近年来，随着经济快速发展，人口迅速膨胀，城市化进程不断加快，环境污染日益严重，霾天气频发, 空气质量逐渐恶化，引起人们的广泛关注^[1]。根据中国气象局《地面气象观测规范》^[2]，霾是大量极细微的干尘粒等均匀浮游在空中，使水平能见度小于10.0 km的空气普遍浑浊现象。我国针对霾天气的相关研究涉及许多方面^[3-4]，关于霾长期变化特征的研究结果表明：近50年来，我国大部分地区年霾日数呈现明显的增加趋势^[5-6]，从20世纪80年代之后我国霾日数开始迅速上升，到21世纪我国东部大部分地区霾日数几乎都超过100 d^[7]。霾天气主要集中在3个多发区，分别为长江中下游、华北和华南，而我国西部和东北大部分地区年霾日数则以减少趋势为主^[8]。霾天气多发生在冬半年，冬季最多，夏季最少，其中12月是霾天气发生频率最高的月份^[9]。

霾的形成在很大程度上受到人类活动的影响^[10]，但研究表明：霾日数并未单调地随着能源消耗的增加而增加，1980年后表现出明显的年代际变化^[11-12]。霾天气频发除了与污染物排放有关，还受到天气、气候的影响。气象条件如相对湿度、风速等会显著影响局地气溶胶的形成、分布、维持与变化^[13-14]。研究发现，霾日条件下全国年平均相对湿度在1990年前逐渐增加，1990年后开始减小，霾粒子更难向雾滴转化，霾将能维持更长的时间^[15-16]。霾天气的发生频率以及维持时间也受到风力影响，表面风速偏弱不利于霾粒子向区域外输送^[17]，以3.5 m·s^-1为阈值，只有当风速大于这一阈值时，才可能影响大气中气溶胶粒子的含量^[18]。另外，针对1978-2012年中国冬季霾日数的年际、年代际变化与大西洋海温异常之间关系的研究发现，北大西洋夏季至冬季海温异常与冬季霾日数的年际和年代际变化呈显著的正相关关系^[19]。Zhao等^[20]研究发现，中国冬季霾日数与国内生产总值及太平洋10年涛动之间存在线性关系。Feng等^[21]研究发现，太平洋北美型遥相关呈正位相时美国气溶胶浓度明显偏多。

我国学者针对霾天气的研究主要关注点在中国东部区域的冬季霾^[22-25]，而针对秋季霾日数研究鲜见报道，实际上，我国东部秋季霾日数变化也非常显著，因此，本文将重点关注中国东部秋冬两季的霾日数的年代际特征。另外，影响中国东部淮河以南和淮河以北地区的气候系统也有显著差异，这些不同的气象条件，如与霾天气关系密切的近地面风速和相对湿度变化将对中国东部淮河以南和以北两地的秋冬两季霾天气产生怎样不同的影响，值得深入探讨。本文将重点分析比较中国东部淮河以南和淮河以北至华北区域的秋冬两季霾日数以及气象条件的长期变化特征，探讨气象条件对霾天气的影响。

本文所用资料是中国气象局国家气象信息中心提供的1960-2013年全国745个国家基准站的观测资料，包括能见度、相对湿度、气压、气温以及水汽压的每日4个时次资料和天气现象资料，该资料经质量控制。1980年后新执行的《地面气象观测规范》^[2]中，能见度资料由原来的以等级方式记录修改为以千米方式记录。本文对能见度资料进行了一致性处理，将1980-2013年所有能见度资料转换为等级方式^[26]。在研究前，首先筛选出1960-2013年全国连续无缺测的535个站的资料以备进行后续研究。现有的研究对某地区某日是否发生霾天气的判定方法不尽相同，有研究表明：我国气象站观测中对雾和霾的区分较为混乱，并没有统一的标准^[27]。因此，本文并未使用气象站观测霾日数，而是采用国际上较为常用的方法^[28-29]，即利用相对湿度、能见度和天气现象综合判断，以14：00(北京时，下同) 相对湿度小于90%，能见度小于10 km，并排除降水、吹雪、扬沙、沙尘暴和浮尘等影响能见度的天气现象，定义为1个霾日^[30-31]。另外，本文还采用了1961-2013年NCEP/NCAR再分析资料中的逐月风场和温度场 (水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向为17层)。

