地球物理学报  2017, Vol. 60 Issue (1): 11-21   PDF    
中国华北雾霾天气与超强El Niño事件的相关性研究
袁媛1 , 周宁芳2 , 李崇银3,4     
1. 国家气候中心, 中国气象局气候研究开放实验室, 北京 100081;
2. 国家气象中心, 北京 100081;
3. 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室, 北京 100029;
4. 解放军理工大学气象海洋学院, 南京 211101
摘要: 2015年11-12月,全国接连发生七次大范围、持续性雾霾天气过程,其中,11月27日-12月1日的雾霾天气过程持续时间长达五天,成为2015年最强的一次重污染天气过程;12月19-25日重度雾霾再次发展,影响面积一度达到35.2万km2.本文利用多种数据资料通过个例对比和历史统计详细分析了超强El Niño背景下雾霾天气频发的天气气候条件.其结果清楚表明:2015年11-12月欧亚中高纬度以纬向环流为主,东亚冬季风偏弱,使得影响我国的冷空气活动偏少,我国中东部大部地区对流层低层盛行异常偏南风,大气相对湿度明显偏大,并且大气层结稳定,对流层底层存在明显逆温.上述大气环流条件使得污染物的水平和垂直扩散条件差,因此在有一定污染排放的情况下,造成了重度雾霾天气过程的频发.由此,超强El Niño事件所导致的大尺度大气环流异常是我国中东部,尤其华北地区冬季雾霾天气频发的重要原因之一.
关键词: 超强El Niño      中国华北      雾霾      冬季风      大气稳定度      逆温     
Correlation between haze in North China and super El Niño events
YUAN Yuan1, ZHOU Ning-Fang2, LI Chong-Yin3,4     
1. National Climate Center, Laboratory for Climate Studies, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China;
2. National Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China;
3. LASG, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
4. Institute of Meteorology, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China
Abstract: During November-December 2015, seven strong fog and haze events persistently occurred over a large area of eastern China. Of them, the most severe one was from 27 November to 1 December, which lasted for five days or more. The second one was from 19 to 25 December 2015, which covered a large area up to 352000 square kilometers. Using multiple datasets, this study analyzes meteorological and climate conditions for these fog and haze events. The results clearly show that anomalous 500 hPa zonal circulation dominated over mid-high latitudes of Eurasia during November to December 2015, with weak East Asian winter monsoon, weaker cold air activities, and anomalous low-level southerlies over most areas of eastern China. Meanwhile, the relative humidity over eastern China was larger than normal, and the anomalous inversion in near-surface increased the stability of the surface air. The above atmospheric circulation conditions were unfavorable for horizontal and vertical diffusion of pollutants. As a result, severe fog and haze events occur frequently under the circumstance of pollutant emissions. Therefore, the large-scale atmospheric circulation anomalies caused by super El Niño events should be one of the most important reasons for these fog and haze disasters in eastern China, especially in North China..
Key words: Super El Niño      North China      Fog and haze      Winter monsoon      Atmospheric stability      Inversion     
1 引言

2015年11—12月,全国共发生七次大范围、持续性雾霾天气过程,覆盖了陕西、山西、河北、北京、天津、山东、河南、安徽等14个省(区、市).雾霾天气持续时间长、影响范围广、污染程度重,给交通运输和人体健康带来了严重不利影响.尤其11月中旬至12月底,京津冀接连出现5次雾霾过程,其中11月30日北京西南部某测站的PM2.5浓度竟然达到976 μg·m-3.北京市政府在12月两次启动重污染红色预警,幼儿园和小学被迫停课,人们不得不减少外出活动,足见其影响的严重性.这么严重的环境问题在北京还是第一次,足可以与20世纪50年代的英国伦敦雾都事件和60年代的德国鲁尔工业区污染事件相当.

已有统计研究表明,我国霾日数呈东多西少的分布,主要的高值区集中在长江中下游、华北和华南这3个经济比较发达的地区(高歌,2008孙彧等,2013丁一汇和柳艳菊,2014).在华北地区,20世纪80年代霾日数较多,且在80年代后期迅速增加,90年代达到峰值,之后霾日数处于平稳波动状态,直至2005年又开始增加(高歌,2008Che et al.,2009吴兑等,2010丁一汇和柳艳菊,2014符传博和丹利,2014),尤其2010年以后迅速反弹(吴兑等,2014缪育聪等,2015).雾霾发生的罪魁祸首当然主要是工业化造成的污染,包括工业和生活燃煤、水泥和石化产业的排放,以及汽车尾气的污染等.但对于某个地区来讲,如果气象条件有利于污染物的扩散,那么该地区就不容易出现严重雾霾;相反,如果气象条件不利于某地区污染物的扩散,那么就容易在该地区出现雾霾甚至雾霾频发(周宁芳等,2008).2013年1月我国东部地区也出现过持续性强雾霾天气,主要污染物PM2.5浓度高达886 μg·m-3(曹军骥,2014),大量污染物排放和不利的天气条件是雾霾天气发生的最主要原因(丁一汇和柳艳菊,2014王跃思等,2014王自发等,2014张人禾等,2014缪育聪等,2015).

