1981—2019年四川省霾日時空變化特征及成因分析

孫 蕊，馬振峰，張 亮，李小蘭，劉 佳

（1.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都610072；2.四川省氣候中心，四川 成都610072；3.四川省氣象災害防御技術中心，四川 成都610072）

我國近二三十年霾污染頻發，已成為一種新的災害性天氣，對人體健康和大氣環境質量造成了嚴重威脅，并引起了廣泛關注[1-2]。例如2013年1月發生在中國東部的強持續性霾事件，影響區域達140×104km2，對8億人的生產生活造成了嚴重影響[3-4]。因此，對近年來霾的時間變化特征及影響因素進行研究，對科學治霾，改善霧霾污染現狀具有重要的現實意義。許多學者已經對我國霾天氣的時空變化和成因進行了研究[5-8]。研究表明，1956—1980年，霾天氣在中國很少發生，1980年后霾日數明顯增加，2000年后中國東部大部分地區的年霾日數已經超過了100 d。霾天氣的季節性變化特征非常明顯，即冬季霾污染最嚴重，夏季較少[9]。霾天氣高發區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，并且不同區域的霾日表現出不同的變化特征[10-11]。對于霾天氣的成因研究，目前普遍認為主要歸因于污染物排放的增加，對大多數城市來說，工業粉塵、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生不同的污染物擴散、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濟區，其經濟發展帶來的污染物，受復雜地形與氣象條件的影響，使其成為我國霾污染較為嚴重的地區之一[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上，更新霾的氣象觀測資料，統計分析1981—2019年四川省霾日和區域持續性霾過程的時空變化特征，并對四川盆地霾和污染物排放量及與氣象要素之間的關系進行簡要分析。

1 資料與方法

1.1 資料

選取了四川省1981—2019年156個縣級氣象站（盆地104站）的能見度、相對濕度、地面天氣現象等觀測資料，分析四川霾天氣時空變化特征。同時利用歐盟委員會大氣研究排放數據庫提供的1981—2015年區域大氣污染物排放數據（0.1°×0.1°），統計四川省NOx、SO2、PM2.5和PM10的年代平均排放量與區域分布，并分析其對四川霾的影響。

1.2 方法

對于霾的界定，選取在四川地區較為適用的判別方法[22]：排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、吹雪、雪暴等影響視程的天氣現象的基礎上，以同時滿足能見度V≤5.0 km且相對濕度RH＜95%的時次，判識為霾時。以北京時20時為日界，一日持續1/4（含）以上定時觀測時次判識為霾，則該日記為霾日。當霾跨日界持續時長達1/4（含）定時時次以上，但日界前（或后）持續時長不足1/4定時時次且大于1/8定時時次，則相應的上跨日（或下跨日），記為霾日。并根據WMO標準的能見度指標[1]，將霾分為3個等級，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。

持續性及區域霾過程的判別：從有煙幕或霾發生到過程結束連續3 d及以上，稱為一次持續霾事件。選取同1 d四川盆地地區104個站中有20%及以上的站點（21站）出現霾，且持續天數超過3 d及以上的霾日為統計對象，統計區域持續性霾過程。

2 結果分析

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，川西高原（甘孜州和阿壩州）、攀西地區（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）霾日數相對較少。盆地地區年均霾日數為53.7d，并且盆地的中部、東部及南部存在多個霾日年均值大于100 d的高值中心，盆地輕、中、重度霾年均日數分別為26.9、24.1和2.7d，川西高原及攀西地區平均年霾日數則不到1 d。分析不同等級霾日的空間分布后發現，輕度霾高發區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江、自貢；中度霾高發區與輕度霾類似，主要位于盆地中南部及東部地區；重度霾高發區主要集中在盆地東部的廣安和中南部的內江—自貢一帶。綜上，霾高發區主要集中在四川盆地人口稠密、工業及交通運輸業發達的城市，由于霾在川西高原和攀西地區少發，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平均值 d

2.2 霾的時間變化特征

2.2.1 霾的年際和年代際變化特征

從盆地霾日數年際變化來看，近39 a盆地平均霾日數總體呈下降趨勢，氣候傾向率為-0.03 d/10 a。分年代統計顯示（圖2），20世紀90年代以前盆地平均年霾日數以負距平年份偏多，20世紀90年代至21世紀前10 a則轉變為正距平年份明顯多于負距平年份，21世紀10年代以來，又表現為負距平年份為主。根據盆地多年平均年霾日數分布特征，將盆地分為三個區域：盆東南（自貢、內江、瀘州、宜賓、資陽），盆東北（廣安、達州、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年四川盆地霾日數距平（a）和分區域霾日數（b）年際變化

從盆地各等級霾日數年代際變化來看（表2），輕度霾從20世紀80年代至21世紀前10 a一直增加，進入21世紀10年代后降低；中度霾在20世紀80年代至90年代間顯著增加，進入21世紀后下降顯著；重度霾則一直呈緩慢增加趨勢。在區域分布上（圖3），20世紀90年代霾日數的分布范圍較80年代有明顯的擴展，且霾日數超100 d高值中心個數明顯增多；21世紀前10 a霾分布范圍較20世紀90年代有一定程度的縮小，但仍存在個別超20世紀90年代的霾日數高值中心；21世紀10年代的霾日數較21世紀前10 a以及20世紀90年代在分布范圍和高值中心數量上均有明顯的減小。

