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user: 3. 结果分析 3.1. 海南岛霾日数的空间分布 图2给出了海南岛1981~2013年年平均霾日数及各个年代霾日数分布。从图2a中可以清楚地看出，岛上年平均霾日数表现为北半部高于南半部的分布特征，超过10 d的站点有两个，分别为屯昌(13.9 d)和儋州(11.6 d)，均位于五指山山脉的北麓。田贺忠等 [ 28 ]的研究表明，地形条件对大气污染物的累积也起到很重要的作用，特别是辐合风场的频繁发生，加上不利于扩散的地形条件，能导致大气污染物在某一地区不断聚集，从而造成霾污染。而屯昌和儋州的霾污染是否与地形有关，这还有待于进一步研究。此外，霾日数比较大的市县还有同样位于五指山山北麓的白沙(9.2 d)和定安(8.6 d)，以及海口、保亭、临高和东方等地，另外三亚和澄迈近33年没有观测到霾现象，大气污染较轻。 图1. 海南岛地理位置、地形和18个市县分布示意图 图2. 海南岛近33年年平均霾日数及各个年代霾日数分布。(a：1981~2013年；b：1981~1990年；c：1991~2000年；d：2001~2010年) 图2b，图2c和图2d分别给出了1981~1990年，1991~2000年和2001~2010年三个年代平均的霾日数空间分布。图中表明，20世纪80年代海南岛上霾污染较轻，空间分布上也呈现为北半部高于南半部的特征。霾日数除了临高以外，其余都在3 d以下，其中海口也只为1.2 d。20世纪90年代岛上霾污染呈减小的变化趋势，最大值出现在白沙，只为2.7 d，儋州和屯昌分别为1.9 d和1.7 d，其他市县均在1 d以下，霾污染在这一时段并不严重。2000年以后岛上霾污染有明显的增长趋势，最大值出现在屯昌，为10.3 d，儋州和白沙也分别有6.5 d和4.8 d的霾日数分布，海口为2.0 d，其余市县在1 d以下。年代际变化的分析表明，海南岛的霾污染近33年并不是呈持续的上升趋势，而是先减少后上升，其成因可能与本地污染物排放和外源输送的气象条件变化有关 [ 17 ]。 3.2. 海南岛霾日数的年际变化 图3为海南岛和海口市1981~2013年年平均霾日数的年际变化。图中清楚表明，海南岛霾日数在过去33年来主要呈现明显的上升趋势，其回归系数为0.355 d∙(10 a) −1 ，趋势系数为0.355 (表1)，达到98%的显著性检验，霾日数上升较为显著。最大值出现在2008年，为3.34 d。随后霾日数虽略有下降，但仍多于多年平均值。从年代际变化特征来看，海南岛80年代霾日数维持在1 d附近，90年代有所下降，只为0.5 d左右，随后显著的上升，在2000年以后可达1.5 d以上。海口市霾日数的年际变化与海南岛的基本一致，也表现为20世纪80年代偏多，90年代下降，2000年之后显著上升的演变特征。其回归系数为0.23 d∙(10 a) −1 ，趋势系数为0.146，通过了80%的显著性检验。海口市年平均霾日数最大值也出现在2008年，为7 d。33年中有15年未观测到霾天气，而有9年霾日数在2 d及其以上，其余年份霾日数只有1 d。 3.3. 海南岛霾日数的季节变化特征 图4为海南岛多年平均的四季霾日数空间分布。图中表明，海南岛霾日数分布有明显的季节变化 Table 1 Statistics of annual mean haze days over Hainan island and Haikou Cit 地区 平均值/d 均方差/d 气候趋势系数 回归系数/d∙(10 a) −1 显著性检验/% 海南岛 1.054 0.853 0.409 0.355 98 海口市 1.121 1.552 0.146 0.230 80 表1. 海南岛和海口市年平均霾日数的统计分析 图3. 海南岛。(a) 和海口市；(b) 1981~2013年年平均霾日数年际变化 图4. 海南岛四季霾日数空间分布。(a：春季；b：夏季；c：秋季；d：冬季) 特征，高值主要出现在冬季，其次是秋季和春季，而夏季霾日数明显偏低，全岛基本没有霾污染，近33年只有保亭有2 d观测到霾，乐东和五指山有1 d。春季、秋季和冬季海南岛霾污染与年平均(图2a)基本一致，大值区主要出现在五指山以北地区，而南半部地区霾污染偏小。海南岛霾污染的这种季节变化特征与我国其他区域类似 [ 24 ]，海南岛冬季霾日数大大超过夏季，说明霾污染在海南岛是典型的冬季污染事件。