华东地区雾和霾日数的特征规律及成因

　　我国学者也对全国性的雾、霾气候特征进行了研究，如林建等根据1971-2005年全国714个站大雾资料，分析了我国大雾的时空分布特征和环流形势;陈潇潇等利用1961—2005年全国300个台站的逐日雾资料及能见度资料，分析了不同等级雾的时空分布及基本气候特征;高歌对1961-2005年中国霾的时空气候分布特征、变化趋势进行了详细分析并探讨了霾变化的原因。
　　基于华东449个气象站点1961-2007年的雾、霾、气温和露点温度数据、1980和2005年土地利用数据及2000-2007年MODIS气溶胶光学厚度数据，利用气候统计诊断、遥感和地理信息系统技术分析了华东雾、霾日数的气候变化特征及成因，结果表明：1961-2007年期间，华东雾日数在全年及四季都呈现出先增多后减少的年际变化特征，霾日数在全年及四季则呈现出逐渐增多的年际变化特征。
　　华东地区地处我国东部沿海，近年来，随着城市化和工业化的迅速发展，雾及雾、霾结合物已经成为影响区域经济发展和城市环境的重要因素。一些学者对华东个别省(市)的雾霾开展了研究，如周自江等研究了1954-2005年长江三角洲地区浓雾事件的气候特征及演变规律;吴滨等分析了1961-2004年福建省大雾日数及浓雾日数的分布特点、变化趋势及影响因素;童尧青等分析了1961-2005年南京地区霾天气的气候特征、气象要素特征及其成因;王建国等对1951-2006年济南市霾日数的变化规律进行了统计分析，并对霾与气象条件的关系进行了分析。
　　一.数据与方法
　　研究区域包括山东省、江苏省、安徽省、浙江省、江西省、福建省和上海市。研究所用的资料主要有华东国家基本/基准站及一般气象站1961.2007年逐日雾、霾、气温和露点温度数据。这些数据来自于华东各省(市)气候中心。在综合考虑站点数据的时间序列长度和连续性的基础上。共挑选出449个气象站点，其中山东108个站点，安徽78个站点，江苏59个站点，上海11个站点，浙江42个站点，福建66个站点，江西85个站点，用于分析华东雾和霾的气候变化特征及气象条件变化对雾和霾日数的影响。
　　从时间和空间两方面对华东雾、霾气候变化特征展开分析。首先从时问上分析了整个华东雾和霾日数在全年及四季的年际分布和变化特征，然后采用线性趋势拟合法从空间上分析了华东449个站点雾和霾日数的变化特征，并利用Surfer 8.0对雾和霾的空间变化趋势进行克里格(Kriging)插值和显示。为突出雾和霾日数在近30年的变化特征，将1961-2007年期间划分为两个时段：1961-1980年和1981-2007年，分别分析了两个时段雾和霾日数空间变化趋势的异同。最后，利用遥感和地理信息系统方法，分析华东土地利用和气溶胶光学厚度的空间分布和变化，并论证华东雾和霾日数变化的原因。
　　二.研究结果与分析
　　1华东雾和霾日数的气候变化特征
　　1.1雾和霾日数的时间变化特征
　　(1)年际变化
　　1961-2007年期间，华东雾日数以1979年最多(38.9 d)，而以2005年最少(17.2 d)。过去47年间，雾日数呈现出先增加后减少的变化特征，其中在1961-1980年期间，雾日数以4.6d/lOa的趋势显著增加(r2=0.50)。而在1981-2007年期间，雾日数以5.2d/lOa的趋势显著减少(r2=0.66)(图1 a)。以1971-2000年平均雾日数31.3d为常年值，分析华东雾日数的年际距平，可以看出，在1961-1976年期间，华东雾日数多为负距平，在1977—1992年期间，雾日数多为正距平，而在1993-2007年期间，华东雾日数都为负距平。在20世纪80年代(1981-1990年)，华东雾日数最多(33.0d/a)，而在本世纪最初7年(2001-2007年)，华东雾日数最少(22.8d)(表1)。
　　华东霾日数在1961-2007年期间以2003年最多(32.5d)，而以1964年最少(1.0d)。过去47年间，霾日数呈现出逐渐增多的变化特征，其中在1961-2000年期问，霾日数以3.5d/lOa的趋势较平稳增加(r2=0.91)，而在2001—2007年期间，霾日数急剧增加(图lb)。以1971-2000年平均霾日数8.8d为常年值，分析华东霾日数的年际距平，可以看出，在1961-1985年期间，华东霾日数多为负距平，而在1986-2007年期间，霾日数多为正距平。
