東北地區近50年來霾天氣氣候特征

崔 妍,趙春雨,周曉宇,敖 雪,王 濤,李 倩,劉鳴彥,馬凡舒

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東北地區近50年來霾天氣氣候特征

崔 妍1*,趙春雨1,周曉宇1,敖 雪1,王 濤1,李 倩1,劉鳴彥1,馬凡舒2

(1.沈陽區域氣候中心,遼寧 沈陽 110016；2.沈陽農業大學,遼寧 沈陽 110866)

利用東北地區194個地面氣象觀測站的1961~2013年觀測資料,對東北地區霾日及不同等級霾日的空間分布特征和時間演變規律進行分析.結果表明:東北地區霾日空間分布差異顯著,遼寧中部和黑龍江中北部霾日相對較多,年平均霾日超過50d,吉林西部地區霾日最少,年平均霾日不超過2d,不同等級的霾日日數空間分布與總霾日日數基本一致;東北地區霾日主要集中在冬季,占全年霾日57.9%,秋季次之,春季最少;1961~2103年東北地區平均霾日呈顯著增加趨勢(2.9d/10a),其中1981~2000年時段增加最為顯著,輕微霾日、輕度霾日、中度霾日和重度霾日均呈增加趨勢,但輕度霾日、中度霾日和重度霾日21世紀以來較80年代略有減少.

東北地區；霾日；時空分布特征

霾是大量極細微的干塵粒等均勻地浮在空中,使水平能見度小于10km的空氣普遍混濁現象[1].近年來區域性持續性霧霾天氣不斷發生,霾天氣已經越來越成為一種新的氣象環境災害現象,不僅對人體健康造成嚴重危害,還可以直接引發海、陸、空交通事故和城市空氣質量問題[2].

國外對霾天氣的研究非常重視,對霧、霾的組成及其氣候特征進行深入的研究.Malm[3]對美國大陸的霾現象分布特征和起源做了統計分析,Kerr[4]揭示了霾對局地氣候產生的變冷效應.近年來隨著霾污染的逐漸增多,國內也加強了對全國性或區域性霾現象氣候特征研究,高歌[5]詳細分析了近40年來中國霾的時空分布和變化趨勢,并探討了霾日變化的可能原因;吳兌等[6]利用中國大陸743個站氣象資料分析了霾日的長期變化趨勢.對東北地區的霾日也有一些研究成果,張云海等[7]和洪也等[8]對遼寧中部城市群的灰霾現象進行了詳細研究,劉寧微等[9]以沈陽單站為例分析了霾日的長期變化,襲祝香等[10]建立了霧霾事件綜合指數并在此基礎上分析了吉林省霧霾事件的時空分布特征,崔妍等[11]分析了遼寧省不同等級霾現象的變化規律,并進一步探討了其氣候成因.

對東北地區霾現象目前雖然已有不少研究成果,但對于整個東北三省霾日和不同等級霾日的空間分布、長期變化以及季節分布尚沒有系統研究.本文利用東北地區194個站的氣象觀測資料對東北地區霾日時空分布進行分析,旨在為政府部門制定相關的治理措施提供科學依據.

1 資料與方法

本文所用資料來自于中國東北三省(吉林、黑龍江和遼寧)氣象信息中心提供的1961~2013年194個站點的逐日4次相對濕度、能見度資料和逐日天氣現象資料.進行資料處理時日均能見度為逐日4個時次能見度的平均,此外由于1980年之前能見度觀測記錄是以等級劃分的,因此先通過能見度等級換算表將等級換算成相應的中間值(以km為單位)再做進一步計算[12].

在氣象常規觀測中雖然有對霾天氣現象的觀測,但是由于在中國氣象系統臺站觀測業務中,1952年以來長期沒有統一的輔助判別標準,各地(不同觀測員)識別霾時太過主觀隨意,科學性不高,直接使用天氣現象資料分析霾日非常不客觀,因此需要使用能見度、天氣現象和相對濕度進行綜合判斷,并且要將其他引起視程障礙的現象剔除[13].

一般而言,相對濕度<80%時大氣混沌視野模糊導致的能見度惡化是由霾導致,相對濕度介于80%~90%之間是由霾和霧混合物共同造成,但其主要成分是霾[14].因此根據吳兌[15]的建議,結合國家行業標準《霾的觀測和預報等級》規定的霾日判定標準[1],本文定義日均能見度<10km,相對濕度<90%,排除毛毛雨、雨、雨夾雪、雪、米雪、陣雨、陣性雨夾雪、陣雪、霰、冰雹、浮塵、揚沙、沙塵暴、吹雪和雪暴39種導致低能見度事件的情況視為一個霾日,日均能見度5￡Vis<10km之間為輕微霾日,3￡Vis<5km之間為輕度霾日,2￡Vis<3km為中度霾日, Vis<2km為重度霾日[11].

