符傳博,丹 利,唐家翔,楊 薇

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1960~2013年華南地區(qū)霾污染的時(shí)空變化及其與關(guān)鍵氣候因子的關(guān)系

符傳博1,2,3*,丹 利2,唐家翔1,3,楊 薇1,3

(1.海南省氣象臺(tái),海南 ?？?570203；2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029；3.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 海口 570203)

利用線性回歸、聚類(lèi)分析及相關(guān)分析等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)華南地區(qū)57個(gè)地面氣象站的觀測(cè)資料進(jìn)行分析,探究近54年華南地區(qū)霾日數(shù)的時(shí)空變化特征及其氣候成因.結(jié)果表明,年平均霾日數(shù)大值區(qū)主要分布在廣東珠江三角洲(珠三角)地區(qū)和廣西中東部.54年來(lái)霾日數(shù)呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì),而2008年后有所下降.霾日數(shù)的季節(jié)變化表現(xiàn)為冬季最多,其次是秋季和春季,夏季最少.2008年以后春、夏、秋3季霾日數(shù)有所下降,而冬季仍維持在較高水平.不同等級(jí)霾日數(shù)在近54年來(lái)均有不同程度的上升,霾污染不僅在日數(shù)上有明顯的增加趨勢(shì),而且污染強(qiáng)度在加強(qiáng).不同地區(qū)霾日數(shù)的快速增長(zhǎng)時(shí)期不一樣,污染嚴(yán)重和正常污染地區(qū)發(fā)生在20世紀(jì)90年代,而相對(duì)清潔地區(qū)發(fā)生在2000年以后.另外近10年污染嚴(yán)重和正常污染地區(qū)霾日數(shù)有所下降,但相對(duì)清潔地區(qū)仍維持快速的增長(zhǎng)趨勢(shì).近54年華南地區(qū)年降水日數(shù)、年平均風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)和年小風(fēng)日數(shù)等氣候因子變化結(jié)果致使氣溶膠粒子的濕沉降減弱,污染物擴(kuò)散能力下降,霾天氣生成概率增加.

華南地區(qū)；霾日數(shù)；聚類(lèi)分析；氣候因子

近年來(lái),大氣污染物濃度增加,我國(guó)各地頻頻發(fā)生霾污染天氣,尤以2013年1月我國(guó)中東部所遭遇的霧霾天氣為罕見(jiàn)[1].隨著霾越來(lái)越引起人們的關(guān)注,針對(duì)霾污染的研究也多了起來(lái)[2-4].其中關(guān)于我國(guó)霾污染的長(zhǎng)期變化基本上都得到一致的結(jié)果,即我國(guó)霾日數(shù)呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì),相伴隨的大氣能見(jiàn)度呈下降趨勢(shì).特別是在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá),人口密度大的京津冀地區(qū)、四川盆地、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)等,霾日數(shù)上升更為顯著[5-8].造成我國(guó)霾日數(shù)增多的原因除了與經(jīng)濟(jì)規(guī)模的迅速擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加快導(dǎo)致氣溶膠排放物的增加有密切關(guān)系外,人為活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變暖所引起的大氣環(huán)流條件(包括風(fēng)場(chǎng)、層結(jié)條件、水汽、溫度以及降水等條件)變化很可能也是這種增長(zhǎng)發(fā)生的重要條件之一[9].