　　在20世纪60年代(1961-1970年)，华东霾日数最少(1.9d/a)，而在本世纪最初7年，华东霾日数最多(25.2d)(表1)。
　　(2)季节变化
　　1961-2007年期间，华东雾日数在四季都呈现出先增加后减少的变化特征(图2)。在春季、夏季和秋季，雾日数都是以20世纪80年代最多，而以本世纪最初7年最少;在冬季，雾日数在20世纪70年代(1971-1980年)和90年代(1991—2000年)较多，而在20世纪60年代最少。在20世纪90年代和本世纪初，华东春季、夏季和秋季雾日数快速减少，而冬季雾日数减少较为缓慢。
　　过去47年间，华东霾日数在四季都表现为增加趋势，并且都是以本世纪最初7年最多，而以20世纪60年代最少(图3)。在春季和秋季，华东霾日数在20世纪90年代和本世纪初增加较为明显;在夏季，霾日数只在本世纪初增加较为明显;而在冬季，霾日数在20世纪70年代和80年代增加较为明显，在20世纪90年代和本世纪初增加较为缓慢。
　　1.2雾和霾日数的空间变化特征
　　(1)雾日数的空间变化特征
　　1961-2007年期间，华东雾日数在北部地区，包括山东、江苏北部和西部以及安徽北部多数都表现为增加，但在南部地区，尤其是在福建多数为减少趋势(图4a)。在所有449个站点中，有438个站点雾日数增加或减少的趋势倾向率都<10d/10a，其中有243个站点雾日数增加或减少的趋势倾向率都<1.5d/10a，这些站点主要分布于福建、江西和山东中东部。安徽黄山站雾日数增加最多，在过去47年间以42.8d/lOa的趋势增加，安徽石台站雾日数减少最多，在过去47年间以31.9d/lOa的趋势减少。
　　1961-2007年期间，华东雾日数总体上表现为先增加、后减少的变化趋势，其中在1980年以前多数地区都为增加趋势，而在1980年以后多数地区都为减少趋势，这与我国和国外已有的一些研究结果一致，如陈潇潇等研究表明，1961-2005年我国雾频次经历了少-多-少的年代际变化，20世纪60年代雾较少，70-80年代为45a来雾日最多的时期，90年代后进入少雾阶段，而2l世纪初的5a则是雾最少的时期;吴滨等研究表明，1961-2004年福建省年、季雾日数在大部分地区表现为明显的减少趋势，雾日数在20世纪80年代中期左右转为明显偏少期，之前则为明显的偏多期。
　　(2)霾日数的空间变化特征
　　1961-2007年期间，华东霾日数除在山东西部、江苏中部、江西南部以及浙江和福建交界处一些站点为减少外，在其他多数地区都表现为增加趋势(图4b)。在所有449个站点中，有401个站点霾日数增加或减少的趋势倾向率<10d/lOa，其中有229个站点霾日数增加或减少的趋势倾向率都<1d/lOa，这些站点主要分布于山东、安徽、江西南部以及福建。江苏南京站霾日数增加最多，在过去47年间以39.2d/lOa的趋势增加，江西清江站霾日数减少最多，在过去47年间以3.0d/lOa的趋势减少。在1961-1980和1981-2007年期间，华东霾日数除在个别地区减少外，在多数地区两个时段霾日数都呈现出增加趋势，但增加趋势倾向值多在10d/lOa以下。在1961-1980期间，霾日数增加较多的地区主要分布在江西，但在1981-2008年期间，霾日数在江苏南部、上海、浙江和江西、山东、安徽一些地区都增加较多，福建霾日数在两个时期变化较小。
　　华东霾日数在1961-2007年期间总体上表现为增加趋势，并且在华东多数地区，霾日数在1980年以前和1980年以后都呈现出增加趋势，这也与我国已有的研究结果一致，如高歌对中国霾的时空气候分布特征和变化趋势研究表明，1961-2005年我国东部大部地区平均年霾日数呈现出增加趋势，尤其在常年霾日多的地区，如长江中下游地区、珠江流域及河南西部等地，霾日增加幅度大、趋势显著;童尧青等对南京地区霾天气的气候特征分析表明，1961-2005年南京霾日数呈明显上升趋势。
　　2.华东雾和霾日数变化的原因分析
　　2.1气象条件对雾和霾日数变化的影响
