气溶胶粒子对大气辐射传输和水循环均有重要的影响(罗云峰等，1998).气溶胶对气候变化、云的形成、能见度的改变、环境质量变化、大气微量成分的循环及人类健康有着重要影响.工业化以来，人类活动直接向大气排放大量粒子和污染气体，污染气体通过非均相化学反应亦可转化形成气溶胶粒子.1999年欧美科学家发现，在亚洲南部上空经常笼罩着一层3 km厚的棕色气溶胶云，并称其为亚洲棕色云(Ramanathan et al., 2002)，也将其称为灰霾天气(吴兑等， 2006a，2006b，2007，2012；Wu et al., 2005，2009.)，其组成主要包括：黑碳、粉尘、硫酸盐、铵盐、硝酸盐、有机碳等，后来发现各大洲都存在类似现象，因而又将其称为大气棕色云.气溶胶因其重要的环境效应问题：大气污染，而令人广泛关注.大气污染也是当前大多数发展中国家在城市化、工业化过程中普遍面临的一个难题.Schichtel 和Doyle曾分别分析了美国和英国霾与能见度的长期变化趋势(Schichtel et al., 2001；Doyle et al., 2002).环首都圈的京津冀晋(图 1)作为近30年全球经济发展最快的地区之一，也是国内气溶胶导致大气污染相当严重的区域之一.这里聚集了北京、天津、唐山、石家庄、太原这样拥有数百万以上人口的国际化城市和几十个人口在几十万左右的中等城市，在大量土地被工业化利用、植被减少、交通工具迅猛增加、乡镇企业工厂蓬勃发展的情况下，这一地区频繁发生的大气污染事件已经引起政府和公众的广泛关注.尤其是2011年入秋之后，连续两年出现了严重的霾天气过程.空气污染不仅对居民的身体健康构成威胁，而且导致的能见度下降也给城市经济活动和市民生活带来显著影响，并使一个地区或城市的景观给人以很负面的形象，高频多发的恶劣能见度事件对其有非常不利的影响，当地政府也将面临改善空气质量、美化城市景观的艰巨任务.而进行环境影响因子和合理的改善措施建议的研究关系到京津冀晋整个地区城市群的协调、可持续发展.

图 1(Fig. 1)

图 1 环首都圈京津冀晋示意图 Fig. 1 The sketch map of Beijing-Tianjin-Hebei-Shanxi region around the capital circle

在京津冀地区有大量关于与气溶胶相关联的区域污染的研究成果(徐祥德等，2002；郝吉明等，2005；张远航等，1998；贺克斌等，2009；王自发等，2008；胡敏等，2005；王跃思等，2002；朱彤等，2010；葛茂发等，2009；牟玉静等，2003；柴发合等，2006；张仁健等，2003；邵敏等，2005；张小曳等，2012；张小玲等，2010；刘伟东等，2010；赵普生等，2012；赵秀娟等，2013)，尤其是任阵海在分析北京地区重污染形势的形成原因时明确指出了太行山与燕山对颗粒物污染的聚集作用(任阵海等，2004).苏福庆等认为太行山前西南风是北京边界层外来污染物的输送通道之一(苏福庆等，2004).徐祥德认为，北京地区污染的来源不仅有本地排放源，而且周边地区(河北、山西、天津、唐山等)也有相当的影响，北京市及其周边地区大气污染物迁移、转化、扩散影响及其总体效应，是调控首都经济圈区域环境空气质量水平的“瓶颈”问题(徐祥德等， 2002，2004).朱凌云(2007)通过数值试验也得到了山西排放的气溶胶可以影响北京的结果.但未见该地区20年以上颗粒物污染长期变化趋势的分析，对于典型个例的近地层输送特征也需要使用新工具进一步深入分析.为了解过去60年该区域霾和雾的长期变化特征，本文使用环首都圈京津冀晋长期的能见度等气象资料分析其长期变化趋势，讨论能见度恶化的原因.亦使用时间空间矢量和工具分析了典型个例的近地层输送特征.

