1961—2017年華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰ψ兓卣骷捌溆绊懸蛩胤治?/h1>
2021-07-05 08:30:04井元元李宏宇張婧許啟慧劉咪咪
熱帶氣象學(xué)報(bào) 2021年2期
井元元，李宏宇，張婧，許啟慧，劉咪咪
（1.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊050021；2.河北省氣候中心，河北 石家莊050021）
1 引 言
在全球氣候變化背景下，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市化進(jìn)程不斷加快，我國(guó)大氣環(huán)境污染形勢(shì)較為嚴(yán)峻，一些經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密集地區(qū)，如長(zhǎng)三角（長(zhǎng)江三角洲）、珠三角（珠江三角洲）、京津冀等城市群的空氣污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重[1-2]。氣象條件對(duì)空氣污染的影響問(wèn)題多年來(lái)一直備受關(guān)注，當(dāng)外界污染物排放量比較穩(wěn)定時(shí)，氣象條件對(duì)空氣污染的程度和影響路徑具有關(guān)鍵性作用[2-4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者將表征空氣污染氣象條件的綜合指標(biāo)作為主要研究方法，徐大海等[5-7]在分析擴(kuò)散矩陣和箱模式的基礎(chǔ)上，提出了表征大氣污染擴(kuò)散能力的大氣通風(fēng)量和大氣環(huán)境容量的分析計(jì)算方法。基于此，有學(xué)者[1-2,8-12]研究了河北、山東、內(nèi)蒙古、浙江、安徽、四川及重慶等地區(qū)大氣環(huán)境容量的氣候變化特征；與之類(lèi)似，國(guó)外學(xué)者[13-14]在研究污染氣象條件的氣候分布特征時(shí)，定義了通風(fēng)系數(shù)（混合層高度內(nèi)風(fēng)速乘以高度的積分）這一概念。
朱蓉等[3]根據(jù)大氣自身運(yùn)動(dòng)對(duì)大氣中污染物的通風(fēng)稀釋和濕清除能力，在大氣通風(fēng)量的基礎(chǔ)上，定義了大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)(ASI)，研究了其氣候特征并在大氣污染預(yù)報(bào)中得以應(yīng)用。已有研究[3-4,15-16]表明，京津冀地區(qū)和內(nèi)蒙古等地大氣自?xún)裟芰Τ曙@著下降趨勢(shì)，全年低自?xún)裟芰θ諗?shù)上升，本世紀(jì)以來(lái)其增幅明顯增加，且低值區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大，氣象條件對(duì)污染物的清除能力變?nèi)?，太行山一線特殊地形下的背風(fēng)區(qū)更是不利于大氣污染物的擴(kuò)散。此外，有學(xué)者[10,17-19]研究表明空氣質(zhì)量與大氣自?xún)裟芰Υ嬖谝欢▽?duì)應(yīng)關(guān)系，如天津、黑龍江等區(qū)域的重污染事件多出現(xiàn)在低大氣自?xún)裟芰r(shí)段。以往對(duì)華北地區(qū)大氣污染特征的研究多拘泥在省域較小空間尺度上，對(duì)華北區(qū)域較大范圍大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的長(zhǎng)期演變規(guī)律研究較少，因此有必要在區(qū)域空間尺度上開(kāi)展分析。
近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量空氣污染與氣象因子關(guān)系的研究。研究結(jié)果表明對(duì)流層低層逆溫、高濕和高溫、穩(wěn)定大氣層結(jié)等氣象條件與中國(guó)東部等地霧霾天氣過(guò)程及其空間分布關(guān)系密切[20-21]，而高溫和低濕、小風(fēng)和強(qiáng)日照等氣象條件對(duì)臭氧濃度影響較大[22-23]。對(duì)于河北地區(qū)，地面風(fēng)速、降水和邊界層高度等天氣和氣象要素是決定其大氣環(huán)境容量的重要?dú)庀笠豙8]。而風(fēng)速減小、小風(fēng)頻率、冷空氣強(qiáng)度、混合層高度下降和城市化進(jìn)程加快等因素均對(duì)大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)下降有重要貢獻(xiàn)[4,15]。
鑒于華北區(qū)域大氣污染事件頻發(fā)，本文利用ASI指數(shù)，系統(tǒng)分析了1961—2017年華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰Φ臅r(shí)空變化特征、年際突變及頻譜差異，結(jié)合ASI的REOF空間載荷場(chǎng)分布特征，將華北區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，并研究了氣象要素與華北區(qū)域及各分區(qū)的可能聯(lián)系；對(duì)于大氣自?xún)裟芰^低的IV區(qū)，選擇近年污染相對(duì)嚴(yán)重的部分城市（石家莊、保定和唐山），對(duì)比給出了ASI與污染氣象條件及不同級(jí)別空氣質(zhì)量天數(shù)占比情況。
2 資料和方法
2.1 資 料
本文中華北區(qū)域包括北京、天津、內(nèi)蒙古、河北和山西，采用中國(guó)氣象局共享網(wǎng)站中華北區(qū)域的80個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站（圖1）1961年1月1日—2017年12月31日的氣象觀測(cè)資料，包括氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、總云量、低云量以及24 h降水量（08時(shí)—08時(shí)，北京時(shí)間，下同)[4]；大西洋年代際振蕩(AMO)指數(shù)源自美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局資料網(wǎng)站（https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/）。城市污染氣象條件（混合層高度、地表通風(fēng)系數(shù)和靜穩(wěn)天氣指數(shù)[24]）及環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)均源于河北省環(huán)境氣象中心。
2.2 方 法
本文基于國(guó)家地面氣象觀測(cè)站資料，利用朱蓉等[3]提出的大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)(ASI)分析華北區(qū)域大氣自身運(yùn)動(dòng)對(duì)大氣中污染物的清除作用，該指數(shù)可以較好地反映出大氣對(duì)污染物清除能力的空間分布特征及變化特點(diǎn)。由于夜間云量觀測(cè)資料的局限性，我們只計(jì)算每日14時(shí)的ASI，其可用來(lái)表征全天大氣對(duì)污染物總體清除能力，計(jì)算公式為[4]：
式中，ASI單位為t/(d?km2)；右式第一項(xiàng)中VE為大氣通風(fēng)量，表征大氣對(duì)污染物的通風(fēng)擴(kuò)散能力；第二項(xiàng)是降水對(duì)大氣污染物的清除能力；n為降水小時(shí)數(shù)，R為小時(shí)降水量，單位為mm/h；S為區(qū)域面積，取100 km2；Cs為污染物濃度，取0.075 mg/m3；π取3.14；本文取1981—2010年的ASI平均值為氣候值[8]。
