長株潭地區(qū)霾的氣候變化特征*

鄧新林,李細生,謝倩雯

(株洲市氣象局,湖南 株洲 412000)

0 引言

霾是一種由大量粒徑為幾毫米以下的大氣氣溶膠粒子造成的低能見度天氣現(xiàn)象,多由工業(yè)廢氣、汽車尾氣排放增多及較差的大氣擴散條件共同引起,人為排放的氣溶膠是霾的主要成因[1-2]。霾中含有數(shù)百種大氣化學(xué)顆粒物質(zhì),它們在人們毫無防范的時候侵入人體呼吸道和肺葉中,引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病[3-5];長期暴露于PM2.5超標(biāo)的空氣中,心血管病的發(fā)病率與死亡率也會提高[6-7]。霾與社會經(jīng)濟發(fā)展、人類活動密切相關(guān),其出現(xiàn)的頻率及強度表征著生態(tài)環(huán)境、空氣質(zhì)量的好壞。霾的長期變化特征也可以反映出工業(yè)經(jīng)濟及社會的發(fā)展趨勢或大氣環(huán)境治理的成效[8]。隨著經(jīng)濟的持續(xù)高速增長,霾的多發(fā)與加重成了環(huán)境治理工作中的一個難題。長沙、株洲、湘潭(下文中簡稱長株潭)城市群是長江中下游城市群的重要組成部分。長沙作為湖南省的省會,工業(yè)和經(jīng)濟保持著高速發(fā)展,株洲、湘潭兩市是國家“一五”時期確定的老工業(yè)基地,三地霾多發(fā),大氣污染問題較為嚴(yán)峻。

我國的霾主要發(fā)生在冬季,多發(fā)于早晨。華北、河南、珠三角及長三角地區(qū)是霧霾多發(fā)地,長株潭地區(qū)位于湖南中東部,是長江中游城市群的重要組成部分,也是湖南省經(jīng)濟發(fā)展的核心增長極,人口集中,經(jīng)濟相對發(fā)達,是氣溶膠排放的高值區(qū)[9]。關(guān)于霾的長期變化特征研究結(jié)果表明:我國的霾自20世紀(jì)60年代以來呈上升趨勢,但60年代是霾發(fā)生頻率相對低值時段,70年代至80年代霾發(fā)生頻率較高,90年代有所減少,2001年以來霾急劇增長,我國東部大部分地區(qū)年平均霾日數(shù)幾乎都超過100 d[10-13]。袁智生等[13]對湖南省霾的氣候變化特征進行分析發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)70年代以來,年霾日有增多的趨勢,冬季霾發(fā)生頻率最高,霾日數(shù)占全年近一半。

近年來,長株潭三地的大氣污染問題較為突出,盡管大氣污染防治已初步取得成效,但目前也進入深水區(qū),向前推進的難度在逐漸加大。為了了解長株潭地區(qū)霾的長期變化規(guī)律,為大氣污染防治提供科學(xué)決策依據(jù),本文基于近41年的地面氣象觀測數(shù)據(jù),使用霾觀測記錄、日均法與14時實測法對長沙、株洲、湘潭三地的霾日氣候變化特征進行了分析。

1 資料與方法

本文所用到的數(shù)據(jù)有:長沙、株洲、湘潭三個國家氣象觀測站逐時次(北京時02時、08時、14時、20時)的天氣現(xiàn)象觀測記錄、水平能見度及相對濕度數(shù)據(jù)。文中相對濕度日平均數(shù)據(jù)使用的是北京時02、08、14、20四個時次的算數(shù)平均。由于02時的歷史能見度觀測記錄缺測,故能見度的日平均數(shù)據(jù)使用的是北京時08、14、20三個時次的算數(shù)平均。

