湖南省近43年雾霾气候变化特征分析

袁智生，陈 涛，肖 兰，李 超

(1.湖南衡阳市气象局，湖南衡阳 421001；2.湖南省气候中心，湖南长沙 410007)

湖南省近43年雾霾气候变化特征分析

袁智生1，陈 涛1，肖 兰1，李 超2

(1.湖南衡阳市气象局，湖南衡阳 421001；2.湖南省气候中心，湖南长沙 410007)

对湖南76个地面气象观测站1970―2012年逐日能见度、相对湿度数据分析，获取湖南各区域逐日雾、霾情况，利用线性趋势分析雾、霾历年变化特点，采用MK分析得到雾霾突变情况，结果表明：近43a湖南雾日减少而霾日增多，其变化趋势通过信度为0.01显著性检验。年雾日从2008年开始呈断崖式减少，突变点通过了MK检验，年霾日呈稳定增多，没有突变发生；年雾日数在1～20d/a的台站最多(75.0%)，而有59.2%台站霾日数在21～50d/a之间，这也使得全省霾日分布范围较雾广，年均天数较雾日多，雾日数区域变化明显；四季中冬季雾、霾最严重，特别是冬霾日占全年近一半，夏季雾霾出现次数最少，在湘中有一个三角型分布的霾高发区域。

雾、霾变化；时空分布；线性分析；MK突变

0 引言

雾、霾是近地面气层造成视程障碍的天气现象，其对人体的感官影响相似，但形成机制有本质不同。雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，是近地面层空气中水汽凝结(或凝华)的产物，其对可见光的散射作用使测站能见度小于1km；霾是指空气中大量极细微的灰尘、硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐、有机碳氢化合物等粒子混合体，导致大气混浊，视野模糊，水平能见度小于10km。

由于雾、霾对人们身体健康、交通出行等多方面影响严重，相关学者开展了广泛而深入的研究[1-6]。吴兑等[1]研究结果显示，1956—1980年中国霾日都较少，1980年代以后，中国城市区域霾有显著增加趋势，这与经济活动密切相关。就中国大陆而言，12月和1月霾日明显偏多，其总数占全年30%，9月霾日数最少；虞俊[4]对长江三峡库区大雾分析发现，三峡库区20世纪80至90年代雾偏多，而20世纪60至70年代及21世纪初雾偏少，表现出明显的10—20年和30—40年周期。库区的年雾日数与年相对湿度呈显著的正相关，气温的变化造成相对湿度变化，从而影响雾的发生频率；张运英[7]利用经验正交函数分解(EOF)分析了近24 a广东雾霾天气能见度时空特征，年际年代际变化主要表现在EOF的前2个主模态，第一模态的空间场与广东省自然地理区划基本对应，与人类活动的明显增强有关，第二模态的空间场反映出广东地区能见度时空变化一致性的特点，具有受ENSO影响的年际变化特征。

雾、霾日发生受人类活动影响较大，同时与当地气候状况有关，存在地域性差异。湖南地处中国中南部，长江以南，南岭以北，云贵高原以东，罗霄山等山脉以西，地势属于云贵高原向江南丘陵和南岭山地向江汉平原的过渡地带。全省东、西、南三面山地环绕，逐渐向中部及东北部倾斜，形成向东北开口不对称的马蹄形。湖南属于典型的亚热带季风气候区，气温的年变化大，冬冷夏热四季分明，最冷月出现在1月，最暖月出现在7月。近年来，随着中国沿海地区中低端产业大规模内迁，湖南承接了大量劳动密集型产业，区域经济十分活跃。工业化、城镇化发展造成近地层污染物、粉尘等微小颗粒物浓度增加，致使能见度降低，城市空气污染加重，雾霾天气已成为危害湖南环境及气象安全的灾害性天气现象。因此，分析湖南雾霾时空分布特征和演变规律，对准确预报雾霾天气、减少灾害损失、保障交通安全和环境质量具有重要意义。

