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揭示中国西南偏远高原工业发展过程中空气质量的变化：大气能见度数据的一项应用

摘要：20世纪80年代以来，包括中国西南偏远地区云贵高原（YGP）在内的中国工业发展蓬勃发展。为了分析云贵高原在工业发展过程中的空气质量的区域变化，我们通过排除自然因素对观测到的能见度的影响采用等效的能见度，各类数据基于1980年至2010年在云贵高原203个地点观测到的气象资料。 云贵高原空气质量在空间上表现出巨大差异，总体分布从西部空气质量良好到东部空气质量较差。夏季低空污染和冬季高空污染使得云贵高原在空气质量上具有典型的季节性，类似的模式在空间分布上也呈季节性变化。云贵高原能见度的增加和减少的趋势大多集中在能见度高和低的区域，在1980 - 2010年期间的数据显示云贵高原空气质量变化呈现出两极分化现象。云贵高原的区域平均能见度呈现显著的下降趋势，空气质量恶化的变化率为-1.5 km/decade。能见度季节性差异变得模糊，夏季（33.6km）和冬季（25.2km）。在1980 - 2010年夏季能见度下降幅度较大（夏季为-2.29 km/decade），冬季减少幅度较小（-0.89 km/decade），这导致云贵高原空气质量变化的季节性不明显。地处偏远的云贵高原经历了更多的雾霾污染，东部高原地区受雾霾影响的时间更是超过31年。伴随着工业发展和能源消耗的增加，人口增长同样是影响云贵高原空气质量年际变化的重要因素。云贵高原地形空间分布的独特性使得原本空气质量良好的低山地地区空气质量变差。 1980 - 2010年期间，由于季风的减弱，可能会引起云贵高原空气污染物的区域性传输通量减少，推动空气质量变化。气候变化对大气环境的影响将对中国的可持续发展具有潜在的影响。

1. 引言

气象上来说，水平能见度的观测是衡量大气透明度的一种方法。影响视觉范围的有自然和人为两种因素。前者包括降水，湿度，雾，大风和天然沙尘气溶胶，后者是由于人类活动造成的空气污染，降低了大气能见度。人类活动所产生的空气污染物改变了大气光学特征，与大气能见度的变化显著相关（Sisler and Huffman 1994; Qiu and Yang 2000; Deng et al.2008; Lin et al。2012）。大气能见度已经广泛地被用于表征空气质量变化中环境污染物水平（Wang et al.2009; Che et al.2009; Xia et al.2006; Chen and Wang 2015）。

云贵高原位于中国西南部，面积约560,000平方公里，位于北纬22.1-29.3°，东经97.5-109.6°，与青藏高原和四川盆地接壤（图1）。由于低纬度高原平均海拔约2000米，河谷低于400米，山峰高达3700米，云贵高原的气候受到强烈的湿度和气温影响呈现出显著的空间变化。作为中国西南偏远的欠发达地区，云贵高原被认为是中国空气质量良好的地区之一（Che et al。2007; Zhang et al。2012; Deng et al。2012; Fu et al。2013）。与中国东部发达且污染较严重的地区相比，关于云贵高原空气质量变化的调查较少。

云贵高原地区呈现出区域气候变化的独特特征。与过去几十年全球区域变暖不同，20世纪中叶以来，在云贵高原北部及其邻近的四川盆地，年平均气温与日最高气温的降低趋势较为明显（Ding et al 2007）。云贵高原过去几十年地表温度年均值的变化特征表现为，北部地区有下降趋势而东南部地区有警报趋势(Lu et al. 2004; Huang et al. 2005)。自20世纪60年代以来，云贵高原大部分地区的太阳辐射和日照时间呈下降趋势（Kaiser and Qian 2002; Zheng et al.2008）。有学者相信，人为气溶胶的降温效应可以降低包括云贵高原在内的中国西南地区的气温（Giorgi et al.2002; Qian et al。2003）。随着中国近几十年的经济发展，云贵高原作为中国西南边远地区也经历了快速工业化，这可能代表着过去几十年的空气污染物排放量的增加（Chen and Xie 2014）。但是，云贵高原气溶胶测量的长期数据不适用于区域空气质量变化的气候分析。而除此之外，长期能见度数据在气候学上则可用作评估空气质量变化的标准（Wang et al。2009; Che et al.2009; Xia et al.2006），因为大气能见度是评价空气污染物水平的良好指标。为了评估人为污染物对能见度变化的影响，我们通过排除自然因素对本研究可见度的影响，采用干空气条件下的等效能见度（Rosenfeld et al。2007）。基于31年（1980 - 2010年）的等效能见度数据，我们提出了云贵高原空气质量区域变化的气候分析。结合人为污染物排放和区域气候变化，云贵高原可见度的长期气候分析研究对于全面了解中国区域气候和环境变化具有重要意义。

