1961—2017年華北區(qū)域大氣自凈能力變化特征及其影響因素分析

井元元，李宏宇，張婧，許啟慧，劉咪咪

（1.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊050021；2.河北省氣候中心，河北 石家莊050021）

1 引 言

在全球氣候變化背景下，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市化進(jìn)程不斷加快，我國大氣環(huán)境污染形勢較為嚴(yán)峻，一些經(jīng)濟(jì)活動密集地區(qū)，如長三角（長江三角洲）、珠三角（珠江三角洲）、京津冀等城市群的空氣污染問題日趨嚴(yán)重[1-2]。氣象條件對空氣污染的影響問題多年來一直備受關(guān)注，當(dāng)外界污染物排放量比較穩(wěn)定時(shí)，氣象條件對空氣污染的程度和影響路徑具有關(guān)鍵性作用[2-4]。國內(nèi)學(xué)者將表征空氣污染氣象條件的綜合指標(biāo)作為主要研究方法，徐大海等[5-7]在分析擴(kuò)散矩陣和箱模式的基礎(chǔ)上，提出了表征大氣污染擴(kuò)散能力的大氣通風(fēng)量和大氣環(huán)境容量的分析計(jì)算方法?；诖?，有學(xué)者[1-2,8-12]研究了河北、山東、內(nèi)蒙古、浙江、安徽、四川及重慶等地區(qū)大氣環(huán)境容量的氣候變化特征；與之類似，國外學(xué)者[13-14]在研究污染氣象條件的氣候分布特征時(shí)，定義了通風(fēng)系數(shù)（混合層高度內(nèi)風(fēng)速乘以高度的積分）這一概念。

朱蓉等[3]根據(jù)大氣自身運(yùn)動對大氣中污染物的通風(fēng)稀釋和濕清除能力，在大氣通風(fēng)量的基礎(chǔ)上，定義了大氣自凈能力指數(shù)(ASI)，研究了其氣候特征并在大氣污染預(yù)報(bào)中得以應(yīng)用。已有研究[3-4,15-16]表明，京津冀地區(qū)和內(nèi)蒙古等地大氣自凈能力呈顯著下降趨勢，全年低自凈能力日數(shù)上升，本世紀(jì)以來其增幅明顯增加，且低值區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大，氣象條件對污染物的清除能力變?nèi)?，太行山一線特殊地形下的背風(fēng)區(qū)更是不利于大氣污染物的擴(kuò)散。此外，有學(xué)者[10,17-19]研究表明空氣質(zhì)量與大氣自凈能力存在一定對應(yīng)關(guān)系，如天津、黑龍江等區(qū)域的重污染事件多出現(xiàn)在低大氣自凈能力時(shí)段。以往對華北地區(qū)大氣污染特征的研究多拘泥在省域較小空間尺度上，對華北區(qū)域較大范圍大氣自凈能力指數(shù)的長期演變規(guī)律研究較少，因此有必要在區(qū)域空間尺度上開展分析。

近些年，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量空氣污染與氣象因子關(guān)系的研究。研究結(jié)果表明對流層低層逆溫、高濕和高溫、穩(wěn)定大氣層結(jié)等氣象條件與中國東部等地霧霾天氣過程及其空間分布關(guān)系密切[20-21]，而高溫和低濕、小風(fēng)和強(qiáng)日照等氣象條件對臭氧濃度影響較大[22-23]。對于河北地區(qū)，地面風(fēng)速、降水和邊界層高度等天氣和氣象要素是決定其大氣環(huán)境容量的重要?dú)庀笠豙8]。而風(fēng)速減小、小風(fēng)頻率、冷空氣強(qiáng)度、混合層高度下降和城市化進(jìn)程加快等因素均對大氣自凈能力指數(shù)下降有重要貢獻(xiàn)[4,15]。

鑒于華北區(qū)域大氣污染事件頻發(fā)，本文利用ASI指數(shù)，系統(tǒng)分析了1961—2017年華北區(qū)域大氣自凈能力的時(shí)空變化特征、年際突變及頻譜差異，結(jié)合ASI的REOF空間載荷場分布特征，將華北區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，并研究了氣象要素與華北區(qū)域及各分區(qū)的可能聯(lián)系；對于大氣自凈能力較低的IV區(qū)，選擇近年污染相對嚴(yán)重的部分城市（石家莊、保定和唐山），對比給出了ASI與污染氣象條件及不同級別空氣質(zhì)量天數(shù)占比情況。