本文將Mann-Kendall(MK)和滑動(dòng)t(MT)檢驗(yàn)方法相結(jié)合，對(duì)華北區(qū)域全年和四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)分析[8]；基于Morlet小波對(duì)比了全年和四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)頻譜能量分布差異。此外，還將旋轉(zhuǎn)主成分分析(REOF)得到的不同模態(tài)空間場(chǎng)高載荷區(qū)與氣候值空間分布相結(jié)合進(jìn)行區(qū)域劃分。
圖1華北區(qū)域海拔高度（m）及選定氣象站點(diǎn)的空間分布情況
3 結(jié)果分析
3.1 ASI歷年及季節(jié)變化分析
圖2給出1961—2017年華北區(qū)域平均年ASI歷年變化。ASI多年氣候值為4.98 t/(d·km2)，年際變化明顯，于1969年達(dá)最高值，2007年到達(dá)最低值，總體呈顯著減弱趨勢(shì)（通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)），線性趨勢(shì)的減弱速率為0.37 t/(10a·d·km2)；而且年代際差異明顯，ASI于1960年代—1970年代有所增強(qiáng)，之后持續(xù)減弱，其中1970年代到1980年代減弱最明顯，至20世紀(jì)末明顯低于氣候值，21世紀(jì)前10年為近五十幾年以來(lái)最低，僅4.59 t/(d·km2)，2010年以來(lái)呈現(xiàn)出一定增強(qiáng)趨勢(shì)。
圖2 1961—2017年華北區(qū)域平均年大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)歷年變化 單位：t/(d·km2)。
華北區(qū)域ASI月際差異明顯（圖略），整體呈“M型”雙峰分布，峰值出現(xiàn)在4月，高達(dá)6.90 t/(d·km2)，其后逐月降低，直至10月，增加至5.13 t/(d·km2)，1月和12月大氣自?xún)裟芰ο鄬?duì)較低，分別為4.39和4.47 t/(d·km2)。
圖3給出了1961—2017年華北區(qū)域平均四季ASI歷年變化，統(tǒng)計(jì)得出ASI春夏秋冬四個(gè)季節(jié)氣候值分別為6.08、4.97、4.71和4.12 t/(d·km2)；一年中，春季大氣對(duì)污染物總體清除能力最強(qiáng)，冬季最弱，從春到冬大氣自?xún)裟芰χ饾u下降，總體呈現(xiàn)顯著減弱趨勢(shì)（通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)）。春季和冬季線性趨勢(shì)的減弱速率相對(duì)較大，分別為0.41和0.40 t/(10a·d·km2)，秋季和夏季線性趨勢(shì)的減弱速率相對(duì)較小，分別為0.35和0.30 t/(10a·d·km2)。四個(gè)季節(jié)ASI與年ASI呈現(xiàn)出一致的年代際差異，總體均在1970年代到1980年代減弱最明顯，且21世紀(jì)前10年為近五十多年以來(lái)最低。春季和夏季均在1960年代到1970年代為增強(qiáng)趨勢(shì)，之后持續(xù)減弱，夏、秋和冬季大氣自?xún)裟芰?1世紀(jì)10年代初轉(zhuǎn)為增強(qiáng)。隨著改革開(kāi)放和城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐加速，下墊面粗糙度增加，這促使風(fēng)速逐漸降低，加之氣候變暖背景下經(jīng)向環(huán)流的減弱引起了亞洲冬夏季風(fēng)的減弱，而且冬季風(fēng)的減弱趨勢(shì)較夏季風(fēng)更為明顯[16]，因此與上述結(jié)果相一致，冬季的大氣自?xún)裟芰σ渤尸F(xiàn)出和夏季類(lèi)似的減小趨勢(shì)。
圖3 1961—2017年華北區(qū)域平均四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)歷年變化 單位：t/(d·km2)。
3.2 ASI氣候值的空間分布
華北區(qū)域年ASI氣候值空間分布差異明顯（圖4），其與圖1所示的華北區(qū)域海拔高度空間分布，存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1和圖4對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)海拔高度及山脈走向?qū)^(qū)域自然氣候條件有直接影響，其中海拔高度相對(duì)較低的山前平原地區(qū)，包括京津冀大部、內(nèi)蒙古東部和東北部等區(qū)域大氣自?xún)裟芰ο鄬?duì)較低，而海拔高度較高的內(nèi)蒙古中部及山西西北部部分區(qū)域大氣自?xún)裟芰ο鄬?duì)較高。四季ASI氣候值的地理分布特征與年際結(jié)果相類(lèi)似（圖5），京津冀和山西大部、內(nèi)蒙古東北部和中部偏西地區(qū)大氣自?xún)裟芰^低，內(nèi)蒙古中部等其他地區(qū)大氣自?xún)裟芰^高。冬季內(nèi)蒙古地區(qū)大氣自?xún)裟芰p弱明顯，其東北部和中部偏西地區(qū)與京津冀南部污染嚴(yán)重區(qū)域大氣自?xún)裟芰?shù)值相當(dāng)，這可能與上述地區(qū)冬季風(fēng)速的減弱有關(guān)[25]，中部偏西區(qū)域?yàn)楹艉秃铺睾桶^等大城市區(qū)，城市群的聚集會(huì)影響風(fēng)速、混合層高度等大氣擴(kuò)散條件，使得冬季大氣自?xún)裟芰p弱明顯[16]。
圖4 華北區(qū)域年大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)氣候值空間分布 單位：t/(d·km2)。
圖5 華北區(qū)域四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)氣候值空間分布 單位：t/(d·km2)。
1961—2017年華北區(qū)域年和四季ASI線性趨勢(shì)變化速率的空間分布（圖6和圖7）表明，華北區(qū)域大部分地區(qū)大氣自?xún)裟芰Τ曙@著減弱趨勢(shì)（通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)），其中河北東部及西北部、內(nèi)蒙古中部部分站點(diǎn)線性趨勢(shì)的減弱速率超過(guò)0.6 t/(10 a·d·km2)，且季節(jié)變幅存在差異，冬季和春季線性趨勢(shì)的減弱速率最為明顯，夏季和秋季相對(duì)較小。全年有74個(gè)站顯著下降，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的92.5%；春季和秋季下降站點(diǎn)較多，達(dá)73個(gè)，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的91.25%；夏季次之，為72個(gè)，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的90%；冬季為70個(gè)，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的87.5%。
圖6 1961—2017年華北區(qū)域年ASI線性趨勢(shì)變化速率空間分布 單位：t/(10 a·d·km2)。
圖7 1961—2017年華北區(qū)域四季ASI線性趨勢(shì)變化速率空間分布 單位：t/(10a·d·km2)。
3.3 ASI突變檢驗(yàn)及能量譜分析
將MK和MT檢驗(yàn)相結(jié)合，計(jì)算獲得了1961—2017年華北區(qū)域年和四季ASI的年際突變檢驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，秋季MT檢驗(yàn)結(jié)果的峰值年份多為1998年，而MK檢驗(yàn)正反序列的交點(diǎn)出現(xiàn)在1990年代初，這與許啟慧等[8]研究結(jié)果相類(lèi)似；以華北區(qū)域秋季ASI的歷年值MT檢驗(yàn)的峰值年和MK檢驗(yàn)的交點(diǎn)年為界，比較前后序列的多年平均值，結(jié)果表明以1998年為界時(shí)，歷年序列前后多年均值相差最大，這反映出秋季華北區(qū)域ASI的突變年份為1998年；而年和春季ASI的突變年份為1988年，夏季突變年份為1990年，冬季突變年份為1980年。