1. 数据和方法

本研究采用云南和贵州两省内中国气象监测网络203个观测点的能见度，降水，湿度，雾，尘粒，温度和风的31年（1980-2010）数据集。能源消费总量和人口数据来自云南省和贵州省政府统计年鉴。为了定量评估云贵高原空气质量变化，我们重新分析了贵阳和昆明两个省会城市在2014年至2015年PM10，PM2.5和O3的月变化，并利用中国环境保护部的空气质量监测数据以及来自MODIS Level-3产品005系列的气溶胶光学深度（AOD）数据。

为了对云贵高原空气质量变化的能见度数据进行气候分析，可见性数据按照以下规则进行预处理：（1）选出每日14:00（当地时间）的能见度值代表当天可见度水平;（2）如果在能见度观测期出现降水，雪，雾，尘埃或大风，当日能见度数据不参与分析，以消除自然因素对能见度的影响;（3）为消除湿度对能见度的影响，将相对湿度在40％至90％范围内的环境空气中观察到的能见度转换为干燥空气条件下的等效能见度（Rosenfeld et al。2007）：

其中，V是能见度观测值，Vd是干燥空气中的能见度校正值，RH是相对湿度（％）。公式（1）仅适用于RH在40到90％之间，V / Vd = 1时RH = 40％的情况下。在相对干燥空气中，相对湿度低于40％时，能见度无法修正。本研究在RH高于90％时可以进行能见度分析。预处理能见度Vd可反映人为污染物对云贵高原空气质量的影响。

基于1980 - 2010年预处理后的能见度数据，我们分析了（1）能见度年均值，（2）春季，夏季，秋季和冬季的平均能见度及其年际变化趋势，以及（3）在云贵高原上能见度lt;10km的雾霾天气出现频次。预处理后能见度的长期趋势用采用线性回归进行计算，使用31年后每个观测点的简单线性回归模型。线性回归公式如下：

其中b是线性趋势。当bgt;0 或blt;0时，表示上升趋势或下降趋势。趋势率是通过趋势除以预处理能见度的31年平均值得出的。

1. 结果与分析

大气能见度一般由自然和人为因素控制。排除自然因素的影响，如第2部分所示，本节提供了基于1980-2010年间云贵高原空气质量变化的预处理能见度Vd（以下简称“能见度”）数据的气候分析，以更好地了解近几十年来的区域环境变化。

• 1. 气候平均特征

图2显示了1980年至2010年云贵高原年平均能见度分布。低能见度地区位于云贵高原东部，特别是与四川盆地接壤的地区（lt;16 km）, 而在云贵高原西部地区能见度较高，特别是青藏高原西北部北纬26-29°的地区（gt;40km）。相比之下，云贵高原以外的六个城市（北京，成都，广州，上海，沈阳和西安）的年平均可见度分别为10.67, 8.60, 10.76, 8.59, 8.16和9.74 km（Chang et al。2009 ），云贵高原包括具有较高知名度的大城市（昆明，贵阳）被认为是中国空气质量良好的地区之一。值得注意的是在图2中，在云贵高原地区内，西部地区能见度高而东部地区能见度低，表现出了该地区能见度空间分布的巨大差异，也代表了云贵高原空气质量变化空间分布的独特模式。受高原地区空气质量差异的影响，云贵高原中从西部地区到东部空气质量差异很大。结合云贵高原上的地形和能见度分布（图1,2），可以清楚地看出良好（较差）的空气质量在空间上与高（低）地形对应，也反映出地形可以通过影响气象条件和人类活动来改变空气质量。

春季，夏季，秋季和冬季季节性平均能见度的分布与年平均能见度分布相似（图2，3），表明云贵高原西部良好东部较差的空气质量情况随季节的变化较少。然而，随季节变化幅度明显的地区见图3，特别是在云贵高原东部，中部和南部地区，夏季能见度较高，冬季能见度较低，春季和秋季能见度较低，云贵高原空气质量具有典型的季节性，夏季低空污染，冬季高空污染（表1），此结论也得到2014年至2015年云贵高原城市地区空气质量监测测量的证实，即PM2.5，PM10水平夏季较高冬季较低的季节循环。根据2009年至2011年四川省会成都监测气溶胶数据，中国西南地区四川盆地的夏季气温与冬季气候差异也出现类似的季节变化（Li et al。2015）。气候上来说，包括云贵高原和四川盆地在内的中国西南地区是亚洲季风的典型区域，此区域内降水受东亚夏季风高值和东亚冬季风低值的影响呈季节性变化，这也是一个决定云贵高原空气质量季节性变化的重要因素。