然而,天气现象的发生也与一定的气候背景有关,关于雾霾天气频发的气候背景条件及其外强迫因子的研究目前还不多见.华北地区冬季一般盛行冬季风,在北风盛行的情况下,较高浓度的污染物往往会被寒潮(冬季风活动)带来的北风所驱散,不会出现持续性的雾霾天气.但是,如果冬季风偏弱,华北地区不仅气温偏高,近地面风偏弱甚至有偏南风出现;加上其西北部有高山地形环绕,污染物不仅难于扩散,而且会出现积聚,从而使得华北地区容易形成严重雾霾天气.研究表明(Li,19891990吴正贤等,1990Tao and Zhang,1998Chan and Li,2004),El Niño-南方涛动(ENSO)对东亚冬季风有明显的影响.在El Niño年冬季,因为大气环流对赤道中东太平洋海温正距平(El Niño)的强迫响应,使得东亚地区上空(500 hPa)有明显的异常高空脊维持,高空锋区位置偏北,东亚大槽偏弱.因此,El Niño事件的发生不利于亚洲北部冷空气的向南爆发,东亚冬季风(寒潮)也就偏弱,东亚地区气温易偏高.2014—2016年,赤道中东太平洋发生了一次超强El Niño事件(图 1a),这次事件在2015年11月达到峰值(海表温度距平指数=2.9 ℃),12月开始略有减弱,但仍比较强(图 1b).从事件的峰值强度来看,这次事件已超过1951年以来另外两次超强El Niño事件(1982—1983年和1997—1998年),成为了1951年以来最强的事件.从事件的持续时间上看,这次事件于2016年4月结束,持续19个月,也成为1951年以来持续时间最长的一次El Niño事件(邵勰和周兵,2016袁媛等,2016).那么,这次超强El Niño事件是否和2015年11中旬至12月中国华北地区的严重雾霾天气有关系呢?本文将针对这一问题进行深入的分析和讨论.

图 1 2015年11—12月平均海表温度距平分布(单位:℃)(a),以及历史上三次超强El Niño事件(2015、1997、1982)Niño3.4指数的逐月演变(单位:℃)(b) Fig. 1 Sea surface temperature anomaly(SSTA)averaged in November to Decemebr 2015(unit:℃)(a)and monthly variation of Niño3.4 index for three super El Niño events in history,i. e.,2015,1997 and 1982(unit:℃)(b)
2 资料与方法

本文所用到的数据有:(1)NCEP/NCAR提供的月平均及日平均风场、位势高度场、相对湿度、垂直速度、大气温度等,网格点分辨率是2.5°×2.5°(Kistler et al.,2001);(2)美国NOAA提供的线性最优插值全球海温数据(OIVSST-v2),网格点分辨率是1°×1°(Reynolds et al.,2002);(3)中国气象局国家信息中心提供的台站观测资料,包括雾霾日数、大气能见度、温度、矢量风等;(4)PM2.5数据来自国家环境监测总站实时发布的全国1492站逐小时观测资料,日平均资料为24 h观测数据平均所得.各变量的气候平均值都为1981—2010年平均,所有距平场或异常场的计算也都相对于1981—2010年的气候平均值.

El Niño事件的监测指标是国家气候中心Niño3.4指数,定义为Niño3.4区(5°S—5°N,170°W—120°W)区域平均海温距平值.当Niño3.4≥0.5 ℃至少持续6个月(过程中间可有一个月未达标准)则定义为一次El Niño事件.峰值强度达到或超过2.5 ℃定义为超强El Niño事件,1951年以来共有三次超强El Niño事件:1982—1983年,1997—1998年,2014—2016年.

K指数定义为K=(T850-T500)+Td850-(T-Td)700,其中,TTd分别为气温和露点温度,下标850、700和500表示TTd所在的等压面高度分别为850、700 hPa和500 hPa.K指数是实际天气业务中常常用来判别大气层结稳定性的重要指标(章国材等,2007),K指数越大,表示大气层结越不稳定.

3 2015年11—12月中国华北地区雾霾情况

2015年11月以来,华北地区发生的几次大范围持续性雾霾天气过程中,首要污染物都为PM2.5,尤其11月底以来雾霾天气更加趋于严重.这其中最严重的两次过程是11月27日—12月1日和12月19—25日.雾霾发生时,大气能见度会显著下降,从图 2 华北地区平均(110°E—120°E,36°N—41°N平均,下同)能见度和PM2.5浓度的逐日变化也可以看出,每一次PM2.5浓度发展达到峰值时大气能见度都会显著下降达到最低值.尤其在11月27日—12月1日和12月19—25日这两次过程中,华北地区平均PM2.5浓度都达到200 μg·m-3以上,同时区域平均的大气能见度也下降到不足6 km(图 2).