四季中霾日数最多的站点为屯昌和儋州，冬季霾日数均达到7.6 d/a，其次是白沙和定安，分别为5.5 d/a和5.4 d/a，海口为2.5 d/a。结合霾天气形成的特点可知，海南岛霾污染的这种季节特征有自然气象条件与人为排放两方面的原因。冬季地面常受高压控制，天气形势稳定，有利于大气污染物的累积，另外冬季由于气温偏低，燃煤供暖等人为活动使得排放源增强，大气污染物浓度上升加快，同时在有利的气象条件共同作用下，导致了冬季海南岛地区霾日数明显增大，另外偏北的冬季风有利于北方污染物向海南地区输送；而夏季是海南岛主要的降水季节，降水的清除作用有利于大气污染物浓度降低，另外偏南的夏季风加强污染物粒子的扩散，致使夏季海南岛霾日数显著降低。对比各个季节霾日数分布，可以发现春季(4a)岛上西北部霾日数有所增大，这是否与春季青藏高原东部冷空气向东南部扩散，致使我国西南地区的污染物输送至海南岛西北部？这还有待于进一步研究。 图5分别给出了海南岛4季霾日数的年际变化。从图中可以发现，春季、秋季和冬季霾日数的年代际变化特征与年平均霾日数(图2a)基本一致。即表现为霾日数在20世纪80世纪偏高，90年代有所下降，2000年之后上升显著的特征。春季，海南岛霾日数整体偏低，近33年均在1 d以下，最大值出现在1983年(0.83 d)，随后基本维持在0.2 d以下，直到2008年才出现第二个峰值，为0.67 d。夏季海南岛基本没有霾天气，近33年只有1992年、2000年和2003年观测到霾天气，而且霾日数非常小，只为0.1 d及其以下。秋季和冬季是海南岛霾污染相对较重的两个季节，其回归系数分别为0.162 d∙(10 a) −1 和0.202 d∙(10 a) −1 ，趋势系数为0.515和0.36，分别通过了99.8%和90%的信度检验。就平均值(表2)而言，4季霾日数从大到小排列为：冬季 > 秋季 > 春季 > 夏季。 图5. 海南岛四季1981~2013年霾日数年际变化 Table 2 Statistics of seasonal mean haze days over Hainan islan 平均值/d 均方差/d 趋势系数 回归系数/d∙(10 a) −1 显著性检验/% 春季 0.143 0.180 −0.044 −0.008 不显著 夏季 0.007 0.023 −0.008 −0.001 不显著 秋季 0.291 0.308 0.515 0.162 99.8 冬季 0.613 0.550 0.360 0.202 90 表2. 海南岛四季霾日数的统计分析 3.4. 海南岛霾日天气型分类 大气污染物排放强度和气象条件对污染物的稀释扩散能力是霾污染发生的两个主要影响因素 [ 29 ]。在同等气象条件下，大气污染物排放强度越低，则霾天气发生可能性就越小，霾污染强度越低；反之大气污染物排放强度越大，霾天气发生可能性就越高，同时霾污染的强度越强。而大气污染物排放强度较为稳定的条件下，不同的天气形势对大气污染物的扩散能力也不同，从而最终影响着霾天气发生的强度和频次。因此，气象条件对霾污染的形成起着至关重要的作用。2013年海南省气象局编著了《海南省天气预报技术手册》 [ 30 ]，将影响海南岛的天气系统进行了分型，本小节主要对近33年海南岛出现的霾日与不同天气型之间进行统计分析，为今后开展霾污染的预报预测提供初步的科学依据。 3.4.1. 海南岛天气型简介 海南岛天气系统过程可以分为4大类，分别为冷空气类、低压槽类、副热带高压(或脊)内部和热带系统，冷空气类又分为偏东下和偏西下冷空气过程，有冷锋过境、静止锋和锋消三类；低压槽类主要有南海季风槽和西南低压槽(SWT)，南海季风槽根据槽线位置的不同又可分为南海低压槽(ST1)、华南沿海槽(ST2)和越南低压槽(YT)三类；副热带高压(或脊)内部有副热带高压(G1)和变暖高压脊(G2)两类，更为具体的介绍请参看《海南省天气预报技术手册》 [ 30 ](表3)。 3.4.2. 海南岛不同天气型霾日特征 统计发现，近33年海南岛共有500天出现了霾。表4进一步给出了这500个霾日的影响天气型分类。从表中可以发现，冷空气类的天气型是海南岛出现霾污染的主要影响天气形势，共有366天，占所有天数的73.2%。