重慶霧和霾的氣候特征分析

白瑩瑩，楊世琦，劉　川，董新寧

(1. 重慶市氣候中心，重慶　401147;2.重慶市氣象科學研究所，重慶　401147)

1　引言

霧和霾是兩種本質上完全不同的、影響視程的自然天氣現象[1]。國家氣象標準中，將能見度≤10 km，空氣相對濕度90%的自然天氣現象稱為霧；能見度≤10 km，空氣相對濕度80%的天氣現象定義為霾。因此，研究中常將造成視程惡化時空氣相對濕度的大小作為區分霧和霾的輔助判定條件。霧是常見的天氣現象，作為災害性天氣，霧主要對社會經濟中的交通事業影響較大。長久以來，除了相關行業部門以外，大眾并沒有對霧所造成的影響有太多關注。但近年來，霾作為大氣污染的另一種天氣現象，獲得了足夠的關注，2011年霧霾天氣第一次入選中國十大天氣氣候事件，反映了社會公眾對霧和霾天氣的關注程度[2]。

霧和霾的形成與國家經濟發展有一定的關系，西方國家工業化開始較早，受霧和霾影響也相對較早，對于霧霾的形成及化學組成成分，國外學者已有了豐富的研究成果。Malm在定量分析美國大陸性霧霾天氣的時空演變時發現，造成霧霾天氣能見度下降的主要成分是硫酸鹽氣溶膠，部分地區硝酸鹽和有機氣溶膠的貢獻也比較大[3]。在對中國霧霾的研究中，吳兌[4]以日均能見度≤10 km，日均相對濕度90%為統計標準，分析了1951—2005年中國大陸灰霾的時空變化，分析結果顯示，1980年代以后，隨著城市化和工業化的不斷發展，中國灰霾日數在明顯的增加。在空間分布層面上，吳丹[5]認為霧霾主要集中在京津冀、長江三角洲和珠江三角洲等人口密集，經濟發達的地區。張英娟、于文金、史軍、程婷和吳兌等人針對這3個研究區進行了大量的研究分析[6-10]。重慶位于四川盆地東部，屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，四周高山屏蔽，山谷相間，水系發達，地形閉塞，空氣溫暖濕潤，風速小，靜風頻率高 ,也不利于污染物的擴散，是霧霾形成的有利條件。張天宇等利用天氣現象數據分析了全球變暖背景下重慶地區霧日的長期變化特征[11]，但以往針對重慶的研究大多關注霧，對霾的氣候特征研究相對較少，本文嘗試利用天氣現象和氣象要素反算兩種資料來分析重慶霧和霾的氣候特征。

2　資料和方法

采用重慶區域內34個國家站1981—2014年氣象觀測數據，包含：能見度、相對濕度、天氣現象等數據。

根據重慶市地方標準DB50/T270—2008《氣象災害標準》，霧的判識標準為：空氣相對濕度>95%，懸浮于近地面層空氣中的大量水滴或者冰晶顆粒，使水平能見度降到1 km以下的現象[12]。根據氣象行業標準《霾的觀測和預報等級》，霾的判識條件：水平能見度<10 km，相對濕度<80%，判識為霾；相對濕度80%～95%時，按照地面氣象觀測規范規定的描述或大氣成分指標進一步判識[13]。根據判識標準分離統計出1981—2014年重慶地區霧和霾的年平均日數，采用氣候傾向率、氣候趨勢系數、Morlet小波和二項式平滑等統計方法，對1981—2014年重慶地區霧、霾的時空分布特點進行研究分析。

