周 威,康 嵐*,郝麗萍

1980~2012年四川盆地及典型城市的霾日變化特征分析

周 威1,2,康 嵐1,2*,郝麗萍3

(1.四川省氣象臺,四川成都610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室,四川成都610072；3.四川省氣象局,四川成都610072)

利用1980~2012年川渝地面氣象站資料,采用14:00時法對川渝霾日進行重建,統(tǒng)計分析了川渝霾日的時空分布和長期變化特征.結(jié)果表明:1980~2012年川渝霾日集中分布在四川盆地,多發(fā)于冬季、秋末和初春;盆地年平均霾日數(shù)為63.5d,主要分布在盆地東北部、中部和南部.1980~1998年盆地的年霾日數(shù)呈上升趨勢,之后維持在年平均值附近,近2年略微下降.不同能見度等級霾的分析顯示,輕微霾分布最廣且日數(shù)最多,日數(shù)逐年來持續(xù)小幅上漲,另外3種霾在2000年之后逐漸減少;輕度霾主要分布在四川盆地南部,而中度霾和重度霾則集中在重慶西南部.典型城市霾日的長期變化趨勢表明,其霾日由冬季霾為主逐漸向春季和秋季擴展;20世紀80年代廣安和綿陽2市的霾日數(shù)均呈上升趨勢,90年代則明顯下降,21世紀以來又出現(xiàn)了劇烈上升.樂山、內(nèi)江威遠、宜賓南溪以及重慶涪陵4市的年霾日數(shù)一直呈持續(xù)上升趨勢,宜賓南溪的霾日數(shù)由1980年的93d持續(xù)上升至2006年的237d;相比之下,重慶涪陵的年霾日數(shù)上升幅度相對較小,但重慶榮昌的霾日數(shù)逐年變化較大,其離差系數(shù)為涪陵的2倍.

霾日；時空變化；四川盆地；典型城市；特征分析

近年來,隨著城市化進展的加快,霾天氣已經(jīng)成為一種新的氣象和環(huán)境災(zāi)害性天氣現(xiàn)象,它給人們的健康、交通帶來了嚴重的危害,引起了社會的高度關(guān)注[1-4].霾是集空氣中的塵粒、煙粒、鹽粒(硫酸鹽、硝酸鹽等)、黑炭等粒子均勻懸浮在空氣中所致,其水平能見度小于10km[4-5].多年來,國內(nèi)學(xué)者對我國的霾天氣空間分布、變化特征等方面已有一些研究.通過對1951~2005年我國大陸霾的長期變化情況分析,發(fā)現(xiàn)1956~1980年是我國霾日較少的時期,但四川盆地超過了50d, 且20世紀80年代增加趨勢明顯,霾日全國前10的城市中四川盆地有成都、遂寧及內(nèi)江3個,可見四川盆地霾的嚴重性[6].另外,高歌通過分析1961~2005年我國霾日的氣候特征,同樣發(fā)現(xiàn)全國平均年霾日數(shù)呈明顯增加的趨勢[7]. 1971~ 2010年近40年我國霾區(qū)主要分布在珠江三角州、廣西東北部、華北、長江三角州、福建沿海、四川盆地以及云南南部.其前30年的霾日高值區(qū)在華北地區(qū),后10年在長江三角州和珠江三角州地區(qū)[8-11].東北地區(qū)1981~2000年時段增加最為顯著[12].

另外,葉光營等人發(fā)現(xiàn)霾天氣長期變化具有明顯的季節(jié)變化特性,主要發(fā)生在冬季和秋季,春季和夏季較少[13-14].霾氣候特征有明顯的空間差異,且霾的年代和年際變化受降水、風力、季風等變化條件的影響[15-16].

四川盆地是我國四大霾區(qū)之一[17],盆地主要是盆周山地、盆內(nèi)平原、盆中丘陵,并在西部和北部形成了特殊的地形特征,盆地大氣層結(jié)穩(wěn)定,容易出現(xiàn)逆溫和靜風的現(xiàn)象,不利于霾的擴散,而盆地又是我國人口最密集且周邊地勢起伏最大的區(qū)域之一[18],所以研究四川盆地霾的空間分布和長期變化趨勢是非常重要的.

