利用1981~2013年海南岛18个市县气象台站的地面常规观测资料,分析了霾日数的时空变化特征,并结合《海南省天气预报技术手册》对霾日数进行天气型分类,结果发现:1) 年平均霾日数空间分布呈现为北半部高于南半部的分布特征,最大值出现在五指山山脉北麓的屯昌和儋州。2) 霾日数近33年来主要呈现明显的上升趋势,其回归系数为0.355 d•(10 a)−1,趋势系数为0.355,达到98%的显著性检验。3) 海南岛霾日数分布有明显的季节变化特征,高值主要出现在冬季,其次是秋季和春季,而夏季霾日数最低。4) 冷空气类的天气型是海南岛出现霾污染的主要影响天气类型,占所有霾污染天数的73.2%,其次为副热带高压(或脊)内部,占所有天数的20.4%。 Based on the ground observation data of 18 meteorological stations from 1981 to 2013, combined with “Weather Forecast Technical Manual of Hainan Province”, we analyzed the temporal and spatial variations of haze days in Hainan Island and classified the weather patterns. The results showed that: 1) The spatial distribution of annual mean haze days revealed that the values in northern part of Hainan island are higher than those in southern part. The maximum values appeared in Tun-chang and Danzhou located at the northern foot of the Wuzhishan Mountain. 2) The value of annual mean haze days shows a significant increase trend over Hainan island in the past 33 years; the regression coefficient is 0.355 d•(10 a)−1; trend coefficient is 0.355 which has passed 98% significance test. 3) Haze days in Hainan island have an obvious seasonal variation; high value is mainly appeared in winter, followed by autumn and spring, and summer is the lowest. 4) The weather pattern of cold air impact is the main type resulted in haze pollution in Hainan Island, accounting for 73.2% of all haze days. The second is subtropical high pressure (or ridge), accounting for 20.4% of all haze days.
符传博1,2,3,丹 利1,唐家翔2,3,林晓斌2,3
1中国科学院东亚区域气候-环境重点实验室,中国科学院大气物理研究所,北京
2海南省气象台,海南 海口
3海南省南海气象防灾减灾重点实验室,海南 海口
收稿日期:2018年8月24日;录用日期:2018年8月30日;发布日期:2018年9月6日