本文利用经验正交函数分析 (EOF) 研究了中国105°E以东地区霾日数的空间分布以及年代际变化。同时，采用滑动相关研究风速和相对湿度与霾日数之间的关系。

图 1给出了1961-2013年逐月中国霾日数的气候平均态以及标准差的空间分布。近50年中国东部华北以南地区的霾日数明显多于其他地区，同时霾日数的变化相比于其他地区也更为显著，霾天气主要集中在华北、黄淮、江淮、华南等经济发达、人口密集的地区。相对而言，除了1月和12月东北地区东部霾日数偏多外，东北以及西部地区霾日数偏少，霾日数的变化也相对较小。霾日数的这种分布特征与之前的研究结果基本一致^[32]。对比1-12月霾日数的空间分布可以看到，1月、2月、11月、12月霾天气发生的频率较高，其中1月、12月是全年霾日数最多的月份，也是霾日数变化异常显著的月份，而5-8月霾日数相对较少。

图1

图1 1961—2013年中国霾日数的气候平均态 (填色) 及标准差 (等值线，单位：d) Fig.1 The distribution of annually mean haze days (the shaded) and standard deviations (contour, unit:d) in China during 1961-2013

图 2是1961-2013年逐月中国霾日数变化趋势的空间分布，图中填色区为达到0.05显著性水平的区域。由图 2可以看出，近50年中国东部华北以南地区霾日数呈明显的增加趋势，同样的华北、黄淮、江淮、华南等地是霾日数增加最显著的地区。1月、2月、10月、11月和12月即秋冬季节霾日数的变化趋势最为明显。秋季 (9，10，11月)、冬季 (12，1，2月) 霾天气发生较为频繁，变化特征也最为明显。因此，重点讨论秋冬两季我国东部霾日数的长期变化特征。

图2

图2 1961—2013年中国霾日数变化趋势 (达到0.05显著性水平) 的空间分布 (填色) Fig.2 Trend of annual haze days passing the test of 0.05 level in China during 1961-2013(the shaded)

1961-2013年中国105°E以东地区的秋冬两季霾日距平场进行EOF分析，前两个模态的解释方差之和超过55%，很好地反映了该区域霾日数的主要变化特征。图 3给出了秋季和冬季霾日数EOF第1模态、第2模态的空间分布和对应的时间系数，由秋季霾日数分布的第1模态可知，中国东部43°N以南地区与43°N以北东北大部分地区霾日数呈显著的反位相变化，对应的时间系数呈不断上升趋势，即43°N以南区域霾日数不断增加，而43°N以北的区域秋季霾日数持续减少，这与前文分析中提到的中国东部从华南到华北地区霾日数呈明显的增加趋势，而东北大部分地区霾日数呈减少趋势一致，这也与之前的研究得到的结果相似^[33]。第2模态的空间分布大概以32°N为界呈南北反位相变化，对应的时间系数在20世纪60-70年代为负值区，1980-2000年为正值区，之后又变为负值，说明近10年32°N以南秋季霾日数增加，而32°N以北霾日数表现出减小的趋势。由冬季霾日数的EOF分解可以看到，冬季霾日数第1模态的空间分布和对应的时间系数与秋季表现出相似的变化特征。第2模态空间场表现为南北相反的变化趋势，其对应的时间系数在1970年前为负值，其后开始上升，1980年前后达到峰值后，在1995年前后减小为负值。说明29°N以北的大部分区域冬季霾日数在1970年前后开始增加，但在1995年后又呈减小趋势。

图3

图3 1961—2013年中国年霾日数秋冬两季EOF分析 (a) 秋季第1模态空间分布，(b) 秋季第1模态对应的时间系数，(c) 秋季第2模态空间分布，(d) 秋季第2模态对应的时间系数，(e) 冬季第1模态空间分布，(f) 冬季第1模态对应的时间系数，(g) 冬季第2模态空间分布，(h) 冬季第2模态对应的时间系数 Fig.3 The EOF analysis of haze days in autumn and winter during 1961-2013 (a) the spatial distribution of the first characteristic vector in autumn, (b) the temporal variation of the first characteristic vector in autumn, (c) the spatial distribution of the second characteristic vector in autumn, (d) the temporal variation of the second characteristic vector in autumn, (e) the spatial distribution of the first characteristic vector in winter, (f) the temporal variation of the first characteristic vector in winter, (g) the spatial distribution of the second characteristic vector in winter, (h) the temporal variation of the second characteristic vector in winter

