浦口霾日突变影响因素分析

时间：2024-05-24

陈其旭

（南京市浦口区气象局，南京211800）

0 引言

在分析霾日变化特征时，发现霾日数据存在不连续的现象。为避免因数据不准确而产生分析误差，需要对影响霾日的各种因素进行分析[1-2]。很多专家学者对影响霾日的因素做了大量的研究工作[3-5]。魏建苏等[6]对南京霾日分析后，得出大气颗粒物（特别是细颗粒物）污染加剧很可能是南京霾天气频发的一个重要原因的结论；田心如等[7]分析了江苏霾日特征，发现2011年之后霾日呈急剧上升趋势，且2011年之后的江苏霾日逐年大幅增多与气象条件的变化关系不大，霾日明显增多的关键原因可能是污染物的明显增多；宋娟等[8]通过对快速城市化对雾霾的影响分析，表明城市化的快速发展是导致霾日上升的重要原因。以上研究都取得了一定的成果，但这些研究都是从气象条件和空气质量的角度展开分析，还不够全面，需要对气象条件和空气质量之外的影响因子进行研究。

本研究利用多种统计方法[9]，并结合台站档案变动情况表，分析人为因素和观测环境的变化，霾判别标准的改变和能见度自动观测等非气象条件和空气质量因素对霾日的影响程度，以期为今后进行霾日订正和研究提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究所用资料为浦口1981—2017年霾日年、月资料，2014—2016年每天逐小时能见度和相对湿度自动观测数据。

浦口自建站以来，只是在2013年发生站址变动（由浦口区江浦街道西门迁至老山脚下），新旧站址距离在3 km之内，对霾日不造成明显影响。

1.2 分析处理方法

数据分析采用趋势分析法、对比分析法和数据细化分析法[10-11]。采用线性倾向估计和累积距平对霾日变化趋势进行分析，突变检测采用M-K检验和滑动t检验，并结合累积距平和序列自身演变综合判定突变点[12-14]。

1.3 霾判别标准的演变历程

1.3.1 标准1 2007年之前，当V＜10 km时（V是能见度），U≤60%记霾（U是相对湿度）；U≥80%记轻雾或雾；60%＜U＜80%之间观测员灵活判断。

1.3.2 标准2 2007年江苏省气象局业务处下发了霾的判断标准，标准规定：当V＜10 km时，U≤60%记霾；U≥80%记轻雾或雾；60%＜U＜80%之间，用公式U＇=80-(V2/5)的计算值作为霾的判断指标，当U＜U＇时，记霾，U≥U＇时记轻雾。

1.3.3 标准3[15]2017年9月开始执行最新观测标准，以相对湿度80%和自动观测能见度小于7.5 km作为分界线（注：自动观测能见度7.5 km等同于人工观测10 km）。当U＜80%且V＜7.5 km时记霾，并且连续6 h及以上有霾，算1个霾日。也就是有霾，但不一定能达到霾日的标准，该标准简单易行且符合天气学原理，这也是与之前标准最大的不同，以前只要有0.5 h以上达到霾的标准就可以算1个霾日。

2 结果与分析

2.1 年霾日特征分析

从图1可见，霾日总体呈上升趋势，倾向值b=5.014，相关系数|r|＞r0.05=0.325，上升趋势非常显著。从图2可以看出，1981—2017年浦口霾日明显可以分为2个阶段，以2007年为界，1981—2006年为偏少阶段，2007—2017年为偏多阶段；其中，1988—1999年异常偏少，2011—2015年异常偏多。通过与江苏省霾日变化趋势和南京站霾日变化趋势比较[7]，1988—1999年异常偏少与实际不符，2011—2015年异常偏多与全省霾日变化趋势一致。

图1 1981—2017年霾日及线性倾向估计

图2 1981—2017年霾日累积距平曲线

2.2 月霾日特征分析

图3 1981—2017年月霾日出现频率

从图3可以看出，月霾日出现频率在8%～25%之间，霾日出现频率最高与最低之间相差3倍以上，差异非常明显。7—9月霾日出现频率最低，霾日出现频率都未超过10%，8月霾日出现频率仅有8%；1月、6月和11—12月霾日出现频率都达到了20%，12月霾日出现频率高达25%。浦口霾日月变化特征与全省基本一致。

2.3 霾日突变检验

本研究所述的突变是指人工观测天气现象有一些非规律性、非线性的“突变过程”，即由一种稳定状态短时间内跳跃式地变成另一种稳定状态的现象[16-18]。对1981—2017年浦口年霾日进行M-K检验（见图4），结果表明，浦口年霾日在2007年前后发生了1次明显的突变，与累积距平变化趋势基本一致（见图2）；1989—2001年霾日变化趋势超过显著性水平0.05临界值。从M-K检验的UF曲线可以看出，2000年是浦口霾日变化的临界点，由之前的下降转为上升趋势。用4年、5年、6年和7年滑动t检验对年霾日进行突变检测（见图5a～d），结果表明，2000年和2010年前后突变最明显，在1988年和2006年前后也都检测到突变。根据检验结果和图1、表1，并结合直观分析，确定1988年、2000年、2007年、2011年和2016年为突变点。通过对霾日突变点前后的历史数据分析（见表1），结果表明突变前后的差值明显，其中，最大差值达到120天以上，最小也达到27.2天。

