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，隨著我國城市化、工業(yè)化和交通運輸現(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)污染物通過光化學反應產生的二次氣溶膠污染物日增，使得霾現(xiàn)象日趨嚴重，已經成為一種新的災害性天氣[1]，例如2013 年1 月發(fā)生在中國東部的強霾事件[2-5]，京津冀地區(qū)污染天數達到27 d，北京市達到極重污染程度，因此對霾天氣的研究變得非常迫切。

2003 年，我國首次使用“霾”概念[6]，將霧與霾進行了區(qū)別研究。越來越多的專家認為，霧和霾分別屬于不同的天氣現(xiàn)象，應該霧和霾分別進行研究。對全國和區(qū)域性霾日的研究已有一些，例如高歌[7]利用1961—2005 年中國霾日資料，對中國霾的時空氣候分布特征、變化趨勢進行了分析，并探討了霾變化的可能原因及其與太陽總輻射、日照時數變化的關系。他的研究結果表明，華北地區(qū)為霾的三個多發(fā)區(qū)之一，并且冬季出現(xiàn)的日數偏多。宋連春等的研究[8]表明1961—2012 年華北地區(qū)的霾日數呈增長趨勢。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]對華東霾日的變化成因進行了分析，認為氣象條件的變化、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增強，是霾日數增多的原因。

研究表明，相對濕度90%的閾值是區(qū)分輕霧和霾的輔助判據[5-13]，因此直接使用地面觀測資料造成相對濕度閾值定得太低，容易將大量霾記成輕霧。吳兌等利用相對濕度90%的閾值對中國大陸的霾日重新進行了劃分和分析，認為中國大陸12 月和1 月霾天氣日數明顯偏多，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80—90年代基本維持在每年200 d 左右，21 世紀以來逐漸減少到每年霾日數80 d 左右。孫彧等[14]利用相同的標準對1971—2010 年的中國霾日數進行了分析，結果表明，霾日的分布很不均勻，與城市工業(yè)化程度密切相關，重霾污染區(qū)大都是在工業(yè)城市以及高度發(fā)達的城市。對比前30 a 和后10 a 的霾日數分布發(fā)現(xiàn)，前者高值區(qū)在華北地區(qū)，而后者則為長三角、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、邯鄲和邢臺等地最為明顯。

還有一些研究關注天氣分析、診斷分析及模式分析等[16-17]，這些研究使我們對全國及區(qū)域性霾日的分布有了一個大概的了解，雖然華北地區(qū)是霾多發(fā)區(qū)，但對其研究仍然偏少，未利用相對濕度對地面觀測數據進行訂正，對華北地區(qū)冬季不同等級霾日的分布特征也缺少研究。本文針對這些不足，用相對濕度對地面觀測數據進行訂正后，分析華北地區(qū)冬季霾日的時空分布特征，并將霾日進行級別劃分，分析不同級別霾日的時空分布特征。

1 資料與方法

本研究使用1961—2012 年中國地面定時觀測數據中02、08、14 時和20 時BT 的觀測資料，該資料經過國家氣象信息中心最新整編，并經過嚴格的質量控制和檢驗。在這4 個時次中任何一個時次出現(xiàn)能見度＜10 km，相對濕度＜90%的天氣現(xiàn)象定義為一個霾日，并且排除降水、吹雪、揚沙、沙塵暴和浮塵等天氣現(xiàn)象對能見度的影響。

值得特別說明的是，根據中國氣象局《氣象觀測暫行規(guī)范（地面部分）》的觀測方法中能見度的觀測，能見度以等級記錄，分為0~9 共10 個等級，自1980年開始，執(zhí)行新的《地面氣象觀測規(guī)范》，能見度以千米記錄。由于1980 年前后記錄方式上不一致，因此需要對資料進行一致性處理，本文在建立長期氣候序列時，將1980 年之后的數據轉換為等級，相應地，霾也按照能見度劃分為4 個等級（表1）。

經過對數據進行缺測檢驗，選取華北50 個觀測站為研究對象，范圍為（31°~44°N，109°~119°E），站點分布見圖1，其中包括山東（圖中SD）7 個站，天津（TJ）2 個站，北京（BJ）1 個站，河北（HB）13 個站，山西（SX）13 個站，內蒙（NM）13 個站。

