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基于1960 - 2012年日能见度数据研究华北地区的霾天气特征以及相关大气环流

陈活泼^1,2,3 王会军^1,2,3

1中国科学院大气物理研究所竺可桢-南森国际研究中心，中国北京

2中国科学院大学，中国北京

3中国科学院大气物理研究所预测与评估协作创新中心南京信息工程大学气象灾害系，南京，中国

摘要：霾是一种严重影响交通和日常生活的灾害天气，它会造成巨大的经济损失，威胁人类健康。为了加强对霾的认识，本研究利用日能见度数据，研究了1960 - 2012年期间华北霾变化及其相关大气环流。结果表明，该地区的霾主要发生在冬季，主要发生在一天的早上。经过长期变化分析可得，霾日数在20世纪60年代相对较少，但在70年代急剧增加，到现在保持稳定。季节性特征明显。夏季和秋季的增长趋势明显，在20世纪60年代和90年代到21世纪初相对较低，70年代到80年代春季和冬季相对较高。城市地区的霾变化与农村地区的霾变化十分相似，但由于城市气溶胶排放量高，霾日数更多。进一步分析表明，华北冬季严重霾事件与对流层低层北风减弱和逆温异常发展有关，对流层中层东亚大槽减弱，对流层高层东亚急流北移，所有这些因素为该地区霾事件的维持和发展提供了有利的大气环流背景。

一、引言

2013年1月，中国东部地区发生了持续、严重的霾事件，影响了8亿多人。期间，北京空气污染尤为严重，北京气象史上第一次发出雾霾橙色预警[e.g., Ding and Liu, 2014; Zhang et al., 2014]。 此后，政府和公众都更加关注霾问题。例如，2013年9月，空气污染防治行动计划对煤炭消耗，工业生产，车辆等进行了严格控制。

近年来，随着中国大气污染的加剧，冬春季节气溶胶浓度增加,霾日数增多[e.g., Niu et al., 2010; Ding and Liu, 2014; Wang et al., 2015]。 同时，在一些中国特大城市，甚至全国，能见度明显降低[Qiu and Yang, 2000; Xu, 2001; Che et al., 2007; Deng et al., 2008; Chang et al., 2009; Wu et al., 2012; Fu et al., 2013]。高气溶胶浓度和低能见度已导致严重的环境和气候问题。例如，霾天气中增加的气溶胶颗粒会降低能见度[Qiu and Yang, 2000; Luo et al., 2001; Deng et al., 2008; Li et al., 2009; Guo et al., 2011; Wu et al., 2014]，从而影响交通[Wu et al., 2005]。另外，霾的直接影响是其中的气溶胶产生的辐射强迫和红外辐射[Luo et al., 2001; Qian et al., 2006; Li et al., 2010; Niu et al., 2010]。 除了这些影响之外，霾还会导致严重的健康问题，从呼吸系统疾病到心脏病，过早死亡和癌症[Pope and Dockery, 2006; Wang and Mauzerall, 2006; Xie et al., 2014]。据报道，因为气溶胶浓度增加，近年来中国儿科肺炎患者数量急剧增加[Xu et al., 2013]。因此，深入研究霾事件的变化对于理解及提高预测霾事件的能力是必要的。

以前的研究表明，中国霾日数的变化在不同地区有所不同，东部经济发达地区有所增加，但经济发达程度不高的东北部或西北部地区有所减少[e.g.,Niu et al.,2010;Wu et al.,2010;Ding and Liu,2014]。此外，自2001年以来，中国东部的这一增长趋势更加明显[Sun et al., 2013]。 早期的研究表明，霾的长期增加与人类活动密切相关。中国城市化的快速发展和经济发展导致排放到大气中的污染物增加，使得近几十年的霾日数增加[Wang et al., 2013]。在北京，车辆是颗粒物质2.5（PM_2.5）（颗粒物质）的最大来源，占污染的25％，煤炭燃烧和交通是第二大来源，二者占19％，尽管有学者对这些来源的贡献仍有争议[He et al., 2013; Zhang et al., 2013]。中国其他地区如成都市（中国西南地区）的PM_2.5的两个主要来源是二次无机气溶胶和煤燃烧，分别占污染物的37plusmn;18％和20plusmn;12％[Tao et al., 2014]。除了人类活动的影响之外，中国东部地区霾日数的增加可能与地面风速的下降[Xu et al., 2006; Gao, 2008; Niu et al., 2010]和气候变暖导致的大气相对湿度减少有关[Ding and Liu, 2014]。Wu et al. [2008]指出，当中国珠江三角洲地区出现霾时，对流层中层为较强的纬向环流，地表风场较弱。Wang et al. [2015]进一步表明，北极海冰的减少可能会加剧中国东部的霾污染，并占到霾日年际年代际变化的约45％-67％。因此，中国霾日的变化也与气候变化密切相关。