图4 1981—2017年M-K检验统计量曲线

2.4 霾日突变影响因素分析

1981—2017 年浦口霾日共出现了5次突变，而且2000年以来就发生了4次，其中，2007年比2006年霾日多1.7倍，2011年比2010年霾日多1.2倍，如此频繁的剧烈变化不可能是气象条件和空气质量突然改变造成的[19-20]。为了弄清楚造成霾日突变的原因，普查了浦口1981年以来的每年台站档案变动情况表和大事记，发现除去气象条件、空气质量、城市建设和大气污染防控力度加大等影响因素之外，1988年、2000年、2007年和2011年4次突变都与霾判别标准的变动、能见度自动观测、人为因素和观测环境的变化等4个因素有关，并且突变点与影响因素改变的时间点基本是吻合的。以下重点分析各种因素对霾日的影响程度。

2.4.1 霾判别标准改变对霾日的影响

（1）不同判别标准对霾日的影响分析[21-23]。1981—2006年按照标准1规定记录霾，霾的判别主要依靠观测员主观判断为主，没有定量的标准，观测员业务能力和探测环境好坏对霾日的多少起主要作用，判别标准对霾日的影响不大，也是造成这一时期霾日偏少的主要原因；2007年开始霾的判别标准发生重大调整，按标准2的相关规定记录霾，从2007年1月开始霾日持续上升（见图6），霾日上升趋势的倾向值b=0.31，相关系数|r|＞r0.05，上升趋势非常显著；2017年9月，霾判别标准再次发生重大改变，开始按照标准3记录霾日，同样的观测数据之前可以算1个霾日，而新标准则达不到记录霾日的规定，霾日呈现下降趋势（见图7），霾日下降趋势的倾向值b=0.505，相关系数|r|＞r0.05，下降趋势显著。2007年和2017年9月2次霾判别标准的改变对霾日影响都非常明显。

（2）2014—2016年标准2和标准3霾日对比分析[24]。笔者选取2014—2016年3年每小时能见度和相对湿度按照标准3重新统计霾日（见表2）。从表2的统计结果可以发现，2014—2016年各月按标准3统计的霾日都小于或等于标准2的霾日。2014—2016年月霾日减少最多的分别是3—5月和9月，霾日减少都达到40%或以上；1月和6—7月减少不明显。2014年3月和2015年5月和9月霾日减少的天数都达到10天或以上。

图5 霾日多年滑动统计量

表1 霾日突变前后的数据分析

3年霾日总天数由579天下降为418天，霾日减少了28%。2014年和2015年霾日分别减少61天和67天。

2.4.2 能见度自动观测对霾日的影响分析 2011年下半年能见度自动观测仪器投入业务使用，观测员在进行人工目测能见度时，参考了能见度自动观测仪器的数据，因此，霾日开始明显增加，2012年比2011年霾日多34%，从2010—2012年各月霾日变化图可以清晰看出，能见度自动观测仪器使用对霾日的影响非常大（见图8），霾日上升趋势的倾向值b=0.571，相关系数|r|＞r0.05，上升趋势非常显著。田心如等将2011年后的霾日极剧上升归结于污染物的增多是不全面的，并没有考虑到能见度观测由人工观测改为自动观测对霾日的影响。因此，2011年开始霾日极剧上升与影响霾日的气象条件之间的对应关系不一致原因，主要是能见度观测由目测变为器测造成。

图6 2006—2007年各月霾日及线性倾向估计

图7 2017年1月—2018年2月各月霾日及线性倾向估计

2.4.3 人为因素对霾日的影响分析查阅浦口台站档案变动情况表和大事记发现，1988—1999年浦口观测员频繁变动，地面气象观测都是以年轻观测员为主，对能见度的观测能力欠缺，能见度普遍偏大，加上对霾的判别标准理解不透彻，把本应记录霾的，记录成了轻雾，造成1988—1999年浦口霾日异常偏少，年霾日都没有超过10天，有8年霾日少于5天，其中，1993年、1996年、1998年都未出现霾。经与江苏省平均值比较，并结合霾日影响因素分析，1988—1999年浦口年霾日应该在20～40天之间才算合理。因此，1988—1999年霾日数据已经不具有使用价值。经与南京站相比[25]，2站霾日相差巨大，也从另外一个角度反映出人为因素对霾日的影响特别明显，特别是在不同台站之间表现得更为突出。

表2 2014—2016年标准2和标准3霾日

图8 2010—2012年各月霾日及线性倾向估计

2.4.4 观测环境变化对霾日的影响分析 2000年开始浦口气象观测值班室由1楼搬到了5楼，观测员的视野相对开阔，能见度的观测比较准确，并且年轻观测员业务能力也有了一定的提高。因此，霾日开始缓慢上升，2000年霾日达到20天，比1999年霾日多17天，2001年又比2000年多20天，浦口霾日也接近全省常年平均值，数据逐渐趋于正常。