12月京津冀霾日數(shù)的變化特征及大氣環(huán)流異常

王富宇

根河市氣象局，內(nèi)蒙古根河 022350

霧霾天氣危害非常大，特別是對人的身體健康，長期待在霧霾天氣下的人們會出現(xiàn)很多的疾病，使交通事故發(fā)生率更高、延緩農(nóng)作物生長等。污染物的排放和氣象條件是霾污染的兩大主要因素，污染物排放是霾污染的源頭，當(dāng)污染物排放基本穩(wěn)定時(shí)，空氣質(zhì)量的優(yōu)劣主要由大氣環(huán)流形勢和氣象條件控制。溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓等氣象條件影響著霾日數(shù)的年際變化[1-2]，在霾污染控制的天氣狀況下，霾日數(shù)與溫度和濕度呈正相關(guān)，其中受濕度影響更大，地面水平風(fēng)速與霾有很好的反向相關(guān)性[3]。當(dāng)這些氣象要素出現(xiàn)有利的情形時(shí)，霾污染的產(chǎn)生和發(fā)展非常容易，而大氣環(huán)流調(diào)控著這些氣象要素，冬季（12月—翌年2月）大氣環(huán)流異常在重霾污染形成中起著關(guān)鍵作用。本文對12月霾污染進(jìn)行分析，討論各氣候要素影響機(jī)制和過程，以供參考。

1 數(shù)據(jù)來源和分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取中國國家氣象信息中心1979—2016年38個(gè)京津冀地區(qū)冬季12月份霾污染日數(shù)（地面觀測站每日觀測四次的數(shù)據(jù)）；國家海洋和大氣管理中心（NOAA）1979—2016年NCEP/NCAR再分析資料中的位勢高度月平均數(shù)據(jù)（hgt）、溫度逐月平均數(shù)據(jù)（T）、相對濕度逐月平均數(shù)據(jù)（rhum）、經(jīng)向風(fēng)速逐月平均數(shù)據(jù)（v）以及緯向風(fēng)速逐月平均數(shù)據(jù)（u）；2013—2016年北京、天津、石家莊3地12月空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)；PM2.5濃度數(shù)據(jù)來自中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺。

1.2 分析方法

相關(guān)系數(shù)是對x，y的n對觀測資料為x1，x2，…, xn和y1，y2，…, yn,之間的相關(guān)性（線性相關(guān)）指數(shù)。相關(guān)系數(shù)有-1≤rxy≤1。當(dāng)rxy為正時(shí)，表示x與y呈正相關(guān)；rxy為負(fù)時(shí)，表示x與y呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)rxy=±1時(shí)，表示x與y之間有一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系；當(dāng)rxy為0意味著2個(gè)變量之間沒有線性關(guān)系。所以|rxy|越大，表示x與y關(guān)系越密切。樣本與樣本之間的相關(guān)系數(shù)，常用r表示：

t檢驗(yàn)，樣本的相關(guān)系數(shù)不為0時(shí)，可以通過t檢驗(yàn)來證實(shí)總體之間存在相關(guān)性（ρ）?？傮wt檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：

為檢驗(yàn)方便，在自由度已知，給定顯著性水平情況下可直接查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表，對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。臨界相關(guān)系數(shù)rc：

式中，rc表示在給定顯著性水平α和樣本數(shù)n的條件下，相關(guān)系數(shù)r的臨界值。由此可以制備檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)r的臨界值表。一般rc隨自由度的增大而減小。

異常分布分析（距平場），通過1979—2016年12月位勢高度月平均數(shù)據(jù)（hgt）、溫度逐月平均數(shù)據(jù)（T）、相對濕度逐月平均數(shù)據(jù)（rhum）、經(jīng)向風(fēng)速逐月平均數(shù)據(jù)（v）以及緯向風(fēng)速逐月平均數(shù)據(jù)（u）算出38年平均場。通過這些平均場，觀察大氣環(huán)流整體形勢，在這基礎(chǔ)上選出具體年份與平均場進(jìn)行差值計(jì)算，得到區(qū)別于平均狀態(tài)的異常狀態(tài)，有利于分析局部空間要素改變。

