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鄭敬剛1，  吳燕鋒2

1. 許昌學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，河南許昌461000；
2. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

摘  要：基于烏魯木齊市1973-2012年逐口氣溫、降水、風(fēng)速、能見(jiàn)度等資料，分析了霾日數(shù)的時(shí)間變化特征及其與氣象因子的關(guān)系。結(jié)果表明：烏魯木齊霾主要發(fā)生在冬半年，其中10月霾日數(shù)最多；夏半年發(fā)生較少。年霾口數(shù)、年霾最大持續(xù)日數(shù)、輕度霾日數(shù)、中度霾和重度霾日數(shù)總體都呈減少趨勢(shì)，且都在1981-1990年發(fā)生最多，在1991-2000年發(fā)生最少。年霾日數(shù)存在18-20 a的周期，并在1990年發(fā)生減少突變。霾日數(shù)與氣象因子有密切的相關(guān)性，平均水汽壓、年平均相對(duì)濕度和年降水量與霾日數(shù)呈正相關(guān)，風(fēng)速和平均氣溫與霾日數(shù)呈負(fù)相關(guān)，日照時(shí)數(shù)與霾日數(shù)相關(guān)性不顯著。

關(guān)鍵詞：烏魯木齊；霾日數(shù)；變化；氣象因子

中圖分類號(hào)：X830.2  文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A    doi：l0.3969/j .issn．1003-6504.2015.11.030  文章編號(hào)：1003-6504(2015)11-0165-05

    由于人口劇增、工業(yè)及交通發(fā)展等帶來(lái)了城市污染氣體的增加，致使城市環(huán)境每況愈下。霾作為當(dāng)前城市常見(jiàn)的一種大氣污染形式，是指大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10km的空氣普遍混濁現(xiàn)象。由于霾不僅能導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降進(jìn)而誘發(fā)呼吸道疾病及心血管等疾病，還能影響地氣系統(tǒng)的輻射收支并改變區(qū)域氣候效應(yīng)，因此，霾對(duì)城市環(huán)境、區(qū)域氣候和人類健康有極大的影響。我國(guó)學(xué)者基于觀測(cè)記錄和氣象數(shù)據(jù)開展了對(duì)霾日數(shù)時(shí)空演變特征的研究，表明我國(guó)霾日數(shù)在不同地區(qū)變化趨勢(shì)有較大差異，華南、長(zhǎng)江中下游、華北等地霾日數(shù)呈增加趨勢(shì)，其中主要霾日數(shù)冬半年居多，且冬季最多；東北、西北東部、西南東部霾日數(shù)呈減少趨勢(shì)。另外，也有學(xué)者對(duì)氣象因子與霾的形成、持續(xù)時(shí)間、發(fā)生日數(shù)的關(guān)系開展了一些研究。

    烏魯木齊市是新疆自治區(qū)首府，東部、西部、南部三面環(huán)山且位于烏魯木齊河河谷，特殊的山谷地形造成冬季的逆溫層，大氣處于超穩(wěn)定狀態(tài)，很難形成空氣的垂直運(yùn)動(dòng)。加上冬季受蒙古冷高壓控制，天氣現(xiàn)象穩(wěn)定，城市氣流不易水平流動(dòng)，使污染物的擴(kuò)散與稀釋難以進(jìn)行，空氣污染嚴(yán)重，成為中國(guó)污染較為嚴(yán)重和霾較易發(fā)的城市之一。前人對(duì)烏魯木齊的空氣質(zhì)量、污染物濃度、成因及其與疾病發(fā)生的關(guān)系等開展了研究，而對(duì)于霾的研究較少。因此，本文基于烏魯木齊市氣象資料，分析霾日數(shù)時(shí)間變化特征及其氣候要素，從而有助于進(jìn)一步研究烏魯木齊大氣污染狀況，為當(dāng)?shù)卣�府減災(zāi)防災(zāi)提供理論參考。

1  數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

    本文所用的1973-2012年烏魯木齊逐日氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)( http://cdc.cma.gov.cn)。主要包括天氣現(xiàn)象、能見(jiàn)度、相對(duì)濕度和氣溫?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)了限值檢查、極值檢查、內(nèi)部一致性檢查和時(shí)間一致性檢查等。霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，是近地面層空氣中水汽凝結(jié)（或凝華）的產(chǎn)物。前人研究表明：當(dāng)滿足任意一次能見(jiàn)度<10 km，且相對(duì)濕度<90%，并排除降水、吹雪、雪暴、揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵和煙幕等其他導(dǎo)致低能見(jiàn)度事件的情況為一個(gè)霾日。根據(jù)不同的能見(jiàn)度( visibility，VIS)等級(jí)將霾分為4個(gè)等級(jí)，5 km≤VIS<lO km輕微霾，3km≤VIS<5 km輕度霾，2 km≤VIS<3 km中度霾，VIS<2 km重度霾�；�于逐日氣象數(shù)據(jù)，對(duì)逐月（1-12月）、逐年和年代(1973-1980年為l970s，1981-1990年為l980s，1991 -2000年為l990s，2001-2012年為2000s）的不同等級(jí)霾日數(shù)、霾總?cè)諗?shù)、霾最大持續(xù)日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

