基于穩(wěn)定分量探討京津冀地區(qū)霧霾形成的大氣環(huán)流機(jī)制

孫樹鵬，張 祿，廖云琛，吳 洋，馬 寧

（1.天津市津南區(qū)氣象局，天津 300350；2.天津市氣候中心，天津 300074）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，京津冀地區(qū)在經(jīng)濟(jì)快速增長的同時，霧霾問題也呈多發(fā)態(tài)勢，加之地處華北平原，受西部和北部的太行山脈、燕山山脈等地形條件影響，不利于污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致霧霾天氣頻發(fā)并不斷加重.關(guān)于中國霧霾天氣的發(fā)生與氣象因子之間的聯(lián)系，已有的研究一方面集中在霧霾長期變化趨勢與氣象因子變化趨勢之間的關(guān)系［1-4］，另一方面集中在局地氣象條件與霧霾發(fā)展演變過程、污染物分布特征的聯(lián)系以及霧霾天氣與大氣環(huán)流的聯(lián)系［5-12］.但是關(guān)于持續(xù)霧霾天氣的影響系統(tǒng)及其預(yù)報方法相關(guān)的研究還不多.

大部分嚴(yán)重霧霾天氣過程往往具有持續(xù)性的特點，一旦形成很難快速消散.霧霾持續(xù)時間越長，產(chǎn)生的危害就越大.如果能在延伸期時間尺度（10～30 d）甚至更長的時間尺度對可能發(fā)生的持續(xù)性嚴(yán)重霧霾天氣過程進(jìn)行預(yù)報將有十分重要的意義.大氣或氣候是一個多時空尺度的系統(tǒng)，這種特性決定了大氣或氣候的可預(yù)報性必然是一個強(qiáng)的依賴于現(xiàn)象的時空尺度概念［13-14］.延伸期穩(wěn)定分量即在延伸期過程中占主導(dǎo)變化地位的、具有較大時空尺度的大氣活動中心或遙相關(guān)型的配置，其活動變化受大氣半永久活動中心的影響，甚至也可能是大氣半永久活動中心在延伸期尺度上的振蕩分量.延伸期穩(wěn)定分量不同于天氣尺度的長波活動，它更體現(xiàn)了超長波系統(tǒng)的移動和調(diào)整，與西風(fēng)帶的指數(shù)循環(huán)有較為密切的聯(lián)系.因此，基于延伸期穩(wěn)定分量來進(jìn)行持續(xù)性霧霾天氣生消和發(fā)展維持機(jī)制的研究具有十分重要的意義，以此為突破口，提高持續(xù)性霧霾天氣的延伸期預(yù)報技巧具有可行性.

本文在以往研究的基礎(chǔ)上對京津冀地區(qū)持續(xù)性霧霾天氣過程背后的穩(wěn)定分量進(jìn)行提取，分析其在延伸期尺度上對持續(xù)性霧霾的作用，對于分析和預(yù)報持續(xù)性霧霾有重要的意義.同時對照霧霾發(fā)生前后轉(zhuǎn)折時段的延伸期穩(wěn)定分量，探討持續(xù)性霧霾天氣的生消機(jī)制.

1 資料和方法

1.1 資料

使用資料主要包括：NCEP-DOE ReanalysisⅡ1979—2018年全球位勢高度場、溫度場、風(fēng)場和相對濕度場逐日資料（來源于NOAA/OAR/ESRL PSD，Boulder，Colorado，USA，http：//www.esrl.noaa.gov/psd），水平空間分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向從1000～10 hPa共17層等壓面.地面觀測數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心整編的中國地面逐小時資料，主要選取1979—2018年京津冀146個測站的能見度和相對濕度等數(shù)據(jù)（http：//data.cma.cn）.

1.2 霧霾天氣界定方法

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 36542—2018）規(guī)定，排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、吹雪、雪暴、煙幕等影響視程的天氣現(xiàn)象后，水平能見度小于10 km、相對濕度小于80%的天氣直接識別為霾.根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范［15］，排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、吹雪、雪暴、煙幕、霾等影響視程的天氣現(xiàn)象后，能見度小于10 km（1 km）、空氣較潮濕（相對濕度接近100%）時記為輕霧（霧）.本文參考相關(guān)的研究［4，16］，排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙，如果一天（24 h）中的08時、14時和20時3個時次的平均能見度小于10 km，則記為一個霧霾日.

