1960—2021年黑龍江省霧天氣時空分布特征

摘要 基于1960—2021年黑龍江省霧天氣月統計資料，利用ArcGIS軟件的空間插值工具，統計分析黑龍江省霧日數時空分布特征。結果表明：（1）1960—2021年黑龍江省平均霧日為15.6 d/年。（2）霧年代際變化特征呈現為20世紀60～70年代增加，70年代至21世紀00年代逐年代減少，21世紀10年代又有增加趨勢，2020年以后上升幅度明顯。近62年來，霧日增長率最大的地方為牡丹江綏芬河，達8.1 d/10年。（3）從空間分布角度來看，黑龍江省霧天氣基本呈現西南、東北少，西北、東南多的特征。（4）黑龍江省霧天氣出現頻率為春季和冬季低，夏季和秋季高，其中以6—9月最多，3—4月最少。（5）霧和相對濕度的增減趨勢是一致的，當相對濕度增加1%時，霧日數增加1～4 d。

關鍵詞 黑龍江省；霧日數；時空插值

中圖分類號：P426.4 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）05–0089-05

Temporal and Spatial

Distribution Characte-

ristics of Fog Days in Heilongjiang Province during 1960-2021

Yu Lu et al（Heilongjiang Climate Centre， Harbin， Heilongjiang 150030）

Abstract In the context of fog days during the period 1960—2021 in Heilongjiang province. Statistical analysis of the distribution characteristics of fog days in Heilongjiang Province by using ArcGIS for spatial interpolation.The results show： （1） From 1960 to 2021， the average fog days in Heilongjiang Province was 15.6 d/a respectively. （2） The interdecadal variation characteristics of fog days showed that the increasing from 1960s to 1970s， decreasing from 1970s to 2000s， and increasing again in 2010s， with a significant increase after 2020. The largest growth rate of fog days is in Suifenhe， reaching 8.1 d/10 a. （3） From the perspective of spatial distribution， the fog days show the characteristics of less in the southwest and northeast and more in the northwest and southeast. （4） There are clearly seasonal and monthly characteristics of fog days and haze days in Heilongjiang Province. The province’s average fog days frequency is low in spring and winter， and high in summer and autumn， with the most from June to September and the least from March to April. （5） The increase and decrease trend of fog and relative humidity is consistent， and when the relative humidity increases by 1%， the number of fog days increases by 1～4 d.

Key words Heilongjiang province; Fog days; Spatial and temporal interpolation

霧霾天氣會給氣候、環境、交通、健康等方面造成顯著的負面影響。例如，引發酸雨（酸霧）、光化學煙霧現象；導致大氣能見度下降，影響空中、水面和陸面交通；提高死亡率、使慢性病加劇、使呼吸系統及心臟系統疾病惡化，改變肺功能及結構、影響生殖能力、降低人體免疫功能等[1-3]。多年來，國內學者對我國霧、霾天氣變化特征展開了大量的研究。在高緯度地區，霧的頻率很高[4]，比如在極地區域霧是常見而持續的現象，全年霧日可達80～100 d，反之在低緯度地區霧比較少見。大陸內部由于水汽缺乏，所以越深入內陸，霧的頻率越低，高山地區霧也比平原地區多。我國霧日數空間分布呈現東南多、西北少的地域特點[5-8]，霧日數在東南地區呈增加趨勢，全國總體呈減少趨勢[9-11]。

統計數據顯示，我國霧霾天氣成因具有明顯的季節性變化。中國大多數地區霧日數呈現冬半年多、夏半年少的特征[9]，東北平原在冬春季會出現持續性霧天氣[7]。利用黑龍江省1960—2021年現有的數據分析了黑龍江省霧日在時間、空間上的分布特征，以期為霧霾的進一步研究提供依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

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。

黑龍江省國家氣象站網中現有地面氣象觀測站84個，其中，8個國家基準氣候站、27個國家基本氣象站、48個國家一般氣象站、1個大氣本底觀測站。目前，84個地面氣象觀測站全部建設成自動氣象站，并全部投入正式運行。

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—2021年12月霧日數的月數據統計分析。

1.2 時間插值

為了更直觀地對氣象要素時間序列的變化特征進行觀察和分析，以圖形的形式顯示結果。在已有數據點的情況下獲得這些數據中間點的數據，更加光滑、準確地得到這些點的數據，就需要使用不同的插值方法進行數據插值。MATLAB提供了多種多樣的數據插值函數，比較常見的interp1函數，用于實現一維數據插值，interp2函數實現二維數據插值，lagrange插值，newton插值。這些插值函數在獲得數據的平滑度、時間復雜度和空間復雜度方面的性能相差較大。