國(guó)外學(xué)者在20世紀(jì)90年代就開(kāi)始研究霾污染問(wèn)題[10],而國(guó)內(nèi)系統(tǒng)性的研究始于21世紀(jì)初[11].高歌[5]總結(jié)了1961~2005 年間中國(guó)霾日數(shù)氣候特征及變化分析,得出全國(guó)平均年日數(shù)呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì), 而人類(lèi)活動(dòng)造成的大氣污染物增加及天氣氣候變化是長(zhǎng)江中下游、珠江流域等地呈現(xiàn)增加趨勢(shì)的原因之一.吳兌等[2]研究了 1951~ 2005年中國(guó)地區(qū)霾的時(shí)空分布特征,結(jié)果表明20世紀(jì)80年代以后霾日增加明顯,而且與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān).Zhang等[12]針對(duì)中國(guó)地區(qū)灰霾天氣做了REOF(旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)函數(shù)正交)分解的地區(qū)分型.Liang等[13]運(yùn)用WRF 模式研究了城市密度對(duì)霧的生消發(fā)展過(guò)程的影響.華南地處熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),包括廣東、廣西和海南三省(區(qū)).近年來(lái)隨著華南區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,發(fā)生頻率越來(lái)越高的霾污染已經(jīng)成為影響該區(qū)域空氣質(zhì)量的主要難題[14-15].特別是經(jīng)濟(jì)高速發(fā)達(dá)的珠三角地區(qū),已經(jīng)是國(guó)內(nèi)氣溶膠導(dǎo)致的大氣污染相當(dāng)嚴(yán)重的區(qū)域之一[16-18].珠三角地區(qū)面積只有8000多km2,但是聚集了香港、廣州、深圳、東莞、佛山、澳門(mén)、珠海等擁有數(shù)百萬(wàn)人口的國(guó)際化城市,和幾十個(gè)人口在幾十萬(wàn)左右的中等城市,在大量土地被工業(yè)化利用、植被減少、交通工具迅猛增加的情況下,這一地區(qū)頻繁發(fā)生的霾天氣污染已經(jīng)引起政府和公眾的廣泛關(guān)注[19].本文在全面分析華南地區(qū)霾日數(shù)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)與季節(jié)變化特征基礎(chǔ)上,結(jié)合聚類(lèi)分析方法探討了關(guān)鍵氣候因子對(duì)這種變化的影響,旨在為深入了解華南地區(qū)氣象條件與霾日數(shù)長(zhǎng)期變化的關(guān)系提供參考.

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本文所用的地面觀測(cè)資料由國(guó)家氣象信息中心提供,其中包括逐日4次地面水平能見(jiàn)度和相對(duì)濕度、逐日降水量、天氣現(xiàn)象、最大風(fēng)速以及年平均風(fēng)速等資料.為了避免缺測(cè)數(shù)據(jù)引起的誤差,對(duì)站點(diǎn)的選取采用了比較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn):任意一年的數(shù)據(jù)當(dāng)中缺測(cè)值超過(guò)5%的站點(diǎn)都被剔除.同時(shí)兼顧到由于遷站會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的非均一性問(wèn)題,本文最后共選取了華南地區(qū)57個(gè)站點(diǎn)共54年(1960~2013年)的資料.由于1980年以前的地面水平能見(jiàn)度的氣象業(yè)務(wù)觀測(cè)以等級(jí)的形式記錄,而1980年以后能見(jiàn)度觀測(cè)為具體的距離數(shù)值.理論上,各能見(jiàn)度等級(jí)可以取等級(jí)對(duì)應(yīng)距離區(qū)間內(nèi)任意值,例如區(qū)間中值,但由于各能見(jiàn)度等級(jí)所對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度距離的區(qū)間并不是等間隔劃分的,使用區(qū)間中值代替能見(jiàn)度等級(jí)會(huì)過(guò)高地估計(jì)1980年能見(jiàn)度距離,從而造成能見(jiàn)度在1980年前后資料不連續(xù)性[20].因此我們依照Wu等[21]的能見(jiàn)度換算方法進(jìn)行換算,即先將1980年及之后各站點(diǎn)的能見(jiàn)度距離資料參照表1進(jìn)行等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為等級(jí),再根據(jù)能見(jiàn)度距離估測(cè)值將所有能見(jiàn)度等級(jí)資料轉(zhuǎn)換為以“公里”為單位的距離值.另外在霾日的判別上,本文使用的是氣象觀測(cè)資料的霾日均值法[2,22].即對(duì)每次觀測(cè)的每次能見(jiàn)度及對(duì)應(yīng)時(shí)次的相對(duì)濕度分別作日平均,當(dāng)所得日平均能見(jiàn)度小于10km,且日平均相對(duì)濕度小于90%,并排除降水、吹雪、雪暴、揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵和煙幕等的影響,則定義為一個(gè)霾日.這樣既可把霧中被誤報(bào)的霾分離出來(lái),又可把霾中被誤報(bào)的霧分離出去[22].另外,日平均能見(jiàn)度5km￡Vis<10km之間為輕微霾日,3km￡Vis<5km之間為輕度霾日,2km￡Vis<3km為中度霾日,Vis<2km為重度霾日.