2 近38年霾日數(shù)的變化特征

由1979—2016年京津冀地區(qū)12月霾污染日數(shù)變化趨勢可知，1979—1986年呈平緩上升趨勢（傾向率達(dá)0.335）；1986—2010年 呈 下 降 趨 勢（傾 向 率達(dá)-0.2587）；2010—2016年呈急劇上升趨 勢（傾 向率 達(dá)1.5308）；2010年12月霾污染較輕，2015年霾污染最嚴(yán)重；自2010年以來，京津冀地區(qū)12月霾日數(shù)經(jīng)歷大幅增長，2015年達(dá)20 d。

北京、天津、石家莊3座城市在2013—2016年各年12月PM2.5和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）月平均值形勢基本一致，北京地區(qū)相較于前2年（2015年和2016年）略有上升；石家莊地區(qū)則是一段平緩變化后在2016年P(guān)M2.5和AQI異常高；天津則一直處于平緩波動變化。說明在污染物排放方面石家莊相較于北京和天津兩地更高，這可能是北京和天津車輛管制措施和生產(chǎn)限制的實(shí)施力度更加嚴(yán)苛。

3 大氣環(huán)流的異常形勢

分析氣壓場（等值線）得出，850 hPa和1 000 hPa上形勢基本一致，高壓中心存在于亞歐大陸，太平洋東部和大西洋最北部；低壓中心存在于太平洋北部、北半球大西洋中部以及其延伸至里海北部區(qū)域。結(jié)合風(fēng)場形勢發(fā)現(xiàn)，亞洲大陸、太平洋東部和大西洋最北部的高壓中心存在反氣旋；太平洋北部、北半球大西洋中部以及其延伸至里海北部區(qū)域的低壓中心存在氣旋。由于高壓中心與低壓中心影響，我國內(nèi)陸與大西洋存在明顯氣壓梯度，因而在我國京津冀地區(qū)風(fēng)向呈西北風(fēng)。此外，在120°E~140°E的東亞大槽及北太平洋氣旋會對我國霾污染及天氣狀況產(chǎn)生影響。

東亞副熱帶急流是西風(fēng)急流，處在200 hPa上副熱帶高壓帶邊緣。1979—2016年200 hPa上緯向風(fēng)平均值，在副熱帶高壓帶邊緣達(dá)60 m/s以上。1979—2016年各年12月，京津冀地區(qū)近地面溫度平均值在-5℃~0℃，且由南向北遞減，近地面緯向風(fēng)速平均值達(dá)2~4m/s，數(shù)值為正表明是西風(fēng)，對應(yīng)前文所提及的風(fēng)向。

分析500 hPa位勢高度與38年霾日數(shù)的相關(guān)系數(shù)，華北地區(qū)12月相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.5以上（通過95%的信度檢驗(yàn)），歐洲和華北地區(qū)為正相關(guān)區(qū)域，負(fù)相關(guān)區(qū)域在北大西洋和里海北部，因此表明EA/WR的東部正異常中心與霧霾日數(shù)有很好相關(guān)性。EA/WR加強(qiáng)了華北地區(qū)和日本海從表面到對流層中層的異常反氣旋，導(dǎo)致垂直運(yùn)動受限，并且可能導(dǎo)致陸地和海洋之間氣壓差減小，誘發(fā)偏東南異常風(fēng)向，使得原本的西北風(fēng)的風(fēng)速減小降低地表風(fēng)速，并為華北地區(qū)帶來暖濕氣流，說明京津冀地區(qū)地表風(fēng)速和相對濕度與霾形成有密切關(guān)系，而事實(shí)確實(shí)是如此，地表風(fēng)速和相對濕度與霾日數(shù)相關(guān)系數(shù)達(dá)都達(dá)-0.5以上，且都通過95%的信度檢驗(yàn)。間接證明若地表低風(fēng)速出現(xiàn)，則會限制污染物在水平方向的擴(kuò)散，有利于霾產(chǎn)生；若地表高相對濕度出現(xiàn)，也會利于霾形成。

