成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都

收稿日期：2021年6月18日；录用日期：2021年7月21日；发布日期：2021年7月28日

摘要

选用四川省1951~2016年共66年41个逐日气象霾日观测资料，采用小波分析等方法分析了四川省霾的月、季、年的时空变化特征及长期变化趋势。结果表明：1) 四川省66年平均霾日数为14.7 d。11月~次年3月为霾日多发月份，7月~9月为霾日较少月份。1月最多，为34.54 d，最少的是9月，为6.48 d。2)霾日的空间分布不均，霾天气主要发生在四川省的东部，西部较少，具有一定的局地性。一年四季中四川省内始终存在三个霾日数的高值中心，分别为以雷波、乐山、雷波为中心的区域，最多的站点是雷波，多年平均15.27 d。3) 秋季、春季和夏季霾日数的大值区站点几乎都集中在与冬季霾日大值相同的区域。四川省内霾日的时间变化特征为冬季最多，夏季最少，春、秋季居中，春季大于秋季。夏季的7、8月霾日数最少，为6.9 d；春季和秋季居中；冬季1月霾日数最多，为12.7 d，四川省霾日的季节分布和中国大部分地区相似。

关键词

四川省，霾，气候变化，小波分析

Climate Change Characteristics of Haze in Sichuan Province

Jinjuan Liu, Wenshu Mao, Xuan Zhang

School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu Sichuan

Received: Jun. 18^th, 2021; accepted: Jul. 21^st, 2021; published: Jul. 28^th, 2021

ABSTRACT

Based on observed data from 41 weather stations during 1951 to 2016 in Sichuan Province, temporal and spatial distribution of the number of haze days and its seasonal and annual trends were analyzed by wavelet analysis and other methods. The results indicate that: 1) the average number of haze days in Sichuan in the past 66 years was 14.7 days. From November to March of the following year, haze days are frequent months, and July to September are months with fewer haze days. The most in January was 34.54 d, and the least was in September, which was 6.48 d. 2) The spatial distribution of haze days is uneven, and haze mainly occurs in the eastern part of Sichuan and is less in the western part, which has a certain locality. There are always three high-value centers of haze days in Sichuan throughout the year, namely Leibo, Leshan, and Leibo. The most frequent site is Leibo, annual average 15.27 d. 3) Almost all stations in the high-value area of haze days in autumn, spring and summer are concentrated in areas with the same high value of haze days in winter. The time variation of haze days in Sichuan is the most in winter, the least in summer, the middle of spring and autumn, and the greater in spring than in autumn. Summer has the least number of haze days in July and August, at 6.9 days; spring and autumn are in the middle; January in winter has the most haze days, at 12.7 days. The seasonal distribution of haze days in Sichuan Province is similar to most parts of China.

Keywords:Sichuan Province, Haze, Climate Change, Wavelet Analysis

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

霾是一种对视程造成阻碍的天气现象，大量极细微的尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于 10 km，造成空气普遍浑浊(中国气象局，2007)。近年来，受各方面因素的影响，四川省重污染天气不断增多 [1]，其中霾污染问题日趋严重，霾天气发生频率之高、波及面之广、污染程度之深前所未有，持续大面积爆发的大气污染天气已演变为大气灾害 [2]，严重危及四川省的经济社会发展和居民出行健康问题，因此近年来相关方面的研究持续进行着。霾污染是当前社会各界普遍关注的热点，也是环境保护需要解决的重点 [3] [4] [5] [6] [7]。2013年《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》 [8] 俗称《大气十条》，也表明了我国治理霾的决心。为进一步贯彻落实此行动，四川省也制定了《四川省人民政府关于印发四川省大气污染防治行动计划实施细则的通知》等计划细则来切实改善环境空气质量。四川盆地成渝城市群是国家《重点区域大气污染防治“十二五”规划》“三区十群”中面积最大重点区域，但对此区域内持续性的霾的气象变化特征的国内外研究较少，本次研究将成为一种重要补充，也为进一步开展城市环境空气质量预报和政府污染防治决策提供理论基础。今年秋冬季成都及其周边地区都出现了严重霾污染现象，相较于常年有加强趋势 [9]，但具体变化原因还需更多的研究分析。2014年，郭晓梅等人利用四川盆地1961~2010年122个气象台站观测数据资料，分析了四川盆地年平均霾日数时空分布特征以及四川盆地霾日数季节、年变化趋势，探讨了近50年来四川盆地大气干消光系数、能源消耗、风速和人口等因素与霾日数之间的关系。得出的结论是：霾日数的年变化与大气干消光系数呈显著正相关，与风速呈显著负相关，与四川盆地的能源消耗和人口增长呈显著正相关 [10]。