盡管一些關(guān)于霾的研究已經(jīng)涉及了四川盆地,如通過分析川渝等地霾的氣候特征,發(fā)現(xiàn)干消光系數(shù)、能源消耗以及人口與霾日數(shù)呈顯著相關(guān),風速與霾日數(shù)呈顯著負相關(guān)[19].還有研究發(fā)現(xiàn)四川南部的氣溶膠厚度(AOD)呈北高南低的勢態(tài), 且內(nèi)江和自貢的值最大[20].但是專門針對四川盆地霾的整體時空分布、不同能見度等級霾的時空分布以及一些典型城市霾的長期變化特征的研究仍然相對較少.因此本文著重從以上幾點對四川盆地霾進行研究分析,包括盆地霧日數(shù)年際變化及平均相對濕度變化對四川盆地霾日時空分布的影響研究.

1 資料與方法

資料包括1980~2012年四川和重慶地區(qū)的逐日地面觀測天氣現(xiàn)象資料、能見度資料、相對濕度資料.川渝共有190個站次具有完整的觀測記錄資料,其中盆地有148站次. 綜合利用地面觀測資料來重構(gòu)和分析霾的時空分布和變化特征.

關(guān)于霾日的歷史資料統(tǒng)計方法主要有3種:人工觀測記錄法,日均值法及14:00時法.人工觀測記錄法是通過觀測員觀測記錄訂正,只要在某一天中任何時刻出現(xiàn)了符合霾標準的天氣現(xiàn)象,即記為一個霾日;日均值法[21]是當日日均能見度小于10km,且日均相對濕度小于90%,并排除降水、吹雪、雪暴、揚沙、沙塵暴、浮塵、煙霧等能導(dǎo)致能見度降低的天氣現(xiàn)象,記為一個霾日;14:00時法[22-23]是首先選取14:00時的能見度小于10km的露(01)、霜(02)、結(jié)冰(03)、煙霧(04)、霾(05)、輕霧(10)、霧(42)這些導(dǎo)致能見度降低的天氣現(xiàn)象,同時利用相對濕度資料,將小于90%的記為一個霾日,大于90%的認為是霧,這樣可以將霧中的霾分離出來,又可以將霾中的霧分離出去,同時利用天氣現(xiàn)象代碼排除降水、吹雪、雪暴、揚沙、沙塵暴、浮塵等降低能見度的天氣事件,使得統(tǒng)計準確性更高.本文選取14:00時法對盆地霾日進行篩選重建.另外,根據(jù)中國氣象局發(fā)布的《霾的觀測和預(yù)報等級》,按照不同的能見度等級范圍,將霾分為輕微霾(5~10km)、輕度霾(3~5km)、中度霾(2~3km)、和重度霾(<2km).

2 霾的時空分布特征

2.1 霾的地域分布特征

圖1(a)給出了1980~2012年川渝地區(qū)年平均霾日數(shù)的空間分布.其中,四川盆地各站的年平均霾日數(shù)為63.5d,與郭曉梅等[19]分析的近50a四川盆地年平均霾日數(shù)為62.5d非常接近.霾日集中在盆地南部和中部地區(qū),而西部沿山、北部及東部地方霾日分布相對較少,盆地中有19個站年平均霾日數(shù)超過了100d,分別有成都的新津,眉山的青神和丹棱,樂山的樂山市區(qū)和峨眉,達州的大竹,廣安的鄰水,內(nèi)江的資中、威遠及隆昌,宜賓的南溪和高縣,瀘州的合江以及自貢市區(qū),還有重慶地區(qū)的銅梁、北陪區(qū)、璧山、重慶市、巴南區(qū).內(nèi)江威遠的霾日數(shù)最多,平均達158d;另外,川西高原和攀西地區(qū)站的年平均霾日數(shù)只有1.3d,由于這些區(qū)域海拔較高,人煙稀少,城市發(fā)展相對緩慢,污染源少,所以霾日稀少.可見川渝的不同地區(qū)霾日的分布具有較大的差異.

