引言
霾是指大量极细微的干尘粒子均匀地浮游在空中，使大气混浊、视野模糊和能见度恶化，水平能见度小于 10 km 的空气普遍有混浊的天气现象。霾的组成成分复杂，包括数百种大气颗粒物，如灰尘、硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐等粒子。霾天气发生时，悬浮在空气中的大量极细微的灰尘、烟粒、盐粒等干尘粒子，不但能进入并沉积于呼吸道甚至肺部，其携带的有害物还会对人体产生毒性作用，诱发疾病，导致患有心血管病、呼吸系统疾病和其他疾病的敏感体质患者的死亡。另外，霾天气还会导致近地层紫外线的减弱，易使空气中的传染性病菌活性增强，传染病增多。
近年来，随着经济扩张规模的扩大、机动车和能源消耗的快速增加，大气污染也随之增加，霾天气频繁发生。王建国等发现 1951—2006 年济南的霾日呈总体上升趋势，但在20 世纪80 年代初期有一个下降过程。魏文秀发现 1971—2007 年河北省霾日呈总体上升趋势，但在20 世纪80 年代后期有一个下降过程。吴兑等发现中国最早建设的重工业基地沈阳的霾日在 20 世纪50 年代初至 80 年代末均非常多，90 年代后随着国家产业结构调整和老工业基地的改造，其霾日明显较少，但 21 世纪以来又重新出现增长趋势。与合肥相似，南京、杭州、长沙和广州等地的霾日均在 70 年代后期开始明显增加。高歌指出 1961—2005 年全国平均霾日呈明显上升趋势，且霾的空间分布不均，总体呈东多西少的分布形势。廖国莲等研究发现，随着经济发展引起污染排放的增长，广西近 50 a 霾日呈总体上升趋势，尤其自 2003 年起，上升明显。除了显著的年际变化和年代际变化外，中国霾日的季节变化明显，大部分地区霾主要出现在秋冬季节，夏季最少，且不同地区最少和最多霾日出现的月份有所不同，如济南最少(平均 3. 5 d) 出现在 6 月，最多(平均 11 d) 出现在12 月; 合肥最少(平均不足 1 d) 出现在 8 月，最多(平均12 d) 出现在1 月; 西安最少(平均3 d) 出现在 6 月，最多(平均 10 d) 出现在 12 月; 杭州最少(平均 3 d) 出现在 7 月，最多(平均 9 d) 出现在 12月。但与这些城市或地区明显不同，北京在夏季霾日反而较多，集中出现在 6—9 月，尤其是盛夏季节的 7—8 月。
许多研究表明，灰尘、硫酸与硫酸盐等污染物排放进入大气后，其扩散传输和转化主要取决于气象条件。大气扩散理论研究和试验研究表明，在不同的气象条件下，同一污染源排放所造成的地面污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍。有利于污染物扩散和稀释的气象条件将降低污染物的浓度，不利于污染物扩散的气象条件将造成污染物的累积，引起浓度升高并造成持续性污染。张小玲等指出 2006 年春季期间气象条件是影响北京空气质量的主要因素，在集中燃放烟花爆竹后，除夕后由于存在有利扩散的气象条件，北京的空气质量较好，但元宵节前后不利于扩散的气象条件致使了北京的空气质量较差。
随着经济的发展以及城市化进程的不断加快，近年江西机动车数量和能源消耗的快速增加，汽车尾气和工业烟尘等污染物的排放量也明显增加，致使江西霾天气逐渐增多，如南昌在20 世纪80 年代初年霾日数约为 20 d，到 21 世纪初年霾日数突破了100 d。霾天气不仅会对人体健康造成一定的影响，还影响交通安全(因为能见度低) 。本文利用江西省83 个地面常规气象观测站和南昌、赣州两个探空站的观测资料，分析江西省霾日的气候特征，并探讨气象条件对霾的影响，为环境治理和霾天气的预报提供参考。
1、 资料与方法