    運(yùn)用小波分析法探究霾日數(shù)的周期特征，并運(yùn)用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)探究其突變特征，最后基于交叉小波分析霾日數(shù)與氣象因子的相關(guān)性。

2  結(jié)果

2.1  霾日數(shù)年際和年內(nèi)變化特征

    圖l(a)為1973-2012年烏魯木齊霾日數(shù)年際變化曲線�？梢钥闯�，研究時(shí)段內(nèi)烏魯木齊平均年霾日數(shù)為69.58 d，其中最多霾日數(shù)達(dá)133 d，發(fā)生在1984年；最少霾日數(shù)為20 d，發(fā)生在1996年。過(guò)去40 a，烏魯木齊霾日數(shù)總體呈減少趨勢(shì)，減少速率為8.2 d/10 a，這表明烏魯木齊質(zhì)量有所改善。年代變化可以看出，1980s是霾日數(shù)多發(fā)期，年代平均霾日數(shù)為104.2 d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于多年霾日數(shù)的均值；1990s是霾日數(shù)少發(fā)期，年代霾日數(shù)均值為49.4 d；1970s和2000-2012年均值大致相當(dāng)，分別為63.25 d和61.75d。因此，烏魯木齊霾日數(shù)經(jīng)歷了先增減后減少的變化過(guò)程。圖1(b)是1973-2012年烏魯木齊市各月霾累計(jì)發(fā)生日數(shù)圖。從圖3可見(jiàn)，烏魯木齊市霾各月日數(shù)差異很大，全年基本呈單谷型分布。全年霾日數(shù)最低值出現(xiàn)在初夏，即6月最少(4 d)，隨后霾日數(shù)在7月和8月緩慢增加，在9月份迅速上升，進(jìn)入10月份達(dá)到最大值(641 d)，隨后在10月和11月維持較高的日數(shù)（分別為630 d和620 d）；在次年1月減少至337 d，隨后逐漸減少�？梢钥闯�，烏魯木齊市秋冬季節(jié)是霾多發(fā)期，而在春夏季節(jié)霾發(fā)生較少。

2.2  年霾最大持續(xù)日數(shù)變化特征

    圖2給出了1973-2012年最大霾持續(xù)日數(shù)變化曲線�？梢钥闯觯�最大霾持續(xù)日數(shù)變化過(guò)程與霾日數(shù)年際變化曲線相似。過(guò)去40 a，烏魯木齊市最大霾持續(xù)日數(shù)以3.22 d/( 10 a)的速率減少；霾持續(xù)日數(shù)最多的發(fā)生在1973年，為47 d；在1995年、1996年和1998年霾持續(xù)日數(shù)最少，都為3d。年代變化上，最大霾持續(xù)日數(shù)在l980s持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)到了21.1 d；其次是在l970s，為15.38 d，l990s和2000s持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，分別為7.3 d和10.8 d。

2.3  不同等級(jí)霾日數(shù)變化特征

    為進(jìn)一步探究烏魯木齊霾變化特征，分別對(duì)輕度霾、中度霾和重度霾日數(shù)的年際和年代變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3�？梢钥闯�，輕度霾(圖3(a))、中度霾(圖3(b))和重度霾(圖3(c))日數(shù)都呈明顯的減少趨勢(shì)，其中，輕度霾日數(shù)較少趨勢(shì)最為明顯(-2.39/(10 a))，重度霾日數(shù)次之(-0.28/(10 a》，中度霾略呈較少趨勢(shì)(-0.19/(10 a》。3種等級(jí)霾日數(shù)中，輕度霾(圖3(a))發(fā)生日數(shù)最多，過(guò)去40 a均值為9.5 d；其次為中度霾日數(shù)，40 a均值為1.93 d；重度霾日數(shù)最少，40 a均值僅為1.65 d。年際變化上，輕度霾、中度霾和重度霾日數(shù)大致都呈現(xiàn)先增多一后減少一再增多的變化過(guò)程，且都在1984年前后達(dá)到最大值。年代變化上，3種等級(jí)霾日數(shù)年代變化具有一致性，年代均值大小為：1980s>1970s>2000s>1990s。綜合分析可以看出，烏魯木齊在l980s污染最為嚴(yán)重，尤其是在1984年前后最為嚴(yán)重。