表1 能見(jiàn)度等級(jí)與能見(jiàn)度距離范圍及能見(jiàn)度距離估測(cè)值對(duì)照Table 1 Visibility ranks and estimations for visibility distance

1.2 研究方法

為探討華南地區(qū)霾日數(shù)在氣候變化背景下定量的變化程度,并可對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),本研究利用施能等[23-24]的研究方法,計(jì)算了氣候趨勢(shì)系數(shù)r.該趨勢(shì)系數(shù)定義為個(gè)時(shí)刻(年)的要素序列與自然數(shù)列1,2,3,……,的相關(guān)系數(shù):

式中:為年數(shù);x是第年要素值;為其樣均值;.顯然,這個(gè)值為正(負(fù))時(shí),表示該要素在所計(jì)算的年內(nèi)有限性增(降)的趨勢(shì).符合自由度-2的分布,從而檢驗(yàn)這種氣候趨勢(shì)是否有物理意義,還是一種隨機(jī)振動(dòng).另外在分析不同類(lèi)型站點(diǎn)的霾日數(shù)變化時(shí),使用了聚類(lèi)分析的方法[25].由于聚類(lèi)分析是根據(jù)事物本身的特性研究個(gè)體分類(lèi)的統(tǒng)計(jì)分析方法,基本思想認(rèn)為研究變量間有相似性,因此本研究據(jù)此對(duì)華南地區(qū)霾日數(shù)不同程度的站點(diǎn)進(jìn)行劃分,對(duì)各類(lèi)站點(diǎn)霾日數(shù)的分布和變化規(guī)律進(jìn)行聚類(lèi)分析.此外還用到回歸分析、11年二項(xiàng)式平滑、相關(guān)分析等統(tǒng)計(jì)方法[26].

2 結(jié)果與分析

2.1 華南地區(qū)霾日數(shù)的空間分布

霾污染的分布受工業(yè)化和城市化導(dǎo)致的氣溶膠高排放的影響.圖1給出了華南地區(qū)1980~ 2013年年平均霾日數(shù)分布,圖中清楚表明,霾日數(shù)超過(guò)20d/a的站點(diǎn)主要分布在廣東的珠三角地區(qū)和廣西的中東部,這些區(qū)域由于人口集中,人類(lèi)活動(dòng)頻繁,為霾的形成提供了人為污染源排放條件,導(dǎo)致霾日數(shù)分布較高,區(qū)域霾污染嚴(yán)重.而在廣東的東部和西南部、廣西的西南部,以及海南等地相對(duì)較少,霾日數(shù)在10d/a以下,說(shuō)明華南地區(qū)霾日數(shù)分布有顯著的地域差異.這一結(jié)果與伍紅雨等[14]的分析結(jié)果基本一致.華南地區(qū)霾日數(shù)最大值出現(xiàn)在廣西的梧州(站號(hào)59265),為81.4d/a,其次是廣東的廣州(59287)和廣西的玉林(59453),年平均霾日數(shù)均超過(guò)了40d/a.霾日數(shù)在5d/a以下的站點(diǎn)主要分布廣東東部和西南部、廣西南部和海南等地,特別是海南7個(gè)站點(diǎn)中有兩個(gè)未觀測(cè)到有霾天氣,其他站點(diǎn)也都在2d/a以下,霾污染最輕.然而隨著海南經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市規(guī)模的擴(kuò)大,特別是近幾年海南國(guó)際旅游島建設(shè)的日趨完善,島內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、人為活動(dòng)增加,向大氣中排放了大量污染氣體,致使海南地區(qū)大氣污染物濃度升高,空氣質(zhì)量下降迅速[27],而且也發(fā)生過(guò)幾次較為嚴(yán)重的大氣氣溶膠污染事件[29],海南的霾污染現(xiàn)象也值得關(guān)注.

