郑敬刚1， 吴燕锋2
摘 要：基于乌鲁木齐市1973-2012年逐口气温、降水、风速、能见度等资料，分析了霾日数的时间变化特征及其与气象因子的关系。结果表明：乌鲁木齐霾主要发生在冬半年，其中10月霾日数最多；夏半年发生较少。年霾口数、年霾最大持续日数、轻度霾日数、中度霾和重度霾日数总体都呈减少趋势，且都在1981-1990年发生最多，在1991-2000年发生最少。年霾日数存在18-20 a的周期，并在1990年发生减少突变。霾日数与气象因子有密切的相关性，平均水汽压、年平均相对湿度和年降水量与霾日数呈正相关，风速和平均气温与霾日数呈负相关，日照时数与霾日数相关性不显著。
关键词：乌鲁木齐；霾日数；变化；气象因子
中图分类号：X830.2 文献标志码：A doi：l0.3969/j .issn．1003-6504.2015.11.030 文章编号：1003-6504(2015)11-0165-05
由于人口剧增、工业及交通发展等带来了城市污染气体的增加，致使城市环境每况愈下。霾作为当前城市常见的一种大气污染形式，是指大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10km的空气普遍混浊现象。由于霾不仅能导致空气质量下降进而诱发呼吸道疾病及心血管等疾病，还能影响地气系统的辐射收支并改变区域气候效应，因此，霾对城市环境、区域气候和人类健康有极大的影响。我国学者基于观测记录和气象数据开展了对霾日数时空演变特征的研究，表明我国霾日数在不同地区变化趋势有较大差异，华南、长江中下游、华北等地霾日数呈增加趋势，其中主要霾日数冬半年居多，且冬季最多；东北、西北东部、西南东部霾日数呈减少趋势。另外，也有学者对气象因子与霾的形成、持续时间、发生日数的关系开展了一些研究。
乌鲁木齐市是新疆自治区首府，东部、西部、南部三面环山且位于乌鲁木齐河河谷，特殊的山谷地形造成冬季的逆温层，大气处于超稳定状态，很难形成空气的垂直运动。加上冬季受蒙古冷高压控制，天气现象稳定，城市气流不易水平流动，使污染物的扩散与稀释难以进行，空气污染严重，成为中国污染较为严重和霾较易发的城市之一。前人对乌鲁木齐的空气质量、污染物浓度、成因及其与疾病发生的关系等开展了研究，而对于霾的研究较少。因此，本文基于乌鲁木齐市气象资料，分析霾日数时间变化特征及其气候要素，从而有助于进一步研究乌鲁木齐大气污染状况，为当地政府减灾防灾提供理论参考。
1 数据来源与研究方法
本文所用的1973-2012年乌鲁木齐逐日气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网( http://cdc.cma.gov.cn)。主要包括天气现象、能见度、相对湿度和气温数据。数据通过了限值检查、极值检查、内部一致性检查和时间一致性检查等。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。前人研究表明：当满足任意一次能见度<10 km，且相对湿度<90%，并排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和烟幕等其他导致低能见度事件的情况为一个霾日。根据不同的能见度( visibility，VIS)等级将霾分为4个等级，5 km≤VIS<lO km轻微霾，3km≤VIS<5 km轻度霾，2 km≤VIS<3 km中度霾，VIS<2 km重度霾。基于逐日气象数据，对逐月（1-12月）、逐年和年代(1973-1980年为l970s，1981-1990年为l980s，1991 -2000年为l990s，2001-2012年为2000s）的不同等级霾日数、霾总日数、霾最大持续日数进行统计分析。
运用小波分析法探究霾日数的周期特征，并运用Mann-Kendall非参数检验探究其突变特征，最后基于交叉小波分析霾日数与气象因子的相关性。
2 结果
2.1 霾日数年际和年内变化特征