华北地区是中国人口最多，污染最严重的地区之一。近年来，经济的快速发展使该地区的气溶胶增加，造成了严重的环境和气候问题[Giorgi et al., 2002; Qian et al., 2003; Han et al., 2009; Zhang et al., 2009; Li et al., 2011; Liao et al., 2015]。 该地区的霾日气溶胶粒子特征和气溶胶粒子对霾形成的影响已经被很好地解释[Niu et al., 2010; Quan et al., 2011; Ji et al., 2012; Li et al., 2013]。 然而，从气候的角度来看，该地区霾日的相关大气背景场尚未明确，尽管在一些案例研究中已经探索了环境条件。例如，2013年1月中国东部的严重霾事件与地表风异常减弱和近地表环流异常反向密切相关，这有利于霾事件的维持和发展[Zhang et al., 2014]。了解华北地区霾事件的气候条件有利于霾天数预测的改进以及预警系统的形成。鉴于这一重要目的，本研究的分析主要包括：（1）过去几十年霾发生的特征;（2）霾日的相关大气背景。

二、数据和方法

本研究使用的数据主要来自中国国家气象信息中心，其收集严格控制质量，包括相对湿度，能见度和风速。这些数据包含每天4次观测：当地时间02:00，08:00，14:00和20:00。本研究选取华北地区的78个台站进行分析; 从1960年到2012年连续记录，其中包括33个城市站点和45个农村站点（图1）。一般来说，城市站点主要位于人口密度高（居民人数超过20万）和经济发展迅速的大城市，农村站点位于人口密度低（20万以下）和经济发展缓慢的小城市。 城市和农村的区分标准是根据国务院在2014年10月29日提出的“关于调整城市规模划分标准的通知”。此外，NCEP/NCAR（国家环境预测中心/国家大气研究中心）1960年1月1日至2012年12月31日的日再分析资料，水平分辨率为经纬度2.5°times;2.5°，用于霾日的气候条件分析。本研究也用ERA-Interim再分析过上述气象因素，再分析资料由1979年1月1日至2012年12月31日每天4次采集的数据计算所得，水平分辨率为1.5°times;1.5°。此外，NCEP / NCAR和ERA-Interim的月再分析资料也有使用。

图1华北地形图（阴影;单位：m）和78个观测点的位置，包括33个城市站点（白色圆圈）和45个农村站点（蓝色圆圈）。

在中国的站点观测中，1980年以前和1980年以后记录的能见度观测数据因记录规则不同而不同[Qian and Giorgi, 2000; Qian et al., 2009; Ding and Liu, 2014]。 因此，需在分析之前将这些数据处理一致。 在这项研究中，我们将从1960年到1979年的所有能见度数据统一为公里能见度数据[Qin et al., 2010]。表1显示了能见度和对应的水平距离之间的对比关系。根据这一关系，将1980年到2012年的公里能见度数据首先转换为等级。然后，估计距离计算为1980年到2012年每个等级的距离平均值; 估计结果如表1所示。最后，1960年至1979年以及1980年至2012年，每个尺度的能见度数据被估计的相应距离替代。理论上，每个能见度范围都可以被相应距离间隔（例如中间值）之间的任何值概括。然而，由于能见度距离对应的尺度不是等距的，1980年代之前的能见度距离如果被中位值所代替，则估计值会被高估，这也会导致1980年左右的资料不连续[Qin et al., 2010; Wu et al., 2012]。 图2显示了华北地区观测和估计能见度年度变化的对比结果。显然，华北地区能见度的变化和下降趋势可以通过估算结果准确再现，从1980年到2012年，其相关系数可以达到0.98。可以肯定的是，能见度相对于观测值被低估了，范围从-5.4％到-0.7％，平均误差为-2.9％，这将给定义霾的发生带来误差。为了保持1980年前、后的数据一致，用1960年至2012年的估计能见度来代替1980年至2012年的观测数据，进行霾的定义和分析。