2 東北地區霾日的變化規律

2.1 東北地區霾日的空間分布

圖1給出了東北地區1961~2013年整個時段以及每20年霾日的空間分布.從東北地區1961~2013年霾日空間分布看(圖1a),遼寧中部、黑龍江中北部霾日相對較多,吉林西部和東南部霾日相對較少,霾日最多的地區位于沈陽南部,平均每年發生霾日154d,黑龍江霾日最多的站點為伊春,平均每年霾日53.4d;黑龍江小興安嶺西北部、三江平原、吉林西部以及遼西山區霾日多在5d以下;黑龍江中北部、遼寧中部多在20d以上,個別地區在50d以上,這說明東北地區霾日空間分布差異顯著,工業和經濟發達的大中型城市霾日日數遠多于經濟相對較落后的地區,“濁島”現象非常明顯[16];從不同時段東北地區霾日的空間分布看,1961~1980年代東北地區霾日(圖1b)有3個高值區,分別位于黑龍江中北部、遼寧中部以及遼寧西部偏東地區,吉林全省、黑龍江三江平原和小興安嶺西北部以及遼西山區年平均霾日在2d以下;1981~2000年代東北地區(圖1c)2d以下的霾日范圍急劇縮小,僅存在于吉林西部,20d以上的霾日范圍擴大,黑龍江中部和遼寧西部偏東地區的高值區霾日強度增大,遼寧中部的則減弱;2001~2013年(圖1d)20d以上的霾日范圍在遼寧繼續擴大,黑龍江則無明顯變化,吉林中部的霾日也開始增多,尤其是吉林長春,2001年以來年平均霾日增加到了22d,與1961~1980年這一時段相比(3.5d),霾日增加了4倍,這也說明隨著經濟發展和能耗的增加,空氣污染不斷加劇使得灰霾天日益增多[17].

國家行業標準《霾的觀測和預報等級》中按照能見度的大小將霾日進行了等級劃分,圖2給出了東北地區輕微霾日、輕度霾日、中度霾日和重度霾日的空間分布.可以看出,4種等級的霾日空間分布基本一致,在遼寧中部城市群、黑龍江中部和東南部的均出現了高值中心,吉林地區4種霾日均相對較少.東北地區輕微霾日在0~132d之間(圖2a),黑龍江中部、遼寧中部和遼西偏東地區輕微霾日在35d以上,最高為沈陽,輕微霾日達132d,吉林輕微霾日在10d以下,吉林西部和黑龍江西北部在2d以下,吉林白城最少,為0.02d.東北地區的輕度霾日(圖2b)在19.1d以下,吉林、小興安嶺、三江平原、遼西山區和遼寧東部山區輕度霾日在1d以下,輕度霾日最多的站點為沈陽(19.2d),其次為牡丹江(5.9d);中度霾日(圖2c)在2.39d以下,黑龍江西部和東南部、遼寧中部在0.1d以上,中度霾日最多的地區位于沈陽,在2d以上,林口、拜泉和牡丹江在1~2d之間,其他地區中等霾日均在1d以下;重度霾日(圖2d)的空間分布與輕度霾日(圖2b)一致性較高,最多的地區為黑龍江林口(2.32d),其次為遼寧蘇家屯(1.02d),82個站點無重度霾日出現.

2.2 東北地區霾日的年內變化

表1 1961~2013年東北地區及三省四季平均霾日日數及其比例Table 1 Days and percentages of averaged seasonal haze days in Northeast China, Liaoning Province, Jilin Provinceand Heilongjiang Province during 1961~2013

從東北地區霾日的年內變化看(圖3),東北地區霾日在1月最多,12月次之,5月最少.東北3個省的霾日呈現一致的年變化特征,與東北地區一致,1月最多,5月最少,黑龍江和遼寧的霾日相對較多,吉林霾日最少.東北霾日的這種年內分布特征廣泛存在于中國的華中[21]、西北[22-23]、華東[24]和華南地區[25].

