1960-2021年黑龍江省霾日數(shù)時(shí)空分布特征

楊 帆，滕 潘，于 璐，李冬楠，王冬冬

（1.黑龍江省氣象局機(jī)關(guān)服務(wù)中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150030；3.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；4.黑龍江省人工影響天氣辦公室，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

霾是指大量極細(xì)微的顆粒物均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km 的空氣普通混濁現(xiàn)象，形成霾的微小顆粒物的尺度大多小于1 μm，肉眼不可見，這些顆粒物主要來自人類活動(dòng)直接排放(如工業(yè)排放、汽車尾氣、建筑揚(yáng)塵等)，與氣態(tài)污染物二次轉(zhuǎn)化形成的二次氣溶膠(如PM2.5)，以及自然界(如火山爆發(fā)、森林火災(zāi)等)排放。霾能使遠(yuǎn)處光亮物體微帶黃、紅色，使黑暗物體微帶藍(lán)色。 《氣候變化綠皮書：應(yīng)對(duì)氣候變化報(bào)告(2013)》指出[1]，我國(guó)霧霾天氣增多最主要原因是社會(huì)化石能源消費(fèi)增多造成的大氣污染物排放逐年增加。 除人類活動(dòng)，氣候變化導(dǎo)致的有利于霧霾發(fā)生的氣象條件頻繁出現(xiàn)， 也是造成霧霾天氣增多的原因。 霾的形成，大量污染物的排放是主因，而逆溫層造成的大氣層結(jié)穩(wěn)定，風(fēng)力小，氣象條件不利于污染物的擴(kuò)散， 導(dǎo)致污染物不斷累積是霾形成的外部條件。 水汽含量高和紫外線強(qiáng)烈也是觸發(fā)由二次氣溶膠組成的霾生成的一個(gè)重要因素。

多年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)我國(guó)霾天氣變化特征開展了大量的研究工作。 我國(guó)霾日數(shù)呈現(xiàn)東多西少特征[2]，霾天氣主要集中在東部從華南到華北的大部分地區(qū)[3]，年均霾日總體呈“先上升-后平穩(wěn)-再迅速上升”波動(dòng)增加趨勢(shì)[4-8]，霾天氣在華南、華北、長(zhǎng)江中下游呈增多趨勢(shì)， 而我國(guó)西部和東北地區(qū)則以減少趨勢(shì)為主[2-4]。 我國(guó)西部大部分地區(qū)多年平均霾日數(shù)基本都在5 d 以下，東部地區(qū)除東北和內(nèi)蒙古中東部地區(qū)霾日數(shù)較少外，華北、長(zhǎng)江中下游、華南等地霾日數(shù)有5-30 d，其中廣東中部、廣西東北部、江西北部、浙江北部、江蘇南部、河南中部、山西南部、河北中部等地超過30 d[9]。 我國(guó)東部嚴(yán)重霾污染主要是人類活動(dòng)形成的，尤其是二次氣溶膠，在城市區(qū)域占細(xì)粒子的70%以上。 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)霾天氣成因具有明顯的季節(jié)性變化， 我國(guó)大部分地區(qū)霾日數(shù)呈現(xiàn)冬季多，春秋次之，夏季最少的特征[2-4]。 1-12月份的年均霾日數(shù)呈U 型分布， 且所有月份的平均霾日數(shù)均呈增加趨勢(shì)[7]，秋冬兩季變化最明顯[3]。

高密度人口的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)活動(dòng)必然引發(fā)大量細(xì)顆粒物的排放，在特定天氣條件下，極易出現(xiàn)大范圍的霧或霾。 隨著黑龍江省城市建設(shè)和交通路網(wǎng)的快速發(fā)展，霾的不利影響越來越大。2010年以來的秋冬季節(jié)， 氣候偏暖等氣象條件加上供暖燃煤排放和秸稈集中焚燒的影響，霧和霾發(fā)生頻率明顯增加，帶來的不利影響也十分顯著。 2013年10月20-22日，黑龍江省已進(jìn)入供暖期， 加之農(nóng)民集中焚燒秸稈和持續(xù)靜穩(wěn)天氣影響， 嚴(yán)重的霧和霾同時(shí)侵襲并盤踞東北，這次霧和霾天氣過程被評(píng)為2013年中國(guó)十大天氣氣候事件之一，部分地區(qū)能見度在500 m 以下，局部不足10 m，哈爾濱PM2.5 高達(dá)1000 μg/m3，空氣質(zhì)量達(dá)到“嚴(yán)重污染”級(jí)別，致使東北三省一些城市交通癱瘓、高速路封閉、呼吸系統(tǒng)疾病患者激增，數(shù)千所學(xué)校停課[10]。 因此，研究黑龍江地區(qū)霾的時(shí)空分布特征對(duì)霾的預(yù)測(cè)評(píng)估、防治都有重要意義。 本文利用黑龍江省1960-2021年現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析了黑龍江省霾日在時(shí)間、空間上的分布特征，以期為霧霾的進(jìn)一步研究提供有益借鑒。