在改革開放之前,經(jīng)濟相對欠發(fā)達,霾極為少見,氣象觀測上未明確霾的識別要點,氣象觀測員不易區(qū)分霾與輕霧、靄等其他短視程天氣現(xiàn)象,且我國對霾的觀測規(guī)范進行了多次調(diào)整[14],霾的觀測記錄在時間上沒有可比性,因此不能直接使用天氣現(xiàn)象記錄對霾的長期氣候特征進行研究?？蒲猩蠈τ谔幚黹L時間的歷史資料,霾日的判別有兩類常用的方法,一類是日均值法:將日均能見度<10 km,日均相對濕度<90%,并排除降水、吹雪、雪暴、揚沙、沙塵暴、浮塵、煙幕等天氣記為一個霾日[14-15],而毛敏娟[16]等在分析浙江霾的天氣成因時,把日均相對濕度<80%作為判斷霾的閾值;另一種是14時實測法,這也是國際上[17-19]廣泛采用的討論霾長期趨勢的方法:判別14∶00觀測數(shù)據(jù)滿足能見度<10 km,相對濕度<90%,并排除其他能導(dǎo)致低能見度事件的情況視為一個霾日。劉曉慧[20]等在判別長江三角洲地區(qū)霾時,也將相對濕度<80%作為判斷霾的閾值。在最新的《霾的觀測識別》(GB/T 36542—2018)[21]中,規(guī)定水平能見度<10.0 km,且相對濕度<80%,直接識別為霾;水平能見度<10.0 km,且80%≤相對濕度<95%時,當(dāng)吸濕增長后氣溶膠消光系數(shù)與實際大氣消光系數(shù)的比值達到或超過0.8時識別為霾,一日內(nèi)霾現(xiàn)象持續(xù)6 h以上時,記為一個霾日。最新的霾日判別標(biāo)準(zhǔn)適用于目前的氣象全自動化觀測與天氣現(xiàn)象自動判別系統(tǒng),由于大氣氣溶膠歷史數(shù)據(jù)的缺乏,此判別標(biāo)準(zhǔn)并不適用于霾的長期氣候特征分析。

長株潭地區(qū)位于長江中下游、江南西部,空氣濕度大,年平均相對濕度在70%～80%之間。本文基于前人的工作與本地的氣候特點,使用了三種方法對霾日進行判別,方法見表1。

表1 1980年—2020年霾日的判別方法

本文在討論霾的長期氣候變化特點時用到了非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法(Mann-Kendall檢驗,簡稱M-K檢驗)[22]。對于具有n個樣本量的時間序列x,構(gòu)造一秩序列:

其中

在時間序列隨機獨立的假定下,定義統(tǒng)計量:

其中UF1=0,E(sk),Var(sk)是累計數(shù)sk的均值和方差,UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,它是按時間序列x序列x1,x2,…,xn計算出的統(tǒng)計量序列,給定顯著性水平的α,查正態(tài)分布表,若|UFi|>Uα,則表明序列存在明顯的趨勢變化。按時間序列x逆序xn,xn-1,…,x1,再重復(fù)上述過程,同時使UFk=-UBk(k=n,n-1,…,1),UB1=0。分別繪出的UFk、UFb曲線,當(dāng)他們超過臨界線時,表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk、UFb兩條曲線出現(xiàn)交點,且交點在臨界線之間,那么交點相對應(yīng)的值便是突變開始的時間。

2 結(jié)果與分析

2.1 長株潭三地41年總霾日

本文首先使用了三種方法,對長株潭三地1980年至2020年近41年內(nèi)的霾日進行了統(tǒng)計,結(jié)果見表2。霾觀測記錄顯示,近41年來長沙的霾日最多,達1399天(年均霾日為34.1天),其次為湘潭,總霾日為965天(年均霾日為24.5天),霾日最少的為株洲,41年總霾日為737天,年均霾日僅為18天;由日均法統(tǒng)計的總霾日比霾觀測記錄多,總霾日數(shù)長沙>湘潭>株洲;14時實測法統(tǒng)計出來的霾日最多的為湘潭,其次為長沙,最少為株洲。湘潭、株洲由三種方法統(tǒng)計出來的霾日數(shù)比例為霾觀測記錄∶日均法∶14時實測法≈1∶2.8∶3,而長沙由三種方法統(tǒng)計出來的霾日數(shù)比例為霾觀測記錄∶日均法∶14時實測法≈1∶2.4∶1.8。

