華北霾日的時(shí)空分布特征分析1

卓 鴻，張 偉，袁銘芳，王 冀

（1.民航華北空管局氣象中心，北京100621；2.北京市氣象局氣候中心，北京100081）

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化、工業(yè)化和交通運(yùn)輸現(xiàn)代化的發(fā)展，化石燃料（煤、石油、天然氣）的消耗量迅猛增加，汽車尾氣、燃油、燃煤、廢棄物燃燒直接排放的氣溶膠粒子和氣態(tài)污染物通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次氣溶膠污染物日增，使得霾現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，已經(jīng)成為一種新的災(zāi)害性天氣[1]，例如2013 年1 月發(fā)生在中國(guó)東部的強(qiáng)霾事件[2-5]，京津冀地區(qū)污染天數(shù)達(dá)到27 d，北京市達(dá)到極重污染程度，因此對(duì)霾天氣的研究變得非常迫切。

2003 年，我國(guó)首次使用“霾”概念[6]，將霧與霾進(jìn)行了區(qū)別研究。越來(lái)越多的專家認(rèn)為，霧和霾分別屬于不同的天氣現(xiàn)象，應(yīng)該霧和霾分別進(jìn)行研究。對(duì)全國(guó)和區(qū)域性霾日的研究已有一些，例如高歌[7]利用1961—2005 年中國(guó)霾日資料，對(duì)中國(guó)霾的時(shí)空氣候分布特征、變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，并探討了霾變化的可能原因及其與太陽(yáng)總輻射、日照時(shí)數(shù)變化的關(guān)系。他的研究結(jié)果表明，華北地區(qū)為霾的三個(gè)多發(fā)區(qū)之一，并且冬季出現(xiàn)的日數(shù)偏多。宋連春等的研究[8]表明1961—2012 年華北地區(qū)的霾日數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。胡亞旦和周自江的研究[9]也表明華北中部和西部是霾天氣的多發(fā)區(qū)，人口比較密集的大城市和煤礦基地是霾的高頻區(qū)，“濁島”現(xiàn)象明顯。史軍等[10]對(duì)華東霾日的變化成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為氣象條件的變化、城市化和土地利用變化以及大氣污染物排放的增加等所引起的區(qū)域氣溫升高和城市熱島效應(yīng)增強(qiáng)，是霾日數(shù)增多的原因。

研究表明，相對(duì)濕度90%的閾值是區(qū)分輕霧和霾的輔助判據(jù)[5-13]，因此直接使用地面觀測(cè)資料造成相對(duì)濕度閾值定得太低，容易將大量霾記成輕霧。吳兌等利用相對(duì)濕度90%的閾值對(duì)中國(guó)大陸的霾日重新進(jìn)行了劃分和分析，認(rèn)為中國(guó)大陸12 月和1 月霾天氣日數(shù)明顯偏多，華北的霾日在50 年代較多，而后逐漸減少，70 年代逐年增加，20 世紀(jì)80—90年代基本維持在每年200 d 左右，21 世紀(jì)以來(lái)逐漸減少到每年霾日數(shù)80 d 左右。孫彧等[14]利用相同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1971—2010 年的中國(guó)霾日數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，霾日的分布很不均勻，與城市工業(yè)化程度密切相關(guān)，重霾污染區(qū)大都是在工業(yè)城市以及高度發(fā)達(dá)的城市。對(duì)比前30 a 和后10 a 的霾日數(shù)分布發(fā)現(xiàn)，前者高值區(qū)在華北地區(qū)，而后者則為長(zhǎng)三角、珠三角地區(qū)。京津冀城市群是華北地區(qū)城市群的主體，趙普生等[15]京津冀區(qū)域的霾天氣特征進(jìn)行了分析，他們的研究發(fā)現(xiàn)，京津冀地區(qū)夏季和冬季霾日數(shù)較高，霾日高值區(qū)主要位于城市區(qū)域，其中北京、天津、保定、石家莊、邯鄲和邢臺(tái)等地最為明顯。

還有一些研究關(guān)注天氣分析、診斷分析及模式分析等[16-17]，這些研究使我們對(duì)全國(guó)及區(qū)域性霾日的分布有了一個(gè)大概的了解，雖然華北地區(qū)是霾多發(fā)區(qū)，但對(duì)其研究仍然偏少，未利用相對(duì)濕度對(duì)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，對(duì)華北地區(qū)冬季不同等級(jí)霾日的分布特征也缺少研究。本文針對(duì)這些不足，用相對(duì)濕度對(duì)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正后，分析華北地區(qū)冬季霾日的時(shí)空分布特征，并將霾日進(jìn)行級(jí)別劃分，分析不同級(jí)別霾日的時(shí)空分布特征。

