河南1981年以來(lái)霾日變化特征分析*

張 方，顧萬(wàn)龍，姬興杰

（河南省氣候中心，河南鄭州450003）

河南1981年以來(lái)霾日變化特征分析*

張 方，顧萬(wàn)龍，姬興杰

（河南省氣候中心，河南鄭州450003）

匯總河南省108個(gè)地面站1981－2010年的氣象資料，利用每日14時(shí)實(shí)測(cè)的氣象要素和天氣現(xiàn)象資料對(duì)霾日進(jìn)行判別，統(tǒng)計(jì)各站的霾日數(shù)據(jù)，分析了河南霾日的變化特征，并對(duì)其可能的原因做了分析。結(jié)果表明：1981年以來(lái)，河南平均年霾日數(shù)呈現(xiàn)明顯上升，增長(zhǎng)率為4.2 d／10a；季節(jié)之間，以冬季最多，占全年的46.2%，秋季次之，春夏較少；河南霾天氣主要以輕微霾為主，占總霾日數(shù)的90%以上；霾天氣發(fā)生時(shí)相對(duì)濕度多≤60%，能見(jiàn)度多＜3 km；近30年，河南年平均風(fēng)速和年最大風(fēng)速（f≥10 m／s）日數(shù)呈顯著減少，年靜風(fēng)或微風(fēng)（最大風(fēng)速＜3 m／s）的日數(shù)呈顯著增加；分析霾日數(shù)與風(fēng)速和降水的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，霾日數(shù)同風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，月霾日數(shù)同月降水日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，各因子間以與風(fēng)速相關(guān)性最大。另外，霾日數(shù)的變化與河南區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起的污染排放存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，近30年，河南風(fēng)速下降是霾日數(shù)明顯增多可能的主要?dú)夂蛟颍瑫r(shí)，區(qū)域污染排放增長(zhǎng)也可能是霾日數(shù)增多的原因之一。

霾；日變化；特征；河南

霾是大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10 km的空氣普遍混濁現(xiàn)象，又稱(chēng)灰霾［1－2］。隨著工業(yè)化、城市化和機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的迅速發(fā)展和污染物排放量的迅速增長(zhǎng)，使得灰霾現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，已成為一種災(zāi)害性天氣［3］。

我國(guó)學(xué)者在1980年代已陸續(xù)開(kāi)展了大氣氣溶膠研究。進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)逐步開(kāi)展了系統(tǒng)的霾研究工作，在全國(guó)性、區(qū)域性霾的氣候特征分析和成因方面取得了有價(jià)值的成果。吳兌等［4］的分析結(jié)果表明1980年代以后中國(guó)霾日明顯增加，其中大城市區(qū)域超過(guò)150 d，與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)，霾日增加的站點(diǎn)主要分布在中國(guó)的東部和南部。史軍等［5］得出華東霾日數(shù)在全年及四季呈現(xiàn)出逐漸增多的年際變化特征，氣溫升高和城市熱島效應(yīng)增強(qiáng)、空氣濕度和風(fēng)速降低、氣溶膠光學(xué)厚度增加等是華東霾出現(xiàn)頻率變化的主要原因。伍紅雨等［6］的分析結(jié)論表明華南平均年霾日以5.8 d／10a的速率顯著增加，在珠江三角洲、廣東西北部以及廣西中部和東北部增加最明顯。趙普生等［7］、廖國(guó)蓮等［8］、魏文秀［9］、楊琳等［10］、范新強(qiáng)等［11］、童堯青等［12］分別研究了京津冀、廣西、河北、深圳、廈門(mén)、南京等地區(qū)霾日變化特征，各地霾日數(shù)總體均呈上升趨勢(shì)，冬季霾出現(xiàn)最頻繁，夏季最少。

河南地處中國(guó)中東部、黃河中下游，屬暖溫帶－亞熱帶、濕潤(rùn)－半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。近些年來(lái)，由于河南經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展速度加快，空氣質(zhì)量惡化，霾現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，成為季節(jié)性頻發(fā)的災(zāi)害性天氣。查閱資料發(fā)現(xiàn)有關(guān)河南省霾的研究非常有限，僅有采用天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料分析河南省霾的空間分布特征［13］。本文利用河南省內(nèi)108個(gè)地面氣象站1981－2010年氣象資料，對(duì)每一天進(jìn)行判別，確定是否為霾日，以期取得更科學(xué)、更客觀的反映河南省霾日時(shí)空變化特征的結(jié)果，研究河南省霾日的趨勢(shì)變化和有關(guān)氣象要素特征，并對(duì)霾形成的可能因素進(jìn)行初步分析，這對(duì)于河南省霾的預(yù)測(cè)、防治及其影響評(píng)估都有積極意義。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

