1960-2021年黑龍江省霾日數時空分布特征

楊 帆，滕 潘，于 璐，李冬楠，王冬冬

（1.黑龍江省氣象局機關服務中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣象災害防御技術中心，黑龍江 哈爾濱 150030；3.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；4.黑龍江省人工影響天氣辦公室，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

霾是指大量極細微的顆粒物均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km 的空氣普通混濁現象，形成霾的微小顆粒物的尺度大多小于1 μm，肉眼不可見，這些顆粒物主要來自人類活動直接排放(如工業排放、汽車尾氣、建筑揚塵等)，與氣態污染物二次轉化形成的二次氣溶膠(如PM2.5)，以及自然界(如火山爆發、森林火災等)排放。霾能使遠處光亮物體微帶黃、紅色，使黑暗物體微帶藍色。 《氣候變化綠皮書：應對氣候變化報告(2013)》指出[1]，我國霧霾天氣增多最主要原因是社會化石能源消費增多造成的大氣污染物排放逐年增加。 除人類活動，氣候變化導致的有利于霧霾發生的氣象條件頻繁出現， 也是造成霧霾天氣增多的原因。 霾的形成，大量污染物的排放是主因，而逆溫層造成的大氣層結穩定，風力小，氣象條件不利于污染物的擴散， 導致污染物不斷累積是霾形成的外部條件。 水汽含量高和紫外線強烈也是觸發由二次氣溶膠組成的霾生成的一個重要因素。

多年來，國內學者對我國霾天氣變化特征開展了大量的研究工作。 我國霾日數呈現東多西少特征[2]，霾天氣主要集中在東部從華南到華北的大部分地區[3]，年均霾日總體呈“先上升-后平穩-再迅速上升”波動增加趨勢[4-8]，霾天氣在華南、華北、長江中下游呈增多趨勢， 而我國西部和東北地區則以減少趨勢為主[2-4]。 我國西部大部分地區多年平均霾日數基本都在5 d 以下，東部地區除東北和內蒙古中東部地區霾日數較少外，華北、長江中下游、華南等地霾日數有5-30 d，其中廣東中部、廣西東北部、江西北部、浙江北部、江蘇南部、河南中部、山西南部、河北中部等地超過30 d[9]。 我國東部嚴重霾污染主要是人類活動形成的，尤其是二次氣溶膠，在城市區域占細粒子的70%以上。 統計數據顯示，我國霾天氣成因具有明顯的季節性變化， 我國大部分地區霾日數呈現冬季多，春秋次之，夏季最少的特征[2-4]。 1-12月份的年均霾日數呈U 型分布， 且所有月份的平均霾日數均呈增加趨勢[7]，秋冬兩季變化最明顯[3]。

高密度人口的經濟及社會活動必然引發大量細顆粒物的排放，在特定天氣條件下，極易出現大范圍的霧或霾。 隨著黑龍江省城市建設和交通路網的快速發展，霾的不利影響越來越大。2010年以來的秋冬季節， 氣候偏暖等氣象條件加上供暖燃煤排放和秸稈集中焚燒的影響，霧和霾發生頻率明顯增加，帶來的不利影響也十分顯著。 2013年10月20-22日，黑龍江省已進入供暖期， 加之農民集中焚燒秸稈和持續靜穩天氣影響， 嚴重的霧和霾同時侵襲并盤踞東北，這次霧和霾天氣過程被評為2013年中國十大天氣氣候事件之一，部分地區能見度在500 m 以下，局部不足10 m，哈爾濱PM2.5 高達1000 μg/m3，空氣質量達到“嚴重污染”級別，致使東北三省一些城市交通癱瘓、高速路封閉、呼吸系統疾病患者激增，數千所學校停課[10]。 因此，研究黑龍江地區霾的時空分布特征對霾的預測評估、防治都有重要意義。 本文利用黑龍江省1960-2021年現有的數據分析了黑龍江省霾日在時間、空間上的分布特征，以期為霧霾的進一步研究提供有益借鑒。

2 資料與方法

2.1 資料

黑龍江省共轄13 個地級行政區， 包括12 個地級市、1 個地區，分別是哈爾濱市、齊齊哈爾市、雞西市、鶴崗市、雙鴨山市、大慶市、伊春市、佳木斯市、七臺河市、牡丹江市、黑河市、綏化市、大興安嶺地區。

本文數據依托全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS），選取黑龍江省84 個氣象站1960年1月-2022年2月霾日數的月數據統計分析。 黑龍江省氣候寒冷，冬季漫長，按照自然季節劃分，春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-10月，冬季為11月-次年2月。 因此2021年冬季的數據為2021年11月-2022年2月。

2.2 空間插值

一般情況下采集到各氣象站觀測數據都是離散點的形式存在的， 只有在這些采樣點上才有較為準確的數值，而其它未采樣點上都沒有數值。 通過柵格插值運算生成一個連續的柵格表面， 實現通過已采樣點的數值來推算未采樣點值。 本文采用反距離權重插值(IDW)進行空間插值，計算方法：