1980 年以前，中国地面气象站大气能见度的观测是自近向远划分为 9 个等级进行记录的，而 1980年以后，大气能见度才用具体的距离(以 km 为单位)作为观测值进行记录。由于 1980 年以前后观测规范不同，且 1980 年以前的大气能见度的观测精度相对较差，故本文用于分析江西霾的气候特征及其与气象条件关系的资料，选用 1980—2011 年江西 83 个常规气象站的观测资料，这些资料来源于江西省气象信息中心，包括大气能见度、相对湿度、风速、气压、降水、天气现象等要素。用于分析逆温的资料来源于江西省气象信息中心提供的南昌和赣州两站1980—2011 年每日 08 时的探空观测资料。此外，文中所用的江西民用汽车拥有量、能源消费总量、工业SO2排放量和工业烟尘排放量的资料来源于江西省统计年鉴。
霾的定义将日平均能见度小于 10 km，日平均相对湿度小于 90%，并排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和烟幕等其他能导致低能见度事件的情况作为一个霾日。并将大气能见度小于 2 km、2—3 km、3—5 km、5—10 km 时的霾划分为重度、中度、轻度和轻微 4 个等级。
2、 结果分析
2. 1 霾的空间分布
根据以上霾的定义，统计了 1980—2011 年江西霾日的空间分布特征(图 1) 。从图 1 可以看出，整个江西均有霾出现，但霾日的空间分布不均，总体上呈现中北部多，南部少的分布形势，其中霾日较多的地区主要集中于萍乡至上饶的铁路沿线和九江至樟树的铁路沿线一带 (为江西的主要城市及其周边较发达地区) ，霾日最多的地区位于樟树和余江，年平均霾日均超过了 85 d(余江为 98. 6 d，樟树为86. 8 d) 。从江西霾日的空间分布形势(图 1) 还可以看出，除了江西南部赣州地区外，江西霾日较少的地区主要位于海拔较高的山区，如江西西北部的修水和铜鼓、江西东北部的德兴和万年、江西北部的庐山和西部的井冈山等地，其年平均霾日均小于 25 d。
2. 2 霾的时间变化
2. 2. 1 月变化
从图 2 可以看出，江西霾日有着明显的季节变化特征，与中国大部分地区和城市相似，江西霾日在秋冬季节较多，平均每月为 3. 6 d，12 月霾日最多，平均为 5. 6 d，其次为 1 月，平均 4. 5 d。江西霾日在春夏季节相对较少(北方地区和城市春季霾日依然较多，但夏季霾日较少) ，平均每月为 0. 9 d，7 月霾日最少，平均仅为0. 3 d，其次是6 月，平均为0. 7 d。结合与气象条件的关系分析发现，江西霾日的这种季节变化特征，主要是因为秋冬季节江西常受冷高压或高压脊控制、对流层中低层常有逆温层存在、降水量少等气象条件不利于污染物向外输送、扩散或被雨水湿沉降至地面，致使污染物在空中堆积，有利于霾天气的出现。与之相反，江西春夏季节的气象条件不利于霾天气的发生。
2. 2. 2 年际变化
图 3 为 1980—2011 年江西年霾日及各等级霾日的分布。由图 3 可知，江西平均每年的霾日为 26. 9d，且霾日有着显著的年际变化特征和年代际变化特征，1980—1988 年霾日呈波动式直线上升的趋势，霾日从1980 年的18. 3 d 上升至1988 年的28. 1 d，平均每年上升 1. 1 d，1989—1999 年霾日一直维持在27 d左右波动，2000—2002 年有一个明显的减弱过程(从1999 年的 29. 7 d 降至 2000 年的22 d左右) ，但随后迅速增加，2003 年霾日接近 40 d，达到历史最高，2006 年后又有一个明显的减弱过程。从图 3 还可以看出，江西的霾以轻微霾为主，轻度霾次之，中度霾和重度霾较少，年平均不足 0. 2 d。
