华北地区持续性灰霾发生的环境和动力条件

工程3（2017）266研究气候变化评论华北地区持续性灰霾发生的环境和动力条件丁毅辉a，*，吴平a，b，c，刘艳菊a，宋亚芳aa国家气候中心，北京100081b中国气象科学研究院，北京100081c南京信息工程大学大气科学学院，南京210044ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2016年7月23日收到2016年11月8日修订2016年11月11日接受2017年3月13日在线提供保留字：华北地区持续性灰霾天气环境条件动态条件本文简要总结了近年来关于华北地区灰霾长期变化及强持续性灰霾事件发生的环境和动力条件的研究。结果表明，近50年来，华北地区灰霾日数有明显的上升趋势。由于冬季气温持续升高、地面风速减小、大气稳定度加剧，持续性灰霾事件发生频率也有类似的上升趋势。在华北地区，当发生严重持续性灰霾天气时，对流层低层异常西南风盛行，为灰霾天气的形成提供了充足的水汽。此外，华北地区主要受对流层中低层深厚下沉气流控制，这有助于减少行星边界层厚度，明显降低大气对污染物的容纳能力。这种大气环流和下沉运动为华北灰霾的形成和维持提供了有利条件。© 2017 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍近年来，区域性持续性灰霾污染事件在华北、珠江三角洲、长江三角洲等地频繁发生[1灰霾事件的频繁发生已成为我国北方地区最严重的环境问题关于雾霾事件频发的原因，近年来中国经济的快速发展和城市化导致了大量污染物的排放。此外，由于人类活动导致气候变暖而导致的气候条件变化很可能是灰霾事件的原因之一[3，5不同气象条件下，污染物的稀释扩散能力差异很大.在不同的大尺度环流条件下，局地气象条件和边界层结构会发生变化，从而对大气磁极的形成产生重要影响。解决方案[8-13]。因此，研究环流条件及相关的环境和动力因素对灰霾形成的影响，是理解灰霾事件发生，特别是持续灰霾事件的途径之一。本文综述了近年来关于灰霾天气的长期特征和华北地区强持续性灰霾天气的环境和动力条件的研究成果。2. 华北地区灰霾日数的时空特征华北地区是中国雾霾最严重的地区从年灰霾日数的空间分布来看，1（a）[3]，可见灰霾区主要存在于经济发达、人口密集的地区，如北京、天津、河北西南部等地，年灰霾日数在30天以上。特别是北京市区、天津北部、石家庄、邢台、唐山等地，每年雾霾日数超过50天* 通讯作者。电子邮件地址：dingyh@cma.gov.cnhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.01.0092095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engY. Ding等/ Engineering 3（2017）266-271267Fig. 1. 华北地区年灰霾日数的空间分布和长期变化。改编自参考文献[3]。如图1（b）[3]所示，1979年以前华北地区灰霾频率上升较快，1976-1991年达到峰值，年平均灰霾日数约为14-15天。随后，频率显著下降;然而，自2005年以来，频率再次上升[3]。从季节分布来看，灰霾主要出现在冬季，其次是春季和秋季，夏季出现频率最低[5，11]。近年来，我国灰霾天气呈现出持续时间长、影响范围大雾霾一旦发生，往往持续数天甚至更长时间，对人体健康造成严重危害。Wu等[14]发现，华北地区持续3天及以上的持续性灰霾事件多发生在秋冬季。从20世纪90年代中期到现在，持续雾霾事件的频率明显增加（图未显示）。Zhang等[15]将持续2天及以上的灰霾事件定义为持续灰霾日数增加趋势明显的地区主要集中在北京、天津和河北西南部（图2）[15]。持续性灰霾事件的区域范围有年代际增长趋势，2000年以来尤为明显3. 华北地区灰霾日的环境条件一般来说，灰霾天气的形成主要有两个条件。第一个条件是大气中有大量的污染物，第二个条件是稳定的大气层结和低风速。当有大量当大气层结稳定时，污染物不能迅速扩散，导致灰霾天气的形成。因此，灰霾日数增加的原因包括人类活动和气候变化。近50年来，华北地区冬季气温呈上升趋势，而地面风速呈明显下降趋势（图1）。