图 2 2015年11月1日—12月31日华北地区平均能见度(空心圆点,左坐标轴,单位:km)和大气中PM2.5浓度(实心圆点,右坐标轴,单位:μg·m-3)的逐日变化 Fig. 2 Daily variation of visibility(open circles,left axis,unit: km)and PM2.5 concentrations in the atmosphere(closed circles,right axis,unit: μg·m-3)averaged in North China(110°E—120°E,36°N—41°N)from 1 November to 31 December 2015

具体来看,11月27日—12月1日的雾霾天气过程持续时间长达五天,华北中南部、河南北部、山东西北部等地出现中度到重度霾,其中,北京、天津西部、河北中南部雾霾最严重.大部地区PM2.5浓度超过250 μg·m-3,北京部分站点PM2.5浓度超过700 μg·m-3,河北中部局地PM2.5浓度超过900 μg·m-3.此次过程也成为2015年最强的一次重污染天气过程.而12月19—25日,华北中南部、黄淮大部、江淮东部及陕西关中等地出现中至重度霾过程,其中22—23日北京大部、天津、河北中南部、山东大部、河南中北部等地出现重度霾,面积一度达到35.2万km2.北京、河北中南部部分地区PM2.5峰值浓度均超过500 μg·m-3,河北南部局地超过1000 μg·m-3.此次过程的空气污染程度总体接近11月27日—12月1日的重污染过程,其中河北、天津为2015年以来最强,北京仅次于11月27日—12月1日过程,为次强.

4 El Niño影响下2015年11—12月华北地区的气象环境条件

2015年11—12月重雾霾天气过程的频发对社会经济和人民生产生活带来了严重影响,其罪魁祸首当然是污染物的排放,但也与不利的天气气候条件有关.2015年11—12月,500 hPa欧亚中高纬为两脊一槽型(图 3a),其中乌拉尔山地区为高度场负距平控制,说明乌拉尔山高压脊较气候平均明显偏弱;而东亚东部为高度场正距平控制,表明东亚大槽也明显偏弱.因此,西低东高的纬向环流型不利于冷空气活动,东亚冬季风偏弱.在对流层低层(图 3b),菲律宾附近为异常反气旋环流,其西侧的偏南风控制了中国东部大部地区.南风距平的持续控制不仅削弱了冬季风(北风)的强度,阻碍了高纬度冷空气南下影响我国,也从热带海洋带来了大量水汽输送,导致我国中东部大部地区的相对湿度明显偏大.可以看出,江南、华南等地相对湿度偏高10%~15%,这有利于南方持续性降水的发生;而在长江以北地区,尤其是河套至华北地区相对湿度也偏高10%~15%.潮湿的空气不仅有利于污染颗粒物吸湿性增加,导致能见度的下降,也更有利于污染物的二次反应,使得PM2.5的浓度骤升(管振宇等,2013孙一等,2015).与此同时,中国中东部的南风距平表明风速小,大气污染物水平扩散条件差,易导致污染物在近地面大气层中积聚;而华北地区上空的高度场正距平也抑制了对流活动的发展,由异常下沉运动持续控制,从而不利于大气污染物的垂直扩散,进一步加剧了雾霾在大气低层的聚集(张人禾等,2014).再加上11月以来我国北方大部地区开始采暖用煤,大量粉尘排放到大气中,在上述静稳天气气候条件的配合下共同造成了雾霾天气的频繁发生.

图 3 2015年11—12月平均500 hPa高度场(等值线)及距平场(彩色阴影)形势(a)(其中红色等值线表示气候平均5860和5880 gpm等值线,单位:gpm),以及850 hPa距平风矢量场(单位:m·s-1)和相对湿度异常场(阴影区,单位:%)的分布(b) Fig. 3 500 hPa geopotential height(contours)and anomalies(shading)averaged in November and December 2015(a)(red contours for climate mean 5860 and 5880 gpm contours,unit: gpm),and 850 hPa wind anomalies(vectors,unit: m·s-1)and relative humidity anomalies(shading,unit: %)averaged in November and December 2015(b)