從季節變化看(表1),東北地區霾日在冬秋季較多,夏春季較少.東北地區冬季霾日為6.79d,占全年霾日的57.9%,秋季為2.33d,占全年霾日19.8%,春季和夏季霾日比例分別為10.9%和11.4%.3個省中吉林冬季霾日比例最高為73.9%,其次為黑龍江,遼寧相對較小,從冬季霾日所占比例看,東北地區冬季霾日比例較江蘇地區比例偏大[24].全年霾日最多的為遼寧省(19.1d),其次為黑龍江(10.7d),吉林霾日最少(4.5d).東北霾日冬季最多主要是因為11月份之后東北地區進入采暖季,燃煤取暖增加了大氣中的污染物[18],同時東北地區晝夜溫差大,冬季逆溫出現頻率高,嚴重抑制和影響大氣污染物的擴散和輸送[19],為霧霾產生和發展提供了有利的層結條件[16],除此以外,由于東北地區冬季溫度低,因此降水減少而降雪增加,而降雪對污染物顆粒的捕獲作用遠小于降雨,冬季降雪對大氣污染物的稀釋作用不僅有限還會使得隨雪量增加大氣污染物濃度升高的概率增大[20],這些因素都是造成了東北地區冬季霾日頻發的原因.

從東北地區月霾日長期變化看(圖4a),1980年之前東北地區月霾日多在1d以下,1980年~ 1995年左右,1d以上霾日出現月份增多,除冬季外,11月和3月的霾日也超過了1d,冬季霾日數也同時增多,1995年之后,夏季霾日數也偶爾超過1d;遼寧省月霾日的長期變化(圖4b)比東北地區(圖4a)更加明顯,20世紀80年代之前遼寧省3月至10月霾日多在1d以下,1980~2000年1d以下霾日出現的月份變少,多出現在4~7月之間,同時冬季霾日強度也較20世紀80年代之前偏強,出現的月份比例也有所增加,2000年之后這一特征更加明顯,1d以下霾日僅在5月份左右出現,2d以上霾日出現的月份也擴展至6個月以上;吉林(圖4c)和黑龍江(圖4d)的月霾日變化相對較小,吉林省1980年之前霾日都在1d以下,1980年之后只有冬季霾日超過1d,其他月份的霾日多在1d以下,并無明顯變化;黑龍江省1975年之前都在1d以下,1980年之后4月~10月的霾日也鮮少超過1d,11月霾日開始增多,至1月達到峰值之后開始減少.

2.3 東北地區霾日的年際變化

從東北地區的年際變化看(圖5a),東北霾日呈顯著增加趨勢,增加率為2.9d/10a,1980年之前較少,1980年前后有明顯躍變,但2000~2013年時段的霾日與1981~2000年時段無明顯增加.3個省的霾日與東北地區一致,也呈顯著增加趨勢,遼寧增加趨勢最為顯著(圖5d),平均平均每10年增加4.2d.從3個時段的變化看,1961~1980年3個省的霾日均比較少,但遼寧和黑龍江還是明顯多于吉林,1981~2000年3省的霾日均有一個明顯的增加特征,2001~2013年吉林霾日變化不明顯,黑龍江則有所減少,而遼寧的霾日繼續增多,這也可以說明東北霾日的增加主要是遼寧霾日增加導致的,尤其是21世紀以來,在黑龍江霾日略有下降的情況下,東北霾日仍然存在較小幅度的增加主要是由于遼寧霾日大幅度增加導致的.

從不同等級的年際變化看(圖6),1961~ 2013年東北地區不同等級霾日均呈增加趨勢,輕微霾日的增幅最大(圖6a),平均每10年增加2.7d,其次為輕度霾日0.13d/10a(圖6b),中度霾日(圖6c)和重度霾日(圖6d)變化趨勢最小,平均每10年增加0.04d和0.01d.從3個時段變化看,輕微霾日呈逐時段遞增變化,輕度霾日、中度霾日和重度霾日在1981~2000時段明顯增加,但2001~2013時段略有下降,但仍多于1961~1980時段,這說明21世紀以來東北霾日的增加主要是由于輕微霾日增加造成的.進一步分析東北三省不同等級霾日的階段性分布,可以發現,遼寧省4種等級霾日日數均呈逐時段增加;吉林省輕微霾日、輕度霾日和中度霾日在1980年左右明顯增加,之后較為平穩;而黑龍江輕度霾日、中度霾日和重度霾日2001~2013時段相對于1980~2000時段減少明顯,輕度霾日從1.22d減少至0.59d,中度霾日從0.30d減少至0.12d,重度霾日從0.21d減少至0.05d,黑龍江省輕度霾日、中度霾日和重度霾日的大幅減少可能是造成東北地區輕度霾日、中度霾日和重度霾日在2001~2013時段略有下降的重要原因.