1 资料与方法

历来人们对雾霾如何辨别就有争议[8-11]，全国对霾与轻雾或雾的识别没有统一的判别标准，大多将很低的相对湿度作为区分轻雾与霾的界限[12]。湖南省气象局对人工观测能见度及相对湿度时雾霾辨别标准是：在能见度小于1km时，相对湿度大于或等于80%判别为雾，小于则为霾；能见度在1.0～10.0km时，相对湿度小于65%为霾。即使有上述标准，在执行过程中，受观测员主观性影响，不同台站或同一台站各观测员之间的观测结果都可能存在差异，因此原始雾、霾记录缺乏一致性。为了统一雾、霾判别标准，在参考有关专家研究成果基础上[13-15]，设定本次分析中雾、霾判别标准：每日14时观测能见度小于10km，相对湿度小于90%记霾一次；每日4次观测中(02时、08时、14时、20时)，任一次相对湿度大于94%，且能见度小于1km，定义出现雾一次。

湖南省现有97个地面气象站，建站时间不尽相同，在综合考虑各站资料完整性和稳定性基础上，选取其中76个观测点逐时(02时、08时、14时、20时)能见度和相对湿度数据进行分析。时间跨度为1970—2012年。1979年后，湖南地面气象观测规范变更了能见度观测方式，故对1970—1979年能见度数据予以修订。李维[16]研究表明，能见度观测方式变更前后的资料连续性和均一性较好，对分析影响不大，故不再讨论。

历年雾霾变化趋势采用线性分析，雾、霾突变用非参数统计检验法(Mann-Kendall检验，简称M-K检验)，具体处理过程有关文献介绍较多[17-22]，在此不再赘述。

2 雾霾变化分析

2.1 雾霾空间分布

图1、图3分别为湖南近43a(1970—2012年)年均雾、霾日空间分布。从色斑图颜色深度来看，霾日数明显多于雾日，全省雾日分布有明显地域性特点，总体表现是北多南少。霾日在空间分布上则一致性偏多，霾日少的区域屈指可数。

图1 1970—2012年湖南年均雾日分布Fig.1 The distribution of annual average foggy days in Hunan Province，1970—2012

图2 不同雾日段台站数分布Fig.2 The distribution of station number in different foggy day interval

湖南平均雾日为17.1d/a，其中湘西北、湘西南和湘北东部雾日数相对偏多，雾日数大部分在18 d/a以上，最多的是通道县(53.0d/a)。湘北北部、湘中局部、湘南大部分区域雾日数较少，大部分区域雾日数18d以下，江永县雾日数全省最少(2.0d/a)。图2为各雾日段的台站数分布状况，雾日数在1～20d/a台站最多，占总站数75.0%，其中年雾日在1～10d/a和11～20d/a台站分别有29、28个，雾日数在21～50d/a的台站占总数的23.7%，雾日数在50 d/a以上仅一站。

图3 1970—2012年湖南年均霾日分布Fig.3 The distribution of station number in each hazy day

湖南平均霾日为39.4d/a，较雾日偏多21.9 d/a，霾日数的空间分布不如雾层次分明，其等值线较密集(图3)。全省霾日数少的区域不多，主要集中在湘西西部及湘南东南部狭小地带。霾日最少的是汝城县(1.6d/a)。湘西北至湘南中部一线为霾日多发区域，大部分区域霾日在30d/a以上，最多的是桃江县(120.4 d/a)。各霾日段的台站数分布与雾不同，有中段多，两端少的特点(图4)。霾日数在21～50d/a的台站占总台站的59.2%，霾日在50d/a以上台站数占23.7%，而1～20d/a的台站数只有17.1%。

图4 不同霾日段台站数分布Fig.4 The distribution of station number in different hazy day interval

2.2 雾霾时间分布

近43a来，湖南雾日呈减少趋势(图5a)，气候倾向率为-2.63d/10a，趋势系数为0.601，通过了0.01显著性水平检验，43a间雾日数累计减少11.3d。全省年均雾日变化可分为两阶段：1970—2007年，年际间波动大，减少趋势不明显，平均雾日为18.63d/a；2008—2012年，雾日数迅速减少，平均为4.49d/a，较第一阶段偏少13.64d。