2 資料和方法

2.1 資 料

本文中華北區(qū)域包括北京、天津、內(nèi)蒙古、河北和山西，采用中國氣象局共享網(wǎng)站中華北區(qū)域的80個(gè)國家級地面氣象觀測站（圖1）1961年1月1日—2017年12月31日的氣象觀測資料，包括氣溫、相對濕度、平均風(fēng)速、總云量、低云量以及24 h降水量（08時(shí)—08時(shí)，北京時(shí)間，下同)[4]；大西洋年代際振蕩(AMO)指數(shù)源自美國國家海洋與大氣管理局資料網(wǎng)站（https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/）。城市污染氣象條件（混合層高度、地表通風(fēng)系數(shù)和靜穩(wěn)天氣指數(shù)[24]）及環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)均源于河北省環(huán)境氣象中心。

2.2 方 法

本文基于國家地面氣象觀測站資料，利用朱蓉等[3]提出的大氣自凈能力指數(shù)(ASI)分析華北區(qū)域大氣自身運(yùn)動對大氣中污染物的清除作用，該指數(shù)可以較好地反映出大氣對污染物清除能力的空間分布特征及變化特點(diǎn)。由于夜間云量觀測資料的局限性，我們只計(jì)算每日14時(shí)的ASI，其可用來表征全天大氣對污染物總體清除能力，計(jì)算公式為[4]：

式中，ASI單位為t/(d?km2)；右式第一項(xiàng)中VE為大氣通風(fēng)量，表征大氣對污染物的通風(fēng)擴(kuò)散能力；第二項(xiàng)是降水對大氣污染物的清除能力；n為降水小時(shí)數(shù)，R為小時(shí)降水量，單位為mm/h；S為區(qū)域面積，取100 km2；Cs為污染物濃度，取0.075 mg/m3；π取3.14；本文取1981—2010年的ASI平均值為氣候值[8]。

本文將Mann-Kendall(MK)和滑動t(MT)檢驗(yàn)方法相結(jié)合，對華北區(qū)域全年和四季大氣自凈能力指數(shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)分析[8]；基于Morlet小波對比了全年和四季大氣自凈能力指數(shù)頻譜能量分布差異。此外，還將旋轉(zhuǎn)主成分分析(REOF)得到的不同模態(tài)空間場高載荷區(qū)與氣候值空間分布相結(jié)合進(jìn)行區(qū)域劃分。

圖1華北區(qū)域海拔高度（m）及選定氣象站點(diǎn)的空間分布情況

3 結(jié)果分析

3.1 ASI歷年及季節(jié)變化分析

圖2給出1961—2017年華北區(qū)域平均年ASI歷年變化。ASI多年氣候值為4.98 t/(d·km2)，年際變化明顯，于1969年達(dá)最高值，2007年到達(dá)最低值，總體呈顯著減弱趨勢（通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)），線性趨勢的減弱速率為0.37 t/(10a·d·km2)；而且年代際差異明顯，ASI于1960年代—1970年代有所增強(qiáng)，之后持續(xù)減弱，其中1970年代到1980年代減弱最明顯，至20世紀(jì)末明顯低于氣候值，21世紀(jì)前10年為近五十幾年以來最低，僅4.59 t/(d·km2)，2010年以來呈現(xiàn)出一定增強(qiáng)趨勢。

圖2 1961—2017年華北區(qū)域平均年大氣自凈能力指數(shù)歷年變化 單位：t/(d·km2)。

華北區(qū)域ASI月際差異明顯（圖略），整體呈“M型”雙峰分布，峰值出現(xiàn)在4月，高達(dá)6.90 t/(d·km2)，其后逐月降低，直至10月，增加至5.13 t/(d·km2)，1月和12月大氣自凈能力相對較低，分別為4.39和4.47 t/(d·km2)。