其次是副热带高压(或脊)内部，共有102天，占所有天数的20.4%，其中主要是变暖高压脊 Table 3 Classification of weather patterns in Hainan islan 冷空气类 低压槽类 副热带高压(或脊)内部 热带系统TC 冷空气偏东下 冷空气偏西下 南海季风槽 西南低压槽SWT 副热带高压G1 变暖高压脊G2 冷锋过境EF 静止锋EQ 锋消ES 冷锋过境WF 静止锋WQ 锋消WS 南海低压槽ST1 华南沿海槽ST2 越南低压槽YT 表3. 海南岛天气系统过程分类 Table 4 Statistics of 500 weather patterns of haze days in Hainan island during recent 33 years (Units: d 冷空气类 冷空气偏东下 冷锋过境EF 69 (13.8%) 172 (34.4%) 366 (73.2%) 静止锋EQ 26 (5.2%) 锋消ES 77 (15.4%) 冷空气偏西下 冷锋过境WF 71 (14.2%) 194 (38.8%) 静止锋WQ 33 (6.6%) 锋消WS 90 (18%) 低压槽类 南海季风槽 南海低压槽ST1 6 (1.2%) 8 (1.6%) 23 (4.6%) 华南沿海槽ST2 1 (0.2%) 越南低压槽YT 1 (0.2%) 西南低压槽SWT 15 (3%) 副热带高压(或脊)内部 副热带高压G1 6 (1.2%) 102 (20.4%) 变暖高压脊G2 96 (19.2%) 热带系统TC 9 (1.8%) 表4. 近33年海南地区500个霾日影响天气型统计(单位：d) 天气型(G2)，为96天(19.2%)。第三类是低压槽类，共有23天，占所有天数的4.6%；排在最后一类的是热带系统(TC)，共有9天，占所有天数的1.8%。海南地区霾日的四大类天气型从大到小排列分别为：冷空气类、副热带高压(或脊)内部、低压槽类和热带系统。这也说明，海南岛霾日的出现与冷空气南下有利于大气污染物的外源输送有关。 图6给出了7小类海南岛天气型的霾日数统计。结果与上一小节的分析一致。冷空气类的天气型是海南地区出现霾污染的主要天气型，其中冷空气偏西下天气型最高，为194天(38.8%)，冷空气偏东下天气型为172天(34.4%)，根据海南岛天气型的分类标准 [ 30 ]可知，冷空气偏东或者偏西下，主要看重庆和汉口的变压来决定，而符传博等 [ 21 ]的分析表明，冷空气对海口市大气污染物浓度变化的影响，主要体现在低层风向和风速上，而与气压关系不大，因此冷空气偏东下与冷空气偏西下天气型之间霾日的天数相差不大。其次是变暖高压脊类，从划分标准可知，变暖高压脊类主要是大陆的地面冷高压东移出海，海南地区位于变性高压的西南侧，低层盛行偏东风或东到东北风，这一类海南地区霾日偏多可能与我国东南沿海的污染物输送至海南岛有关。冷空气偏西下、冷空气偏东下和变暖高压脊三类天气型加起来为462天，占所有天数的92.4%。而西南低压槽、热带系统、南海季风槽和副热带高压天气型中海南岛出现霾污染非常少，四类天气型加起来为38天，只占所有天数的7.6%。出现霾污染的7小类天气型从大到小的排列为：冷空气偏西下 > 冷空气偏东下 > 变暖高压脊 > 西南低压槽 > 热带系统 > 南海季风槽 > 副热带高压。 3.4.3. 海南岛霾日与冷空气影响日数 为进一步验证海南岛霾日与冷空气南下造成外源输送加强，图7给出了1981~2013年海南岛霾日数与冷空气影响日数的变化关系。其中冷空气影响日数定义为影响天气型为冷空气类，即为一个冷空气影响日。从图7a中可以清楚看出，近33年来冷空气影响日数有下降的趋势，趋势系数为-0.399，显著性检验为98%，这可能与东亚冬季风的减弱有关 [ 31 ]。我们进一步计算冷空气影响日数与海南岛霾日数的相关系数发现，两者有弱的正相关关系，相关系数为0.133，相关性不显著。晏红明等 [ 32 ]的研究表明，东亚冬季风的年际变化与Walker环流、低纬度对流活动、海洋和大气的热力状况变化等有关，因此我们对冷空气影响日数和海南岛霾日数做了去趋势处理，方法为逐年的日数值减去11年二项式滑动平均值，这种方法可以去除强趋势成分对长程相关分析的影响 [ 33 ]。图7b为去趋势处理后的结果，从图中可以发现，冷空气影响日数和海南岛霾日数有较好的正相关关系，进一步计算相关系数为0.45，通过了99%的信度检验。这也进一步证明，海南岛霾污染与冷空气南下造成的大气污染物外源输送有密切关系。 图6. 33年海南岛500个霾日天气型统计分析。(a) 为霾日；(b) 为比率 图7. 1981~2013年海南岛霾日数与冷空气影响日数的变化