參考張祿等［17］提出的霧霾指數(shù)計算方法，利用08時、14時和20時3個時次的能見度計算得到日平均能見度，然后對日平均能見度序列進(jìn)行處理，將日平均能見度大于10 km取為0，另外如果某日出現(xiàn)降水、沙塵暴、浮塵、揚(yáng)沙、吹雪、雪暴和煙幕等天氣現(xiàn)象，則該日平均能見度也取為0，即僅保留霧霾日的能見度序列.對該序列進(jìn)行歸一化處理，然后用1減去該序列，即得到霧霾指數(shù)序列.

1.3 穩(wěn)定分量的提取方法

研究方法主要采用Pearson提出的經(jīng)驗正交函數(shù)（EOF）分解及其逆運(yùn)算，具體方法參見文獻(xiàn)［18］.鄭志海等［19-20］的研究表明，可通過EOF方法壓縮自由度，提取能夠反映原變量場變化的大部分信息.本文基于EOF方法提取穩(wěn)定分量，各垂直層次分別進(jìn)行.以500 hPa位勢高度距平場為例，具體步驟如下.

1）對1981—2010年500 hPa歷史同期位勢高度距平場進(jìn)行EOF分解：

式中：F為由位勢高度距平場構(gòu)建的資料陣；V為空間函數(shù)陣；T為時間函數(shù)陣.若把V看作一組正交基向量，則可以將不同時次的500 hPa位勢高度距平場看作是若干個典型場由不同權(quán)重線性疊加而成.

2）通過計算進(jìn)一步可以得到V′（一組正交基向量組成的空間函數(shù)陣）：

3）將同期歷史資料分別在V′投影展開：

由于V′是一組正交基向量組成的空間函數(shù)陣，因此可以取解釋方差較大的少數(shù)EOF分量進(jìn)行合成（本文選取前5個分量進(jìn)行合成），即可得到500 hPa位勢高度距平場穩(wěn)定分量.

2 持續(xù)霧霾天氣過程穩(wěn)定分量分析

2.1 穩(wěn)定分量分析

2016年12月下旬—2017年1月上旬全國出現(xiàn)了大范圍的霧霾天氣，京津冀地區(qū)尤為嚴(yán)重.本文選取2016年12月25日至2017年1月8日共15 d作為研究時段，考察在此期間持續(xù)性霧霾天氣環(huán)流形勢的穩(wěn)定分量變化情況（圖1）.

圖1 研究時段位勢高度場、相對濕度場和風(fēng)場距平場穩(wěn)定分量分布圖Fig.1 Distribution of the stable components of geopotential height anomaly field，relative humidity anomaly field and wind anomaly field during the research period

1）由圖1可知，與亞洲極渦相對應(yīng)，在亞歐中高緯地區(qū)上空呈現(xiàn)一個非常強(qiáng)大的氣旋式環(huán)流，幾乎貫穿整個對流層，垂直層次越高，環(huán)流中心越集中，在高層100 hPa位勢高度距平場穩(wěn)定分量圖上表現(xiàn)為中心在亞洲東北部的東西伯利亞地區(qū)上空負(fù)距平區(qū)，而在低層700 hPa和850 hPa環(huán)流中心較為分散，環(huán)流中心向亞洲西部分散，但仍集中在中高緯地區(qū).在中高緯度，有一個較為明顯的波列沿緯向的大圓路徑傳播，西起烏拉爾山，東到北太平洋地區(qū).該波列的存在是中高緯地區(qū)較強(qiáng)的緯向環(huán)流特征的體現(xiàn)，這種形勢不利于冷空氣向南傳輸，對京津冀地區(qū)的冷空氣活動起到了阻斷削弱的作用.

2）在中低緯度地區(qū)對流層的中上層有兩個相對較強(qiáng)的反氣旋式環(huán)流，一個中心位于東亞的京津冀地區(qū)以東，一個中心位于阿拉伯地區(qū).其中京津冀地區(qū)東側(cè)的反氣旋式環(huán)流從850 hPa至100 hPa幾乎一直穩(wěn)定維持.受其影響，京津冀地區(qū)上空各層均受偏南風(fēng)分量控制，且伴隨相對濕度大值區(qū)，尤其在低層，相對濕度較大.