由于1980年以前河南省多數(shù)站點(diǎn)氣象資料不完整，所以本研究選用河南108個(gè)地面站1981－2010年每日14時(shí)的能見(jiàn)度和相對(duì)濕度實(shí)測(cè)值，結(jié)合天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料對(duì)霾日進(jìn)行判別，進(jìn)而分析河南霾日的趨勢(shì)變化、霾日有關(guān)氣象要素特征和霾天氣形成的可能因素。地面站1980年之前的能見(jiàn)度觀測(cè)采用的是等級(jí)劃分，因此，本研究根據(jù)地面觀測(cè)規(guī)范中的等級(jí)與能見(jiàn)距離換算表，將能見(jiàn)度等級(jí)換算成能見(jiàn)度距離（km）之后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 研究方法

采用《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于霾日的判識(shí)條件，即排除降水、吹雪、雪暴、揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵和煙幕等天氣現(xiàn)象造成低能見(jiàn)度，相對(duì)濕度小于90%，且能見(jiàn)度小于10 km，定為一個(gè)霾日［1］。因?yàn)槊咳?4時(shí)能見(jiàn)度觀測(cè)值比其它時(shí)次更能代表所在區(qū)域的大氣能見(jiàn)度水平，所以本文采用每日14時(shí)實(shí)測(cè)值來(lái)統(tǒng)計(jì)霾日數(shù)［14－15］。

按照《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于霾的等級(jí)規(guī)定，根據(jù)霾日的能見(jiàn)度距離，劃分為輕微、輕度、中度、重度共4級(jí)［1］。

2 結(jié)果與分析

2.1 霾日數(shù)的時(shí)間變化

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1981－2010年河南年霾日數(shù)的平均值為34 d。圖1所示為1981－2010年河南省平均年霾日數(shù)變化?？梢钥闯觯?981年以來(lái)，河南省平均年霾日數(shù)呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，線性擬合統(tǒng)計(jì)表明，全省平均年霾日數(shù)增長(zhǎng)率為4.2 d／10a，通過(guò)α＝0.01的顯著性水平檢驗(yàn)；近30年，出現(xiàn)兩個(gè)波峰，1990年（42 d）和2006年（48 d）；1980年代初期和21世紀(jì)初期，年霾日數(shù)處于波谷，出現(xiàn)兩個(gè)低值，1983年（19 d）和2002年（30 d）。值得注意的是，在1983年到1985年，1986年到1990年和2004年到2006年河南省平均年霾日數(shù)出現(xiàn)了三次快速增長(zhǎng)。

圖1 河南1981－2010年霾日數(shù)變化

圖2中給出了1981－2010年河南各月霾日數(shù)變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，河南月霾日數(shù)變化呈“V”型，具有明顯的季節(jié)特征，基本特點(diǎn)為：冬季霾日數(shù)最多，占全年的46.2%，秋季次之，春夏季較少，其中夏季僅占全年的13.6%。造成這種季節(jié)性分布特點(diǎn)的原因主要是：①河南冬季氣溫低，日照弱，大氣層結(jié)穩(wěn)定，夏季則反之；②河南冬季以燃煤取暖為主，污染物顆粒較多，同時(shí)河南冬季降水少，導(dǎo)致大氣中的污染物顆粒難以擴(kuò)散稀釋?zhuān)子谛纬肾蔡鞖?。春夏季充沛的雨水?duì)污染物有沖刷作用，不利于霾天氣的形成。各月霾日數(shù)的這種變化趨勢(shì)與河南大氣穩(wěn)定度月際變化特征非常吻合，即河南大氣穩(wěn)定度中穩(wěn)定類(lèi)在秋、冬季的頻率較高，在夏季較低；不穩(wěn)定類(lèi)則相反。穩(wěn)定類(lèi)大氣穩(wěn)定度下大氣層界穩(wěn)定，易于形成霾天氣［16］。霾日如此明顯的季節(jié)差異說(shuō)明氣象條件影響和制約著霾的形成與消散。

圖2 河南1981－2010年各月霾日數(shù)變化

通過(guò)統(tǒng)計(jì)1981－2010年河南霾日的能見(jiàn)度資料，得到河南1980年代以來(lái)各類(lèi)霾等級(jí)的日數(shù)（表1）。由表1可見(jiàn)，①?gòu)?980年代以來(lái)，河南各等級(jí)霾日數(shù)均成上升趨勢(shì)，與總霾日數(shù)變化趨勢(shì)一致。其中1990年代以來(lái)，上升速度加快，輕度以上等級(jí)的霾日數(shù)上升幅度較大；②1980年代輕度及以下的霾占總比例的94.1%，1990年代以后輕度及以下的霾占總比例的91%左右，這表明河南省重度、中度霾天氣的發(fā)生頻率較低，霾天氣主要以輕微霾為主。