小波能量譜可以顯示出不同時(shí)間尺度振蕩的強(qiáng)弱（圖略），1961—2017年華北區(qū)域年ASI的Morlet小波能量譜分布與總體時(shí)段波譜分析相一致，在年際和年代際尺度上不存在顯著高能量區(qū)，其全時(shí)域顯著高能量振蕩區(qū)位于64年左右，且年際能量譜分布差異明顯。季節(jié)能量譜分布與年際相類(lèi)似，全時(shí)域顯著高能量區(qū)均位于64年左右，年際差異具體表現(xiàn)為：夏季在1965—1973年間存在3年左右?guī)钸B續(xù)顯著高能量區(qū)；秋季在1963—1966年及1968—1977年存在2～4年的不連續(xù)顯著高能量區(qū)；冬季在1961—1969年和2000—2005年左右存在2～4年的帶狀連續(xù)高能量區(qū)。
3.4 ASI分區(qū)特征分析
上述分析（圖4和圖5）表明，華北地區(qū)ASI空間差異明顯，為進(jìn)一步討論華北地區(qū)ASI的區(qū)域差異，下文對(duì)ASI空間場(chǎng)的前10個(gè)主成分進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)，得到年大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)REOF的前4個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為34.1%、25.7%、6.7%和5.9%，四個(gè)季節(jié)大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)REOF的第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為24.9%、17.6%、22.5%和36.0%。圖8中陰影區(qū)域顯示的是華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)REOF的高載荷區(qū)（≥0.4），年RE‐OF1的高載荷區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古東北部、內(nèi)蒙古中部及京津冀中部區(qū)域；春季REOF1的高載荷區(qū)與年值相類(lèi)似，冬季REOF1方差貢獻(xiàn)最大，且在內(nèi)蒙古中部、南部及京津冀區(qū)域存在明顯的高載荷區(qū)。綜合考慮大氣自?xún)裟芰Φ目臻g分布和華北區(qū)域地形特征，嘗試將華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)分為4個(gè)區(qū)：I區(qū)為內(nèi)蒙古東部（20站），II區(qū)為內(nèi)蒙古中部和南部（24站），III區(qū)為山西地區(qū)（14站），IV區(qū)為京津冀區(qū)域（22站）（圖8）。
圖8 1961—2017年華北區(qū)域年大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)REOF的前四模態(tài)和四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)REOF的第一模態(tài)空間分布、分區(qū)結(jié)果及站點(diǎn)分布情況
下面對(duì)各分區(qū)ASI的氣候值及年際線性趨勢(shì)變化速率進(jìn)行分析，其中Ⅱ區(qū)大氣自?xún)裟芰ο鄬?duì)較高，氣候值達(dá)5.84 t/(d·km2)，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)次之，氣候值分別為5.10和4.57 t/(d·km2)，Ⅳ區(qū)大氣自?xún)裟芰ψ畹?，僅4.19 t/(d·km2)，較Ⅱ區(qū)偏低28.3%。與華北區(qū)域年際ASI的線性趨勢(shì)變化速率相一致，各分區(qū)年和四季大氣自?xún)裟芰尸F(xiàn)出顯著減少的趨勢(shì)（通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)），且春季和冬季線性趨勢(shì)的減弱速率相對(duì)較大。分區(qū)域來(lái)看，Ⅱ區(qū)大氣自?xún)裟芰€性趨勢(shì)的減弱速率最大，Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)次之，Ⅲ區(qū)大氣自?xún)裟芰€性趨勢(shì)的減弱速率相對(duì)較小。
表1 1961—2017年華北區(qū)域年和四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)各分區(qū)的氣候值（單位：t/(d·km2)）及線性趨勢(shì)變化速率（單位：t/(10 a·d·km2)）
3.5 ASI與氣象條件的關(guān)系
為進(jìn)一步考察氣象要素指標(biāo)對(duì)華北區(qū)域ASI的影響程度，利用1961—2015年華北區(qū)域80個(gè)氣象站點(diǎn)資料，計(jì)算出了各站年和四季ASI與地面風(fēng)速、氣溫、降水量和相對(duì)濕度的相關(guān)結(jié)果（表2）。對(duì)于華北區(qū)域，由正相關(guān)顯著站點(diǎn)占比可以看出，在不同氣象要素中，地面風(fēng)速與大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的正相關(guān)最為顯著，其在四季和全年相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.80，影響到全部站點(diǎn)區(qū)域，這表明地面風(fēng)速是影響華北大氣自?xún)裟芰ψ钪匾臍庀笠?，風(fēng)速越大，大氣自?xún)裟芰υ綇?qiáng)，大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)也因此越大，風(fēng)速與大氣環(huán)境容量及霧霾指標(biāo)之間關(guān)系的研究結(jié)果[8,26]也證實(shí)了該結(jié)論；氣溫次之，除冬季外，氣溫與ASI在其他三個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，特別是夏季影響區(qū)域可以超過(guò)60%，這表明一定程度上伴隨天氣過(guò)程的降溫會(huì)顯著增強(qiáng)大氣自?xún)裟芰?；相?duì)濕度對(duì)大氣自?xún)裟芰Φ呢?fù)相關(guān)影響主要表現(xiàn)在冬季和春季（76%和40%區(qū)域），而夏季的部分區(qū)域?yàn)檎嚓P(guān)關(guān)系；降水量在夏季的正影響區(qū)域?yàn)?0%，由于華北區(qū)域降水主要出現(xiàn)在夏季，降水對(duì)污染物的濕沉降清除作用在夏季也更為明顯，對(duì)其他季節(jié)的大氣自?xún)裟芰τ绊戄^小。
表2 1961—2015年華北地區(qū)及各分區(qū)年和四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)與氣象要素的相關(guān)結(jié)果
與整體華北區(qū)域相關(guān)結(jié)果相類(lèi)似，各分區(qū)大氣自?xún)裟芰θ耘c地面風(fēng)速的相關(guān)最高，對(duì)比華北區(qū)域，氣溫在Ⅳ區(qū)的負(fù)影響范圍占比相對(duì)較大，尤其是秋季，氣溫的負(fù)影響范圍超過(guò)65%區(qū)域；降水對(duì)各分區(qū)的影響也主要集中在夏季，尤其是I區(qū)和Ⅲ區(qū)，正影響范圍為65%和79%區(qū)域；相對(duì)濕度亦為冬季負(fù)影響范圍最大，尤其是Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，負(fù)影響范圍超過(guò)85%區(qū)域。
