時一文，溫 娜，*，姚俊英

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210044；2.黑龍江省氣象服務(wù)中心，哈爾濱 150036)

1961—2012年東北地區(qū)霾的時空變化特征分析

時一文1，溫 娜1，*，姚俊英2

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210044；2.黑龍江省氣象服務(wù)中心，哈爾濱 150036)

利用1961—2012年東北地區(qū)霾日數(shù)統(tǒng)計資料，對東北地區(qū)霾的時空分布特征進行了詳細分析，并利用EOF分解對霾日數(shù)進行了分型討論。結(jié)果表明：東北地區(qū)1961—2012年霾日數(shù)雖然整體上呈下降趨勢，但存在明顯的年代際變化特征，霾日數(shù)在20世紀(jì)60—70年代較多，80年代之后下降；霾日數(shù)的月、季分布總體是春季霾日數(shù)最多，冬季次之，隨后是夏季，秋季最少；EOF分析的第一模態(tài)主要表達了東北地區(qū)霾日數(shù)為80年代之前顯著上升，80年代開始突然下降；1961—2012年大部分區(qū)域霾日數(shù)沒有增加，且其中有約50%的區(qū)域呈現(xiàn)減少的趨勢；霾日數(shù)的變化和分布與工農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r密切相關(guān)，呈現(xiàn)的減少趨勢是由于獨特的歷史造成的。

東北地區(qū)；霾；時空特征；EOF分解

0 引 言

霾是一種對視程造成障礙的天氣現(xiàn)象, 霾發(fā)生時，有大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空氣中, 并伴隨著空氣混濁，使水平能見度<10 km[1]。近年來，不少學(xué)者對霾的變化趨勢進行過研究[2-11]，認為全國霾日數(shù)不僅有明顯增加的趨勢，而且存在季節(jié)變化特征，同時認為這種霾天氣的頻繁發(fā)生與經(jīng)濟活動密切相關(guān)。在區(qū)域分布特征的研究方面[12-13]，認為霾的高發(fā)區(qū)主要分布在珠三角地區(qū)、華北地區(qū)以及長三角地區(qū)等地。胡亞旦等[14]研究認為在距離相近的區(qū)域中，大中城市的霾天氣比鄉(xiāng)村明顯偏多，并且深度討論了風(fēng)、降水和季風(fēng)環(huán)流等大氣環(huán)境對霾的影響。此外，研究者普遍的共識是：霾大多來源于下墊面的排放，在一定時段內(nèi)，致使霾的顆粒物得以輸送、堆積、稀釋擴散的天氣系統(tǒng)背景、大氣層結(jié)條件和有著明顯的季、月變化，這種變化大于地面顆粒物排放的變化。

鑒于在眾多關(guān)于霾的研究中，還沒有專門針對東北地區(qū)霾的研究。因此本文將針對1961—2012年東北地區(qū)霾日數(shù)的時空變化特征進行系統(tǒng)分析，并力求對其成因進行初步探索。

1 資料和方法

1.1 資料

文中東北地區(qū)包括黑龍江省、遼寧省、吉林省以及內(nèi)蒙古東部(指赤峰市、通遼市、興安盟和呼倫貝爾市)。1961—2012年東北地區(qū)87個國家地面觀測站的霾觀測資料，來自中國氣象局國家氣象信息中心，該資料已經(jīng)通過了國家氣象信息中心資料室的質(zhì)量檢驗，質(zhì)量和完整性很高。

1.2 霾日數(shù)的統(tǒng)計

測站處有霾發(fā)生的當(dāng)天記錄成1個霾日，月、季、年霾日數(shù)依據(jù)日值記錄統(tǒng)計。

1.3 經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF分析)

經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF分析)[15]的基本原理是將包含p個空間點的場隨時間變化的變量場進行分解。假設(shè)樣本容量為n的資料，則時空場中每一個空間點i和每一個時間點j的數(shù)值(xij)mn可看作由p個空間函數(shù)vik和p個時間函數(shù)tkj(k=1,2,…,p)合成的組合函數(shù)。

EOF按如下矩陣形式展開：

(1)

式中Lp k為空間載荷向量陣(LV)；Fk n為時間系數(shù)陣(PC)，Kk為xp n的相關(guān)系數(shù)陣Rpp的特征值。由于時間系數(shù)和空間向量的正交性質(zhì)，可以用前幾個方差較大的分量的時間函數(shù)和空間函數(shù)來反映場的主要特征，用其乘積作為原氣象要素場的估計。

1.4 滑動t-檢驗法

滑動t-檢驗法(Movingt-test technique)[16]是用于檢驗兩個隨機樣本平均值的顯著性差異的方法，把要研究的隨機變量x分成兩個子集x1與x2。xi的平均值、方差和樣本長度(i=1,2)分別用ui、和ni代表，其中ni的長度需要人為地定義。

