dòng)的的風(fēng)速變化。

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Research on Spatiotemporal Patterns Change of Different DurationHaze Days and its Relationship with Urbanization and Wind Speedin China from 1961 to 2015

KONG Feng1,2,3,4, DAI Guangshuo5, LI Man6, FANG Jian7,LU Lili1,2, ZHANG Lili1,WANG Zhuoni1and XU Honghui8

(1.ChinaMeteorologicalAdministrationTrainingCenter,Beijing100081,China;2.ResearchCentreforStrategicDevelopment,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,China; 3.StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;4.AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,MinistryofCivilAffairs&MinistryofEducation,Beijing100875,China;5.ChinaEnvironmentalScienceResearchInstitute,Beijing100012,China; 6.DepartmentofInsurance,SchoolofEconomicsandManagement,WuhanUniversity,Wuhan430079,China; 7.SchoolofResourcesandEnvironmentalScience,WuhanUniversity,Wuhan430079,China;8.ZheliangInstituteofMeteorologicalSciences,

Hangzhou310008,China)

Hazehasbeenbecomingoneoftheimportantenvironmentalrisksinsustainabledevelopmentofeconomyandsociety,whichlong-termtrendchange,hasbeenaglobalissueattractinggreatattentionsofpoliticians,scientists,governments,andthepublicalikethroughouttheworld.Hereweuse2474hazedaysstationdatafrom

ChinaMeteorologicalAdministration,usingavarietyofstatisticalmethods,calculatedifferentdurationsofhazedays'frequencyandtrendchangefrom1961to2015inChina.Theresultsshowthatthedifferentdurationsofhazedaysthetotalnumberofhazedayspresentsanobviousincreasingtrend,especiallysince2000withrapidgrowth,andtheshortdurationofhazeeventlaysapredominantfrom1961to2015inChina.Inspace,differentdurationsofhazedayspresentaspatialpatternofsoutheasthigh-northwestlow.EspeciallyinBeijing,Tianjin,southernShanxiandShaanxiintheMiddleEast,theYangtzeRiverDeltaandthePearlRiverDeltaregionappearsthehighestfrequency.Inchangingtrend,thedifferentdurationsoftotalannualhazedaysinBeijing,Tianjin,Hebei,southernShanxi,YangtzeRiverDeltaandPearlRiverDeltaregionhasthemostobviousupwardtrend,whileShaanxianditssurroundingareasarereducedsignificantly.ThetimeandspacecorrelationanalysisresultsbypopulationandwindspeedwithdifferentdurationsofannualtotalhazedaysinChinashow,ahighpositivecorrelationbetweendifferentdurationsoftotalannualhazedaysandthetotalpopulation,urbanpopulationandurbanization,andahighnegativecorrelationbetweendifferentdurationsofannualtotalhazedaysandtheaveragewindspeedintimeseriesfrom1961to2015.Inspatialcorrelation,apositivelyrelatedtothecountyleveltotalpopulationdensitywithdifferentdurationannualtotalhazedaysandthespatialcorrelationcoefficientshowatendencytoincreasepositivecorrelationconsistency.Onthecontrary,anegativelyrelatedtothenationalaveragewindspeedanddifferentdurationsofannualtotalhazedays,andthespatialcorrelationcoefficientshowatendencytoincreasenegativecorrelationconsistency.Therefore,rapidurbanizationprocessanddecreasingofaveragewindspeedmightlikelybethemaincauseofsignificantlyincreasinghazedaysinChinafrom1961to2015.

environmentalrisk;hazeweather;emporalandspatialchange;urbanization;windspeedvariation;spatialcorrelation;China

2016-11-22

2017-01-03

國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃“氣象與大氣環(huán)境長(zhǎng)期同步觀測(cè)研究”(2016YFC0201901)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于未來(lái)情景的長(zhǎng)江流域洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估”(41601561)；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“地表過(guò)程模型與模擬”(41621061)

孔鋒(1986-)，男，山西臨汾人，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓L(fēng)險(xiǎn)、極端降水診斷及其歸因研究、自然災(zāi)害與環(huán)境演變. E-mail: kongfeng0824@qq.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.012.]

X43; P44

A

1000-811X(2017)03-0063-09

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.012

孔鋒，代光爍，李曼，等. 中國(guó)不同歷時(shí)霾日數(shù)時(shí)空變化特征及其與城鎮(zhèn)化和風(fēng)速的關(guān)聯(lián)性研究(1961-2015)[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(3)：63-70,95. [KONG Feng, DAI Guangshuo, LI Man,et al. Research on Spatiotemporal Patterns Change of Different Duration Haze Days and its Relationship with Urbanization and wind Speed in China from 1961 to 2015[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(3)：63-70,95.