1 資料與方法

本研究使用1961—2012 年中國(guó)地面定時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)中02、08、14 時(shí)和20 時(shí)BT 的觀測(cè)資料，該資料經(jīng)過(guò)國(guó)家氣象信息中心最新整編，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢驗(yàn)。在這4 個(gè)時(shí)次中任何一個(gè)時(shí)次出現(xiàn)能見度＜10 km，相對(duì)濕度＜90%的天氣現(xiàn)象定義為一個(gè)霾日，并且排除降水、吹雪、揚(yáng)沙、沙塵暴和浮塵等天氣現(xiàn)象對(duì)能見度的影響。

值得特別說(shuō)明的是，根據(jù)中國(guó)氣象局《氣象觀測(cè)暫行規(guī)范（地面部分）》的觀測(cè)方法中能見度的觀測(cè)，能見度以等級(jí)記錄，分為0~9 共10 個(gè)等級(jí)，自1980年開始，執(zhí)行新的《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》，能見度以千米記錄。由于1980 年前后記錄方式上不一致，因此需要對(duì)資料進(jìn)行一致性處理，本文在建立長(zhǎng)期氣候序列時(shí)，將1980 年之后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為等級(jí)，相應(yīng)地，霾也按照能見度劃分為4 個(gè)等級(jí)（表1）。

經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行缺測(cè)檢驗(yàn)，選取華北50 個(gè)觀測(cè)站為研究對(duì)象，范圍為（31°~44°N，109°~119°E），站點(diǎn)分布見圖1，其中包括山東（圖中SD）7 個(gè)站，天津（TJ）2 個(gè)站，北京（BJ）1 個(gè)站，河北（HB）13 個(gè)站，山西（SX）13 個(gè)站，內(nèi)蒙（NM）13 個(gè)站。

按照能見度將霾的級(jí)別4 個(gè)等級(jí)（表1）。

圖1 華北霾觀測(cè)點(diǎn)分布

表1 氣候序列中霧和霾的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

霾日的變化趨勢(shì),使用線性傾向估計(jì)方法[18]，用決定系數(shù)R2來(lái)表征趨勢(shì)線擬合程度。R 的數(shù)值大小可以反映趨勢(shì)線的估計(jì)值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，擬合程度越高，趨勢(shì)線的可靠性就越高。R 平方值是取值范圍在0～1 之間的數(shù)值，當(dāng)趨勢(shì)線的R 平方值等于1 或接近1 時(shí)，其可靠性最高，反之則可靠性較低。

在空間分布上，觀測(cè)站點(diǎn)之間的實(shí)際平均距離大約為50 km，因此將站點(diǎn)資料插值成0.04°的格點(diǎn)，第一猜想半徑為50 km。

2 結(jié)果分析

2.1 華北地區(qū)霾日的空間分布特征

2.1.1 1961—2011 年冬季年平均空間分布特征

圖2a 是華北地區(qū)1961—2011 年冬季年平均霾日的空間分布圖。從整個(gè)華北地區(qū)來(lái)看，平均霾日最多的是河北省保定市（76.5 d/a）；其次為天津和濟(jì)南（分別為76.2 d/a 和71.8 d/a），各省會(huì)城市中最少的是呼和浩特（平均霾為59.4 d/a），說(shuō)明霾日大值區(qū)與城市人口有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系（保定除外），例如北京、天津、石家莊、太原和濟(jì)南等均為大城市，人口密集，車輛多，污染物的排放量多；其他中小城市的平均霾日明顯偏小。

從圖2 中還可以看出，霾日的大小分布不均，沒(méi)有連續(xù)性。胡亞旦等[9]認(rèn)為，人口比較密集的大城市和煤礦基地是霾的高頻區(qū)，“濁島”現(xiàn)象明顯，本文的研究結(jié)果也證實(shí)了霾日與城市煤、粉塵的排放量有直接關(guān)系，例如，山東省南部的兗州市以及山西省大同市，由于是重要的產(chǎn)煤基地，平均霾日也分別達(dá)到55.4 d/a、53.4 d/a。但胡亞旦等[9]研究結(jié)果認(rèn)為霾多發(fā)區(qū)位于華北的西部，而從圖2 來(lái)看，霾多發(fā)區(qū)位于華北的中部和東部。

