南京快速城市化对雾霾日时空变化的影响

南京快速城市化对雾霾日时空变化的影响

顾浩

江苏省南通市海门区气象局 226100

摘要：利用南京市气象观测资料和相关经济数据，研究了南京雾霾年日数分布和城市化对年雾霾日的影响，得出了（1）南京市年霾日数在1990年至2015年间总体处于上升形势，南京市年霾日数已经超过一年的三分之二，空气情况比较差。（2）通过对南京市1990至2015的气象要素进行研究发现，霾日数最多的为春季与冬季，日平均风速的下降对雾霾日的出现有正面影响。南京市的日照时间在秋冬季受雾霾影响比较大。降雨、温度、风速对雾霾也具有影响。（3）1990年到2015年，南京地区的经济飞速发展南京市雾霾年日数的变化与南京市人口的增长具有良好的一致性，南京是雾霾年日数的变化与南京市能源消耗也具有良好相关性。这些数据表明，南京市城市化发展带来了经济增长，人民生活水平上升。但同时也向我们表明，城市化的飞速发展带来了污染物的扩散，城市的承载能力下降，区域雾霾日数上升，空气环境恶化。

关键词：城市化进程；雾霾日数；空气污染

引言

自从1978年我国实行改革开放至今，我国的城市化进程便摆脱了之前徘徊不前的局面，城市化水平转而在短时间内迅速上升。1996年中国城市化率刚刚越过30%的水平，达到了30.48%，在充满活力的经济环境和国家城市化战略强有力推动下，中国的城市化进入了加速发展时期，2011年迈过50%关口，就此进入了以城市为主导力量的社会发展阶段，2014年时达到了世界平均水平54%，2015年城市化率进一步增至56.1%的高水平。在这短短20年间，中国城市化率迅速提升了将近26%，年均增长率到达1.3%，配合着全国庞大的人口基数，构成了人类历史发展中绝无仅有的、发展迅速的、波澜壮阔的城市化场景^[1]。这些数据标志着我国已经开始进入城市化的快速发展期。但由于广大地区快速发展的城市化，同时缺乏科学合理规划，我国的大城市发展已经进入了瓶颈期，造成了大量的环境污染问题。其中对人们影响最深的就是城市污染问题。同时城市污染中被我们长期忽视的有关空气质量的问题也逐渐引起了人们的关注。

1.数据与方法

1.1 数据

（1）气象资料

江苏省南京市国家基准气候观测站（编号：58238，位置为东经:118°48' 北纬:32°00'）1990年至2015年逐日观测的相对湿度、能见度数据、平均风速、平均日照时间、平均温度以及平均降雨量,以此为基础分析南京地区雾霾天气的变化特征，寻找有价值的规律。

图 1 研究区示意图

2. 社会经济发展统计数据

南京市社会经济发展统计数据包括国内生产总值、人口变化、工业数据、用电量、汽车保有量等，数据主要来源于南京市统计年鉴和南京市统计局网站。用于探究南京市雾霾天气和城市化进程以及社会经济发展之间的相关关系。

1.2 方法

按照当前地面气象观测的具体规定，霾指的是空中均匀的漂浮大量细小的干粉尘等，同时水平的能见度不超过十公里的天气状况；雾指的是微小水滴或者是已湿的吸湿性质粒所形成的灰白色稀薄雾幕。通常情况下，水平能见度超过一公里且不足十公里的称之为轻雾，水平能见度不足一公里的称之为雾。基于以上的定义，我们能够发现，仅利用人工观测是难以分清什么时候是轻雾，什么时候是霾，同时我们国家现有的气象记录没有针对雾霾制定统一的判定准则，时常出现霾被误判为轻雾的情况，因而，在深入探究雾霾时变化特征以前，需要对现有的气象记录进行必要的更正，以确保分析结果的准确性。按照2010年颁布并执行的行业标准——《霾的观测与预报等级》［2010］^[19]，霾的判定有了统一的标准，即为空气呈现浑浊的状态，水平能见度低于或者等于十公里同时相对湿度小于或者等于80% 的天气可以被判定为雾霾天。按照这一规定，对江苏霾天气的历史观测资料进行了必要的修正，以确保基础数据的准确性。本文对历史数据的修正工作主要从如下两个方面开展：