本文主要使用了环首都圈京津冀晋气象台站1954—2012年的能见度、相对湿度、天气现象资料，原始资料是每天4时次(夜间守班站)或者3时次(夜间不守班站)和2013年1月518个稠密自动气象站的风向与风速资料.

定义当日均能见度小于10 km，日均相对湿度小于90%，并排除降水等其它能导致低能见度事件的情况为一个出现霾的日子；日均能见度小于10 km，日均相对湿度大于90%，并排除降水等其它能导致低能见度事件的情况为一个出现轻雾(雾)的日子(Schichtel et al., 2001；Doyle et al., 2002；吴兑， 2005；2006；2008a；2008b).

本文对近地层风求一定范围一段时间内的矢量和，是为了更清晰的了解一段时间内环首都圈近地层空气流动的总合效果，从而更为直观的分析近地层风对霾天气的影响.近地层风的矢量和分布图是一定范围n个小时风的矢量和分布，其具体方法是，首先分别对自动气象站逐时风资料进行客观分析，即先把逐时u、v分量的原始资料经客观分析插值到网格点上，其中，客观分析采用了Cressman逐步订正法，分析范围是109.0°E~120.0°E，33.0°N~ 43.0°N，网格大小为0.05°×0.05°经纬度.分析过程中风场资料经过了基本的资料预处理，去除野点后再分别对每个网格点上的逐时u、v资料按照吴兑的方案5点求和作为每个格点上周围小区域内的水平空间矢量和，最后把每个网格点上n个小时的水平空间矢量和再进行加和，成为风的n小时累积水平空间矢量和.矢量和分布图中的每一个风矢代表了n个小时大约60 km²范围内空气流动的总合效果(吴兑等，2008).

风的矢量和分布图与风的平均流场图的物理意义不同.风的n小时累积水平空间矢量和分布图表示小区域某段时间内当地空气流动的累积效应，而风的平均流场图表示的是某段时间内空气流动的平均情况.

图 2为环首都圈京津冀晋过去60余年霾日的区域分布图，可以看到，在1950—1960年代，区域内霾日非常少，1970年代开始增多，1980年代以后明显增多，并形成几个霾日集中区，比较明显的是邯郸-邢台-石家庄-保定-北京-天津的带状分布，与任阵海等指出沿太行山东侧的污染带分布相一致(任阵海，2004).还有太原及以南的带状分布，最为严重的情况出现在1996—2000年，2000年以后有一定减少.

图 2(Fig. 2)

图 2 环首都圈京津冀晋4省市不同年代霾日的区域分布图 Fig. 2 Distribution of annual number of haze days in different times over Beijing-Tianjin-Hebei-Shanxi region

图 3是北京过去近60年霾日与雾(轻雾)日的长期变化趋势图，我们看到1950年代霾日比较多，最多达到1年有160 d以上霾日，与同期沙尘天气偏多相关联，这主要与周边地区的扬沙有关，随着在首都周边地区的大规模植树造林，尤其是在西部永定河流域和北部山区及河北、内蒙古的坝上地区的植树造林，以及北京城区道路硬化改造，到1967年，霾日已经减少到1年不足10 d，治理扬沙和浮尘的效果显著；1970年代以后北京的能见度急剧恶化导致霾日迅速增加，到1980年代初增加到220 d以上，一直到1999年前后北京的霾日维持在每年160～200 d左右；2000年以后到北京奥运会前后，霾日持续下降，到2010年霾日仅有56 d，2012年有所反弹，增加到91 d.同期我们看到，雾(轻雾)日在60余年中没有明显的趋势性变化，反映了年季和年代季的气候波动(吴兑等，2010).图 4是北京不同月份霾日和雾(轻雾)日的长期变化特征，一个突出的特点是除去采暖季有较多的霾日外，在盛夏季节霾日也明显多，集中出现在6—9月，尤其是盛夏季节的7—8月，与所谓的桑拿天同期出现，这与全国大部分城市的变化趋势完全不同(吴兑等，2010)，可能与盛夏季节华北平原特殊的边界层结构，和在高湿度背景下气溶胶的吸湿增长使得消光明显增加造成能见度明显恶化有关，值得深入研究.