北極濤動和東亞急流對霾的影響也尤為重要，北極圈內(nèi)的位勢高度與霾日數(shù)呈弱的負(fù)相關(guān)性，可猜測霾日數(shù)與北極濤動有相關(guān)；華北平原呈風(fēng)速負(fù)中心，華北平原北部呈正中心，當(dāng)東亞急流北移時(shí)對應(yīng)的華北地區(qū)200 hPa風(fēng)速降低，華北平原北部200 hPa風(fēng)速增強(qiáng)，霧霾與東亞急流存在不可分割的聯(lián)系。當(dāng)北極濤動為正相時(shí)，會導(dǎo)致冷空氣活動受限在高緯地區(qū)，同時(shí)東亞急流偏北也會限制冷空氣活動，均使得京津冀地區(qū)地表溫度偏高。京津冀地區(qū)地表溫度與霾日數(shù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.5以上，且通過95%的信度檢驗(yàn)，說明在京津冀地區(qū)地表溫度越高越利于霾形成。除這些尺度較大環(huán)流外，考慮到京津冀地區(qū)局地垂直運(yùn)動可能帶來影響，京津冀地區(qū)發(fā)現(xiàn)逆溫（T850-T1000）與霾日數(shù)相關(guān)系數(shù)在0~0.3之間，未通過95%的信度檢驗(yàn)，但逆溫在京津冀地區(qū)卻有明顯存在，所以并不能忽略其作用，因此可以理解為逆溫帶來阻礙垂直運(yùn)動的影響是霾成因的一部分，但在霾污染強(qiáng)度變化并未有顯著作用。

4 典型異常年份的分析

分析2015年12月大氣環(huán)流異常分布發(fā)現(xiàn)，在對流層上層，副熱帶高壓邊緣負(fù)值區(qū)與其北部的正值區(qū)，這對應(yīng)著東亞急流（EAJS）相對于平均狀況偏北，也就阻斷了北方冷空氣南下路徑；在北極地面氣壓相較于平均值較低，AO指數(shù)為正（圖1），因此也表明了冷空氣無法活動到華東地區(qū)，這兩者都同時(shí)促成華東地區(qū)地表變暖。在對流層中層，Z500的正異常中心在歐洲和華北地區(qū)，負(fù)異常中心在北大西洋和里海北部（圖2），表明EA/WR的正相位的存在，在EA/WR正相位以及華北地區(qū)和日本海上空異常反氣旋影響下（圖3），35°N~40°N有個(gè)垂直向下運(yùn)動（圖4），限制了當(dāng)?shù)卮怪边\(yùn)動影響當(dāng)?shù)匚廴疚锏拇怪睌U(kuò)散，加劇霾污染。

圖1 2015年12月全球大氣環(huán)流的異常分布

圖3 2015年12月區(qū)域大氣環(huán)流異常分布850 hPa風(fēng)場和逆溫T850-T1000（陰影）

圖4 2015年12月風(fēng)垂直經(jīng)度距平分布

同時(shí)，京津冀地區(qū)逆溫（T850-T1000）相較于38年平均值略有變小，但逆溫仍很強(qiáng)，如此也驗(yàn)證了逆溫帶來阻礙垂直運(yùn)動的影響是霾成因的一部分。地表面附近，歐亞大陸和西太平洋之間的氣壓梯度下降以及在中國東部的偏南風(fēng)誘導(dǎo)下使地面風(fēng)速減慢，來自南方的暖濕氣流使地面相對濕度變高，地表溫度變暖。2015年12月霾過程中，EA/WR的正位相加強(qiáng)了華北地區(qū)和日本海從地表到對流層中層的異常反氣旋，使垂直運(yùn)動受限。異常偏南風(fēng)使地面風(fēng)速減弱，并帶來暖濕氣流。在大氣環(huán)流和局地氣象條件控制下，大氣顆粒物水平和垂直擴(kuò)散受到抑制，而東亞急流和北極濤動正相位使得冷空活動受限，京津冀地區(qū)地表溫度增高，增加大氣顆粒物的吸附作用。上述各方面因素最終誘導(dǎo)2015年12月份重度霾事件的發(fā)生和發(fā)展。

