四川霾时空分布及气象要素分析

余 芳 , 李慧晶 , 任 超

（四川省人工影响天气办公室/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072）

引言

近年来，全国范围内的雾霾天气频发，严重影响人类活动和健康，环境问题越来越受到广泛的关注和重视。国外学者对霾的研究开展较早。Barrie等[1]通过研究加拿大北部霾的分布特征及年际变化，发现霾呈现增长趋势。Malm[2]研究美国霾的分布特点，发现造成霾分布特点的主要原因是硫酸盐的排放。随着大气探测能力的提升，气象数据时空分辨率显著提高，国内外学者对霾天气的认识也越发深入。Shu等[3]利用WRF-Chem模式研究了四川盆地冬季一次重大雾霾污染事件，探讨PM2.5的三维分布特征，分析了区域污染物排放、高原及周边环流特征以及向邻近区域逆风输送的影响。卢一凡等[4]分析了青岛市雾、霾天气区域分布及其年际、季节和日变化特征与影响因素。王丽娟等[5]揭示了在冷锋南下过程中，上游污染物对下游地区的影响和南北方站点反映出的不同污染物变化和清除特征。于杰等[6]、毛曳等[7]、郭晓宁等[8]研究了单次霾污染过程的成因，发现重污染期间近地面风速偏小、相对湿度增加、变压较小，同时低空风出现明显的风向转变，弱下沉运动与逆温以及较低的边界层共同削弱了大气的水平和垂直扩散能力，有利于污染物累积，导致霾污染，静稳天气相对湿度较高，混合层高度较低，不利于污染物的水平和垂直扩散。蒋璐君等[9]分析了近50 a江西霾天气时空分布特征，发现霾日数与平均风速和大风日数均呈负相关，而与静风日数呈正相关，平均风速和大风日数呈下降趋势，静风日数呈上升趋势，这可能导致空气中污染物不易扩散而形成更多的霾天气。于丽娟等[10]分析了济南市的雾霾特征及其影响因素，发现雾日数呈下降趋势且与相对湿度年际变化紧密相关，霾日数从2011年开始显著增加，其年际变化与850～700 hPa大气层逆温频率显著相关。白莹莹等[11]研究了川渝地区雾霾时空分布， 发现整个川渝地区霾与风速的变化趋势相反，与相对湿度呈负相关。对于四川地区，多项研究[12−14]指出四川盆地雾霾天气常发生在冬季，其中成都地区霾污染严重且日变化显著。本文利用2016～2019年四川地区156个站点的逐时能见度、相对湿度和温度资料，结合气象要素分析，研究四川霾的时空变化特征，以期为霾污染的治理提供科学依据和决策参考。

1 资料与方法

根据观测记录的完整性，本文选取了2016～2019年四川地区156个气象观测站的逐时能见度、相对湿度和温度资料。在大气观测中，霾天气的判据[15]是水平能见度<10 km且相对湿度<80%，将连续时间内发生的满足上述条件的低能见度现象记为一次霾天气过程。根据上述判据，四川156个气象观测站均有霾发生。需要特别指出的是，文中统计的霾时次数是指霾发生的次数，同一天内有几个霾连续时次即记为几次霾天气过程，这与霾日数的统计方式不同，同一天内即使有多个霾连续时次仍计为一日。