与雾日变化相反，近43a来，湖南霾日呈增多趋势(图5b)，气候倾向率为4.52d/10a，趋势系数为0.809，通过了0.01显著性水平检验，43a间霾日数累计增加19.4d。

2.3 雾霾突变分析

图6为湖南年均雾、霾日数的非参数统计检验(M-K检验)统计量变化曲线，给定显著性水平α=0.05，即u0.05=±1.96。

图5 湖南历年(1970—2012年)雾(a)、霾(b)天数变化曲线及趋势图Fig.5 The change and trend of foggy(a)and hazy(b)days in Hunan Province，1970—2012

1970—1998年，湖南雾的统计量UF曲线(图6a)以零线为基础上下波动，1970—1973年、1977—1998年为雾日增多期，1974—1976年为雾日减少期。1999年至今，湖南雾日持续减少，2008年发生突变。1999年超过了0.05临界线，2010年则超过了0.001临界线(u0.001=2.56)。

图6 湖南历年(1970—2012年)雾(a)、霾(b)M-K突变分析Fig.6 The analysis of MK mutation of foggy(a)and hazy(b)days in Hunan Province，1970—2012

对年霾日MK曲线分析(图6b)，结果显示自1970年以来，湖南省霾日呈持续增多的趋势，在1978年以后，这种增多趋势超过了0.05临界线，1979年则超过了0.001的显著性水平线，表明湖南省霾日增多趋势十分显著。由于两条统计量曲线相交于信度线之以外(1985年)，这表明这种增多趋势未发生突变。

2.4 雾霾四季变化

图7为湖南各区域1970—2012年春、夏、秋、冬四季雾(a-d)、霾(e-h)的年均分布情况。从色斑图颜色深度及分布范围来看，同季节大雾出现范围及发生次数均比霾少，四季中雾、霾出现次数、范围大小各有不同，夏季最少、冬季最多，春、秋季居中。

图7 湖南省历年(1970—2012年)春、夏、秋、冬雾(a-d)、霾(e-h)年均分布Fig.7 The distribution of annual average foggy(a-d)and hazy(e-h)days in spring，summer，autumn，winter of Hunan Province，1970—2012

春季雾日为四季中次少，平均为3.85d，全省最多的是平江(10.09d)，江永最少(0.67d)。从湖南春雾分布来看，有三高中心(图7 a)，分别是永顺—安化、黔阳—通道、平江。湘北、湘南及湘中局部春雾较少。湖南平均春霾8.80d，为四季中次多。全省春霾最多的是步城(27.19d)，汝城最少(0.40d)，全省春霾有两个中心区(图7e)，分别是慈利—耒阳、步城，春霾较少的区域不多，仅在会同—通道及桂东—临武一线。

夏季雾霾无论在出现范围及出现次数都是四季中最少的。全省平均夏雾1.62d，主要分布在湖南西部(图7b)。湘西北的永顺、保倩、桑植、花垣、沅陵，湘西南的通道、靖县、会同是夏季雾多发区域，平均雾日9d左右。而湖南中、东部及南部夏季雾出现机率少。夏季平均霾日3.26d。全省有3个霾日高发区域(图7f)，益阳—桃江中心范围最大，其次是慈利县和城步两个小区域中心，霾日多发区呈三角形结构。夏季霾在湖南东部、西部和南部相对较少，中部和北部偏多。

全省平均秋雾5.17d，仅次于冬季。最多的通道县(21.07d)，最少的是江永县(0.28d)。从秋雾全省分布来看(图7c)，湘西北、湘西南及湘东局部(平江为中心)为秋雾多发区，湘中、湘南偏少。全省平均秋霾有8.29d，仅比夏季偏多。步城县平均31.93d，居全省之冠，桂东县最少，为0.14 d。全省秋霾分布广泛(图7g)，慈利—城步—耒阳是秋霾严重的三角带，大部分区域在9d以上。相对而言，湖南西部、湘南桂东—宜章一线，南县、平江一带较少。

