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(duì)人的身體健康，長(zhǎng)期待在霧霾天氣下的人們會(huì)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(zhǎng)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(shì)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(duì)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(guó)國(guó)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(cè)站每日觀測(cè)四次的數(shù)據(jù)）；國(guó)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(shì)高度月平均數(shù)據(jù)（hgt）、溫度逐月平均數(shù)據(jù)（T）、相對(duì)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(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)。

1.2 分析方法

相關(guān)系數(shù)是對(duì)x，y的n對(duì)觀測(cè)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(duì)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）。總體t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(duì)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(chǎng)），通過1979—2016年12月位勢(shì)高度月平均數(shù)據(jù)（hgt）、溫度逐月平均數(shù)據(jù)（T）、相對(duì)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(chǎng)。通過這些平均場(chǎng)，觀察大氣環(huán)流整體形勢(shì)，在這基礎(chǔ)上選出具體年份與平均場(chǎng)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(shì)可知，1979—1986年呈平緩上升趨勢(shì)（傾向率達(dá)0.335）；1986—2010年 呈 下 降 趨 勢(shì)（傾 向 率達(dá)-0.2587）；2010—2016年呈急劇上升趨 勢(shì)（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(zhǎng)，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(shì)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(dòng)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(shì)

分析氣壓場(chǎng)（等值線）得出，850 hPa和1 000 hPa上形勢(shì)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(chǎng)形勢(shì)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(guó)內(nèi)陸與大西洋存在明顯氣壓梯度，因而在我國(guó)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(huì)對(duì)我國(guó)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(duì)應(yīng)前文所提及的風(fēng)向。

分析500 hPa位勢(shì)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(duì)流層中層的異常反氣旋，導(dǎo)致垂直運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)濕度出現(xiàn)，也會(huì)利于霾形成。

北極濤動(dòng)和東亞急流對(duì)霾的影響也尤為重要，北極圈內(nèi)的位勢(shì)高度與霾日數(shù)呈弱的負(fù)相關(guān)性，可猜測(cè)霾日數(shù)與北極濤動(dòng)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(duì)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(dòng)為正相時(shí)，會(huì)導(dǎo)致冷空氣活動(dòng)受限在高緯地區(qū)，同時(shí)東亞急流偏北也會(huì)限制冷空氣活動(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)應(yīng)著東亞急流（EAJS）相對(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)（圖4），限制了當(dāng)?shù)卮怪边\(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(dòng)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(guó)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(duì)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(duì)流層中層的異常反氣旋，使垂直運(yùn)動(dòng)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(dòng)正相位使得冷空活動(dòng)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(duì)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常可能刺激了羅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(dòng)中心，EA/WR重疊。因此，SST EP正相位對(duì)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(duì)10月海溫異常導(dǎo)致霧霾污染在華北地區(qū)。SST EP對(duì)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(cè)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(shì)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(dòng)、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(dòng)、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(cè)及限制污染物排放等措施最有效。