四川省位于中国西南部，地处长江上游，西连青藏高原，北邻秦岭山脉，南接云贵高原，东靠大巴山、华蓥山。东、西部地形地貌迥然不同，东部为四周高峻、中间低陷的盆地，西部则为大幅度隆起的高原和山地。受地形地势影响，区域内气候差异显著，东部盆地云多、雾重、日照少，而川西高原多晴、少云 [11]。四川省内的四川盆地是中国人口最集中和周边地势起伏最大的区域之一 [12]，是我国四大霾区之一 [13]，四川盆地四面环山，风速较低，空气中水汽含量多，相对湿度较大，阴天和雾天较多，日照时间短和日照强度弱。四川省以石化燃料为主要能源，人口集中且污染物排放量较大，是中国大气气溶胶的高值中心，PM₁₀的浓度约为253. 8 μg∙m⁻³，年平均AOD值为0. 848 [14] [15] 盆地主要是盆周山地、盆内平原、盆中丘陵，并在西部和北部形成了特殊的地形特征，盆地大气层结稳定，容易出现逆温和静风的现象，不利于霾的扩散，所以研究四川省霾的空间分布和长期变化趋势是非常重要的 [16]。通常认为，霾的产生和维持受风速，湿度、降水量和空气污染物浓度变化的影响。夏季，四川省内对流活跃，降雨较为频繁，雨水冲洗悬浮在空气中的尘埃颗粒物，对流层空气污染物的扩散和稀释将加速，不利于霾的形成。在夏季雾天明显少于其他三个季节的，进入冬季之后，四川省的大气层结是稳定的，干旱、降水量少，并且极有可能出现逆温层。污染物难以分散或者被稀释，导致能见度降低，故四川省频繁出现霾天气。

本文利用1951~2016年四川省41个气象台站逐日霾日观测资料，研究分析四川省霾形成的天气条件，根据霾天气出现时所伴随的气象要素资料，整理、发现其中的规律和现象，并对出现霾天气的天气条件做出初步判断。了解气候变化背景下四川省霾日时间和空间上的分布特征及变化规律，为四川省的气候变化研究和生态环境保护提供参考，也为进一步开展城市环境空气质量预报和政府污染防治决策提供理论基础。

2. 资料与方法

2.1. 数据来源

重点对四川省1951~2016年近66年的气候变化特征进行分析，所用的数据为四川省气象局石渠、德格等41个地面气象台站观测资料。由于所选的资料都是在1951年之后，我国的地面气象观测站已经比较的密集，所测得的资料可靠性和科学性都比较强。本文选取的地面观测资料均满足：时间序列较长(1951~2016年)，资料较为完整，缺测值较少，站点在所选年份之前没有变动的特点。所研究区域的经度范围为：98˚00′~108˚02′，纬度范围为：26˚35′~33˚35′，海拔高度范围：309.7 km~4200 km。各个台站的基本信息分布见图1所示，因为所选资料中的缺测值较少，所以本文主要采用线性内插法来填补缺测值。

图1. 四川省地面气象台站分布示意图

2.2. 研究方法

使用Arcgis软件以及NCL软件一种具有时频多层次分辨功能的方法 [1]，分析四川省霾的区域分布特征、季节、年际、年代际、周期、长期趋势特征。首先，通过41个站点1月~12月的逐日霾日气象数据来计算获得每个站点的月总霾日数，再计算霾日数据的四个季节和年的区域平均，分析得出空间分区结果；其次，通过NCL软件画月、季、年的时间序列图，用Arcgis软件画出月、季、年的空间分布图。最后，根据分区结果分别计算1951~2016年各个区域霾日的空间平均值。

