咸寧市1960 —2013年霾日數(shù)氣候特征分析

趙雅靜 成海容 劉煉鋒等

摘要：根據(jù)咸寧市6個(gè)氣象站1960年12月至2013年2月霾天氣人工觀測資料，運(yùn)用趨勢系數(shù)統(tǒng)計(jì)和小波分析等方法，分析了咸寧市近53年來霾日數(shù)的氣候特征。結(jié)果表明，咸寧市霾日數(shù)中間多南北少，丘陵地區(qū)多于沿江地區(qū)，年平均霾日數(shù)赤壁最多，達(dá)16.7 d，嘉魚最少，僅1.5 d。除赤壁外，其他縣市年霾日數(shù)呈減弱趨勢。霾日數(shù)冬季最多，占全年的47.7%，春季、秋季次之，分別占全年的25.7%和20.5%，夏季最少，僅占全年的6.1%。咸寧市區(qū)霾日12月和1月最多，平均分別達(dá)2.1 d和1.8 d，6、7月最少，7月僅0.1 d，有近94%的年份都在6月沒有出現(xiàn)霾天氣。咸寧市區(qū)霾日數(shù)總體呈下降趨勢，但階段性明顯，20世紀(jì)70年代初期是霾日數(shù)急劇上升階段，至80年代初期維持較高的霾日數(shù)，存在著2～4年的顯著周期。

關(guān)鍵詞：霾；氣候特征；趨勢系數(shù)；小波分析

中圖分類號(hào)：X16；X513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）14-3407-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.019

Analysis of Climatic Charcteristic of Dusthaze in Xianning from 1960 to 2013

ZHAO Ya-jing1，CHENG Hai-rong2，LIU Lian-feng1，PENG Xi-can1

（1.Meteorological Bureau of Xianning， Hubei Province， Xianning 437100， Hubei， China；

2.Department of Environmental Engineering， School of Resource and Environmental Science， Wuhan University， Wuhan 430079， China）

Abstract： Based on the daily observed data of Xianning meteorological station from December 1960 to February 2013， the climatic characteristic of dusthaze was investigated. The results showed that， fisrtly， it indicated a pattern that north and south appeared the least days of dusthaze， but the most in the central area in the past 53 years， especially appearing in hilly area. From averaging data， dusthaze day happened most frequently in Chibi， followed by Xianning and the least in Jiayu which was a county closed to Yangtze River. The variation was large in different counties， but it showed a decreased trend of dusthaze day except in Chibi area. Secondly， the dusthaze day was more easily happened in winter （December to February）， which ocuupied 47.7% of the whole year， followed by spring （25.7%） and autumn （20.5%）， and it happened the least in summer （6.1%）. Thirdly， the dusthaze day appeared mostly in December， reaching up to 2.1 days meanly in Xianning， 1.8 days in January. And July was the least month happening dusthaze， meanly 0.1 day， and it rarely appeared dusthaze in June. Fourthly， it showed a decreased trend of dusthaze day in Xianning. There was a increasing trend in 1970s， and it lasted to the initial stage of 1980s. There was a significant cycle of 2～4 years.

Key words： dusthaze； climatic characteristic； trend coefficient； wavelet analysis

隨著城市發(fā)展，空氣質(zhì)量狀況越來越引起人們的關(guān)注，特別是城市中霾的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了人們的生活。霾是一種對視程造成障礙的天氣現(xiàn)象， 其組成成分包括數(shù)百種大氣顆粒物以及空中懸浮物、直徑小于10 μm的氣溶膠粒子，對健康造成嚴(yán)重的 威脅[1]。大量極細(xì)微的干塵粒均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km，造成空氣普遍渾濁[2]，國際組織稱這種現(xiàn)象為“亞洲棕色云”。嚴(yán)重的霾使大氣能見度降低，這些氣體在紫外線的作用下，發(fā)生光熱化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一種新的光化學(xué)煙霧，具有很大毒性，對人體有強(qiáng)烈的刺激作用，長期處于這種環(huán)境下有誘發(fā)肺癌的危險(xiǎn)[3-5]。嚴(yán)重的霾天氣還能直接引發(fā)各類海、陸、空交通事故以及城市空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染[6]，影響生態(tài)環(huán)境[7-9]。近年來，區(qū)域性霾天氣在中國頻繁出現(xiàn)，影響日趨加重，分析咸寧市霾氣候變化特征這項(xiàng)基礎(chǔ)性工作迫在眉睫，其研究價(jià)值和參考意義非常重要。

1 資料與方法

根據(jù)經(jīng)湖北省氣象局質(zhì)量控制后的咸寧市6個(gè)地面氣象觀測站1960年12月至2013年2月逐日人工觀測資料，當(dāng)天氣現(xiàn)象觀測有霾時(shí)記為一個(gè)霾日。運(yùn)用趨勢系數(shù)統(tǒng)計(jì)和小波分析方法分析霾的月、季、年和年代際變化規(guī)律。根據(jù)氣候?qū)W上對冬季的定義，取完整的冬季月份為當(dāng)年12月和次年1、2月，春季為當(dāng)年3～5月，夏季為6～8月，秋季為9～11月。