2.2 華南地區(qū)霾日數(shù)的季節(jié)分布特征

圖2為華南地區(qū)四季多年平均霾日數(shù)空間分布.圖2表明,四季霾日數(shù)空間分布與年平均霾日數(shù)基本一致,大值區(qū)均出現(xiàn)在廣東珠三角地區(qū)和廣西中東部,但季節(jié)變化顯著.冬季霾日數(shù)最多,其次是秋季和春季,霾日數(shù)最少的季節(jié)為夏季,這種季節(jié)變化特征與我國(guó)其他區(qū)域類(lèi)似[2].華南地區(qū)冬季霾日數(shù)大大超過(guò)夏季,說(shuō)明霾污染在華南地區(qū)是典型的冬季污染事件.四季中霾日數(shù)最多的站點(diǎn)均為廣西梧州,冬季霾日數(shù)達(dá)到32.6d/a,其次是廣東的廣州和廣西的玉林.冬季除了廣東東部、廣西西部以及海南的站點(diǎn)以外,大部分地區(qū)霾日數(shù)都在4d/a以上.春季和秋季霾日數(shù)的分布特征與冬季類(lèi)似,但量值有所減小,廣西梧州站春季和秋季霾日數(shù)分別為13.5d/a和25.9d/a.華南地區(qū)夏季霾日數(shù)量值減少更為明顯.結(jié)合霾天氣形成的特點(diǎn)可知,華南地區(qū)霾污染的這種季節(jié)特征有自然氣象條件與人為排放兩方面原因.冬季天氣形勢(shì)穩(wěn)定,有利于氣溶膠粒子的累積,而且冬季取暖燃煤等人為活動(dòng)增加,使得源排放增強(qiáng),大氣顆粒物和污染氣體濃度上升,在有利的氣象條件共同作用下導(dǎo)致冬季華南地區(qū)霾日數(shù)明顯增大;而夏季是華南地區(qū)主要的降水季節(jié),降水的清除作用有利于大氣污染物濃度降低,另外偏南的夏季風(fēng)加強(qiáng)粒子的擴(kuò)散,致使夏季華南地區(qū)霾日數(shù)顯著降低[7].

2.3 華南地區(qū)霾日數(shù)變化趨勢(shì)的分布

圖3給出了華南地區(qū)年平均霾日數(shù)氣候趨勢(shì)系數(shù)分布.可以看出,華南地區(qū)絕大部分站點(diǎn)均表現(xiàn)為正的變化趨勢(shì),其中41個(gè)站點(diǎn)達(dá)到了95%的顯著性檢驗(yàn),華南地區(qū)霾日數(shù)在近54年間出現(xiàn)明顯增長(zhǎng).氣候趨勢(shì)系數(shù)超過(guò)0.8的站點(diǎn)有15個(gè),分別分布在廣東中西部、廣西中東部和南部沿海等地,霾日數(shù)增加十分顯著.另外還有5個(gè)站點(diǎn)表現(xiàn)為負(fù)的變化趨勢(shì),分別為廣東的五華站和海南東半部的4個(gè)站,符傳博等[27]研究表明,冬季的外源輸送對(duì)海南大氣污染物濃度起主要貢獻(xiàn)作用,海南東半部霾日數(shù)有所減少的變化趨勢(shì)可能與近年來(lái)冬季輸送的氣象條件減弱有關(guān).