假設(shè)原假設(shè)H0:u1-u2=0,統(tǒng)計量定義為：

(2)

1.5 空間分布圖的制作方法

采用GIS進行空間分布圖的制作，采用自然斷點分級法進行分級。

(3)

式中A為數(shù)組(數(shù)組長度為N)；meani-j為每個等級中的平均值。該方法可用 GIS 軟件實現(xiàn)。

2 東北地區(qū)霾的時空分布特征

2.1 霾的時間變化特征

2.1.1 霾的月、季變化特征

東北地區(qū)霾的月、季變化曲線見圖1。從月變化曲線可見一年中5月霾日數(shù)最多，4月和1月次多，9月最少，6月次少；從季節(jié)變化曲線可見，東北地區(qū)春季霾日數(shù)最多，冬季次之，隨后是夏季，秋季最少。這與全國霾日數(shù)季節(jié)變化特點(冬季多，夏季少，春季秋季居中)[2，17]稍有不同。分析原因可能與東北地區(qū)冬季處于供暖期，采暖設(shè)施的使用量增加，燃燒煤的煙塵排放至空中，且冬季上層空氣逆溫情況普遍，這種層結(jié)狀況不利于污染物的排放，加之冬季沒有雨水，有利于低層大氣中氣溶膠粒子的聚集，形成霾天氣。而春季的霾日數(shù)略多于冬季可能因為冬季空氣中的煙塵容易積累至春季，而且到了春季雖然逆溫情況有所減弱，但大風(fēng)天氣增多，容易使地面灰塵等揚起送到空中，導(dǎo)致沙塵等氣溶膠增加，致使霾日數(shù)增加。夏秋兩季雨水較多，對空氣中的氣溶膠和顆粒物起到?jīng)_刷作用，因此夏季開始霾日數(shù)減少。

圖1 東北地區(qū)霾的月、季變化曲線Fig.1 Month season change curve of haze days of Northeast of China

2.1.2 霾日數(shù)的年變化特征

東北地區(qū)1961—2012年霾的年變化曲線見圖2。由圖2可見，整個東北地區(qū)1961—2012年霾日數(shù)整體上呈下降趨勢，平均下降16.8 d/10 a。東北地區(qū)總霾日數(shù)的年變化大致分為3個階段。第一個階段為20世紀(jì)60年代至70年代末的明顯上升期，60年代平均80 d/a，到了70年代升至120 d/a，在此期間，平均增加4～5 d/a。到了20世紀(jì)80年代初霾日數(shù)突然呈階梯式下降，然后維持在低位徘徊，為40 d/a左右的平臺期，到90年代時雖然略有升高但仍以低位震蕩為主。這個結(jié)果與丁一匯等[17]的研究結(jié)論比較一致。

圖2 東北地區(qū)霾的年變化曲線Fig.2 Annual change curve of haze days of Northeast of China

東北地區(qū)年霾日數(shù)的滑動t檢驗趨勢線見圖3。由圖3可見東北地區(qū)霾日數(shù)在1978年超過顯著性檢驗的臨界值之后，在1981年達到明顯的低谷，可見在20世紀(jì)80年代初東北霾日數(shù)出現(xiàn)明顯的下降突變。

圖3 東北地區(qū)年總霾日數(shù)滑動t突變檢驗趨勢線Fig.3 Moving t-test method curve of annual haze days Northeast of China

2.2 霾的空間變化特征

2.2.1 霾日數(shù)的空間分布特征

東北地區(qū)1961—2012年總霾日數(shù)的空間分布見圖4。由圖4可見，東北大部分地區(qū)霾日數(shù)不足60 d，平均發(fā)生1次/a。其中有約1/2的區(qū)域總霾日數(shù)不足25 d，平均發(fā)生1次/(2～5)a。霾日數(shù)的高值區(qū)主要分布在遼寧省西部，以及黑龍江省齊齊哈爾市周邊。而遼寧省內(nèi)主要有兩個明顯的高值區(qū)，一個是以彰武為中心的遼寧省西部地區(qū)，另一個位于遼寧省南部的綏中。最大高值區(qū)達到400 d以上，比低值區(qū)高出幾十倍，這可能與遼寧省的工業(yè)發(fā)展程度明顯高于其它地區(qū)有關(guān)[17]。

圖4 東北地區(qū)1961—2012年總霾日數(shù)的空間分布Fig.4 Annual haze days spatial distribution of Northeast of China from 1961—2012