利用1981~2013年海南岛18个市县气象台站的地面常规观测资料,分析了霾日数的时空变化特征,并结合《海南省天气预报技术手册》对霾日数进行天气型分类,结果发现:1) 年平均霾日数空间分布呈现为北半部高于南半部的分布特征,最大值出现在五指山山脉北麓的屯昌和儋州。2) 霾日数近33年来主要呈现明显的上升趋势,其回归系数为0.355 d·(10 a)−1,趋势系数为0.355,达到98%的显著性检验。3) 海南岛霾日数分布有明显的季节变化特征,高值主要出现在冬季,其次是秋季和春季,而夏季霾日数最低。4) 冷空气类的天气型是海南岛出现霾污染的主要影响天气类型,占所有霾污染天数的73.2%,其次为副热带高压(或脊)内部,占所有天数的20.4%。
关键词 :霾,气候特征,天气型,海南
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近些年来,随着经济的发展和城市化进程的加快,全国各地霾污染事件频繁发生 [
霾的组成和形成与雾有着本质的区别,其定义是指大量细微的干颗粒物等均匀地浮游在近地面空气中,使得地面水平能见度小于10 km,并造成空气普遍浑浊的天气现象 [
本文所用的地面观测资料来源于海南省气象局信息中心,其中包括逐日4次地面水平能见度、日平均的相对湿度、日降水量和天气现象等常规气象观测资料,且均经过了海南省气象局信息中心资料室质量检验。资料年限为1981年1月至2014年2月,站点选取为海南岛18个市县地面观测站,站点分布如图1所示。由于1980年以前的地面水平能见度的气象业务观测以等级的形式记录,而1980年以后能见度观测为具体的距离数值,考虑到资料的连续性,本文只选用1981年之后的观测数据进行处理分析。
目前国内外利用地面水平能见度资料,同时辅助上相对湿度阈值来区分雾日和霾日的方法已经被广泛应用于讨论雾霾天气的研究中 [
图2给出了海南岛1981~2013年年平均霾日数及各个年代霾日数分布。从图2a中可以清楚地看出,岛上年平均霾日数表现为北半部高于南半部的分布特征,超过10 d的站点有两个,分别为屯昌(13.9 d)和儋州(11.6 d),均位于五指山山脉的北麓。田贺忠等 [
图1. 海南岛地理位置、地形和18个市县分布示意图
图2. 海南岛近33年年平均霾日数及各个年代霾日数分布。(a:1981~2013年;b:1981~1990年;c:1991~2000年;d:2001~2010年)
图2b,图2c和图2d分别给出了1981~1990年,1991~2000年和2001~2010年三个年代平均的霾日数空间分布。图中表明,20世纪80年代海南岛上霾污染较轻,空间分布上也呈现为北半部高于南半部的特征。霾日数除了临高以外,其余都在3 d以下,其中海口也只为1.2 d。20世纪90年代岛上霾污染呈减小的变化趋势,最大值出现在白沙,只为2.7 d,儋州和屯昌分别为1.9 d和1.7 d,其他市县均在1 d以下,霾污染在这一时段并不严重。2000年以后岛上霾污染有明显的增长趋势,最大值出现在屯昌,为10.3 d,儋州和白沙也分别有6.5 d和4.8 d的霾日数分布,海口为2.0 d,其余市县在1 d以下。年代际变化的分析表明,海南岛的霾污染近33年并不是呈持续的上升趋势,而是先减少后上升,其成因可能与本地污染物排放和外源输送的气象条件变化有关 [
图3为海南岛和海口市1981~2013年年平均霾日数的年际变化。图中清楚表明,海南岛霾日数在过去33年来主要呈现明显的上升趋势,其回归系数为0.355 d∙(10 a)−1,趋势系数为0.355 (表1),达到98%的显著性检验,霾日数上升较为显著。最大值出现在2008年,为3.34 d。随后霾日数虽略有下降,但仍多于多年平均值。从年代际变化特征来看,海南岛80年代霾日数维持在1 d附近,90年代有所下降,只为0.5 d左右,随后显著的上升,在2000年以后可达1.5 d以上。海口市霾日数的年际变化与海南岛的基本一致,也表现为20世纪80年代偏多,90年代下降,2000年之后显著上升的演变特征。其回归系数为0.23 d∙(10 a)−1,趋势系数为0.146,通过了80%的显著性检验。海口市年平均霾日数最大值也出现在2008年,为7 d。33年中有15年未观测到霾天气,而有9年霾日数在2 d及其以上,其余年份霾日数只有1 d。
图4为海南岛多年平均的四季霾日数空间分布。图中表明,海南岛霾日数分布有明显的季节变化
地区 | 平均值/d | 均方差/d | 气候趋势系数 | 回归系数/d∙(10 a)−1 | 显著性检验/% | |
---|---|---|---|---|---|---|