表1 河南1980年代以來(lái)各類(lèi)霾等級(jí)的日數(shù)

2.2 霾天氣空間分布特征

圖3為利用108個(gè)站點(diǎn)的位置信息和各站多年平均年霾日數(shù)得到的霾天氣空間分布圖。從圖中可見(jiàn)，河南霾日數(shù)高值區(qū)主要位于河南新鄉(xiāng)、焦作、濟(jì)源地區(qū)，其中濟(jì)源周邊區(qū)域最為嚴(yán)重，達(dá)到年均120 d以上；豫西南山區(qū)、豫東平原和豫南地區(qū)相對(duì)較少。結(jié)合河南地形和自然資源分布，可以發(fā)現(xiàn)，霾出現(xiàn)頻數(shù)分布與地形和自然資源具有密切聯(lián)系。焦作、濟(jì)源等山麓地區(qū)霾平均出現(xiàn)頻數(shù)顯著高于其兩側(cè)的平原和山地，原因是：①新鄉(xiāng)、焦作、濟(jì)源地區(qū)背靠太行山脈和秦嶺余脈，是典型的山麓地區(qū)，大氣穩(wěn)定程度高于山區(qū)和平原，大氣污染物質(zhì)不易擴(kuò)散；②焦作地區(qū)煤炭資源豐富，大型火電企業(yè)較多，因此大氣污染源較多，而霾的形成與大氣污染物濃度密切相關(guān)。

2.3 霾日主要相關(guān)氣候要素的變化

圖4中給出了1981－2010年河南年平均風(fēng)速的變化。可以看出，河南年平均風(fēng)速呈顯著下降趨勢(shì)。圖5給出了河南1981－2010年日最大風(fēng)速f≥10 m／s日數(shù)，呈波動(dòng)減少趨勢(shì)。圖6中給出了河南1981－2010年靜風(fēng)或微風(fēng)（日平均風(fēng)速＜3m／s）日數(shù)，發(fā)現(xiàn)與f≥10 m／s的日數(shù)變化趨勢(shì)相反，呈波動(dòng)增加趨勢(shì)。

本文定義日降水量大于0.1 mm為一個(gè)降水日。圖7中給出了河南1981－2010年各月降水日數(shù)的變化?？梢钥闯?，月降水日數(shù)與月霾日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為－0.80。

圖4 河南1981－2010年年平均風(fēng)速變化

圖5 河南1981－2010年風(fēng)力條件變化

圖6 河南1981－2010年靜風(fēng)或微風(fēng)日數(shù)變化

圖7 河南1981－2010年各月降水日數(shù)變化

計(jì)算河南1981－2010年霾日的14時(shí)相對(duì)濕度分布，發(fā)現(xiàn)77.4%的霾天氣發(fā)生時(shí)相對(duì)濕度為60%以下，只有8.2%的霾天氣發(fā)生時(shí)相對(duì)濕度為80%～90%。計(jì)算河南1981－2010年霾日的14時(shí)能見(jiàn)度分布，根據(jù)《能見(jiàn)度等級(jí)和預(yù)報(bào)》氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［17］，發(fā)現(xiàn)大部分霾天氣發(fā)生時(shí)能見(jiàn)度較差（＜3 km），占總霾日數(shù)的61.4%。

2.4 霾天氣形成可能因素的分析

2.4.1 氣候要素對(duì)霾天氣的影響

將圖1的河南年霾日數(shù)變化曲線與圖5、圖6的河南年風(fēng)力條件變化曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)年霾日數(shù)與年風(fēng)力條件具有明顯的負(fù)相關(guān)性。計(jì)算河南年平均風(fēng)速、年f≥10 m／s日數(shù)與河南年霾日數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為－0.62和－0.67，達(dá)到了α＝0.01的顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。較高的相關(guān)關(guān)系表明風(fēng)力條件的變化對(duì)霾天氣增減趨勢(shì)的影響非常顯著。統(tǒng)計(jì)河南年靜風(fēng)或微風(fēng)（最大風(fēng)速f＜3m／s）的日數(shù)，與年霾日數(shù)的變化有著較弱的正相關(guān)性，計(jì)算兩者相關(guān)系數(shù)為0.24。

河南月霾日數(shù)同月降水日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)楹幽辖邓饕性谙募荆话阏既昕偨邓康囊话胍陨?，冬季降水最少，一般只占全年總降水量?%左右［18］，而霾天氣主要發(fā)生在冬季。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)霾天氣的影響