圖2 （a）1961—2011 年冬季年平均霾日；（b）~（d）分別為12 月、1 月和2 月年平均霾日

霾日的大值區(qū)呈西南—東北走向，從山西的太原（中心值為70.8 d/a）到河北的保定（中心值為76.5 d/a）、天津（中心值76.2 d/a）和唐山（中心值為63.9 d/a），霾日大值區(qū)呈帶狀排列。北京位于保定的東北方向，平均霾日達(dá)到62.1 d/a。位于北京東北方向的承德市（圖2a 中CHD）、位于大同東北方向的張家口市（ZJK）和位于兗州市東北方向的沂源市（YY），平均霾日分別達(dá)到53.9、35.9 d/a 和48 d/a，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它中小城市。霾日這種大值區(qū)沿西南—東北方向分布的現(xiàn)象可能與西南氣流的輸送有關(guān)。在冬季空氣干燥，華北地區(qū)少雨，加上冷空氣活動(dòng)較弱，使華北地區(qū)容易出現(xiàn)西南風(fēng)，空氣中的氣溶膠粒子隨西南氣流向東北方向輸送。這個(gè)結(jié)論與王自發(fā)等[3]用數(shù)值模式對(duì)2013 年1 月的重霾污染事件進(jìn)行模擬的結(jié)果一致，即對(duì)典型臺(tái)站而言（例如北京、天津），來(lái)自京津冀外區(qū)域的污染物跨城市群輸送的影響非常顯著。

北京市周邊的地形特點(diǎn)也是污染的原因之一（圖3），北京位于山西省的東北方向，地處在西南氣流的引導(dǎo)下，山西的污染物易向北京飄移；此外，北京的西部為太行山脈、北部和東北部為燕山山脈，這些污染物受山脈的阻擋，容易堆積，造成北京市的污染。

2.1.2 冬季各月總霾日的空間分布特征

圖3 北京市周邊地形特點(diǎn)

圖2b~2d 為1961—2011 年12 月、1 月、2 月逐月年平均霾日的空間分布。12 月、1 月、2 月總霾日的空間分布與圖2a 相似，12 月（圖2b）保定、天津和濟(jì)南仍分別位于整個(gè)華北霾日的前3 位（26.88 d/a、26.49 d/a 和24.82 d/a）；1 月（圖2c）略有些變化，霾日前3 位分別為保定（26.82 d/a）、天津（26.22 d/a）和太原（24.88 d/a）；2 月（圖2d）霾日前3 位分別為天津（23.43 d/a）、保定（22.8 d/a）、濟(jì)南（22.02 d/a）。

2.2 華北地區(qū)冬季霾日的時(shí)間分布特征

2.2.1 華北地區(qū)各省平均冬季霾日的時(shí)間分布特征

圖4a 為內(nèi)蒙古自治區(qū)1961—2011 年區(qū)域平均冬季霾日的年代際變化。 從圖中可以看出，自1961—1980 年，內(nèi)蒙全區(qū)的平均霾日呈上升趨勢(shì)（增長(zhǎng)率為2.85 d/10a，R2=0.805 通過(guò)0.01 的顯著性檢驗(yàn)，以下同），在此期間最少霾日出現(xiàn)在1962年，為10 d，最多霾日出現(xiàn)在1980 年，為24 d。1980年之后，霾日呈明顯下降趨勢(shì)（下降率4.97 d/10 a），2010 年全區(qū)平均霾日僅為2.5 d。這個(gè)結(jié)論與吳兌等[7]的研究結(jié)論相同，內(nèi)蒙古1980 年之前霾日的增加可能與沙塵暴和浮塵有關(guān)，但1980 年以后，由于內(nèi)蒙古的經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)規(guī)模和工業(yè)水平相對(duì)滯后，形成霾的污染物排放較少。

河北省的冬季平均霾日（圖4b）從1961—1990年呈明顯上升趨勢(shì)（7.86 d/10 a），除了1962 年和1967 年外，平均霾日均超過(guò)20 d，1986 年霾日出現(xiàn)最多，為47.2 d，1967 年最少，但也達(dá)到了17.9 d。1990 年之后，河北省平均霾日出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)（-4.64 d/10 a），但平均仍在25 d 以上，2000 年霾日出現(xiàn)得最多，為46.1 d，2003 年最少，為25.8 d。

山東省的霾日變化與河北省類似，從1961—1990 年呈迅速上升趨勢(shì)（15.62 d/10 a），最少出現(xiàn)在1969 年，為13.4 d，最多出現(xiàn)在1990 年，為55.7 d。1990 年后，山東省的霾日逐漸減少（-7.44 d/10 a），從1991 年的56 d 逐漸減少到2008 年的34.6 d，但2009 年和2011 年霾日又有小幅上揚(yáng)，分別為45.6 d和51.3 d。