按照能見度將霾的級別4 個等級（表1）。

圖1 華北霾觀測點分布

表1 氣候序列中霧和霾的等級標準

霾日的變化趨勢,使用線性傾向估計方法[18]，用決定系數R2來表征趨勢線擬合程度。R 的數值大小可以反映趨勢線的估計值與對應的實際數據之間的擬合程度，擬合程度越高，趨勢線的可靠性就越高。R 平方值是取值范圍在0～1 之間的數值，當趨勢線的R 平方值等于1 或接近1 時，其可靠性最高，反之則可靠性較低。

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

2 結果分析

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。從整個華北地區(qū)來看，平均霾日最多的是河北省保定市（76.5 d/a）；其次為天津和濟南（分別為76.2 d/a 和71.8 d/a），各省會城市中最少的是呼和浩特（平均霾為59.4 d/a），說明霾日大值區(qū)與城市人口有很好的對應關系（保定除外），例如北京、天津、石家莊、太原和濟南等均為大城市，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，沒有連續(xù)性。胡亞旦等[9]認為，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，本文的研究結果也證實了霾日與城市煤、粉塵的排放量有直接關系，例如，山東省南部的兗州市以及山西省大同市，由于是重要的產煤基地，平均霾日也分別達到55.4 d/a、53.4 d/a。但胡亞旦等[9]研究結果認為霾多發(fā)區(qū)位于華北的西部，而從圖2 來看，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），平均霾日分別達到53.9、35.9 d/a 和48 d/a，遠遠超過其它中小城市。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。在冬季空氣干燥，華北地區(qū)少雨，加上冷空氣活動較弱，使華北地區(qū)容易出現(xiàn)西南風，空氣中的氣溶膠粒子隨西南氣流向東北方向輸送。這個結論與王自發(fā)等[3]用數值模式對2013 年1 月的重霾污染事件進行模擬的結果一致，即對典型臺站而言（例如北京、天津），來自京津冀外區(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

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、天津和濟南仍分別位于整個華北霾日的前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）、濟南（22.02 d/a）。

2.2 華北地區(qū)冬季霾日的時間分布特征

2.2.1 華北地區(qū)各省平均冬季霾日的時間分布特征

圖4a 為內蒙古自治區(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，內蒙全區(qū)的平均霾日呈上升趨勢（增長率為2.85 d/10a，R2=0.805 通過0.01 的顯著性檢驗，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（下降率4.97 d/10 a），2010 年全區(qū)平均霾日僅為2.5 d。這個結論與吳兌等[7]的研究結論相同，內蒙古1980 年之前霾日的增加可能與沙塵暴和浮塵有關，但1980 年以后，由于內蒙古的經濟欠發(fā)達，經濟規(guī)模和工業(yè)水平相對滯后，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（7.86 d/10 a），除了1962 年和1967 年外，平均霾日均超過20 d，1986 年霾日出現(xiàn)最多，為47.2 d，1967 年最少，但也達到了17.9 d。1990 年之后，河北省平均霾日出現(xiàn)了下降的趨勢（-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（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，分別為45.6 d和51.3 d。

河北省和山東省1967—1969 年霾日的減少是因為當時工業(yè)生產處于混亂狀態(tài)，1970 年之后，經濟得到恢復，霾日也逐漸增多，可以看出經濟活動對霾日的影響。從1990 年之后霾日明顯減少，與國家的產業(yè)結構調整有關，這個結論與吳兌等[7]的研究結論相同。

1967 年山西省的平均霾日出現(xiàn)最低值（6.5 d），這點與華北地區(qū)其它省份相同，但1961—2011 年整體呈增長趨勢（4.75 d/10 a），特別是1967 年開始至80 年代末，呈明顯增長趨勢（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。這說明山西省主要的工業(yè)是產煤，產業(yè)結構并沒有很大變化，因此霾日呈持續(xù)增長趨勢。