　　天气系统、气温、相对湿度、风速、大气稳定度等诸多条件都会对大雾形成产生影响。1961-2007年，华东年平均气温除在极个别站点略有降低外，在华东绝大多数地区都显著升高，尤其是在山东、安徽、江苏、上海和浙江增温显著(图5a)，同时，平均温度露点差也在华东大多数地区都增加(图5b)，表明华东多数地区近50年都呈现出变暖变干的趋势，尤其以长江三角洲地区最为显著。气候变暖，大气层结趋于不稳定，加之空气湿度降低，均不利于雾形成。其他研究也表明，1961-2003年中国地区大雾日数偏少(多)与气温偏高(低)、相对湿度偏小(大)存在一定的对应关系;西双版纳大雾的减少与该地相对湿度的减少有很大关系。由于发生霾时相对湿度不大，而雾中的相对湿度是饱和的，因此空气湿度降低也会增加霾出现频率。另外，其他气象条件变化，如高空大气环流形势、地面风速和日照、逆温和混合层高度、近地层大气动力湍流交换能力等都会影响到雾和霾的形成。
　　2.2条件对雾和霾日数变化的影响
　　大雾日数的减少与城市化、经济发展和区域下垫面改变有密切关系，如城市规模扩大、人口增加、植被减少、建筑物密度增加和煤炭等能源消耗增多，这些都会导致城市热岛增强和空气湿度下降，不利于水汽凝结。也就是说，过去20多年来，华东大量耕地和林地转变为建设用地、水域和草地，尤其以建设用地增加最为显著(图6)。华东经济发展、城市化导致耕地和林地面积的减少、建设用地面积的增加使空气中水汽减少，夜晚相对湿度降低，对大雾日数的减少有较大的促进作用。研究表明，植物叶面蒸腾的蒸发量与等面积的裸露土壤相比要高于20倍，相当与等面积的水库蒸发量。耕地、林地和草地植物通过叶面蒸腾使空气湿度增加、气温降低，这些均有利于大雾的形成。与此同时，随着区域人口和工矿企业的增多，高层大楼急剧增加，下垫面的阻挡和摩擦作用使区域风明显减弱p21，水平方向静风现象增多，污染物难以扩散或稀释，加剧了霾发生频率和强度。
　　2.3大气污染对雾和霾日数变化的影响
　　一些研究认为，城市热岛效应增强和空气污染加重而导致的气溶胶粒子浓度急剧增加是大雾减少的重要原因，城市化及人类活动造成的大气污染物排放量增加也是霾出现频率增加的主要原因。利用MODIS卫星资料反演我国东部2000和2007年气溶胶光学厚度(AOD)空间分布(图7)，可以看出，2000-2007年期间，华东AOD>0.5的区域面积明显增加，AOD>1.0的区域面积也在增加，表明气溶胶污染的范围在2000-2007年间有显著扩大的趋势，并以长江三角洲地区、江苏北部和中部、山东西部和北部增长速度最快，江西鄱阳湖地区的气溶胶污染增长也较快。大气气溶胶粒子增多，一方面作为凝结核，有利于雾滴形成;另一方面大气气溶胶粒子增加大气逆辐射，加剧夜间城市热岛效应，不利于地表和近地层降温，从而可以阻碍城市雾的形成。大气污染物排放增加则对霾发生频率有明显的促进作用，刘爱君等对广州市霾天气成因分析表明，霾日数年际变化规律多与大气中的污染物浓度有关，总悬浮颗粒物，尤其是细颗粒物的增加导致霾天气的增加。污染物中可吸入颗粒物(PMl0)的浓度与霾的发生有密切关系，华东大气污染物排放量增加是引起雾和霾现象出现频率发生变化的重要原因。
　　三.总结
　　通过对1961-2007年华东雾和霾日数的气候变化特征及其成因分析，得出如下结论：
　　(1)1961-2007年期间，华东雾日数在全年及四季都呈现出先增多后减少的年际变化特
　　征，霾日数在全年及四季则呈现出逐渐增多的年际变化特征。雾日数在20世纪80年代最多，而在本世纪最初7年最少。霾日数在20世纪60年代最少，而在本世纪最初7年最多。
　　(2)过去47年间，华东雾日数在北部多数地区都为增加趋势，但在南部多数地区为减少趋势;霾日数在华东多数地区都表现为增加趋势。在1961-1980年期间，雾和霾日数在华东多数地区都为增加趋势;而在1981-2007年期间，雾日数在华东多数地区都呈减少趋势，霾日数则在多数地区都为增加趋势。
　　(3)华东雾日数和霾日数在过去47年间的变化特征与我国已有的研究结果一致，气象条件变化、城市化和土地利用变化以及大气污染物排放量增加所引起的区域气温升高和城市热岛效应增强、空气湿度和风速降低、大气气溶胶光学厚度增加等都会导致华东雾日数减少和霾日数增多。