圖3給出了1961—2017年華北區(qū)域平均四季ASI歷年變化，統(tǒng)計(jì)得出ASI春夏秋冬四個(gè)季節(jié)氣候值分別為6.08、4.97、4.71和4.12 t/(d·km2)；一年中，春季大氣對污染物總體清除能力最強(qiáng)，冬季最弱，從春到冬大氣自凈能力逐漸下降，總體呈現(xiàn)顯著減弱趨勢（通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)）。春季和冬季線性趨勢的減弱速率相對較大，分別為0.41和0.40 t/(10a·d·km2)，秋季和夏季線性趨勢的減弱速率相對較小，分別為0.35和0.30 t/(10a·d·km2)。四個(gè)季節(jié)ASI與年ASI呈現(xiàn)出一致的年代際差異，總體均在1970年代到1980年代減弱最明顯，且21世紀(jì)前10年為近五十多年以來最低。春季和夏季均在1960年代到1970年代為增強(qiáng)趨勢，之后持續(xù)減弱，夏、秋和冬季大氣自凈能力均于21世紀(jì)10年代初轉(zhuǎn)為增強(qiáng)。隨著改革開放和城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐加速，下墊面粗糙度增加，這促使風(fēng)速逐漸降低，加之氣候變暖背景下經(jīng)向環(huán)流的減弱引起了亞洲冬夏季風(fēng)的減弱，而且冬季風(fēng)的減弱趨勢較夏季風(fēng)更為明顯[16]，因此與上述結(jié)果相一致，冬季的大氣自凈能力也呈現(xiàn)出和夏季類似的減小趨勢。

圖3 1961—2017年華北區(qū)域平均四季大氣自凈能力指數(shù)歷年變化 單位：t/(d·km2)。

3.2 ASI氣候值的空間分布

華北區(qū)域年ASI氣候值空間分布差異明顯（圖4），其與圖1所示的華北區(qū)域海拔高度空間分布，存在一定對應(yīng)關(guān)系。圖1和圖4對比可以發(fā)現(xiàn)海拔高度及山脈走向?qū)^(qū)域自然氣候條件有直接影響，其中海拔高度相對較低的山前平原地區(qū)，包括京津冀大部、內(nèi)蒙古東部和東北部等區(qū)域大氣自凈能力相對較低，而海拔高度較高的內(nèi)蒙古中部及山西西北部部分區(qū)域大氣自凈能力相對較高。四季ASI氣候值的地理分布特征與年際結(jié)果相類似（圖5），京津冀和山西大部、內(nèi)蒙古東北部和中部偏西地區(qū)大氣自凈能力較低，內(nèi)蒙古中部等其他地區(qū)大氣自凈能力較高。冬季內(nèi)蒙古地區(qū)大氣自凈能力減弱明顯，其東北部和中部偏西地區(qū)與京津冀南部污染嚴(yán)重區(qū)域大氣自凈能力數(shù)值相當(dāng)，這可能與上述地區(qū)冬季風(fēng)速的減弱有關(guān)[25]，中部偏西區(qū)域?yàn)楹艉秃铺睾桶^等大城市區(qū)，城市群的聚集會影響風(fēng)速、混合層高度等大氣擴(kuò)散條件，使得冬季大氣自凈能力減弱明顯[16]。

圖4 華北區(qū)域年大氣自凈能力指數(shù)氣候值空間分布 單位：t/(d·km2)。

圖5 華北區(qū)域四季大氣自凈能力指數(shù)氣候值空間分布 單位：t/(d·km2)。

1961—2017年華北區(qū)域年和四季ASI線性趨勢變化速率的空間分布（圖6和圖7）表明，華北區(qū)域大部分地區(qū)大氣自凈能力呈顯著減弱趨勢（通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)），其中河北東部及西北部、內(nèi)蒙古中部部分站點(diǎn)線性趨勢的減弱速率超過0.6 t/(10 a·d·km2)，且季節(jié)變幅存在差異，冬季和春季線性趨勢的減弱速率最為明顯，夏季和秋季相對較小。全年有74個(gè)站顯著下降，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的92.5%；春季和秋季下降站點(diǎn)較多，達(dá)73個(gè)，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的91.25%；夏季次之，為72個(gè)，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的90%；冬季為70個(gè)，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的87.5%。

