利用观测及UV日均法统计的广州霾日变化特征

 吴晓绚，  刘蔚琴，  潘蔚娟-

 （1.广州市气候与农业气象中心，广东广州511430；2.广东省气候中心，广东广州510080）

 摘要：利川广州5个地面观测站1961-201.3年的天气现象观测资料，及1980-2013年相对湿度、能见度，采用观测法及UV日均法，分析了2种霾日数统计方法下，广州年霾日时空特征和变化。结果表明：观测霾日及UV口均法计算霾日得到的灰霾影响区较一致，广州巾心城区为多灰霾区；年平均观测霾日及年平均计算霾日分别以18.8和10.0 d/10 a的速率显著增加，变化趋势一致，但观测霾日的上升速率要明显大丁计算霾日；观测霾日与计算霾日的年序列均在20世纪80年代中期左右发生增加的突变。5个站的年观测霾日的长期趋势变化均为一致的显著增加，但计算霾日长期趋势变化有明显的空间差异，花都、增城显著增加，而广州为减少趋势。各单站计算霾日也均大于观测霾日

 关键词：观测霾口；计算霾日；Mann-Kendall检验；广州；变化特征

 根据气象观测规范的定义，霾是一种大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度<10 km，造成空气普遍浑浊的天气现象。大量研究表明，霾中的物质成分除了细尘以外，还包括硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐、碳氢化合物、黑碳等粒子，因此其发生的频数与人类活动所造成的气溶胶污染密切相关。正是由于大量极细微的污染性气溶胶的存在，霾天气对人类的身体健康具有极大的危害性。广州是珠江三角洲的核心城市之一，在经济高速发展中多种大气污染物的高强度集中排放，使得光化学烟雾、灰霾频繁出现，大气环境问题日益突出，大气污染呈现出区域性、复合型、压缩型特征。空气质量恶化带来的负面影响，已引起了政府及社会各界的极大关注。

 现阶段，大部分的研究主要是针对观测霾日的研究，即基于天气现象巾人工观测的霾记录来统计霾日数。但在实际的观测中，观测员对于能见度小于10 km，相对湿度小于900A时造成视程障碍的天气现象是霾还是轻雾并没有统一的判别标准，因此以天气现象形式记录到的霾现象对气候及其背景分析可能存在误导。而采用UV日均法统计的霾日，是基于日平均的能见度、相对湿度，并排除其它能导致低能见度事件的情况进行判断，数据记录更客观。为更好地了解这2种方法在广州霾日统计上的差异，本文利用广州5个地面观测站1961-2013年霾日观测资料和1980-2013年计算霾日资料，对广州观测霾日和计算霾日的时空分布特征及其演变趋势等进行研究，以期得到更多认识，为霾的预测、防治和影响评估提供依据。

1资料与方法

1.1资料

 (1)广州市5个地面气象观测站的霾实际观测资料，资料年代为1961-2013年，观测记录中出现霾现象，即记为一个霾日（以下称观测霾日）。序列完整无缺测，且53年来广州市5个观测站均出现过霾天气，文中广州市平均是指5个站点年霾日的平均，气候平均是1981-2010年的30年平均值。

 (2)根据广州市5个地面观测站的相对湿度及能见度计算统计得到的以U(相对湿度)、V（能见度）日均值法统计霾日（以下称计算霾日）资料，因1980年以前无详细的能见度资料，所以时间为1980-2013年，标准：按每日3或4次的U、V观测值做相应的日平均，按日均U≤90%、且日均V<10 km的标准视就计算为一个霾日，计算霾日仅考虑U(相对湿度)和V（能见度），相对于观测霾日，不受人为观测因素影响。

1.2方法

 利用气候趋势系数判断气象要素的长期趋势变化，并进行统计检验。采用Mann-Kendall( M-K)方法对广州平均年霾日的时间系列进行突变分析。

趋势系数能定量给出某种气候要素时间序列的升降程度，它定义为n年要素序列与自然数列的相关系数：

2广州观测霾日、计算霾日的气候特征和变化

2.1  多年平均的空间分布特征

图1(a)为广州5个地面观测站1961-2013年年平均观测霾日的空间分布图，可以看到，广州不同区域观测霾日存在明显差异，呈中心城区向郊区逐渐减小的分布趋势。根据各站53年年平均观测霾日的多少，可将广州划分为3个影响区。(1)多灰霾区：广州市区中心城区，年观测霾日45.4 d;(2)次多灰霾区：包括花都、番禺、增城等郊区区域，年观测霾日20.0—40d之间；(3)少灰霾区：主要为北部山区从化，年观测霾日11.6 d。这与广州各区经济快速发展密切相关。