河北省和山東省1967—1969 年霾日的減少是因?yàn)楫?dāng)時(shí)工業(yè)生產(chǎn)處于混亂狀態(tài)，1970 年之后，經(jīng)濟(jì)得到恢復(fù)，霾日也逐漸增多，可以看出經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)霾日的影響。從1990 年之后霾日明顯減少，與國(guó)家的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有關(guān)，這個(gè)結(jié)論與吳兌等[7]的研究結(jié)論相同。

1967 年山西省的平均霾日出現(xiàn)最低值（6.5 d），這點(diǎn)與華北地區(qū)其它省份相同，但1961—2011 年整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)（4.75 d/10 a），特別是1967 年開始至80 年代末，呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)（7.86 d/10 a），90 年代初期略有減少，但從90 年代中期再次增加，最多出現(xiàn)在2004 年，為44.1 d。這說(shuō)明山西省主要的工業(yè)是產(chǎn)煤，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有很大變化，因此霾日呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.2.2 華北地區(qū)主要大城市冬季霾年代際變化特征

圖4 華北各省平均霾日的年代際變化曲線（直線為線性趨勢(shì)線）

從圖2 可以看到，霾日的多少和城市人口及城市工業(yè)顆粒物的排放量有密切關(guān)系，因此本文對(duì)華北主要大城市北京、天津和各省會(huì)城市冬季霾日的年代際變化（圖5）逐一分析。圖5 上y 指1961—2011 年總的趨勢(shì)變化，用黑色實(shí)線表示，y1和y2分別指前期和后期變化趨勢(shì)，用虛線表示。

雖然近51 a 冬季北京的霾日（圖5a）1961—2011 年略有下降趨勢(shì)（-0.21 d/10 a），但分開來(lái)看，霾日仍然有很大變化。60 年代初期至中期，霾日呈明顯下降趨勢(shì)，最低出現(xiàn)在1967 年，為18 d。但20世紀(jì)60 年代后期至70 年代中期，北京的霾日呈明顯上升趨勢(shì)（25.64 d/10 a），最高出現(xiàn)在1976 年，為82 d。從70 年代中后期至2000 年，霾日先逐漸下降后略有上揚(yáng)， 最低出現(xiàn)在1995 年， 為55 d，從2000—2011 年又明顯下降（-26.85 d/10 a），北京地區(qū)冬季霾日數(shù)的減少與冬季供暖由燃煤改為燃?xì)饷懿豢煞郑硗庖才c2008 年奧運(yùn)會(huì)前后對(duì)污染物的治理使天氣狀況轉(zhuǎn)好有關(guān)。

雖然天津（圖5b）整體上呈下降趨勢(shì)（-0.49 d/10 a），但1961—1990 年卻呈增加趨勢(shì)（6.66 d/10 a），1967 年和1977 年分別出現(xiàn)一個(gè)霾日低值，1990—1995 年霾日明顯減弱（54 d/10 a，R2=0.869），這種減少可能與90 年代初期天津市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有關(guān)。1995 年之后，天津霾日持續(xù)增長(zhǎng)，速率為12.27 d/10 a。

圖5 華北主要大城市冬季平均霾日的年際變化曲線

太原（圖5c）51 a 來(lái)霾日一直持續(xù)增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)較明顯（7.97 d/10 a，R2=0.671），與圖4d 整個(gè)山西省的霾日變化趨勢(shì)相同。濟(jì)南（圖5d）雖然自1961—2011 年呈下降趨勢(shì)，其中，1961—1991 年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)（5.21 d/10 a），1991—2011 年呈快速減小趨勢(shì)（-25.39 d/10 a，R2=0.819），特別是90 年代末，減少出現(xiàn)趨勢(shì)最明顯，這可能和濟(jì)南觀測(cè)站的遷址有關(guān)系，從污染較嚴(yán)重的北部遷到污染較輕的南部地區(qū)。石家莊（圖5e）整體上增長(zhǎng)趨勢(shì)（2.05 d/10 a），其中1961—1991 年呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)（11.42 d/10 a），1991年之后呈快速下降趨勢(shì)（-13.31 d/10 a）。

呼和浩特（圖5f）從1961—2011 年霾日呈現(xiàn)略增加的趨勢(shì)（2.05 d/10 a），但期間出現(xiàn)3 個(gè)峰值：從1962年的52 d 突然增加到1963 年的77 d，但從1963 年開始至1966 年逐漸減弱至34 d，從1966 年開始又逐步增加，1981 年增至81 d，此后又再次減弱到47 d（1985 年），從1985 年再次逐漸增加，到1994 年增加至84 d，自1994 年又迅速減少（-23.63 d/10 a）。