圖6 1961—2017年華北區(qū)域年ASI線性趨勢變化速率空間分布 單位：t/(10 a·d·km2)。

圖7 1961—2017年華北區(qū)域四季ASI線性趨勢變化速率空間分布 單位：t/(10a·d·km2)。

3.3 ASI突變檢驗(yàn)及能量譜分析

將MK和MT檢驗(yàn)相結(jié)合，計(jì)算獲得了1961—2017年華北區(qū)域年和四季ASI的年際突變檢驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，秋季MT檢驗(yàn)結(jié)果的峰值年份多為1998年，而MK檢驗(yàn)正反序列的交點(diǎn)出現(xiàn)在1990年代初，這與許啟慧等[8]研究結(jié)果相類似；以華北區(qū)域秋季ASI的歷年值MT檢驗(yàn)的峰值年和MK檢驗(yàn)的交點(diǎn)年為界，比較前后序列的多年平均值，結(jié)果表明以1998年為界時(shí)，歷年序列前后多年均值相差最大，這反映出秋季華北區(qū)域ASI的突變年份為1998年；而年和春季ASI的突變年份為1988年，夏季突變年份為1990年，冬季突變年份為1980年。

小波能量譜可以顯示出不同時(shí)間尺度振蕩的強(qiáng)弱（圖略），1961—2017年華北區(qū)域年ASI的Morlet小波能量譜分布與總體時(shí)段波譜分析相一致，在年際和年代際尺度上不存在顯著高能量區(qū)，其全時(shí)域顯著高能量振蕩區(qū)位于64年左右，且年際能量譜分布差異明顯。季節(jié)能量譜分布與年際相類似，全時(shí)域顯著高能量區(qū)均位于64年左右，年際差異具體表現(xiàn)為：夏季在1965—1973年間存在3年左右?guī)钸B續(xù)顯著高能量區(qū)；秋季在1963—1966年及1968—1977年存在2～4年的不連續(xù)顯著高能量區(qū)；冬季在1961—1969年和2000—2005年左右存在2～4年的帶狀連續(xù)高能量區(qū)。

3.4 ASI分區(qū)特征分析

上述分析（圖4和圖5）表明，華北地區(qū)ASI空間差異明顯，為進(jìn)一步討論華北地區(qū)ASI的區(qū)域差異，下文對ASI空間場的前10個(gè)主成分進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)，得到年大氣自凈能力指數(shù)REOF的前4個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為34.1%、25.7%、6.7%和5.9%，四個(gè)季節(jié)大氣自凈能力指數(shù)REOF的第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為24.9%、17.6%、22.5%和36.0%。圖8中陰影區(qū)域顯示的是華北區(qū)域大氣自凈能力指數(shù)REOF的高載荷區(qū)（≥0.4），年RE‐OF1的高載荷區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古東北部、內(nèi)蒙古中部及京津冀中部區(qū)域；春季REOF1的高載荷區(qū)與年值相類似，冬季REOF1方差貢獻(xiàn)最大，且在內(nèi)蒙古中部、南部及京津冀區(qū)域存在明顯的高載荷區(qū)。綜合考慮大氣自凈能力的空間分布和華北區(qū)域地形特征，嘗試將華北區(qū)域大氣自凈能力指數(shù)分為4個(gè)區(qū)：I區(qū)為內(nèi)蒙古東部（20站），II區(qū)為內(nèi)蒙古中部和南部（24站），III區(qū)為山西地區(qū)（14站），IV區(qū)為京津冀區(qū)域（22站）（圖8）。

圖8 1961—2017年華北區(qū)域年大氣自凈能力指數(shù)REOF的前四模態(tài)和四季大氣自凈能力指數(shù)REOF的第一模態(tài)空間分布、分區(qū)結(jié)果及站點(diǎn)分布情況

下面對各分區(qū)ASI的氣候值及年際線性趨勢變化速率進(jìn)行分析，其中Ⅱ區(qū)大氣自凈能力相對較高，氣候值達(dá)5.84 t/(d·km2)，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)次之，氣候值分別為5.10和4.57 t/(d·km2)，Ⅳ區(qū)大氣自凈能力最低，僅4.19 t/(d·km2)，較Ⅱ區(qū)偏低28.3%。與華北區(qū)域年際ASI的線性趨勢變化速率相一致，各分區(qū)年和四季大氣自凈能力均呈現(xiàn)出顯著減少的趨勢（通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)），且春季和冬季線性趨勢的減弱速率相對較大。分區(qū)域來看，Ⅱ區(qū)大氣自凈能力線性趨勢的減弱速率最大，Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)次之，Ⅲ區(qū)大氣自凈能力線性趨勢的減弱速率相對較小。