3. 霾的空间变化特征

3.1. 霾日数的月空间变化

由1951~2016年四川省月霾日数分布图(图2)中可知，四川省霾的分布集中在东部，四川盆地区域更是明显；而西部地区则少有霾天气出现。四川省1月霾日数最多的站点是巴中，霾日数共计有197 d，平均下来是2.98 d。2月霾日数最多的站点还是巴中，霾日数共计有154 d，平均值为2.33 d。3月霾日数最多的站点是雷波，霾日数共计有168 d，平均值是2.55 d。4月霾日数最多的站点是乐山，霾日数共计有139 d，平均值为2.11 d；第二多的站点是雷波，122 d，平均值是1.85 d。值得一提的是，东兴区这个站点的霾日数相较于3月有一次突变，从16 d变成5 d。5月霾日数最多的站点是雷波，霾日数共计有86 d，平均值为1.3 d。5月的霾日数相较春季的3月和4月来说呈减少趋势。特别的，昭觉这个站点从上个月的8 d变成2 d，相对于周边站点呈空心状。6月霾日数最多的站点是小金，霾日数共计有74 d，平均值为1.12 d。值得一提的是，阆中这个站点的霾日数相较于上个月5月有一次突变，从17 d变成1 d。7月霾日数最多的站点是小金，霾日数共计有70 d，平均值为1.06 d。值得一提的是，绵阳这个站点的霾日数相较于上个月减少了不少，从7 d变成2 d。8月霾日数最多的站点是小金，霾日数共计有63 d，平均值为0.95 d。绵阳、阆中、东兴区这三个站点还是依旧呈“空心状”，霾日数低于周边站点。9月霾日数最多的站点是小金，霾日数共计有58 d，平均值为0.88 d。值得一提的是，从6月至9月，小金已经连续四个月成为省内霾日数最多的站点。10月霾日数最多的站点是达县，霾日数共计有66 d，平均值为1.0 d。其次是小金，57 d，平均值为0.86 d。11月霾日数最多的站点是雷波，霾日数共计有100 d，平均值为1.52 d。12月霾日数最多的站点是巴中，霾日数共计有108 d，平均值为1.64 d。综上所述，小金有四个月份是1951年~2016年四川省霾日数最多的站点，其次是巴中和雷波，都有三个月份是霾日数最多的站点。

图2. 1951~2016年四川省1月(a)~12月(l)霾日数空间分布图

3.2. 霾日数的四季空间变化

从1951~2016年四川省春、夏、秋、冬季霾日数空间分布图来看(图3(a)~(d))，霾日空间分布有明显的季节变化特征 [10]。四季的霾日数与年霾日数的空间分布特征较为相似，也有三个相似的大值区，冬季的霾日数最多(图3(d))，其次是春季(图3(a))，再者为秋季(图3(c))，最少的为夏季(图3(b))。四川省大部分地区的春季霾日数在100 d (季平均1.51 d)以上，其中超过300 d (季平均4.55 d)的站点有乐山、雷波、遂宁，共3个，占台站总数的7.5%。最多的区域在成都平原的乐山和四川省西南边缘的雷波，高达376 d，平均为5.7 d；其次是川东北的达县，为326 d (季平均4.94 d)；再者为遂宁，为307 d (季平均4.56 d)。四川省冬季霾日数超过300 d的站有绵阳、雷波、巴中、遂宁、高坪，共5个，占台站总数的12.2%。冬季出现霾日数最多的地区为巴中，为459 d (季平均6.95 d)，其次为遂宁，369 d (季平均5.59 d)。冬季的霾日数最多，这与四川省冬季有利于霾形成的气象条件有关，冬季四川省内降水少、空气干燥且相对湿度小，大部分地区平均风速小于其他三个季节，加之大气层结稳定，有利于污染物的积累，故较为容易形成霾天气。夏季、秋季和春季这三个季节的霾日数明显比冬季少，但是秋季、春季和夏季霾日数的大值区在150 d (季平均2.27 d)以上的站点几乎都集中在与冬季霾日大值相同的区域。在特大城市成都冬季霾日数较其他三个季节多，与冬季北京、上海霾的天气特征其他三个季节较为一致，而与广东省广州市在春季的霾天气频发不同。四川省秋季霾日数超过118 d (季平均1.79 d)的站有小金、都江堰、遂宁、高坪、达县、雷波，共6个，占台站总数的14.6%。秋季单站出现霾日数最多的地区为小金，为178 d。秋季霾日空间分布特征与春季基本一致。夏季四川省霾日数为68 d以下的地区高达80.0% (图3(b))。夏季霾日数大于150 d (季平均2.27 d)的只有2站，分别位于四川阿坝州地区的小金和宜宾市的宜宾。夏季单站出现霾日数最多的地区为小金，为207 d (季平均3.14 d)，其次是宜宾，157 d (季平均2.38 d)。夏季平均霾日数不足1.0 d的站有11个(约占台站总数的26.8%)。这与夏季为四川省主要降水季节，降水对气溶胶湿沉降和夏季大气层结不稳定等有关。