图l(a)为1973-2012年乌鲁木齐霾日数年际变化曲线。可以看出，研究时段内乌鲁木齐平均年霾日数为69.58 d，其中最多霾日数达133 d，发生在1984年；最少霾日数为20 d，发生在1996年。过去40 a，乌鲁木齐霾日数总体呈减少趋势，减少速率为8.2 d/10 a，这表明乌鲁木齐质量有所改善。年代变化可以看出，1980s是霾日数多发期，年代平均霾日数为104.2 d，远远高于多年霾日数的均值；1990s是霾日数少发期，年代霾日数均值为49.4 d；1970s和2000-2012年均值大致相当，分别为63.25 d和61.75d。因此，乌鲁木齐霾日数经历了先增减后减少的变化过程。图1(b)是1973-2012年乌鲁木齐市各月霾累计发生日数图。从图3可见，乌鲁木齐市霾各月日数差异很大，全年基本呈单谷型分布。全年霾日数最低值出现在初夏，即6月最少(4 d)，随后霾日数在7月和8月缓慢增加，在9月份迅速上升，进入10月份达到最大值(641 d)，随后在10月和11月维持较高的日数（分别为630 d和620 d）；在次年1月减少至337 d，随后逐渐减少。可以看出，乌鲁木齐市秋冬季节是霾多发期，而在春夏季节霾发生较少。
2.2 年霾最大持续日数变化特征
图2给出了1973-2012年最大霾持续日数变化曲线。可以看出，最大霾持续日数变化过程与霾日数年际变化曲线相似。过去40 a，乌鲁木齐市最大霾持续日数以3.22 d/( 10 a)的速率减少；霾持续日数最多的发生在1973年，为47 d；在1995年、1996年和1998年霾持续日数最少，都为3d。年代变化上，最大霾持续日数在l980s持续时间较长，达到了21.1 d；其次是在l970s，为15.38 d，l990s和2000s持续时间相对较短，分别为7.3 d和10.8 d。
2.3 不同等级霾日数变化特征
为进一步探究乌鲁木齐霾变化特征，分别对轻度霾、中度霾和重度霾日数的年际和年代变化进行了统计分析，结果如图3。可以看出，轻度霾(图3(a))、中度霾(图3(b))和重度霾(图3(c))日数都呈明显的减少趋势，其中，轻度霾日数较少趋势最为明显(-2.39/(10 a))，重度霾日数次之(-0.28/(10 a》，中度霾略呈较少趋势(-0.19/(10 a》。3种等级霾日数中，轻度霾(图3(a))发生日数最多，过去40 a均值为9.5 d；其次为中度霾日数，40 a均值为1.93 d；重度霾日数最少，40 a均值仅为1.65 d。年际变化上，轻度霾、中度霾和重度霾日数大致都呈现先增多一后减少一再增多的变化过程，且都在1984年前后达到最大值。年代变化上，3种等级霾日数年代变化具有一致性，年代均值大小为：1980s>1970s>2000s>1990s。综合分析可以看出，乌鲁木齐在l980s污染最为严重，尤其是在1984年前后最为严重。
2.4 年霾日数的突变特征和周期特征
为探究年霾日数的周期变换特征，采用Morlet小波变换进行了分析研究，做出了相应的时频分布图，如图4(a)。浅色表示相对高值区，即霾日数偏多，黑色则反之。可以看出，过去40 a乌鲁木齐霾日数存在着大周期嵌套小周期的复杂过程。大尺度周期上看，存在18-20 a的周期变换，小尺度上，在1973-1995年存在7-9 a左右的周期变换。其中18-20 a的周期可以看出霾日数经历了偏少一偏多一再偏少一再偏多的变化过程，且在1984年前后达到最高值。Mann-Kendall突变分析则可以看出(图4(b))，霾日数在1990年开始发生减少突变，且在1995年达到显著水平（超越0.05显著水平线）；经计算，其Z值为-2.19，表明了霾日数总体呈现的减少趋势，这与前文趋势分析法的结果是一致的。
2.5 霾日数与气象因子的关系
霾的形成、持续以及消散与气象因子有很大的关系，因此本文采用交叉小波探究年霾日数和6种气象因子的相关性。交叉小波谱是通过对不同因子的小波系数求积而得，它能够揭示2个时间序列在不同时间尺度下的相互关系，系数越大，相关性越好。图5反映了乌鲁木齐年霾日数和主要气象因子之间的多尺度相关关系（箭头向右表示正相关，箭头向左表示负相关，黑色细线为小波影响锥，图中颜色自蓝色到红色表示相关系数由小逐渐变大）。图5中黑色粗线包围的区域表示相关性达到95%置信水平的噪声检验。
