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Theor Appl Climatol (2018) 132:1117–1127

DOI 10.1007/s00704-017-2137-2

东亚夏季风可能与中国东部雾霾多发地区的变化有关

Qian Liu1 amp; Ziqi Cao1 amp; Lifang Sheng2,3 amp; Yina Diao2 amp; Wencai Wang1,2 amp; Yang Zhou1,2 amp; Jingyi Qiu1

摘要：近年来，人们猜测夏季风会对中国的雾霾天气产生影响，但具体过程尚不清楚。在目前的研究中,我们发现雾霾频发地区多处于中国东部，特别是在北方夏季(5月至9月)期间,雾霾频发区的分布与亚热带季风辐合带的运动相吻合(以下简称“辐合带”)。进一步研究表明，辐合带通过改变区域大气条件来调节雾霾多发地区的空间分布。当温暖湿润的夏季季风气团向北推进并与冷空气相遇时，形成锋区(即辐合带)。暖湿空气沿锋面的上升增强了锋前的大气稳定性，而冷干空气的下沉则减弱了同一位置的垂直扩散。这些过程导致沿辐合带的雾霾分布不对称。根据绝对稳定性和下降气流准则，这些有利于雾霾的大气条件能够识别57-79%的雾霾多发站点，预测准确率为61-71%。考虑空气污染物对雾霾发生的影响后，预测精度将提高到78-79%。我们的研究揭示了当地雾霾天气现象与区域大气条件和大尺度环流之间的联系，并论证了夏季风如何影响中国东部雾霾分布的一种可能机制。

1引言

霾和雾是由大气粒子悬浮空中引起的水平能见度降低的现象(世界气象组织2014)。在过去的30年里，东亚雾霾事件的频率迅速增加，使其成为世界上污染最严重的地区之一(Reuter et al. 2014;(Wang et al. 2009)，引起了学术界的极大关注。虽然雾霾事件多归因于空气污染(Zhang et al. 2012)，但气象因素也起着重要作用(Zhang et al. 2013;Zhu et al. 2012)。季风引起的环流变化改变了大气条件，如水汽输送、大气稳定度和大规模的大气运动，这极大地影响了降水、大风和地表温度的月变化(Hoyos和Webster 2007;1996;Xu et al. 2006)。这表明季风也可能影响与雾霾有关的区域环境特征。

近期研究表明，雾霾的时空变化与冬季季风有关(Gao and Li 2015;Niu et al,2010;Li et al. 2016)。东亚冬季风与雾霾频率呈负相关，冬季风越强，雾霾天数越少(Li et al. 2016; Jia et al.2015;Qu et al. 2015;Zhang et al. 2016)。因此，冬季季风的长期减弱被认为是冬季雾霾增加的原因(Niu et al. 2010)。然而，在夏季，有时候当雾霾天数(NHD)接近传统的严重雾霾季节(冬季)时，却很少有迹象表明两者之间的关系(Cao et al. 2015;Tao et al. 2016)。大量的研究调查了东亚夏季风和气溶胶浓度之间的关系,从这些研究可以看出,相比于冬天，夏季季风可能导致表层气溶胶浓度减少50 - 70%,,气溶胶浓度与夏季季风的强度有很强的负相关(Cheng et al . 2016;Wu et al. 2016;Zhang et al. 2010;Zhu et al. 2012)。这些研究讨论了气溶胶浓度对大规模季风环流的响应;然而，季风系统和雾霾现象在不同的尺度上运行。特别是季风系统比雾霾现象在更大的空间范围内活动。此外，季风强度通常由远离中国东部的大气变量定义，这意味着季风环流变化如何影响雾霾分布的详细过程尚不清楚。

本研究旨在通过对中国东部这一受季风活动影响较大、经常发生严重雾霾事件的地区的研究来解决这一问题。由于我国东部地区雾霾分布不均匀，我们主要集中关注重雾地区，旨在识别直接影响雾霾分布的天气尺度天气系统及其主要物理过程。同时考虑了人为排放的影响，利用污染物浓度来提高气象因子对雾霾分布影响的预测精度。本文的研究结果为区域夏季雾霾预报提供了一种新的方法。

