重慶霧和霾的氣候特征分析

白瑩瑩，楊世琦，劉　川，董新寧

(1. 重慶市氣候中心，重慶　401147;2.重慶市氣象科學(xué)研究所，重慶　401147)

1　引言

霧和霾是兩種本質(zhì)上完全不同的、影響視程的自然天氣現(xiàn)象[1]。國家氣象標(biāo)準(zhǔn)中，將能見度≤10 km，空氣相對濕度90%的自然天氣現(xiàn)象稱為霧；能見度≤10 km，空氣相對濕度80%的天氣現(xiàn)象定義為霾。因此，研究中常將造成視程惡化時(shí)空氣相對濕度的大小作為區(qū)分霧和霾的輔助判定條件。霧是常見的天氣現(xiàn)象，作為災(zāi)害性天氣，霧主要對社會(huì)經(jīng)濟(jì)中的交通事業(yè)影響較大。長久以來，除了相關(guān)行業(yè)部門以外，大眾并沒有對霧所造成的影響有太多關(guān)注。但近年來，霾作為大氣污染的另一種天氣現(xiàn)象，獲得了足夠的關(guān)注，2011年霧霾天氣第一次入選中國十大天氣氣候事件，反映了社會(huì)公眾對霧和霾天氣的關(guān)注程度[2]。

霧和霾的形成與國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定的關(guān)系，西方國家工業(yè)化開始較早，受霧和霾影響也相對較早，對于霧霾的形成及化學(xué)組成成分，國外學(xué)者已有了豐富的研究成果。Malm在定量分析美國大陸性霧霾天氣的時(shí)空演變時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成霧霾天氣能見度下降的主要成分是硫酸鹽氣溶膠，部分地區(qū)硝酸鹽和有機(jī)氣溶膠的貢獻(xiàn)也比較大[3]。在對中國霧霾的研究中，吳兌[4]以日均能見度≤10 km，日均相對濕度90%為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，分析了1951—2005年中國大陸灰霾的時(shí)空變化，分析結(jié)果顯示，1980年代以后，隨著城市化和工業(yè)化的不斷發(fā)展，中國灰霾日數(shù)在明顯的增加。在空間分布層面上，吳丹[5]認(rèn)為霧霾主要集中在京津冀、長江三角洲和珠江三角洲等人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)。張英娟、于文金、史軍、程婷和吳兌等人針對這3個(gè)研究區(qū)進(jìn)行了大量的研究分析[6-10]。重慶位于四川盆地東部，屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四周高山屏蔽，山谷相間，水系發(fā)達(dá)，地形閉塞，空氣溫暖濕潤，風(fēng)速小，靜風(fēng)頻率高 ,也不利于污染物的擴(kuò)散，是霧霾形成的有利條件。張?zhí)煊畹壤锰鞖猬F(xiàn)象數(shù)據(jù)分析了全球變暖背景下重慶地區(qū)霧日的長期變化特征[11]，但以往針對重慶的研究大多關(guān)注霧，對霾的氣候特征研究相對較少，本文嘗試?yán)锰鞖猬F(xiàn)象和氣象要素反算兩種資料來分析重慶霧和霾的氣候特征。

2　資料和方法

采用重慶區(qū)域內(nèi)34個(gè)國家站1981—2014年氣象觀測數(shù)據(jù)，包含：能見度、相對濕度、天氣現(xiàn)象等數(shù)據(jù)。

根據(jù)重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)DB50/T270—2008《氣象災(zāi)害標(biāo)準(zhǔn)》，霧的判識標(biāo)準(zhǔn)為：空氣相對濕度>95%，懸浮于近地面層空氣中的大量水滴或者冰晶顆粒，使水平能見度降到1 km以下的現(xiàn)象[12]。根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《霾的觀測和預(yù)報(bào)等級》，霾的判識條件：水平能見度<10 km，相對濕度<80%，判識為霾；相對濕度80%～95%時(shí)，按照地面氣象觀測規(guī)范規(guī)定的描述或大氣成分指標(biāo)進(jìn)一步判識[13]。根據(jù)判識標(biāo)準(zhǔn)分離統(tǒng)計(jì)出1981—2014年重慶地區(qū)霧和霾的年平均日數(shù)，采用氣候傾向率、氣候趨勢系數(shù)、Morlet小波和二項(xiàng)式平滑等統(tǒng)計(jì)方法，對1981—2014年重慶地區(qū)霧、霾的時(shí)空分布特點(diǎn)進(jìn)行研究分析。

圖1　霾和霧的分類示意圖Fig.1　Schematic diagram of the classification of haze and fog

3　重慶霧的氣候特征

霧的數(shù)據(jù)來源主要有兩個(gè)，一是天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)中直接提取，二是用能見度數(shù)據(jù)的歷史反算，兩個(gè)數(shù)據(jù)的資料都是比較完整的，下面對比了分別用這兩個(gè)數(shù)據(jù)反應(yīng)的重慶霧的氣候特征。