图5可以看出，年霾日数与6种气象因子相关性在不同时间尺度总体上差异较大。平均水汽压与年霾日数的相关性有明显的时段性(图5(a))，在2.5-4.6 a周期内，在1990年以前以正相关为主，且达到显著水平；1995-2000年则以负相关为主，但未达到显著水平；而在大于5a周期变换尺度上，两者以正相关为主，但未达到显著水平。年平均相对湿度与年霾日数的相关性有明显的时段性(图5(b))；在1-4.9 a周期内，1973-1990年呈正相关且达到显著水平；而在1993-2003年以负相关为主；在大周期变化尺度上，两者以正相关为主，且在1995-2013年的9-12 a周期达到显著水平。年霾日数与年平均风速(图5(c))总体上呈现1993年前以负相关为主，之后以正相关为主，但仅仅在1-2.5 a周期内达到显著水平。年平均气温与年霾日数的相关性在不同周期尺度和不同年份有较大的变化(图5(d))，其中在2.8-5.5 a周期的1973 -1992年呈显著负相关，在6.5-9.2 a周期的1973-1994a呈显著正相关，在1995年以后，随着周期尺度的增加呈现由正相关逐渐向负相关转变。降水量的变化与霾日数大致以5a周期为尺度分界线(图5(e))；在5 a周期内，1990年之前正相关为主，之后则以负相关为主，且都达到了显著水平；而在大于5a周期内，1990年之前，两者的相关性随着周期尺度的拉大，由负相关逐渐向正相关转变；1990年之后则以负相关为主。年日照时数的变化与霾日数总体以负相关为主(图5(f))，且负相关在1~3.1 a周期的1971-1978年、1-2.2 a周期的2008-2012年、4.4-7.1 a周期的1995-2012年达到显著水平；而在8.3-10.8 a周期的1973-1984年成正相关，但未达到显著水平。
前文趋势分析和Mann-Kendall分析研究表明，乌鲁木齐霾日数整体变化经历了先增加后减少的变化过程，且大致以l980s末和l990s初为分界线，结合交叉小波综合分析可以看出，平均水汽压、年相对湿度、年平均风速、年平均气温和年降水量与霾日数的关系也有明显的时段性，表明平均水汽压、年相对湿度、年平均风速、年平均气温和年降水量与霾的形成密切相关，而日照时数相关性不大。综合分析表明，平均水汽压、年平均相对湿度和年降水量与霾日数呈正相关，风速和平均气温与霾日数呈负相关。降水的冲刷作用一方面会增加大气污染物的沉降，在短时间内消除霾；但地面灰尘、汽车尾气、工业排放和冬季取暖等源源不断的向大气释放污染物，降水的增加会引起空气相对湿度的增加，促进霾的形成。风速增加会引起空气污染物的扩散，增加空气的自净能力。
3 结论与讨论
本文基于气象资料数据，探究了过去40 a乌鲁木齐霾日数的年际、年内变化特征，并对其成因进行了分析，主要结论如下。
(1)乌鲁木齐霾主要发生在冬半年，夏半年发生较少，其中10月霾日数最多。
(2)年霾日数、年霾最大持续日数、轻度霾日数、中度霾和重度霾日数都呈减少趋势；其中年霾日数和年霾最大持续日数分别以8.2d/( 10 a)和3.22 d/( 10 a)的速率减少；轻度霾日数减少趋势最为明显，霾日数次之，中度霾略呈减少趋势。
(3)年霾日数存在18-20 a的周期，并在1990年发生减少突变。
(4)霾日数与气象因子有密切的相关性，平均水汽压、年平均相对湿度和年降水量与霾日数呈正相关，风速和平均气温与霾日数呈负相关，日照时数与霾日数相关性不显著。
乌鲁木齐霾冬季多发，年霾日数呈减少趋势，尤其是冬半年霾日数呈明显的减少趋势，这与宋连春等的研究结果是一致的。乌鲁木齐霾日数的减少趋势表明该市空气质量趋于改善，但是霾现象仍然较为严重，尤其是在冬半年，霾日数多、持续时间长且重度霾居多；因此，相关部门仍应继续采取应对措施，从各方面协调运作，从而最大程度的促进乌鲁木齐空气质量的改善。
霾的形成不仅与气象因子密切相关，还与地形地貌和人为因素有关。乌鲁木齐位于天山纬向构造中段北缘山谷地带，三面环山，特殊的山谷地形造成逆温层的长期存在，造成冬季近地层空气温度低、风速小、空气稳定性强，空气流通不畅，使污染物的扩散与稀释难以进行，霾天气出现频繁；乌鲁木齐冬季漫长而寒冷，城市供暖系统主要分布在市区，能源消
耗量大，而能源清洁性并不高；城市布局不够合理，中心区域面积过于集中、人口密度过大、交通拥挤，进一步加剧了污染的严重性。本文仅仅基于气象因子对霾日数及其成因进行了初步分析．结合大尺度环流、地形因素以及城市的热岛效应对霾日数成因及其机理还有待进一步研究。
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