为了进一步揭示江西霾日的周期变化，利用Morlet 小波变换对 1980—2011 年江西年霾日进行分析，结果表明江西霾日有着显著的年际变化周期和年代际变化周期(图 4a) ，霾日年际变化周期信号较强的有 4 a 左右和 8 a 左右的变化周期，主要出现在20 世纪 90 年代中至 21 世纪初。年代际变化周期信号主要是 15 a 左右的变化周期，这个信号从 1980—2011 年均较强 (图 4a) 。小波变换模的分布图 (图4b) 也说明了这一点，即霾日在小波变化域中其波动能量曲面上有 3 个能量最聚集的中心，它代表年霾日数波动能量变化的特性，其中一个中心尺度位于15 a 附近，其能量波动贯穿整个时域，在 80 年代到90 年代中期表现最为强烈。另外有两个中心尺度在4 a 和 8 a 附近，波动能量主要影响的时域为 20 世纪90 年代中期至 21 世纪。
2. 2. 3 霾的变化趋势
图5为1980—2011年江西年霾日变化趋势(即线性倾向估计的回归系数) ，其中三角形代表该站的变化通过了 95% 的信度检验。可以看出，江西大部分地区(57 个站) 霾日均呈增加趋势，其中有 40 个站的增加趋势通过了 95% 的信度检验，在经济相对发达的南昌、九江、鹰潭和抚州等地，霾日的增加趋势尤其明显; 仅有樟树、吉安中北部和赣州东北部靠近武夷山等地区(26 个站) 呈现减少趋势，其中有 16 个站的减少趋势通过了 95% 的信度检验，霾日减少趋势最为明显的地区为樟树市。霾日的减少主要与当地环境治理的努力有关，如近些年来，樟树市开展污染减排和环境综合整治工作，环境质量显著改善，霾日成为江西全省减少最为明显的地区。
2. 3 霾与污染物排放
灰尘、硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐等粒子是霾的主要组成部分，而这些粒子与人类活动产生的污染物(工业烟尘、工业 SO2、汽车尾气等) 的排放密切相关。图6为1989—2010年江西民用汽车拥有量、能源消费总量、工业 SO2排放量(经过氧化能生产硫酸盐粒子) 、工业烟尘排放量的逐年演变过程。从图6a 可以看出，随着江西经济和工业的发展，1989 年以来江西能源消耗总量和汽车拥有量呈显著增加趋势，能源消耗在 2000 年以后增加显著，汽车拥有量在 2003 年以后的增加非常显著。与之对应，1989 年以来江西能源消耗所产生的污染物和汽车尾气的排放也呈显著的增加趋势，这是 1989—2010 年江西霾日呈总体增加(图 3) 的主要原因之一。1989—2010年江西省工业 SO2和工业烟尘排放量的变化情况(图 6b) 显示，SO2与工业烟尘排放量的变化情况相似，SO2(工业烟尘) 排放量在 1994 年以前为增加趋势，1994 年至 2002 年(2001 年) 呈减少趋势，2002 年(2001 年) 至 2006 年(2005 年) 呈快速增加趋势，2006 年(2005 年) 后又呈减少趋势。2001—2002 年与 2009—2010 年是 SO2和工业烟尘排放量的低值年，与图 3 中江西年霾日的低值段对应，2005 年前后是 SO2排放的高值年，与图 3 中江西霾日的高值段对应，表明 SO2和工业烟尘排放量为影响江西霾日的主要原因之一。1993 年和 2005 年是江西霾日的两个极小值年(图 3) ，但能源消费总量、民用汽车拥有量、工业 SO2排放量和工业烟尘排放量均不是极小值年(图 6) 。同样，1996 年是江西霾日的一个极大值年，但能源消费总量、民用汽车拥有量、工业 SO2排放量和工业烟尘排放量均不是极大值年，表明江西霾日除了与污染源本身的排放密切相关以外，还可能与其他因素有关，如气象条件。
