基于1960-2012年日能见度数据的影响中国北方霾的大气环流条件研究外文翻译资料

 2022-11-15 15:05:53

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基于1960-2012年日能见度数据的影响中国北方霾的大气环流条件研究

陈活泼 王会军

中国科学院大气物理研究所竺可桢国际研究中心、中国科学院北京分校、中国科学院北京分校2所、中国科学院北京分校3所预测与评价合作创新中心、中国南京，南京信息工程大学气象灾害研究中心

摘要：

霾是一种重大灾害，不仅能够通过影响交通造成巨大的经济损失，也对人类健康造成了极大的威胁。为增进对霾天气发生条件的了解，本研究利用日能见度资料研究了1960-2012年北方地区霾天气变化及其相关大气环流。结果表明，该地区的霾事件主要发生在北方冬季，时段上集中于早晨。长期变化分析结果表明，1960年代年际霾日相对较少，但在70年代急剧增加，之后保持稳定。季节之间的差异也比较明显。夏季和秋季的霾污染呈现稳定增长的趋势，60年代和90年代至2000年代相对较低，70年代至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，但是由于气溶胶排放量较高，城市地区的霾日较多。进一步分析表明，北半球冬季严重霾事件的发生通常与对流层下部减弱的北风和反转异常的发展、中层减弱的东亚槽和对流层高上部东亚北风急流有关。这些因素为该地区霾事件的维持和发展提供了良好的大气背景。

1 引言

2013年1月，中国东部遭受了严重的持续霾事件，影响范围波及8亿余人。其中，北京市达到了历史上空气污染的最高水平——橙色霾霾警报[e.g., Ding and Liu, 2014; Zhang et al., 2014]。之后，政府机构和公众对霾问题有了更高的关注度。如，2013年9月，一项空气污染预防行动计划规定了对煤炭消费、工业生产、车辆活动相关等方面的严格控制。

近年来，随着中国空气污染的加剧，在冬季和春季检测到了含有更多高浓度气溶胶粒子的霾日 [e.g., Niu et al., 2010; Ding and Liu, 2014; Wang et al., 2015]。同时，在中国一些大城市，甚至全国各地，能见度有着明显的下降[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导致了严重的环境和气候问题。例如，在霾天气增加的气溶胶颗粒降低了能见度[Qiu and Yang, 2000; Luo et al., 2001; Deng et al., 2008; Li et al., 2009; Guo et al., 2011; Wu et al., 2014]，从而造成了交通问题[Wu et al., 2005]。此外，气溶胶粒子也被发现对大气中辐射强迫和红外辐射有着直接影响 [Luo et al., 2001; Qian et al., 2006; Li et al., 2010; Niu et al., 2010]。除了这些影响之外，霾还可能导致严重的健康问题，从呼吸道疾病到心脏病、未成年人死亡和癌症[Pope and Dockery, 2006; Wang and Mauzerall, 2006; Xie et al., 2014]。据报道，在近年来，由于气溶胶浓度的增加，中国儿童肺炎患者的数量急剧增加[Xu et al., 2013]。因此，为了增强理解并提高预测霾事件的能力，深入研究霾事件的变化显然是必要的。

