孫 蕊，馬振峰，張 亮，李小蘭，劉 佳

（1.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610072；2.四川省氣候中心，四川 成都610072；3.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，四川 成都610072）

我國近二三十年霾污染頻發(fā)，已成為一種新的災(zāi)害性天氣，對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量造成了嚴(yán)重威脅，并引起了廣泛關(guān)注[1-2]。例如2013年1月發(fā)生在中國東部的強(qiáng)持續(xù)性霾事件，影響區(qū)域達(dá)140×104km2，對8億人的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響[3-4]。因此，對近年來霾的時(shí)間變化特征及影響因素進(jìn)行研究，對科學(xué)治霾，改善霧霾污染現(xiàn)狀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。許多學(xué)者已經(jīng)對我國霾天氣的時(shí)空變化和成因進(jìn)行了研究[5-8]。研究表明，1956—1980年，霾天氣在中國很少發(fā)生，1980年后霾日數(shù)明顯增加，2000年后中國東部大部分地區(qū)的年霾日數(shù)已經(jīng)超過了100 d。霾天氣的季節(jié)性變化特征非常明顯，即冬季霾污染最嚴(yán)重，夏季較少[9]。霾天氣高發(fā)區(qū)主要集中在華北平原、長江三角洲、珠江三角洲、四川盆地和云南南部等地，并且不同區(qū)域的霾日表現(xiàn)出不同的變化特征[10-11]。對于霾天氣的成因研究，目前普遍認(rèn)為主要?dú)w因于污染物排放的增加，對大多數(shù)城市來說，工業(yè)粉塵、交通廢氣和冬季供暖都會造成污染排放，特別是對于冬季霾，污染物的作用顯得更為明顯[12-14]。氣象條件同樣對霾天氣的形成與維持起到重要作用。一些研究表明，天氣和氣候的變化可產(chǎn)生不同的污染物擴(kuò)散、輸送和濕清除條件，從而影響霾污染的形成與維持[15-18]。

四川盆地是中國西部的重要經(jīng)濟(jì)區(qū)，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的污染物，受復(fù)雜地形與氣象條件的影響，使其成為我國霾污染較為嚴(yán)重的地區(qū)之一[19-20]。對于川霾的氣候特征和成因研究近年來也逐漸開展起來[20-24]。本文在前人研究基礎(chǔ)上，更新霾的氣象觀測資料，統(tǒng)計(jì)分析1981—2019年四川省霾日和區(qū)域持續(xù)性霾過程的時(shí)空變化特征，并對四川盆地霾和污染物排放量及與氣象要素之間的關(guān)系進(jìn)行簡要分析。

1 資料與方法

1.1 資料

選取了四川省1981—2019年156個(gè)縣級氣象站（盆地104站）的能見度、相對濕度、地面天氣現(xiàn)象等觀測資料，分析四川霾天氣時(shí)空變化特征。同時(shí)利用歐盟委員會大氣研究排放數(shù)據(jù)庫提供的1981—2015年區(qū)域大氣污染物排放數(shù)據(jù)（0.1°×0.1°），統(tǒng)計(jì)四川省NOx、SO2、PM2.5和PM10的年代平均排放量與區(qū)域分布，并分析其對四川霾的影響。

1.2 方法

對于霾的界定，選取在四川地區(qū)較為適用的判別方法[22]：排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、吹雪、雪暴等影響視程的天氣現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，以同時(shí)滿足能見度V≤5.0 km且相對濕度RH＜95%的時(shí)次，判識為霾時(shí)。以北京時(shí)20時(shí)為日界，一日持續(xù)1/4（含）以上定時(shí)觀測時(shí)次判識為霾，則該日記為霾日。當(dāng)霾跨日界持續(xù)時(shí)長達(dá)1/4（含）定時(shí)時(shí)次以上，但日界前（或后）持續(xù)時(shí)長不足1/4定時(shí)時(shí)次且大于1/8定時(shí)時(shí)次，則相應(yīng)的上跨日（或下跨日），記為霾日。并根據(jù)WMO標(biāo)準(zhǔn)的能見度指標(biāo)[1]，將霾分為3個(gè)等級，V≤1.0 km為重度霾，1.0 km＜V≤3.0 km為中度霾，3 km＜V≤5.0 km為輕度霾。