2. 4 霾与气象条件
2. 4. 1 霾与地面风速
为了分析霾与地面风速的关系，将霾日平均地面风速划分为小于1 m·s－ 1、1—2 m·s－ 1、2—3 m·s－ 1和大 于 3 m·s－ 14 个等级进行统计分析，结果见表1 。霾出现的频率随着风速的增大而减小，即日平均风速小于 1 m·s－ 1时霾日出现的频率最高，为 43. 18%，其次为日平均风速为 1—2 m·s－ 1，霾出现的频率为 38. 70%，日平均风速超过 2 m·s－ 1时霾出现的频率显著减少，日平均风速大于 3 m·s－ 1时的霾日仅占总霾日的 5. 56%。可见，地面风速是影响江西霾天气形成和发展的主要气象因素之一。
事实上，水平风速的大小直接影响污染物的水平输送和扩散，风速较大时，污染物的水平输送加强、扩散加快，可以有效减小工业烟尘、工业SO2、汽车尾气等污染物的浓度，不利于霾天气的发生; 而风速较小时，污染的水平输送和扩散减弱，工业烟尘、工业 SO2、汽车尾气等污染物容易堆积，有利于霾天气的发生。
2. 4. 2 霾与大气逆温
污染物在对流层低层的输送，在水平方向受水平风的支配，在垂直方向上受垂直风的支配，而气温的垂直分布直接影响着垂直风的大小和方向。对1980—2011 年南昌和赣州两探空站每日 08 时的探空资料分析发现，在南昌的 2105 个霾日中，分别有1709、1626、1532 d 和 1381 d 在地面与 700、850、925 hPa和 1000 hPa 之间有逆温层存在，分别占总霾日的 81. 2%、77. 3%、72. 8% 和 65. 6% (表 2) ; 在赣州的203个霾日中，分别有191、180、173 d和136 d在地面与 700、850、925 hPa 和 1000 hPa 之间有逆温层存在，分别占总霾日的 94. 1%、88. 7%、85. 2% 和67. 0% (表 2) 。可见，绝大部分霾日均出现在低层逆温的气象条件下，其中地面至 1000 hPa 之间出现逆温的概率均超过了 65%。当近地层有逆温层出现时，大气层结处于稳定状态，低空的垂直运动和湍流较弱，不利于污染物向高空输送和扩散，污染物容易在低空堆积，容易发生霾天气。
2. 4. 3 霾与气压
图 7 为 1980—2011 年江西各月霾日平均海平面气压与月平均的海平面气压对比。可以看出，在全年各月中霾日的海平面气压均大于相应的月平均海平面气压，前者平均高于后者 5. 84 hPa。高气压天气通常与对流层中低层反气旋或高压脊相伴，反气旋或高压脊对应的反气旋式环流会使对流层中低层的空气辐散下沉，这不仅不利于局地污染物向高空输送，还有可能将其他高污染区的污染物输送至局地，致使污染物在局地堆积，有利于霾天气的发生。
反之，低气压天气对应的气旋式环流有利于局地污染物向高空输送，不利于污染物在局地堆积，不利于霾天气发生。王建国等也发现济南市的大多数霾日(64. 5%) 发生在高压天气形势下。从图 7 还可以看出，无论是霾日海平面气压还是月平均的海平面气压，在冬季均较高，夏季均较低，其中 1 月或 12 月最高，7 月最低，这与江西霾日的季节变化(图 2) 类似。表明夏(冬) 季海平面气压低(高) 是造成江西霾日夏(冬) 季少(多) 的主要原因之一。
2. 4. 4 霾与降水量
