东北地区近50年来霾天气气候特征.pdf

中国环境科学 2016,36(6)：16301637 china environmental science 东北地区近 50 年来霾天气气候特征 崔 妍 1*,赵春雨1,周晓宇1,敖 雪1,王 涛1,李 倩1,刘鸣彦1,马凡舒2 (1.沈阳区域气候中心,辽宁 沈 阳 110016；2.沈阳农业大学,辽宁 沈阳 110866) 摘要： 利用东北地区 194 个地面气象观测站的 19612013 年观测资料,对东北地区霾日及不同等级霾日的空间分布特征和时间演变规律进 行分析.结果表明:东北地区霾日空间分布差异显著,辽宁中部和黑龙江中北部霾日相对较多,年平均霾日超过 50d,吉林西部地区霾日最少, 年平均霾日不超过 2d,不同等级的霾日日数空间分布与总霾日日数基本一致;东北地区霾日主要集中在冬季,占全年霾日 57.9%,秋季次之, 春季最少;19612103 年东北地区平均霾日呈显著增加趋势(2.9d/10a),其中 19812000 年时段增加最为显著,轻微霾日、轻度霾日、中度霾 日和重度霾日均呈增加趋势,但轻度霾日、中度霾日和重度霾日 21 世纪以来较 80 年代略有减少. 关键词：东北地区；霾日；时空分布特征 中图分类号：x51 文献标识码：a 文章编号：1000-6923(2016)06-1630-08 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)：16301637 abstract：based on the surface meteorological data from 194 weather stations located in the northeast of china during 19612013, 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 19612013 with greatest increase occurring during 19802000. 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. key words：northeast china；haze days；trend 霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮在空 中,使水平能见度小于 10km 的空气普遍混浊现 象1.近年来区域性持续性雾霾天气不断发生,霾 天气已经越来越成为一种新的气象环境灾害现 象,不仅对人体健康造成严重危害,还可以直接引 发海、陆、空交通事故和城市空气质量问题2. 国外对霾天气的研究非常重视,对雾、霾的 组成及其气候特征进行深入的研究.malm3对美 国大陆的霾现象分布特征和起源做了统计分 析,kerr4揭示了霾对局地气候产生的变冷效应. 近年来随着霾污染的逐渐增多,国内也加强了对 全国性或区域性霾现象气候特征研究,高歌5详 细分析了近 40 年来中国霾的时空分布和变化趋 势,并探讨了霾日变化的可能原因;吴兑等6利用 中国大陆 743 个站气象资料分析了霾日的长期 变化趋势.对东北地区的霾日也有一些研究成果, 张云海等7和洪也等8对辽宁中部城市群的灰霾 现象进行了详细研究,刘宁微等9以沈阳单站为 例分析了霾日的长期变化,袭祝香等10建立了雾 收稿日期：2015-11-16 基金项目：2015 年辽宁省科学技术计划项目(2015103038);2014 年 辽宁省气象局科研课题(201405);2014 年公益性行业科研专项 (gyhy201206012);2013 年中国气象局气候变化专项(ccsf201321) * 责任作者, 工程师, 6 期 崔 妍等：东北地区近 50 年来霾天气气候特征 1631 霾事件综合指数并在此基础上分析了吉林省雾霾事 件的时空分布特征,崔妍等11分析了辽宁省不同等级 霾现象的变化规律,并进一步探讨了其气候成因. 对东北地区霾现象目前虽然已有不少研究 成果,但对于整个东北三省霾日和不同等级霾日 的空间分布、 长期变化以及季节分布尚没有系统 研究.本文利用东北地区 194 个站的气象观测资 料对东北地区霾日时空分布进行分析,旨在为政 府部门制定相关的治理措施提供科学依据. 1 资料与方法 本文所用资料来自于中国东北三省(吉林、 黑龙江和辽宁)气象信息中心提供的 19612013 年 194 个站点的逐日 4 次相对湿度、 能见度资料 和逐日天气现象资料.