图 3(Fig. 3)

图 3 北京年霾日与雾(轻雾)日的长期变化 Fig. 3 Long-term variation of the annual number of haze days and fog(mist)days in Beijing

图 4(Fig. 4)

图 4 北京不同月份霾日的长期变化 Fig. 4 Long-term variation of the monthly haze days in Beijing

图 5为环首都圈京津冀晋代表性城市过去60余年霾和雾(轻雾)出现的天数.我们看到，华北北部的张家口和唐山霾日较少，除去个别年份霾日均不超过每年50 d；天津在1980—1990年代霾日较多，最多可达每年250 d以上，本世纪霾日缓慢增 加，近年达到100 d以上，较北京明显偏多；塘沽近10余年的情况与天津类似；太原自1970年代以来，霾日呈稳步增加趋势，近年已经超过每年200 d；保定在1980年代曾经出现霾日峰值，接近每年300 d，近年维持在每年100~150d左右；石家庄霾日自1970年代开始增加，至1990年代末期达到峰值，每年有霾日200余天，本世纪呈下降趋势，2012年霾日不足50 d；邢台霾日也是自1970年代开始增加，1980—2004年长期维持高位振荡，每年霾日超过300余天，而后开始明显下降.以上各地的雾(轻雾)日均没有明显的趋势性变化，反映了年季和年代季的气候波动.总体来看，是华北南部霾日明显多于北部，不同城市之间在趋势上可以看到明显差异，重霾日段出现的年份也不一样，造成这种差异的原因与其所处的地理位置与污染物排放强度都有关系.当然，中长期天气气候背景的波动也会对能见度的变化产生影响，但这个问题非常复杂，研究难度很大.

图 5(Fig. 5)

图 5 典型城市年霾日与雾(轻雾)日的长期变化 Fig. 5 Long-term variation of the annual number of haze days and fog(mist)days in typical cities

以上分析在图 6中也有所体现，而且还发现京津冀晋各个城市的一个突出的特点是除去采暖季有较多的霾日外，在盛夏季节霾日也明显多，集中出现在6—9月，尤其是盛夏季节的7—8月，与所谓的桑拿天同期出现，与前面分析北京的情况类似.

图 6(Fig. 6)

图 6 典型城市月霾日的长期变化(a. 张家口，b. 唐山，c. 天津，d. 塘沽，e. 太原，f. 保定，g. 石家庄，h. 邢台) Fig. 6 Long-term variation of the monthly number of haze days and fog(mist)days in typical cities(a. Zhangjiakou，b. Tangshan，c. Tianjin，d. Tanggu，e. Taiyuan，f. Baoding，g. Shijiazhuang，h. Xingtai)

2013年1月北京霾日数较常年异常偏多，显著特点是连续出现霾的持续过程次数多、持续时间长.1月，北京共出现4次持续时间超过3 d(含3 d)的霾天气过程，持续时间最长的一次过程是1月10—14日，连续5 d出现霾天气，12日最小能见度不足500 m，仅为350 m.从图 7可以看到，北京1月份能见度最差共有3个阶段，即10—14日，18—23日，27—31日.能见度最低仅有200 m，出现于2013年1月29日的02时和05时；其间除31日短暂时间外相对湿度均低于90％，是3个典型的霾天气过程.能见度最高的时段出现于2013年1月1—3日，可以作为清洁对照过程.

图 7(Fig. 7)

图 7 2013年1月北京能见度与相对湿度的时间序列 Fig. 7 The time series of visibility and relative humility in Beijing on January 2013

同期在黄淮海平原、长江三角洲亦出现了严重的霾天气过程.最长的持续近20 d.