降水量与霾天气有着密切的关系。降雨时，雨滴会吸收和吸附空气中的污染物并将之携带至地面(即湿沉降) ，对空气有冲刷净化作用。强降雨或持续性降雨后的一段时间，由于雨水对污染物的冲刷，空气中污染物浓度减小，霾天气不易发生。反之，长时间无降雨或降水量很小，空气中污染物容易堆积，有利于霾天气发生。1980—2011 年江西平均的月降水量见图 7，由图 7 可知，江西多雨期主要是3—8 月(尤其是 3—6 月，其月平均降水量均超过了150 mm) ，受降雨对气溶胶粒子湿沉降所致，江西3—8 月的霾日均较少(图 2) ; 少雨期主要从 9 月至翌年 2 月(尤其是 9 月至翌年 1 月，其月平均降水量小于 80 mm) ，与之对应江西霾日多出现在 9 月至翌年 2 月(图 2) 。对比图 2、图 7 可以发现，4 月的月平均海平面气压较 9 月的高，而霾日较 9 月的少，很明显这是4 月的降水量较9 月多造成的。此外，中国北方的多雨期通常在 7 月及其以后，春季降雨较少，这可能为合肥、河南和河北等城市或地区春季霾日较多的主要原因之一。
2. 4. 5 霾与相对湿度
利用江西 83 个站的相对湿度资料，将日平均相对湿度划分为 0%—50%、50%—60%、60%—70%、70% —80% 和 80% —90% 五个等级对霾日进行统计发现，霾主要出现在高相对湿度日。相对湿度在0% —50% 、50% —60% 和 60% —70% 时，霾出现的概率均较低，分别占总次数的 0. 48%、3. 02% 和15. 99% ; 当相对湿度超过 70% ，霾出现的概率显著增高，其中相对湿度在 70%—80% 时霾出现的频率最高，占总次数的 43. 97%，其次为 相 对 湿 度 在80% —90% 时，占总次数的 36. 54% 。合肥霾与相对湿度的关系也类似，即霾多发生于高相对湿度(70%—90%) 环境下。可见适当的相对湿度也是产生霾的有利条件。研究表明，相对湿度对霾的影响是通过气溶胶粒子吸湿增大而产生的，当气溶胶粒子中含有水溶性成分时，相对湿度大使得可溶性气溶胶更易吸收水汽而长大，使气溶胶粒子的消光作用(主要是散射作用) 加强，能见度降低，有利于霾天气发生。
3、 结论与讨论
(1) 1980—2011 年江西省霾日有着显著的季节变化、年际变化和年代际变化特征，季节变化为秋冬季多(12 月最多) ，春夏季少(7 月最少) ; 江西霾日呈总体上升趋势，4 a 和 8 a 左右的变化周期显著，且在20 世纪 90 年代中至 21 世纪初信号较强，年代际变化周期主要为15 a 左右的变化周期，且在20 世纪80年代到 90 年代中期表现最为强烈。此外，江西大部分地区(83 个站中的 57 个站) 霾日均呈增加的趋势。
(2) 江西省霾日空间分布不均，整体呈中北部多南部及山区少的分布形势，霾日多的地区主要集中于萍乡至上饶的铁路沿线和九江至樟树的铁路沿线一带(即江西主要城市及其周边较发达地区) ，赣州地区和其他海拔较高的山区霾日较少。
(3) 地面风速小于 2 m·s－ 1时，污染物不易水平输送 和 扩 散，江 西 霾 天 气 发生较多 (频率为81. 88% ) ; 相对湿度在 70% —90% 有利于江西霾天气发生，尤其以相对湿度在 70%—80% 时江西霾出现频率最高(43. 97%) 。
(4) 霾与大气逆温密切相关，大气逆温的存在不利于污染物的垂直输送和扩散，霾天气容易发生，南昌和赣州有 80%(70%) 以上的霾天气发生在地面至700 hPa(925 hPa) 有逆温层存在时。
(5) 高(低) 气压和降水量少(多) ，不(有) 利于污染的垂直输送、扩散和湿沉降，有(不) 利于霾天气发生。故江西秋冬(春夏) 季节气压高(低) 、降水量少(多) ，是造成江西秋冬(春夏) 霾天气多(少) 的主要原因之一。
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