持續(xù)性及區(qū)域霾過程的判別：從有煙幕或霾發(fā)生到過程結(jié)束連續(xù)3 d及以上，稱為一次持續(xù)霾事件。選取同1 d四川盆地地區(qū)104個(gè)站中有20%及以上的站點(diǎn)（21站）出現(xiàn)霾，且持續(xù)天數(shù)超過3 d及以上的霾日為統(tǒng)計(jì)對象，統(tǒng)計(jì)區(qū)域持續(xù)性霾過程。

2 結(jié)果分析

2.1 霾的空間分布特征

由圖1和表1可以看出，四川霾主要分布在四川盆地地勢較低地區(qū)，川西高原（甘孜州和阿壩州）、攀西地區(qū)（涼山州和攀枝花）以及高山向盆地平原過渡的丘陵地帶（雅安、廣元、巴中）霾日數(shù)相對較少。盆地地區(qū)年均霾日數(shù)為53.7d，并且盆地的中部、東部及南部存在多個(gè)霾日年均值大于100 d的高值中心，盆地輕、中、重度霾年均日數(shù)分別為26.9、24.1和2.7d，川西高原及攀西地區(qū)平均年霾日數(shù)則不到1 d。分析不同等級霾日的空間分布后發(fā)現(xiàn)，輕度霾高發(fā)區(qū)集中在盆地中部的德陽—成都—樂山一帶，盆地東部的廣安以及盆地南部的內(nèi)江、自貢；中度霾高發(fā)區(qū)與輕度霾類似，主要位于盆地中南部及東部地區(qū)；重度霾高發(fā)區(qū)主要集中在盆地東部的廣安和中南部的內(nèi)江—自貢一帶。綜上，霾高發(fā)區(qū)主要集中在四川盆地人口稠密、工業(yè)及交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)達(dá)的城市，由于霾在川西高原和攀西地區(qū)少發(fā)，下文著重分析盆地霾變化特征。

圖1 1981—2019年四川省不同等級霾日年均值空間分布

表1 1981—2019年四川省不同等級霾日數(shù)平均值 d

2.2 霾的時(shí)間變化特征

2.2.1 霾的年際和年代際變化特征

從盆地霾日數(shù)年際變化來看，近39 a盆地平均霾日數(shù)總體呈下降趨勢，氣候傾向率為-0.03 d/10 a。分年代統(tǒng)計(jì)顯示（圖2），20世紀(jì)90年代以前盆地平均年霾日數(shù)以負(fù)距平年份偏多，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)前10 a則轉(zhuǎn)變?yōu)檎嗥侥攴菝黠@多于負(fù)距平年份，21世紀(jì)10年代以來，又表現(xiàn)為負(fù)距平年份為主。根據(jù)盆地多年平均年霾日數(shù)分布特征，將盆地分為三個(gè)區(qū)域：盆東南（自貢、內(nèi)江、瀘州、宜賓、資陽），盆東北（廣安、達(dá)州、南充、巴中、遂寧）和盆西（成都、德陽、綿陽、眉山、樂山、雅安、廣元）。近39 a來，盆西平均霾日數(shù)總體呈增多趨勢，每10 a增加0.9d，盆東南和盆東北則總體呈減少趨勢，每10 a分別減少0.5和2.2 d。