2数据与方法

地面水平能见度(v)分析为雾霾调查提供了一个框架。根据中国气象局(CMA) (CMA 2007)，导致低能见度(v lt;10公里)的现象可以是雾或霾。我们使用的数据来自在中国东部(105°-125°E;20°-40°N)的235个气象站,每个气象站观察每天四次 (分别是02:00, 08:00, 14:00, 和20:00LT)。用于识别雾霾事件的地面水平能见度数据来自于CMA全球每小时地面天气数据集：http://data.cma.cn/en(可从国家气候数据中心集成地面数据库免费获得http://www.ncdc.noaa.gov/isd)， 数据时间跨度从2001年5月至2012年9月。

根据WMO(2014)和CMA(2007)，霾和雾是不同的天气现象。尽管存在差异，但霾和雾都降低了水平能见度，霾和雾的有利气象条件基本相同。同时，无论是通过实时观测还是通过分析方法，都很难将它们彼此区分开来。因此，在本研究中，我们将霾与雾结合起来，作为雾霾来分析气象因素的影响。关于这方面的详细讨论可以在支助资料中被找到(Text S1)。

计算雾霾日数的方法主要有三种:单值法、日均值法和14:00 (LT)矩法。本研究采用美国东部时间02:00、08:00、14:00和20:00观测到的日平均能见度，以反映更广泛、更持久的雾霾过程(Wu et al. 2014)。雾霾日是指日平均能见度小于10公里的日子。此外，在计算NHD时，不包括雨天、下雪天、沙地和沙尘暴(Doyle和Dorling 2002)。为了确保所有手段和累计值是有意义的,被处理的数据要满足以下两条规则:选择站的数据要求(i)覆盖从2001年到2012年的所有夏季(5月至9月),(ii)每个月至少有5天有效的的日平均能见度。

为了确定季风环流的变化,我们使用一个全球大气再分析数据集,ERA-Interim,空间分辨率为0.5°times;0.5°,以月为计算的时间步长和6小时间隔的时间步长(Dee et al . 2011),时间段从2001年5月至2012年9月。ERA-Interim数据来自欧洲中期天气预报中心的网站http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily。

利用对流层中NO₂(2003-2011)和SO₂(2004-2011)的柱状数据来近似表示污染物的排放(Reuter et al. 2014)。这些数据来自www.temis.nl的TEMIS项目，该项目是欧洲航天局数据用户方案的一部分。所使用的对流层污染物柱来自于倾斜柱NO₂上SCIAMACHY传感器的卫星观测，该传感器采用DOAS技术和KNMI联合建模/检索/同化方法进行检索(Boersma et al. 2004)。

3结果

3.1霾区的经向摆动及夏季季风的相关变化

2001-2012年北方夏季NHD的分布存在明显的空间变化振荡(图1)。雾霾区域的经向摆动是振荡的主要特征:5月份雾霾区域较6月份北移收缩，7、8月份达到其最北端位置，9月份再次扩展至整个华东地区。在气溶胶的分布中也发现了类似的振荡(Zhang et al. 2010)。在此，我们按NHD的定义，把易受雾霾影响的气象站定义为每月达到雾霾级别的低能见度的日数超过5天，包括17-20%的气象站。在雾霾频发的站点，这种摆动发生得更明显(表1)。雾霾频发区域的范围(HPA)可以通过质量中心的位置和等效半径相结合被确定。6 - 8月的波动幅度在HPA的南缘的变化比北缘的变化更大。这说明NHD的空间变化受南部环流系统的影响，而南部环流系统极有可能是东亚夏季风。