表3為華北區(qū)域ASI及相關(guān)氣象要素與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)和線性趨勢(shì)變化速率，顯示出華北區(qū)域年和四季大氣自?xún)裟芰@著下降，與圖3顯示的結(jié)果一致，表明近地層大氣容納污染物的能力在降低。已有研究表明靜穩(wěn)天數(shù)增加，空氣污染有一定增加趨勢(shì)，由氣象條件決定的大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)對(duì)污染有一定貢獻(xiàn)[27]。另外，區(qū)域平均氣溫呈顯著增加趨勢(shì)，這與近50多年來(lái)全球變暖的總體趨勢(shì)是一致的，華北區(qū)域年平均氣溫增加速率可達(dá)到0.035oC/a。地面風(fēng)速在春、秋和冬季下降最為顯著，下降速率分別為-0.021、-0.015和-0.041 m/(s·a)，在全球和區(qū)域氣候變化背景下，冬季風(fēng)環(huán)流減弱，天氣過(guò)程頻率和強(qiáng)度減弱，并降低了地面風(fēng)速[28]，從而導(dǎo)致大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的降低趨勢(shì)。從季節(jié)角度來(lái)看，區(qū)域大氣自?xún)裟芰Φ南陆抵饕傻孛骘L(fēng)速下降以及區(qū)域變暖伴隨的冷空氣過(guò)程減少造成的。
表3 1961—2015年華北區(qū)域平均大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)及相關(guān)氣象要素與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)和線性趨勢(shì)變化速率
3.6 ASI與污染氣象條件和不同級(jí)別AQI天數(shù)的關(guān)系
上述分析闡明了華北區(qū)域ASI時(shí)空分布與相關(guān)氣象要素之間的可能聯(lián)系。對(duì)于大氣自?xún)裟芰^低的IV區(qū)，下面選擇平原區(qū)域近年污染相對(duì)嚴(yán)重的部分城市（石家莊、保定和唐山），來(lái)對(duì)比分析2013—2017年ASI與污染氣象條件及不同級(jí)別AQI天數(shù)占比情況。具體來(lái)講，混合層高度越高，越利于污染區(qū)的垂直擴(kuò)散；地表通風(fēng)系數(shù)越大，越利于污染區(qū)的水平擴(kuò)散；靜穩(wěn)天氣指數(shù)越大，越不利于污染物的擴(kuò)散。且對(duì)于同體量的污染排放，大氣自?xún)裟芰Φ蜁r(shí)，污染愈頻發(fā)。從ASI與污染氣象條件總體來(lái)看，石家莊、唐山和保定地區(qū)的ASI與混合層高度和地表通風(fēng)系數(shù)均呈現(xiàn)出同相月變化，而與靜穩(wěn)天氣指數(shù)呈現(xiàn)出反相月變化，這與劉新等[16]對(duì)呼和浩特市地區(qū)的研究結(jié)果相似。從具體數(shù)值來(lái)說(shuō)，唐山地區(qū)混合層高度最高，保定和石家莊相差不大；唐山地區(qū)地表通風(fēng)系數(shù)最大，保定次之，石家莊相對(duì)較?。蝗齻€(gè)地區(qū)的靜穩(wěn)天氣指數(shù)各月數(shù)值相接近。混合層高度與ASI同相變化最為一致（相關(guān)達(dá)0.73），而石家莊和保定地區(qū)ASI在6—8月受降水濕沉降的影響增加明顯，其與6—8月因降水天氣過(guò)程導(dǎo)致的混合層高度降低存在明顯差異；與混合層高度相似，地表通風(fēng)系數(shù)與ASI的同相變化也在唐山最為突出（相關(guān)系數(shù)數(shù)達(dá)0.80）；靜穩(wěn)天氣指數(shù)與ASI的反相變化在唐山和保定均較為明顯，其中唐山反相變化一致性最高（相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.76）。
圖9 2013—2017年石家莊、唐山和保定地區(qū)大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)（單位：t/(d·km2)）與混合層高度（單位：m）、地表通風(fēng)系數(shù)（單位：m2/s）和靜穩(wěn)天氣指數(shù)（單位：1）的月變化對(duì)比
AQI不同級(jí)別的占比代表了空氣質(zhì)量的大體分布情況，石家莊、唐山和保定地區(qū)AQI不同級(jí)別天數(shù)占比與ASI的月變化差異明顯，其中良和輕度級(jí)別天數(shù)占比與ASI呈現(xiàn)出一定的同相變化，而重度和嚴(yán)重級(jí)別天數(shù)占比呈現(xiàn)出明顯的反相差異，尤其是大氣自?xún)裟芰^低的冬季，嚴(yán)重級(jí)別天數(shù)占比明顯增多。從具體數(shù)值來(lái)說(shuō)，分析時(shí)段，除冬季的12月、1月和2月外，良級(jí)別天數(shù)占比偏多，尤其是受通風(fēng)影響的5月和受降水濕沉降影響8月更為明顯。整體來(lái)看，石家莊和保定地區(qū)的嚴(yán)重級(jí)別天數(shù)占比在12月和1月占比均較唐山地區(qū)偏高，尤其是石家莊1月嚴(yán)重級(jí)別天數(shù)占比接近40%，且保定地區(qū)ASI和AQI不同級(jí)別天數(shù)占比的相關(guān)較高，分析時(shí)段，其與輕度級(jí)別天數(shù)占比相關(guān)達(dá)0.56，與重度和嚴(yán)重級(jí)別天數(shù)占比的相關(guān)均為-0.58。
圖10 2013—2017年石家莊、唐山和保定地區(qū)大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)（單位：t/(d·km2)）與AQI不同級(jí)別天數(shù)占比（單位：1）的月變化對(duì)比
4 結(jié)論與討論
通過(guò)對(duì)華北區(qū)域80個(gè)站大氣自?xún)裟芰ψ兓卣骷坝绊懸蛩氐姆治龅贸鲆韵轮饕Y(jié)論。
（1）大氣自?xún)裟芰竟?jié)及區(qū)域差異明顯。一年中，大氣對(duì)污染物總體清除能力從春到冬逐漸下降；大氣自?xún)裟芰υ诰┙蚣胶蜕轿鞔蟛?、?nèi)蒙古東北部和中部偏西地區(qū)較低，在內(nèi)蒙古中部等其他地區(qū)較高。
（2）從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)看，華北大部分地區(qū)年和四季大氣自?xún)裟芰黠@減弱，其中河北東部及西北部、內(nèi)蒙古中部區(qū)域ASI線性趨勢(shì)的減弱速率超過(guò)0.6 t/(10 a·d·km2)；年、季區(qū)域均值存在明顯的年際突變點(diǎn)，分別為1988、1988、1990、1998和1980年；全時(shí)域顯著高能量振蕩區(qū)位于64年左右，僅夏、秋和冬季，存在不同時(shí)段2～4年左右的不連續(xù)顯著高能量區(qū)。
（3）將華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰Ψ譃?個(gè)分區(qū)，其中海拔相對(duì)較低的Ⅳ區(qū)大氣自?xún)裟芰ψ畹?，較Ⅱ區(qū)偏低28.3%。且在全球和區(qū)域變暖背景下，冬季風(fēng)環(huán)流減弱，天氣過(guò)程頻率和強(qiáng)度減弱，并降低了地面風(fēng)速，從而導(dǎo)致大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的降低趨勢(shì)。從季節(jié)角度來(lái)看，區(qū)域大氣自?xún)裟芰Φ南陆抵饕怯傻孛骘L(fēng)速下降以及區(qū)域變暖伴隨的冷空氣過(guò)程減少造成的。
（4）石家莊、唐山和保定地區(qū)ASI與混合層高度及地表通風(fēng)系數(shù)均呈現(xiàn)同相月變化，而與靜穩(wěn)天氣指數(shù)呈現(xiàn)反相月變化，其中唐山地區(qū)ASI與污染氣象條件變化的一致性較高。上述三個(gè)地區(qū)AQI不同級(jí)別天數(shù)占比與ASI月變化差異明顯，其中良和輕度級(jí)別與ASI呈同相變化，而重度和嚴(yán)重級(jí)別反相差異明顯。未來(lái)氣候預(yù)估結(jié)果[29-30]表明，秋冬季冷空氣活動(dòng)很大可能變?nèi)酰L(fēng)力減小，靜穩(wěn)天氣增多；根據(jù)風(fēng)速和氣溫對(duì)華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的影響規(guī)律，未來(lái)大氣自?xún)裟芰M(jìn)一步降低的可能性很高。適當(dāng)?shù)臏p排和區(qū)域產(chǎn)業(yè)升級(jí)依舊勢(shì)在必行。