圖2 1981—2019年四川盆地霾日數(shù)距平（a）和分區(qū)域霾日數(shù)（b）年際變化

從盆地各等級霾日數(shù)年代際變化來看（表2），輕度霾從20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)前10 a一直增加，進(jìn)入21世紀(jì)10年代后降低；中度霾在20世紀(jì)80年代至90年代間顯著增加，進(jìn)入21世紀(jì)后下降顯著；重度霾則一直呈緩慢增加趨勢。在區(qū)域分布上（圖3），20世紀(jì)90年代霾日數(shù)的分布范圍較80年代有明顯的擴(kuò)展，且霾日數(shù)超100 d高值中心個(gè)數(shù)明顯增多；21世紀(jì)前10 a霾分布范圍較20世紀(jì)90年代有一定程度的縮小，但仍存在個(gè)別超20世紀(jì)90年代的霾日數(shù)高值中心；21世紀(jì)10年代的霾日數(shù)較21世紀(jì)前10 a以及20世紀(jì)90年代在分布范圍和高值中心數(shù)量上均有明顯的減小。

圖3 1981—2019年四川盆地每10 a平均霾日數(shù)時(shí)空分布特征

表2 1981—2019年四川省盆地不同等級霾日數(shù)年代際變化 d

2.2.2 霾在四季中變化及年際分布特征

由圖4可知，盆地霾日數(shù)具有顯著季節(jié)性特征。盆地霾在冬季（12月—翌年2月）發(fā)生頻率較高，年均總霾日數(shù)達(dá)24.7 d。冬季盆地主要以下沉氣流為主，大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于低層大氣污染物擴(kuò)散[9，22]。霾在夏季（6—8月）少發(fā)，年均霾日數(shù)僅為6.8d，與夏季降水對空氣的沖刷作用有關(guān)。5月出現(xiàn)的小峰值，主要因?yàn)榻斩挿贌a(chǎn)生的大量PM2.5、PM10等氣溶膠污染物，造成空氣質(zhì)量惡化[21]。從不同季節(jié)霾日數(shù)年際變化趨勢可見，近些年來，盆地春季、夏季和秋季霾日數(shù)與總霾日數(shù)一致均呈明顯下降趨勢，冬季則呈上升趨勢。這可能與全球氣候變暖而導(dǎo)致的冬季氣溫升高有關(guān)，高緯度溫度升高大于低緯度，高低緯度的溫度差異縮小，不利于冷空氣南下，使得冷空氣過程減少；同時(shí)冬季溫度升高會使大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，容易導(dǎo)致霾加重。

圖4 1981—2019年四川盆地年均霾日數(shù)月分布（a）和各季霾日數(shù)年際變化（b）

分析霾在四季的空間分布（圖5）可以看出，霾在夏季空間分布范圍最小，僅局部地區(qū)霾日數(shù)超過10 d；春秋兩季霾空間分布總體差異不大，盆周山區(qū)外的大部地區(qū)在10 d左右，其中盆東南內(nèi)江和自貢等局部地區(qū)霾日超過20 d；冬季霾空間分布范圍在四季中最廣，盆周山區(qū)外的大部地區(qū)在30～40d，其中自貢、內(nèi)江、成都、德陽、樂山等市局部霾日在40 d以上。

圖5 1981—2019年盆地各季霾日數(shù)空間分布

2.2.3 持續(xù)性霾過程的時(shí)空變化特征

1981—2019年盆地17市持續(xù)性霾發(fā)生情況如表3。盆地17市3 d及以上持續(xù)性霾共發(fā)生12782次，其中廣元、雅安和巴中3市發(fā)生次數(shù)＜300次，德陽、樂山、自貢和內(nèi)江4市發(fā)生次數(shù)＞1000次。與我國東部等地區(qū)霾特征相比，四川盆地城市霾發(fā)生時(shí)，其持續(xù)時(shí)間更長，且出現(xiàn)局地霾日數(shù)下降而連續(xù)霾次數(shù)下降不明顯的情況，該現(xiàn)象主要是受四川盆地地形的影響[20-21]，在盆地低海拔地區(qū)易維持長時(shí)間靜穩(wěn)天氣，氣溶膠污染物不易擴(kuò)散清除。