 图1(b)为广州5个地面观测站1981-2010年（气候平均）的年平均观测霾日空间分布图，其分布规律与图1(a)的非常相似，也是呈中心城区向郊区减小分布趋势。(1)多灰霾区：广州中心城区，年观测霾日70.1 d；(2)次多灰霾区：包括花都、番禺、增城等郊区区域，年观测霾日30.0—50 d之间；(3)少灰霾区：主要为北部山区从化，年观测霾日16.6 d。5站年平均霾日数与1961-2013年的统计数有明显增加。

 图1(c)是广州5个地面观测站1981-2010年的年平均计算霾日空间分布图。可见，得到的计算霾日分布与图1(b)的观测霾日的分布区较相似，但影响区有变化，存在3个影响区：(1)多灰霾区：广州市区中心城区，年计算霾日110.4 d；(2)次多灰霾区：花都区，年计算霾日93.6 d；(3)少灰霾区：包括番禺、增城、从化，年计算霾日50—65 d之间。

 从多年的平均霾日空间分布来看，利用观测霾日资料及计算霾曰资料，均能较好地表现出广州市霾日的总体分布特征，但各站点的年平均观测霾日与计算霾日在30年气候均值上有不同程度的差异，在20—70 d不等。

2.2  广州全市平均的观测霾日和计算霾日时间变化特征

2.2.1  观测霾日的长期变化

图2(a)是1961-2013年广州5个地面观测站点平均的观测霾日的逐年变化，可以反映广州观测霾日的总体变化。可见，近53年来广州的年平均观测霾日为26.8 d，气候平均（1981-2010年）为41 d，其中2007年最多(119.8 d)，2008年第2多(114.8 d)，2010年第3多(114.6 d)，最多前10位都是出现在2004年以来；1975年最少(0 d)，广州5站均未观测到霾天气，最少的前10位均出现在1975年以前。广州年观测霾日以18.8 d/( 10 a)的速率显著增加，通过水平为0.001的显著性检验，增加趋势非常明显。从观测霾日变化曲线可见，1961-1980年，全市平均观测霾日为0—6 d：1981-1992年，除1986年有28.4 d外，其余年为10～20 d；1992-2003年，主要为21—40 d：2004-2013年，广州平均观测霾日增加最为明显，为60～119 d，2007-2010年观测霾日为一明显峰值区，这4年广州平均观测霾日达到114.6 d，其中在2007年达到最高(119.8 d)，2011年以来有下降的趋势，2011-2013年全省平均观测霾日在82—84 d之间。

 通过统计广州平均观测霾日的年代际变化可以看到(图2(b))，20世纪60-70年代，广州的平均观测霾日处于缓慢上升时期，从1960年代的1.0 d缓慢上升到1970年代的2.9 d，1980年代后明显增加，为15.9 d，1990年代上升到31.7 d，2001-2013年快速上升，达到77.0 d，霾日是1960年代的77倍。

2.2.2计算霾日的长期变化

图3(a)为1980-2013年广州5个地面观测站平均后的计算霾日的逐年变化。可见，广州近34年的年平均计算霾日为72.1 d，最多出现在2006年，为103.6d，1997年第2多(103.4 d)，2004年第3多(101.4 d)，除了1997年的103.4 d，最多前5位中的另外4年均出现在2004-2007年；1980年最少(30.8 d)，最少的前3位出现在1980-1982年。气候平均(1981-2010年)为74.6 d，比观测平均的41d多33.6 d。

 近34年来，广州的平均年计算霾日以10.0 cUlo a的速率明显增加，并通过水平为0.01的显著性检验，增加趋势明显，这与前面分析的广州年观测霾日以18.8 d/10 a的速率显著增加基本一致。1980-2013年的广州的年平均年观测霾日与计算霾日这两序列的相关系数为0.557 8，通过水平为0.001的显著性检验，说明两序列显著相关。从线性趋势直线看到，广州的年平均计算霾日在1990年代中期由之前的负距平为主转为正距平为主。从计算霾日多项式曲线可见，1980-2006年，平均年计算霾日表现为波动上升，2008年之后出现下降的趋势，2013年广州平均计算霾日为50.2 d，为2003年以来最少。

 从1980-2013年广州平均计算霾日的年代际变化(图3(b))可见，1980年代，广州平均观测霾日为56.5 d，1990年代后明显增加，为80.0 d，2001-2013年基本保持，为79.2 d。

 从分析广州平均年观测霾日和计算霾日的时间变化，可以看到，两者的长期变化趋势是一致的，均表现为显著的上升趋势，这与改革开放以来广州经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快，造成大气气溶胶污染日趋严重这样的环境因素是相对应的。但观测霾日的上升速率要明显大于计算霾日，分析一方面与序列的时间尺度有关，观测霾日时间尺度达到50年以上，涵盖了改革开放前灰霾天气较少时段的数据；另一方面，也可能与观测员的灰霾观测经验有关，1990年代前，灰霾天气出现频率较少，且没有明确的辨识特征，观测员对霾天气出现的易把握不准，造成偏差，导致霾日数观测偏少。