3.1　時(shí)間變化

從重慶霧日的歷年變化來看，兩種資料反映的霧日的年際變化基本一致，特別是在2000—2010年，兩種資料的分析結(jié)果基本重合，而在1981—1999年間，天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)中霧日較能見度反算的結(jié)果要偏多5～10 d。在對重慶霧的研究中，大多數(shù)學(xué)者采用的是天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)，因2000年以前的能見度的觀測主要以觀測員對參照物的觀測來判斷，主觀性較大，因此兩種數(shù)據(jù)的差別略大，而2000年后逐漸用能見度自動(dòng)觀測替代了人工觀測，兩種數(shù)據(jù)的結(jié)果就相對穩(wěn)定一致了。

重慶霧日總體呈減少趨勢，兩種資料的趨勢系數(shù)分別為-10.3 d/10 a和-7.6 d/10 a，均可通過顯著性檢驗(yàn)，其中天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)減少的趨勢更為顯著，但是進(jìn)入2010年的幾年，霧日有反彈的趨勢，特別是2014年，已經(jīng)躍升至1981年以來歷史第4位(天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù))(圖2)。

圖2　1981—2014年重慶霧日歷年變化Fig.2　Yearly changes of Chongqing's fog days from 1981 to 2014

分析了重慶霧日的年代變化，可以看出，2000年后霧日顯著減少(表1)，這可能與全球變暖有關(guān)，《重慶氣候變化評估報(bào)告》[14]中指出重慶的變暖開始于20世紀(jì)90年代中后期，這與霧日大幅減少的時(shí)間基本一致。

表1　重慶霧日年代變化(單位:d)Tab.1　Decadechanges of Chongqing fog days(unit：day)

3.2　空間變化

重慶霧日的空間分布總體呈：中西部多，東南東北少，西部偏北地區(qū)多于西部偏南地區(qū)。兩種資料在空間分布的表現(xiàn)基本一致，長江與嘉陵江流經(jīng)區(qū)域附近的站點(diǎn)多年平均霧日數(shù)大于距離兩江水域較遠(yuǎn)的站點(diǎn)，其中沿長江的忠縣、豐都、涪陵、長壽和嘉陵江江岸的合川、北碚等站，年平均霧日數(shù)在45 d以上，涪陵、長壽最多，達(dá)60 d以上。萬州、開縣以西廣大平行嶺谷地區(qū)年平均霧日數(shù)大都在30～50 d之間。而東北部沿江的云陽、巫山及巫溪，北部的城口，中部的石柱，東南部的彭水、酉陽等站，年均霧日偏少，在20 d以內(nèi)，其中城口和巫山在10 d以內(nèi)，為重慶霧日最少的地區(qū)(圖3)。

圖3　兩種資料計(jì)算重慶霧日氣候平均(1981—2010年)分布圖(單位:d)(a、天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)，b、能見度數(shù)據(jù)反算)Fig.3　Distribution of climateaverageof Chongqing fogdaysbetween two types of data from 1981 to 2010 (Unit: day)(a、weather phenomenon data, b、visibility data calculation)

4　重慶霾的氣候特征

對重慶霾的氣候特征的分析也主要利用能見度、相對濕度反算和天氣現(xiàn)象兩種，因霧霾混合的情況判定霾要參考大氣成分指標(biāo)進(jìn)一步判識，而歷史資料沒有大氣成分相關(guān)的觀測，因此對重慶霾的氣候特征的分析主要參考：水平能見度<10 km，相對濕度<80%，判識為霾。

從兩種資料的分析情況來看，對于霾日的分布，天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)偏小太多，究其原因，得知天氣現(xiàn)象對霾的觀測在2013年以前采用人工觀測，2013年以后才有儀器自動(dòng)觀測，并且歷史天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)人工無法準(zhǔn)確判識霾的特征，因此提取出的霾日數(shù)據(jù)很小，數(shù)據(jù)參考價(jià)值低。利用能見度和相對濕度反算的霾日結(jié)果總體比較穩(wěn)定，下面就主要依據(jù)此數(shù)據(jù)分析了重慶霾的主要時(shí)空分布特征(表2)。

表2　兩種資料計(jì)算重慶霾日的氣候平均值(1981—2010年)(單位：d)Tab.2　climate average of hazedays using two kinds of datainChongqing(Unit: day)