由于四川盆地地形特殊,濕度大,是一個霧日多發(fā)的地區(qū),霧往往會對觀測者判斷霾時造成干擾,因此對比分析霾和霧的時空分布特征是必要的.圖1(b)給出了1980~2012年川渝地區(qū)的年平均霧日數(shù)的空間分布,其中,盆地的年平均霧日數(shù)為36.5d,集中在盆地中部、西南部地區(qū),與盆地南部霾日較多且北部較少具有明顯差異.四川地區(qū)霧日在40d以上的有23站,重慶地區(qū)有9站,霧日最多的是超過200d的峨眉山站,由于峨眉山站地處海拔3000m以上的高山,常年有霧.另外,川西高原和攀西地區(qū)的霧日均較少,普遍在5d以下,但是涼山州東北部的雷波地區(qū)則達到了82d.

圖1 1980~2012年川渝地區(qū)的年平均霾和霧日數(shù)的空間分布

從霾和霧的空間分布可以看出,霾日有2個中心,分別位于四川的南部和重慶西南部,而霧日中心則更靠近川渝北部,峨眉山地區(qū)也是霧日的高發(fā)中心.另外,盆地南端是霾日的高發(fā)區(qū),但是霧日較少;而盆地北部是霾日低發(fā)區(qū),卻是霧日高發(fā)區(qū),兩者具有明顯差異.

2.2 四種類型霾的地域分布特征

由于川西高原、攀西地區(qū)常年無霾天氣,因此本文主要針對四川盆地霾的空間分布和長期變化特征進行分析.

對于不同強度的霾,人們的關(guān)注度有所不同.圖2給出了1980~2012年四川盆地不同能見度等級霾日的空間分布.盆地各站輕微霾(圖2a)的年平均霾日數(shù)為37.6d,是4類霾中分布最廣、日數(shù)最多的一類,高值中心在四川的自貢、內(nèi)江等地,其中日數(shù)最多的是樂山峨眉站的105d;輕度霾的年平均霾日數(shù)為15.0d,輕度霾(圖2b)最多的是重慶北陪區(qū)站的65.6d,且有兩個高值中心,一個同樣位于四川的自貢,另一個位于重慶西南部.中度霾(圖2c)和重度霾(圖2d)的年平均霾日數(shù)分別為5.4d和3.4d,高值中心都在重慶西南部,其中,中度霾日數(shù)最多的是宜賓南溪站的22.3d,重度霾日數(shù)最多的是重慶市區(qū)站的16.7d.

3 霾的長期變化特征

3.1 四川盆地霾的分布

圖3(a)和(b)分別描述了盆地各站年平均霾、霧日數(shù)的逐年變化和月平均日數(shù)變化.盆地各站年霾日數(shù)平均為63.5d,最多的是1996年的77.5d,最少的是2011年的51.5d.根據(jù)逐年的演變趨勢可見,20世紀80年代~90年代初期,盆地的霾日數(shù)呈逐漸上升的趨勢,至90年代末期逐漸下降,進入21世紀之后,下降趨勢明顯減緩.再結(jié)合霾、霧以及日平均相對濕度分析,前兩者均在1992年達到峰值之一(霾日數(shù)為1996年最多),平均相對濕度在1989年處于峰值,但是隨后霧日數(shù)和日平均相對濕度呈直線式下降,且兩者有較好的對應(yīng)關(guān)系,而霾日數(shù)變化相對平緩.盆地年平均霾日數(shù)要明顯多于霧日數(shù),且這種差距呈增大的趨勢.郝麗萍[24]研究發(fā)現(xiàn)由于城市熱島效應(yīng)的影響,在進入20世紀90年代以來,成都市區(qū)的平均相對濕度大幅減少,也導(dǎo)致了該地區(qū)霧日數(shù)的減少,另外,蘇秀程[25]也曾分析我國西南地區(qū)在2000年后干濕狀況開始惡化,處于相對干旱期,城市化的加速發(fā)展對當?shù)氐奶鞖庖赜蟹浅Ｃ黠@的影響,進而影響到天氣現(xiàn)象.新世紀以來,盡管相對濕度進一步減小,但是城市化進展更加迅速的發(fā)展和擴大,導(dǎo)致了大氣中顆粒物劇增,所以霾日數(shù)相對穩(wěn)定,波動變化不明顯.