表2 三種方法統(tǒng)計的41年霾日數(shù)

2.2 長株潭三地霾日逐月變化

圖1是由三種方法統(tǒng)計的長株潭三地逐月的霾日數(shù),由圖可見,霾日的逐月分布均呈一致的上拋物線,冬半年(10月至次年3月)霾日多,夏半年(3月至9月)霾日少,這也說明了雖然日均法與14時觀測法判別出來的霾日的數(shù)量與人工觀測記錄的相比差別較大,但是仍能反映出霾日的氣候分布特征。霾日在1月至2月最多,可達8天以上;2月之后霾日逐漸減少;6月至8月的霾日最少,在4天以下,其中長沙、湘潭6月至8月的月均霾日在1天左右,株洲6月至8月的月均霾日不足一天,7月僅為0.2天;9月之后,霾日逐月增多,到12月達到最大值。

圖1 長株潭三地1980—2020年的月均霾日

霾日的逐月變化與氣候的年內(nèi)變化相對應(yīng):9月至次年3月,地面易受均壓場控制,近地面風(fēng)力小,大氣條件靜穩(wěn),逆溫層出現(xiàn)的概率高,混合層高度低,大氣擴散條件較差,導(dǎo)致冬半年霾多發(fā);3月開始,西南季風(fēng)開始發(fā)展,降水與雨日逐漸增多,降水的沖刷作用有利于污染物的沉降,霾日逐月變少。

2.3 霾日的年代際變化

由于人工判別的霾存在一定的主觀上的誤差,基于能見度和相對濕度的霾判別方法可以客觀地判別霾日,雖然結(jié)果上與人工觀測的霾日數(shù)存在較大偏差,但其表現(xiàn)出來的年代際的氣候變化特征具有很高的可靠性。

圖2-圖4是長株潭三地霾日數(shù)的逐年變化及非參數(shù)化統(tǒng)計檢驗(M-K檢驗)統(tǒng)計量的變化曲線,給定顯著性水平α=0.05,即u0.05=±1.96。

圖2 長沙霾日的逐年變化

從霾日的逐年變化上看(圖2(a)),過去41年,長沙霾日在2015年前總體呈上升趨勢:1980—1996年霾日呈波動性上升,1996年—2000年霾日略有下降,2000年至2011年霾日明顯上升。2011年以后,三種方法統(tǒng)計出來的霾日呈現(xiàn)不同的趨勢:人工觀測的霾日數(shù)逐年下降,而日均法及14時觀測法統(tǒng)計出來的霾日數(shù)表現(xiàn)出較為一致的趨勢,年霾日數(shù)在2015年達到最大值,隨后出現(xiàn)明顯下降。

對長沙霾日的M-K曲線進行分析(圖2(b)-圖2(d)),結(jié)果顯示三種方法統(tǒng)計的霾日自20世紀(jì)80年代以來呈上升趨勢,20世紀(jì)90年代初期霾日增多的趨勢超過了顯著性水平為0.05的臨界線,表明霾日增多的趨勢是十分顯著的。UF和UB曲線在1985年相交,表明霾日增多的趨勢在20世紀(jì)80年代中后期發(fā)生了突變。三種方法統(tǒng)計出來的年霾日M-K曲線顯示2015年以后霾日有下降的趨勢。

圖3(a)是株洲霾日的逐年變化曲線,由日均法及14時觀測法得出的逐年霾日變化曲線顯示20世紀(jì)80年代初至80年代末,霾日有下降的趨勢,但霾觀測記錄顯示該段時間內(nèi)霾日無明顯變化;90年代初至90年代末,霾日呈波動性上升;2000年以后,年霾日的上升趨勢更為明顯,到2010年后,霾日陡增,到2012年,霾日多達150天以上;2012年以后,三種方法統(tǒng)計的霾日出現(xiàn)較大差異:霾觀測記錄呈明顯下降的趨勢,而日均法及14時觀測法統(tǒng)計的霾日呈一定的波動性,在2016年以后呈下降趨勢。綜上可得出結(jié)論:株洲地區(qū)年霾日在2012—2016年達到最大值,2016年以后霾日明顯下降。