2.4  年霾日數(shù)的突變特征和周期特征

    為探究年霾日數(shù)的周期變換特征，采用Morlet小波變換進(jìn)行了分析研究，做出了相應(yīng)的時(shí)頻分布圖，如圖4(a)。淺色表示相對(duì)高值區(qū)，即霾日數(shù)偏多，黑色則反之。可以看出，過(guò)去40 a烏魯木齊霾日數(shù)存在著大周期嵌套小周期的復(fù)雜過(guò)程。大尺度周期上看，存在18-20 a的周期變換，小尺度上，在1973-1995年存在7-9 a左右的周期變換。其中18-20 a的周期可以看出霾日數(shù)經(jīng)歷了偏少一偏多一再偏少一再偏多的變化過(guò)程，且在1984年前后達(dá)到最高值。Mann-Kendall突變分析則可以看出(圖4(b))，霾日數(shù)在1990年開始發(fā)生減少突變，且在1995年達(dá)到顯著水平（超越0.05顯著水平線）；經(jīng)計(jì)算，其Z值為-2.19，表明了霾日數(shù)總體呈現(xiàn)的減少趨勢(shì)，這與前文趨勢(shì)分析法的結(jié)果是一致的。

2.5  霾日數(shù)與氣象因子的關(guān)系

    霾的形成、持續(xù)以及消散與氣象因子有很大的關(guān)系，因此本文采用交叉小波探究年霾日數(shù)和6種氣象因子的相關(guān)性。交叉小波譜是通過(guò)對(duì)不同因子的小波系數(shù)求積而得，它能夠揭示2個(gè)時(shí)間序列在不同時(shí)間尺度下的相互關(guān)系，系數(shù)越大，相關(guān)性越好。圖5反映了烏魯木齊年霾日數(shù)和主要?dú)庀笠蜃又�間的多尺度相關(guān)關(guān)系（箭頭向右表示正相關(guān)，箭頭向左表示負(fù)相關(guān)，黑色細(xì)線為小波影響錐，圖中顏色自藍(lán)色到紅色表示相關(guān)系數(shù)由小逐漸變大）。圖5中黑色粗線包圍的區(qū)域表示相關(guān)性達(dá)到95%置信水平的噪聲檢驗(yàn)。

    圖5可以看出，年霾日數(shù)與6種氣象因子相關(guān)性在不同時(shí)間尺度總體上差異較大。平均水汽壓與年霾日數(shù)的相關(guān)性有明顯的時(shí)段性(圖5(a))，在2.5-4.6 a周期內(nèi)，在1990年以前以正相關(guān)為主，且達(dá)到顯著水平；1995-2000年則以負(fù)相關(guān)為主，但未達(dá)到顯著水平；而在大于5a周期變換尺度上，兩者以正相關(guān)為主，但未達(dá)到顯著水平。年平均相對(duì)濕度與年霾日數(shù)的相關(guān)性有明顯的時(shí)段性(圖5(b))；在1-4.9 a周期內(nèi)，1973-1990年呈正相關(guān)且達(dá)到顯著水平；而在1993-2003年以負(fù)相關(guān)為主；在大周期變化尺度上，兩者以正相關(guān)為主，且在1995-2013年的9-12 a周期達(dá)到顯著水平。年霾日數(shù)與年平均風(fēng)速(圖5(c))總體上呈現(xiàn)1993年前以負(fù)相關(guān)為主，之后以正相關(guān)為主，但僅僅在1-2.5 a周期內(nèi)達(dá)到顯著水平。年平均氣溫與年霾日數(shù)的相關(guān)性在不同周期尺度和不同年份有較大的變化(圖5(d))，其中在2.8-5.5 a周期的1973 -1992年呈顯著負(fù)相關(guān)，在6.5-9.2 a周期的1973-1994a呈顯著正相關(guān)，在1995年以后，隨著周期尺度的增加呈現(xiàn)由正相關(guān)逐漸向負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變。降水量的變化與霾日數(shù)大致以5a周期為尺度分界線(圖5(e))；在5 a周期內(nèi)，1990年之前正相關(guān)為主，之后則以負(fù)相關(guān)為主，且都達(dá)到了顯著水平；而在大于5a周期內(nèi)，1990年之前，兩者的相關(guān)性隨著周期尺度的拉大，由負(fù)相關(guān)逐漸向正相關(guān)轉(zhuǎn)變；1990年之后則以負(fù)相關(guān)為主。年日照時(shí)數(shù)的變化與霾日數(shù)總體以負(fù)相關(guān)為主(圖5(f))，且負(fù)相關(guān)在1~3.1 a周期的1971-1978年、1-2.2 a周期的2008-2012年、4.4-7.1 a周期的1995-2012年達(dá)到顯著水平；而在8.3-10.8 a周期的1973-1984年成正相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平。