另外,盆地各站的月平均霾日數(shù)(圖3b)顯示,盆地的霾日主要出現(xiàn)在冬季、初春和秋末,12月和1月是霾日和霧日最多的2個月份,4~9月是兩者發(fā)生較少的月份,月霾日平均在2d左右;另外,9~12月及1月的月平均相對濕度超過80%,10月達到了85%,但與霾日變化趨勢沒有明顯地對應(yīng)關(guān)系.盡管從年際分布來看,年霾日數(shù)均多于霧的,但在春季和夏季兩者的月平均日數(shù)較為接近,可見秋冬季節(jié)霾日發(fā)生更為頻繁.

圖3 四川盆地霾日數(shù)的年平均和月平均變化趨勢

3.2 四種霾的長期變化特征

圖4(a)和(b)給出了1980~2012年四川盆地4類不同能見度等級霾的各站年平均和月平均霾日數(shù)的長期變化趨勢.圖4(a)清晰地顯示,輕微霾逐年的年平均霾日數(shù)明顯多于其他3種,輕微霾日數(shù)最少的是1994年的33.6d,最多的是1998年的42.8d,多年來日數(shù)波動變化平緩,而在2000年以后其他3種的霾日數(shù)卻呈下降的趨勢,一定程度上說明了程度較重的霾天氣有所改善.1980~ 1992年輕度霾、中度霾以及重度霾的年平均日數(shù)均呈上升趨勢,且在1992年達到峰值,分別為20.0d、10.1d及7.3d.

圖4 四川盆地不同能見度能等級霾日的年平均和月平均變化趨勢

另外,從圖4(b)中4類霾的月平均霾日數(shù)來看,4種霾都是在1~3月和10~12月偏多,4~9月份偏少,均高發(fā)于冬季、春初和秋末.

4 盆地中典型城市霾的長期變化

4.1 典型城市的年霾日變化

選取位于盆地西北部的綿陽、盆地中部的廣安、盆地中南部的自貢和榮昌、盆地西南部的樂山、盆地東南部的涪陵以及霾日數(shù)較多的內(nèi)江威遠、宜賓南溪共8個典型城市代表站,分析多年來其霾日長期變化特征.圖5給出了1980~2012年各城市的霾日數(shù)、霧日數(shù)以及年平均相對濕度的變化特征;另外,表1給出了各城市霾日數(shù)長期變化的具體統(tǒng)計特征參數(shù).

由圖5a和5b顯示,綿陽和廣安2市進入21世紀后霧日數(shù)和相對濕度持續(xù)下降,由于相對濕度降低,粒子吸濕增長成為霧滴的能力下降,導(dǎo)致霧日數(shù)減少,但是霾日數(shù)卻出現(xiàn)了上升的相反趨勢,且有的城市上升非常劇烈.伴隨城市化進展的迅速擴大,綿陽的霾日數(shù)從2001年的19d飆升至2009年的119d,霧日數(shù)卻從70d減少至30d,期間相對濕度由80%多降到70%以下,最高下降了12%左右.從表1的平均正距平和負距平對應(yīng)的離差系數(shù)來看,綿陽霾日數(shù)后期正距平波動明顯強于前期的負距平.廣安與綿陽的年霾日數(shù)具有相似的變化特征,但廣安的明顯多于綿陽.

表1 四川盆地典型城市年霾日數(shù)的變化特征參數(shù)

與綿陽、廣安2市在20世紀90年代期間年霾日數(shù)出現(xiàn)了明顯地下降不同,樂山、南溪、威遠以及重慶涪陵4市縣(圖5c、e、f、g)的霾日數(shù)多年來一直處于持續(xù)上升的趨勢.南溪是盆地中霾日數(shù)最多的城市之一,由1980年的93d持續(xù)上升至2006年的237d,且21世紀以來霾日數(shù)呈飆升勢態(tài),但對應(yīng)的霧日數(shù)卻很少.另外,南溪相對濕度多年來變化較小,年平均相對濕度維持在84.3%左右,可能是由于長江經(jīng)過南溪境內(nèi),使得該地區(qū)常年維持較高的濕度條件,可見該地區(qū)霾日數(shù)的突然增多是由于大氣中顆粒物的急速增加造成的,和城市化的迅速發(fā)展是密不可分.同樣地,樂山和威遠的霾日數(shù)也有類似的變化特征,但是相對濕度明顯下降,最多下降了近8%,但是近幾年樂山地區(qū)的相對濕度略微升高.此外,重慶涪陵的霾日數(shù)上升趨勢較弱,但霧日數(shù)從2000年開始出現(xiàn)了明顯的持續(xù)減少,同廣安的類似.