2 資料與方法

2.1 資料

黑龍江省共轄13 個(gè)地級(jí)行政區(qū)， 包括12 個(gè)地級(jí)市、1 個(gè)地區(qū)，分別是哈爾濱市、齊齊哈爾市、雞西市、鶴崗市、雙鴨山市、大慶市、伊春市、佳木斯市、七臺(tái)河市、牡丹江市、黑河市、綏化市、大興安嶺地區(qū)。

本文數(shù)據(jù)依托全國(guó)綜合氣象信息共享平臺(tái)（CIMISS），選取黑龍江省84 個(gè)氣象站1960年1月-2022年2月霾日數(shù)的月數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。 黑龍江省氣候寒冷，冬季漫長(zhǎng)，按照自然季節(jié)劃分，春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-10月，冬季為11月-次年2月。 因此2021年冬季的數(shù)據(jù)為2021年11月-2022年2月。

2.2 空間插值

一般情況下采集到各氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)都是離散點(diǎn)的形式存在的， 只有在這些采樣點(diǎn)上才有較為準(zhǔn)確的數(shù)值，而其它未采樣點(diǎn)上都沒有數(shù)值。 通過柵格插值運(yùn)算生成一個(gè)連續(xù)的柵格表面， 實(shí)現(xiàn)通過已采樣點(diǎn)的數(shù)值來推算未采樣點(diǎn)值。 本文采用反距離權(quán)重插值(IDW)進(jìn)行空間插值，計(jì)算方法：

式(1)中，Zn 為插值網(wǎng)格上點(diǎn)n 估計(jì)的霾日數(shù)；Z(xi) 為站點(diǎn)觀測(cè)氣象要素值；di 為插值點(diǎn)與站點(diǎn)的距離；n 為氣象站點(diǎn)的數(shù)目；k 為指定的距離冪指數(shù)。

IDW (Inverse Distance Weighted) 是一種均分過程， 它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大，通過對(duì)鄰近區(qū)域的每個(gè)采樣點(diǎn)值平均運(yùn)算獲得內(nèi)插單元值。

3 結(jié)果與分析

3.1 多年平均年霾日數(shù)空間分布特征

1960-2021年黑龍江省多年平均霾日為3.4 d/a，從空間分布角度分析，整體呈北少、南多的特征(圖1)。 多年平均年霾日數(shù)較多的地區(qū)為哈爾濱呼蘭12.8 d、大慶11.6 d、哈爾濱通河10.4 d，其余地區(qū)多年平均年霾日都不超過10 d。年平均霾日＜1 d 的站點(diǎn)有17 個(gè)，占總站點(diǎn)的20%。 如大興安嶺、伊春、黑河、雙鴨山等部分地區(qū)平均年霾日不足1 d，佳木斯同江幾乎沒有發(fā)生過霾天氣。 霾的時(shí)空分布與城市化進(jìn)程、工業(yè)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，所以作為省會(huì)城市的哈爾濱市， 是黑龍江省最容易發(fā)生嚴(yán)重霾的地區(qū)。 另外，霾的形成需要近地面有充足的細(xì)小顆粒物，松嫩平原遇到偏南或偏東暖濕氣流時(shí)，大、小興安嶺阻礙水汽和各種細(xì)小顆粒物的水平擴(kuò)散， 也有利于形成霾[11]。

圖1 黑龍江省1960-2021年平均年霾日數(shù)分布圖

3.2 霾的月、季變化特征

黑龍江省霾有明顯的季變化和月變化， 霾主要出現(xiàn)在冬、春季節(jié)，從月際變化特征分析，霾日數(shù)月平均數(shù)據(jù)呈現(xiàn)U 型分布(圖2)，10月至次年2月是一年當(dāng)中霾發(fā)生次數(shù)最多的時(shí)段。 12月和1月霾天氣日數(shù)偏多，2 個(gè)月霾日數(shù)的總和達(dá)到全年的39%；9月霾天氣日數(shù)最少，約占全年的1%。