運(yùn)用趨勢系數(shù)、小波分析和小波方差圖[10-12]方法。小波方差圖能反映信號(hào)波動(dòng)的能量隨尺度變化的分布，可用來確定信號(hào)中不同種尺度擾動(dòng)的相對強(qiáng)度和存在的主要時(shí)間尺度，即主周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 53年霾天氣概況

分析咸寧市1960-2013年共53年霾分布情況，呈中間多南北少的分布。赤壁最多，為16.7 d/年；咸寧市區(qū)次之，為11.6 d/年；南三縣崇陽、通城和通山分別為9.1 d/年、6.4 d/年和 4.4 d/年；靠近長江的嘉魚縣霾天數(shù)最少，為1.5 d/年，最多與最少之間相差約10倍，具有丘陵地區(qū)多發(fā)的特點(diǎn)。

從各縣市逐年霾日數(shù)演變（圖1）可以看出，各地年變化差異較大。除赤壁外，其他縣市年霾日數(shù)隨時(shí)間呈減弱趨勢。其中，通城和咸寧市區(qū)年變化特征相似，有2段集中發(fā)生期，分別處于20世紀(jì)60年代末期至80年代初期和21世紀(jì)初到10年代前期。嘉魚年霾天氣變化不大，變幅為2～4 d/年，呈平穩(wěn)下降趨勢。逐年霾日數(shù)變化呈明顯增多趨勢的赤壁市，在21世紀(jì)10年代末霾天數(shù)劇烈攀升。赤壁市2008年霾天數(shù)多達(dá)64 d，為有氣象記錄以來咸寧全市范圍內(nèi)排崇陽1979年74 d和咸寧市區(qū)1974年74 d之后的第三大值，緊接著在2011年又出現(xiàn)62 d的霾日數(shù)。

由咸寧各縣市年霾日數(shù)最大值和出現(xiàn)年份可以看出，咸寧全市范圍內(nèi)年霾日數(shù)最大值是出現(xiàn)在崇陽1979年的74 d，咸寧市區(qū)年霾日數(shù)的最大值是出現(xiàn)在1974年的72 d。其他縣市的最大值為赤壁2008年出現(xiàn)的64 d，嘉魚1981年出現(xiàn)的10 d，通城1966年出現(xiàn)的40 d，通山1969年出現(xiàn)的29 d。

2.2 霾的季變化特征

由圖2可知，咸寧市區(qū)霾天氣變化有2段集中發(fā)生期。在20世紀(jì)90年代基本上沒有出現(xiàn)霾天氣，而其他時(shí)間都有發(fā)生，特別是20世紀(jì)70年代初期是霾日數(shù)急劇上升階段，至80年代初期較高的霾日數(shù)維持，1973年冬季霾日數(shù)為26 d，1974年春季霾日數(shù)為25 d，同年秋季霾日數(shù)為23 d，都為各季節(jié)最大值。21世紀(jì)初到10年代前期的秋冬季的霾日數(shù)呈波動(dòng)增長態(tài)勢。

分析53年四季和全年的累計(jì)霾日數(shù)以及季節(jié)平均總?cè)諗?shù)可以發(fā)現(xiàn)，赤壁市53年累計(jì)出現(xiàn)霾天氣最多，為907 d；咸寧次之，為627 d；崇陽為481 d；通城為341 d；通山為229 d；嘉魚最少，為81 d。比較四季各縣市霾日數(shù)，春季咸寧市區(qū)的霾日數(shù)最多，其他季節(jié)都是赤壁最多。秋季和冬季各縣市變化情況一致，赤壁最多，咸寧次之，再次是崇陽、通城和通山，嘉魚最少。

從季節(jié)平均總霾日數(shù)看，冬季出現(xiàn)霾日數(shù)最多，為212 d；其次是春季114 d，秋季為91 d；夏季最少，僅為27 d。冬季霾日數(shù)占全年的47.7%，春季占25.7%，冬春兩季占全年霾日總數(shù)的70%以上，秋季占全年的20.5%，夏季僅占全年的6.1%。結(jié)果表現(xiàn)出冬春季出現(xiàn)多，秋季次之，夏季最少的分布特征。這主要是由于冬春季節(jié)影響咸寧市區(qū)的冷空氣活動(dòng)頻繁，而咸寧市大部分地區(qū)位于變性高壓脊內(nèi)，空氣干燥，氣壓穩(wěn)定，風(fēng)力微弱，地面附近的灰塵、汽車尾氣難以擴(kuò)散或稀釋，從而導(dǎo)致霾天氣的出現(xiàn)。而夏、秋季雨水相對要充沛許多，雨水對空氣中的灰塵等污染物起沖刷作用，不利于霾天氣的形成。