式(1)中，Zn 為插值網格上點n 估計的霾日數；Z(xi) 為站點觀測氣象要素值；di 為插值點與站點的距離；n 為氣象站點的數目；k 為指定的距離冪指數。

IDW (Inverse Distance Weighted) 是一種均分過程， 它以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣本點賦予的權重越大，通過對鄰近區域的每個采樣點值平均運算獲得內插單元值。

3 結果與分析

3.1 多年平均年霾日數空間分布特征

1960-2021年黑龍江省多年平均霾日為3.4 d/a，從空間分布角度分析，整體呈北少、南多的特征(圖1)。 多年平均年霾日數較多的地區為哈爾濱呼蘭12.8 d、大慶11.6 d、哈爾濱通河10.4 d，其余地區多年平均年霾日都不超過10 d。年平均霾日＜1 d 的站點有17 個，占總站點的20%。 如大興安嶺、伊春、黑河、雙鴨山等部分地區平均年霾日不足1 d，佳木斯同江幾乎沒有發生過霾天氣。 霾的時空分布與城市化進程、工業結構密切相關，所以作為省會城市的哈爾濱市， 是黑龍江省最容易發生嚴重霾的地區。 另外，霾的形成需要近地面有充足的細小顆粒物，松嫩平原遇到偏南或偏東暖濕氣流時，大、小興安嶺阻礙水汽和各種細小顆粒物的水平擴散， 也有利于形成霾[11]。

圖1 黑龍江省1960-2021年平均年霾日數分布圖

3.2 霾的月、季變化特征

黑龍江省霾有明顯的季變化和月變化， 霾主要出現在冬、春季節，從月際變化特征分析，霾日數月平均數據呈現U 型分布(圖2)，10月至次年2月是一年當中霾發生次數最多的時段。 12月和1月霾天氣日數偏多，2 個月霾日數的總和達到全年的39%；9月霾天氣日數最少，約占全年的1%。

圖2 黑龍江省1960-2021年平均霾日數月際變化

霾是由排除云霧降水粒子之后， 大氣氣溶膠中的非水成物組成的，其主要成分為微小塵粒、煙粒或鹽粒的集合體，這些粒子多來自地面上的排放。 如圖3 所示， 黑龍江省大范圍災害性霾日數在2010年以后呈明顯增加趨勢，之前的50 余年霾天氣發生是零星的，并多發生在70、80年代，尤其1980年8月總平均霾日超過3 d， 該月霾日超過3 d 的行政區有8個，其中有4 個行政區在該月霾日超過5 d。 在一個月中平均霾日出現10 d 以上有五個地區：哈爾濱、齊齊哈爾、大慶、七臺河、綏化。 其中哈爾濱市是一個月里出現10 d 以上霾最多地區，有7 個月，發生霾天氣最多月份在2017年1月為14.7 d。 全省各行政區月霾日出現最多的月份在大慶市2020年1月，該月大慶市平均有17.4 d 都發生霾天氣。

圖3 1960-2021年黑龍江省平均霾日歷年及四季變化圖

3.3 霾日數的年代際變化特征

自20 世紀60年代至80年代每年出現霾日基本維持在1 d 左右，1990年代后有明顯減少，21 世紀10年代以來又有增加趨勢，上升幅度明顯。霧日年代際變化趨勢與霾相同， 但是霧日年代際天數差異不太明顯。 因此2010年以后霾日數呈明顯增加，絕大部分是由于人類活動影響的氣溶膠顆粒污染造成的。

表1 黑龍江省各時期平均年霧、霾日數

20 世紀60年代黑龍江省霾日范圍為0-10.2 d，高霾日地區為：綏化蘭西(10.2 d)、大慶杜爾伯特(7.6 d)、伊春五營(6 d)、齊齊哈爾依安(5.3 d)，其余地區霾日為5 d 以下。 1970 s 較1960 s 霾日數有所增加，最高值達到21.8 d(伊春五營)，哈爾濱市、牡丹江市部分地區開始出現霾天氣。 各年代際間年均霾日不足1 d區域幾乎可以看作無霾天氣發生，1980 s 到2000 s霾日不超過1 d 的區域范圍在逐漸擴大，霾日年代際變化呈減少趨勢。霾日范圍1980 s 最高9.4 d、1990 s降到最高6.3 d、2000 s 最高2.3 d， 最高霾日呈逐年代遞減。 圖4(f)可以看出，霾天氣主要出現在黑龍江省的南部，2010 s 霾日數＞10 d 的區域占44%， 增加最多的區域為哈爾濱市，其次是綏化市。近62 a 線性傾向率增加最多的為哈爾濱通河8.3 d/10a， 其次為綏化6.8 d/10a。 哈爾濱呼蘭達到最高值，年平均霾日72 d。 1960 s-2000 s 各年代際霾多發的伊春地區，在2010 s 大多數區域霾都劇烈增加的時候， 反而保持了霾日＜1 d。