圖2 黑龍江省1960-2021年平均霾日數(shù)月際變化

霾是由排除云霧降水粒子之后， 大氣氣溶膠中的非水成物組成的，其主要成分為微小塵粒、煙?；螓}粒的集合體，這些粒子多來自地面上的排放。 如圖3 所示， 黑龍江省大范圍災(zāi)害性霾日數(shù)在2010年以后呈明顯增加趨勢(shì)，之前的50 余年霾天氣發(fā)生是零星的，并多發(fā)生在70、80年代，尤其1980年8月總平均霾日超過3 d， 該月霾日超過3 d 的行政區(qū)有8個(gè)，其中有4 個(gè)行政區(qū)在該月霾日超過5 d。 在一個(gè)月中平均霾日出現(xiàn)10 d 以上有五個(gè)地區(qū)：哈爾濱、齊齊哈爾、大慶、七臺(tái)河、綏化。 其中哈爾濱市是一個(gè)月里出現(xiàn)10 d 以上霾最多地區(qū)，有7 個(gè)月，發(fā)生霾天氣最多月份在2017年1月為14.7 d。 全省各行政區(qū)月霾日出現(xiàn)最多的月份在大慶市2020年1月，該月大慶市平均有17.4 d 都發(fā)生霾天氣。

圖3 1960-2021年黑龍江省平均霾日歷年及四季變化圖

3.3 霾日數(shù)的年代際變化特征

自20 世紀(jì)60年代至80年代每年出現(xiàn)霾日基本維持在1 d 左右，1990年代后有明顯減少，21 世紀(jì)10年代以來又有增加趨勢(shì)，上升幅度明顯。霧日年代際變化趨勢(shì)與霾相同， 但是霧日年代際天數(shù)差異不太明顯。 因此2010年以后霾日數(shù)呈明顯增加，絕大部分是由于人類活動(dòng)影響的氣溶膠顆粒污染造成的。

表1 黑龍江省各時(shí)期平均年霧、霾日數(shù)

20 世紀(jì)60年代黑龍江省霾日范圍為0-10.2 d，高霾日地區(qū)為：綏化蘭西(10.2 d)、大慶杜爾伯特(7.6 d)、伊春五營(yíng)(6 d)、齊齊哈爾依安(5.3 d)，其余地區(qū)霾日為5 d 以下。 1970 s 較1960 s 霾日數(shù)有所增加，最高值達(dá)到21.8 d(伊春五營(yíng))，哈爾濱市、牡丹江市部分地區(qū)開始出現(xiàn)霾天氣。 各年代際間年均霾日不足1 d區(qū)域幾乎可以看作無霾天氣發(fā)生，1980 s 到2000 s霾日不超過1 d 的區(qū)域范圍在逐漸擴(kuò)大，霾日年代際變化呈減少趨勢(shì)。霾日范圍1980 s 最高9.4 d、1990 s降到最高6.3 d、2000 s 最高2.3 d， 最高霾日呈逐年代遞減。 圖4(f)可以看出，霾天氣主要出現(xiàn)在黑龍江省的南部，2010 s 霾日數(shù)＞10 d 的區(qū)域占44%， 增加最多的區(qū)域?yàn)楣枮I市，其次是綏化市。近62 a 線性傾向率增加最多的為哈爾濱通河8.3 d/10a， 其次為綏化6.8 d/10a。 哈爾濱呼蘭達(dá)到最高值，年平均霾日72 d。 1960 s-2000 s 各年代際霾多發(fā)的伊春地區(qū)，在2010 s 大多數(shù)區(qū)域霾都劇烈增加的時(shí)候， 反而保持了霾日＜1 d。

3.4 黑龍江省霾日的躍遷

從圖3 和圖4 可以看出黑龍江省霾日主要在2014年以后頻發(fā)，呈顯著增加。 1960-2013年霾日數(shù)變化相對(duì)平緩穩(wěn)定的， 甚至出現(xiàn)多次全省全年霾日為個(gè)位數(shù)， 其中1992年、2009年、2012年全省全年霾日只有1 d，分別在五營(yíng)、伊春、同江。 然而，到了2014年，霾日驟然增加，1960-2013年霾日每年平均不足1 d，2014-2021年平均霾日增至為20 d/a。

圖4 （a）1960-1969年（b）1970-1979年（c）1980-1989年（d）1990-1999年（e）2000-2009年（f）2010-2019年黑龍江省霾日分布圖