3）[7]。温度的升高会导致大气中水汽的增加，由于灰霾颗粒物的吸湿生长特性，水汽是形成灰霾的重要因素。此外，地面风速的降低会减弱污染物的扩散[5]。因此，气温上升和地面风速下降可能会导致更多的烟霾天。日最大风速小于等于6 m·s图二. 1981 - 2013年华北地区持续灰霾日数变化趋势。实心/空心圆表示增加趋势，而实心/空心三角形表示减少趋势;大实心圆/三角形表示通过0.01显著性水平检验的趋势;小实心圆/三角形表示通过0.05显著性水平检验的趋势;空心圆/三角形表示未通过显著性水平检验的趋势。改编自Ref。[15]第10段。风之日”。结果表明，在华北地区，弱风日数在多数情况下明显增加，而大风日数在多数情况下明显减少（表1）[7]。这些趋势对大气污染物的扩散有很强的负面影响，对灰霾的发生有积极影响值得注意的是，日最大风速为7-8 m·s-1的日数减少对华北地区冬季灰霾日数增加的影响最为显著大气层结稳定度的变化影响了空气的垂直交换能力，大气层结稳定度的增加有利于灰霾天气的形成大气热稳定性可用A指数表示。A指数通过以下公式计算：A=（T850（一）其中T是温度;Td是露点温度;数字500、700和850表示不同的压力水平。A指数的值越大，大气层就越不稳定。冬季A指数的变化曲线268Y. Ding等人 /工程3（2017）266-271图四、1961-2012年华北地区冬季A指数距平（黑线）和冬季霾日距平（红线）时间序列，其中r表示冬季霾日距平与冬季A指数距平的相关系数[7]。稳定的状态。进入21世纪以来，随着城市人口的增加、工业发展的加快和机动车的使用，但是，相对稳定的大气层削弱了空气的垂直交换能力。因此，许多污染物被限制在浅层大气中，为灰霾的形成创造了有利条件图三. （a）1961 - 2012年华北地区冬季气温距平（黑线）和冬季霾日距平（红线）时间序列，其中r为冬季霾日距平与气温距平的相关系数;（b）1961 - 2012年华北地区冬季风速距平（黑线）和冬季霾日距平（红线）时间序列，其中r为冬季霾日距平与冬季风速距平的相关系数[7]。表1华北地区冬季灰霾日数与不同最大风速级日数的相关系数[7]。最大风速（vf，max）等级相关系数4. 华北地区持续性灰霾天气的环流和动力条件4.1. 环流特征通过对华北地区13次持续时间在5天以上的强持续性灰霾天气过程500 hPa高度场的分析，发现持续性灰霾天气大致可分为两类[14]。当第一类持续性霾天气发生时，东亚主要受500 hPa中层纬向环流控制，华北受纬向西风气流影响，表明高纬干冷空气入侵较少这种持续性霾天气可被定义为纬向西风气流（ZWA）弱风（vf，max≤6 m·s大风vf，max≤ 2 m·s2m·s3 m·s4 m·s5 m·s6 m·s类型.第二类持续性霾天气发生时，中国大陆主要受弱高压脊控制这种持续性霾事件可以被定义为高压脊（HPR）类型。当华北地区出现持续性强霾天气时， 中国大陆为异常低海所（vf，max> 6m·s7 m·s<<<≤ 8 m·s≤ 9 m·s≤ 10 m·s水平气压和海岸以东邻近海洋上空的高异常，如图5（a）[16]所示，表明来自高纬度的偏北风减弱，空气增多温度 因此，西风和西南风异常vf，max> 10 m·s粗体表示上升趋势，下划线表示下降趋势。a相关系数通过99%置信水平。b相关系数通过95%置信水平。1961-2002年以前，冬季A指数多为正距平，表明大气处于相对不稳定状态。2002年以后，冬季大气A指数多为负距平，表明大气处于相对稳定状态。值得注意的是，从2002年左右开始，冬季霾日迅速增加，这可能与这种从相对不稳定的大气层结到相对不稳定的大气层结的变化有关。在华北地区盛行，对流层低层风速较弱，如图5（b）[16]。受西风和西南风的影响，周边地区的污染物很容易进入华北地区。同时，由于北面燕山山脉的阻隔，污染物不易向外扩散，而是集中在这一区域。此外，西南风有利于暖湿气流向华北地区输送，为雾霾颗粒物吸湿增长创造了有利的水汽条件。从另一个角度看，强持续性霾事件使对流层低层温度升高，850hPa温度升高比1000 hPa更快，导致对流层低层出现异常逆温（图1）。 6）[16]。这Y. Ding等/ Engineering 3（2017）266-271269图五. 