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中国霾天气的时空分布特征及其与气候环境变化的关系

胡亚旦  
【摘要】: 本论文利用全国721个站点1961-2007年的高密度观测资料,阐述了我国霾现象的时空分布特征,揭示中国霾现象在年际和年代际时间尺度上的演变规律。定义年霾日在1天以上的站点组成霾天气主体区域,探讨风力条件、降水条件及季风环流的变化对霾天气增减趋势的影响。然后,采用相关分析等统计方法研究了霾天气对能见度、太阳辐射、日照时数、大气光学厚度、城市热岛现象的影响,给出了一般规律。 (1)中国的霾天气主要分布在100°E以东、42°N以南地区,即中东部和南部较多,西部和东北部地区相对较少。在同一区域内,大中城市的霾天气较乡村明显偏多,“浊岛”现象明显。全国平均年霾日为5.5天,其中华北的中部和西部,西北的东南部,华中大部,华东大部,华南西部和南部地区大于等于10天,是灰霾天气的多发区。(2)霾天气的季节分布基本上是冬多夏少。(3)灰霾出现日数20世纪60年代全国平均只有2.4天,21世纪以来的年霾日比20世纪60年代增加了4倍之多,上升趋势非常明显。(4)47年中国霾天气的总体趋势为波动增多,线性倾向率为3.19天/10a,20世纪60年代至70年代中期处于少霾的负位相,1976-2000年在很弱的正位相内振荡,但近5年霾天气显著增多。47年间中国霾天气序列有2次明显的突变,其一位于20世纪70年代中期,以1975年为突变点;其二位于2000年之后。(5)具体站点霾的年际变化趋势大致可分为三类,第一类是波动上升型,这些站点主要位于我国东部和南部。第二类是七八十年代存在年霾日高峰期,近年来霾日相对较少型,这些代表站点主要位于我国的华北及靠近西部地区。第三类是年际振荡频繁型,这些代表站点主要位于我国西南部地区。(6)霾天气主体区域内(年霾日≥1天)站点平均的最大风速f≥5m/s、f≥10m/s的日数与静风或微风(最大风速f<3m/s)的日数,与霾日数具有很好的对应关系,相关系数分别为-0.809、-0.734、0.788。如此高的相关关系表明风力条件的变化对霾天气增减趋势的影响非常显著,也进一步证明了风力条件是大气污染物稀释扩散的最主要动力源。(7)考察发现,35°N以南地区霾天气与最大风速f≥5m/s的日数与霾日数基本呈负相关,35°N以北大部地区呈正相关。这种情况的存在说明了我国北部地区的霾天气诱发的一个主要因子来自于西北部的浮尘、沙尘暴和扬沙天气,大的风力有利于浮尘粒子的搬运。(8)降水条件的变化对霾天气的增减趋势有十分明显的影响。研究表明,日降水量0.1-0.9mm的降水日数与霾的相关系数达到-0.716,说明微量或小量的降水对于霾的出现也有非常明显的抑制作用。(9)近5年(2002-2007年)霾日数明显上升。综合分析风力条件与降水的变化可以看到,华北中南部、长江中下游和华南等经济发达或经济快速发展的地区,近5年风力f≥5m/s日数显著减少,并且降水都有了明显的下降,这是导致近几年霾日数激增的两个十分重要的原因。(10)综合施能季风指数I_(SHI)和朱艳峰季风指数I_(EAWM)与霾日序列的关系,我们发现强季风年年霾日少,弱季风年大部份年霾日多。I_(SHI)指数与I_(EAWM)指数的年代际变化与霾日的年代际变化相关性明显,相关系数分别为-0.420和-0.387,都达到了α=0.01的显著性检验标准。(11)47年来,大气能见度处于稳定的下降趋势。年霾日数占差能见度日(能见度在1km至10km之间)的百分比越来越高,1961年只占11.9%,而到2007年占到了51.7%,增加了4.34倍,霾现象对能见度的影响越来越大。优能见度日、差能见度日与年霾日序列的相关系数分别达到了-0.783和0.785,相关性明显。(12)霾现象导致地面太阳辐射和日照时数明显减少。1997-2007十年平均太阳总辐射比20世纪60年代足足降低了10.7%;1997-2007十年平均日照时数比20世纪60年代减少了213个小时,降低了将近10.1%。(13)霾天气主体区域的光学厚度值要比非霾主体区域站点的光学厚度平均值高出四分之一多,说明霾对大气光学厚度有着明显的影响。计算霾天气主体区域站点的光学厚度与年霾日的相关系数达到了0.773,远远超出了α=0.001的显著性检验标准,说明霾现象直接导致了大气光学厚度的增加。(14)城市站点热岛效应随年霾日增多而增强,考察北京等12个城市城市热岛的强度与霾现象的相关系数,大部份站点存在正的相关性,如上海的相关系数有0.767,远远超过了α=0.001的信度检验标准。


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