從東北地區(qū)1961—2012年霾日數(shù)變化氣候傾向率(圖5)可見：東北地區(qū)1961—2012年大部分區(qū)域霾日數(shù)沒有增加，且其中有約1/2的區(qū)域呈現(xiàn)減少趨勢，僅存在遼寧省小塊區(qū)域的增加現(xiàn)象，這與全國霾日數(shù)明顯增加的特征并不一致。這不僅與東北地區(qū)的經(jīng)濟和工業(yè)水平相對全國較為滯后有關(guān)，還由于新中國成立初期開始至20世紀(jì)80年代之前，東北地區(qū)作為老工業(yè)基地進行高度的工業(yè)活動，以及大范圍的土地開發(fā)，致使霾頻繁發(fā)生、持續(xù)增長[18]。而80年代之后開始強調(diào)工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)境治理改善，工業(yè)活動顯著減少，環(huán)境治理初見成效，使得霾日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢[5]。由此可見，由于東北地區(qū)獨特的歷史和地理因素，霾的整體變化情況主要受到工農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響。

圖5 東北地區(qū)1961—2012年霾日數(shù)氣候傾向率空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of annual haze days climate tendency trend of Northeast of China from 1961—2012

2.2.2 四季霾日數(shù)的空間分布特征

從東北地區(qū)四季霾日數(shù)空間分布圖(圖6)可見，春季高值區(qū)主要為東北地區(qū)南部的遼寧省的工業(yè)集中區(qū)，以及黑龍江省西部的齊齊哈爾市，最大值出現(xiàn)在遼寧省南部；與春季霾區(qū)域分布明顯不同，夏季高值區(qū)主要分布在東北地區(qū)北部，這個高值區(qū)面積廣且數(shù)值較高，最大值出現(xiàn)在黑龍江省西部；秋季和冬季的霾日數(shù)高值區(qū)的分布相似，僅有遼寧省西北部的工業(yè)發(fā)展集中區(qū)一個高值區(qū)，但冬季高值區(qū)的范圍和數(shù)值都略大于秋季?？v觀四季分布圖，在東北地區(qū)北部由漠河延伸到齊齊哈爾的區(qū)域，存在明顯的異?，F(xiàn)象：夏季總霾日數(shù)約為40 d，顯著高于其他季節(jié)該區(qū)域的霾日數(shù)，也明顯大于周圍區(qū)域，這與夏季霾日數(shù)少于春季的總體分布特征有所不同，其原因有待于進一步研究。整體來看，霾的四季分布情況除夏季外，高值區(qū)均集中在東北地區(qū)南部的工業(yè)發(fā)展集中區(qū)。

3 基于EOF分解的時空變化特征分析

通過對東北87站 1961—2012年逐年霾日數(shù)進行EOF分析，得到第一、二、三模態(tài)的特征向量場，發(fā)現(xiàn)其分別存在綏中、彰武和莊河3個明顯的高值區(qū)，分別提取這3個站的年變化折線圖發(fā)現(xiàn)其與東北87個站的霾日數(shù)EOF分析第一、二、三模態(tài)的時間序列一致。說明這3個模態(tài)分別反映了綏中、彰武和莊河3個測站的變化情況。因此去掉綏中、彰武和莊河3個測站的資料后，用EOF方法進行分析，得到各個EOF模態(tài)，表1顯示了前5個主成分的特征值和解釋方差。前3個EOF模態(tài)的解釋方差之和約占52%，因而本文主要研究前3個主成分所對應(yīng)的模態(tài)，其特征場見圖7。前3個時間系數(shù)所對應(yīng)的演變曲線見圖8。

第一模態(tài)的空間場表現(xiàn)為全區(qū)一致的形式(圖7(a))，且解釋方差明顯高于其余的模態(tài)，因此是東北地區(qū)霾日數(shù)變化的最主要模態(tài)。由圖8(a)可見，第一模態(tài)的時間系數(shù)在60年代初開始顯著增加，一直延續(xù)到70年代末，峰值達到24。而后開始急劇下降，隨后一致維持在-5左右的平穩(wěn)狀態(tài)。在2003年經(jīng)歷了一次上升，隨后迅速回落至-5。結(jié)合第一模態(tài)空間場(圖7(a))來看，東北地區(qū)的霾日變化的第一模態(tài)為80年代之前顯著上升，80年代開始突然下降，這也與圖2的年總霾日的變化相似。圖7(a)還顯示，大面積的正值高值區(qū)集中在黑龍江省西部，其余的幾個高值區(qū)比較分散。

(a)春季(3～5月)

(b)夏季(6～8月)

(c)秋季(9～11月)

(d)冬季(12～2月)

Table 1 Variance contribution and accumulated variance contribution of the first five EOF modes

序號特征值方差貢獻率/%累計方差貢獻率/%12555.190920.269370.2693721228.080690.129470.3988431144.329220.120640.519484736.785950.077670.597155514.773320.054270.65142