2.2.3观测霾日和计算霾日的突变分析

 在分析了广州平均年观测霾日和计算霾日的时间变化后，有必要对这种变化是否发生突变进行分析比较。

对1961-2013年广州5个地面观测站点平均年观测霾日和1980 -2013年计算霾日的时间系列进行Mann-Kendall突变检验，其结果如图4所示。由图4(a)可见，1963年以后，观测霾日有增加的趋势，1979年后，增加趋势均超过0.05显著性水平临界线（临界值‰。=±1.96），在1986年左右发生突变，并且增加趋势大大超过0.001显著性水平检验（临界值‰。1=±2.56)，增加趋势非常明显。由图4(b)可见，广州平均年计算霾日在1983年左右发生增加突变，且在1983年后，增加趋势超过0.05的显著性水平临界线。说明广州平均年观测霾日和计算霾日在20世纪80年代中期前后发生增加的突变，2种统计方法得到的结论较一致。

3广州站点年观测霾日和计算霾日的空间变化

对广州5个地面观测站的1961-2013年的年观测霾日、1980-2013年计算霾日的时间序列逐站地计算趋势系数，得到其长期趋势变化的空间分布，见图5。

 图5(a)是广州5个站点年观测霾日的趋势系数分布图。所有站点均为增加的趋势，5个站点的趋势系数均大于0.65，通过水平为0.001的显著性检验，观测霾日增加趋势非常明显，增加最明显的为花都、增城，趋势系数达到0.8以上，广州城区也达到0.78。这与广州地区日益严重的气溶胶污染密切相关。

 图5(b)是1980-2013年广州5个地面观测站点年计算霾日的趋势系数分布图。5个站中除广州站外，另4个站点的计算霾日趋势系数是正趋势，其中花都、增城计算霾日趋势系数在0.50以上，通过水平为0.001的显著性检验，计算霾日增加趋势非常明显。番禺的趋势系数大于0.36，通过水平为0.01的显著性检验，而从化的增加趋势则未通过显著性检验。广州站为负趋势，但没有通过水平为0.05的显著性检验，减少趋势不明显。

 以上分析说明，运用观测霾日数据，各站点的增加趋势非常明显，而运用计算霾日数据，则会出现部分站点增加趋势不显著，甚至有下降趋势。表明UV统计法，或能部分地体现近年来广州市的环境整治效果。

4广州单站点间观测霾与计算霾的比较

利用广州5个地面观测站点的观测霾与计算霾的气候均值（1981-2010年）进行逐一对比，如图6所示。5个单站的计算霾日均大于观测霾日，计算霾日与观测霾日的比值在1.5—3.3之间，其中从化站比值最大，广州站比值最小，另外3个站从大到小依次为花都、番禺、增城。

5结论

 (1)根据1961-2013年广州5个地面观测站年平均观测霾日的多少，可将广州划分为3个影响区：多灰霾区为广州市区，次多灰霾区为花都、番禺、增城等郊区区域，少灰霾区为北部山区从化。

 (2)根据1981-2010年广州5个地面观测站年平均计算霾日的多少，得到的计算霾日分布与观测霾日较一致，但影响区划分有差异，3个影响区：多灰霾区为广州市区，次多灰霾区为花都区，少灰霾区为番禺、增城、从化。

 (3)近53年来（1961-2013年）广州的年平均观测霾日为268 d，气候平均（1981-2010年）为41d，其中2007年最多(119.8 d)，最多前10位均出现在2004年以来。广州年观测霾日以18.8 d/( 10 a)的速率显著增加。

 (4)广州近34年（1980-2013年）的年平均计算霾日为72.1 d，2006年霾日数最多(103.6 d)，除了1997年外，最多前5位中的另外4年均出现在2004-2007年。平均年计算霾日以10.0 d/( 10 a)的速率明显增加，与观测霾日增加趋势一致，但观测霾日的上升速率要明显大于计算霾日。1980-2013年的广州年平均年观测霾日与计算霾日这两序列的相关系数为0.557 8，两序列显著相关。

 (5)广州年平均观测霾日在1979年后明显增加，特别是在1986年后上升明显，计算霾日在1983年后明显增加，两者均在20世纪80年代中期左右发生增加的突变。

 ( 6)1961-2013年广州5个地面观测站的年观测霾日的长期趋势变化均为一致的显著增加，增加最明显的为花都、增城，趋势系数达到0.8以上。

 ( 7)1980-2013年广州5个地面观测站的年计算霾日长期趋势变化有明显的空间差异，花都、增城显著增加，而广州为减少趋势，但不明显。

 (8)对广州5个地面观测站各单站进行分析表明，1981-2010年广州5个单站的计算霾日均大于观测霾日。