圖3 1981—2019年四川盆地每10 a平均霾日數時空分布特征

表2 1981—2019年四川省盆地不同等級霾日數年代際變化 d

2.2.2 霾在四季中變化及年際分布特征

由圖4可知，盆地霾日數具有顯著季節性特征。盆地霾在冬季（12月—翌年2月）發生頻率較高，年均總霾日數達24.7 d。冬季盆地主要以下沉氣流為主，大氣層結穩定，不利于低層大氣污染物擴散[9，22]。霾在夏季（6—8月）少發，年均霾日數僅為6.8d，與夏季降水對空氣的沖刷作用有關。5月出現的小峰值，主要因為秸稈焚燒所產生的大量PM2.5、PM10等氣溶膠污染物，造成空氣質量惡化[21]。從不同季節霾日數年際變化趨勢可見，近些年來，盆地春季、夏季和秋季霾日數與總霾日數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致的冬季氣溫升高有關，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；同時冬季溫度升高會使大氣層結更加穩定，容易導致霾加重。

圖4 1981—2019年四川盆地年均霾日數月分布（a）和各季霾日數年際變化（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，僅局部地區霾日數超過10 d；春秋兩季霾空間分布總體差異不大，盆周山區外的大部地區在10 d左右，其中盆東南內江和自貢等局部地區霾日超過20 d；冬季霾空間分布范圍在四季中最廣，盆周山區外的大部地區在30～40d，其中自貢、內江、成都、德陽、樂山等市局部霾日在40 d以上。

圖5 1981—2019年盆地各季霾日數空間分布

2.2.3 持續性霾過程的時空變化特征

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

表3 1981—2019年盆地地區17市持續性霾情況

進一步分析持續霾的區域性特征，篩選出了1981—2019年盆地共509次區域持續性霾過程的個例庫（表4）。分年代統計區域持續性霾過程次數，20世紀80年代和90年代平均分別為12.4和14.9次，21世紀前10 a和10年代平均分別為13.2和11.6次。這與盆地霾日數年際變化一致，均呈先增后減趨勢。區域持續性霾持續時間＜10 d的次數最多，占總次數的87.8%，11～20 d和＞20 d的次數則分別占總次數的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日兩次區域性霾持續時間分別達到30和40d，過程對應發生累計站次分別為1907站次和2112站次。

表4 1981—2019年四川盆地區域持續性霾情況

2.3 霾時空變化的影響因素分析

2.3.1 污染物排放時空變化

20世紀80年代以來，四川城市快速發展使得工業生產、居民生活和交通運輸等產生了大量工業廢氣、汽車尾氣、油煙、道路揚塵、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據庫提供的1981—2015年的最新區域大氣污染物排放數據（0.1°×0.1°），表5統計了四川省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80年代相對較小，20世紀90年代達到峰值，21世紀后二者排放總量均開始下降，特別是PM2.5在21世紀10年代下降得最顯著，這與盆地霾日數和區域持續性霾次數年代際變化趨勢一致；NOx和SO2兩類污染物均呈穩步增長趨勢，與近年來霾日數下降趨勢相反，說明在四川盆地霾天氣的主要貢獻污染物為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—達州和自貢—內江等年霾日高值中心及周邊地區。德陽市的裝備制造、達州市的天然氣和煤礦以及自貢市的化工業發達，地區氣溶膠污染物排放量大，再疊加上秋冬季的靜穩天氣條件，因而出現盆地秋冬季霾污染較為嚴重的狀況。PM10和PM2.5空間分布范圍從21世紀前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，對應著霾日數和持續性霾次數顯著下降趨勢，這與盆東北近年來經濟綠色轉型發展密不可分。

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，同時也與多種氣象和環境要素變化有關。相關研究認為區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，從而導致霾出現頻率增多[9-10]。對1981—2019年地面氣象要素資料統計分析后發現，盆地3個區域（盆東北、盆東南和盆西）年平均氣溫和平均相對濕度都出現了較大變化（圖6），1981—2012年3個區域平均氣溫升高，相對濕度則均呈下降的趨勢，城市熱島和干島效應越發明顯，增強了霾形成和維持的氣象條件，導致此時段霾日和區域持續性霾過程出現頻率較高。隨著城市生態文明的建設與治理，2013—2019年3個區域升溫速率減小，相對濕度則顯著升高，從而對應著21世紀10年代以后盆地總霾日數和區域持續性霾過程出現頻率下降。

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

3 結論與討論

應用近39 a氣象觀測資料，對四川省霾日時空變化特征及成因進行了分析，得到以下主要結論：

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

（2）近39 a盆地平均霾日數總體呈下降趨勢，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90年代霾日數的分布范圍最大且高值中心數也最多，21世紀10年代霾日數的分布范圍和高值中心數量均明顯減小。

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

（4）近39 a來，盆地17市共發生持續性霾12782次，其中德陽、樂山、自貢和內江4市為持續性霾高發區，均在1000次以上。盆地共發生區域持續性霾509次，其中＜10 d的區域持續性霾發生的次數最多，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空對應關系，二者排放量在20世紀90年代達到最大，21世紀前10 a開始減少，并在21世紀10年代減少最為明顯。同時1990—2010年間盆地區域氣溫升高、相對濕度下降，污染物的排放與氣象條件的共同作用，導致盆地霾事件出現頻率較高。隨著城市生態文明的建設與治理，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）的時空變化進行了簡要分析，下一步工作將結合已建立的盆地區域持續性霾歷史個例庫，對歷史個例發生時的環流形勢、外強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報業務的建立提供依據。