利用京津冀晋近地层自动站网的风向风速资料，采用矢量和方法分析2013年1月华北4省区域近地层流场特征.通过图 8三个霾过程和一个清洁过程的矢量和可以看出，霾过程的发生和矢量和的大小存在较为明显的正相关关系.从图 8a到c可看出，10—14日，18—23日，27—31日3个霾过程中，在华北平原均出现明显的气流停滞区，华北4省市大部处于气流停滞区中，区域矢量和很小，不利于空气中污染物的水平扩散，导致1月份华北4省市多次出现持续时间久的严重霾过程.而从图 8d可以看到，该期华北地区冷空气活动比较频繁，1—3日，华北4省市尤其是北京地区受明显的西北气流影响，风矢量和为较一致的偏北方向，72 h区域矢量和较大，尤其在北京小平原风矢量和风速较大，水平扩散条件较好，不利于污染物的积累，较利于污染物的扩散，对应同期能见度较高，空气质量较好.

图 8(Fig. 8)

图 8 霾过程与清洁过程的矢量和(a. 2013年1月10—14日120 h矢量和(霾过程)；b. 2013年1月18—23日144 h矢量和(霾过程)；c. 2013年1月27—31日120 h矢量和(霾过程)；d. 2013年1月1—3日72 h矢量和(清洁过程)) Fig. 8 Sum of wind vectors during haze process and clean process(a. Sum of wind for 120 h on 10—14 January 2013，haze process；b. Sum of wind for 144 h on 18—23 January 2013，haze process；c. Sum of wind for 120 h on 27—31 January 2013，haze process；d. Sum of wind for 72 h on 1—3 January 2013，clean process)

表 1分别具体给出了以上四个过程的区域平均矢量和，可以看到1月1—3日清洁过程的矢量和高达596.53 m · s^-1，为霾过程区域平均矢量和的2.0~2.5倍.

表1(Table 1)

表1 区域平均矢量和 Table 1 Sum of wind vectors for regional average

表1 区域平均矢量和 Table 1 Sum of wind vectors for regional average m · s-1 1—3日 10—14日 18—23日 27—31日 596.53 309.07 232.25 288.86

从图 9中可看出华北4省市区域矢量和与北京能见度的时间变化趋势较为一致，能见度与区域风场矢量和风速呈明显的正相关.图中的虚线处的能见度为10 km，对应区域矢量和日均值为100 m · s^-1左右，说明当华北4省市区域矢量和日均值小于100 m · s^-1时，北京地区较容易出现霾天气过程.

图 9(Fig. 9)

图 9 区域矢量和日均值与北京能见度时间序列图 Fig. 9 The time series of regional averaged daily sum of wind vectors in Beijing

依据2013年1月典型霾天气过程近地层流场，总结了环首都圈霾天气过程的近地层输送概念模型，如图 10所示.

图 10(Fig. 10)

图 10 环首都圈霾天气过程的近地层输送概念模型 Fig. 10 The conceptual model of surface layer transport condition over the capital circle region

京津冀西侧、北侧靠山、东邻渤海，尤其是北京小平原三面环山.太行山、燕山和军都山形成的“弓状山脉”对冷空气活动起到了阻挡和削弱作用，导致山前暖区空气流动性较小形成气流停滞区、污染物和水汽容易聚集从而有利于霾和雾的形成.由于受太行山的阻挡和背风坡气流下沉作用的影响，使得沿北京、保定、石家庄、邢台和邯郸一线的污染物不易扩散，形成一条西南-东北走向的高污染带，华北平原偏南气流的弱辐合作用也加重了北京的污染.山西省的高浓度污染物亦在低空偏南气流输送下沿桑干河河谷和洋河河谷以及滹沱河-拒马河河谷向北京输送，任阵海、徐祥德等在分析周边地区包括山西大气污染物向北京输送时也指出了类似的输送通道(任阵海等，2004；徐祥德，2002；徐祥德等，2004；王自发等，2008；牛仁亮等，2006；苏福庆等，2004；颜鹏等，2002；张志刚等，2004；朱凌云等，2007).河北中南部与山西诸河谷的累积污染带叠加近地层输送流场是造成北京严重霾天气过程的重要原因之一.