进行资料处理时日均能见 度为逐日 4 个时次能见度的平均,此外由于 1980 年之前能见度观测记录是以等级划分的,因此先 通过能见度等级换算表将等级换算成相应的中 间值(以 km 为单位)再做进一步计算12. 在气象常规观测中虽然有对霾天气现象的观 测,但是由于在中国气象系统台站观测业务中,1952 年以来长期没有统一的辅助判别标准,各地(不同观 测员)识别霾时太过主观随意,科学性不高,直接使 用天气现象资料分析霾日非常不客观,因此需要使 用能见度、天气现象和相对湿度进行综合判断,并 且要将其他引起视程障碍的现象剔除13. 一般而言,相对湿度80%时大气混沌视野模糊导 致的能见度恶化是由霾导致,相对湿度介于80%90% 之间是由霾和雾混合物共同造成,但其主要成分是 霾 14.因此根据吴兑15的建议,结合国家行业标准霾 的观测和预报等级 规定的霾日判定标准1,本文定义 日均能见度10km,相对湿度90%,排除毛毛雨、雨、 雨夹雪、雪、米雪、阵雨、阵性雨夹雪、阵雪、霰、 冰雹、浮尘、扬沙、沙尘暴、吹雪和雪暴 39 种导致 低能见度事件的情况视为一个霾日,日均能见度 5vis10km之间为轻微霾日,3vis5km之间为轻度 霾日,2vis3km为中度霾日, vis2km为重度霾日11. 2 东北地区霾日的变化规律 2.1 东北地区霾日的空间分布 图1给出了东北地区19612013年整个时段 以及每 20 年霾日的空间分布.从东北地区 19612013 年霾日空间分布看(图 1a),辽宁中部、 黑龙江中北部霾日相对较多,吉林西部和东南部 霾日相对较少,霾日最多的地区位于沈阳南部,平 均每年发生霾日 154d,黑龙江霾日最多的站点为 伊春,平均每年霾日 53.4d;黑龙江小兴安岭西北 部、 三江平原、 吉林西部以及辽西山区霾日多在 5d 以下;黑龙江中北部、 辽宁中部多在 20d 以上, 个别地区在 50d 以上,这说明东北地区霾日空间 分布差异显著,工业和经济发达的大中型城市霾 日日数远多于经济相对较落后的地区,“浊岛”现 象非常明显16;从不同时段东北地区霾日的空间 分布看,19611980年代东北地区霾日(图 1b)有 3 个高值区,分别位于黑龙江中北部、辽宁中部以 及辽宁西部偏东地区,吉林全省、黑龙江三江平 原和小兴安岭西北部以及辽西山区年平均霾日 在 2d 以下;19812000 年代东北地区(图 1c)2d 以 下的霾日范围急剧缩小,仅存在于吉林西部,20d 以上的霾日范围扩大,黑龙江中部和辽宁西部偏 东地区的高值区霾日强度增大,辽宁中部的则减 弱;20012013年(图1d)20d以上的霾日范围在辽 宁继续扩大,黑龙江则无明显变化,吉林中部的霾 日也开始增多,尤其是吉林长春,2001 年以来年 平均霾日增加到了 22d,与 19611980 年这一时 段相比(3.5d),霾日增加了 4 倍,这也说明随着经 济发展和能耗的增加,空气污染不断加剧使得灰 霾天日益增多17. 国家行业标准 霾的观测和预报等级 中按 照能见度的大小将霾日进行了等级划分,图 2 给 出了东北地区轻微霾日、 轻度霾日、 中度霾日和 重度霾日的空间分布.可以看出,4 种等级的霾日 空间分布基本一致,在辽宁中部城市群、黑龙江 中部和东南部的均出现了高值中心,吉林地区 4 种霾日均相对较少.东北地区轻微霾日在 0132d 之间(图 2a),黑龙江中部、辽宁中部和辽西偏东 地区轻微霾日在 35d 以上,最高为沈阳,轻微霾日 达132d,吉林轻微霾日在10d以下,吉林西部和黑 龙江西北部在 2d 以下,吉林白城最少,为 0.02d. 东北地区的轻度霾日(图 2b)在 19.1d 以下,吉林、 1632 中 国 环 境 科 学 36 卷 小兴安岭、 三江平原、 辽西山区和辽宁东部山区 轻度霾日在1d以下,轻度霾日最多的站点为沈阳 (19.2d),其次为牡丹江(5.9d);中度霾日(图 2c)在 2.39d 以下,黑龙江西部和东南部、辽宁中部在 0.1d 以上,中度霾日最多的地区位于沈阳,在 2d 以上,林口、 拜泉和牡丹江在 12d 之间,其他地区 中等霾日均在 1d 以下;重度霾日(图 2d)的空间分 布与轻度霾日(图 2b)一致性较高,最多的地区为 黑龙江林口(2.32d),其次为辽宁苏家屯(1.02d),82 个站点无重度霾日出现. 