2.2.3 華北主要大城市冬季各月霾日的時(shí)間分布特征

圖6 為華北地區(qū)主要大城市冬季各月的平均霾日分布圖。北京、天津、太原和濟(jì)南12 月平均霾日數(shù)略大于1 月，2 月略小于1 月，在整個(gè)冬季中最少；石家莊和呼和浩特1 月平均霾日數(shù)略大于12 月，與上面3 個(gè)城市相比，2 月與1 月的差距較明顯。但幾個(gè)城市冬季平均霾日數(shù)最多的月份為12 月和1 月，與以前的研究結(jié)論相同[7]。

北京12 月霾日（圖7a1）51 a 來(lái)略有下降，速率為-0.27 d/10 a，但1 月（圖7b1）和2 月（圖7c1）的總趨勢(shì)基本不變。在90 年代初期，1 月（圖6b1）和2月（圖7c1）的霾日出現(xiàn)低值。

天津12 月的霾日（圖7a2）下降趨勢(shì)比1 月（圖7b2）明顯，分別為-0.4 d/10 a 和-0.1 d/10 a。60 年代末，12 月出現(xiàn)明顯低值，但1 月和2 月低值不明顯。

圖6 華北主要大城市51 a 冬季各月平均霾日的分布

太原2 月（圖7c3）的霾日增長(zhǎng)趨勢(shì)大于1 月（圖6b3）和12 月（圖7a3），分別為2.58 d/10 a、2.522 d/10 a 和2.81 d/10 a，從90 年代中后期開始，12 月（圖7a3）的霾日數(shù)略有下降，但1 月（圖7b3）和2 月份的下降趨勢(shì)不明顯（圖7a3）。

濟(jì)南1 月霾日（圖7b4）降低趨勢(shì)最明顯，為-2.54 d/10 a，其次為12 月（-1.88 d/10 a，圖7a4)，最不明顯的為2 月（-1.24 d/10 a，圖7c4）。 2000 年遷址之后，濟(jì)南的霾日出現(xiàn)明顯減弱，冬季3 個(gè)月均出現(xiàn)這種情況，但在2010 年12 月和2011 年1 月，濟(jì)南霾日比前一年明顯增加，2 月的霾日則比前一年明顯減少。

石家莊12 月（圖7a5）和1 月（圖7b5）霾日略有增加的趨勢(shì)，分別為0.95 d/10 a、0.98 d/10 a，2 月的霾日（圖7c5）a 值為0.11 d/10 a。呼和浩特霾日略有下降，12 月、1 月和2 月的下降趨勢(shì)分別為-0.66 d/10 a、-0.2 d/10 a 和-0.54 d/10 a。

3 結(jié)論與討論

使用1961—2011 年華北地區(qū)50 個(gè)站冬季及逐月不同級(jí)別的霾日資料，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)華北地區(qū)霾日的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）華北地區(qū)霾日大值區(qū)呈西南—東北向的特點(diǎn)，來(lái)自京津冀外區(qū)域的污染物跨城市群輸送的影響非常顯著。從各省平均霾日的時(shí)間演變特征來(lái)看，僅山西省一直呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為4.75 d/10 a，特別是1967 年至80 年代末，明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)（7.86 d/10 a）。其他各省均在不同時(shí)段有上升和下降趨勢(shì)，其中山東增加和減少率最為顯著,1961—1990 年平均霾日的增長(zhǎng)率為15.62 d/10 a，1990 年之后減少率為-7.44 d/10 a。內(nèi)蒙古的增加和減少率均是最小的，1961—1980 年內(nèi)蒙古的增長(zhǎng)率為2.85 d/10 a，1980 年之后下降率為4.97 d/10 a。

（2）從各省級(jí)以上大城市的霾變化特點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)，太原、石家莊和呼和浩特均呈一致的增加趨勢(shì)，其中太原的增加趨勢(shì)最顯著為7.97 d/10 a。其他城市均存在兩個(gè)變化階段，前期霾增加，后期霾減少。其中北京市的上升和下降趨勢(shì)最為顯著。60 年代后期至70 年代中期， 呈明顯上升趨勢(shì)（25.64 d/10 a），2000—2011 年明顯下降（-26.85 d/10 a）。各大城市冬季平均霾日數(shù)最多的月份為12 月和1 月。從逐月霾日的年際變化來(lái)看，太原冬季3 個(gè)月霾日均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而濟(jì)南呈一致減小趨勢(shì)。

圖7 華北主要大城市各月霾日的冬季各月年代際變化曲線