3.4 黑龍江省霾日的躍遷

從圖3 和圖4 可以看出黑龍江省霾日主要在2014年以后頻發，呈顯著增加。 1960-2013年霾日數變化相對平緩穩定的， 甚至出現多次全省全年霾日為個位數， 其中1992年、2009年、2012年全省全年霾日只有1 d，分別在五營、伊春、同江。 然而，到了2014年，霾日驟然增加，1960-2013年霾日每年平均不足1 d，2014-2021年平均霾日增至為20 d/a。

圖4 （a）1960-1969年（b）1970-1979年（c）1980-1989年（d）1990-1999年（e）2000-2009年（f）2010-2019年黑龍江省霾日分布圖

2014-2021年黑龍江省霾日時空分布變化具體如圖5 所示，2014年平均年霾日為10.2 d；2015年為16.3 d；2016年為歷年來第一次超過了30 d， 達到34.2 d；2017年 為 近62 a 歷 史 最 多， 達 到34.4 d；2018年為11.3 d；2019年為15.1 d；2020年 為19.2 d；2021年為19.1 d。 整體霾日仍呈北少南多的特征，加格達奇一直保持每年0 霾日。2014-2021年黑龍江省內每年霾發生最多的地區分別為哈爾濱五常（129 d）、大慶肇州（160 d）、哈爾濱呼蘭（346 d）、哈爾濱呼蘭（276 d）、綏化海倫（64 d）、綏化海倫（75 d）、大慶肇源（62 d）、綏化海倫（79 d）。

圖5 （a）2014年（b）2015年（c）2016年（d）2017年（e）2018年（f）2019年（g）2020年（h）2021年黑龍江省霾日分布圖

從圖5 整體看出，霾日發生范圍在擴大，2014年年霾日數為0 d 的站點有30 個，2015年有30 個，2016年有33 個，2017年有15 個，2018年有20 個，2019年 有11 個，2020年 有7 個，2021年 就 只 有5個。 2014年年霾日數超過100 d 的站點只有1 個，2016、2017年多地出現年霾日超200 d 的情況，2018年以后再無年霾日超80 d 的地區， 霾日普遍有所減少，但是到了21 世紀20年代，大部分地區霾日又都明顯增加了。如圖5h 所示，2021年年霾日數在10.1-50 d 的站點有43 個，占總站點數一半以上。 圖5c 表明黑龍江省地區內近62 a 來， 哈爾濱市呼蘭區在2016年一年內霾發生天數最多，超過300 d，一年中近94.5%天都有霾發生。呼蘭區加強了對全區大氣污染綜合治理工作，改善環境空氣質量，頒布實施《呼蘭區2018年大氣污染綜合治理行動方案》等措施辦法，呼蘭區霾日數從2017年276 d，到2018年迅速降至34 d， 并且保持逐年減少，2019年為29 d、2020年為18 d、2021年為16 d。

4 結論與討論

(1)1960-2021年黑龍江省多年平均霾日為3.4 d/a。2014年以后霾日顯著增加，1960-2013年每年霾日平均不足1 d，2014-2021年平均霾日增至20 d/a。空間分布呈現北少、南多的特征，線性傾向率增加最多的為哈爾濱通河8.3 d/10a。

(2)霾年代際變化特征呈現1960 s 到1970 s 增加，1970 s 到2000 s 逐年代減少，2010 s 又有增加趨勢，2020年以后上升幅度明顯。 20 世紀60年代霾日數為1 d、70年代為1.3 d、80年代為0.9 d、90年代為0.2 d、21 世紀初仍為0.2 d、21 世紀10年代劇增至12.2 d。 2017年為黑龍江省近62 a年平均霾日最多，達到34.4 d。

(3)黑龍江省霾天氣有明顯的季變化和月變化，主要出現在冬、春季節，從月際變化特征分析，霾日數月平均數據呈現U 型分布，10月至次年2月是一年當中霾發生次數最多的時段。 各行政區月霾日出現最多的區域為大慶， 發生在2020年1月， 達到17.4 d。

(4)霾的時空分布與城市化進程、工業結構密切相關，2010年以后黑龍江省大部分地區霾日數都呈明顯增加趨勢， 但是之前霾多發地區伊春反而都得到控制呈減少趨勢，并且年霾日＜1 d。 哈爾濱作為省會城市容易發生嚴重霾天氣，2016年哈爾濱呼蘭一年發生霾天氣達到346 d，為62 a 以來黑龍江省一年內霾發生天數最多地區。 得到治理改善后，呼蘭霾日逐年減少，2017年為276 d，2018年迅速降至34 d，2019年為29 d，2020年為18 d，2021年為16 d。