上文對(duì)ASI影響因素的分析僅停留在相關(guān)氣象要素的角度，海洋作為驅(qū)動(dòng)大氣系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的重要能量來(lái)源，其海表溫度變化及與大氣之間的相互作用形成的大尺度振蕩，會(huì)對(duì)東亞氣候有重要的同期或者超前影響。有學(xué)者[31]研究表明，東亞氣溫超前北大西洋年代際振蕩（AMO）幾年，領(lǐng)先AMO變化的現(xiàn)象在近500年來(lái)一直存在，可能是自然氣候系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)在特征，并通過(guò)模式結(jié)果揭示了氣溫升高后，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的海平面氣壓梯度影響表層流，引起大洋間的淡水補(bǔ)償?shù)臍鉁爻暗目赡苡绊憴C(jī)制。鑒于氣溫對(duì)華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的重要貢獻(xiàn)，華北區(qū)域ASI與AMO的超前滯后相關(guān)結(jié)果表明，當(dāng)年、季ASI均超前AMO 3～11年不等時(shí)，相關(guān)值超過(guò)同期相關(guān)達(dá)最大，但其影響機(jī)制仍舊不清楚，后面的工作還需要進(jìn)一步分析揭示內(nèi)部的物理機(jī)制。
致 謝：中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心朱蓉研究員和梅梅老師提供了大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的相關(guān)技術(shù)和資料，并提出了建設(shè)性建議，河北省環(huán)境氣象中心李二杰高級(jí)工程師對(duì)污染氣象條件及AQI數(shù)據(jù)的分析使用進(jìn)行了指導(dǎo)，審稿專(zhuān)家對(duì)本文的修改及下一步工作的開(kāi)展提出了非常寶貴的意見(jiàn)，謹(jǐn)此一并致謝。
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井元元，李宏宇，張婧，許啟慧，劉咪咪
（1.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊050021；2.河北省氣候中心，河北 石家莊050021）
1 引 言
在全球氣候變化背景下，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市化進(jìn)程不斷加快，我國(guó)大氣環(huán)境污染形勢(shì)較為嚴(yán)峻，一些經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密集地區(qū)，如長(zhǎng)三角（長(zhǎng)江三角洲）、珠三角（珠江三角洲）、京津冀等城市群的空氣污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重[1-2]。氣象條件對(duì)空氣污染的影響問(wèn)題多年來(lái)一直備受關(guān)注，當(dāng)外界污染物排放量比較穩(wěn)定時(shí)，氣象條件對(duì)空氣污染的程度和影響路徑具有關(guān)鍵性作用[2-4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者將表征空氣污染氣象條件的綜合指標(biāo)作為主要研究方法，徐大海等[5-7]在分析擴(kuò)散矩陣和箱模式的基礎(chǔ)上，提出了表征大氣污染擴(kuò)散能力的大氣通風(fēng)量和大氣環(huán)境容量的分析計(jì)算方法。基于此，有學(xué)者[1-2,8-12]研究了河北、山東、內(nèi)蒙古、浙江、安徽、四川及重慶等地區(qū)大氣環(huán)境容量的氣候變化特征；與之類(lèi)似，國(guó)外學(xué)者[13-14]在研究污染氣象條件的氣候分布特征時(shí)，定義了通風(fēng)系數(shù)（混合層高度內(nèi)風(fēng)速乘以高度的積分）這一概念。
朱蓉等[3]根據(jù)大氣自身運(yùn)動(dòng)對(duì)大氣中污染物的通風(fēng)稀釋和濕清除能力，在大氣通風(fēng)量的基礎(chǔ)上，定義了大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)(ASI)，研究了其氣候特征并在大氣污染預(yù)報(bào)中得以應(yīng)用。已有研究[3-4,15-16]表明，京津冀地區(qū)和內(nèi)蒙古等地大氣自?xún)裟芰Τ曙@著下降趨勢(shì)，全年低自?xún)裟芰θ諗?shù)上升，本世紀(jì)以來(lái)其增幅明顯增加，且低值區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大，氣象條件對(duì)污染物的清除能力變?nèi)?，太行山一線特殊地形下的背風(fēng)區(qū)更是不利于大氣污染物的擴(kuò)散。此外，有學(xué)者[10,17-19]研究表明空氣質(zhì)量與大氣自?xún)裟芰Υ嬖谝欢▽?duì)應(yīng)關(guān)系，如天津、黑龍江等區(qū)域的重污染事件多出現(xiàn)在低大氣自?xún)裟芰r(shí)段。以往對(duì)華北地區(qū)大氣污染特征的研究多拘泥在省域較小空間尺度上，對(duì)華北區(qū)域較大范圍大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的長(zhǎng)期演變規(guī)律研究較少，因此有必要在區(qū)域空間尺度上開(kāi)展分析。
近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量空氣污染與氣象因子關(guān)系的研究。研究結(jié)果表明對(duì)流層低層逆溫、高濕和高溫、穩(wěn)定大氣層結(jié)等氣象條件與中國(guó)東部等地霧霾天氣過(guò)程及其空間分布關(guān)系密切[20-21]，而高溫和低濕、小風(fēng)和強(qiáng)日照等氣象條件對(duì)臭氧濃度影響較大[22-23]。對(duì)于河北地區(qū)，地面風(fēng)速、降水和邊界層高度等天氣和氣象要素是決定其大氣環(huán)境容量的重要?dú)庀笠豙8]。而風(fēng)速減小、小風(fēng)頻率、冷空氣強(qiáng)度、混合層高度下降和城市化進(jìn)程加快等因素均對(duì)大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)下降有重要貢獻(xiàn)[4,15]。
鑒于華北區(qū)域大氣污染事件頻發(fā)，本文利用ASI指數(shù)，系統(tǒng)分析了1961—2017年華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰Φ臅r(shí)空變化特征、年際突變及頻譜差異，結(jié)合ASI的REOF空間載荷場(chǎng)分布特征，將華北區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，并研究了氣象要素與華北區(qū)域及各分區(qū)的可能聯(lián)系；對(duì)于大氣自?xún)裟芰^低的IV區(qū)，選擇近年污染相對(duì)嚴(yán)重的部分城市（石家莊、保定和唐山），對(duì)比給出了ASI與污染氣象條件及不同級(jí)別空氣質(zhì)量天數(shù)占比情況。
2 資料和方法
2.1 資 料