    前文趨勢(shì)分析和Mann-Kendall分析研究表明，烏魯木齊霾日數(shù)整體變化經(jīng)歷了先增加后減少的變化過(guò)程，且大致以l980s末和l990s初為分界線，結(jié)合交叉小波綜合分析可以看出，平均水汽壓、年相對(duì)濕度、年平均風(fēng)速、年平均氣溫和年降水量與霾日數(shù)的關(guān)系也有明顯的時(shí)段性，表明平均水汽壓、年相對(duì)濕度、年平均風(fēng)速、年平均氣溫和年降水量與霾的形成密切相關(guān)，而日照時(shí)數(shù)相關(guān)性不大。綜合分析表明，平均水汽壓、年平均相對(duì)濕度和年降水量與霾日數(shù)呈正相關(guān)，風(fēng)速和平均氣溫與霾日數(shù)呈負(fù)相關(guān)。降水的沖刷作用一方面會(huì)增加大氣污染物的沉降，在短時(shí)間內(nèi)消除霾；但地面灰塵、汽車尾氣、工業(yè)排放和冬季取暖等源源不斷的向大氣釋放污染物，降水的增加會(huì)引起空氣相對(duì)濕度的增加，促進(jìn)霾的形成。風(fēng)速增加會(huì)引起空氣污染物的擴(kuò)散，增加空氣的自凈能力。

3  結(jié)論與討論

    本文基于氣象資料數(shù)據(jù)，探究了過(guò)去40 a烏魯木齊霾日數(shù)的年際、年內(nèi)變化特征，并對(duì)其成因進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

    (1)烏魯木齊霾主要發(fā)生在冬半年，夏半年發(fā)生較少，其中10月霾日數(shù)最多。

    (2)年霾日數(shù)、年霾最大持續(xù)日數(shù)、輕度霾日數(shù)、中度霾和重度霾日數(shù)都呈減少趨勢(shì)；其中年霾日數(shù)和年霾最大持續(xù)日數(shù)分別以8.2d/( 10 a)和3.22 d/( 10 a)的速率減少；輕度霾日數(shù)減少趨勢(shì)最為明顯，霾日數(shù)次之，中度霾略呈減少趨勢(shì)。

    (3)年霾日數(shù)存在18-20 a的周期，并在1990年發(fā)生減少突變。

    (4)霾日數(shù)與氣象因子有密切的相關(guān)性，平均水汽壓、年平均相對(duì)濕度和年降水量與霾日數(shù)呈正相關(guān)，風(fēng)速和平均氣溫與霾日數(shù)呈負(fù)相關(guān)，日照時(shí)數(shù)與霾日數(shù)相關(guān)性不顯著。

    烏魯木齊霾冬季多發(fā)，年霾日數(shù)呈減少趨勢(shì)，尤其是冬半年霾日數(shù)呈明顯的減少趨勢(shì)，這與宋連春等的研究結(jié)果是一致的。烏魯木齊霾日數(shù)的減少趨勢(shì)表明該市空氣質(zhì)量趨于改善，但是霾現(xiàn)象仍然較為嚴(yán)重，尤其是在冬半年，霾日數(shù)多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且重度霾居多；因此，相關(guān)部門仍應(yīng)繼續(xù)采取應(yīng)對(duì)措施，從各方面協(xié)調(diào)運(yùn)作，從而最大程度的促進(jìn)烏魯木齊空氣質(zhì)量的改善。

    霾的形成不僅與氣象因子密切相關(guān)，還與地形地貌和人為因素有關(guān)。烏魯木齊位于天山緯向構(gòu)造中段北緣山谷地帶，三面環(huán)山，特殊的山谷地形造成逆溫層的長(zhǎng)期存在，造成冬季近地層空氣溫度低、風(fēng)速小、空氣穩(wěn)定性強(qiáng)，空氣流通不暢，使污染物的擴(kuò)散與稀釋難以進(jìn)行，霾天氣出現(xiàn)頻繁；烏魯木齊冬季漫長(zhǎng)而寒冷，城市供暖系統(tǒng)主要分布在市區(qū)，能源消

耗量大，而能源清潔性并不高；城市布局不夠合理，中心區(qū)域面積過(guò)于集中、人口密度過(guò)大、交通擁擠，進(jìn)一步加劇了污染的嚴(yán)重性。本文僅僅基于氣象因子對(duì)霾日數(shù)及其成因進(jìn)行了初步分析．結(jié)合大尺度環(huán)流、地形因素以及城市的熱島效應(yīng)對(duì)霾日數(shù)成因及其機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。