1. 找出现有记录中的雾记录，根据记录中的日期查找当天所有的能见度数据与相对湿度数据，进而对照霾的判定标准判别是否为霾天气。

2. 对于上述步骤无法明确判定是否为霾天气，则需要查询其对应的平均相对湿度，倘若平均相对湿度小于或者等于80%，则将其判定为轻雾与霾并存天气，否则为轻雾天气。

南京城市化发展有关数据来自于南京市统计年鉴及江苏省统计局等相关网站。

3. 研究雾霾空间及日数变化特征，包含雾霾气候，年际变化特征，四季分布及变化特征，

采用线性倾向法研究雾霾日时数气候变化趋势，分析雾霾日数变化趋势。

用xi表示样本量为n的某一气候变量，用ti表示所对应的时刻，建立xi与ti之间的

一元线性回归：

式中a为回归常数，b为回归系数。a和b可以用最小二乘法进行估计。

（1）

（2）

4.计算有关经济数据与雾霾日数之间的相关性，

其中 ， 是指数据 ， 的平均值。现在分别计算分子的 ， ， 的值。

分别计算分母的 ， ， 的值。

2.雾霾现象及气象要素分析

2.1南京地区主要气象因子年际变化趋势

图2是南京地区主要气象因子1990-2015年间年际变化的趋势图。我们可以从图中发现，年平均日照时数，年平均相对湿度都处于震荡变化的形势，并不能发现明显的上升或下降趋势，可以认为这两个气象指标在这近30年的时间里年际变化保持了相对的稳定。年平均降水量年际变化比较大，但没有明显的增长或减少的趋势。年平均风速在1990年至2008年间都保持在相对稳定的低值状态，在2008年以后呈现了一个明显上升的趋势，之后便保持在2.5m/s以上的状态。年平均温度在近25年间年整体呈现的上升趋势，在2007年达到峰值，2008年之后表现出明显的下降趋势。变化趋势最为明显和一致的是年平均能见度的分布，从1990年起便一直保持下降的趋势，在2003年前下降速度一直非常快，随后渐趋稳定，这个现象显然与雾霾的关系十分密切。总的来看，1990至2015年之间26年的时间跨度，主要气象要素的变化整体上保持了稳定，能见度的下降、降雨量的年际变化幅度大、年平均温度的上升这些变化情况也显得十分明显。

图 2 南京市1990至2015主要气象要素变化趋势

2.2近25年南京雾霾日数年际变化趋势

根据南京市能见度及相对湿度判断出的雾霾日数据以年份进行统计，分析雾霾年日数的变化趋势。图3为直观展示1990至2015年年霾日数的分布图，由图可知，在1990至1999年间，雾霾日数逐步上升，中间经历了起伏，在这10年内，雾霾日数整体保持在相对较低的水准，在生活在人们的主观感受上，还是会感觉到雾霾并非十分常见。在2000年至2003年间，雾霾年日数呈现快速增长的趋势，平均年增长率达到了约7.6%，年霾日数进入了高速增长期，通过统计南京所属的苏南地区的年日数情况，我们发现南京地区的年霾日数线性增长率为36 d/10a。经过这五年，年霾日数在随后的十多年间始终在200d以上的高位。在2006年至2010年间，年霾日数出现了明显的下降，虽然仍然保持在200d的高位以上，但是由于为了保障奥运会的举办，全国进行的环境保护整治展现了成效。2010至2015年间，年霾日数保持在高位起伏的形势。总体上南京市年霾日数在长期变化趋势上看，分为三个时期，1990至1999年逐渐上升，1999年至2003年进入快速增长期，2003年至2015年保持在年200d以上的高位，比较稳定。根据散点图的分布进行了线性回归分析，并添加了趋势线，得出了1990到2000年线性回归方程y = 8.5182x - 16882，R2 = 0.8291，2001年至2015年为y = 0.6429x - 1064.3，R2 = 0.0242。根据线性回归方程可知，1990年至2000年间年霾日数总体上是上升的，并且上升速度相当快。2001年至2015年间上升速度减慢，总体保持平稳。