本文中華北區(qū)域包括北京、天津、內(nèi)蒙古、河北和山西，采用中國(guó)氣象局共享網(wǎng)站中華北區(qū)域的80個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站（圖1）1961年1月1日—2017年12月31日的氣象觀測(cè)資料，包括氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、總云量、低云量以及24 h降水量（08時(shí)—08時(shí)，北京時(shí)間，下同)[4]；大西洋年代際振蕩(AMO)指數(shù)源自美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局資料網(wǎng)站（https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/）。城市污染氣象條件（混合層高度、地表通風(fēng)系數(shù)和靜穩(wěn)天氣指數(shù)[24]）及環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)均源于河北省環(huán)境氣象中心。
2.2 方 法
本文基于國(guó)家地面氣象觀測(cè)站資料，利用朱蓉等[3]提出的大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)(ASI)分析華北區(qū)域大氣自身運(yùn)動(dòng)對(duì)大氣中污染物的清除作用，該指數(shù)可以較好地反映出大氣對(duì)污染物清除能力的空間分布特征及變化特點(diǎn)。由于夜間云量觀測(cè)資料的局限性，我們只計(jì)算每日14時(shí)的ASI，其可用來(lái)表征全天大氣對(duì)污染物總體清除能力，計(jì)算公式為[4]：
式中，ASI單位為t/(d?km2)；右式第一項(xiàng)中VE為大氣通風(fēng)量，表征大氣對(duì)污染物的通風(fēng)擴(kuò)散能力；第二項(xiàng)是降水對(duì)大氣污染物的清除能力；n為降水小時(shí)數(shù)，R為小時(shí)降水量，單位為mm/h；S為區(qū)域面積，取100 km2；Cs為污染物濃度，取0.075 mg/m3；π取3.14；本文取1981—2010年的ASI平均值為氣候值[8]。
本文將Mann-Kendall(MK)和滑動(dòng)t(MT)檢驗(yàn)方法相結(jié)合，對(duì)華北區(qū)域全年和四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)分析[8]；基于Morlet小波對(duì)比了全年和四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)頻譜能量分布差異。此外，還將旋轉(zhuǎn)主成分分析(REOF)得到的不同模態(tài)空間場(chǎng)高載荷區(qū)與氣候值空間分布相結(jié)合進(jìn)行區(qū)域劃分。
圖1華北區(qū)域海拔高度（m）及選定氣象站點(diǎn)的空間分布情況
3 結(jié)果分析
3.1 ASI歷年及季節(jié)變化分析
圖2給出1961—2017年華北區(qū)域平均年ASI歷年變化。ASI多年氣候值為4.98 t/(d·km2)，年際變化明顯，于1969年達(dá)最高值，2007年到達(dá)最低值，總體呈顯著減弱趨勢(shì)（通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)），線性趨勢(shì)的減弱速率為0.37 t/(10a·d·km2)；而且年代際差異明顯，ASI于1960年代—1970年代有所增強(qiáng)，之后持續(xù)減弱，其中1970年代到1980年代減弱最明顯，至20世紀(jì)末明顯低于氣候值，21世紀(jì)前10年為近五十幾年以來(lái)最低，僅4.59 t/(d·km2)，2010年以來(lái)呈現(xiàn)出一定增強(qiáng)趨勢(shì)。
圖2 1961—2017年華北區(qū)域平均年大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)歷年變化 單位：t/(d·km2)。
華北區(qū)域ASI月際差異明顯（圖略），整體呈“M型”雙峰分布，峰值出現(xiàn)在4月，高達(dá)6.90 t/(d·km2)，其后逐月降低，直至10月，增加至5.13 t/(d·km2)，1月和12月大氣自?xún)裟芰ο鄬?duì)較低，分別為4.39和4.47 t/(d·km2)。
圖3給出了1961—2017年華北區(qū)域平均四季ASI歷年變化，統(tǒng)計(jì)得出ASI春夏秋冬四個(gè)季節(jié)氣候值分別為6.08、4.97、4.71和4.12 t/(d·km2)；一年中，春季大氣對(duì)污染物總體清除能力最強(qiáng)，冬季最弱，從春到冬大氣自?xún)裟芰χ饾u下降，總體呈現(xiàn)顯著減弱趨勢(shì)（通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)）。春季和冬季線性趨勢(shì)的減弱速率相對(duì)較大，分別為0.41和0.40 t/(10a·d·km2)，秋季和夏季線性趨勢(shì)的減弱速率相對(duì)較小，分別為0.35和0.30 t/(10a·d·km2)。四個(gè)季節(jié)ASI與年ASI呈現(xiàn)出一致的年代際差異，總體均在1970年代到1980年代減弱最明顯，且21世紀(jì)前10年為近五十多年以來(lái)最低。春季和夏季均在1960年代到1970年代為增強(qiáng)趨勢(shì)，之后持續(xù)減弱，夏、秋和冬季大氣自?xún)裟芰?1世紀(jì)10年代初轉(zhuǎn)為增強(qiáng)。隨著改革開(kāi)放和城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐加速，下墊面粗糙度增加，這促使風(fēng)速逐漸降低，加之氣候變暖背景下經(jīng)向環(huán)流的減弱引起了亞洲冬夏季風(fēng)的減弱，而且冬季風(fēng)的減弱趨勢(shì)較夏季風(fēng)更為明顯[16]，因此與上述結(jié)果相一致，冬季的大氣自?xún)裟芰σ渤尸F(xiàn)出和夏季類(lèi)似的減小趨勢(shì)。
圖3 1961—2017年華北區(qū)域平均四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)歷年變化 單位：t/(d·km2)。
3.2 ASI氣候值的空間分布
華北區(qū)域年ASI氣候值空間分布差異明顯（圖4），其與圖1所示的華北區(qū)域海拔高度空間分布，存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1和圖4對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)海拔高度及山脈走向?qū)^(qū)域自然氣候條件有直接影響，其中海拔高度相對(duì)較低的山前平原地區(qū)，包括京津冀大部、內(nèi)蒙古東部和東北部等區(qū)域大氣自?xún)裟芰ο鄬?duì)較低，而海拔高度較高的內(nèi)蒙古中部及山西西北部部分區(qū)域大氣自?xún)裟芰ο鄬?duì)較高。四季ASI氣候值的地理分布特征與年際結(jié)果相類(lèi)似（圖5），京津冀和山西大部、內(nèi)蒙古東北部和中部偏西地區(qū)大氣自?xún)裟芰^低，內(nèi)蒙古中部等其他地區(qū)大氣自?xún)裟芰^高。冬季內(nèi)蒙古地區(qū)大氣自?xún)裟芰p弱明顯，其東北部和中部偏西地區(qū)與京津冀南部污染嚴(yán)重區(qū)域大氣自?xún)裟芰?shù)值相當(dāng)，這可能與上述地區(qū)冬季風(fēng)速的減弱有關(guān)[25]，中部偏西區(qū)域?yàn)楹艉秃铺睾桶^等大城市區(qū)，城市群的聚集會(huì)影響風(fēng)速、混合層高度等大氣擴(kuò)散條件，使得冬季大氣自?xún)裟芰p弱明顯[16]。
圖4 華北區(qū)域年大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)氣候值空間分布 單位：t/(d·km2)。
圖5 華北區(qū)域四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)氣候值空間分布 單位：t/(d·km2)。