以上说明了四川省霾日空间分布的季节变化特征，除此之外，四川省霾日数四个季节的空间分布还存在一定的相同之处。首先，从时间上来看，一年四季中四川省内始终存在三个霾日数的高值中心，分别为以雷波、乐山、雷波为中心的区域。其次，从整体的角度来看，四川省北部的雾天数少于南部的雾天数。这种差异的存在可能是因为四川盆地的北部位于秦岭和大巴山，而秦岭和大巴山的南部主要是山地和山地，人口稀少，海拔相对于盆地较高，植被肥沃。一方面，人为的气溶胶排放量较低，另一方面，自然净化能力较强，大气中的气溶胶浓度较低。四川盆地的南部地势相对平坦，工业很发达，人口密集，导致污染物的排放量远远大于四川省北部地区，使得气溶胶慢慢积累，造成严重污染并容易起霾。

图3. 1951~2016年四川省霾日数四季空间分布春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)

3.3. 霾日数的年空间变化

从1951~2016年四川省年霾日数空间分布图可以看出(图4)，霾日的空间分布不均，霾天气主要发生在四川省的东部，西部的霾日数较少。霾的产生具有一定的局地性。霾日数的大值区域主要集中在川东北城市群(巴中、高坪、达县)、成都平原城市群(小金、乐山、绵阳)以及川南城市群(雷波、宜宾、会理)，大值中心1961~2016年66年总霾日数在920 d，年平均13.9 d以上，最多的站点是雷波，1961~2016年66年总霾日数1008 d，年平均15.27 d，其次是遂宁，1961~2016年66年总霾日数937 d，年平均14.20 d；不难发现，霾日数较多的站点多位于海拔高度为200~300 m的低洼地带，小地形四面环山，年平均风速较小且静风频率较高，不利于污染物的输送和扩散，故易形成霾。另外，1961~2016年66年总霾日数少于88 d，年平均1.33 d的气象台站有13个，主要分布在图4的白色区域，包括四川省北部阿坝州地区的若尔盖、红原，西南部的凉山州的木里，西部地区甘孜州的石渠、色达、德格、甘孜、新龙、巴塘、理塘、稻城、九龙、地区。这些地区的地形大多数为山地和丘陵，人口相对于四川省的东部和四川盆地地区来说较为稀疏，工业和商业活动不发达，人为活动不频繁，污染物排放量较少，且山地和丘陵的植被覆盖度高，对污染物的清洁、吸收作用强，使得空气中污染物的浓度小，不容易形成霾 [16]。除此之外，还有一个低霾日数区域位于四川省东南部、四川盆地中部偏南靠近重庆市的东兴区，这个站点位于长江三峡附近，由于地形作用和峡谷效应，局部地区风速较大(年平均风速为2.0 m∙s⁻¹，明显高于四川盆地的平均风速1.2 m∙s⁻¹) ，有利于污染物的运输和扩散，不容易形成霾。此外，四川省的霾日空间分布特征与中国西南地区大气气溶胶光学厚度的分布特征基本一致。

图4. 1951~2016年四川省年霾日数空间分布((a) 总日数，(b) 年平均日数)