表1 1961—2017年華北區(qū)域年和四季大氣自凈能力指數(shù)各分區(qū)的氣候值（單位：t/(d·km2)）及線性趨勢變化速率（單位：t/(10 a·d·km2)）

3.5 ASI與氣象條件的關(guān)系

為進(jìn)一步考察氣象要素指標(biāo)對華北區(qū)域ASI的影響程度，利用1961—2015年華北區(qū)域80個(gè)氣象站點(diǎn)資料，計(jì)算出了各站年和四季ASI與地面風(fēng)速、氣溫、降水量和相對濕度的相關(guān)結(jié)果（表2）。對于華北區(qū)域，由正相關(guān)顯著站點(diǎn)占比可以看出，在不同氣象要素中，地面風(fēng)速與大氣自凈能力指數(shù)的正相關(guān)最為顯著，其在四季和全年相關(guān)系數(shù)超過0.80，影響到全部站點(diǎn)區(qū)域，這表明地面風(fēng)速是影響華北大氣自凈能力最重要的氣象要素，風(fēng)速越大，大氣自凈能力越強(qiáng)，大氣自凈能力指數(shù)也因此越大，風(fēng)速與大氣環(huán)境容量及霧霾指標(biāo)之間關(guān)系的研究結(jié)果[8,26]也證實(shí)了該結(jié)論；氣溫次之，除冬季外，氣溫與ASI在其他三個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，特別是夏季影響區(qū)域可以超過60%，這表明一定程度上伴隨天氣過程的降溫會顯著增強(qiáng)大氣自凈能力；相對濕度對大氣自凈能力的負(fù)相關(guān)影響主要表現(xiàn)在冬季和春季（76%和40%區(qū)域），而夏季的部分區(qū)域?yàn)檎嚓P(guān)關(guān)系；降水量在夏季的正影響區(qū)域?yàn)?0%，由于華北區(qū)域降水主要出現(xiàn)在夏季，降水對污染物的濕沉降清除作用在夏季也更為明顯，對其他季節(jié)的大氣自凈能力影響較小。

表2 1961—2015年華北地區(qū)及各分區(qū)年和四季大氣自凈能力指數(shù)與氣象要素的相關(guān)結(jié)果

與整體華北區(qū)域相關(guān)結(jié)果相類似，各分區(qū)大氣自凈能力仍與地面風(fēng)速的相關(guān)最高，對比華北區(qū)域，氣溫在Ⅳ區(qū)的負(fù)影響范圍占比相對較大，尤其是秋季，氣溫的負(fù)影響范圍超過65%區(qū)域；降水對各分區(qū)的影響也主要集中在夏季，尤其是I區(qū)和Ⅲ區(qū)，正影響范圍為65%和79%區(qū)域；相對濕度亦為冬季負(fù)影響范圍最大，尤其是Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，負(fù)影響范圍超過85%區(qū)域。

表3為華北區(qū)域ASI及相關(guān)氣象要素與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)和線性趨勢變化速率，顯示出華北區(qū)域年和四季大氣自凈能力均顯著下降，與圖3顯示的結(jié)果一致，表明近地層大氣容納污染物的能力在降低。已有研究表明靜穩(wěn)天數(shù)增加，空氣污染有一定增加趨勢，由氣象條件決定的大氣自凈能力指數(shù)對污染有一定貢獻(xiàn)[27]。另外，區(qū)域平均氣溫呈顯著增加趨勢，這與近50多年來全球變暖的總體趨勢是一致的，華北區(qū)域年平均氣溫增加速率可達(dá)到0.035oC/a。地面風(fēng)速在春、秋和冬季下降最為顯著，下降速率分別為-0.021、-0.015和-0.041 m/(s·a)，在全球和區(qū)域氣候變化背景下，冬季風(fēng)環(huán)流減弱，天氣過程頻率和強(qiáng)度減弱，并降低了地面風(fēng)速[28]，從而導(dǎo)致大氣自凈能力指數(shù)的降低趨勢。從季節(jié)角度來看，區(qū)域大氣自凈能力的下降主要由地面風(fēng)速下降以及區(qū)域變暖伴隨的冷空氣過程減少造成的。