此外，在山谷风、城市热岛环流和海陆风环流的共同影响下，环首都圈低层大气环流具有特殊性，因此污染物的输送过程也较复杂，值得进一步深入研究.

1)在1950—1960年代，环首都圈京津冀晋4省市霾日极少，1970年代开始增多，1980年代以后明显增多，并形成几个霾日集中区，比较明显的是邯郸-邢台-石家庄-保定-北京-天津的带状分布，还有太原及以南的带状分布，最为严重的情况出现在1996—2000年，2000年以后有减少趋势.

2)北京1950年代霾日比较多，最多时年霾日有160 d以上，与同期沙尘天气偏多相关联，主要与周边地区的扬沙有关，随着在首都周边地区的大规模植树造林，尤其是在西部永定河流域和北部山区及河北、内蒙古的坝上地区的植树造林，以及北京城区道路硬化改造，到1967年，霾日已经减少到1年不足10 d，治理扬沙和浮尘的效果明显；1970年代中后期北京能见度急剧恶化导致霾日迅速增加，到1980年代初增至220 d以上，到1999年北京的霾日维持在每年160~200 d左右；2000年后到北京奥运会前后，霾日持续下降，到2010年霾日仅有56 d，2012年有所反弹，增加到91 d.

3)北京及华北地区霾日季节分布突出的特点是，除采暖季有较多的霾日外，在盛夏季节霾日也明显偏多，出现在6—9月，尤其是盛夏季节的7—8月，与所谓的桑拿天同期出现.这与全国大部分城市的变化趋势完全不同(吴兑等，2010)，可能与盛夏季节华北平原特殊的边界层结构，造成在高湿度背景下气溶胶的吸湿增长使得消光明显增加导致能见度明显恶化有关.

4)华北地区霾日有南部多于北部的显著特点.北部张家口和唐山霾日较少，除个别年份霾日均不超过每年50 d；天津在1980—1990年代霾日较多，最多可达每年250 d以上，本世纪霾日缓慢增加，近年达到100 d以上，较北京明显偏多；太原自1970年代以来，霾日呈稳步增加趋势，近年已超过每年200 d；保定在1980年代曾经出现霾日峰值，接近每年300 d，近年维持在每年100~150 d左右；石家庄霾日自1970年代开始增加，至1990年代末期达到峰值，每年有霾日200余 d，本世纪呈下降趋势，2012年霾日不足50 d；邢台霾日也是自1970年代开始增加，1980—2004年长期维持高位振荡，每年霾日超过300余天，而后开始明显下降.

5)霾过程的发生和矢量和的大小存在较明显的正相关关系.霾过程中，华北平原均出现明显的气流停滞区，区域矢量和很小，不利于空气中污染物的水平扩散，导致1月份华北4省市多次出现持续时间久的严重霾过程.清洁过程时华北四省市尤其是北京地区受明显的西北气流影响，风矢量和为较一致的偏北方向，区域矢量和较大，尤其在北京小平原风矢量和明显较大，水平扩散条件较好，不利于污染物的积累，对应同期能见度较高，空气质量较好.

6)华北四省市区域风矢量和与北京能见度的时间变化趋势相关明显，能见度与区域风矢量和呈明显的正相关.

7)京津冀西、北侧靠山、东邻渤海，尤其是北京小平原三面环山，太行山、燕山和军都山形成的“弓状山脉”对冷空气活动起到阻挡和削弱作用，导致山前暖区空气流动性较小形成气流停滞区，污染物和水汽容易聚集从而有利于霾和雾的形成.由于受太行山的阻挡和背风坡气流下沉作用的影响，使得沿北京、保定、石家庄、邢台和邯郸一线的污染物不易扩散，形成一条西南-东北走向的高污染带，华北平原偏南气流的弱辐合作用也加重了北京的污染.山西省的高浓度污染物亦在低空偏南气流输送下沿桑干河河谷和洋河河谷以及滹沱河-拒马河河谷向北京输送.河北中南部与山西诸河谷的累积污染带叠加近地层输送流场是造成北京严重霾天气过程的重要原因之一.