引言

霾是发生在大气近地面层中的一种较为严重的灾害性天气，霾发生时大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，造成空气普遍浑浊(中国气象局，2003)，不仅使能见度恶化，带来严重水陆空交通问题, 而且使空气质量下降，对人体健康造成严重危害，包括严重的呼吸道和心血管疾病以及肺癌(Xu et al, 2008; 白志鹏等，2006；Tie et al, 2009)。近年来我国中东部地区经常遭受霾天气影响, 很多大城市霾天气明显增多，霾的问题日益成为人们关注的重点。前期的研究表明，我国霾天气主要分布在中东部地区，京津冀、长三角和珠三角是我国霾的多发区。1961年以来，全国平均年霾日数呈增加趋势，特别是20世纪80年代以后霾日数明显增加，且多发生在冬季(高歌，2008；胡亚旦等，2009；刘小宁等，2005；孙彧等，2013；王丽萍等，2006；伍红雨等，2011；宋连春等，2013)。经济迅速发展、城市化等人类活动增强所造成的大气气溶胶浓度的上升是霾日数增多的一个重要原因，风速、相对湿度等大尺度气象条件的变化，以及由此形成的近地层输送扩散条件的改变也与霾天气的发生频次密切相关(吴兑，2006；丁一汇，2014；吴兑等，2009；2010；2011；张利等，2011；宋连春等，2013；过宇飞等，2013)。

近年来我国不断增多的霾天气表现出一个显著特征就是持续性增强，一旦出现霾，往往持续数日甚至更长时间，对人体健康造成更为严重的危害，其影响更大。如2013年1月全国出现数次大范围的持续性雾和霾天气过程，并形成了规模空前的复合污染形势(张人禾等，2014；孟晓艳等，2014；王自发等，2014；穆泉等，2013；杨欣等，2014；张金良等，2013；李兰等，2014；魏哲等，2014；关月等，2013)。

目前对持续性霾的研究还比较少，较多研究限于个例研究(张人禾等，2014；赵桂香等，2011；唐宜西等，2013；曹伟华等，2013；刘梅等，2014；李峰等，2014)，而对其整体气候特征及长期演变特征缺乏更深入的研究。京津冀城市群是华北地区城市群的主体，赵普生等(2012)对京津冀区域的霾天气特征分析发现，京津冀地区夏季和冬季霾日数相对较高，霾日高值区主要位于城市区域，其中北京、天津、保定、石家庄、邯郸和邢台等地最为明显。范引琪等(2008)通过分析发现，1980—2003年京津冀地区能见度呈下降趋势，其中夏季下降趋势最显著；吴兑等(2014b)对环首都圈霾和雾的长期变化特征也进行了研究。这些都是将所有霾日作为总体进行分析的结果，其中持续性霾的特征又如何，其在年霾日增加趋势中的贡献有多大？都是需要进一步研究的科学问题。本文将对京津冀地区持续性霾的气候特征及其长期演变趋势进行深入系统分析，了解持续性霾的气候变化特征，为霾的预测研究提供理论依据。

1 资料和方法

本文所用资料来源于国家气象信息中心2014年最新整理更新的雾霾专题数据集(Ⅴ1.0)(余予等，2013)，该数据集包含了中国基本、基准气象站、一般气象站观测的雾霾天气现象(包含雾、轻雾、霾三类)日值、每日四个标准时次(世界时00、06、12和18时)的定时能见度、相对湿度、风等观测值，数据集已经进行了界限值(或允许值)、内部一致性和空间一致性的质量控制。

由于实际观测中对霾和雾的识别存在一定的困难, 需借助一些辅助标准进行判别，但目前全国没有统一的辅助判别标准，直接使用地面观测的天气现象资料分析霾日可能不够客观。因此在进行霾的气候分析时，国际上通常按照统一的定量标准，使用天气现象、能见度和相对湿度来综合判断, 如用相对湿度90%来区分轻雾与霾(丁一汇，2014；Schichtel et al, 2001；Doyle et al, 2001；赵普生等，2011；吴兑等，2014a)。为此，本研究也借鉴了这一思路，同时考虑到雾和霾在观测中存在一定的误判可能性，会造成霾日观测的“空测”和“漏测”，因此对资料集的霾日又进行了订正。空测指本不是霾日，记为了霾日，依据是观测规范，霾的条件是能见度在10 km以下，因此将资料集中，白天三个观测时次能见度≥10 km的剔出；漏测指本该是霾日，没有记为霾，依据观测规范，对于轻雾和雾日，如果白天三个观测时次能见度在1~10 km之间，日最大相对湿度在80%以下，实际上并不符合轻雾或雾的条件，但是符合霾的条件，因此将这部分定为漏测，订正回霾日。

选取京津冀地区资料序列长、完整性良好的104个台站(其中北京16个，天津11个，河北77个)开展研究，各站资料长度为1981—2013年共33 a，气候态取为1981—2010年共30 a。

根据气象行业标准《霾的观测和预报等级》(中国气象局，2010)，从有烟或霾发生到结束，称为一次霾事件；将连续2 d及以上有烟或霾发生，定为一次持续性霾事件。霾发生天数为1 d的，为非持续性霾事件。