圖4分別為華南地區(qū)四季霾日數(shù)氣候趨勢(shì)系數(shù)分布.圖4表明,各個(gè)季節(jié)霾日數(shù)氣候趨勢(shì)系數(shù)分布與年平均(圖3)的類(lèi)似,位于廣東中西部和廣西中東部等地的站點(diǎn)霾日數(shù)增加顯著,而且都達(dá)到95%的顯著性檢驗(yàn).總的來(lái)說(shuō),不同站點(diǎn)霾日的變化趨勢(shì)具有明顯的季節(jié)性差異,其中冬季的變化幅度最大,而夏季變化幅度最小.結(jié)合霾日數(shù)的不同季節(jié)和變化趨勢(shì)分布可知,對(duì)于廣東中西部和廣西中東部等地的站點(diǎn)而言,各個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)出了增加的趨勢(shì),表明這些區(qū)域霾污染發(fā)生的頻率在各個(gè)季節(jié)均有所增加.

2.4 華南地區(qū)4季霾日數(shù)的年際變化趨勢(shì)

圖5給出了華南地區(qū)四季霾日數(shù)的年際變化.54年間華南地區(qū)四季霾日數(shù)均呈顯著的增加趨勢(shì),其回歸系數(shù)分別為0.897d/10a(春季)、0.27d/10a(夏季)、1.542d/10a(秋季)和2.11d/10a(冬季).另外四季氣候趨勢(shì)系數(shù)從大到小排列為:冬季(0.923)>春季(0.849)>秋季(0.839)>夏季(0.766),均超過(guò)了99.9%的顯著性檢驗(yàn),各個(gè)季節(jié)霾日數(shù)增加十分顯著.比較各個(gè)季節(jié)年際變化可以發(fā)現(xiàn),華南地區(qū)四季在2007年以前表現(xiàn)為穩(wěn)定的上升趨勢(shì),各個(gè)季節(jié)霾發(fā)生的頻次都有所增加,并分別在2007年和2008年達(dá)到近54年來(lái)的最大值,2007年冬季霾日數(shù)為14.05d,表明空氣質(zhì)量已經(jīng)嚴(yán)重惡化.2008年后春夏秋三季霾日數(shù)有所下降,而冬季仍表現(xiàn)出較高的霾日數(shù)水平,這可能與不同季節(jié)的氣象條件有關(guān)[14].

2.5 華南地區(qū)不同等級(jí)霾日數(shù)的變化特征

圖6為華南地區(qū)不同等級(jí)霾日數(shù)年際變化.圖6表明,輕微霾日是最主要的霾日等級(jí),比例基本在90%以上,華南地區(qū)霾日數(shù)時(shí)間變化主要是由輕微霾日變化引起的.而且在近54年來(lái)表現(xiàn)為顯著的上升趨勢(shì),增加率為4.53d/10a.最大值出現(xiàn)在2007年,為22.8d,隨后雖略有減少,但仍多于多年平均值.輕度霾日和中度霾日在20世紀(jì)80年代以前基本很少觀測(cè)到,80年代以后呈顯著增加趨勢(shì),增長(zhǎng)率分別為0.27d/10a和0.014d/10a.輕度霾日最大值出現(xiàn)在2007年,為2.28d,隨后下降明顯,而中度霾日最大值出現(xiàn)在2008年和2013年,為0.123d.重度霾日只有在20世紀(jì)90年代以后才出現(xiàn)(表2),這也說(shuō)明華南地區(qū)霾污染不僅在日數(shù)上有明顯的增加趨勢(shì),而且污染強(qiáng)度增強(qiáng).