3）在中高緯氣旋式環(huán)流和中低緯反氣旋式環(huán)流的共同影響下，歐亞大陸中部的西風(fēng)帶系統(tǒng)得到異常加強(qiáng)，西風(fēng)急流較為寬廣且影響范圍較大，但整體位置偏北.低層850 hPa也呈現(xiàn)較為寬廣的西風(fēng)形勢.這種強(qiáng)西風(fēng)形勢阻擋了冷空氣南下影響京津冀地區(qū)，少冷空氣活動以及暖濕氣流控制等因素都為京津冀地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性霧霾天氣提供了有利條件.

從圖2和圖3（b）位勢高度距平場穩(wěn)定分量的空間立體分布形勢分析可以發(fā)現(xiàn)：①在中高緯度地區(qū)存在一個寬廣深厚的負(fù)距平中心，控制范圍為20°～150°E和60°N以北地區(qū)，垂直層次幾乎從地面一直向上伸展到平流層，在100°～150°E和60°～80°N有一個較強(qiáng)的負(fù)距平中心.這與中高緯度的氣旋式環(huán)流形勢相對應(yīng).②在中緯度地區(qū)存在幾個分散的正距平中心，一個中心位于30°～60°N和100°～150°E附近，主要在700～100 hPa；另外，在中亞阿拉伯地區(qū)上空及歐洲南部地區(qū)上空各有一個強(qiáng)度稍弱的正距平中心，分別對應(yīng)著中低緯度的反氣旋式環(huán)流，并且在160°E以東地區(qū)還有一個較強(qiáng)的正距平中心.③在歐亞大陸上空中緯度和高緯度整體大致呈現(xiàn)南正北負(fù)分布形勢，這種分布形勢加劇了中緯度地區(qū)西風(fēng)帶的強(qiáng)度和影響范圍.

圖2 研究時段位勢高度距平場穩(wěn)定分量垂直剖面分布圖Fig.2 Vertical profile distribution of the stable components of geopotential height anomaly field during the research period

2.2 穩(wěn)定分量隨時間演變情況

為進(jìn)一步考察穩(wěn)定分量隨時間的演變情況，從研究時段向前向后擴(kuò)展各取一個時段（15 d），分別計算位勢高度距平場穩(wěn)定分量并進(jìn)行對比研究.在研究時段之前的15 d（2016年12月10—24日）京津冀地區(qū)僅發(fā)生了一次嚴(yán)重霧霾天氣過程，持續(xù)時間較短，影響范圍也比研究時段要小.在研究時段之后的15 d（2017年1月9—23日）京津冀地區(qū)發(fā)生霧霾的范圍迅速縮小，平均能見度保持在較高的水平.為方便對比，3個時段取同一組正交基進(jìn)行投影展開.圖3分別為3個時段位勢高度距平場穩(wěn)定分量500～100 hPa的平均分布狀況立體分布圖，圖4分別為6個不同地區(qū)的區(qū)域平均位勢高度距平場穩(wěn)定分量在3個時段的垂直分布曲線.

圖3 研究時段及前后時段位勢高度距平場穩(wěn)定分量對流層中上層（500～200 hPa）平均分布圖Fig.3 Average distribution of the stable components of geopotential height anomaly field in the middle and upper troposphere（500～200 hPa）during the research period and before and after the research period

圖4 研究時段及前后時段位勢高度距平場穩(wěn)定分量垂直分布圖Fig.4 Vertical distribution of the stable components of geopotential height anomaly field during the research period and before and after the research period

由圖3和圖4可知：①整體而言，在研究時段的前15 d（2016年12月10—24日），位勢高度距平場穩(wěn)定分量中正距平分布范圍更廣泛，中高緯和極地地區(qū)也呈現(xiàn)弱的正距平形勢，從而弱化了中高緯的氣旋式環(huán)流；中緯度地區(qū)亞洲東部以較強(qiáng)的正距平為主，但在亞洲西部歐洲東南部有一個較強(qiáng)的負(fù)距平區(qū)域，這種形勢導(dǎo)致歐亞大陸總體呈現(xiàn)較強(qiáng)的經(jīng)向環(huán)流形勢，不利于京津冀地區(qū)長時間維持靜穩(wěn)天氣.②在研究時段（2016年12月25日—2017年1月8日），亞洲東北及以東區(qū)域正距平進(jìn)一步增強(qiáng)并向中高緯擴(kuò)展，亞洲西部負(fù)距平中心減弱，其余地區(qū)位勢高度場距平均呈減小趨勢.逐步形成南高北低的形勢，向著有利于緯向環(huán)流維持的形勢調(diào)整.③在研究時段的后15 d（2017年1月9—23日），中高緯地區(qū)出現(xiàn)一個強(qiáng)大的正距平中心，中低緯地區(qū)以弱正距平和負(fù)距平形勢為主，整體呈現(xiàn)北高南低的形勢，在亞洲東部和北部有利于冷空氣南下.同時在京津冀地區(qū)東部有一個負(fù)距平中心，利于引導(dǎo)冷空氣南下.在此時段冷空氣活躍，不利于霧霾的持續(xù)發(fā)展.