2 霾的时空分布特征

2.1 空间分布特征

本文把每发生1小时霾天气定义为1个霾时次数，统计表明2016～2019年四川地区156个站点发生霾天气共计430734时次。如图1所示，四川地区霾时次数的空间分布极不均匀，偏少的站点不足100次，最多的站点超过10000次。川西高原和攀西地区霾天气偏少，仅石渠县、色达县、宝兴县、甘洛县、茂县、雷波、汶川等7个站点的霾时次数超过1000次，其中雷波、汶川、茂县的霾时次数超过2000次；其余46个站点霾时次数均不足1000次，尤其是九龙县、小金县、松潘县、康定县、丹巴县、攀枝花、马尔康县、稻城县、盐源县、壤塘县、雅江县共11站的霾时次数不足100次，是四川省空气最为清洁的地区。与高原相比，四川盆地的霾时次数明显增多，大部地区超过了2000次，表现出西部偏多而南部和东北部偏少的区域差异，有36个站点的霾时次数介于1000～3000次，38个站点介于3000～5000次，24个站点介于5000～8000次，其中乐山和峨眉山市的霾时次数超过8000次，尤其是乐山达到了10837次，是四川省霾时次数最多的站点。虽然盆地大部霾时次数明显偏多，但也有一些地区相对偏少，尤其是蓬溪县、汉源县、石棉县的霾时次数不超过1000次，是盆地空气最清洁的地区。

图1 四川地区霾时次数空间分布（单位：次）

2.2 时间分布特征

图2给出了四川地区霾时次数月变化特征。如图所示，四川地区一年当中每个月都有霾天气发生，冬季霾时次数最多，全年占比为52.6%，春季次之（27.3%），夏季最少（13.4%）。1月霾时次数最多，全年占比为21.5%，2月、3月和12月次之，分别占17.9%、14.1%和13.2%，其余月份霾时次数明显偏少，占比均不足8%，其中6月、7月和8月霾时次数最少，占比均低于3%。可见，四川地区冬季霾天气高发，夏季霾天气少发。究其原因，主要是四川地区冬季气团稳定且较干燥，有利于霾的形成，而夏季对流活跃、降水频繁且雨强较大，雨水对空气中的污染物起冲刷作用，不利于霾的形成。

图2 四川地区霾时次数月变化特征

图3给出了四川地区霾时次数日变化特征。如图所示，四川地区霾的日变化较大，一天当中任何时刻均有可能发生霾天气，白天的霾时次数远大于夜间。霾的高发时段为11～21时，这期间每个时刻的霾时次数占比均超过5.5%；霾的少发时段为03～08时，这期间每个时刻的霾时次数占比均低于2%。日出后（09时），霾时次数迅速增加，在12时达到峰值（6.8%），此后直到21时均维持在较高水平（这期间每个时刻的霾时次数占比均超过5.5%，其中18～20时均超过6%），21时之后霾时次数逐渐减少，直到次日07时达到最低值。四川地区霾天气的上述日变化特征与机动车辆的活动密切相关，08时以后进入上班早高峰，机动车辆迅速增加，尾气排放的污染物逐渐聚集，停留在大气中，导致霾时次数逐渐增加，到11时污染物和细小颗粒物聚集达到峰值，霾时次数也随之达到最大并维持，直到入夜后污染物排放逐渐减少，而白天聚集的污染物慢慢消散，霾时次数也随之减少。

图3 四川地区霾时次数日变化特征

3 霾天气过程的持续时间及生消特点

3.1 霾的持续时间

本文把1次持续的霾天气称为1次霾天气过程，1次霾天气过程可能包含多个霾时次数。据统计，2016～2019年四川地区156个站共发生124600次霾天气过程，其中有51333次霾天气过程（占总数的41%）只持续了1 h，有59%的霾天气过程持续时间超过2 h，90%的霾天气过程在8 h内消散（图4）。虽然持续时间长的霾天气过程占比不高，但是时次数较多，9232次过程持续时间超过了10 h，1085次过程持续时间超过了20 h（图中只显示了持续时间在20 h之内的情况），20次持续时间超过了3 d。其中，有两次霾天气过程持续时间超过了100 h，一是2016年2月7日17时～2月12日18时发生在仁寿县的霾天气过程共持续122 h，二是2016年2月7日11时～2月12日23时发生在江安县的霾天气过程共持续131 h（过程间断1 h）。