表2 華南地區(qū)不同等級(jí)不同年代霾日數(shù)變化(d)Table 2 Haze days with different level averaged in South China during different periods (d)

2.6 華南地區(qū)霾日數(shù)的聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析主要是根據(jù)華南地區(qū)57站霾日數(shù)不同程度的站點(diǎn)進(jìn)行劃分歸類(lèi).本文首先計(jì)算出華南地區(qū)57個(gè)站點(diǎn)平均的年霾日數(shù)增長(zhǎng)率為4.643d/10a,定義其增長(zhǎng)率￡4.643d/10a為相對(duì)清潔站點(diǎn),而正常污染為4.643~9.9d/10a,污染嚴(yán)重為310d/10a.其站點(diǎn)數(shù)分別為8(嚴(yán)重污染),15(正常污染)和34(相對(duì)清潔),空間分布如圖7所示.嚴(yán)重污染和正常污染的站點(diǎn)主要分布在廣東的珠三角地區(qū)和廣西中東部,相對(duì)清潔的站點(diǎn)主要分布在廣東東部、廣西西部和海南等地,這和前面分析的年平均霾日數(shù)空間分布基本一致,即經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)珠三角地區(qū)和廣西中東部污染相對(duì)嚴(yán)重,而其他經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)空氣質(zhì)量相對(duì)清潔,污染較輕.

就區(qū)域平均霾日數(shù)的年際變化而言,54年間華南地區(qū)霾日數(shù)呈顯著的增加趨勢(shì),霾日數(shù)增長(zhǎng)率為4.643d/10a.20世紀(jì)90年代以前,平均霾日數(shù)均小于10d/a,此后表現(xiàn)為波動(dòng)的上升趨勢(shì),特別是2000年以后,上升更為顯著,并在2007年達(dá)到近54年來(lái)的最大值,為30.79d.這表明21世紀(jì)以來(lái)華南地區(qū)霾污染事件頻發(fā),空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化.對(duì)3類(lèi)站點(diǎn)的年際變化分析表明,3類(lèi)站點(diǎn)均呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì),其增長(zhǎng)率分別為14.24d/10a(污染嚴(yán)重)、7.389d/10a(正常污染)和1.147d/10a(相對(duì)清潔).氣候趨勢(shì)系數(shù)均超過(guò)了0.7,達(dá)到了99.9%的顯著性檢驗(yàn).對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),污染嚴(yán)重和正常污染的地區(qū)主要在20世紀(jì)90年代以后開(kāi)始出現(xiàn)顯著上升趨勢(shì),而相對(duì)清潔的地區(qū)霾日數(shù)加速上升主要在2000年以后,這可能與各個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有關(guān),污染嚴(yán)重和正常污染的站點(diǎn)主要分布在珠三角地區(qū)和廣西中東部,經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)偏高,污染較為嚴(yán)重,90年代以后霾日數(shù)就出現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì),而相對(duì)清潔的地區(qū)大氣污染排放相對(duì)較少,霾日數(shù)明顯上升相對(duì)延后.另外污染嚴(yán)重的地區(qū)霾日數(shù)2004年達(dá)到近54年來(lái)的最大值,為84.88d,隨后呈下降趨勢(shì),而正常污染地區(qū)在2007年達(dá)到最大值(47.33d)后才下降,這說(shuō)明政府的節(jié)能減排政策首先在高污染地區(qū)實(shí)施,加上人民群眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐年提高,城市空氣質(zhì)量惡化得到改善,霾日數(shù)有所下降[14].需要指出的是,相對(duì)清潔的地區(qū)霾日數(shù)近54年來(lái)表現(xiàn)為持續(xù)的增加趨勢(shì),最大值出現(xiàn)在2013年,達(dá)到12.59d,相對(duì)清潔地區(qū)近年來(lái)霾日數(shù)顯著增長(zhǎng)值得關(guān)注.

2.7 華南地區(qū)影響霾日數(shù)的氣候因子分析

表3 華南地區(qū)氣候因子變化與霾日數(shù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of relationship between haze days and climatic factors over South China

注:年大風(fēng)日數(shù)和年小風(fēng)日數(shù)與霾日數(shù)相關(guān)取1971~2013年共43年數(shù)據(jù).