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系，因此本文對華北主要大城市北京、天津和各省會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 年總的趨勢變化，用黑色實線表示，y1和y2分別指前期和后期變化趨勢，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（-0.21 d/10 a），但分開來看，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，最低出現(xiàn)在1967 年，為18 d。但20世紀60 年代后期至70 年代中期，北京的霾日呈明顯上升趨勢（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， 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)冬季霾日數的減少與冬季供暖由燃煤改為燃氣密不可分，另外也與2008 年奧運會前后對污染物的治理使天氣狀況轉好有關。

雖然天津（圖5b）整體上呈下降趨勢（-0.49 d/10 a），但1961—1990 年卻呈增加趨勢（6.66 d/10 a），1967 年和1977 年分別出現(xiàn)一個霾日低值，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業(yè)結構調整有關。1995 年之后，天津霾日持續(xù)增長，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 來霾日一直持續(xù)增長，且增長較明顯（7.97 d/10 a，R2=0.671），與圖4d 整個山西省的霾日變化趨勢相同。濟南（圖5d）雖然自1961—2011 年呈下降趨勢，其中，1961—1991 年呈增長趨勢（5.21 d/10 a），1991—2011 年呈快速減小趨勢（-25.39 d/10 a，R2=0.819），特別是90 年代末，減少出現(xiàn)趨勢最明顯，這可能和濟南觀測站的遷址有關系，從污染較嚴重的北部遷到污染較輕的南部地區(qū)。石家莊（圖5e）整體上增長趨勢（2.05 d/10 a），其中1961—1991 年呈快速增長趨勢（11.42 d/10 a），1991年之后呈快速下降趨勢（-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（2.05 d/10 a），但期間出現(xiàn)3 個峰值：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、太原和濟南12 月平均霾日數略大于1 月，2 月略小于1 月，在整個冬季中最少；石家莊和呼和浩特1 月平均霾日數略大于12 月，與上面3 個城市相比，2 月與1 月的差距較明顯。但幾個城市冬季平均霾日數最多的月份為12 月和1 月，與以前的研究結論相同[7]。

北京12 月霾日（圖7a1）51 a 來略有下降，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）的霾日增長趨勢大于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）的霾日數略有下降，但1 月（圖7b3）和2 月份的下降趨勢不明顯（圖7a3）。

濟南1 月霾日（圖7b4）降低趨勢最明顯，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，濟南的霾日出現(xiàn)明顯減弱，冬季3 個月均出現(xiàn)這種情況，但在2010 年12 月和2011 年1 月，濟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，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 月的下降趨勢分別為-0.66 d/10 a、-0.2 d/10 a 和-0.54 d/10 a。

3 結論與討論

使用1961—2011 年華北地區(qū)50 個站冬季及逐月不同級別的霾日資料，運用統(tǒng)計學方法，對華北地區(qū)霾日的時空分布特征進行了分析，結果發(fā)現(xiàn)：

（1）華北地區(qū)霾日大值區(qū)呈西南—東北向的特點，來自京津冀外區(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間演變特征來看，僅山西省一直呈增長趨勢，增長率為4.75 d/10 a，特別是1967 年至80 年代末，明顯增長趨勢（7.86 d/10 a）。其他各省均在不同時段有上升和下降趨勢，其中山東增加和減少率最為顯著,1961—1990 年平均霾日的增長率為15.62 d/10 a，1990 年之后減少率為-7.44 d/10 a。內蒙古的增加和減少率均是最小的，1961—1980 年內蒙古的增長率為2.85 d/10 a，1980 年之后下降率為4.97 d/10 a。

（2）從各省級以上大城市的霾變化特點上發(fā)現(xiàn)，太原、石家莊和呼和浩特均呈一致的增加趨勢，其中太原的增加趨勢最顯著為7.97 d/10 a。其他城市均存在兩個變化階段，前期霾增加，后期霾減少。其中北京市的上升和下降趨勢最為顯著。60 年代后期至70 年代中期， 呈明顯上升趨勢（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最多的月份為12 月和1 月。從逐月霾日的年際變化來看，太原冬季3 個月霾日均呈增長趨勢，而濟南呈一致減小趨勢。

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