自貢市(圖5d)的變化特征與其余幾個城市具有較為明顯的差異.從20世紀80年代~90年代末期自貢市的年霾日數(shù)較多,平均維持在170d左右,且1980~1988年自貢市年霾日數(shù)變化的離差系數(shù)只有0.06(如表1),可見該階段的霾日數(shù)年際變化很小.然而,此階段霧日數(shù)卻持續(xù)增加,相對濕度呈下降趨勢,最高下降了近13%.由于自貢市作為四川省最早的直轄市和工業(yè)重鎮(zhèn),發(fā)展相對較早,前期工業(yè)發(fā)展迅速導(dǎo)致了霾日數(shù)較多,后期隨著氣候變化,霧日數(shù)逐漸減少,此階段與綿陽20世紀90年代的變化特征較為類似.盡管重慶榮昌(圖5h)的地理位置與自貢臨近,但常年來其霾日數(shù)波動卻非常大,從90年代末期開始,年霾日數(shù)的離差系數(shù)達到了0.26(表1),而榮昌的霧日數(shù)并沒有隨著相對濕度的大幅度降低而明顯減少.

無論是從盆地整體還是典型城市年霾日數(shù)的長期變化來看,除了重慶榮昌以外,其余城市的霾日數(shù)在2010后都出現(xiàn)了不同程度的下降或者減緩上升.

4.2 典型城市的季節(jié)變化

從圖3盆地的月平均霾日數(shù)統(tǒng)計分析可知,霾日主要集中在冬季(12~2月)、秋末(11月)和春初(3月),冬季最多,夏季最少.進一步從典型城市多年來的月霾日數(shù)分布特征來看,該特征表現(xiàn)仍然明顯,8個典型城市的霾日基本集中在冬季.但是,近年來有的城市春季、秋季甚至夏季霾日在逐漸發(fā)展(圖6).

圖6a和6b顯示,綿陽、廣安以及重慶涪陵的霾日集中分布在冬季,廣安的在秋季也較為高發(fā),3市在3月份也有一定的霾日;自貢在進入21世紀之前霾日數(shù)較多,在整個秋季和春季都存在一定的霾日,如圖6d所示,而21世紀之后霾日逐漸減少,轉(zhuǎn)為以冬季霾為主;根據(jù)前面的分析可知,宜賓(南溪)和內(nèi)江(威遠)是盆地霾日最多的2個地區(qū),由圖(6e)可見,21世紀以來,南溪地區(qū)春季和秋季霾迅速增多,在2006年前后日數(shù)甚至超過冬季霾,月霾日數(shù)達到近30d,由冬季霾為主逐漸向四季發(fā)展,而威遠的月霾日數(shù)和南溪的具有類似變化特征,只是威遠的變化程度要弱于南溪,且近幾年樂山地區(qū)的霾日也逐漸向春季和秋季發(fā)展.此外,自貢和重慶榮昌的霾日由早期的冬季和秋季逐漸轉(zhuǎn)為冬季霾,并且霾日數(shù)有減少的趨勢.

圖6 四川盆地典型城市月霾日的變化趨勢

5 結(jié)論

5.1 川渝地區(qū)的霾日主要分布在四川盆地,盆地站年平均霾日數(shù)為63.5d,集中在盆地東北部、中部和南部地區(qū),盆地的霾日主要出現(xiàn)在冬季、初春和秋末,12月份最多;川西高原和攀西地區(qū)年平均霾日數(shù)極少,僅有1.3d.