霾天氣的發(fā)生主要取決于大氣污染排放強(qiáng)度和氣象條件對(duì)污染物的稀釋擴(kuò)散能力[29].在同等氣象條件下,大氣污染排放越少,則霾天氣發(fā)生可能性就越小;反之大氣污染排放越強(qiáng),霾天氣發(fā)生可能性就越高.而大氣污染排放強(qiáng)度大致穩(wěn)定的情況下,不同的天氣氣候形勢(shì)顯著影響著大氣污染物的聚集程度,并最終導(dǎo)致霾天氣強(qiáng)度和頻次的差異.為了解華南地區(qū)近54年來(lái)霾日數(shù)年際變化的氣候成因,圖9分別給出了華南地區(qū)年降水日數(shù)、年大風(fēng)日數(shù)、年平均風(fēng)速和年小風(fēng)日數(shù)的年際變化.本文定義日最大風(fēng)速310m/s為大風(fēng)日.另外考慮到2m/s可為小風(fēng)條件下示蹤物實(shí)驗(yàn)的風(fēng)速下限值[30],因此定義日最大風(fēng)速￡2m/s為小風(fēng)日.由于華南地區(qū)大部分站點(diǎn)從1970年開(kāi)始才對(duì)日最大風(fēng)速進(jìn)行觀測(cè),因此年大風(fēng)日數(shù)和年小風(fēng)日數(shù)的分析從1971年開(kāi)始,而年降水日數(shù)和年平均風(fēng)速則從1960年開(kāi)始.圖中表明,近54年來(lái)華南地區(qū)年降水日數(shù)、年大風(fēng)日數(shù)和年平均風(fēng)速呈明顯的下降趨勢(shì),其氣候趨勢(shì)系數(shù)分別為-0.54、-0.90和-0.65,下降十分顯著.而年小風(fēng)日數(shù)則呈現(xiàn)出增多的變化趨勢(shì),其氣候趨勢(shì)為0.66,2000年以后上升更為明顯.年降水日數(shù)的減少使得氣溶膠粒子的濕沉降作用減弱,氣溶膠停留在大氣中的時(shí)間延長(zhǎng),這在一定程度上可以加劇霾天氣的發(fā)生.年大風(fēng)日數(shù)和年平均風(fēng)速的減弱,可以反映出華南地區(qū)大氣對(duì)氣溶膠擴(kuò)散能力的減弱,年小風(fēng)日數(shù)增多有利于霾天氣的生成和維持,進(jìn)一步計(jì)算其與年平均霾日數(shù)的相關(guān)系數(shù)(表3),結(jié)果表明年平均霾日數(shù)與氣候因子有很好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了98%的顯著性檢驗(yàn).不利的氣候條件對(duì)華南地區(qū)近54年霾日數(shù)的增加有明顯的貢獻(xiàn)作用.

3 結(jié)論

3.1 華南地區(qū)霾日數(shù)分布空間差異明顯.就空間分布而言,年平均霾日數(shù)大值區(qū)主要分布在廣東珠三角地區(qū)和廣西中東部,這些地區(qū)人口集中,人為活動(dòng)頻繁,大氣污染物濃度偏高.年際變化而言,華南地區(qū)霾日數(shù)近54年來(lái)表現(xiàn)為顯著的上升趨勢(shì),2008年后有所下降.

3.2 華南地區(qū)4季霾日數(shù)有明顯的季節(jié)差異,冬季最多,其次是秋季和春季,夏季最少.其空間分布與年平均類(lèi)似,高值區(qū)分布在廣東珠三角地區(qū)和廣西中東部.年際變化表明4季近54年均有不同程度的上升,但2008年以后春夏秋3季霾日數(shù)有所下降,而冬季仍維持在較高水平.