图1 2001-2012年5月至9月(a-e)雾霾在中国东部的范围变化

每月NHD的空间分布显示，每个圆代表一个站，其颜色对应于刻度条所示的NHD

中国东部夏季风的活动可以归结为环流变化引起的季风系统的推进和后退，该地区大气的月变化大多与这些过程有关。研究人员使用不同的方法来识别季风(Wang et al. 2004)。在对低层风场分析的基础上，多采用西风强或南风强作为判据。也有一些学者选择的热力学特征夏季季风作为他们的标准,在这些标准中，假相当位温(theta;se)等值线通常是用来识别季风的范围(Lianet al . 2007)。在这项研究中,我们使用了风场和在850 hPa的theta;se去识别季风,强劲的南风(gt; 2 m / s)和高theta;se (gt; 346 K)被认为是作为夏季风的重要特征。季风对中国东部的影响在5月和9月是有限的(Wang and LinHo 2002);同时，雾霾多发站在这五个月中分布最为分散(图2a, e)。从6月到8月，季风和HPA呈现相似的移动趋势，HPA始终位于受季风影响地区的北部(图2b-d)。因此，可以合理地假设季风对我国东部雾霾的影响主要在这3个月发生。

然而，雾霾并不是一种纯粹的自然天气现象;人为排放对其也有显著影响(Zhang et al. 2013)。为了探索空气污染的影响，我们得出污染物浓度、夏季NO₂和SO₂浓度的月平均分布如图3所示。大气污染物的平均浓度呈现月变化，其中7月和8月的浓度略低于其他月份。NO₂和SO₂浓度在每个月的空间分布相似，因此下面用NO₂表示空气污染物。从NO₂浓度分布(图3a-e)可以看出，华北和扬淮地区是污染最严重的地区。四川盆地和珠江三角洲的二氧化氮浓度也较高，东北地区的空气污染物浓度远高于南方。大气污染物的空间分布与盛夏(6 - 8月)雾霾事件的空间分布基本吻合，证实了污染物在雾霾事件中的重要作用。然而，高NO₂浓度区域的位置在整个夏季是稳定的，这反映了短时间内污染物排放量相对稳定的特点。这不同于HPA的变化。此外，一些高浓度地区(四川盆地和珠江三角洲)不包括在HPA中。大气污染物或排放源似乎不能充分解释雾霾的空间分布和变化，尤其是HPA的变化。

图2 从5月到9月(a-e)，易受雾霾影响的气象站和多年平均季风环流。

季风环流是由850 - hpa风(向量)和theta;se(彩色着色);雾霾多发区位用红圈表示

图3 夏季NO2和SO2浓度:(a-e)对流层NO2月浓度浓度(彩色着色);

(f-j)对流层SO2月浓度(颜色的阴影)

3.2雾霾区与辐合带的配置

由于高NHD值通常是由几个严重的雾霾过程造成的，月平均结果会混淆雾霾发生的真实天气系统和大气环境。因此,为了明晰雾霾发生时天气系统的影响,我们使用以下方法选择每个月的前30个NHD值的日期:统计2001年至2012年每一天、每一个月的雾霾站数量,按日期降序排列。然后选择前30个日期作为严重雾霾病例(表S1)。在这些日子里，分别在六月、七月和八月，至少有38个、34个及34个气象站出现雾霾天气。然后，我们合成了这30个月NHD的风场、气温、相对湿度和经向分布。图4显示了纬向(110°- 120°E)平均 纬度-气压等这些变量的关系。6月,南部边缘HPA大约在27°N附近,在这里会有辐合风和空气温度的水平梯度。此外，该地区850 hPa上存在湿带。7月和8月,南方HPA边缘移动到31°N。相关的风向辐合不明显，但气温梯度(图S1)和湿区仍然存在。风的辐合和气温的水平梯度共同表明辐合带的存在(Ding和Chan 2005)。

因为6月份才出现明显的风向相关辐合，所以近地表气温水平梯度可作为估算辐合带位置的合适判据。计算表明在HPA的南部边缘的空气水平温度梯度大于 minus;0.4°C/纬度(图S1)。除了风和气温，湿度也随着季风的移动而变化。我们发现850 hPa的相对湿度超过明显温度梯度区80%以上，所以我们增加了一个额外的判据。因此,融合带估计发生在有大于minus;0.4°C /度的空气水平温度梯度以及850 hPa上相对湿度超过80%的网格点上。利用这些准则，基于30个案例的统计，得出图5为辐合带的概率空间分布。辐合带主要位于HPA的

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