4. 霾的时间演变特征

4.1. 霾日数的月时变特征

从1951~2016年四川省每月41个站点霾日数统计图可以看出(图5)，11月~次年3月为霾日多发月份，7月~9月为霾日较少月份。1月霾日数达到峰值，平均霾日数为1.4 d，最少的是9月，平均霾日数为0.3 d。分析其中原因，除了由于春、冬季人的体感温度低而烧火取暖等因素使气溶胶排放量增加外，主要是四川省冬季的气象条件有利于霾的形成，例如，高静风频率，稳定的大气层结，低降水和低相对湿度等因素都有利于霾的形成。但夏季相反，受季风环流的影响，四川省内的盆地区域具有强烈的太阳辐射和不稳定的大气，特别是在下午，其对流活动更加频繁，风速更高和丰富的降水，这些条件有利于气溶胶的扩散，运输和湿沉降，不容易形成霾天气。

图5. 1951~2016年四川省月平均霾日数

4.2. 霾日数四季时变特征

通过1951年~2016年四川省春夏秋冬四季霾日数统计图的对比分析可知(图6(a)~(d))，四幅图有一个共同特征，两边高，中间低，呈凹字型变化。四川省内霾日的四季时间变化特征为：冬季(图6(d))最多，夏季(图6(b))最少，春(图6(a))、秋季(图6(c))居中，春季大于秋季。总的来说，1951~2016年冬季的霾日有显著的波动增加趋势，春季略有增加，夏季和秋季没有明显变化趋势。四川省霾日的季节分布和中国大部分地区相似，霾天气主要发生在春、秋、冬季，夏季最少。

图6. 1951~2016年四川省平均霾日数统计图春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)

4.3. 霾日数的年时变特征

根据1951~2016年四川省41站霾日数年际变化图所示(图7)，四川省1952年霾日数最高，高达94 d；1967年、1970年霾日数最少，不足5 d。整体呈波动增长趋势。

近66年来四川省的年变化可以分为以下三个阶段，第一阶段为1951~1968年的急速减少期，其中1968年的霾日数最少，仅有4 d。第二阶段为1969~1999年的稳定多发期，1994年是这个阶段霾日数的一个小高峰，霾日数最高值达到41 d。第三阶段为1995~2016年的快速增长期，霾日总体为波动增长，这个阶段的2014年的霾日数达到了60 d。

图7. 1951~2016年四川省41站霾日数年际变化图

5. 结论

综合上述对四川省霾气候变化特征详细分析，可以得到以下主要结论：

1) 1951~2016年四川省41个站点的平均霾日数为14.7 d。11月~次年3月为霾日多发月份，7月~9月为霾日较少月份。1月霾日数达到峰值，平均霾日数为34.54 d，最少的是9月，平均霾日数为6.48 d。造成这种差异主要原因是冬季气象条件有利于霾的形成。

2) 霾日的空间分布不均，东部大于西部，霾的产生具有一定的局地性。霾日数的大值区域主要集中在川东北城市群、成都平原城市群以及川南城市群，大值中心总霾日数在920 d以上(年平均13.9 d)，最多的站点是雷波，其次是遂宁。春、夏、秋季的霾日数的大值区在150 d以上的站点几乎都集中在与冬季霾日大值相同的区域。一年四季中四川省内始终存在三个霾日数的高值中心，分别是雷波、乐山、雷波。

3) 1951~2016年四川省41个站点年平均霾日数为：7、8月霾日数最少；春季和秋季居中；1月霾日数最多。时间变化特征为：冬季最多，夏季最少，春、秋季居中，春季大于秋季。总的来说，1951~2016年冬季的霾日有显著的波动增加趋势，春季略有增加，夏季和秋季没有明显变化趋势。四川省霾日的季节分布和中国大部分地区相似。

4) 近66年来四川省霾日的年变化可以分为三个阶段：1951~1968年的急速减少期，其中1968年的霾日数最少，仅有4 d；1969~1999年的稳定多发期，1994年是这个阶段霾日数的一个小高峰，霾日数最高值达到41 d；1995~2016年的快速增长期，霾日总体为波动增长，这个阶段的2014年的霾日数达到了60 d。

基金项目

成都信息工程大学大学生创新项目“四川省霾的气候变化特征”资助。

文章引用

刘锦涓,毛文书,张 璇. 四川省霾的气候变化特征
Climate Change Characteristics of Haze in Sichuan Province[J]. 自然科学, 2021, 09(04): 517-527. https://doi.org/10.12677/OJNS.2021.94058

参考文献