圖2 2015年12月全球大氣環(huán)流的異常分布

5 前期海溫對霾的影響

太平洋秋季海溫顯著影響華北地區(qū)冬季霧霾天，可以部分解釋在2014年冬天霧霾嚴(yán)重污染[4]。阿拉斯加灣和亞熱帶太平洋東部，1979—2016年6—11月海溫（SST）與同期京津冀地區(qū)12月霾日數(shù)呈正相關(guān)，且通過95%的信度檢驗(yàn)。以1979—2016年6—11月海溫（SST）180°~230°、10°N~20°N的 平均值為指標(biāo)，計(jì)算出與12月Z500的相關(guān)系數(shù)，EA/WR非常明顯，可認(rèn)為SST調(diào)節(jié)EA/WR影響京津冀地區(qū)霾日數(shù)。附近的阿拉斯加灣和熱帶東太平洋海溫正異?？赡艽碳ち肆_斯貝波的模式傳播從東太平洋，經(jīng)過北美洲和大西洋，到東亞地區(qū)。在北大西洋和歐亞大陸大氣活動中心，EA/WR重疊。因此，SST EP正相位對EA/WR正相存在刺激或增強(qiáng)，然后導(dǎo)致弱的通風(fēng)條件，有利于灰霾發(fā)生增強(qiáng)。

2015年在阿拉斯加灣和亞熱帶太平洋東部存在正異常中心和北大西洋負(fù)異常中心與6—11月海溫和38年霾日數(shù)的相關(guān)系數(shù)正（負(fù)）區(qū)域相一致，導(dǎo)致更多的12月份霾日數(shù)。2016年10月靠近阿拉斯加灣和太平洋東部亞熱帶對10月海溫異常導(dǎo)致霧霾污染在華北地區(qū)。SST EP對通風(fēng)條件有強(qiáng)勁影響，可以持續(xù)到12月。此外，北半球大西洋區(qū)域6—11月海溫與霾日數(shù)也有很好相關(guān)性的區(qū)域，北半球大西洋北部以及南部存在相關(guān)區(qū)域且都通過了95%的信度檢驗(yàn)。1979—2016年6—11月海溫這2個(gè)地區(qū)的平均值分別做指標(biāo)SST NA（320°~340°、55°N~65°N）和SST CA（300°~320°、10°N~20°N），計(jì)算出與12月Z500的相關(guān)系數(shù)，EA/WR非常明顯，推測SST調(diào)節(jié)EA/WR影響京津冀地區(qū)霾日數(shù)，導(dǎo)致弱的通風(fēng)條件，利于灰霾發(fā)生增強(qiáng)。

綜上所述，1979—2016年6—11月海溫在阿拉斯加灣、熱帶東太平洋、北半球大西洋北部以及南部的海溫異常與EA/WR相疊加，共同調(diào)節(jié)京津冀地區(qū)通風(fēng)條件，影響著京津冀地區(qū)霾污染發(fā)生與發(fā)展。

6 結(jié)論

（1）1979—2016年京津冀地區(qū)12月霾污染日數(shù)呈階段性略上升—下降—顯著上升的特征，2010年達(dá)到最低值，2015年達(dá)到最高值。

（2）除2016年石家莊地區(qū)污染物異常偏高，PM2.5以及AQI在近些年的變化趨勢平穩(wěn)上升，說明除污染物影響，大氣環(huán)流在霾過程中也起著關(guān)鍵性作用。與霾污染相關(guān)的大氣環(huán)流包括EA/WR、北極濤動、逆溫、東亞急流及大西洋太平洋地區(qū)的海溫異常。

（3）高濃度污染物和較差空氣質(zhì)量是造成霾污染的根本因素，而相關(guān)大氣環(huán)流卻起著關(guān)鍵性調(diào)控作用。雖然EA/WR、北極濤動、東亞急流和海溫異常這類大氣環(huán)流模式起著至關(guān)重要作用，但很難進(jìn)行人工操控，因此目前加強(qiáng)空氣質(zhì)量檢測及限制污染物排放等措施最有效。