圖1　霾和霧的分類示意圖Fig.1　Schematic diagram of the classification of haze and fog

3　重慶霧的氣候特征

霧的數據來源主要有兩個，一是天氣現象數據中直接提取，二是用能見度數據的歷史反算，兩個數據的資料都是比較完整的，下面對比了分別用這兩個數據反應的重慶霧的氣候特征。

3.1　時間變化

從重慶霧日的歷年變化來看，兩種資料反映的霧日的年際變化基本一致，特別是在2000—2010年，兩種資料的分析結果基本重合，而在1981—1999年間，天氣現象數據中霧日較能見度反算的結果要偏多5～10 d。在對重慶霧的研究中，大多數學者采用的是天氣現象數據，因2000年以前的能見度的觀測主要以觀測員對參照物的觀測來判斷，主觀性較大，因此兩種數據的差別略大，而2000年后逐漸用能見度自動觀測替代了人工觀測，兩種數據的結果就相對穩定一致了。

重慶霧日總體呈減少趨勢，兩種資料的趨勢系數分別為-10.3 d/10 a和-7.6 d/10 a，均可通過顯著性檢驗，其中天氣現象數據減少的趨勢更為顯著，但是進入2010年的幾年，霧日有反彈的趨勢，特別是2014年，已經躍升至1981年以來歷史第4位(天氣現象數據)(圖2)。

圖2　1981—2014年重慶霧日歷年變化Fig.2　Yearly changes of Chongqing's fog days from 1981 to 2014

分析了重慶霧日的年代變化，可以看出，2000年后霧日顯著減少(表1)，這可能與全球變暖有關，《重慶氣候變化評估報告》[14]中指出重慶的變暖開始于20世紀90年代中后期，這與霧日大幅減少的時間基本一致。

表1　重慶霧日年代變化(單位:d)Tab.1　Decadechanges of Chongqing fog days(unit：day)

3.2　空間變化

重慶霧日的空間分布總體呈：中西部多，東南東北少，西部偏北地區多于西部偏南地區。兩種資料在空間分布的表現基本一致，長江與嘉陵江流經區域附近的站點多年平均霧日數大于距離兩江水域較遠的站點，其中沿長江的忠縣、豐都、涪陵、長壽和嘉陵江江岸的合川、北碚等站，年平均霧日數在45 d以上，涪陵、長壽最多，達60 d以上。萬州、開縣以西廣大平行嶺谷地區年平均霧日數大都在30～50 d之間。而東北部沿江的云陽、巫山及巫溪，北部的城口，中部的石柱，東南部的彭水、酉陽等站，年均霧日偏少，在20 d以內，其中城口和巫山在10 d以內，為重慶霧日最少的地區(圖3)。

圖3　兩種資料計算重慶霧日氣候平均(1981—2010年)分布圖(單位:d)(a、天氣現象數據，b、能見度數據反算)Fig.3　Distribution of climateaverageof Chongqing fogdaysbetween two types of data from 1981 to 2010 (Unit: day)(a、weather phenomenon data, b、visibility data calculation)

4　重慶霾的氣候特征

對重慶霾的氣候特征的分析也主要利用能見度、相對濕度反算和天氣現象兩種，因霧霾混合的情況判定霾要參考大氣成分指標進一步判識，而歷史資料沒有大氣成分相關的觀測，因此對重慶霾的氣候特征的分析主要參考：水平能見度<10 km，相對濕度<80%，判識為霾。

從兩種資料的分析情況來看，對于霾日的分布，天氣現象數據偏小太多，究其原因，得知天氣現象對霾的觀測在2013年以前采用人工觀測，2013年以后才有儀器自動觀測，并且歷史天氣現象數據人工無法準確判識霾的特征，因此提取出的霾日數據很小，數據參考價值低。利用能見度和相對濕度反算的霾日結果總體比較穩定，下面就主要依據此數據分析了重慶霾的主要時空分布特征(表2)。

表2　兩種資料計算重慶霾日的氣候平均值(1981—2010年)(單位：d)Tab.2　climate average of hazedays using two kinds of datainChongqing(Unit: day)