冬季雾霾均是各季节中最为严重的。全省年均冬雾日6.46d，占全年总数37.75%，较次多的秋季高出7.71%。从冬季雾日分布来看(图7d)，湘中以北、湘西是冬雾高发区，此外在永兴—资兴一线，冬雾也较严重。全省平均冬霾为18.91d，接近全年一半(48.17%)，较次多的春霾高出25.76%。湖南省绝大部分区域冬霾严重(图7 h)，仅在湘西南的通道、靖县、会同一带、湘南的桂东—汝城一线略少。

2.5 变化成因分析

虞俊[4]等认为三峡库区的年雾日数与年相对湿度呈显著的正相关。基于这种思路，本文分析了衡阳市区1960—2013年年雾日数与年相对湿度的相关性，相关系数r=0.448，两者接近中度相关水平，可见在非库区，年雾日数与年均相对湿度大小的相关性也依然存在，只是相关程度没有那么强而已。全球气候变暖，气温上升，相对湿度减少[23-25]，最终导致年雾日数明显减少。全省年气温与雾日的相关系数r=-0.16，说明年气温与雾日数是反相关，但湖南这种相关性不明显。霾日逐年增多，这与人类经济活动加剧密切相关[26-27]。

3 结论及讨论

通过对湖南76个气象站逐日的雾霾天数据分析，获得了这两种不同性质天气现象近43a来的变化规律，获取如下结论：

(1)湖南1970—2012年平均雾日为17.1 d/a。年雾日数变化分为两个阶段，1970—1997年间，雾日变化以上下波动为主，2008年以后，年雾日数迅速减少，前后相差13.64d，分析衡阳市区的数据显示，年雾日数和年相对湿度接近中等程度的相关。自1995年以来，湖南雾日数持续减少，在2008年发生了突变。

(2)湖南年均霾日为39.4d/a。近43a来，霾日呈波动增多趋势，这种变化通过了信度为0.01的显著性检验。增多趋势没有发生突变性变化。

(3)湖南雾日在1～20d/a的台站最多(75%)，有59.2%台站霾日数在21～50d/a之间，这就决定了霾日无论在量上还是分布广度上都要多于雾日变化。

(4)在四季中，冬季雾、霾最严重，特别是霾日接近全年五成(48.17%)。对比湖南地形图发现，湖南雾日分布受地势高度影响较大，湖南西部地势高，雾日数偏多。全省霾日分布广泛，在夏季霾日较少时段，以桃江为中心，构成慈利—桃江—耒阳、桃江—城步三角形型多发区，即使冬季，三角形结构依然明显。

[1] 吴兑，吴晓京，李菲，等.1951—2005中国大陆霾的时空变化[J].气象学报，2010，68(5)：680-688.

[2] 李子华.中国近40年来雾的研究[J].气象学报，2001，59(5)：616-624.

[3] 陈涛，赵艳兰，彭刚，等.衡阳近五十年暴雨气候特征和变化规律分析[J].防灾科技学院学报，2011，13(1)：27-30.

[4] 虞俊，王遵娅，张强.长江三峡库区大雾的变化特征分析及原因初探[J].气候与环境研究，2009，15 (1)：97-105.

[5] 吴兑，毕雪岩，邓雪娇，等.珠江三角洲大气灰霾导致能见度下降问题研究[J].气象学报，2006，64 (4)：510-517.

[6] 陈慧华，王春林，黄珍珠.广东灰霾天气预警指标及时空分布[J].广东气象，2008(5)：2-3.

[7] 张运英，黄菲，杜鹃，等.广东雾霾天气能见度时空特征分析—年际年代际变化[J].热带地理，2009，29(4)：324-328.

[8] 易仕明.略谈轻雾、霾、浮尘、烟幕[J].气象，1982，8(11)：25-28.

[9] 杨宁.识别视程障碍现象中的几个问题[J].气象，1982，8(11)：28-29.