严重持续性灰霾事件的海平面气压（等值线;单位：Pa）和近地面气温（阴影;单位：°C）;风矢量（单位：m·s-1）和风速（阴影;单位：m·s-1）的复合异常分布经参考文献许可改编。[16]第10段。见图6。严重持续性灰霾天气华北地区气温异常的垂直分布特征。经参考文献许可改编。[16]第10段。逆温可以增加边界层大气层结的稳定性[16]。逆温的异常减弱了污染物的垂直扩散，可能进一步导致一次持续性灰霾事件的长期维持。4.2. 动态条件垂直运动对污染物的垂直扩散和稀释至关重要。在上述两种持续性霾天气过程中，华北地区的风辐散从地面到对流层中层呈现“辐合-辐散-辐合”的三层结构这种上辐合下辐散的风场分布有利于气流作下沉运动，如图1所示。7（c）和(d)[14]第10段。对流层中低层的垂直下沉运动可能是形成持续性霾天气的重要动力机制。900 hPa以下的浅层辐合层有利于华北周边地区与此同时，对流层受向下气流控制，说明大气非常稳定，这将抑制污染物的垂直扩散。因此，这些条件有利于灰霾天气的维持和加重。边界层受地面直接而强烈的影响，其厚度决定了污染物扩散的有效风量，即大气环境容量。对流层中低层的垂直下沉运动会挤压大气边界层，使其厚度减小。边界层高度越低，大气环境容量越低，有利于灰霾天气的发生、扩展和加重。此外，由于灰霾的影响，到达地面的太阳辐射减少，地表热通量降低。这种降低往往会抑制边界层高度的发展，而边界层的压抑结构进一步削弱了污染物的扩散，导致重污染[17]。灰霾与边界层高度的正反馈机制导致华北地区大气污染加重。在此基础上，Wu et al.[14]给一个概念图，华北地区持续性灰霾污染事件的形成机制，见图8 [14]。当强持续性霾天气发生时，对流层中上部以ZWA或西北气流为主边界层盛行弱西南风、东南风和西风，水汽条件充足。在动力条件方面，由于辐合层位于辐散层上方的风场垂直分布，在华北地区对流层中下部产生了一个深下沉气流，这对持续性灰霾天气的形成和维持起着至关重要的作用。下沉运动导致边界层厚度减小，大气环境容量降低。许多污染物被阻止向上扩散并在低边界层积累，从而维持和加剧了严重的持续性灰霾事件。5. 结论近几十年来，中国北方遭受了严重和持续的雾霾污染事件。这种经常发生的空气污染已经成为一个非常严重的环境问题。本文总结了华北地区灰霾日数的气候特征及持续灰霾事件以下结论270Y。Ding等人/工程3（2017）266图7.第一次会议。（a，b）风场散度（等值线，单位：10−6 s−1）和（c，d）垂直速度w（等值线，单位：10−2Pa·s-1）的气压-纬度剖面，其中w = dp/dt，w > 0表示华北地区的下行运动。（a）和（c）表示ZWA型持续性霾事件，（b）和（d）表示HPR型。改编自Ref。[14]第10段。见图8。华北地区一次强持续性灰霾天气形成的动力条件示意图。改编自Ref。[14]第10段。可以得出：(1) 在华北地区，雾霾天气频繁的地区主要包括北京、天津和河北省西南部。灰霾发生频率总体呈明显上升趋势，特别是进入21世纪以来。持续性灰霾事件也呈明显上升趋势。(2) 在气候变暖的背景下，冬季气温的持续升高、地面风速的减小以及北方大气相对稳定对灰霾日数的增加有重要影响(3) 在大尺度环流中，华北地区强持续性灰霾天气多发生在ZWA环流或HPR环流下。华北地区受ZWA或对流层中上层西北气流控制在强持续性灰霾天气过程中，华北地区主要受边界层异常西南风的影响，地面风速较弱。这些条件可以将周边地区的污染物与充足的水汽一起输送到华北地区，为持续性灰霾事件提供了物质和水汽条件(4) 华北地区对流层中低层深厚稳定的下沉气流有利于降低边界层高度，形成逆温。低的边界层高度会显著降低大气对污染物的潜在扩散能力，导致华北地区污染物浓度偏高确认本 工 作 得 到 了 中 国 气 象 局 专 项 公 益 研 究 基 金（GYHY201406001）和国家自然科学基金（41401056）的资助遵守道德操守准则Yihui Ding、Ping Wu、Yanju Liu和Yafang Song声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。Y. 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