以往的研究表明，中国不同地区的霾日变化不同，经济发达的东部地区霾日变化较大，经济欠发达地区，如在东北部或西北部地区的霾日变化较小。 [e.g., Niu et al., 2010; Wu et al., 2010; Ding and Liu, 2014]。此外，自2001年以来，中国东部的这种增长趋势更加显著[Sun et al., 2013]。早期研究表明，霾的长期增加与人类活动密切相关。中国的快速城市化和经济发展导致向大气排放的污染物增加，这是近几十年来霾天气数的增加的原因[Wang et al., 2013]。尽管对于污染的占比仍有争论，在北京，汽车排放一般被认为是颗粒物2.5(PM2.5)（细颗粒物）的最大来源，占污染的25%，而煤燃烧和跨区域运输是第二大来源，两者都占19%，[He et al., 2013; Zhang et al., 2013]。次生无机气溶胶和煤燃烧也是中国其他地区PM2.5的两个主要原因，例如在成都市(中国西南部)，其占比污染物的37plusmn;18%和20plusmn;12%[Tao et al., 2014]。除了人类活动的影响之外，中国东部霾日数的增加可能与地面风速的下降趋势有关[Xu et al., 2006; Gao, 2008; Niu et al., 2010]和由变暖造成的大气中的相对湿度[Ding and Liu, 2014]有关。Wu et al. [2008]表明，珠江三角洲地区出现严重霾天气时，对流层中层有较强的纬向环流，地面风较弱。Wang et al. [2015]进一步揭示，北极海冰的下降会加剧中国东部的霾污染，其影响约占霾日年际和年代际变化的45%-67%。因此，中国霾日的变化也与气候变化密切相关。

北方地区是中国人口最多、污染最严重的地区之一。近年来，经济的快速发展导致该区域大气气溶胶负荷过重，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]。霾天气中气溶胶粒子的特征以及气溶胶粒子对霾形成的影响已经在该区域得到很好的记录[Niu et al., 2010; Quan et al., 2011; Ji et al., 2012; Li et al., 2013]。然而，尽管在一些案例研究中环境条件进行了研究，但从气候角度来看，该区域霾日的相关大气背景还不清楚。例如，中国东部2013年1月的严重霾事件与减弱的地面风和近地表的反转异常密切相关，这些异常有利于霾事件的维持和发展[Zhang et al., 2014]。对北方地区霾事件的气候条件有更好的了解，将有助于改善霾日的预报和早期预警系统的形成。鉴于这一目标的重要性，本研究的分析主要包括：（1）过去几十年中霾发生的特征（2）这些事件的相关大气背景值。

2 数据与方法

本研究使用的资料主要来自中国国家气象信息中心收集到的严格质量控制的中国观测资料，包括相对湿度、能见度和风速。这些数据包括每天4次观测：02：00本地时间（LT）、08：00LT、14：00LT和20：00LT。研究的数据对象是北方地区78个台站的资料，33个城市站点和45个农村站点（图1）从1960年到2012年的连续记录。一般来说，城市主要分布在人口密度高（居民人数超过20万）、经济发展迅速的大城市，农村主要分布在人口密度低（低于20万）、经济发展缓慢的小城市。这一划分标准是根据中国政府2014年10月29日提出的《关于调整城市规模标准的意见》而制定的。 此外，对霾天气的气候条件分析利用了1960年1月1日至2012年12月31日NCEP/NCAR(国家环境预测中心/国家大气研究中心)逐日大气再分析资料，其水平分辨率为2.5°times;2.5°。根据从1979年1月1日到2012年12月31日每天4次收集的数据，利用ERA-Interim再分析计算了相同的气象因子，其水平分辨率为1.5°times;1.5°，同时也使用了NCEP/NCAR和ERA中期的月度再分析数据。

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（白圈）和45个农村站点（蓝圈）

在中国的地理勘测中，由于观测规则的不同，1980年之前和之后的能见度数据收集的形式不同，1980年之前用能见度等级的形式，而1980年以后以千米的形式记录[Qian and Giorgi, 2000; Qian et al., 2009; Ding and Liu, 2014]。因此，有必要在分析之前对这些数据进行处理，以保持它们的一致性。在本研究中，我们将1960-1979年的所有能见度数据统一为千米能见度数据[Qin et al., 2010]。表1显示了能见度标度与相应水平距离的对比关系。根据这一关系，从1980到2012公里的能见度数据第一次被转换成刻度的形式。然后，光学距离被计算为从1980年到2012年每个尺度的所有距离的平均值；估计结果显示在表1中。最后，能见度数据被替换为从1960年到1979年以及从1980年到2012年的每个刻度的估计对应距离。