对1961-2005年YGP观测的太阳辐射的气候分析表明，云贵高原西部地区太阳辐射较高，最高值在丽江，年均值为6195 MJ /msup2;，东部地区太阳辐射较低，最低值在遵义（Zheng et al。2011），年均值为3340 MJ /msup2;，证实了能见度与到达地球表面太阳辐射的相关性。

• 1. 变化趋势

图4说明了1980 - 2010年期间能见度空间分布的年变化趋势。云贵高原地区能见度的年下降趋势估计为84.2％，其中87.0％的地区的下降趋势通过了99％的置信水平，而云贵高原地区的15.8％，主要在西北部，能见度在过去的31年中经历了增长过程，其中有56.3％的地区通过了99％的置信水平（图4）。有趣的是，在云贵高原能见度高和低的地区，能见度增加和减少的趋势分别集中在多个区域（图2和图4），显示了1980 - 2010年期间云贵高原空气质量变化的极化现象。

云贵高原地区整体而言，能见度年变化具有明显的下降趋势，如图5所示在31年间云贵高原的能见度变化速率为-1.5km/decade，也反映出了过去几十年中云贵高原地区空气质量恶化的趋势。如上所述，能见度呈现出夏季高值到冬季低值的季节性变化特征（图3;表1）。但是，从夏季（33.6km）和冬季（25.2km）的能见度可以看出季节差异变得模糊不清，夏季能见度具有更强的下降趋势（夏季-2.29 km/decade），而冬季则有较弱的下降趋势（-0.89 km/decade）（表1），这意味着近几十年云贵高原空气质量恶化趋势的季节性变化不明显。

1980 - 2010年期间，华东地区观测到了多起冬季季节性雾霾事件（Xu et al。2015）。然而，自1980年以来，大气污染物排放量逐步增加，导致东部大片地区特别是京津冀，长三角和珠江三角洲地区的霾污染更为严重。在1980 - 2010年间，华东地区雾霾事件中的能见度总体上呈现增加趋势，夏季趋势较强而冬季趋势较弱。由于冬季典型的环境现象，雾霾事件近年来在华东地区从冬季逐步蔓延到秋季，夏季和春季。值得注意的一个事实是，在中国大气环境变化中，上世纪雾霾发生的“独特”季节性在二十一世纪却变得“模糊不清”（Xu et al。2015），同时也符合中国西南偏远地区云贵高原工业发展过程中空气质量和能见度观测结果。

在近地面大气中，雾霾是指能见度小于10km，相对湿度低于90%的视程障碍现象。气溶胶含量高，能见度差的雾霾事件是中国面临的常见空气质量问题，对公众健康构成了严重威胁（Cheng et al。2013）。正如在第2部分所提到的，本文中有关能见度分析的研究不包括相对湿度高于90%的情况。因此，一年中能见度小于10km的天数百分比可以作为年度雾霾事件频率。1980年至2010年间雾霾发生频率的空间分布情况如图6所示。1980年至2010年期间云贵高原上所发生的霾事件中大约71.0％的地点能见度较低，其中78.9％地点有增加趋势，通过99％的置信水平，主要分布在高原东部和中部地区（图6）。中国西南偏远的云贵高原经历了更多的雾霾污染。2014年4月至2015年4月期间，两个省会城市的各类污染物年均值分别为PM10（54.4 ug/msup3;），PM2.5（37.3ug/msup3;）和O3（47.9 ug/msup3;），在中国环境保护部和云贵高原城市10年（2001-2010年）气溶胶光学厚度平均值的0.14-0.55之间，表明云贵高原城市空气质量良好。2010年的空气质量可能没有2014和2015年严重，应该根据最新的测量数据进一步研究云贵高原城市空气污染。

• 1. 影响因子

为了研究影响云贵高原空气质量时空变化的因素，对1980-2010年云贵高原地区能耗，人口，风力和地形分别与能见度进行相关分析（图7,8,9和10）。图7显示了云贵高原区域平均能见度和1980年至2010年之间总能耗的年变化的相关性。能见度和31年间总能耗的相关系数为-0.96，通过了99.9％的置信水平（图7）。能见度和空气质量的下降趋势可归因于化石燃料使用的增加造成的空气污染物排放增加。中国东部经济发达地区也确定了能见度随工业化程度提高而降低的关系（Gao et al。2011）。1980-2010年间，能见度和人口年变化的相关系数为-0.81，通过了99.9％的置信水平（图8），揭示了人口增长与环

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