[10] 杨兆明.福建三都的霾[J].气象，1981，7(4)：35.

[11] 阎海庆，王新斌，吴子玉等.关于几种视程障碍现象的讨论[J].气象，1982，8(10)：18-21.

[12] 吴兑.再论都市霾与雾的区别[J].气象，2006，32 (4)：9-15.

[13] 吴兑.关于雾霾与的区别和灰霾天气预警的讨论[J].气象，2005，31(4)：2-7.

[14] 吴兑.霾与雾的识别和资料分析处理[J].环境化学，2008，27(5)：327-330.

[15] 孙彧，马振峰，牛涛，等.最近40年中国雾日数和霾日数的气候变化特征[J].气候与环境研究，2013，18(3)：397-406.

[16] 李雄.1980年地面气象观测规范变更对能见度资料连续性影响研究[J].气象，2010，36(3)：117-122.

[17] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，1999.

[18] 吴安坤，张淑霞，刘波，等.近50年贵州省雷暴气候特征分析[J].防灾科技学院学报，2013，15(4)：87-91.

[19] 刘学锋，李元华，秦莉.河北省近50年最高气温及高温日数变化特征[J].气象科技，2007，35(1)：31-35.

[20] 王梓坤.概率论基础及其应用[M].北京：北京科技出版社，1976.148-150.

[21] 向辽元，陈星.近55年中国大陆气温突变的区域特征和季节特征[J].气象，2006，32(6)：44-47.

[22] 尹云鹤，吴绍洪.1961—2006年我国气候变化趋势与突变的区域差异[J].自然资源学报，2009，24 (12)：2147-2156.

[23] 史军，崔林丽，周伟东.1959—2005年长江三角洲气候要素变化趋势分析[J].资源科学，2008，30 (12)：1803-1810.

[24] 尹云鹤，吴绍洪.南疆和田地区气候变化特征分析[J].干旱区资源与环境，2010，24(6)：63-71.

[25] 金巍，曲岩，徐景文，等.营口和鞍山城市气候变化对比分析及原因探讨[J].气象与环境学报，2008，24(1)：44-47.

[26] 张智，陈玉华，周红，等.宁夏雾日和霾日的变化趋势分析[J].干旱气象，2013，31(4)：714-719.

[27] 张智，陈玉华，周红，等.华南霾日和雾日的气候特点及变化[J].气象，2011，37(5)：607-614.

Recent 43 Years’Fog and Haze Features in Hunan Province

Yuan Zhisheng1，Chen Tao1，Xiao Lan1，Li Chao2
(1.Hengyang Weather Bureau，Hengyang，Hunan 421001，China；2.Climate Center of Hunan Province，Changsha，Hunan 410007，China)

In this article，we analyzed the data of visibility and relative humidity during 1970—2012 from 76 surface stations in Hunan province to obtain conditions of daily fog and haze in each region of Hunan.And then a linear trend analysis was made to learn about the variation characteristics of fog and haze in the past years，and a MK analysis was made to learn about the mutation of fog and haze.The results showed the change trend of fog and haze(The significance of the reliability test is P＜0.01.)—decrease in foggy days and increase in hazy days in recent43 years in Hunan Province.The foggy days decreased abruptly from 2008 and the catastrophe point passed the MK reliability test.The number of hazy days per year increased stably without mutation.Most stations(75.0%)observed about 1-20 foggy days per year while 59.2%of the stations observed 21-50 hazy days per year，which showed that hazy days ranged more widely than foggy days and the annual average number of hazy days was more than that of foggy days；the foggy days varied greatly in different regions.Fog and haze were heavier in winter than in any other season. A half of the annual hazy days were in winter time.Fog and haze occur the least in summer.And in central Hunan there is a triangular high incidence area of haze.

variation of fog and haze；the temporal and spatial distribution；linear trend；MK mutation

P427.1

：A

：1673-8047(2015)04-0061-07

2015-08-10

湖南省气象局项目(XQKJ15B059)

袁智生(1969—)，男，工程师，主要从事应用气象工作。