表 1. 能见度范围和每个可视尺度的对应估计

理论上，每个可见度量表可以由对应的距离间隔（如中值）之间的任何值所包围。然而，由于与比例尺相对应的能见度距离的间隔并不等距，如果用中值代替，则1980年代以前的能见度距离的估计值将过高，造成1980年前后的数据不连续[Qin et al., 2010; Wu et al., 2012]。图2显示了北方地区观测和估计能见度年变化的对比结果。显然，估算结果精确地再现了北方地区能见度的变化和下降趋势，从1980年到2012年，相关系数可达0.98。不可否认的是，能见度相对于观测值以从-5.4%到-0.7%不等的差别水平是被低估的，平均误差为-2.9%，这包括了在定义霾的发生时产生的误差。为了与1980年之前和之后的数据保持一致，采用1960-2012年的能见度估计值代替1980-2012年的霾定义和分析观测数据。

图2 北方地区观测和估计能见度的区域平均年变化。单位：公里

一般来说，测量到的霾的发生是根据相对湿度和能见度的观测值根据组织间不同的特定标准而确定的。(e.g., World Meteorological Organization and UK Met Office) and personal views [e.g., Wu, 2006; Vautard et al., 2009; Ding and Liu, 2014]. 我们采用了被广泛使用的能见度小于10km、相对湿度小于90%的综合评判方法。早期研究表明，当相对湿度小于90%时，霾颗粒容易从霾中分离。[Schichtel et al., 2001; Doyle and Dorling, 2002]. 由于灰尘的能见度低，其影响被排除在外，然而，我国的沙尘资料尚未公开，在我国对光学的研究中，普遍采用地面风速大于7m/s的替代方法来对沙尘事件进行消减，因此，当有霾发生时，风速应低于7m/s。如果能见度、相对湿度和风速在每天4次的测量中中满足上述标准任意一次，即认为当天发生霾。月霾日数计算为日序列之和，区域平均值计算为场地的简单均值。

3 中国北方地区霾的变化

图3a显示了根据过去几十年收集的数据计算的北方地区霾发生的年周期。年平均霾日数气候值为80.6d/yr,霾日数连续数月增加(图中未显示)。图3a表明不同月份和测量地点的霾日数变化很大。区域平均结果表明，北方地区霾天气主要发生在冬季，约占全年霾天气的32.8%。除了局部大气条件的影响外，在北半球冬季霾事件的高发主要是由于用于热量的煤燃烧的增加和由于降水较少而较弱的湿清除作用造成的。春季和秋季的数量相对较小，分别为每年的23%和24.2%。特别是在三月和十一月北部，这两个月仍然需要加热，霾的出现分别显著上升到9.0%和9.6%。在北半球夏季，霾日相对较少，这主要是因为此时雨天较多，只有16.0天/年，约占全年霾日的19.9％。

图3 1960-2012年华北地区霾日的 (a)年际变化和(b)日间变化循环图

误差条表示被测站点之间的一个标准偏差。单位:天

利用每天收集4次的观测数据，探讨了北方地区霾事件的平均气候日周期（图3b）。显然，霾事件主要发生在08:00 LT，约占所有事件的44.7%。这很容易理解：首先，08:00是早班高峰期。其次，近地表的强反转通常与此时的低气压同时发生，限制了气溶胶在垂直和水平方向的传输。14:00和20:00 LT的发生率相对小于08:00 LT，分别为20.3%和19.4%。，仅15.6%的霾事件在02:00 LT时次被报告。

图4显示了1960-2012年北方地区霾发生的长期变化和年平均和季节平均能见度水平。北方地区的78个测量点也被分为33个城市站和45个农村站（图1），其相应演变如图4所示。这些城市测量点(北京、天津、保定等)大都位于大气溶胶排放量相对较高的大城市，而农村测量点则主要分布在大气溶胶排放量相对较低的小城市，这将导致城市中记录的霾日将多于农村站。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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