1:7250000 0 75 150 300 450 km 19612013 年霾日(d) 0.02.0 5.110.0 20.135.0 50.175.0 100.1150.0 2.15.0 10.120.0 35.150.0 75.1100.0 150.1208.0 (a) 1:7250000 0 75 150 300 450 km 19611980 年霾日(d) 0.02.0 5.110.0 20.135.0 50.175.0 100.1150.0 2.15.0 10.120.0 35.150.0 75.1100.0 150.1208.0 (b) 1:7250000 0 75 150 300 450 km 19812000 年霾日(d) 0.02.0 5.110.0 20.135.0 50.175.0 100.1150.0 2.15.0 10.120.0 35.150.0 75.1100.0 150.1208.0 (c) 1:7250000 0 75 150 300 450 km 20012013 年霾日(d) 0.02.0 5.110.0 20.135.0 50.175.0 100.1150.0 2.15.0 10.120.0 35.150.0 75.1100.0 150.1208.0 (d) 图 1 东北地区 19612013 年(a)、19611980 年(b)、19812000 年(c)和 20012013 年(d)霾日空间分布 fig.1 distribution of averaged annual haze days over northeast china in different periods (a)19612013, (b)19611980, (c)19812000, (d)20012013 1:7250000 0 75 150 300 450 km 轻微霾日(d) 0.02.0 5.110.0 20.135.0 50.175.0 100.1132.0 2.15.0 10.120.0 35.150.0 75.1100.0 (a) 1:7250000 0 75 150 300 450 km 轻度霾日(d) 01 2.13 7.119.1 1.12 3.17 (b) 6 期 崔 妍等：东北地区近 50 年来霾天气气候特征 1633 1:7250000 0 75 150 300 450 km 中度霾日(d) 0.000.10 0.310.60 1.012.39 0.110.30 0.611.00 (c) 1:7250000 0 75 150 300 450 km 重度霾日(d) 0.000.10 0.210.50 1.012.32 0.110.20 0.511.00 (d) 图 2 19612013 年东北地区不同等级霾日(a)轻微霾日、(b)轻度霾日、(c)中度霾日和(d)重度霾日空间分布 fig.2 distribution of averaged annual haze days with varied intensity (a)slight haze, (b)mild haze, (c)moderate haze and (d)severe haze over northeast china during 19612013 2.2 东北地区霾日的年内变化 0 1 2 3 4 123456789101112 月份 霾日(d) 东北黑龙江吉林辽宁 图 3 东北地区 19612013 年平均霾日逐月变化 fig.3 monthly variation of haze days averaged in northeast china, liaoning, jilin and heilongjiang during 19612013 表 1 19612013 年东北地区及三省四季平均霾日日数 及其比例 table 1 days and percentages of averaged seasonal haze days in northeast china, liaoning province, jilin province and heilongjiang province during 19612013 季节 参数 东北 黑龙江吉林 辽宁 日数(d) 1.27 0.83 0.20 2.75 春季 比例(%) 10.9 7.8 4.5 14.4 日数(d) 1.34 0.44 0.19 3.51 夏季 比例(%) 11.4 4.2 4.2 18.4 日数(d) 2.33 1.64 0.78 4.53 秋季 比例(%) 19.8 15.4 17.4 23.7 日数(d) 6.79 7.77 3.30 8.31 冬季 比例(%) 57.9 72.7 73.9 43.5 日数(d) 11.7 10.7 4.5 19.1 全年 比例(%) 100 100 100 100 从东北地区霾日的年内变化看(图3),东北地 区霾日在 1 月最多,12 月次之,5 月最少.