2 持续性霾的气候态特征 2.1 空间分布

从多年平均的发生频次、年总日数和持续时间来看，京津冀霾事件空间分布具有明显的地域特征(图 1)。所有霾事件发生频次(图 1a)和年总日数(图 1c)空间分布特征具有较高的一致性，霾事件的多发区主要集中在北京、天津和河北的西南部地区，平均每年超过24次(相当于每月发生2次以上霾事件)，每年总的霾日数超过30 d，其中一个高频次中心位于北京昌平地区，多年平均霾事件发生频次为63.6次·a^-1，年总日数高达155.3 d；另外一个高频次中心位于河北西南部地区，频次为40~50次·a^-1。在霾的多发区，持续性霾的贡献比例很高，从频次上看(图 1b)，北京大部地区持续性霾事件占到所有霾事件的30%以上，河北西南部地区持续性霾事件的比例高达40%以上；从年霾日数来看(图 1d)，持续性霾在北京和河北西南部地区所占比例均超过50%，部分地区达到60%~70%以上；而在霾的少发区，持续性霾的比例也很低。北京、天津北部及河北西南部地区以持续性霾天气为主，而河北北部及东部地区以非持续性霾天气为主。可见，霾发生频次高，总日数多的地区主要由持续性霾天气造成。从霾事件持续时间来看(图 1e和1f)，河北南部地区霾事件持续时间相对较长一些，最长持续时间发生在河北的赞皇，一次霾事件最长持续达21 d，北京最长持续时间不超过15 d，天津为11 d。整个京津冀地区霾事件的平均持续时间为1~4 d，北京城区、天津北部和河北西南大部平均霾事件在2~4 d，河北西南地区的武安，平均持续时间最长，为4.41 d。

2.2 季节变化

京津冀霾事件主要发生在冬季，其次为春、秋季，夏季霾事件发生日数最少(图 2)，这与前人结论一致(高歌，2008；胡亚旦等，2009；孙彧等，2013；宋连春等，2013)。冬季，北京和天津的大部地区、河北的中部和南部地区平均霾日超过10 d，其中北京城区、天津北部和河北西南部，霾日达到20 d以上，部分地区超过30 d；而北京北部、天津南部、河北北部和东部沿海地区，霾日不到10 d。春和秋季的霾日分布特征比较接近，北京城区、天津北部和河北西南部霾日偏多，超过10 d，部分地区在20 d以上；而其余大部地区霾日偏少，不足10 d。夏季京津冀地区整体霾日很少，但在北京城区、河北西南部分地区存在超过10 d的区域。

值得注意的是，北京地区四季霾日均为高值区，变化不明显，只是在冬和春季高值区面积较夏、秋季要大。冬季由于为采暖季，燃煤排放颗粒物较多，同时易受大陆高压控制，大气层结较稳定，易于低层大气中气溶胶粒子富集形成霾天气。

3 持续性霾的长期演变特征 3.1 持续性霾事件的时间演变

对京津冀地区年平均霾日数的演变分析发现(图 3)，所有霾事件的年平均霾日数呈明显上升趋势[趋势系数4.1d·(10a)^-1]，这主要是由于持续性霾事件的增加引起的，而非持续性霾事件的年平均霾日数呈平稳变化趋势[趋势系数-0.01d·(10a)^-1图 3中红色线]。持续性霾事件的年平均霾日数与霾总日数的上升趋势基本一致，并且20世纪90年代之后持续性霾日数与霾总日数具有相同的年际变化特征，相关系数为0.96(通过了0.001的显著性检验)。

进一步计算历年持续性霾日数占霾总日数的百分比发现(图 3中浅蓝色线)，持续性霾日的所占百分率的总体上升趋势更为显著[趋势系数4.5%·(10a)^-1]。20世纪90年代之前该百分率小于50%，表明非持续性霾日数大于持续性霾日数，而在90年代之后持续性霾日数持续显著增加，至2013年，该百分率达到最大，为71%。

从各季节来看，京津冀霾事件主要发生在冬季，其次为春、秋季，夏季霾事件发生日数最少，这与前文中空间的分布是一致的，尤其在20世纪80年代到90年代中期(图 4)。春季霾日在20世纪90年代略多于秋季，21世纪以来与秋季相当。夏季霾日在1997年后有一明显上升趋势，近几年来霾日波动较大，与春、秋季接近。1981—2010年夏季霾总日数的增加趋势最明显，为2.9 d·(10 a)^-1，其次为秋季，为0.9 d·(10 a)^-1，春和冬季霾发生总日数变化趋势不显著，有略微增加趋势，分别为0.42和0.35 d·(10 a)^-1(图 4a)。

持续性霾日四季都呈现出增加趋势，其中夏季增加最明显，为2.3 d·(10 a)^-1，且同总霾日一样在1997年后增加显著(图 4a和4b)；而非持续性霾日除了夏季略微增加0.6 d·(10 a)^-1外，冬季为减少趋势，春季和秋季变化不显著(图 4c)。