海南岛 | 1.054 | 0.853 | 0.409 | 0.355 | 98 | |
海口市 | 1.121 | 1.552 | 0.146 | 0.230 | 80 | |
表1. 海南岛和海口市年平均霾日数的统计分析
图3. 海南岛。(a) 和海口市;(b) 1981~2013年年平均霾日数年际变化
图4. 海南岛四季霾日数空间分布。(a:春季;b:夏季;c:秋季;d:冬季)
特征,高值主要出现在冬季,其次是秋季和春季,而夏季霾日数明显偏低,全岛基本没有霾污染,近33年只有保亭有2 d观测到霾,乐东和五指山有1 d。春季、秋季和冬季海南岛霾污染与年平均(图2a)基本一致,大值区主要出现在五指山以北地区,而南半部地区霾污染偏小。海南岛霾污染的这种季节变化特征与我国其他区域类似 [
图5分别给出了海南岛4季霾日数的年际变化。从图中可以发现,春季、秋季和冬季霾日数的年代际变化特征与年平均霾日数(图2a)基本一致。即表现为霾日数在20世纪80世纪偏高,90年代有所下降,2000年之后上升显著的特征。春季,海南岛霾日数整体偏低,近33年均在1 d以下,最大值出现在1983年(0.83 d),随后基本维持在0.2 d以下,直到2008年才出现第二个峰值,为0.67 d。夏季海南岛基本没有霾天气,近33年只有1992年、2000年和2003年观测到霾天气,而且霾日数非常小,只为0.1 d及其以下。秋季和冬季是海南岛霾污染相对较重的两个季节,其回归系数分别为0.162 d∙(10 a)−1和0.202 d∙(10 a)−1,趋势系数为0.515和0.36,分别通过了99.8%和90%的信度检验。就平均值(表2)而言,4季霾日数从大到小排列为:冬季 > 秋季 > 春季 > 夏季。
图5. 海南岛四季1981~2013年霾日数年际变化
平均值/d | 均方差/d | 趋势系数 | 回归系数/d∙(10 a)−1 | 显著性检验/% | |
---|---|---|---|---|---|
春季 | 0.143 | 0.180 | −0.044 | −0.008 | 不显著 |
夏季 | 0.007 | 0.023 | −0.008 | −0.001 | 不显著 |
秋季 | 0.291 | 0.308 | 0.515 | 0.162 | 99.8 |
冬季 | 0.613 | 0.550 | 0.360 | 0.202 | 90 |
表2. 海南岛四季霾日数的统计分析
大气污染物排放强度和气象条件对污染物的稀释扩散能力是霾污染发生的两个主要影响因素 [
海南岛天气系统过程可以分为4大类,分别为冷空气类、低压槽类、副热带高压(或脊)内部和热带系统,冷空气类又分为偏东下和偏西下冷空气过程,有冷锋过境、静止锋和锋消三类;低压槽类主要有南海季风槽和西南低压槽(SWT),南海季风槽根据槽线位置的不同又可分为南海低压槽(ST1)、华南沿海槽(ST2)和越南低压槽(YT)三类;副热带高压(或脊)内部有副热带高压(G1)和变暖高压脊(G2)两类,更为具体的介绍请参看《海南省天气预报技术手册》 [
统计发现,近33年海南岛共有500天出现了霾。表4进一步给出了这500个霾日的影响天气型分类。从表中可以发现,冷空气类的天气型是海南岛出现霾污染的主要影响天气形势,共有366天,占所有天数的73.2%。其次是副热带高压(或脊)内部,共有102天,占所有天数的20.4%,其中主要是变暖高压脊
冷空气类 | 低压槽类 | 副热带高压(或脊)内部 | 热带系统TC | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
冷空气偏东下 | 冷空气偏西下 | 南海季风槽 | 西南低压槽SWT | 副热带高压G1 | 变暖高压脊G2 | |||||||
冷锋过境EF | 静止锋EQ | 锋消ES | 冷锋过境WF | 静止锋WQ | 锋消WS | 南海低压槽ST1 | 华南沿海槽ST2 | 越南低压槽YT | ||||
表3. 海南岛天气系统过程分类
冷空气类 | 冷空气偏东下 | 冷锋过境EF | 69 (13.8%) | 172 (34.4%) | 366 (73.2%) |
---|---|---|---|---|---|
静止锋EQ | 26 (5.2%) | ||||