东北 3 个 省的霾日呈现一致的年变化特征,与东北地区一 致,1 月最多,5 月最少,黑龙江和辽宁的霾日相对 较多,吉林霾日最少.东北霾日的这种年内分布特 征广泛存在于中国的华中21、 西北22 -23、 华东24 和华南地区25. 从季节变化看(表1),东北地区霾日在冬秋季 较多,夏春季较少.东北地区冬季霾日为 6.79d,占 全年霾日的 57.9%,秋季为 2.33d,占全年霾日 19.8%,春季和夏季霾日比例分别为 10.9%和 11.4%.3 个省中吉林冬季霾日比例最高为 73.9%, 其次为黑龙江,辽宁相对较小,从冬季霾日所占比 例看,东北地区冬季霾日比例较江苏地区比例偏 大24.全年霾日最多的为辽宁省(19.1d),其次为黑 龙江(10.7d),吉林霾日最少(4.5d).东北霾日冬季 最多主要是因为 11 月份之后东北地区进入采暖 季,燃煤取暖增加了大气中的污染物18,同时东 北地区昼夜温差大,冬季逆温出现频率高,严重抑 制和影响大气污染物的扩散和输送19,为雾霾产 生和发展提供了有利的层结条件16,除此以外, 由于东北地区冬季温度低,因此降水减少而降雪 增加,而降雪对污染物颗粒的捕获作用远小于降 雨,冬季降雪对大气污染物的稀释作用不仅有限 还会使得随雪量增加大气污染物浓度升高的概 率增大20,这些因素都是造成了东北地区冬季霾 1634 中 国 环 境 科 学 36 卷 日频发的原因. 从东北地区月霾日长期变化看(图 4a),1980 年之前东北地区月霾日多在 1d 以下,1980 年 1995 年左右,1d 以上霾日出现月份增多,除冬季 外,11 月和 3 月的霾日也超过了 1d,冬季霾日数也 同时增多,1995 年之后,夏季霾日数也偶尔超过 1d; 辽宁省月霾日的长期变化(图 4b)比东北地区(图 4a)更加明显,20 世纪 80 年代之前辽宁省 3 月至 10月霾日多在1d以下,19802000年1d以下霾日 出现的月份变少,多出现在 47 月之间,同时冬季 霾日强度也较20世纪80年代之前偏强,出现的月 份比例也有所增加,2000 年之后这一特征更加明 显,1d 以下霾日仅在 5 月份左右出现,2d 以上霾日 出现的月份也扩展至6个月以上;吉林(图4c)和黑 龙江(图 4d)的月霾日变化相对较小,吉林省 1980 年之前霾日都在 1d 以下,1980 年之后只有冬季霾 日超过1d,其他月份的霾日多在1d以下,并无明显 变化;黑龙江省 1975 年之前都在 1d 以下,1980 年 之后 4 月10 月的霾日也鲜少超过 1d,11 月霾日 开始增多,至 1 月达到峰值之后开始减少. (a)东北 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 0 1960 1970 1980199020002010 月份 时间(d) (b)辽宁 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 0 19601970198019902000 2010 时间(d) (c)吉林 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 0 1960 1970 1980199020002010 月份 年份 时间(d) (d)黑龙江 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 0 19601970198019902000 2010 年份 时间(d) 图 4 19612013 年东北地区(a)、辽宁省(b)、吉林省(c)和黑龙江省(d)月霾日长期变化 fig.4 long-term variation of monthly haze days averaged in (a)northeast china, (b)liaoning province, (c) jilin province and (d)heilongjiang province during 19612013 2.3 东北地区霾日的年际变化 从东北地区的年际变化看(图 5a),东北霾日 呈显著增加趋势,增加率为 2.9d/10a,1980 年之前 较少,1980年前后有明显跃变,但20002013年时 6 期 崔 妍等：东北地区近 50 年来霾天气气候特征 1635 段的霾日与 19812000 年时段无明显增加.3 个 省的霾日与东北地区一致,也呈显著增加趋势,辽 宁增加趋势最为显著(图 5d),平均平均每 10 年增 加 4.2d.