青岛市雾、霾天时空变化特征及影响因素分析

　　摘要：本研究基于青岛市2005—2019年的气象与空气污染数据，主要分析了青岛市雾、霾天区域分布及其年际、季节和日变化特征与影响因素。结果显示，青岛市自2005—2019年近14年来雾天天数缓慢减少(p<0.1)，雾天天数变化和相对湿度变化具有良好的正相关关系(p<0.05)。青岛市各季节霾天天数呈波动变化，在2010—2013年间霾天天数每年均超过100d，2008年霾天天数最少，为75d。雾事件持续时间多为1～2d，占比为77.5%，而持续时间为1d的霾事件占60%，持续时间超过3d的占6.3%。在沿海型站点(市南、大桥三)，春夏季雾天天数明显高于秋冬季，过渡型站点(胶南、胶州)和内陆型站点(莱西、平度)则没有该显著差异，暗示了海洋对沿海城市雾天的影响程度。从日变化来看，各站点雾时数的高值主要出现于午夜至早8时，霾时数呈现双峰分布，峰值出现于8：00—12：00和18：00—24：00。相关分析表明，每月雾时数与PM2.5、SO2浓度、相对湿度呈显著正相关，与O3浓度呈显著负相关，而霾时数与PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO浓度呈显著正相关，与O3浓度、气温、相对湿度和气压呈显著负相关。

　　关键词：雾天;霾天;气象条件;空气污染;时空变化

　　雾和霾是造成大气能见度降低的主要天气现象，可导致人们心情灰暗压抑、海陆空交通受阻，甚至影响医疗和旅游等产业[1-2]。随着气候条件、城市发展以及空气污染类型等方面的变化，中国雾、霾事件出现频率及主要影响因素也存在明显差异。许多研究表明，中国多个区域雾天天数呈现先增长后减少的趋势[3-5]。林建等[6]发现1985—2005年我国除华南、江南地区雾日变化趋势不明显，其余各地的大雾日(能见度<1km)基本呈递减趋势，这可能与我国快速城市化以及森林覆盖率减少导致的温度升高、湿度下降有关[7-9]。吴兑等[10]分析发现，1954—2004年珠江三角洲雾和轻雾造成的低能见度变化主要反映了气候波动固有的年际和年代际变化特征。

　　环境保护论文雾霾天气引发的法律思考

　　自20世纪80年代初开始，珠江三角洲地区灰霾天数呈增加趋势，并有3次大的波动，主要与经济发展、环保措施、复合大气污染有关[10]。Zhang等[11]结合我国681个地面站点的能见度资料，以及人口密度、气溶胶总排放量等数据，定义了我国4个主要霾区，分别为华北和关中平原、长江三角洲地区、珠江三角洲地区以及四川盆地。史军等[12]研究表明，近30年来长江三角洲大城市、中等城市和城镇乡村间霾日数变化具有明显差异，而赵普生等[13]指出京津冀范围内城区站点、非城区站点霾日数均有增加趋势且两者差距越来越小。气溶胶及气候系统对雾、霾的形成有重要影响[14-16]。一般来说气溶胶有助于雾的生成，而当气溶胶浓度超过一定阈值，空气中有限的水汽争夺大量的气溶胶，雾滴数量反而会下降[3，17]。

　　此外，气溶胶的辐射效应还会通过改变局地气温，影响雾的持续时间[18]：吸收性气溶胶会加热雾滴，从而延缓夜间雾的形成，加速日间雾的消散;散射性气溶胶在日间散射太阳辐射，降低雾滴表面温度，增加雾的持续时间。同时有研究指出，中国东部地区雾、霾形成受气候系统影响较大。Fu等[19]研究表明风场的分布和风速、相对湿度的年代际变化对雾、霾的形成具有很大影响;Yin等[20]发现华北黄淮地区冬季霾的形成与风速、降水具有一定相关性，但随着近年来东亚冬季风减弱，水汽条件成为雾、霾形成的关键因素，与风速无明显相关性[19]。青岛市位于海雾多发区黄海之滨，每年4—7月雾的发生频率最高且大部分为平流冷却雾[21-23]。马艳等[24-25]研究表明，青岛市2006—2012年平均雾天数为55d，雾天气背景下常伴随着不同程度的空气污染。

　　张晓慧等[26]对青岛市冬季雾的天气气候特征进行研究，表明青岛冬季雾的发生频率为年均12d，占全年雾日数的22%，其中受天气系统明显影响的雾占48%。近年来青岛市空气质量有所改善，PM2.5由2011—2012年的(102±37)μg·m-3降低到2014—2018年的(51±18)μg·m-3[27]。但冬季浓度仍能达到(79±54)μg·m-3，远超国家二级标准(35μg·m-3)，且在高湿、静稳条件下，造成灰霾天气频发[27-29]。目前关于青岛地区雾天、霾天相关研究主要集中在事件性天气成因分析、不同天气对气溶胶成分的影响以及气象条件对气溶胶光学特性的影响等方面，对雾天、霾天长期变化规律及影响因素的研究较少。

　　本研究主要结合青岛市2005—2019年大气能见度、相对湿度等气象小时数据、颗粒物浓度在线观测数据等，分析了青岛市近十几年雾天、霾天的历史变化趋势，探讨青岛市不同区域雾、霾天气发生特征及差异，以及雾天和霾天时空变化与气象条件、空气污染水平等因素的关系，为评估和改善青岛市空气质量提供数据支持和理论支撑。