4.1　時(shí)間變化

重慶霾日總體呈顯著增加趨勢，趨勢系數(shù)為12.9 d/10 a(圖4)，可通過99%的顯著性檢驗(yàn)，其趨勢與霧日變化剛好相反，并且霾日發(fā)生顯著增加的時(shí)段與霧日發(fā)生顯著減少的時(shí)段基本一致，發(fā)生在90年代中后期。進(jìn)入2000年后，霾日的年際變化的振幅也有增加的趨勢，波動(dòng)明顯(圖2)。

圖4　1981—2014年重慶霾日歷年變化和常年值Fig.4　Yearly changes of Chongqing's haze days from 1981 to 2014

利用Morlet小波分析了重慶霾日的周期變化，結(jié)果表明，重慶霾日變化以年際振蕩為主，主要周期有準(zhǔn)2 a周期，在2000年后4～8 a周期開始顯著，也可以看出2000年前后霾日經(jīng)歷了明顯的突變(圖5)。

圖5　重慶霾日Morlet小波序列(陰影部分通過了90%的顯著性檢驗(yàn))Fig.5　Morlet wavelet ofChongqing haze days(The shaded area passes the 90% significance test)

對重慶霾日的年際變化進(jìn)行二項(xiàng)式9點(diǎn)平滑，可以發(fā)現(xiàn)霾日在2000年發(fā)生突變，并且可以通過99%的置信度檢驗(yàn)(圖6)，這也與小波分析的結(jié)果基本一致。霾日在2000年后的突然增加原因可能主要有以下三方面：其一可能是由于氣候變化引起的；其二可能是由于直轄后大規(guī)模城市化建設(shè)、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來的空氣污染的加重；可能是觀測手段的變更引起的，2000年后能見度的觀測逐漸由儀器自動(dòng)觀測替換了人工觀測。

圖6　重慶霾日二項(xiàng)式9點(diǎn)平滑曲線及t檢驗(yàn)Fig.6　Binomial 9-point smooth curve and t-test of Chongqing haze days

4.2　空間分布

圖7給出了重慶霾日1981—2010年30 a氣候平均值，可以看出重慶霾的分布主要呈現(xiàn)“以主城為中心，中西部多，東北部和東南部少”的特點(diǎn)。主城沙坪壩平均每年霾日達(dá)148.5 d，為全市之最，北碚、巴南、璧山、江津、涪陵、彭水、秀山平均每年霾日在100～130 d之間，合川和奉節(jié)年平均霾日不足50 d，其中奉節(jié)最少僅為38 d。

圖7　重慶霾日氣候平均(1981—2010年)空間分布圖(單位：d)Fig.7　Distribution of climate averageof Chongqing haze days from 1981 to 2010(unit:day)

5　結(jié)論及討論

①重慶霧日總體呈顯著減少趨勢，能見度反算和天氣現(xiàn)象兩種數(shù)據(jù)分析結(jié)果基本一致，進(jìn)入2010年的幾年，霧日有反彈的趨勢，特別是2014年，已經(jīng)躍升至1981年以來歷史第4位。

②重慶霧日的空間分布總體呈：中西部多，東南東北少，西部偏北地區(qū)多于西部偏南地區(qū)。兩種資料在空間分布的表現(xiàn)基本一致，長江與嘉陵江流經(jīng)區(qū)域附近的站點(diǎn)多年平均霧日數(shù)大于距離兩江水域較遠(yuǎn)的站點(diǎn)。

③重慶霾日總體呈顯著增加趨勢，趨勢系數(shù)為12.9 d/10 a，其趨勢與霧日變化剛好相反，并且霾日發(fā)生顯著增加的時(shí)段與霧日發(fā)生顯著減少的時(shí)段基本一致，發(fā)生在90年代中后期。進(jìn)入2000年后，霾日年際變化的振幅也有增加的趨勢，波動(dòng)明顯。

④Morlet小波周期分析結(jié)果表明，重慶霾日變化以年際振蕩為主，主要周期有準(zhǔn)2 a周期，在2000年后4～8 a周期開始顯著，也可以看出2000年前后霾日經(jīng)歷了明顯的突變，二項(xiàng)式9點(diǎn)平滑也印證了這一結(jié)論。

⑤重慶霾的分布主要呈現(xiàn)“以主城為中心，中西部多，東北部和東南部少”的特點(diǎn)。其中主城沙坪壩最多，平均每年霾日達(dá)148.5 d；奉節(jié)最少，僅為38 d。

本文嘗試?yán)脙煞N氣象觀測資料分析了重慶霧和霾的氣候特征，得到了一些有意義的結(jié)論，隨著全球變暖的加劇，研究表明霧日是呈顯著減少趨勢的，但是霧日的減少是否是氣候變化導(dǎo)致的？霧日的減少與霾日的增加是否有關(guān)？兩者期間的復(fù)雜關(guān)系和影響機(jī)理仍需進(jìn)一步的研究深入。