从 3 个时段的变化看,19611980 年 3 个 省的霾日均比较少,但辽宁和黑龙江还是明显多 于吉林,19812000 年 3 省的霾日均有一个明显 的增加特征,20012013 年吉林霾日变化不明显, 黑龙江则有所减少,而辽宁的霾日继续增多,这也 可以说明东北霾日的增加主要是辽宁霾日增加 导致的,尤其是 21 世纪以来,在黑龙江霾日略有 下降的情况下,东北霾日仍然存在较小幅度的增 加主要是由于辽宁霾日大幅度增加导致的. (a)东北 y = 0.2909x - 566.35 0 10 20 30 40 1960197019801990200020102020 霾日(d) 霾日 年代际平均 线性 (霾日) (b)黑龙江 y = 0.2753x - 536.35 0 10 20 30 40 19601970198019902000 2010 2020 霾日(d) 霾日 年代际平均 线性趋势 (c) 吉林 y = 0.1541x - 301.83 0 10 20 30 40 1960197019801990200020102020 霾日(d) 霾日 年代际平均 线性趋势 年份 (d)辽宁 y = 0.4243x - 823.99 0 10 20 30 40 1960197019801990200020102020 霾日(d) 霾日 年代际平均 线性趋势 年份 图 5 19612013 年东北地区、黑龙江省、吉林省和辽宁省霾日年际变化 fig.5 times series of haze days averaged innortheast china, heilongjiang province, jilin province and liaoning province during 19612013 从不同等级的年际变化看(图 6),1961 2013 年东北地区不同等级霾日均呈增加趋势, 轻微霾日的增幅最大(图 6a),平均每 10 年增加 2.7d,其次为轻度霾日 0.13d/10a(图 6b),中度霾 日(图 6c)和重度霾日(图 6d)变化趋势最小,平 均每 10 年增加 0.04d 和 0.01d.从 3 个时段变化 看,轻微霾日呈逐时段递增变化,轻度霾日、中 度霾日和重度霾日在 19812000 时段明显增 加,但 20012013 时段略有下降,但仍多于 19611980 时段,这说明 21 世纪以来东北霾日 的增加主要是由于轻微霾日增加造成的.进一 步分析东北三省不同等级霾日的阶段性分布, 可以发现,辽宁省 4 种等级霾日日数均呈逐时 段增加;吉林省轻微霾日、轻度霾日和中度霾 日在 1980 年左右明显增加,之后较为平稳;而 黑 龙 江 轻 度 霾 日 、 中 度 霾 日 和 重 度 霾 日 20012013 时段相对于 19802000 时段减少明 显,轻度霾日从 1.22d 减少至 0.59d,中度霾日从 0.30d 减少至 0.12d,重度霾日从 0.21d 减少至 0.05d,黑龙江省轻度霾日、中度霾日和重度霾 日的大幅减少可能是造成东北地区轻度霾日、 中度霾日和重度霾日在 20012013 时段略有 下降的重要原因. 从东北地区霾日的变化趋势看(图 7),东北 地区多数站点霾日呈增加趋势,黑龙江西南部 和辽宁中部部分站点呈减少趋势.统计东北 1636 中 国 环 境 科 学 36 卷 194 个站点的变化趋势发现其中 60 个站点无 明显变化趋势,127 个站点的霾日呈显著增加 趋势,增加最明显的为黑龙江鹤岗,增加率为 30d/10a,7 个站点呈显著减少趋势,减少最明显 的为沈阳,平均每 10 年减少 37d.