1960-2021年黑龙江省霾日数时空分布特征

杨 帆，滕 潘，于 璐，李冬楠，王冬冬

（1.黑龙江省气象局机关服务中心，黑龙江 哈尔滨 150030；2.黑龙江省气象灾害防御技术中心，黑龙江 哈尔滨 150030；3.黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨 150030；4.黑龙江省人工影响天气办公室，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 引言

霾是指大量极细微的颗粒物均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10 km 的空气普通混浊现象，形成霾的微小颗粒物的尺度大多小于1 μm，肉眼不可见，这些颗粒物主要来自人类活动直接排放(如工业排放、汽车尾气、建筑扬尘等)，与气态污染物二次转化形成的二次气溶胶(如PM2.5)，以及自然界(如火山爆发、森林火灾等)排放。霾能使远处光亮物体微带黄、红色，使黑暗物体微带蓝色。 《气候变化绿皮书：应对气候变化报告(2013)》指出[1]，我国雾霾天气增多最主要原因是社会化石能源消费增多造成的大气污染物排放逐年增加。 除人类活动，气候变化导致的有利于雾霾发生的气象条件频繁出现， 也是造成雾霾天气增多的原因。 霾的形成，大量污染物的排放是主因，而逆温层造成的大气层结稳定，风力小，气象条件不利于污染物的扩散， 导致污染物不断累积是霾形成的外部条件。 水汽含量高和紫外线强烈也是触发由二次气溶胶组成的霾生成的一个重要因素。

多年来，国内学者对我国霾天气变化特征开展了大量的研究工作。 我国霾日数呈现东多西少特征[2]，霾天气主要集中在东部从华南到华北的大部分地区[3]，年均霾日总体呈“先上升-后平稳-再迅速上升”波动增加趋势[4-8]，霾天气在华南、华北、长江中下游呈增多趋势， 而我国西部和东北地区则以减少趋势为主[2-4]。 我国西部大部分地区多年平均霾日数基本都在5 d 以下，东部地区除东北和内蒙古中东部地区霾日数较少外，华北、长江中下游、华南等地霾日数有5-30 d，其中广东中部、广西东北部、江西北部、浙江北部、江苏南部、河南中部、山西南部、河北中部等地超过30 d[9]。 我国东部严重霾污染主要是人类活动形成的，尤其是二次气溶胶，在城市区域占细粒子的70%以上。 统计数据显示，我国霾天气成因具有明显的季节性变化， 我国大部分地区霾日数呈现冬季多，春秋次之，夏季最少的特征[2-4]。 1-12月份的年均霾日数呈U 型分布， 且所有月份的平均霾日数均呈增加趋势[7]，秋冬两季变化最明显[3]。

高密度人口的经济及社会活动必然引发大量细颗粒物的排放，在特定天气条件下，极易出现大范围的雾或霾。 随着黑龙江省城市建设和交通路网的快速发展，霾的不利影响越来越大。2010年以来的秋冬季节， 气候偏暖等气象条件加上供暖燃煤排放和秸秆集中焚烧的影响，雾和霾发生频率明显增加，带来的不利影响也十分显著。 2013年10月20-22日，黑龙江省已进入供暖期， 加之农民集中焚烧秸秆和持续静稳天气影响， 严重的雾和霾同时侵袭并盘踞东北，这次雾和霾天气过程被评为2013年中国十大天气气候事件之一，部分地区能见度在500 m 以下，局部不足10 m，哈尔滨PM2.5 高达1000 μg/m3，空气质量达到“严重污染”级别，致使东北三省一些城市交通瘫痪、高速路封闭、呼吸系统疾病患者激增，数千所学校停课[10]。 因此，研究黑龙江地区霾的时空分布特征对霾的预测评估、防治都有重要意义。 本文利用黑龙江省1960-2021年现有的数据分析了黑龙江省霾日在时间、空间上的分布特征，以期为雾霾的进一步研究提供有益借鉴。

2 资料与方法

2.1 资料

黑龙江省共辖13 个地级行政区， 包括12 个地级市、1 个地区，分别是哈尔滨市、齐齐哈尔市、鸡西市、鹤岗市、双鸭山市、大庆市、伊春市、佳木斯市、七台河市、牡丹江市、黑河市、绥化市、大兴安岭地区。

本文数据依托全国综合气象信息共享平台（CIMISS），选取黑龙江省84 个气象站1960年1月-2022年2月霾日数的月数据统计分析。 黑龙江省气候寒冷，冬季漫长，按照自然季节划分，春季为3-5月，夏季为6-8月，秋季为9-10月，冬季为11月-次年2月。 因此2021年冬季的数据为2021年11月-2022年2月。