2014-2021年黑龍江省霾日時(shí)空分布變化具體如圖5 所示，2014年平均年霾日為10.2 d；2015年為16.3 d；2016年為歷年來第一次超過了30 d， 達(dá)到34.2 d；2017年 為 近62 a 歷 史 最 多， 達(dá) 到34.4 d；2018年為11.3 d；2019年為15.1 d；2020年 為19.2 d；2021年為19.1 d。 整體霾日仍呈北少南多的特征，加格達(dá)奇一直保持每年0 霾日。2014-2021年黑龍江省內(nèi)每年霾發(fā)生最多的地區(qū)分別為哈爾濱五常（129 d）、大慶肇州（160 d）、哈爾濱呼蘭（346 d）、哈爾濱呼蘭（276 d）、綏化海倫（64 d）、綏化海倫（75 d）、大慶肇源（62 d）、綏化海倫（79 d）。

圖5 （a）2014年（b）2015年（c）2016年（d）2017年（e）2018年（f）2019年（g）2020年（h）2021年黑龍江省霾日分布圖

從圖5 整體看出，霾日發(fā)生范圍在擴(kuò)大，2014年年霾日數(shù)為0 d 的站點(diǎn)有30 個(gè)，2015年有30 個(gè)，2016年有33 個(gè)，2017年有15 個(gè)，2018年有20 個(gè)，2019年 有11 個(gè)，2020年 有7 個(gè)，2021年 就 只 有5個(gè)。 2014年年霾日數(shù)超過100 d 的站點(diǎn)只有1 個(gè)，2016、2017年多地出現(xiàn)年霾日超200 d 的情況，2018年以后再無年霾日超80 d 的地區(qū)， 霾日普遍有所減少，但是到了21 世紀(jì)20年代，大部分地區(qū)霾日又都明顯增加了。如圖5h 所示，2021年年霾日數(shù)在10.1-50 d 的站點(diǎn)有43 個(gè)，占總站點(diǎn)數(shù)一半以上。 圖5c 表明黑龍江省地區(qū)內(nèi)近62 a 來， 哈爾濱市呼蘭區(qū)在2016年一年內(nèi)霾發(fā)生天數(shù)最多，超過300 d，一年中近94.5%天都有霾發(fā)生。呼蘭區(qū)加強(qiáng)了對(duì)全區(qū)大氣污染綜合治理工作，改善環(huán)境空氣質(zhì)量，頒布實(shí)施《呼蘭區(qū)2018年大氣污染綜合治理行動(dòng)方案》等措施辦法，呼蘭區(qū)霾日數(shù)從2017年276 d，到2018年迅速降至34 d， 并且保持逐年減少，2019年為29 d、2020年為18 d、2021年為16 d。

4 結(jié)論與討論

(1)1960-2021年黑龍江省多年平均霾日為3.4 d/a。2014年以后霾日顯著增加，1960-2013年每年霾日平均不足1 d，2014-2021年平均霾日增至20 d/a。空間分布呈現(xiàn)北少、南多的特征，線性傾向率增加最多的為哈爾濱通河8.3 d/10a。

(2)霾年代際變化特征呈現(xiàn)1960 s 到1970 s 增加，1970 s 到2000 s 逐年代減少，2010 s 又有增加趨勢(shì)，2020年以后上升幅度明顯。 20 世紀(jì)60年代霾日數(shù)為1 d、70年代為1.3 d、80年代為0.9 d、90年代為0.2 d、21 世紀(jì)初仍為0.2 d、21 世紀(jì)10年代劇增至12.2 d。 2017年為黑龍江省近62 a年平均霾日最多，達(dá)到34.4 d。

(3)黑龍江省霾天氣有明顯的季變化和月變化，主要出現(xiàn)在冬、春季節(jié)，從月際變化特征分析，霾日數(shù)月平均數(shù)據(jù)呈現(xiàn)U 型分布，10月至次年2月是一年當(dāng)中霾發(fā)生次數(shù)最多的時(shí)段。 各行政區(qū)月霾日出現(xiàn)最多的區(qū)域?yàn)榇髴c， 發(fā)生在2020年1月， 達(dá)到17.4 d。

(4)霾的時(shí)空分布與城市化進(jìn)程、工業(yè)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，2010年以后黑龍江省大部分地區(qū)霾日數(shù)都呈明顯增加趨勢(shì)， 但是之前霾多發(fā)地區(qū)伊春反而都得到控制呈減少趨勢(shì)，并且年霾日＜1 d。 哈爾濱作為省會(huì)城市容易發(fā)生嚴(yán)重霾天氣，2016年哈爾濱呼蘭一年發(fā)生霾天氣達(dá)到346 d，為62 a 以來黑龍江省一年內(nèi)霾發(fā)生天數(shù)最多地區(qū)。 得到治理改善后，呼蘭霾日逐年減少，2017年為276 d，2018年迅速降至34 d，2019年為29 d，2020年為18 d，2021年為16 d。