图 3 南京市 1990至2015 年霾日数线性趋势

2.3南京雾霾日数年内变化趋势

根据南京市1990至2015逐月霾日数可以直观发现，从一月到六月，十月到十二月，雾霾日数都保持在一个很高的水平上，其中二月有一个明显的下降过程，六月至七月霾日数下降速率最快，整七月八月九月霾日数整体处在低水平，但也呈现出上升的趋势，十二月份雾霾日达到最高点，1990年至2015年整个26年间十二月雾霾日数达到463d，占到了整个12月的60%，可见南京地区的雾霾在冬季处在一个高发期。

根据春（3月、4月、5月）夏（6月、7月、8月）秋（9月、10月、11月）冬（12月、1月、2月）分别将霾日数进行统计形成分布图，从图中可以直观的看出春季和冬季是雾霾日数最高的，夏季雾霾日数最少，秋季雾霾日数其次，这也与上面提到的逐月数据有很好的吻合，由于春冬季节经常出现明显的夜间降温现象，低空大气极易出现逆温层，于是空气交换流通能力会逐渐减弱，空气中的污染物因此被限制在浅层的大气层中，慢慢集聚形成了霾，最终导致了空气污染现象。从气象学角度来看，有雾一般表示大气层相对稳定，在稳定的大气环境中，空气中的污染物难以被稀释，因而，大雾天往往会出现轻重不一的污染情况。很多情况下我们发现的空气能见度低是在雾与霾的共同作用下形成的而非单一因素造成的结果。一般而言，清晨的空气湿度比较大，容易形成雾，而随着温度的不断升高，空气湿度逐步降低，雾逐步转变为霾。而且受采暖与工业生产等的影响，春季与冬季城市向大气中排放的污染物相对更多，这也是春季冬季雾霾天比较多原因的一个方面。

结论

1. 轻雾和霾仅通过人工观测进行辨别的难度较大，长期以来，我国也没有形成标准化、专业化的辨别标准，导致我国很多霾天气被当成轻雾天气记录，因而现阶段如果要使用一般气象观测站所提供的霾日观测的数据记录时，十分有必要把历史观测资料去进行适当的订正。

（b）南京市年霾日数在1990年至2015年间总体处于上升形势，可以分为三个时期，1990至1999年逐渐上升，1999年至2003年进入快速增长期，2003年至2015年保持在年200d以上的高位，霾天气处于高发期。南京市年霾日数已经超过一年的三分之二，空气情况十分糟糕。

（c）通过对南京市的气象要素进行逐月与四季研究发现，霾日数最多的为春季与冬季，日平均风速的下降对雾霾日的出现有正面影响。南京市的日照时间在秋冬季受雾霾影响比较大。温度、降雨量、风速对雾霾日数变化具有明显影响。

参考文献

1. 任成好. 中国城市化进程中的城市病研究[D]. 辽宁大学, 2016.

2. 吴兑. 灰霾天气的形成与演化[J]. 环境科学与技术, 2011, 34(3):157-161.

3. 张云海, 马雁军, 刘宁微,等. 沈阳地区霾的环境特征研究[J]. 生态环境学报, 2010, 19(11):2636-2641.

4. 张浩, 石春娥, 邱明燕,等. 合肥市霾天气变化特征及其影响因子[J]. 环境科学学报, 2010, 30(4):714-721.

作者简介：顾浩（1994.10）男，汉族，江苏海门人，本科学历，职称：助理工程师，从事研究方向或职业:公共气象服务与气象观测。