具体分析2015年11—12月各气象要素逐日演变情况,可以看出整体冷空气活动较弱(图 4a),除了11月22—26日有一次全国性较强冷空气过程导致我国中东部气温大幅下降外,12月3—4日、11—12日以及17—18日的几次冷空气强度都明显偏弱,气温下降不显著,并且冷空气过程之间间隙时间长,均达一周左右,有利于污染物持续积累.在11月27日—12月1日和12月19—25日这两次重雾霾天气发生时,华北地区都表现出气温缓慢上升的趋势,且地面风速接近零值,表明水平风速很小,不利于污染物的水平扩散.从垂直速度的逐日演变图中也可以看出(图 4b),11月25日以后华北地区基本都为垂直下沉运动控制,上述重雾霾发生时段(11月27—12月1日、12月19—25日)垂直速度都接近零值或为下沉运动,表明在垂直方向上的扩散条件也非常差.另外,华北地区K指数自11月1日以来多低于气候平均值,大气层结稳定的日数占总日数的75%,尤其在几次雾霾过程发生时,K指数多明显下降并显著低于气候平均值(图 5a).而从1000 hPa与925 hPa温度差的逐日变化来看(图 5b),11月26日—12月1日,12月16—20日,12月25—31日两个层次的温度差都有明显下降的过程,表明对流层底层有逆温发展和存在.对应上述两个重雾霾天气过程,11月27日—12月1日的过程中逆温层发展最显著,温差急剧下降,达到1.5 ℃,而12月19—25日逆温特征也较明显,温差下降到2 ℃.大气层结稳定,存在明显逆温层,再加上水平风速和垂直风速都较小,扩散条件极差,这是导致2015年11—12月雾霾天气频发的重要气象条件.

图 4 2015年11—12月110°E—120°E平均地面风矢量(单位:m·s-1)和温度(红色等值线,单位:℃)的逐日-纬度剖面(a),以及华北地区平均垂直速度(单位:Pa·s-1,红色表示垂直下沉运动,蓝色表示上升运动)的逐日-高度演变剖面(b)(其中黑色框表示11月27日—12月1日和12月19—25日两次重雾霾天气过程) Fig. 4 Time-latitude profile of surface wind(vectors,unit: m·s-1)and temperature(red contours,unit: ℃)averaged in 110°E—120°E from 1 November to 31 December 2015(a),and time-height profile of vertical velocity(unit: Pa·s-1,with red for subsidence and blue for upward motion)averaged in North China(b)(with two black boxes indicating two severe fog and haze events separately in 27 November—1 December and 19—25 December 2015)
图 5 2015年11—12月华北地区平均K指数(单位:℃)(a)和1000 hPa与925 hPa温度差(单位:℃)(b)的逐日演变(实心圆为气候平均值,空心圆为实况) Fig. 5 Daily variation of K index(unit:℃)(a)and air temperature difference between 1000 hPa and 925 hPa(unit:℃)(b)averaged in North China(with closed circle for climate mean,and open circle for 2015)

上面的分析表明,2015年11—12月华北地区雾霾天气频发的大气环流原因是冷空气活动弱,水平和垂直扩散条件都弱;同时,大气层结稳定、逆温层的存在和发展也为雾霾天气的频发提供了重要的气象环境条件.从气候背景条件来看,欧亚中高纬西低东高的纬向环流导致东亚冬季风偏弱,华北地区上空高度场正距平的控制抑制了对流活动的发展,垂直方向上为异常下沉运动,对流层低层菲律宾附近异常反气旋环流使得异常偏南风控制我国中东部大部地区,不仅减弱了北风的强度,也带来了丰沛的水汽,使得华北地区大部相对湿度明显偏大.而导致上述大尺度环流异常的最主要外强迫因子正是赤道中东太平洋的超强El Niño事件.在El Niño事件盛期,通过遥相关波列使得东亚东部上空为500 hPa高度场正距平控制,东亚大槽偏弱,不利于极地冷空气频繁南下影响我国(李崇银,1988Li,1990陶诗言和张庆云,1998陈文,2002);而在对流层低层,通过激发罗斯贝波导致菲律宾海附近出现异常反气旋性环流,与该反气旋相联系的南风距平控制在中国东南沿海,它不仅削弱了东亚冬季风的强度,也有利于将热带海洋的大量水汽输送到我国中东部(Zhang et al.,19961999; Wang et al.,2000; Zhou et al.,2010; 袁媛等,2014).图 6显示,当发生El Niño事件时,11—12月平均菲律宾附近为异常反气旋环流,其西侧的偏南风自南向北影响我国东部大部地区,易削弱东亚冬季风的强度,并导致华北及其以南大部地区的相对湿度都易偏大.相对湿度和低层风场与Niño3.4指数的相关系数都能通过90%以上的显著性检验(图 6a).与此同时,El Niño事件的发生也导致我国东部地区为500 hPa异常下沉运动控制,相关最显著的区域位于华北地区(图 6b).2015年11—12月的实况与多年统计相关分布的显著性区域非常吻合,由此可见,我国北方冬季雾霾天气的频发与超强El Niño事件密切相关.