由EOF第1模态可以看到，43°N以南区域秋冬两季呈一致的正值分布，表明该区域霾天气在空间上具有很好的一致性，这可能与排放增加有密切关系，第2模态的空间分布中，秋季32°N以南和以北具有相反的位相变化，冬季也存在类似的南北反位相变化特征，南北分界线在29°N附近，但32°N以北大部分地区与32°N以南大部分地区霾日数基本呈反位相变化，同时考虑到32°N附近淮河流域为冬季北方供暖的分界线，下面重点关注105°E以东、43°N以南区域，对比分析秋冬两季32°N以南和以北地区霾天气发生维持的差异。以32°~43°N，105°~140°E为中国北部区域；15°~32°N，105°~140°E为中国南部区域进行具体研究。

由1961-2013年中国南部和北部秋冬两季标准化霾日数的变化 (图 4) 可以看出，南部秋季霾日数在2005年前呈持续上升趋势，其后这种增加趋势开始减缓。冬季霾日呈不断上升趋势，这种趋势一直持续到2000年后开始变得平稳。北部秋季1970年前霾日数变化较为平缓，其后开始迅速增加，一直到1980年增速减缓，霾日数缓慢增加。冬季霾日数在1975年后未表现出明显的变化趋势，1995年后霾日数总体小于1980-1995年的霾日数，这与此前各区域各季节霾日数的长期变化特征不同。总体而言，无论是南部地区还是北部地区，秋冬两季霾日数均表现出明显的年代际变化和趋势变化，而秋季霾日数的增加趋势比冬季更为明显。

图4

图4 1961—2013年中国南部及北部秋冬两季标准化霾日数逐年变化 (a) 南部霾日数, (b) 北部霾日数 Fig.4 Time series of normalized haze days over southern and northern China in autumn and winter during 1961-2013 (a) haze days in southern China, (b) haze days in northern China

近地面风通过对气溶胶粒子的搬运作用，影响气溶胶粒子的输送，进而影响霾天气的发生与维持^[34]。对于霾天气而言，近地面风是一个重要的影响因子。图 5给出了1961-2013年中国105°E以东区域秋冬两季的气候态近地面风场。南部秋冬两季主要以东北风为主，北部秋季盛行风向为西南风，冬季则为西北风，依此分析秋冬两季霾日数与盛行风风速之间的21年滑动相关 (图 6)。

图5

图5 1961—2013年秋冬两季气候平均态近地面风场 (a) 秋季风场, (b) 冬季风场 Fig.5 Climatological surface horizontal wind in autumn and winter during 1961-2013 (a) wind in autumn, (b) wind in winter

图6

图6 1961—2013年中国南部及北部秋冬两季霾日数与近地面风速的21年滑动相关系数 Fig.6 21-year sliding correlation coefficients between haze days and surface wind speed over southern and northern China in autumn and winter during 1961-2013

南部秋季霾日数与东风风速之间的相关关系有两个明显不同的阶段，20世纪90年代前秋季霾日数与东风风速呈显著负相关，即东风风速越小，霾日数越多，1990年后两者的相关关系变得不明显。霾日数与北风风速之间的相关未通过显著性检验，即1990年前，南部秋季霾天气的发生可能受到东风变化的影响。进一步分析1961-2013年东风风速的逐年变化 (图 7) 可以发现，东风风速在1990年前呈减小趋势。南部冬季在东北风控制下，1985年前霾日数与东风风速和北风风速之间的负相关异常显著，而东风风速和北风风速在1985年前持续减小 (图 7)。表明1961-1985年南部冬季霾日数的变化可能受到东北风风速变化的影响，即东北风风速越小，霾日数越多。北部秋季主要受西南风影响，霾日数与西风风速之间的相关关系并不显著，霾日数与南风风速在1985年前呈显著负相关，其后相关不再显著，1985年前霾天气的发生可能与南风风速的变化有关，南风风速在1985年前不断减小，霾日数持续增加。北部冬季主要受西北风影响，霾日数与西风风速和北风风速之间的相关关系在大多数年份并未通过显著性检验，该区域冬季霾日数的长期变化趋势与地表盛行风风速变化没有明显关系。

图7

图7 1961—2013年中国南部及北部秋冬两季近地面风速的时间演变曲线 Fig.7 Time series of surface wind speed over southern and northern China in autumn and winter during 1961-2013