图4 霾持续时间占比

3.2 霾的生消时间

在分析霾生消时间时，将只持续1 h的霾天气过程定义为短时霾天气进行单独讨论。如图5所示，2016～2019年四川地区共51333次短时霾天气，占比为41.2%；两个高发时段（超过3000次）分别为09～11时和19～21时，其中20时和21时均超过4000次，20时是一天中短时霾天气最为频发的时段（5425次，占比为4.4%）。短时霾天气的少发时段为02～07时，各时刻发生次数均不足900次，占比均不足1%。

图5 霾生消时间占比

如图5所示，四川地区成霾次数有非常明显的日变化特征，一天当中最低成霾次数介于530～9375次；成霾高发时段（超过7000次，占比高于5.7%）分别为10～12时和21时，其中11时成霾次数达9375次，是一天中霾最频发的时段；成霾低发时段（低于1000次）为01～07时和23时，这期间每个时刻的占比均低于0.7%。

如图5所示，四川地区消霾时间有显著的日变化特征；20时和23时消霾次数最多，分别为9648次（7.7%）和8635次（6.9%）；06～09时消霾次数最少，这期间每个时刻的消霾次数不超过1000次；08～12时成霾次数明显大于消霾次数，14～20时消霾次数大于成霾次数。

4 霾发生时的大气参数值

如图6所示，四川地区霾发生时平均气温为14.3℃，最低气温为−24.5℃，最高气温为39.8℃；气温<0℃时，发生6811次霾天气，占比为1.6%；气温>31℃时，发生5955次霾天气，占比为1.4%；霾发生最多的气温区间为7～14℃，共发生180693次霾天气，占比为42%；气温介于0～11℃时，霾次数随着气温的升高而迅速增加，10～11℃时达到最大，发生霾29676次，占比为6.9%；气温>11℃时，霾天气过程随着气温的升高而逐渐减少。

图6 霾发生次数随气温的变化情况

根据不同能见度，将霾分为4个等级：轻微霾，即5 km≤能见度<10 km；轻度霾，即3 km≤能见度<5 km；中度霾，即2 km≤能见度<3 km；重度霾，即能见度<2 km。如图7所示，2016～2019年四川地区发生轻微霾316066时次（占比为73.4%），轻度霾89775时次（占比为20.8%），中度霾19852时次（占比为4.6%），重度霾5041时次（占比为1.2%），说明轻微霾发生次数最多，轻度霾次之，中度霾再次，重度霾最少。

图7 不同能见度对应的霾发生次数占比

分析霾发生时相对湿度的变化（图略）可知，霾发生时的相对湿度介于2%～79%，平均相对湿度为67%；相对湿度介于34%～79%时，霾发生次数随相对湿度的增大而增加，说明增大空气湿度有利于霾的发生；相对湿度介于2%～33%时，霾发生次数最少，共4492次，仅占1%。

5 结论

本文利用2016～2019年四川地区156个站点的逐时能见度、相对湿度和温度资料，研究了霾的时空变化特征，得出以下主要结论：

（1）四川盆地的霾时次数偏多，川西高原和攀西地区偏少。其中，四川盆地表现出西部偏多而南部和东北部偏少的区域差异。

（2）四川地区一年中每个月均有可能发生霾天气，冬季最多，春秋季次之，夏季最少。秋末到春初是霾天气最为频发的阶段，尤其是1月最多。

（3）四川地区霾在白天的发生次数远大于夜间。09时以后，霾次数迅速增加，11～21时霾最多，03～08时最少。

（4）四川地区霾在10～12时成霾最多，在23时和01～07时成霾最少；20时和23时消霾最多，06～09时消霾最少。90%的霾天气过程在8 h内消散。

（5）四川地区霾发生时平均气温为14.3℃，霾发生最多的气温区间为7～14℃。能见度介于0～4 km时，霾发生次数随能见度上升而增加。霾发生时的相对湿度介于2%～79%，相对湿度介于34%～79%时，霾发生次数随相对湿度的增大而增加，而在相对湿度介于2%～33%时霾发生次数最少。