第二模態(tài)的空間場是南北相反的變化情況，南負北正，正的高值中心位于黑龍江省西部。其時間序列大體上呈上升趨勢，1975年之前為負值，1975年之后開始為正值。即1975年之前東北地區(qū)大體上北部減少南部增多，1975年之后北部增多南部減少。第三模態(tài)的空間場(圖7(c))整體為南正北負，結(jié)合時間序列(圖8(c))可見，1970—1980年以及2000年前后，經(jīng)歷了東北地區(qū)南部增加、北部減少的過程。

圖7 EOF特征向量場Fig.7 The first three EOF modes

圖8 1961—2012東北地區(qū)霾日數(shù)EOF展開的時間系數(shù)變化Fig.8 Variations of time coefficients of the first three EOF modes

4 結(jié) 論

1)東北地區(qū)1961—2012年霾日數(shù)雖然整體上呈下降趨勢，但存在明顯的年代際變化特征。20世紀(jì)60年代至70年代末為明顯上升期，20世紀(jì)80年代初霾日數(shù)出現(xiàn)明顯的下降突變。通過對1961—2012年逐年東北霾日數(shù)進行EOF分析也得到相似的結(jié)論。這種變化與霾的發(fā)生易受到人類活動尤其是工農(nóng)業(yè)活動的影響有關(guān)， 20世紀(jì)60—70年代東北地區(qū)老工業(yè)基地建設(shè)和集中土地開發(fā)的歷史背景導(dǎo)致霾出現(xiàn)明顯上升；80年代東北地區(qū)開始產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與東北老工業(yè)基地改造，生態(tài)環(huán)境得到改善，霾日數(shù)也隨之下降。

2)東北地區(qū)一年中春季霾日數(shù)最多，冬季次之，隨后是夏季，秋季最少。霾的季節(jié)差異可能受到大氣環(huán)流條件和污染源排放的影響，而霾的出現(xiàn)對于污染物排放的響應(yīng)有一定的滯后性。霾的四季分布情況除夏季外，高值區(qū)均集中在東北地區(qū)南部的工業(yè)發(fā)展集中區(qū)。春季高值區(qū)主要為東北地區(qū)南部的遼寧省的工業(yè)集中區(qū)，以及黑龍江省西部的齊齊哈爾市;夏季高值區(qū)主要分布在東北地區(qū)北部；秋季和冬季僅有遼寧省西北部的工業(yè)發(fā)展集中區(qū)一個高值區(qū)，但冬季高值區(qū)的范圍和數(shù)值都略大于秋季。

3)東北大部分地區(qū)霾天氣平均1次/a，高值區(qū)主要分布在遼寧省西南部，以及黑龍江省齊齊哈爾市。遼寧省內(nèi)主要有兩個明顯的高值區(qū)，一個是以彰武為中心的遼寧省西部地區(qū)，另一個是位于遼寧省南部的綏中。霾的重污染區(qū)大都在工業(yè)城市以及人口較為密集的城市。

4)從空間分布來看， 1961—2012年東北大部分區(qū)域霾日數(shù)沒有增加，且其中有約1/2的區(qū)域呈現(xiàn)減少趨勢。再一次說明霾日數(shù)的變化和分布與工農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r相關(guān)。

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Spatial and temporal variations of the haze from 1961—2012 in Northeast of China

SHI Yi-Wen1，WEN Na1，*，YAO Jun-Ying2

(1.College of Atmospheric Science，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044,China；2.Heilongjiang Meteorological Service Center, Haerbin 150036，China)

Based on haze the data days of chinese northeast during 1961—2012, the characteristics and changes of temporal and spatial distributions of haze days are analysed, as well as the method of vector EOF expansion is used to carry on a classification discussion. The results show that although the haze days in northeast of China during 1961—2012 exhibits declining trends as a whole, but shows obvious decadal variation characteristics; There are more haze days during 1960s—1970s century, and then reduce significantly 1980s; Haze day shows the character of more in winter half year and less in summer half year. The haze days are the most in spring, then followed by winter, summer, autumn; The first mode of EOF analysis expresses that the haze days in the northeast experiences a marked increase tendency in the days before 1980s, and then begins to fall suddenly; In most area of the northeast of China, the trend is not increasing in 1961—2012, and over 50% shows the tendency of decrease; The industrial and agricultural development are possible reasons of the variations, and the declining trend is due to the unique history background.

Northeast of China; haze; spatial and temporal variations; EOF expansion

10.13524/j.2095-008x.2015.04.057

2015-07-30

中國科技部軟科學(xué)研究計劃項目(2012GXS4B071)

時一文(1993-)，女，黑龍江哈爾濱人，本科，學(xué)士，研究方向：大氣科學(xué)研究，E-mail：ssussi831@163.com；*通訊作者：溫 娜(1979-)，女，河南南陽人，講師，博士，研究方向：大氣科學(xué),E-mail:wenna@nuist.edu.cn。

P427.122

A

2095-008X(2015)04-0016-07