2.3 氣候背景穩(wěn)定分量分析

大氣環(huán)流系統(tǒng)的調(diào)整，除了與準(zhǔn)雙周的低頻變化有關(guān)外，還受更長時間尺度的低頻變化影響.因此，要搞清楚影響京津冀地區(qū)持續(xù)霧霾的關(guān)鍵系統(tǒng)，還需要進(jìn)一步研究更長時間尺度穩(wěn)定分量的影響作用.

不少學(xué)者的研究表明，中高緯環(huán)流系統(tǒng)也存在較為明顯的60 d左右周期的低頻振蕩［21］.將研究時段向前后擴(kuò)展60 d，并計算該時段位勢高度距平場穩(wěn)定分量.由圖5可知，在60 d尺度穩(wěn)定分量中，中低緯度分布形勢與研究時段較為相似，以幾個分散的正距平中心為主，中高緯度，尤其在亞洲北部40°～160°E和40°～70°N主要呈負(fù)距平分布形勢，在亞洲西部60°～100°E和40°～70°N有一個較強(qiáng)的負(fù)距平中心.但在極地和高緯以正距平為主，在亞洲東北部至極地附近120°～170°E和70°～90°N有一個較強(qiáng)的正距平中心.

圖5 研究時段前后60 d平均位勢高度距平場穩(wěn)定分量對流層中上層平均分布圖Fig.5 Average distribution of the stable components of 60-day average geopotential height anomaly field in the middle and upper troposphere before and after the research period

總之，60 d尺度的位勢高度距平場穩(wěn)定分量為15 d持續(xù)霧霾研究時段的穩(wěn)定分量提供了重要的環(huán)流背景.在此基礎(chǔ)上，中緯度西風(fēng)急流進(jìn)一步加強(qiáng)，中緯度地區(qū)呈現(xiàn)深厚寬廣的緯向環(huán)流形勢，阻礙了冷空氣南下，從而形成了京津冀地區(qū)持續(xù)霧霾天氣事件.

2.4 穩(wěn)定分量與持續(xù)霧霾嚴(yán)重程度和發(fā)生頻次的關(guān)系

從京津冀地區(qū)區(qū)域持續(xù)性霧霾天氣過程歷史資料中選取最為嚴(yán)重的20次個例過程，計算其與研究時段500 hPa位勢高度距平場穩(wěn)定分量的距平同號數(shù)（圖6），并計算霧霾指數(shù)與500 hPa位勢高度距平場穩(wěn)定分量相關(guān)系數(shù)（圖7）.

由圖6可以看出，在持續(xù)霧霾發(fā)生時中低緯往往分布較相似，即副熱帶系統(tǒng)偏強(qiáng)，向中緯度尤其京津冀地區(qū)輸送暖濕空氣較為有利，從而有利于持續(xù)霧霾的發(fā)生.另外，在烏拉爾山以東的西西伯利亞地區(qū)也有較好的相似分布性.由圖7可以看出，歐亞大陸北部，尤其是西西伯利亞地區(qū)的位勢高度場分布與京津冀地區(qū)霧霾嚴(yán)重程度有較好的相關(guān)關(guān)系，即西西伯利亞地區(qū)位勢高度場偏高越明顯，京津冀地區(qū)霧霾越嚴(yán)重.該區(qū)域位勢高度場偏高，一方面減弱了冷空氣的向京津冀地區(qū)輸送；另一方面使得冷空氣向南輸送通道向東推移，從而對京津冀地區(qū)影響偏弱.