图 6 1980—2014年11—12月平均850 hPa距平风场(矢量)和相对湿度(阴影区)与同期Niño3.4指数的相关分布(a),(b)同(a),但为500 hPa垂直速度距平的相关场,正相关表示异常上升运动(绿色),负相关表示异常下沉运动(咖色).(a)中矢量为纬向风或经向风通过90%显著性检验的风场,(a)和(b)中阴影区由浅到深为相关系数通过90%、95%和99%的 Fig. 6 Correlation of 850 hPa wind(vectors)and relative humidity(shading)averaged in November-December with Niño3.4 index in November-December during 1980—2014(a).(b)Same as(a)but for 500hPa vertical velocity. Vectors in(a)indicate the correlation coefficient of zonal or meridional wind above 90% confidence level,shading from light to heavy are for 90%,95%,and 99% confidence level,respectively.
5 1982和1997年冬季El Niño时华北地区的气象环境条件

为了进一步证明El Niño事件对华北地区雾霾天气的可能影响,本节分析历史上另外两次超强El Niño事件所对应的大气环境情况.1982—1983年的El Niño事件是在1982年12月—1983年1月达到峰值,而1997—1998年的El Niño事件是在1997年11—12月达到峰值(图 1b),为了便于与2015年情况的比较,我们统一对比分析1982年11—12月和1997年11—12月的大尺度环流背景及气象环境条件.

1982年11—12月,500 hPa欧亚中高纬呈北高南低异常型,我国大部地区为高度场负距平控制,但中纬度115°E以东及日本上空仍为高度场正距平,反映东亚大槽的强度较常年同期明显偏弱(图 7a).在对流层低层,菲律宾附近为异常反气旋环流,我国东部黄河以南地区为西南风距平控制,水汽向北输送条件好,部分地区相对湿度偏大5%~10%(图 8a).与之类似,1997年11—12月,500 hPa欧亚中高纬为西低东高异常型,乌拉尔山高压脊和东亚大槽均显著偏弱,而西北太平洋副热带高压偏强、偏西,东亚及北太平洋为高度场正距平,东亚大槽也明显偏弱(图 7b).在对流层低层,菲律宾附近也为异常反气旋环流控制,其西侧的西南风较1982年同期还要偏强,导致我国中东部大部地区都为偏南风距平控制,水汽条件也明显好于1982年同期,使华北南部至华南大部的相对湿度都偏大10%~15%(图 8b).

图 7 1982年(a)和1997年(b)11—12月平均500 hPa高度场(等值线)及距平场(阴影),红色等值线表示气候平均5860和5880 gpm等值线(单位:gpm) Fig. 7 500 hPa geopotential height(contours)and anomalies(shading)averaged in November and December for 1982(a)and 1997(b),with red contours for climate mean 5860 and 5880 gpm contours(unit: gpm)
图 8 1982年(a)和1997年(b)11—12月平均850 hPa矢量风(单位:m·s-1)和相对湿度(阴影区,单位:%)距平场 Fig. 8 850 hPa wind anomalies(vectors,unit: m·s-1)and relative humidity anomalies(shading,unit:%)averaged in November and December for 1982(a)and 1997(b)

2015年11—12月的大尺度环流(图 3)与1982和1997年同期相比较可以发现,这三年相类似的大气环流异常都反映了超强El Niño事件对东亚大气环流影响的典型特征:东亚大槽偏弱、乌拉尔山高压脊偏弱、菲律宾附近异常反气旋环流、我国东部地区出现偏南风距平,以及大气相对湿度偏大等.这再次说明,在典型超强El Niño年冬季,东亚冬季风易偏弱,我国东部大部地区北风风速偏小、而大气相对湿度偏大,这些都为雾霾天气的发生发展提供了有利的气候背景条件.

进一步分析华北地区各气象要素的逐日演变,图 9给出了1000 hPa与925 hPa温度差的逐日演变,可以看到1982年11—12月大气对流层底层有多次逆温发展的过程(图 9a).持续时间不长,只是11月11—12日、11月29日—12月1日以及12月18—20日这三次过程持续2—3天,1000 hPa与925 hPa的温差也明显低于2 ℃.与大气逆温持续发展的同时,K指数也明显下降(图 10a),且K指数多数时间低于气候平均的情况,说明大气层结稳定度较常年偏强.在上述几次逆温层发展的过程中,影响华北地区的冷空气活动都较弱,地面风速接近零值或为南风,地面气温缓慢上升,垂直方向上也主要是弱的下沉运动或风速接近零(图略),这表明若有污染物排放,其在水平方向和垂直方向的大气扩散条件都很差,有利于雾霾天气的发生和加剧.