2.2 空间插值

一般情况下采集到各气象站观测数据都是离散点的形式存在的， 只有在这些采样点上才有较为准确的数值，而其它未采样点上都没有数值。 通过栅格插值运算生成一个连续的栅格表面， 实现通过已采样点的数值来推算未采样点值。 本文采用反距离权重插值(IDW)进行空间插值，计算方法：

式(1)中，Zn 为插值网格上点n 估计的霾日数；Z(xi) 为站点观测气象要素值；di 为插值点与站点的距离；n 为气象站点的数目；k 为指定的距离幂指数。

IDW (Inverse Distance Weighted) 是一种均分过程， 它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大，通过对邻近区域的每个采样点值平均运算获得内插单元值。

3 结果与分析

3.1 多年平均年霾日数空间分布特征

1960-2021年黑龙江省多年平均霾日为3.4 d/a，从空间分布角度分析，整体呈北少、南多的特征(图1)。 多年平均年霾日数较多的地区为哈尔滨呼兰12.8 d、大庆11.6 d、哈尔滨通河10.4 d，其余地区多年平均年霾日都不超过10 d。年平均霾日＜1 d 的站点有17 个，占总站点的20%。 如大兴安岭、伊春、黑河、双鸭山等部分地区平均年霾日不足1 d，佳木斯同江几乎没有发生过霾天气。 霾的时空分布与城市化进程、工业结构密切相关，所以作为省会城市的哈尔滨市， 是黑龙江省最容易发生严重霾的地区。 另外，霾的形成需要近地面有充足的细小颗粒物，松嫩平原遇到偏南或偏东暖湿气流时，大、小兴安岭阻碍水汽和各种细小颗粒物的水平扩散， 也有利于形成霾[11]。

图1 黑龙江省1960-2021年平均年霾日数分布图

3.2 霾的月、季变化特征

黑龙江省霾有明显的季变化和月变化， 霾主要出现在冬、春季节，从月际变化特征分析，霾日数月平均数据呈现U 型分布(图2)，10月至次年2月是一年当中霾发生次数最多的时段。 12月和1月霾天气日数偏多，2 个月霾日数的总和达到全年的39%；9月霾天气日数最少，约占全年的1%。

图2 黑龙江省1960-2021年平均霾日数月际变化

霾是由排除云雾降水粒子之后， 大气气溶胶中的非水成物组成的，其主要成分为微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，这些粒子多来自地面上的排放。 如图3 所示， 黑龙江省大范围灾害性霾日数在2010年以后呈明显增加趋势，之前的50 余年霾天气发生是零星的，并多发生在70、80年代，尤其1980年8月总平均霾日超过3 d， 该月霾日超过3 d 的行政区有8个，其中有4 个行政区在该月霾日超过5 d。 在一个月中平均霾日出现10 d 以上有五个地区：哈尔滨、齐齐哈尔、大庆、七台河、绥化。 其中哈尔滨市是一个月里出现10 d 以上霾最多地区，有7 个月，发生霾天气最多月份在2017年1月为14.7 d。 全省各行政区月霾日出现最多的月份在大庆市2020年1月，该月大庆市平均有17.4 d 都发生霾天气。

图3 1960-2021年黑龙江省平均霾日历年及四季变化图

3.3 霾日数的年代际变化特征

自20 世纪60年代至80年代每年出现霾日基本维持在1 d 左右，1990年代后有明显减少，21 世纪10年代以来又有增加趋势，上升幅度明显。雾日年代际变化趋势与霾相同， 但是雾日年代际天数差异不太明显。 因此2010年以后霾日数呈明显增加，绝大部分是由于人类活动影响的气溶胶颗粒污染造成的。

表1 黑龙江省各时期平均年雾、霾日数

20 世纪60年代黑龙江省霾日范围为0-10.2 d，高霾日地区为：绥化兰西(10.2 d)、大庆杜尔伯特(7.6 d)、伊春五营(6 d)、齐齐哈尔依安(5.3 d)，其余地区霾日为5 d 以下。 1970 s 较1960 s 霾日数有所增加，最高值达到21.8 d(伊春五营)，哈尔滨市、牡丹江市部分地区开始出现霾天气。 各年代际间年均霾日不足1 d区域几乎可以看作无霾天气发生，1980 s 到2000 s霾日不超过1 d 的区域范围在逐渐扩大，霾日年代际变化呈减少趋势。霾日范围1980 s 最高9.4 d、1990 s降到最高6.3 d、2000 s 最高2.3 d， 最高霾日呈逐年代递减。 图4(f)可以看出，霾天气主要出现在黑龙江省的南部，2010 s 霾日数＞10 d 的区域占44%， 增加最多的区域为哈尔滨市，其次是绥化市。近62 a 线性倾向率增加最多的为哈尔滨通河8.3 d/10a， 其次为绥化6.8 d/10a。 哈尔滨呼兰达到最高值，年平均霾日72 d。 1960 s-2000 s 各年代际霾多发的伊春地区，在2010 s 大多数区域霾都剧烈增加的时候， 反而保持了霾日＜1 d。