采用linear插值法模擬黑龍江省霧日數和霾日數1960—2021年各月長期變化分布，其調用格式如下：

z_i = interp2（x，y，z，x_i，y_i）返回在插值向量x_i、y_i處的函數值向量，它是根據向量x、y與z插值而來，這里的x、y與z也可以是矩陣形式。如果x_i、y_i有元素不在x、y范圍內，則返回NaN；

z_i = interp2（z，x_i，y_i）省略x、y，表示x=1：N，y=1：M，[M，N]=size（z）；

z_i = interp2（z，ntimes）表示在z的各點之間插入數據點來擴展z，依次執行ntimes次迭代；

z_i = interp2（x，y，z，x_i，y_i，’method’）表示用method指定的插值方法進行插值。method取值為nearest、linear、spline、cubic，method默認值為線性插值。

linear：線性插值（linear interpolation），該方法采用直線將相鄰的數據點連接，對超出數據范圍的數據點返回NaN。

1.3 空間插值

一般情況下，采集到的各氣象站觀測數據都是以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，而其他未采樣點上均沒有數值。通過柵格插值運算生成1個連續的柵格表面，通過已采樣點的數值推算未采樣點值。采用反距離權重插值（IDW）進行空間插值，計算方法如下：

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，每個采樣點值平均運算獲得內插單元值。

2 結果與分析

2.1 霧日的時空變化特征

黑龍江省霧日的地理分布如圖1所示，存在3個高頻發生區，分別是牡丹江市、大興安嶺地區、伊春市。在84個地面站中，近62年年平均霧日排在前10位的依次是綏芬河70 d、北極村59 d、漠河58 d、新林51 d、呼中47 d、伊春41 d、五營41 d、塔河35 d、加格達奇32 d、饒河29 d。齊齊哈爾市、大慶市、雙鴨山市、佳木斯市霧日比較少，年霧日不超過10 d。雙鴨山集賢霧日數最少，多年平均霧日3.8 d/年。從整體上看，黑龍江省霧空間分布基本呈現西南、東北少，西北、東南多的特征，即大小興安嶺地區、牡丹江半山區年平均霧日多，松嫩平原和三江平原地區霧日少。霧天氣的出現是水汽冷卻凝結所致，因此，一定的濕度條件和使濕度達到飽和的天氣條件是霧天氣形成的必要因素，黑龍江暖季濕度大，夜間容易形成輻射霧。山區海拔高，潮濕空氣沿山坡上升，溫度隨海拔提升而降低，空氣冷卻達到飽和狀態，水汽便凝結成為霧。山區晝夜溫差大，白天溫度比較高，空氣中可容納較多的水汽，夜間溫度下降，空氣中容納水汽的能力降低，有利于水汽凝結至飽和而形成霧。

2.2 霧日數月際變化特征

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—翌年2月。黑龍江省霧日發生有明顯的季變化和月變化特征（圖2）。全省平均霧出現頻率以春季和冬季低，夏季和秋季高，其中，以6—9月最多，3—4月最少。

霧天氣的出現需要一定的溫濕條件和凝結核。由于不同的季節和月份具有不同的溫濕特征，因此，霧天氣日數在不同的季節和月份也有所不同。根據黑龍江省各行政區域月霧日長期變化圖（圖3）所示，絕大部分行政區霧天氣多都發生在8月，各區域長期月霧日數多在2 d以下。圖3（14）反映了所有行政區月平均霧天氣日數的變化特征，發生霧天氣在1 d以下的月份超過56%，在1個月中霧出現最多頻次發生在2021年9月，為5.9 d。近62年來，年霧日最多的是牡丹江綏芬河，發生在2016年，全年有霧天氣179 d，也是霧日增長率最大的地方，達8.1 d/10年。從月分布情況來看，哈爾濱市平均霧天氣發生最多月份在1980年11月，為6.8 d；齊齊哈爾市在2021年11月，為7.8 d；牡丹江市在1968年8月，為9.6 d；佳木斯市在2021年12月，為6.1 d；大慶市在1979年12月，為5.5 d；雞西市在1984年8月，為8.5 d；雙鴨山市在1966年8月，為5.5 d；伊春市在2018年8月，為11.6 d；七臺河市在1991年1月，為10 d；鶴崗市在1998年8月，為11 d；黑河市在1985年8月，為6.3 d；綏化市在2021年11月，為9.5 d；大興安嶺地區在1980年7月，為17.7 d。

冬季黑龍江省多被干冷空氣控制、空氣中水汽含量少，是黑龍江省冬季霧發生頻率低的主要原因。春季風大物燥是黑龍江省霧發生頻率低的主要原因。夏季霧發生頻繁主要因為夏季冷空氣弱、風力小，空氣中水汽含量多。秋季霧發生頻率較多是因為夜間地面輻射降溫增加，既有利于水汽凝結，也有利于形成近地面逆溫等穩定層結所致。

2.3 霧日數的年代際變化

黑龍江省霧各年代的時空分布特征如圖4所示，各年代際大興安嶺北部、牡丹江東部、伊春中部都是霧天氣的多發區，年平均霧日多在50 d以上。相比之下，齊齊哈爾、大慶、雙鴨山等地偏少。整體上，霧日年代際天數差異不明顯，20世紀60年代平均霧日15.8 d/a，70年代為17 d/年，80年代為16.8 d/a，90年代為14.3 d/年，21世紀00年代為12.6 d/年，10年代為14.8 d/年，2020—2021年為27.6 d/年。自20世紀60年代少霧天的區域在增多，說明霧日數呈減少趨勢，直至21世紀00年代達到最低峰值，10年代有所上升。21世紀00年代的年霧日少于5 d和少于10 d的區域是各時期面積最大的，多于50 d的區域是各時期面積最小的。各個年代際年平均霧日最高值有所不同，20世紀60年代51.4 d、70年代為61.4 d、80年代為65.4 d、90年代為65.7 d、21世紀00年代為79.3 d、10年代為95.3 d。