图 9 1982年(a)和1997年(b)11—12月华北地区平均1000 hPa与925 hPa温度差(单位:℃,空心圆)逐日演变(实心圆为气候平均值) Fig. 9 Daily variation of air temperature differences between 1000 hPa and 925 hPa(unit: ℃,open circle)averaged in North China from 1 November to 31 December for 1982(a)and 1997(b),with closed circle for climate mean
图 10 1982年(a)和1997年(b)11—12月华北地区平均K指数(单位:℃,空心圆)逐日演变(实心圆为气候平均值) Fig. 10 Daily variation of K index(unit: ℃,open circle)averaged in North China from 1 November to 31 December 1982(a)and 1997(b),with closed circle for climate mean

1997年11—12月也有多次逆温发展的过程(图 9b),主要在11月初、11月中下旬、12月中下旬等,基本持续2天以上,其中最后一次过程12月12—24日的持续时间最长,1000 hPa与925 hPa的温度差也持续下降并接近0 ℃,说明大气环流维持较长时间的静稳形势.与此同时,K指数在1997年11—12月多数时间低于气候平均值,大气层结稳定日数占总日数的50%以上.尤其在逆温层发展最显著的过程中(12月12—24日),K指数也持续低于气候平均值,表明大气层持续处于层结稳定的状态(图 10b),有利于雾霾天气的发生.这几次过程中,影响华北地区的冷空气活动也较弱,气温表现为缓慢上升趋势,水平风速和垂直风速也都明显偏小(图略),污染物扩散条件差.

然而,必须特别说明的是,上面的分析仅指出了雾霾天气频发的可能气象环境条件,而雾霾天气频发的最根本源头还是污染物排放,包括工业和生活燃煤、水泥和石化产业的排放,以及汽车尾气的污染等等.虽然1982年和1997年冬季在超强El Niño事件的强迫影响下,中国东部特别是华北地区存在着与2015年11—12月相类似的大气环境条件,但由于1982年和1997年中国社会的发展进程远不及当前,工业和交通的发展还处于起步和初期阶段,污染物排放也相对较轻.因此观测资料表明,当时出现霾的日数明显少于2015年,且影响区域也小于2015年.1982年11—12月华北地区霾日数为5—10天,主要分布在北京、河北南部、山西中部和南部,以及河南北部等地(图略);而1997年11—12月华北地区霾日数相对于1982年同期略偏多,尤其山西南部霾日数达到15—20天(图略).但是,由于污染物排放的加剧,2015年11—12月5天以上的霾日数覆盖范围显著增大,包括了我国中东部长江以北大部地区,其中华北南部、黄淮、江淮东部等地等地霾日数都高达15天(图略).相似天气气候背景下,雾霾影响程度加重,主要还是源于污染物排放的加剧.

6 结论

社会快速发展和人类活动导致的大气污染物排放积聚增加是2015年11—12月我国发生的七次大范围、持续雾霾天气过程的罪魁祸首,而静稳的气象环境条件是其最直接原因.本文从气候学角度出发,详细分析了2015年11—12月的大尺度环流异常特征及其可能的外强迫因子,通过个例对比和统计分析进一步指出超强El Niño事件与华北地区冬季雾霾频发的可能联系.

2015年11—12月,El Niño事件发展达到顶峰,同期的东亚大尺度环流表现出了超强El Niño事件强迫影响下的典型异常特征:欧亚中高纬以纬向环流为主,东亚大槽偏弱,东亚冬季风偏弱,冷空气不活跃,菲律宾附近为低层异常反气旋环流,我国华北地区低层风速减小,而相对湿度增大.在这样的大尺度环流背景下,大气层结稳定度居高不下,对流层底层逆温持续发展,大气在水平和垂直两个方向对污染物的扩散能力减弱,污染物吸湿性增长,这些不利的气象环境条件最终导致雾霾天气频发.进一步对历史统计分析及另外两次超强El Niño事件(1982年11—12月和1997年11—12月)同期的大气环流和气象环境要素的个例分析也得到了类似的结论.

在相似的大气环流和气象环境条件下,1982和1997年之所以没有发生严重雾霾天气,是因为那时工业和交通的污染排放还不是很严重.我们也进一步分析了这三年11—12月平均雾日数的分布特征,尽管1982和1997年11—12月的霾日较2015年同期明显偏少,霾的范围也偏小,但是雾日却较2015年同期明显偏多、范围偏大.2015年11—12月,仅我国东部沿海地区有雾日1—3天,而1982年和1997年11—12月,我国中东部大部地区的雾日数都在3天以上,其中1982年西南东部、长江中下游及江南东部、云南南部等地雾日数超过10天,而1997年10天以上的雾日主要分布在华北南部至黄淮西部、长江中下游、西南东部和云南南部等地(图略).由此更进一步证明了超强El Niño事件所导致的大气环流异常为我国中东部雾霾天气的发生发展提供了重要的气候背景条件,超强El Niño事件与我国中东部,尤其华北地区的雾霾天气密切相关,需要引起足够的重视.