圖3 株洲霾日的逐年變化

三種統(tǒng)計方法統(tǒng)計的霾日M-K曲線均顯示,自2005年以來,霾日有增多的趨勢,2010年以后霾日顯著增多;日均法與14時實測法統(tǒng)計的UF與UB曲線相交于2010年,且在臨界線之間,表示2010年霾日增多是一突變現(xiàn)象(圖3(b)-圖3(d))。

從圖4(a)可以看出,20世紀(jì)90年代初以前,湘潭霾日呈上升趨勢;20世紀(jì)90年代初至21世紀(jì)初,霾日呈下降趨勢;2000年至2010年,霾日變化較為穩(wěn)定;2011年至2015年,霾日顯著上升;2015年以后,霾日顯著下降。對湘潭年霾日數(shù)進行M-K分析(圖4(b)-4(d)),發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80年代中后期至90年代后期為霾日顯著增多期,21世紀(jì)初期霾日有所下降,但下降的趨勢沒有通過置信度為0.05的檢驗。

圖4 湘潭霾日的逐年變化

綜上所述,長沙、株洲、湘潭三地霾日年代際變化表現(xiàn)出不一樣的特征:長沙自20世紀(jì)80年代初以來,霾日呈增多的趨勢,20世紀(jì)90年代初霾日顯著增多,自2015年以來,霾日顯著減少。株洲霾日自21世紀(jì)初開始呈增多的趨勢,2010年以后顯著增多,2016年以來,霾日有減少的趨勢;湘潭霾日在20世紀(jì)80年代后期至90年代有一段霾日的明顯上升期,2015年以后,霾日明顯下降。

3 結(jié)論與討論

通過對長沙、株洲、湘潭三個國家氣象站相對濕度、能見度、天氣現(xiàn)象進行分析,使用三種方法統(tǒng)計了近41年來的霾日數(shù),得出如下結(jié)論:

1)三種方法統(tǒng)計的41年總霾日數(shù)差別較大,長沙站三種方法的比例為霾觀測記錄∶日均法∶14時實測法≈1∶2.4∶1.8,株洲和湘潭的為霾觀測記錄∶日均法∶14時實測法≈1∶2.8∶3。

2)三種方法統(tǒng)計的霾日逐月分布較為一致,說明雖然日均法與14時實測法統(tǒng)計的霾日數(shù)差別較大,但仍可以表征霾日的長期氣候特征。

3)長沙、株洲、湘潭三地霾日年代際變化表現(xiàn)出不一樣的特征:長沙自20世紀(jì)80年代初以來,霾日呈增多的趨勢,20世紀(jì)90年代初霾日顯著增多,自2015年以來,霾日顯著減少。株洲霾日自21世紀(jì)初開始呈增多的趨勢,2010年以后顯著增多,與長沙類似,自2016年以來,霾日有減少的趨勢。湘潭霾日在20世紀(jì)80年代后期至90年代明顯增多,2015年以后,霾日明顯下降。

歷史上人工觀測的霾記錄具有較大的主觀性,且觀測標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過幾次修改,時間上存在前后不一致的情況,在分析霾的氣候變化特征上,只可作為參照;14時實測法和日均法得出霾判別的數(shù)據(jù)中,兩者均能較好地用于分析霾的氣候變化特征。

由于當(dāng)前氣象觀測改革,以前的人工觀測逐漸轉(zhuǎn)為全自動觀測,對于霾的判別已經(jīng)完全依賴于基于自動觀測數(shù)據(jù)的計算機自動判識,最新的全自動觀測霾的記錄與日均法、14時判別法得出的結(jié)論的差別還需進一步對比與驗證。