沈阳霾日减少 的原因可能是因为 20 世纪 80 年代末至 90 年 代沈阳大批工厂停产倒闭,原有工业企业污染 排放迅速减少,此外随着政府对环保的大利投 入,重污染企业陆续搬离市区,沈阳生态环境得 到了改善9. (a)轻微霾日 y = 0.2727x - 531.02 0 5 10 15 20 1960197019801990200020102020 霾日(d) 轻微霾日 年代际平均 线性趋势 (b) 轻度霾日 y = 0.0133x - 25.578 0 0.5 1 1.5 2 1960197019801990200020102020 霾日(d) 轻度霾日 年代际平均 线性趋势 (c) 中度霾日 y = 0.0036x - 6.9715 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1960197019801990200020102020 霾日(d) 中度霾日 年代际平均 线性趋势 (d) 重度霾日 y = 0.0014x - 2.7755 0 0.1 0.2 0.3 1960197019801990200020102020 霾日(d) 重度霾日 年代平均值 线性趋势 图 6 19612013 年东北地区不同等级霾日的年际变化 fig.6 time series of haze days with varied intensity (a)slight haze, (b)mild haze, (c)moderate haze and (d)severe haze averaged in northeast china from 1961 to 2013 n 1:7250000 0 75 150 300 450 km 线性趋势(d/10a) -37.0-20.0 -4.90.0 5.110.0 -19.9-5.0 0.15.0 10.130.1 图 7 19612013 年东北地区霾日变化趋势 fig.7 trend of annual haze days in northeast china during 19612013 为通过 0.05 置信度检验 3 结论 3.1 东北地区霾日空间分布差异显著,辽宁中 部、黑龙江中北部霾日相对较多,吉林西部和东 南部霾日相对较少,工业和经济发达的大中型城 市霾日日数远多于经济相对较落后的地区;东北 地区不同等级霾日(轻微霾日、轻度霾日、中度 霾日、重度霾日)日数的空间分布与总霾日日数 的空间分布基本一致. 3.2 东北地区多数站点霾日呈增加趋势,黑龙 江西南部和辽宁中部部分站点呈减少趋势,194 个站中 60 个站点无明显变化,127 个站呈显著增 加趋势,7 个站点呈减少趋势,其中沈阳站减少最 为明显. 3.3 冬秋季是东北霾日的高发时段,57.9%的霾 6 期 崔 妍等：东北地区近 50 年来霾天气气候特征 1637 日发生在冬季,吉林冬季霾日比例高达 73.9%,从 年内变化看,东北霾日 1 月最高,5 月最少,冬季多 发主要是由于采暖季大气污染增多导致的. 3.4 19612013 年东北地区平均霾日呈显著增 加趋势,增加率为 2.9d/10a,辽宁增加趋势最为显 著,黑龙江次之,吉林最小,20世纪80年代之前东 北三省霾日均比较少,80 年代至 20 世纪末,3 个 省和整个东北地区均有一个明显的增加,但是 21 世纪以来,辽宁霾日持续增加,但是黑龙江略 有减少. 3.5 19612013 年东北不同等级霾日均呈增加 趋势,轻微霾日增幅最显著(2.7d/10a),轻微霾日 呈逐时段递增变化,轻度霾日、中度霾日和重度 霾日则在 20 世纪 80 年代增加显著,之后又略有 下降. 参考文献： 1 qx/t113-2010 霾的观测和预报等级 s. 2 叶光营,吴毅伟,刘必桔.福州区域雾霾天气时空分布特征分析 j. 环境科学与技术, 2010,33(10):114-119. 3 malm w c. characteristics and origins of haze in the continental united states j. earth-science reviews, 1992,33(1):1-36. 4 kerr r a. study unveils climate cooling caused by pollutant haze j. science, 1995,268(5212):802-802. 5 高 歌.19612005 年中国霾日气候特征及变化分析 j. 地理 学报, 2008,63(7):761-768. 6 吴 兑,吴晓京,李 菲,等.19512005 年中国大陆霾的时空变 化 j. 气象学报, 2