表3 1961—2015年華北區(qū)域平均大氣自凈能力指數(shù)及相關(guān)氣象要素與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)和線性趨勢變化速率

3.6 ASI與污染氣象條件和不同級別AQI天數(shù)的關(guān)系

上述分析闡明了華北區(qū)域ASI時(shí)空分布與相關(guān)氣象要素之間的可能聯(lián)系。對于大氣自凈能力較低的IV區(qū)，下面選擇平原區(qū)域近年污染相對嚴(yán)重的部分城市（石家莊、保定和唐山），來對比分析2013—2017年ASI與污染氣象條件及不同級別AQI天數(shù)占比情況。具體來講，混合層高度越高，越利于污染區(qū)的垂直擴(kuò)散；地表通風(fēng)系數(shù)越大，越利于污染區(qū)的水平擴(kuò)散；靜穩(wěn)天氣指數(shù)越大，越不利于污染物的擴(kuò)散。且對于同體量的污染排放，大氣自凈能力低時(shí)，污染愈頻發(fā)。從ASI與污染氣象條件總體來看，石家莊、唐山和保定地區(qū)的ASI與混合層高度和地表通風(fēng)系數(shù)均呈現(xiàn)出同相月變化，而與靜穩(wěn)天氣指數(shù)呈現(xiàn)出反相月變化，這與劉新等[16]對呼和浩特市地區(qū)的研究結(jié)果相似。從具體數(shù)值來說，唐山地區(qū)混合層高度最高，保定和石家莊相差不大；唐山地區(qū)地表通風(fēng)系數(shù)最大，保定次之，石家莊相對較?。蝗齻€(gè)地區(qū)的靜穩(wěn)天氣指數(shù)各月數(shù)值相接近。混合層高度與ASI同相變化最為一致（相關(guān)達(dá)0.73），而石家莊和保定地區(qū)ASI在6—8月受降水濕沉降的影響增加明顯，其與6—8月因降水天氣過程導(dǎo)致的混合層高度降低存在明顯差異；與混合層高度相似，地表通風(fēng)系數(shù)與ASI的同相變化也在唐山最為突出（相關(guān)系數(shù)數(shù)達(dá)0.80）；靜穩(wěn)天氣指數(shù)與ASI的反相變化在唐山和保定均較為明顯，其中唐山反相變化一致性最高（相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.76）。

圖9 2013—2017年石家莊、唐山和保定地區(qū)大氣自凈能力指數(shù)（單位：t/(d·km2)）與混合層高度（單位：m）、地表通風(fēng)系數(shù)（單位：m2/s）和靜穩(wěn)天氣指數(shù)（單位：1）的月變化對比

AQI不同級別的占比代表了空氣質(zhì)量的大體分布情況，石家莊、唐山和保定地區(qū)AQI不同級別天數(shù)占比與ASI的月變化差異明顯，其中良和輕度級別天數(shù)占比與ASI呈現(xiàn)出一定的同相變化，而重度和嚴(yán)重級別天數(shù)占比呈現(xiàn)出明顯的反相差異，尤其是大氣自凈能力較低的冬季，嚴(yán)重級別天數(shù)占比明顯增多。從具體數(shù)值來說，分析時(shí)段，除冬季的12月、1月和2月外，良級別天數(shù)占比偏多，尤其是受通風(fēng)影響的5月和受降水濕沉降影響8月更為明顯。整體來看，石家莊和保定地區(qū)的嚴(yán)重級別天數(shù)占比在12月和1月占比均較唐山地區(qū)偏高，尤其是石家莊1月嚴(yán)重級別天數(shù)占比接近40%，且保定地區(qū)ASI和AQI不同級別天數(shù)占比的相關(guān)較高，分析時(shí)段，其與輕度級別天數(shù)占比相關(guān)達(dá)0.56，與重度和嚴(yán)重級別天數(shù)占比的相關(guān)均為-0.58。

圖10 2013—2017年石家莊、唐山和保定地區(qū)大氣自凈能力指數(shù)（單位：t/(d·km2)）與AQI不同級別天數(shù)占比（單位：1）的月變化對比

4 結(jié)論與討論

通過對華北區(qū)域80個(gè)站大氣自凈能力變化特征及影響因素的分析得出以下主要結(jié)論。

（1）大氣自凈能力季節(jié)及區(qū)域差異明顯。一年中，大氣對污染物總體清除能力從春到冬逐漸下降；大氣自凈能力在京津冀和山西大部、內(nèi)蒙古東北部和中部偏西地區(qū)較低，在內(nèi)蒙古中部等其他地區(qū)較高。