1961—2017年華北區(qū)域年和四季ASI線性趨勢(shì)變化速率的空間分布（圖6和圖7）表明，華北區(qū)域大部分地區(qū)大氣自?xún)裟芰Τ曙@著減弱趨勢(shì)（通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)），其中河北東部及西北部、內(nèi)蒙古中部部分站點(diǎn)線性趨勢(shì)的減弱速率超過(guò)0.6 t/(10 a·d·km2)，且季節(jié)變幅存在差異，冬季和春季線性趨勢(shì)的減弱速率最為明顯，夏季和秋季相對(duì)較小。全年有74個(gè)站顯著下降，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的92.5%；春季和秋季下降站點(diǎn)較多，達(dá)73個(gè)，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的91.25%；夏季次之，為72個(gè)，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的90%；冬季為70個(gè)，占統(tǒng)計(jì)站數(shù)的87.5%。
圖6 1961—2017年華北區(qū)域年ASI線性趨勢(shì)變化速率空間分布 單位：t/(10 a·d·km2)。
圖7 1961—2017年華北區(qū)域四季ASI線性趨勢(shì)變化速率空間分布 單位：t/(10a·d·km2)。
3.3 ASI突變檢驗(yàn)及能量譜分析
將MK和MT檢驗(yàn)相結(jié)合，計(jì)算獲得了1961—2017年華北區(qū)域年和四季ASI的年際突變檢驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，秋季MT檢驗(yàn)結(jié)果的峰值年份多為1998年，而MK檢驗(yàn)正反序列的交點(diǎn)出現(xiàn)在1990年代初，這與許啟慧等[8]研究結(jié)果相類(lèi)似；以華北區(qū)域秋季ASI的歷年值MT檢驗(yàn)的峰值年和MK檢驗(yàn)的交點(diǎn)年為界，比較前后序列的多年平均值，結(jié)果表明以1998年為界時(shí)，歷年序列前后多年均值相差最大，這反映出秋季華北區(qū)域ASI的突變年份為1998年；而年和春季ASI的突變年份為1988年，夏季突變年份為1990年，冬季突變年份為1980年。
小波能量譜可以顯示出不同時(shí)間尺度振蕩的強(qiáng)弱（圖略），1961—2017年華北區(qū)域年ASI的Morlet小波能量譜分布與總體時(shí)段波譜分析相一致，在年際和年代際尺度上不存在顯著高能量區(qū)，其全時(shí)域顯著高能量振蕩區(qū)位于64年左右，且年際能量譜分布差異明顯。季節(jié)能量譜分布與年際相類(lèi)似，全時(shí)域顯著高能量區(qū)均位于64年左右，年際差異具體表現(xiàn)為：夏季在1965—1973年間存在3年左右?guī)钸B續(xù)顯著高能量區(qū)；秋季在1963—1966年及1968—1977年存在2～4年的不連續(xù)顯著高能量區(qū)；冬季在1961—1969年和2000—2005年左右存在2～4年的帶狀連續(xù)高能量區(qū)。
3.4 ASI分區(qū)特征分析
上述分析（圖4和圖5）表明，華北地區(qū)ASI空間差異明顯，為進(jìn)一步討論華北地區(qū)ASI的區(qū)域差異，下文對(duì)ASI空間場(chǎng)的前10個(gè)主成分進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)，得到年大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)REOF的前4個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為34.1%、25.7%、6.7%和5.9%，四個(gè)季節(jié)大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)REOF的第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為24.9%、17.6%、22.5%和36.0%。圖8中陰影區(qū)域顯示的是華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)REOF的高載荷區(qū)（≥0.4），年RE‐OF1的高載荷區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古東北部、內(nèi)蒙古中部及京津冀中部區(qū)域；春季REOF1的高載荷區(qū)與年值相類(lèi)似，冬季REOF1方差貢獻(xiàn)最大，且在內(nèi)蒙古中部、南部及京津冀區(qū)域存在明顯的高載荷區(qū)。綜合考慮大氣自?xún)裟芰Φ目臻g分布和華北區(qū)域地形特征，嘗試將華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)分為4個(gè)區(qū)：I區(qū)為內(nèi)蒙古東部（20站），II區(qū)為內(nèi)蒙古中部和南部（24站），III區(qū)為山西地區(qū)（14站），IV區(qū)為京津冀區(qū)域（22站）（圖8）。
圖8 1961—2017年華北區(qū)域年大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)REOF的前四模態(tài)和四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)REOF的第一模態(tài)空間分布、分區(qū)結(jié)果及站點(diǎn)分布情況
下面對(duì)各分區(qū)ASI的氣候值及年際線性趨勢(shì)變化速率進(jìn)行分析，其中Ⅱ區(qū)大氣自?xún)裟芰ο鄬?duì)較高，氣候值達(dá)5.84 t/(d·km2)，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)次之，氣候值分別為5.10和4.57 t/(d·km2)，Ⅳ區(qū)大氣自?xún)裟芰ψ畹?，僅4.19 t/(d·km2)，較Ⅱ區(qū)偏低28.3%。與華北區(qū)域年際ASI的線性趨勢(shì)變化速率相一致，各分區(qū)年和四季大氣自?xún)裟芰尸F(xiàn)出顯著減少的趨勢(shì)（通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)），且春季和冬季線性趨勢(shì)的減弱速率相對(duì)較大。分區(qū)域來(lái)看，Ⅱ區(qū)大氣自?xún)裟芰€性趨勢(shì)的減弱速率最大，Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)次之，Ⅲ區(qū)大氣自?xún)裟芰€性趨勢(shì)的減弱速率相對(duì)較小。
表1 1961—2017年華北區(qū)域年和四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)各分區(qū)的氣候值（單位：t/(d·km2)）及線性趨勢(shì)變化速率（單位：t/(10 a·d·km2)）
3.5 ASI與氣象條件的關(guān)系
為進(jìn)一步考察氣象要素指標(biāo)對(duì)華北區(qū)域ASI的影響程度，利用1961—2015年華北區(qū)域80個(gè)氣象站點(diǎn)資料，計(jì)算出了各站年和四季ASI與地面風(fēng)速、氣溫、降水量和相對(duì)濕度的相關(guān)結(jié)果（表2）。對(duì)于華北區(qū)域，由正相關(guān)顯著站點(diǎn)占比可以看出，在不同氣象要素中，地面風(fēng)速與大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的正相關(guān)最為顯著，其在四季和全年相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.80，影響到全部站點(diǎn)區(qū)域，這表明地面風(fēng)速是影響華北大氣自?xún)裟芰ψ钪匾臍庀笠?，風(fēng)速越大，大氣自?xún)裟芰υ綇?qiáng)，大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)也因此越大，風(fēng)速與大氣環(huán)境容量及霧霾指標(biāo)之間關(guān)系的研究結(jié)果[8,26]也證實(shí)了該結(jié)論；氣溫次之，除冬季外，氣溫與ASI在其他三個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，特別是夏季影響區(qū)域可以超過(guò)60%，這表明一定程度上伴隨天氣過(guò)程的降溫會(huì)顯著增強(qiáng)大氣自?xún)裟芰?；相?duì)濕度對(duì)大氣自?xún)裟芰Φ呢?fù)相關(guān)影響主要表現(xiàn)在冬季和春季（76%和40%區(qū)域），而夏季的部分區(qū)域?yàn)檎嚓P(guān)關(guān)系；降水量在夏季的正影響區(qū)域?yàn)?0%，由于華北區(qū)域降水主要出現(xiàn)在夏季，降水對(duì)污染物的濕沉降清除作用在夏季也更為明顯，對(duì)其他季節(jié)的大氣自?xún)裟芰τ绊戄^小。