5.2 盆地中輕微霾的年平均霾日數(shù)為37.6d,是4種霾中分布最廣且日數(shù)最多的一種,高值區(qū)中心在四川的自貢、內(nèi)江等地,其中日數(shù)最多的是樂山峨眉站的105d;輕度霾的年平均霾日數(shù)為15.0d,輕度霾最多的是重慶北陪區(qū)站的65.6d,且有2個高值中心,一個位于四川自貢,另一個位于重慶西南部.中度霾和重度霾的年平均霾日數(shù)分別為5.4d和3.4d,高值中心均在重慶西南部,其中,中度霾日數(shù)最多的是宜賓南溪站的22.3d,重度霾日數(shù)最多的是重慶市區(qū)站的16.7d.

5.3 盆地各站的年平均霾日數(shù)、霧日數(shù)及年平均相對濕度1980~1992年均呈上升趨勢.從1993年開始,隨著氣候特征的轉(zhuǎn)變,相對濕度降低,導(dǎo)致了霧日數(shù)劇烈下降,但是霾日數(shù)下降相對緩慢.進入新世紀,霧日數(shù)和相對濕度繼續(xù)下降,而霾日數(shù)卻有所上升.且盆地霾日由冬季霾為主逐漸向春季和秋季擴展.

5.4 20世紀80年代廣安和綿陽2市的霾日數(shù)均呈上升趨勢,90年代則明顯下降,21世紀以來又出現(xiàn)了劇烈上升.樂山、內(nèi)江威遠、宜賓南溪以及重慶涪陵4市的霾日數(shù)一直處于持續(xù)上升的勢態(tài),宜賓南溪由1980年的93d持續(xù)上升至2006年的237d.但是除了重慶榮昌以外,典型城市的霾日數(shù)均在2010年以后都出現(xiàn)了不同程度的下降或者減緩上升.

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致謝：感謝四川省氣象局探測數(shù)據(jù)中心和重慶市氣象局信息中心為本文整理相關(guān)歷史數(shù)據(jù),保證了數(shù)據(jù)的全面性和可靠性.

Characteristic analysis of haze in Sichuan Basin and typical cities from 1980 to 2012.

ZHOU-Wei1,2, KANG-Lan1,2*, HAO Li-ping3

(1.Sichuan Provincial Meteorology Observatory, Chengdu 610072, China；2.Heavy Rain and Drought-Flood Disaster in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072, China；3.Sichuan Provincial Meteorology Bureau, Chengdu 610072, China)., 2017,37(10)：3675~3683

The temporal and spatial distributions and long-term variation characteristics of haze were obtained for the Sichuan-Chongqing region from 1980 to 2012 by studying surface meteorological data and using a haze-days reconstruction method. Most haze occurred in the Sichuan Basin, where the average number of haze days was 63.5 days. The haze was mainly distributed in the northeastern, central and southern areas, with most haze occurring in winter (particularly December), late autumn and early spring. The annual average number of haze days had a rising trend before 1998, and then remained relatively stable before decreasing slightly in the last two years. According to different levels of visibility, “slight haze” was most widely distributed and most frequent, with the trend rising year by year, whereas the others (“mild haze”, “moderate haze” and “heavy haze”) decreased after 2000. From the long-term variation characteristics of typical cities in the region, the trend in Guangan and Mianyang featured a rise in the 1980s, a sharp decrease in the 1990s, and then an increase from the turn of the 21st century, with the number of haze days in the former of these two cities being considerably greater than that in the latter. Elsewhere, the number of haze days in Leshan, Weiyuan, Nanxi and Peiling rose over the years, with Nanxi experiencing the most haze days of all the cities in the basin, the number of days soared from 93 in 1980 to 237 in 2006. By contrast, the rising trend in the number of haze days in Peiling was relatively weak, whereas in another city (Rongchang) it was strong, mainly because of a two fold difference in the dispersion coefficient between the two.

haze days；spatiotemporal variation；sichuan basin；typical cities；characteristic analysis

X51

A

1000-6923(2017)10-3675-09

周 威(1987-),男,四川成都人,工程師,碩士,主要從事環(huán)境氣象、氣候變化等方面的研究.發(fā)表論文2篇.

2017-03-08

國家科技支撐計劃項目(2014BAC16B00);四川省氣象臺精細化預(yù)報創(chuàng)新團隊

* 責任作者, 高級工程師, kanglan_330@163.com