（2）從長期變化趨勢來看，華北大部分地區(qū)年和四季大氣自凈能力均明顯減弱，其中河北東部及西北部、內(nèi)蒙古中部區(qū)域ASI線性趨勢的減弱速率超過0.6 t/(10 a·d·km2)；年、季區(qū)域均值存在明顯的年際突變點(diǎn)，分別為1988、1988、1990、1998和1980年；全時(shí)域顯著高能量振蕩區(qū)位于64年左右，僅夏、秋和冬季，存在不同時(shí)段2～4年左右的不連續(xù)顯著高能量區(qū)。

（3）將華北區(qū)域大氣自凈能力分為4個(gè)分區(qū)，其中海拔相對較低的Ⅳ區(qū)大氣自凈能力最低，較Ⅱ區(qū)偏低28.3%。且在全球和區(qū)域變暖背景下，冬季風(fēng)環(huán)流減弱，天氣過程頻率和強(qiáng)度減弱，并降低了地面風(fēng)速，從而導(dǎo)致大氣自凈能力指數(shù)的降低趨勢。從季節(jié)角度來看，區(qū)域大氣自凈能力的下降主要是由地面風(fēng)速下降以及區(qū)域變暖伴隨的冷空氣過程減少造成的。

（4）石家莊、唐山和保定地區(qū)ASI與混合層高度及地表通風(fēng)系數(shù)均呈現(xiàn)同相月變化，而與靜穩(wěn)天氣指數(shù)呈現(xiàn)反相月變化，其中唐山地區(qū)ASI與污染氣象條件變化的一致性較高。上述三個(gè)地區(qū)AQI不同級別天數(shù)占比與ASI月變化差異明顯，其中良和輕度級別與ASI呈同相變化，而重度和嚴(yán)重級別反相差異明顯。未來氣候預(yù)估結(jié)果[29-30]表明，秋冬季冷空氣活動很大可能變?nèi)?，風(fēng)力減小，靜穩(wěn)天氣增多；根據(jù)風(fēng)速和氣溫對華北區(qū)域大氣自凈能力指數(shù)的影響規(guī)律，未來大氣自凈能力進(jìn)一步降低的可能性很高。適當(dāng)?shù)臏p排和區(qū)域產(chǎn)業(yè)升級依舊勢在必行。

上文對ASI影響因素的分析僅停留在相關(guān)氣象要素的角度，海洋作為驅(qū)動大氣系統(tǒng)運(yùn)動的重要能量來源，其海表溫度變化及與大氣之間的相互作用形成的大尺度振蕩，會對東亞氣候有重要的同期或者超前影響。有學(xué)者[31]研究表明，東亞氣溫超前北大西洋年代際振蕩（AMO）幾年，領(lǐng)先AMO變化的現(xiàn)象在近500年來一直存在，可能是自然氣候系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)在特征，并通過模式結(jié)果揭示了氣溫升高后，對應(yīng)出現(xiàn)的海平面氣壓梯度影響表層流，引起大洋間的淡水補(bǔ)償?shù)臍鉁爻暗目赡苡绊憴C(jī)制。鑒于氣溫對華北區(qū)域大氣自凈能力指數(shù)的重要貢獻(xiàn)，華北區(qū)域ASI與AMO的超前滯后相關(guān)結(jié)果表明，當(dāng)年、季ASI均超前AMO 3～11年不等時(shí)，相關(guān)值超過同期相關(guān)達(dá)最大，但其影響機(jī)制仍舊不清楚，后面的工作還需要進(jìn)一步分析揭示內(nèi)部的物理機(jī)制。

致 謝：中國氣象局國家氣候中心朱蓉研究員和梅梅老師提供了大氣自凈能力指數(shù)的相關(guān)技術(shù)和資料，并提出了建設(shè)性建議，河北省環(huán)境氣象中心李二杰高級工程師對污染氣象條件及AQI數(shù)據(jù)的分析使用進(jìn)行了指導(dǎo)，審稿專家對本文的修改及下一步工作的開展提出了非常寶貴的意見，謹(jǐn)此一并致謝。