锋消ES | 77 (15.4%) | ||||
冷空气偏西下 | 冷锋过境WF | 71 (14.2%) | 194 (38.8%) | ||
静止锋WQ | 33 (6.6%) | ||||
锋消WS | 90 (18%) | ||||
低压槽类 | 南海季风槽 | 南海低压槽ST1 | 6 (1.2%) | 8 (1.6%) | 23 (4.6%) |
华南沿海槽ST2 | 1 (0.2%) | ||||
越南低压槽YT | 1 (0.2%) | ||||
西南低压槽SWT | 15 (3%) | ||||
副热带高压(或脊)内部 | 副热带高压G1 | 6 (1.2%) | 102 (20.4%) | ||
变暖高压脊G2 | 96 (19.2%) | ||||
热带系统TC | 9 (1.8%) |
表4. 近33年海南地区500个霾日影响天气型统计(单位:d)
天气型(G2),为96天(19.2%)。第三类是低压槽类,共有23天,占所有天数的4.6%;排在最后一类的是热带系统(TC),共有9天,占所有天数的1.8%。海南地区霾日的四大类天气型从大到小排列分别为:冷空气类、副热带高压(或脊)内部、低压槽类和热带系统。这也说明,海南岛霾日的出现与冷空气南下有利于大气污染物的外源输送有关。
图6给出了7小类海南岛天气型的霾日数统计。结果与上一小节的分析一致。冷空气类的天气型是海南地区出现霾污染的主要天气型,其中冷空气偏西下天气型最高,为194天(38.8%),冷空气偏东下天气型为172天(34.4%),根据海南岛天气型的分类标准 [
为进一步验证海南岛霾日与冷空气南下造成外源输送加强,图7给出了1981~2013年海南岛霾日数与冷空气影响日数的变化关系。其中冷空气影响日数定义为影响天气型为冷空气类,即为一个冷空气影响日。从图7a中可以清楚看出,近33年来冷空气影响日数有下降的趋势,趋势系数为-0.399,显著性检验为98%,这可能与东亚冬季风的减弱有关 [
图6. 33年海南岛500个霾日天气型统计分析。(a) 为霾日;(b) 为比率
图7. 1981~2013年海南岛霾日数与冷空气影响日数的变化
本文利用1981~2013年海南岛18个气象台站的地面观测资料,分析了霾日数的时空变化特征,同时结合《海南省天气预报技术手册》对发生霾污染的天数进行天气型分类,得出以下主要结论:
1) 近33年海南岛霾日数空间分布呈现为北半部高于南半部的分布特征,最大值出现在五指山山脉北麓的屯昌和儋州,分别为13.9 d和儋州11.6 d,这可能与地形条件有关。
2) 海南岛霾日数在过去33年来主要呈现明显的上升趋势,其回归系数为0.355 d∙(10 a)−1,趋势系数为0.355,达到98%的显著性检验,最大值出现在2008年,为3.34 d。年代际变化表现为20世纪80年代维持在1 d附近,90年代有所下降,随后显著的上升,在2000年以后可达1.5 d以上。
3) 海南岛霾日数分布有明显的季节变化特征,高值主要出现在冬季,其次是秋季和春季,而夏季霾日数最低。夏季海南岛几乎没有观测到霾污染,春季、秋季和冬季霾日数的年代际变化特征与年平均霾日数基本一致。
4) 霾天气的出现与气象条件密切相关。普查海南岛近33年500个霾日天气型发现,冷空气类的天气型是海南岛出现霾污染的主要影响天气类型,占所有天数的73.2%,其中去趋势后霾日数与冷空气影响日数的相关系数为0.45,达到99%的信度检验。其次为副热带高压(或脊)内部,占所有天数的20.4%。
本文由国家重点研发计划课题(2016YFA0602501);国家自然科学基金项目(资助号41630532, 41275093);中国气象局预报员专项(CMAYBY2018-059)共同资助。
符传博,丹 利,唐家翔,林晓斌. 近33年海南岛霾污染的气候特征及天气型分类 Climatic Characteristics and Weather Classification of Haze Days over Hainan Island in Recent 33 Years[J]. 气候变化研究快报, 2018, 07(05): 371-380. https://doi.org/10.12677/CCRL.2018.75040