形成霾的大氣顆粒物來(lái)源于自然和人類(lèi)活動(dòng)排放。當(dāng)今的霾已經(jīng)不是一種完全的自然現(xiàn)象，經(jīng)濟(jì)規(guī)模的迅速擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加快，人類(lèi)活動(dòng)造成大氣污染物增加成為霾天氣增多的主要原因。

（1）河南霾日數(shù)的變化與該地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展引起的污染排放密切相關(guān)。

圖8、圖9分別給出了河南GDP與二氧化硫（SO2）、煙塵排放量的變化情況（數(shù)據(jù)來(lái)源于《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》）。從圖8可以看到，河南經(jīng)濟(jì)規(guī)模進(jìn)入1990年代以來(lái)，尤其是2000年以后，呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，與年霾日數(shù)的變化趨勢(shì)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。“十一五”期間，河南采取有效措施，積極推進(jìn)節(jié)能降耗和污染減排，能源利用效率顯著提高，主要污染物排放總量明顯降低。由圖9可以看到，2005年以來(lái)，河南SO2以及煙塵的排放量在逐漸降低，污染減排取得進(jìn)展。這可能是近幾年來(lái)河南霾日數(shù)下降的原因之一。

（2）機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染加重了霾天氣。研究表明，細(xì)顆粒物污染（PM2.5）是造成大氣能見(jiàn)度下降的主要原因，而PM2.5的主要污染源就來(lái)自于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣［19］。統(tǒng)計(jì)資料顯示，1988年以來(lái)，河南機(jī)動(dòng)車(chē)保有量飛速增長(zhǎng)，20年間增長(zhǎng)了近22倍，與同時(shí)期年霾日數(shù)的增加相吻合。

圖8 河南1981－2010年GDP變化

圖9 河南1987－2010年SO2、煙塵排放量變化

3 結(jié)論

1981年以來(lái)，河南省年霾日數(shù)呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)。霾天氣主要發(fā)生冬季，秋季次之，春、夏季較少。河南霾天氣主要以輕微霾為主。霾天氣發(fā)生時(shí)，相對(duì)濕度多為60%以下，能見(jiàn)度較差（＜3 km）。近30年，河南平均風(fēng)速下降是霾天氣明顯增多的可能主要?dú)夂蛟颍瑫r(shí)，霾日數(shù)增多也與河南省人類(lèi)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起的污染排放增長(zhǎng)密切相關(guān)。

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The Climatic Characteristics and Change of Haze Days in Henan Province Since 1981

Zhang Fang，Gu Wanlong and Ji Xingjie
（Henan Provincial Climate Centre，Zhengzhou 450003，China）

Based on meteorological data during 1981－2010 from 108 ground stations in Henan province，and by using weather factors and weather phenomena datameasured at14：00 daily，haze days are identified.Change characteristics of haze days of Henan are analyzed on the basis of statistical data of haze days from each station，and the possible reasons are analyzed.Results show that the number of annual haze days in Henan since 1981 increases obviously with an increasing rate of4.2 d／10a.The seasonal change of the haze presents the highest number of the winter haze，which account for 46.2%of the whole year，the haze days in Autumn rank second，and spring and summer are the lowest.Themain haze there ismild，which accounted for above 90%of the proportion of the total haze；the haze weather occurred with the relative humidity below 60%and with the visibility less than 3 km；For nearly 30 years，the annualmean wind speed had tended to decrease，the number of annual dayswith wind force f≥10 m／s had also decreased，and the number of annual breeze days had obviously risen；Analysis on correlation among haze days，wind speed and precipitation indicates that the number of haze days is obviously negative correlated with wind speed，and is significant negative correlated with precipitation，but related closestwith wind speed. In addition，there is a corresponding relationship between the change of haze days and atmospheric pollution emissions caused by human activities.In conclusion，for nearly 30 years the decrease ofwind speed might be themain climate reason which the number of haze days increases andmeantime the increase of pollution emissions is also one of the possible reasons in Henan.

haze；diurnal change；characteristic；Henan

P42；X51

A

1000－811X（2014）02－0065－04

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.02.014

張方，顧萬(wàn)龍，姬興杰.河南1981年以來(lái)霾日變化特征分析［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（2）：65－68.［Zhang Fang，Gu Wanlong，Ji Xingjie.The Climatic Characteristics and Change of Haze Days in Henan Province Since 1981［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（2）：65－68.］

2013－08－28

2013－10－11

河南省氣象局氣象科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（Z201105；201305）

張方（1975－），男，河南洛陽(yáng)人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事信息技術(shù)開(kāi)發(fā)工作.E-mail：zfmail7500＠163.com