3.2 霾变化趋势的空间分布

前文分析中发现，京津冀地区平均霾总日数与持续性霾有着一致的上升趋势、非持续性霾则呈微弱的下降趋势的特征，这样的特征是否具有空间分布上的一致性？为此，我们计算了京津冀地区1981—2013年各站霾日变化趋势的空间分布。图 5分别给出了持续性霾事件的霾日以及持续性与非持续性霾日差的变化趋势。从图中可见，霾总日数(图略)和持续性霾日数(图 5a)呈现上升趋势的台站占全部台站的比例均为52%，上升趋势最显著地区分布在北京、天津和河北西南部，河北中东部地区有弱的下降趋势。非持续性霾日数呈现上升趋势的台站占全部台站的48%(图略)，较持续性霾上升趋势的站点少，其中上升显著的地区集中在京津地区；而下降趋势台站占全部测站的52%，主要集中在河北的东南部地区，下降最显著的地区为河北的滦州，为8.2 d·(10 a)^-1。

非持续性和持续性霾日差值的变化趋势分布(图 5b)更加突出反映了京津冀地区霾变化趋势的差异。可以发现持续性霾日较非持续性霾日增加的台站数占到了全部台站的67%，主要区域位于京津地区以及河北西南的石家庄、邢台、邯郸，最显著的位于天津的蓟县和宝坻。减少趋势的台站数占全部台站的33%，主要位于河北东南部的廊坊、沧州、衡水地区，最显著地区为易县。由上分析可知，除河北东南部地区持续性霾呈减少趋势外，京津冀地区有三分之二区域是呈增加趋势，京津和河北西南部的上升趋势最为显著。

1981—2013年，京津冀大部持续性霾事件存在总体一致的上升趋势，而非持续性则为微弱的下降趋势，这种特点在不同年代是否存在变化？图 6给出了1981—2013年期间持续性霾日数的年代际距平变化。分析发现，非持续性霾在20世纪80年代主要集中在河北的东部地区，中心位于河北的衡水；20世纪90年代非持续性霾正距平面积明显增加，大部分地区霾均为正距平；2000年之后，河北东部以及京津地区的非持续霾日增加(图略)。

从京津冀持续性霾年代际变化特点发现，在20世纪80年代主要持续性霾的高值区位于河北东南部地区(沧州、衡水)；而在20世纪90年代则在石家庄地区存在明显的高值中心；2000年之后，在京津冀地区形成了两个明显的高值中心，其中一个中心位于京津地区(北京和天津的西部)，另外一个中心位于河北西南的邯郸地区。

不同年代持续性霾日占总霾日的百分率的空间分布，可以从一个侧面反映持续性霾天气高发区的年代际变化。前文中分析发现京津冀地区总体上持续性霾所占百分率越来越大，但在空间分布上是否是一致的增加？由图 6d，6e，6f可见，在20世纪80年代持续性霾百分率50%以上的高值区(表示该地区为持续性霾的高发区)主要位于河北南部的石家庄和北京西南的门头沟地区；而到20世纪90年代，百分率高值范围不断扩大，北部的高值中心由北京逐渐扩展至天津地区，而南部的百分率高值中心不断向东南方向扩展；2000年之后这种扩展趋势更加显著，其中河北南部的百分率超过70%高值区域包括石家庄、邢台、邯郸地区，北部的北京、天津中心区的范围也在增加，中心值可达80%左右。表明持续性霾高发区的范围呈现年代际加速增大趋势。

4 结论与讨论

通过对京津冀地区持续性霾事件的时空变化特征分析，可以得出如下结论：

(1) 从多年平均的气候态来看，持续性霾天气主要集中在北京、天津北部和河北西南部，其事件发生的频次比例占到总事件数的30%以上，部分地区超过40%；年平均持续性霾日数占到霾的年总日数一半以上。京津冀霾事件的平均持续时间为1~4 d，北京城区、天津北部和河北西南大部平均霾事件在2~4 d，河北西南地区的武安，平均持续时间最长，为4.41 d。

(2) 京津冀地区1981—2013年非持续性霾日数没有显著的变化趋势，持续性霾日数及其所占百分率均呈显著增加趋势。除河北东南部地区持续性霾事件呈减少趋势外，京津冀地区有三分之二区域是呈增加趋势，京津和河北西南部的上升趋势最为显著。

(3) 持续性霾高发区的范围呈现年代际加速增大趋势，在20世纪80年代持续性霾高发区主要位于河北南部的石家庄和北京西南的门头沟地区；而到20世纪90年代，高发区范围不断扩大；2000年之后这种扩展趋势更加显著。

本文初步分析了京津冀地区持续性霾天气的气候特征，发现京津冀霾日的增加是由于持续性霾的增加造成的，非持续性霾并没有显著的变化趋势。造成京津冀持续性霾日这种年代际变化的原因是什么？以及持续性霾日事件发生时的气象条件与环流背景又是什么样的？这些问题均需要我们对京津冀持续性霾事件做进一步深入分析研究，为京津冀霾的气候预测研究打下基础。