3.3 近54年華南地區(qū)不同等級(jí)霾日數(shù)均有不同程度的上升.輕微霾日占霾日比例在90%以上,輕度霾日和中度霾日80年代以后呈顯著增加趨勢(shì),重度霾日在近20年出現(xiàn)明顯,說(shuō)明華南地區(qū)霾污染不僅在日數(shù)上有明顯的增加趨勢(shì),而且污染強(qiáng)度在加強(qiáng).

3.4 聚類(lèi)分析表明各個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同,導(dǎo)致污染嚴(yán)重和正常污染的地區(qū)霾日數(shù)在20世紀(jì)90年代就出現(xiàn)顯著上升,而相對(duì)清潔的地區(qū)霾日數(shù)加速上升發(fā)生在2000年以后.另外污染嚴(yán)重和正常污染的地區(qū)近些年來(lái)霾日數(shù)有所下降,但相對(duì)清潔地區(qū)維持快速的增長(zhǎng)趨勢(shì),清潔地區(qū)的大氣環(huán)境也趨向惡化.

3.5 不利的氣候條件加劇了華南地區(qū)霾天氣的發(fā)生,近54年來(lái)華南地區(qū)年降水日數(shù)明顯減少,致使氣溶膠粒子的濕沉降減弱,年平均風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)減少,年小風(fēng)日數(shù)增加使得不利于污染物擴(kuò)散.年平均霾日數(shù)與氣候因子有很好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了98%的顯著性檢驗(yàn).

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* 責(zé)任作者, 工程師, hnfuchuanbo@163.com

Temporal and spatial characteristics of haze days and their relations with climatic factor during 1960~2013 over South China

FU Chuan-bo1,2,3*, DAN Li2, TANG Jia-xiang1,3, YANG Wei1,3

(1.Hainan Meteorological observatory, Haikou 570203, China；2.Key Laboratory of Regional Climate-Environment Research for Temperate East Asia, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China；3.Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China)., 2016,36(5)：1313~1322

This study investigates temporal and spatial variations of haze days and the possible climatic factors in South China during recent 54years. Basic statistical methods are used here based on the observed data from 57meteorological stations, including linear regression, cluster and correlation analysis. The result shows that more haze days occur in the Pearl River Delta (PRD) region of Guangdong and mid-eastern Guangxi. The haze days increase remarkably during the past 54 years and show a decline trend after 2008. Among the four seasons, the heaviest haze pollution happened in winter, follows spring and autumn, and relatively weak in summer. They are also associated with a decrease trend after 2008 except winter. In addition, all of the haze days in different varied-intensity increased obviously during the past 54 years. It is further found that haze pollution in South China increases not only in the number of days, but also the pollution intensity. The rapidly rise time periods of haze days are different in different regions over South China. It occurs in the 1990s over serious pollution and normally pollution regions, but shows after 2000 for the relatively clean regions. Number of haze days over the serious polluted and normal polluted regions has been decreased during recent 10 years, but it remains a rapid increase for the relatively clean areas. Our further analysis suggests that the decreased trends of precipitation days during recent 54 years would factor in reducing the wet-depositing capacity of atmospheric pollutants. Increase of the breeze days, which connects to the decrease of mean wind speed and strong wind days, on the other hand, would also contribute to the reduction of pollutants diffusion capacity and more haze pollution.

South China；haze days；cluster analysis；climatic factor

X513

A

1000-6923(2016)05-1313-10

符傳博(1985-),男,海南?？谌?工程師,碩士,主要從事大氣環(huán)境與氣候模擬、環(huán)境氣象方面的研究.發(fā)表論文17篇.

2015-10-09

海南省自然科學(xué)基金(20154182);中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)員專(zhuān)項(xiàng)(CMAYBY2015-060);海南省氣象局科研項(xiàng)目(HNQXMS201402);海南省氣象局科技創(chuàng)新項(xiàng)目(HN2013MS02)