從東北地區霾日的變化趨勢看(圖7),東北地區多數站點霾日呈增加趨勢,黑龍江西南部和遼寧中部部分站點呈減少趨勢.統計東北194個站點的變化趨勢發現其中60個站點無明顯變化趨勢,127個站點的霾日呈顯著增加趨勢,增加最明顯的為黑龍江鶴崗,增加率為30d/10a,7個站點呈顯著減少趨勢,減少最明顯的為沈陽,平均每10年減少37d.沈陽霾日減少的原因可能是因為20世紀80年代末至90年代沈陽大批工廠停產倒閉,原有工業企業污染排放迅速減少,此外隨著政府對環保的大利投入,重污染企業陸續搬離市區,沈陽生態環境得到了改善[9].

3 結論

3.1 東北地區霾日空間分布差異顯著,遼寧中部、黑龍江中北部霾日相對較多,吉林西部和東南部霾日相對較少,工業和經濟發達的大中型城市霾日日數遠多于經濟相對較落后的地區;東北地區不同等級霾日(輕微霾日、輕度霾日、中度霾日、重度霾日)日數的空間分布與總霾日日數的空間分布基本一致.

3.2 東北地區多數站點霾日呈增加趨勢,黑龍江西南部和遼寧中部部分站點呈減少趨勢,194個站中60個站點無明顯變化,127個站呈顯著增加趨勢,7個站點呈減少趨勢,其中沈陽站減少最為明顯.

3.3 冬秋季是東北霾日的高發時段,57.9%的霾日發生在冬季,吉林冬季霾日比例高達73.9%,從年內變化看,東北霾日1月最高,5月最少,冬季多發主要是由于采暖季大氣污染增多導致的.

3.4 1961~2013年東北地區平均霾日呈顯著增加趨勢,增加率為2.9d/10a,遼寧增加趨勢最為顯著,黑龍江次之,吉林最小,20世紀80年代之前東北三省霾日均比較少,80年代至20世紀末,3個省和整個東北地區均有一個明顯的增加,但是21世紀以來,遼寧霾日持續增加,但是黑龍江略有減少.

3.5 1961~2013年東北不同等級霾日均呈增加趨勢,輕微霾日增幅最顯著(2.7d/10a),輕微霾日呈逐時段遞增變化,輕度霾日、中度霾日和重度霾日則在20世紀80年代增加顯著,之后又略有下降.

QX/T113-2010 霾的觀測和預報等級 [S].

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* 責任作者, 工程師, cuiyan.mail@foxmail.com

Climatic characteristics of haze days in Northeast of China over the past 50 years

CUI Yan1*, ZHAO Chun-yu1, ZHOU Xiao-yu1, AO Xue1, WANG Tao1, LI Qian1, LIU Ming-yan1, MA Fan-shu2

(1.Shenyang Regional Climate Center, Shenyang 110016, China；2.Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China). China Environmental Science, 2016,36(6)：1630~1637

Based on the surface meteorological data from 194 weather stations located in the Northeast of China during 1961~2013, temporal and spatial characteristics of haze days and haze with varied intensity have been analyzed. In terms of spatial distribution, there are two high-value centers located in the central Liaoning Province and north central Heilongjiang Province respectively, where annual total haze events generally exceed 50days. The least haze events occur in the west of Jilin Province with less than 2days per year.Furthermore, the spatial distribution of varied intensity (slight, mild, moderate and severe) haze days is approximately consistent with that of the total haze days.Haze events are more frequently observed in winter (57.9%), followed by autumn and they are least frequently in springs. Average number of annual haze days in study area has a significant increasing trend of 2.9d/decade during 1961~2013 with greatest increase occurring during 1980~2000. Days with slight ,mild, moderate and severe haze have also increased, but mild, moderate and severe haze days reduced slightly in the 21st century compared with the 1980s.

Northeast China；haze days；trend

X51

A

1000-6923(2016)06-1630-08

崔 妍(1984-),女,河南焦作人,工程師,南京信息工程大學碩士研究生,主要從事氣候與氣候變化相關研究.發表論文5篇.

2015-11-16

2015年遼寧省科學技術計劃項目(2015103038);2014年遼寧省氣象局科研課題(201405);2014年公益性行業科研專項(GYHY201206012);2013年中國氣象局氣候變化專項(CCSF201321)