参考文献
Cao J J. PM2 5 and the Environment in China (in Chinese).Beijing: Science Press, 2014.
Chan J C L, Li C Y. 2004. The East Asian winter monsoon.//Chang C P.East Asian Monsoon.Singapore:World Scientific Publisher, 54-106.
Che H Z, Zhang X Y, Li Y, et al. 2009. Haze trends over the capital cities of 31 provinces in China, 1981-2005. Theor. Appl. Climatol., 97(3-4): 235-242. DOI:10.1007/s00704-008-0059-8
Chen W. 2002. Impacts of El Niño and La Niña on the cycle of the East Asian winter and summer monsoon. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 26(5): 595-610.
Ding Y H, Liu Y J. 2014. Analysis of long-term variations of fog and haze in China in recent 50 years and their relations with atmospheric humidity. Science China:Earth Sciences, 57(1): 36-46. DOI:10.1007/s11430-013-4792-1
Fu C B, Dan L. 2014. Spatiotemporal characteristics of haze days under heavy pollution over Central and Eastern China during 1960-2010. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 19(2): 219-226.
Gao G. 2008. The climatic characteristics and change of haze days over China during 1961-2005. Acta Geographica Sinica (in Chinese), 63(7): 761-768.
Guan Z Y, Guan Z Y, Cai J X, et al. 2013. Mean climatology and interannual variations of the atmospheric stability of planetary boundary layer in the eastern China during boreal summer. Transactions of Atmospheric Sciences (in Chinese), 36(6): 734-741.
Kistler R, Kalnay E, Collins W, et al. 2001. The NCEP-NCAR 50-year reanalysis:Monthly means CD-ROM and documentation. Bull. Am. Meteor. Soc., 82(2): 247-268. DOI:10.1175/1520-0477(2001)082<0247:TNNYRM>2.3.CO;2
Li C Y. 1988. Frequent strong activities of East Asian trough and the occurrence of El Niño event. Sci. China (Ser. B) (in Chinese), 31(6): 667-674.
Li C Y. 1989. Warmer winter in eastern China and El Niño. Chinese Science Bulletin, 34(21): 1801-1805.
Li C Y. 1990. Interaction between anomalous winter monsoon in East Asia and El Niño events. Adv. Atmos. Sci., 7(1): 36-46. DOI:10.1007/BF02919166
Miao Y C, Zheng Y J, Wang S, et al. 2015. Recent advances in, and future prospects of, research on haze formation over Beijing-Tianjin-Hebei, China. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 20(3): 356-368.
Reynolds R W, Rayner N A, Smith T M, et al. 2002. An improved in situ and satellite SST analysis for climate. J. Climate, 15: 1609-1625. DOI:10.1175/1520-0442(2002)015<1609:AIISAS>2.0.CO;2
Shao X, Zhou B. 2016. Monitoring and diagnosis of the 2015/2016 super El Niño event. Meteor. Mon. (in Chinese), 42(5): 540-547.
Sun Y, Guan Z Y, Ma F H, et al. 2015. Linkage between AOD and surface solar radiation variability in association with East Asian summer monsoon circulation changes:Role of seasonal trends. Transactions of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38(2): 165-174.
Sun Y, Ma Z F, Niu T, et al. 2013. Characteristics of climate change with respect to fog days and haze days in China in the past 40 years. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 18(3): 397-406.
Tao S Y, Zhang Q Y. 1998. Response of the Asian winter and summer monsoon to ENSO events. Chinese J. Atmos. Sci. (in Chinese), 22(4): 399-407.
Wang B, Wu R G, Fu X H. 2000. Pacific-east Asian teleconnection:How does ENSO affect East Asian climate?. J. Climate, 13(9): 1517-1536. DOI:10.1175/1520-0442(2000)013<1517:PEATHD>2.0.CO;2
Wang Y S, Yao L, Wang L L, et al. 2014. Mechanism for the formation of the January 2013 heavy haze pollution episode over central and eastern China. Science China:Earth Sciences, 57(1): 14-25. DOI:10.1007/s11430-013-4773-4