4.1　時間變化

重慶霾日總體呈顯著增加趨勢，趨勢系數為12.9 d/10 a(圖4)，可通過99%的顯著性檢驗，其趨勢與霧日變化剛好相反，并且霾日發生顯著增加的時段與霧日發生顯著減少的時段基本一致，發生在90年代中后期。進入2000年后，霾日的年際變化的振幅也有增加的趨勢，波動明顯(圖2)。

圖4　1981—2014年重慶霾日歷年變化和常年值Fig.4　Yearly changes of Chongqing's haze days from 1981 to 2014

利用Morlet小波分析了重慶霾日的周期變化，結果表明，重慶霾日變化以年際振蕩為主，主要周期有準2 a周期，在2000年后4～8 a周期開始顯著，也可以看出2000年前后霾日經歷了明顯的突變(圖5)。

圖5　重慶霾日Morlet小波序列(陰影部分通過了90%的顯著性檢驗)Fig.5　Morlet wavelet ofChongqing haze days(The shaded area passes the 90% significance test)

對重慶霾日的年際變化進行二項式9點平滑，可以發現霾日在2000年發生突變，并且可以通過99%的置信度檢驗(圖6)，這也與小波分析的結果基本一致。霾日在2000年后的突然增加原因可能主要有以下三方面：其一可能是由于氣候變化引起的；其二可能是由于直轄后大規模城市化建設、工業和經濟的發展帶來的空氣污染的加重；可能是觀測手段的變更引起的，2000年后能見度的觀測逐漸由儀器自動觀測替換了人工觀測。

圖6　重慶霾日二項式9點平滑曲線及t檢驗Fig.6　Binomial 9-point smooth curve and t-test of Chongqing haze days

4.2　空間分布

圖7給出了重慶霾日1981—2010年30 a氣候平均值，可以看出重慶霾的分布主要呈現“以主城為中心，中西部多，東北部和東南部少”的特點。主城沙坪壩平均每年霾日達148.5 d，為全市之最，北碚、巴南、璧山、江津、涪陵、彭水、秀山平均每年霾日在100～130 d之間，合川和奉節年平均霾日不足50 d，其中奉節最少僅為38 d。

圖7　重慶霾日氣候平均(1981—2010年)空間分布圖(單位：d)Fig.7　Distribution of climate averageof Chongqing haze days from 1981 to 2010(unit:day)

5　結論及討論

①重慶霧日總體呈顯著減少趨勢，能見度反算和天氣現象兩種數據分析結果基本一致，進入2010年的幾年，霧日有反彈的趨勢，特別是2014年，已經躍升至1981年以來歷史第4位。

②重慶霧日的空間分布總體呈：中西部多，東南東北少，西部偏北地區多于西部偏南地區。兩種資料在空間分布的表現基本一致，長江與嘉陵江流經區域附近的站點多年平均霧日數大于距離兩江水域較遠的站點。

③重慶霾日總體呈顯著增加趨勢，趨勢系數為12.9 d/10 a，其趨勢與霧日變化剛好相反，并且霾日發生顯著增加的時段與霧日發生顯著減少的時段基本一致，發生在90年代中后期。進入2000年后，霾日年際變化的振幅也有增加的趨勢，波動明顯。

④Morlet小波周期分析結果表明，重慶霾日變化以年際振蕩為主，主要周期有準2 a周期，在2000年后4～8 a周期開始顯著，也可以看出2000年前后霾日經歷了明顯的突變，二項式9點平滑也印證了這一結論。

⑤重慶霾的分布主要呈現“以主城為中心，中西部多，東北部和東南部少”的特點。其中主城沙坪壩最多，平均每年霾日達148.5 d；奉節最少，僅為38 d。

本文嘗試利用兩種氣象觀測資料分析了重慶霧和霾的氣候特征，得到了一些有意義的結論，隨著全球變暖的加劇，研究表明霧日是呈顯著減少趨勢的，但是霧日的減少是否是氣候變化導致的？霧日的減少與霾日的增加是否有關？兩者期間的復雜關系和影響機理仍需進一步的研究深入。