　　1资料来源与研究方法

　　1.1数据来源

　　本研究所用气象数据有两个来源：(1)ReliablePrognosis网站(https：//rp5.ru)，数据资料包括2005—2019年逐日8个时次(02：00、05：00、08：00、11：00、14：00、17：00、20：00、23：00)的水平能见度、相对湿度、温度等气象要素和各时次天气现象，这些数据已被用于雾、霾等天气现象的相关研究[30]，本研究用以分析青岛市(气象站编号为54857，经纬度：36.067°N，120.333°E)近年来雾天、霾天天数的变化趋势;(2)青岛市气象局2013—2019年6个站点气象观测数据，包含大桥三、胶南、胶州、莱西、平度和市南6个站点的水平能见度、相对湿度、温度和降雨量等逐时气象数据，用于分析青岛市不同区域之间的雾频、霾频差异。

　　PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3和AQI小时数据收集于全国城市空气质量实时发布平台(http：//106.37.208.233：20035/)，包括市南区西部子站、胶南、胶州、莱西和平度站5个观测点位，监测时间为2014年5月13日—2019年12月31日。

　　1.2方法

　　1.2.1雾天、霾天和站点类型的判定标准

　　本研究根据ReliablePrognosis网站2005—2019年青岛市气象站(编号54857)天气现象记录和降水量数据，排除雨、雪、沙尘暴等其他能使能见度降低的天气后，定义一天中有任意相对湿度≥90%、能见度≤1km的数据记录，则判定该天为雾天[31]。定义一天中14：00相对湿度<90%、能见度≤10km的天气为霾天[18，32-33]。

　　由于胶南、胶州、莱西、平度和市南5个气象观测站分别有临近环境空气监测站点，本研究在识别各站点霾天时，增加14：00PM2.5浓度≥75μg·m-3的限制指标。为分析各站点逐时的雾、霾发生频率分布特征，若各站点任意时刻的气象记录为相对湿度≥90%、能见度≤1km，则该时刻被定义为雾时刻;若任意时刻气象记录为相对湿度<90%、能见度≤10km，且PM2.5浓度≥75μg·m-3，则该时刻被定义为霾时刻。

　　2结果与讨论

　　2.1青岛市雾天、霾天天数年际变化特征

　　本节运用青岛市2005—2019年逐日8个时次气象数据对雾天、霾天天数年际变化特征进行讨论。青岛市2005—2019年年均雾天天数为41d，在2006年出现峰值(66d)，随后呈缓慢减少的趋势(p<0.1)，到2019年达到最低值(20d)。2005—2019年霾天天数呈波动变化趋势，在2006、2010和2016年出现3个明显峰值，分别为106、143和114d，在2010—2013年间霾天天数每年均超过100d，2008年霾天天数最少，为75d。

　　分别为青岛市气温、相对湿度、风速和降水量在2005—2019年期间的变化趋势，风速、相对湿度和降水量都呈现出降低的趋势。青岛市气温在2005—2019年间波动范围约为1℃，2005—2007年呈上升趋势，2007—2012年呈下降趋势(-0.18℃·a-1，p>0.05)，2012—2019年呈上升趋势(0.17℃·a-1，p<0.05)。从中可以看出，青岛市2006—2019年相对湿度呈波动变化，有不断降低的趋势(-0.31%·a-1，p<0.05)。

　　经过Spearman相关系数检验，2005—2019年青岛市雾天天数变化和相对湿度变化具有良好的正相关关系(p<0.05)，说明近年雾天 天数的减少一定程度与相对湿度不断降低有关。显示近15年青岛市风速集中出现在2～6m·s-1，整体呈现不断降低的趋势，由2005年的4.0m·s-1降低到2019年的3.3m·s-1(-0.05m·s-1·a-1，p<0.01)。较高的空气湿度更易形成暖湿气流，从而为平流雾的出现提供了条件[35]。可见，2007—2019年青岛市年降水量不断降低(-36.53mm·a-1，p<0.05)，与相对湿度变化趋势一致。

　　3结论

　　本研究通过以上分析和讨论得到如下结论：

　　(1)青岛市近14年雾天天数变化呈现缓慢下降的趋势(p<0.1);每年霾天天数呈波动变化趋势，在2006、2010和2016年出现3个明显峰值，分别为106、143和114d。青岛市夏季雾天天数最多，占总雾天天数42.1%，秋季最少，占总雾天天数8.0%;其中持续1 d的雾占55.2%，持续2d的占22.3%。青岛市在秋季霾天天数较少，平均每年22.4d，占总霾天天数21.7%，其他季节为26.1～27.8d，各占25.3%～27.0%。持续1d的霾占60.0%，持续2d的占25.5%。

　　(2)青岛市沿海型站点(市南、大桥三)与内陆型站点(平度、莱西)雾天的季节分布特征不同，在沿海型站点春夏季雾天天数明显高于秋冬季，过渡型站点和内陆型站点则没有该显著差异，表明沿海型站点受平流雾影响较大，而内陆型站点以辐射雾为主。从全年12个月分布来看，各站点雾主要出现时间不同，市南站点，春夏季5—7月雾频占比较高，内陆莱西站点秋冬8—11月雾频占比高，过渡型站点上下半年没有显著差异。各个站点霾天分布均呈现冬季多于夏季，春秋季基本持平的特点，各站点的霾多发生于1和12月。从日变化来看，各站点雾时数的高值主要出现于午夜至早8时，霾时数呈现双峰分布，峰值出现于8：00～12：00和18：00～24：00。

　　(3)有霾出现时，各站点PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO五项污染物浓度都显著高于雾天和总体均值。有雾出现时，除市南站点，其余站点的PM2.5浓度均显著高于总体均值。在内陆型站点，雾时数与NO2、O3浓度之间存在显著相关性，沿海型和过渡型站点则与各项空气污染物之间相无明显相关性。此外，霾时数与气温、相对湿度均呈显著负相关关系。

　　参考文献：

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　　作者：卢一凡1，王娇1，2，于铖浩3，马艳4，高会旺1，2

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