2.3 霾的月變化特征

咸寧市區(qū)53年各月平均霾日數(shù)明顯不同，最多為12月，平均達(dá)2.1 d，其次是1月份，平均霾日數(shù)1.8 d，霾日數(shù)最少的為7月，僅0.1 d。據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，44%以上的年份在12月都出現(xiàn)了霾天氣，有42%以上的年份在1月、5月和11月都出現(xiàn)了霾天氣。2013年1月、1974年3月的霾日數(shù)最多，達(dá)15 d和14 d。而有近94%的年份在6月都沒有出現(xiàn)霾天氣。

2.4 咸寧市區(qū)霾年際變化特征

分析咸寧市區(qū)逐年霾日數(shù)演變，總體呈下降趨勢。其中20世紀(jì)70年代初期是霾日數(shù)急劇上升階段，至80年代初期維持較高的霾日數(shù)，年平均霾日數(shù)達(dá)到38 d。20世紀(jì)60年代、80年代和21世紀(jì)初，年霾日數(shù)為6～8 d。年霾日數(shù)趨勢系數(shù)為0.3 d/年。霾日數(shù)最低值為0 d，分別出現(xiàn)在1989-1998年和2001年；最高值為72 d，出現(xiàn)在1974年。為濾去年際間的隨機(jī)變化，采用5年滑動(dòng)平均對原霾日數(shù)序列進(jìn)行處理，同時(shí)用線性傾向估計(jì)分析了不同階段霾日數(shù)的趨勢系數(shù)（表1）。

根據(jù)5年滑動(dòng)平均曲線可以把年霾日數(shù)變化分成五個(gè)階段（表1），其中20世紀(jì)60年代初期到70年代初期霾日數(shù)呈明顯上升階段。該時(shí)段由于各種因素的綜合影響，工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)拇罅堪l(fā)展，故霾日數(shù)上升也比較快，年霾日數(shù)趨勢系數(shù)為3.4 d/年。21世紀(jì)初期的前中期霾天氣再次多發(fā)，呈現(xiàn)明顯上升。由于城區(qū)交通繁忙，機(jī)動(dòng)車大量增加，機(jī)動(dòng)車尾氣污染嚴(yán)重，這一階段霾日數(shù)的年趨勢系數(shù)為1.2 d/年。進(jìn)入21世紀(jì)10年代，經(jīng)濟(jì)和旅游的加速發(fā)展，汽車保有量年年攀升，使得霾日數(shù)又有增多的趨勢。年趨勢系數(shù)為2.4 d/年。

2.5 周期特征

由圖3可見，咸寧市區(qū)霾變化存在著2～4年的顯著周期。此外還有一個(gè)28年作用的長周期，但并沒能通過顯著的周期性檢驗(yàn)。1990-1998年和2000年以后，周期比較顯著，1990-1998年周期大約在4年，而從2000-2010年2年左右的周期比較顯著，可以看出周期有縮短的趨勢。

3 結(jié)論與討論

1）咸寧市53年霾日數(shù)呈中間多南北少的分布，具有丘陵地區(qū)多發(fā)的特點(diǎn)。多年平均年霾日數(shù)赤壁最多，為16.7 d/年；咸寧次之，為11.6 d/年；靠近長江的嘉魚縣霾天數(shù)最少，為1.5 d/年。咸寧市各縣市年變化差異較大，除赤壁外，其他縣市年霾日數(shù)隨時(shí)間呈減弱趨勢。

2）季節(jié)分布特征：冬季（上年12月至次年2月）霾日數(shù)占全年的47.7%，春季占25.7%，冬春兩季占全年霾日總數(shù)的70%以上，表現(xiàn)出冬春季出現(xiàn)多，秋季次之，夏季最少的分布特征。

3）咸寧市區(qū)霾日數(shù)月變化特征：最多為12月，平均達(dá)2.1 d，其次是1月份，平均霾日數(shù)1.8 d，霾日數(shù)最少的為7日，僅0.1 d。有44%以上的年份在12月都出現(xiàn)了霾天氣，有42%以上的年份在1月、5月、11月都出現(xiàn)了霾天氣，而有近94%的年份都在6月沒有出現(xiàn)霾天氣。

4）咸寧市年霾日數(shù)的歷史紀(jì)錄前三位分別為崇陽縣1979年74 d，咸寧市區(qū)1974年72 d，赤壁市2008年64 d。

5）咸寧市區(qū)年霾日數(shù)總體呈下降趨勢，20世紀(jì)70年代初期是霾日數(shù)急劇上升階段，至80年代初期維持較高的霾日數(shù)，年平均霾日數(shù)達(dá)到38 d。20世紀(jì)60年代、80年代和21世紀(jì)初，年霾日數(shù)為6～8 d。

6）咸寧市區(qū)霾變化是2～4年左右的顯著周期，還有28年的大周期，但不顯著。

7）霾天氣的出現(xiàn)與自然因素、人為因素和氣象條件有關(guān)。強(qiáng)逆溫層的出現(xiàn)與氣候干旱少雨，日照強(qiáng)烈，濕度較低等氣象條件共同作用形成霾。

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