表3 1981—2019年盆地地區(qū)17市持續(xù)性霾情況

進(jìn)一步分析持續(xù)霾的區(qū)域性特征，篩選出了1981—2019年盆地共509次區(qū)域持續(xù)性霾過程的個(gè)例庫（表4）。分年代統(tǒng)計(jì)區(qū)域持續(xù)性霾過程次數(shù)，20世紀(jì)80年代和90年代平均分別為12.4和14.9次，21世紀(jì)前10 a和10年代平均分別為13.2和11.6次。這與盆地霾日數(shù)年際變化一致，均呈先增后減趨勢。區(qū)域持續(xù)性霾持續(xù)時(shí)間＜10 d的次數(shù)最多，占總次數(shù)的87.8%，11～20 d和＞20 d的次數(shù)則分別占總次數(shù)的10.6%和1.6%，其中2016年11月26日—12月25日和2014年12月19日—2015年1月27日兩次區(qū)域性霾持續(xù)時(shí)間分別達(dá)到30和40d，過程對應(yīng)發(fā)生累計(jì)站次分別為1907站次和2112站次。

表4 1981—2019年四川盆地區(qū)域持續(xù)性霾情況

2.3 霾時(shí)空變化的影響因素分析

2.3.1 污染物排放時(shí)空變化

20世紀(jì)80年代以來，四川城市快速發(fā)展使得工業(yè)生產(chǎn)、居民生活和交通運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)生了大量工業(yè)廢氣、汽車尾氣、油煙、道路揚(yáng)塵、建筑灰塵以及秸稈燃燒煙塵等，排放到大氣中污染物的種類明顯增多，其中以煙粉塵（PM2.5、PM10）、SO2、NOx等為主的四類氣溶膠污染物是形成霾污染的主要因素。

基于歐盟委員會大氣研究排放數(shù)據(jù)庫提供的1981—2015年的最新區(qū)域大氣污染物排放數(shù)據(jù)（0.1°×0.1°），表5統(tǒng)計(jì)了四川省PM10、PM2.5、NOx和SO2年代際平均排放量，PM10和PM2.5年均排放量在20世紀(jì)80年代相對較小，20世紀(jì)90年代達(dá)到峰值，21世紀(jì)后二者排放總量均開始下降，特別是PM2.5在21世紀(jì)10年代下降得最顯著，這與盆地霾日數(shù)和區(qū)域持續(xù)性霾次數(shù)年代際變化趨勢一致；NOx和SO2兩類污染物均呈穩(wěn)步增長趨勢，與近年來霾日數(shù)下降趨勢相反，說明在四川盆地霾天氣的主要貢獻(xiàn)污染物為PM2.5和PM10。在空間分布上，四類污染物的排放面積均主要分布在成都—德陽、南充—達(dá)州和自貢—內(nèi)江等年霾日高值中心及周邊地區(qū)。德陽市的裝備制造、達(dá)州市的天然氣和煤礦以及自貢市的化工業(yè)發(fā)達(dá)，地區(qū)氣溶膠污染物排放量大，再疊加上秋冬季的靜穩(wěn)天氣條件，因而出現(xiàn)盆地秋冬季霾污染較為嚴(yán)重的狀況。PM10和PM2.5空間分布范圍從21世紀(jì)前10 a開始分布范圍均明顯地縮小，尤其是以南充為中心的盆東北地區(qū)，對應(yīng)著霾日數(shù)和持續(xù)性霾次數(shù)顯著下降趨勢，這與盆東北近年來經(jīng)濟(jì)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展密不可分。