圖6 歷史霧霾個例與研究時段500 hPa位勢高度距平場穩(wěn)定分量同號數(shù)分布圖Fig.6 Distribution of the stable components of geopotential height anomaly field at 500 hPa during the research period with the same sign number of the historical fog and haze case

圖7 500 hPa位勢高度距平場穩(wěn)定分量與霧霾指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分布圖Fig.7 Distribution of the correlation coefficient between the stable components of geopotential height anomaly field at 500 hPa and the indexes of fog and haze

3 結(jié)論

通過對京津冀地區(qū)2016年12月下旬—2017年1月上旬典型的持續(xù)霧霾天氣過程的研究，得出如下結(jié)論：

1）研究時段內(nèi)在亞歐中高緯地區(qū)上空有一個非常強(qiáng)大的氣旋式環(huán)流，在中低緯度地區(qū)則呈現(xiàn)兩個相對較強(qiáng)的反氣旋式環(huán)流，在它們的共同影響下，歐亞大陸中部的西風(fēng)帶系統(tǒng)得到異常加強(qiáng)，這種形勢阻擋了冷空氣南下影響京津冀地區(qū).同時，京津冀地區(qū)東側(cè)的反氣旋環(huán)流帶來大量暖濕空氣.少冷空氣活動以及暖濕氣流控制等因素，都為京津冀地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性霧霾天氣提供了有利條件.

2）從位勢高度距平場穩(wěn)定分量的空間立體分布形勢分析可以發(fā)現(xiàn)：在中高層，有一個較為明顯的波列沿中高緯地區(qū)的大圓路徑傳播，西起烏拉爾山，東到北太平洋地區(qū).該波列的存在是中高緯地區(qū)較強(qiáng)的緯向環(huán)流特征的體現(xiàn)，這種形勢不利于冷空氣的向南傳輸，對京津冀地區(qū)的冷空氣活動起到了阻斷削弱的作用.另外，在中高緯地區(qū)存在著一個寬廣深厚的負(fù)距平中心，在中緯度地區(qū)存在幾個分散的正距平中心，它們共同在歐亞大陸上空中緯度和高緯度構(gòu)成南高北低的偶極分布形勢，加劇了中緯度地區(qū)西風(fēng)帶的強(qiáng)度和影響范圍.

3）通過對持續(xù)霧霾過程前后階段穩(wěn)定分量的演變情況分析發(fā)現(xiàn)：整體而言，在研究時段的前15 d位勢高度距平場穩(wěn)定分量中正距平分布范圍更廣泛，中高緯和極地地區(qū)也呈現(xiàn)弱的正距平形勢，從而弱化了中高緯的氣旋式環(huán)流；中緯度地區(qū)亞洲東部以較強(qiáng)的正距平為主，但在亞洲西部歐洲東南部有一個較強(qiáng)的負(fù)距平區(qū)域，這種形勢導(dǎo)致歐亞大陸總體呈現(xiàn)較強(qiáng)的經(jīng)向環(huán)流形勢，不利于京津冀地區(qū)長時間維持靜穩(wěn)天氣.到了研究時段的后15 d，中高緯地區(qū)出現(xiàn)一個強(qiáng)大的正距平中心，中低緯地區(qū)以弱正距平和負(fù)距平形勢，整體呈現(xiàn)北高南低的形勢，在亞洲東部和北部有利于冷空氣南下.同時在京津冀地區(qū)東部有一個負(fù)距平中心，利于引導(dǎo)冷空氣南下.在此時段冷空氣活躍，不利于霧霾的持續(xù)發(fā)展.

4）更長時間（60 d）尺度的位勢高度距平場穩(wěn)定分量為15 d持續(xù)霧霾研究時段的穩(wěn)定分量提供了重要的環(huán)流背景.在此基礎(chǔ)上，中緯度西風(fēng)急流進(jìn)一步加強(qiáng)，中緯度地區(qū)呈現(xiàn)深厚寬廣的緯向環(huán)流形勢，阻礙了冷空氣南下，從而形成了京津冀地區(qū)持續(xù)霧霾天氣事件.

如何基于穩(wěn)定分量分析和預(yù)報持續(xù)霧霾天氣的發(fā)生和演變，值得進(jìn)一步研究和思考.另外，影響持續(xù)霧霾天氣前后階段穩(wěn)定分量調(diào)整變化的原因機(jī)制有待進(jìn)一步研究.