在大气不同湿度条件下，霾粒子与雾滴可以相互转化，当相对湿度接近饱和时，霾粒子吸湿增长转化为雾滴，大气水汽含量的多少影响着霾粒子与雾滴之间的转化，因此，大气湿度对霾天气的发生和维持时间有重要影响，相对湿度的变化是影响霾粒子在大气中存留时间的重要因素之一。图 8给出了1961-2013年中国南部和北部的比湿、饱和比湿和相对湿度的时间演变曲线。可以看到，南部秋季和北部冬季比湿1997年前后开始略有下降趋势，南部和北部秋冬两季的比湿没有明显变化。中国东部秋冬两季饱和比湿均呈增加趋势。饱和比湿的增加与全球变暖有关，根据克拉伯龙-克劳修斯方程，近地表温度升高，则饱和比湿增加。南部秋季相对湿度在1980年前处于相对平稳的状态，1980年后开始出现下降趋势，至今降低到56%左右。南部冬季相对湿度的变化趋势与秋季变化趋势相似，1997年开始下降，但下降趋势较秋季平缓。北部秋季相对湿度在近30年的变化趋于平缓，并没有明显的变化趋势。北部冬季相对湿度在1997年后开始下降。这表明近20年中国东部秋冬两季相对湿度总体呈不断减少趋势。

图8

图8 1961—2013年中国南部及北部秋冬两季比湿、饱和比湿及相对湿度的时间演变曲线 Fig.8 Time series of specific humidity, saturation specific humidity and relative humidity over southern and northern China in autumn and winter during 1961-2013

图 9给出了1961-2013年霾日数与相对湿度的21年滑动相关系数。由图 9可以看到，南部秋季1995年前霾日数与相对湿度之间的相关关系并不明显，90年代后期两者呈显著负相关，即伴随着相对湿度下降，霾天气频发。同样冬季90年代后，霾日数与相对湿度也呈显著负相关。即南部秋冬两季，90年代后霾日数变化与相对湿度的变化有关，即相对湿度减小，霾日数增加。北部秋季霾日数与相对湿度间的相关关系并未通过显著性检验，1980年后冬季霾日数与相对湿度则呈显著正相关，相对湿度1997年开始减小，霾日数在1997-2013年呈缓慢减小趋势，这种相关关系与南部区域完全不同。

图9

图9 1961—2013年南部及北部秋冬两季相对湿度与霾日数的21年滑动相关系数 Fig.9 21-year sliding correlation coefficients between haze days and relative humidity over southern and northern China in autumn and winter during 1961-2013

研究表明：

1) 近50年来，中国东部43°N以南地区霾日数最多，尤其是华北、江淮、黄淮、华南等经济发达地区霾日数明显多于其他区域，同时这些区域霾日数呈明显的增加趋势。我国东北及西部大部分地区霾日数较少。1月、12月是全年霾天气发生最频繁、变化趋势也最明显的月份。秋冬两季霾日数的EOF第1模态在105°E以东、43°N以南区域表现出一致的增加趋势，第2模态的空间分布呈南北反位相的特征。

2) 中国东部32°N以南的南部区域秋冬两季霾日数表现出持续增加趋势，这种趋势在21世纪变得平缓。而32°N以北的北部区域秋冬两季霾日数增加趋势相对较为平缓，其中北部冬季霾日数在2000年后出现弱的下降趋势。

3) 霾日数的变化与近地面风和大气相对湿度关系密切。20世纪90年代前，霾日数与盛行风速呈显著负相关，风速减小，霾日数增多。南部秋季霾天气的发生维持可能是受到东风变化的影响，冬季霾日数的变化可能受到东北风风速的影响。北部秋季霾天气的发生可能与南风风速的变化有关，冬季霾日数与盛行风速之间没有明显的相关关系。

4) 随着表面风速的持续减弱，20世纪90年代后霾日数的变化与表面风速的关系减弱，而与相对湿度变化关系密切。南部秋冬两季霾日数与相对湿度呈显著负相关，相对湿度不断减小，霾日数不断增加。北部秋季霾日数与相对湿度之间的关系未通过显著性检验，冬季霾日数与相对湿度呈正相关，相对湿度减小，霾日数在2000-2013年减少。

因此，表面风速和相对湿度对中国霾日的影响具有年代际变化特征，不同年代两者相对重要性有差异。