Wang Z F, Li J, Wang Z, et al. 2014. Modeling study of regional severe hazes over Mid-Eastern China in January 2013 and its implications on pollution prevention and control. Science China:Earth Sciences, 57(1): 3-13. DOI:10.1007/s11430-013-4793-0
Wu D, Liao B T, Wu M, et al. 2014. The long-term trend of haze and fog days and the surface layer transport conditions under haze weather in North China. Acta Scientiae Circumstantiae (in Chinese), 34(1): 1-11.
Wu D, Wu X J, Li F, et al. 2010. Temporal and spatial variation of haze during 1951-2005 in Chinese mainland. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 68(5): 680-688.
Wu Z X, Li C Y, Chen B, et al. 1990. A diagnostic analysis of general circulation anomaly during the El Niño process for the winter 1982/83. Journal of Tropical Meteorology (in Chinese)(3): 253-264.
Yuan Y, Gao H, Jia X L, et al. 2016. Influences of the 2014-2016 super El Niño event on climate. Meteor. Mon. (in Chinese), 42(5): 532-539.
Yuan Y, Li C Y, YangS. 2014. Decadal anomalies of winter precipitation over southern China in association with El Niño and La Nina. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 72(2): 237-255.
Zhang G C, Jiao M Y, Li Y X. Techniques and Methods of Contemporary Weather Forecast (in Chinese).Beijing: Meteorological Press, 2007.
Zhang R, Sumi A, Kimoto M. 1996. Impact of El Niño on the East Asian monsoon:A diagnostic study of the'86/87 and'91/92 events. J. Meteor. Soc. Japan, 74(1): 49-62.
Zhang R H, Li Q, Zhang R N. 2014. Meteorological conditions for the persistent severe fog and haze event over eastern China in January 2013. Science China:Earth Sciences, 57(1): 26-35. DOI:10.1007/s11430-013-4774-3
Zhang R H, Sumi A, Kimoto M. 1999. A diagnostic study of the impact of El Niño on the precipitation in China. Adv. Atmos. Sci., 16(2): 229-241. DOI:10.1007/BF02973084
Zhou L T, Tam C Y, Zhou W, et al. 2010. Influence of South China Sea SST and the ENSO on winter rainfall over South China. Adv. Atmos. Sci., 27(4): 832-844. DOI:10.1007/s00376-009-9102-7
Zhou N F, Li F, Rao X Q, et al. 2008. Study on Haze Weather in China during Winter time of 2006. Meteorological Monthly (in Chinese), 34(6): 81-88.
曹军骥. PM25与环境..北京: 科学出版社, 2014.
陈文. 2002. El Niño和La Niña事件对东亚冬、夏季风循环的影响. 大气科学, 26(5): 595–610.
丁一汇, 柳艳菊. 2014. 近50年我国雾和霾的长期变化特征及其与大气湿度的关系. 中国科学:地球科学, 44(1): 37–48.
符传博, 丹利. 2014. 重污染下我国中东部地区1960-2010年霾日数的时空变化特征. 气候与环境研究, 19(2): 219–226.
高歌. 2008. 1961-2005年中国霾日气候特征及变化分析. 地理学报, 63(7): 761–768.
管振宇, 管兆勇, 蔡佳熙, 等. 2013. 华东区域夏季行星边界层大气稳定度的气候特征及其与气溶胶的联系. 大气科学学报, 36(6): 734–741.
李崇银. 1988. 频繁的强东亚大槽活动与El Niño的发生. 中国科学(B辑), 31(6): 667–674.
缪育聪, 郑亦佳, 王姝, 等. 2015. 京津冀地区霾成因机制研究进展与展望. 气候与环境研究, 20(3): 356–368.
邵勰, 周兵. 2016. 2015/2016年超强厄尔尼诺事件气候监测及诊断分析. 气象, 42(5): 540–547.
孙一, 管兆勇, 马奋华, 等. 2015. 夏季东亚地区AOD与地面太阳辐射变化的联系及季风环流异常:季节趋势影响. 大气科学学报, 38(2): 165–174.
孙彧, 马振峰, 牛涛, 等. 2013. 最近40年中国雾日数和霾日数的气候变化特征. 气候与环境研究, 18(3): 397–406.
陶诗言, 张庆云. 1998. 亚洲冬夏季风对ENSO事件的响应. 大气科学, 22(4): 399–407.
王跃思, 姚利, 王莉莉, 等. 2014. 2013年元月我国中东部地区强霾污染成因分析. 中国科学:地球科学, 44(1): 15–26.
王自发, 李杰, 王哲, 等. 2014. 2013年1月我国中东部强霾污染的数值模拟和防控对策. 中国科学:地球科学, 44(1): 3–14.
吴兑, 廖碧婷, 吴蒙, 等. 2014. 环首都圈霾和雾的长期变化特征与典型个例的近地面输送条件. 环境科学学报, 34(1): 1–11.
吴兑, 吴晓京, 李菲, 等. 2010. 1951-2005年中国大陆霾的时空变化. 气象学报, 68(5): 680–688.
吴正贤, 李崇银, 陈彪, 等. 1990. 1982-1983年冬季厄尔尼诺期间大气环流异常的诊断分析. 热带气象学报(3): 253–264.
袁媛, 高辉, 贾小龙, 等. 2016. 2014-2016年超强厄尔尼诺事件的气候影响. 气象, 42(5): 532–539.
袁媛, 李崇银, 杨崧. 2014. 与厄尔尼诺和拉尼娜相联系的中国南方冬季降水的年代际异常特征. 气象学报, 72(2): 237–255.
章国材, 矫梅燕, 李延香. 现代天气预报技术和方法.北京: 气象出版社, 2007.
张人禾, 李强, 张若楠. 2014. 2013年1月中国东部持续性强雾霾天气产生的气象条件分析. 中国科学:地球科学, 44(1): 27–36.
周宁芳, 李峰, 饶晓琴, 等. 2008. 2006年冬半年我国霾天气特征分析. 气象, 34(6): 81–88.