自20世紀70年代中后期以來，冬季海平面氣壓場上的阿留申低壓增強并發生了明顯東移，中國東北地區位于阿留申低壓西部，阿留申低壓的大幅度東移，使得其西側的暖濕氣流對中國的影響減弱，不利于霧天氣的出現，因而霧天氣呈下降趨勢。此外，大氣凝結核在霧天氣的形成過程中也起著重要的作用。21世紀，隨著社會經濟的快速發展，主要大氣污染物的排放量逐年增加，這些大氣污染物中多有吸濕性物質，在霧的形成過程中充當凝結核，則有利于霧天氣的形成。

霧和霾的形成需要相似的氣象條件，即較差的空氣擴散條件或靜穩天氣條件，主要表現為近地層水平風速較小和近地面或低層有較強的逆溫。近地層風速小，則水汽或污染物擴散速度慢，有利于形成霧或霾。逆溫層形成后大氣層結穩定，不容易形成垂直交換，近地面層中的水汽或污染物在低層堆積，有利于形成霧或霾，逆溫越強，逆溫層越低、越厚，則霧和霾越嚴重。霧和霾多出現在暖空氣勢力加強時段，因為暖空氣偏強時，風力往往較小，晴空輻射逆溫與暖平流逆溫或鋒面逆溫疊加，使近地面逆溫加強，空氣水平擴散和垂直擴散氣象條件都較差，有利于形成霧或霾。

當較強冷空氣入侵時，風向轉為偏西風或偏北風，風力增大，逆溫層被破壞，空氣擴散氣象條件加強，有利于霧和霾消散。較大雨雪天氣有利于霾稀釋和沉降，弱降水對霾的清除作用不明顯，有時甚至因為空氣濕度增大而使霾加重。

春季風大是黑龍江省霧發生頻率低的主要原因。黑龍江省山區夏季霧發生頻繁的主要原因有2個：一是夏季冷空氣弱，風力小，空氣中水汽含量多；二是山區海拔高，晝夜溫差大，夜間輻射降溫強，有利于水汽凝結至飽和，且有利于近地面形成輻射逆溫等穩定層結。秋冬季平原霧和霧發生頻率增加，一方面，由于秋冬季平原地區夜間地面輻射降溫增強，有利于水汽凝結，也有利于形成近地面逆溫等穩定層結所致；另一方面，由于燃煤供暖和秸稈焚燒等人類活動影響所致。

2.4 濕度變化對霧的影響

霧和霾都是影響能見度的天氣現象，它們的主要區別在于空氣中的水汽含量不同。霧的相對濕度大，霾多以干性塵粒為主，相對濕度小[12]。某些情況下，隨著濕度變化，天氣現象會在霧和霾之間轉換[13-14]。夜間氣溫較低，空氣中水汽容易達到飽和，夜間至早晨為霧；日出后，氣溫升高，空氣中水汽又變得不飽和，天氣現象轉變為霾。潮濕的下墊面有利于形成霧。利用黑龍江省近62年來霧日和相對濕度資料分析的結果表明（圖5）：霧和相對濕度的增減趨勢是一致的，當相對濕度增加1%時，霧日數增加1～4 d。

3 結論與討論

（1）1960—2021年黑龍江省多年平均霧日為15.6 d/年，2014年全省平均霧日最少為9 d，2021年最多，達29 d。空間分布基本呈現西南、東北少，西北、東南多的特征，存在3個高頻發生區，分別為牡丹江、大興安嶺、伊春，年平均霧日多在50 d以上。相比之下，齊齊哈爾、大慶、雙鴨山等地霧日偏少。即大興安嶺、小興安嶺地區以及東南部牡丹江半山區年平均霧日多，松嫩平原和三江平原地區霧日少。

（2）霧年代際變化特征呈現20世紀60年代到70年代有所增加，70年代到21世紀00年代逐年代減少，21世紀10年代又有增加趨勢，2020年以后上升幅度明顯。20世紀60年代霧日數為15.8 d、70年代為17 d、80年代為16.8 d、90年代為14.3 d、21世紀初為12.6 d、10年代為14.8 d。

（3）黑龍江省霧日有明顯的季變化和月變化。全省平均霧出現頻率春季和冬季低，夏季和秋季高，其中以6—9月最多，3—4月最少。各行政區中歷史上1個月內霧出現最多頻次的區域為大興安嶺地區，發生在1980年7月，達到17.7 d。

（4）潮濕的下墊面有利于形成霧，霧和相對濕度的增減趨勢是一致的，當相對濕度增加1%時，霧日數增加1～4 d。

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責任編輯：黃艷飛