表1.能见度范围和相应的估计距离

一般而言，定义霾的发生需以相对湿度和能见度的观测值为标准，这些标准因组织（例如世界气象组织和英国气象局）和个人观点而异 [e.g., Wu, 2006; Vautard et al., 2009; Ding and Liu, 2014]。我们采用了普遍使用的综合判断标准：能见度小于10公里，相对湿度小于90％。早期的研究有记载，当相对湿度值低于90％时，霾可以轻易地从雾中分离出来[Schichtel et al., 2001; Doyle and Dorling, 2002]。沙尘的影响也因能见度低而被排除。但是，中国的沙尘数据未公开，故常用一种替代方法来定义沙尘：当地面风速大于7 m/s时，定义为沙尘事件。 因此，霾发生时，风速应低于7 m/s。如果每天4次观测中能见度，相对湿度和风速有一次满足上述标准，则认为当天发生了霾。每月霾发生次数为日序列的总和，区域平均值为站点的平均。

图2.华北地区观测和估计能见度的区域平均年变化。 单位：公里。

三、华北地区的霾变化

图3a显示了根据过去五十年收集的数据计算出的中国华北地区霾年发生的周期。霾的年日数的气候平均值为80.6 d / yr，霾日数随着月份增加而增加（图中未显示）。图3a显示不同月份和测量站点的霾日数差异很大。然而，区域平均结果表明，华北地区的霾事件主要发生在北方冬季，约占全年霾发生的32.8％。除了受当地大气的影响，华北冬季期间霾事件的高发主要是因为用于取暖的煤燃烧增加以及降雨较少导致湿度较低。春季和秋季的霾事件相对较少，分别占年霾事件的23.0％和24.2％。特别是在3月和11月，这两个月仍然需要取暖，霾发生率分别为9.0％和9.6％。该地区北方夏季霾日较少，仅为16.0 d / yr，占年度霾日的约19.9％，主要是由于这个季节雨多。

图3.（a）1960 - 2012年华北地区霾日的年和（b）昼夜周期图。 误差栏表示测量站点之间的一个标准偏差。 单位：天。

利用每天4次收集的观测数据，探讨了华北地区霾事件的平均气候周期（图3b）。显然，霾事件主要发生在8:00，占所有事件的约44.7％。很容易理解此时霾日数多的原因。首先，08:00是上班高峰时段；其次，近地面的强烈逆温通常与低气压一起发生，从而限制了气溶胶在垂直和水平方向的输送。14：00和20:00 的发生率比08:00 低，分别占20.3％和19.4％。 凌晨02:00，该地区仅有15.6％的霾事件。

图4显示了1960年至2012年华北地区霾发生率和可见度平均值在年度和季节尺度上的长期变化。华北78个测点分为33个城市站点和45个农村站点（图1）; 它们的相应变化如图4所示。城市站点（北京，天津，保定等）大部分位于相对较大的城市，气溶胶排放量相对较高，农村站点主要位于小城市，气溶胶排放量相对较低，这通常会导致城市地区比农村地区霾日更多。

从1960年到2012年，华北地区每年的霾发生率都有所增加，70年代出现急剧增长。20世纪60年代，区域平均霾天数约为51.5d/yr，随后明显增加，但自20世纪70年代末以来一直保持稳定。在21世纪初，霾日数增加到89.7 d/yr，与1960年代相比增加了74％（表2）。相应地，由于大气中气溶胶颗粒浓度的增加，能见度明显下降。在过去的几十年中，霾天数和能见度之间的相关系数达到0.91，在去趋势后甚至更高（0.92）。城市和农村地区的变化趋势类似，城市地区的霾日较多，农村地区的霾日较少。同时，城市和农村地区的能见度从1960年到2012年有所下降，但城市地区的下降幅度要高于农村地区。据统计，城市站点的霾日数从20世纪60年代的83.6 d/yr增加到21世纪初的132.5 d/yr，增长58％。对于农村地区来说，霾日数的增加一般比城市地区要小，从60年代的27.8 d/yr增加到21世纪初的58.4 d/yr。 然而，农村地区霾天数的相对变化值相对城市地区较高，据报道农村地区21世纪初的霾日数与20世纪60年代相比增加了110％。

华北地区霾日的长期变化因季节和城乡而异。在北半球春季和冬季，霾日数显示出明显的年代际变化特征，在20世纪60年代和90年代到21世纪初相对较少，70年代和80年代相对较多。20世纪70年代的急剧增长对应于该地区能见度从好到差的转变。然而，自20世纪80年代初以来，能见度一直保持稳定，尽管受到强年际变化的影响。自20世纪90年代以来霾天数减少的原因尚不清楚，需要更多的研究。早期的研究表明，北方冬季的霾日数近年来明

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