3.4 黑龙江省霾日的跃迁

从图3 和图4 可以看出黑龙江省霾日主要在2014年以后频发，呈显著增加。 1960-2013年霾日数变化相对平缓稳定的， 甚至出现多次全省全年霾日为个位数， 其中1992年、2009年、2012年全省全年霾日只有1 d，分别在五营、伊春、同江。 然而，到了2014年，霾日骤然增加，1960-2013年霾日每年平均不足1 d，2014-2021年平均霾日增至为20 d/a。

图4 （a）1960-1969年（b）1970-1979年（c）1980-1989年（d）1990-1999年（e）2000-2009年（f）2010-2019年黑龙江省霾日分布图

2014-2021年黑龙江省霾日时空分布变化具体如图5 所示，2014年平均年霾日为10.2 d；2015年为16.3 d；2016年为历年来第一次超过了30 d， 达到34.2 d；2017年 为 近62 a 历 史 最 多， 达 到34.4 d；2018年为11.3 d；2019年为15.1 d；2020年 为19.2 d；2021年为19.1 d。 整体霾日仍呈北少南多的特征，加格达奇一直保持每年0 霾日。2014-2021年黑龙江省内每年霾发生最多的地区分别为哈尔滨五常（129 d）、大庆肇州（160 d）、哈尔滨呼兰（346 d）、哈尔滨呼兰（276 d）、绥化海伦（64 d）、绥化海伦（75 d）、大庆肇源（62 d）、绥化海伦（79 d）。

图5 （a）2014年（b）2015年（c）2016年（d）2017年（e）2018年（f）2019年（g）2020年（h）2021年黑龙江省霾日分布图

从图5 整体看出，霾日发生范围在扩大，2014年年霾日数为0 d 的站点有30 个，2015年有30 个，2016年有33 个，2017年有15 个，2018年有20 个，2019年 有11 个，2020年 有7 个，2021年 就 只 有5个。 2014年年霾日数超过100 d 的站点只有1 个，2016、2017年多地出现年霾日超200 d 的情况，2018年以后再无年霾日超80 d 的地区， 霾日普遍有所减少，但是到了21 世纪20年代，大部分地区霾日又都明显增加了。如图5h 所示，2021年年霾日数在10.1-50 d 的站点有43 个，占总站点数一半以上。 图5c 表明黑龙江省地区内近62 a 来， 哈尔滨市呼兰区在2016年一年内霾发生天数最多，超过300 d，一年中近94.5%天都有霾发生。呼兰区加强了对全区大气污染综合治理工作，改善环境空气质量，颁布实施《呼兰区2018年大气污染综合治理行动方案》等措施办法，呼兰区霾日数从2017年276 d，到2018年迅速降至34 d， 并且保持逐年减少，2019年为29 d、2020年为18 d、2021年为16 d。

4 结论与讨论

(1)1960-2021年黑龙江省多年平均霾日为3.4 d/a。2014年以后霾日显著增加，1960-2013年每年霾日平均不足1 d，2014-2021年平均霾日增至20 d/a。空间分布呈现北少、南多的特征，线性倾向率增加最多的为哈尔滨通河8.3 d/10a。

(2)霾年代际变化特征呈现1960 s 到1970 s 增加，1970 s 到2000 s 逐年代减少，2010 s 又有增加趋势，2020年以后上升幅度明显。 20 世纪60年代霾日数为1 d、70年代为1.3 d、80年代为0.9 d、90年代为0.2 d、21 世纪初仍为0.2 d、21 世纪10年代剧增至12.2 d。 2017年为黑龙江省近62 a年平均霾日最多，达到34.4 d。

(3)黑龙江省霾天气有明显的季变化和月变化，主要出现在冬、春季节，从月际变化特征分析，霾日数月平均数据呈现U 型分布，10月至次年2月是一年当中霾发生次数最多的时段。 各行政区月霾日出现最多的区域为大庆， 发生在2020年1月， 达到17.4 d。

(4)霾的时空分布与城市化进程、工业结构密切相关，2010年以后黑龙江省大部分地区霾日数都呈明显增加趋势， 但是之前霾多发地区伊春反而都得到控制呈减少趋势，并且年霾日＜1 d。 哈尔滨作为省会城市容易发生严重霾天气，2016年哈尔滨呼兰一年发生霾天气达到346 d，为62 a 以来黑龙江省一年内霾发生天数最多地区。 得到治理改善后，呼兰霾日逐年减少，2017年为276 d，2018年迅速降至34 d，2019年为29 d，2020年为18 d，2021年为16 d。