表5 四川省PM10、PM2.5、NO x和SO2年代際平均排放量情況

2.3.2 局地氣象要素時(shí)空變化

霾的增多與氣溶膠等氣體污染物排放量增多密不可分，同時(shí)也與多種氣象和環(huán)境要素變化有關(guān)。相關(guān)研究認(rèn)為區(qū)域城市化和土地利用變化會造成局地氣溫升高和相對濕度下降，從而導(dǎo)致霾出現(xiàn)頻率增多[9-10]。對1981—2019年地面氣象要素資料統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，盆地3個(gè)區(qū)域（盆東北、盆東南和盆西）年平均氣溫和平均相對濕度都出現(xiàn)了較大變化（圖6），1981—2012年3個(gè)區(qū)域平均氣溫升高，相對濕度則均呈下降的趨勢，城市熱島和干島效應(yīng)越發(fā)明顯，增強(qiáng)了霾形成和維持的氣象條件，導(dǎo)致此時(shí)段霾日和區(qū)域持續(xù)性霾過程出現(xiàn)頻率較高。隨著城市生態(tài)文明的建設(shè)與治理，2013—2019年3個(gè)區(qū)域升溫速率減小，相對濕度則顯著升高，從而對應(yīng)著21世紀(jì)10年代以后盆地總霾日數(shù)和區(qū)域持續(xù)性霾過程出現(xiàn)頻率下降。

圖6 1981—2019年四川盆地區(qū)域年平均氣溫（a）和相對濕度的逐年變化（b）

3 結(jié)論與討論

應(yīng)用近39 a氣象觀測資料，對四川省霾日時(shí)空變化特征及成因進(jìn)行了分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）近39 a盆地年均霾日達(dá)53.7d，其中輕、中、重度霾日數(shù)分別為26.9、24.1和2.7d，川西高原年均霾日數(shù)不足1 d。霾日高值區(qū)域主要分布在盆地中部、盆地東部及盆地南部，其中重度霾高值區(qū)集中在盆地東部的廣安和中南部的內(nèi)江—自貢一帶。

（2）近39 a盆地平均霾日數(shù)總體呈下降趨勢，其中盆西呈增加趨勢，盆東北和盆東南呈減少趨勢。分年代看，霾日數(shù)在2000年前呈上升趨勢，2000年后呈下降趨勢。在空間分布上，20世紀(jì)90年代霾日數(shù)的分布范圍最大且高值中心數(shù)也最多，21世紀(jì)10年代霾日數(shù)的分布范圍和高值中心數(shù)量均明顯減小。

（3）四川冬季霾日數(shù)最多，年均值為24.7d，且盆地大部地區(qū)在20 d左右。霾在夏季少發(fā)，年均值僅為6.8 d。近39 a來，盆地春、夏、秋三季的霾日數(shù)均呈下降趨勢，冬季呈上升趨勢。

（4）近39 a來，盆地17市共發(fā)生持續(xù)性霾12782次，其中德陽、樂山、自貢和內(nèi)江4市為持續(xù)性霾高發(fā)區(qū)，均在1000次以上。盆地共發(fā)生區(qū)域持續(xù)性霾509次，其中＜10 d的區(qū)域持續(xù)性霾發(fā)生的次數(shù)最多，占比為87.8%。

（5）四川盆地霾天氣與PM2.5和PM10排放量存在較好的時(shí)空對應(yīng)關(guān)系，二者排放量在20世紀(jì)90年代達(dá)到最大，21世紀(jì)前10 a開始減少，并在21世紀(jì)10年代減少最為明顯。同時(shí)1990—2010年間盆地區(qū)域氣溫升高、相對濕度下降，污染物的排放與氣象條件的共同作用，導(dǎo)致盆地霾事件出現(xiàn)頻率較高。隨著城市生態(tài)文明的建設(shè)與治理，2010年后盆地污染物排放量減少與氣象條件的改善，霾出現(xiàn)頻率明顯降低。由于資料和篇幅的限制，文中對污染物排放和局地氣象要素（溫度和相對濕度）的時(shí)空變化進(jìn)行了簡要分析，下一步工作將結(jié)合已建立的盆地區(qū)域持續(xù)性霾歷史個(gè)例庫，對歷史個(gè)例發(fā)生時(shí)的環(huán)流形勢、外強(qiáng)迫因子等氣候成因方面做更深入的診斷分析，為四川盆地大氣污染潛勢預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的建立提供依據(jù)。