表2 1961—2015年華北地區(qū)及各分區(qū)年和四季大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)與氣象要素的相關(guān)結(jié)果
與整體華北區(qū)域相關(guān)結(jié)果相類(lèi)似，各分區(qū)大氣自?xún)裟芰θ耘c地面風(fēng)速的相關(guān)最高，對(duì)比華北區(qū)域，氣溫在Ⅳ區(qū)的負(fù)影響范圍占比相對(duì)較大，尤其是秋季，氣溫的負(fù)影響范圍超過(guò)65%區(qū)域；降水對(duì)各分區(qū)的影響也主要集中在夏季，尤其是I區(qū)和Ⅲ區(qū)，正影響范圍為65%和79%區(qū)域；相對(duì)濕度亦為冬季負(fù)影響范圍最大，尤其是Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，負(fù)影響范圍超過(guò)85%區(qū)域。
表3為華北區(qū)域ASI及相關(guān)氣象要素與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)和線性趨勢(shì)變化速率，顯示出華北區(qū)域年和四季大氣自?xún)裟芰@著下降，與圖3顯示的結(jié)果一致，表明近地層大氣容納污染物的能力在降低。已有研究表明靜穩(wěn)天數(shù)增加，空氣污染有一定增加趨勢(shì)，由氣象條件決定的大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)對(duì)污染有一定貢獻(xiàn)[27]。另外，區(qū)域平均氣溫呈顯著增加趨勢(shì)，這與近50多年來(lái)全球變暖的總體趨勢(shì)是一致的，華北區(qū)域年平均氣溫增加速率可達(dá)到0.035oC/a。地面風(fēng)速在春、秋和冬季下降最為顯著，下降速率分別為-0.021、-0.015和-0.041 m/(s·a)，在全球和區(qū)域氣候變化背景下，冬季風(fēng)環(huán)流減弱，天氣過(guò)程頻率和強(qiáng)度減弱，并降低了地面風(fēng)速[28]，從而導(dǎo)致大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的降低趨勢(shì)。從季節(jié)角度來(lái)看，區(qū)域大氣自?xún)裟芰Φ南陆抵饕傻孛骘L(fēng)速下降以及區(qū)域變暖伴隨的冷空氣過(guò)程減少造成的。
表3 1961—2015年華北區(qū)域平均大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)及相關(guān)氣象要素與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)和線性趨勢(shì)變化速率
3.6 ASI與污染氣象條件和不同級(jí)別AQI天數(shù)的關(guān)系
上述分析闡明了華北區(qū)域ASI時(shí)空分布與相關(guān)氣象要素之間的可能聯(lián)系。對(duì)于大氣自?xún)裟芰^低的IV區(qū)，下面選擇平原區(qū)域近年污染相對(duì)嚴(yán)重的部分城市（石家莊、保定和唐山），來(lái)對(duì)比分析2013—2017年ASI與污染氣象條件及不同級(jí)別AQI天數(shù)占比情況。具體來(lái)講，混合層高度越高，越利于污染區(qū)的垂直擴(kuò)散；地表通風(fēng)系數(shù)越大，越利于污染區(qū)的水平擴(kuò)散；靜穩(wěn)天氣指數(shù)越大，越不利于污染物的擴(kuò)散。且對(duì)于同體量的污染排放，大氣自?xún)裟芰Φ蜁r(shí)，污染愈頻發(fā)。從ASI與污染氣象條件總體來(lái)看，石家莊、唐山和保定地區(qū)的ASI與混合層高度和地表通風(fēng)系數(shù)均呈現(xiàn)出同相月變化，而與靜穩(wěn)天氣指數(shù)呈現(xiàn)出反相月變化，這與劉新等[16]對(duì)呼和浩特市地區(qū)的研究結(jié)果相似。從具體數(shù)值來(lái)說(shuō)，唐山地區(qū)混合層高度最高，保定和石家莊相差不大；唐山地區(qū)地表通風(fēng)系數(shù)最大，保定次之，石家莊相對(duì)較?。蝗齻€(gè)地區(qū)的靜穩(wěn)天氣指數(shù)各月數(shù)值相接近。混合層高度與ASI同相變化最為一致（相關(guān)達(dá)0.73），而石家莊和保定地區(qū)ASI在6—8月受降水濕沉降的影響增加明顯，其與6—8月因降水天氣過(guò)程導(dǎo)致的混合層高度降低存在明顯差異；與混合層高度相似，地表通風(fēng)系數(shù)與ASI的同相變化也在唐山最為突出（相關(guān)系數(shù)數(shù)達(dá)0.80）；靜穩(wěn)天氣指數(shù)與ASI的反相變化在唐山和保定均較為明顯，其中唐山反相變化一致性最高（相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.76）。
圖9 2013—2017年石家莊、唐山和保定地區(qū)大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)（單位：t/(d·km2)）與混合層高度（單位：m）、地表通風(fēng)系數(shù)（單位：m2/s）和靜穩(wěn)天氣指數(shù)（單位：1）的月變化對(duì)比
AQI不同級(jí)別的占比代表了空氣質(zhì)量的大體分布情況，石家莊、唐山和保定地區(qū)AQI不同級(jí)別天數(shù)占比與ASI的月變化差異明顯，其中良和輕度級(jí)別天數(shù)占比與ASI呈現(xiàn)出一定的同相變化，而重度和嚴(yán)重級(jí)別天數(shù)占比呈現(xiàn)出明顯的反相差異，尤其是大氣自?xún)裟芰^低的冬季，嚴(yán)重級(jí)別天數(shù)占比明顯增多。從具體數(shù)值來(lái)說(shuō)，分析時(shí)段，除冬季的12月、1月和2月外，良級(jí)別天數(shù)占比偏多，尤其是受通風(fēng)影響的5月和受降水濕沉降影響8月更為明顯。整體來(lái)看，石家莊和保定地區(qū)的嚴(yán)重級(jí)別天數(shù)占比在12月和1月占比均較唐山地區(qū)偏高，尤其是石家莊1月嚴(yán)重級(jí)別天數(shù)占比接近40%，且保定地區(qū)ASI和AQI不同級(jí)別天數(shù)占比的相關(guān)較高，分析時(shí)段，其與輕度級(jí)別天數(shù)占比相關(guān)達(dá)0.56，與重度和嚴(yán)重級(jí)別天數(shù)占比的相關(guān)均為-0.58。
圖10 2013—2017年石家莊、唐山和保定地區(qū)大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)（單位：t/(d·km2)）與AQI不同級(jí)別天數(shù)占比（單位：1）的月變化對(duì)比
4 結(jié)論與討論
通過(guò)對(duì)華北區(qū)域80個(gè)站大氣自?xún)裟芰ψ兓卣骷坝绊懸蛩氐姆治龅贸鲆韵轮饕Y(jié)論。
（1）大氣自?xún)裟芰竟?jié)及區(qū)域差異明顯。一年中，大氣對(duì)污染物總體清除能力從春到冬逐漸下降；大氣自?xún)裟芰υ诰┙蚣胶蜕轿鞔蟛?、?nèi)蒙古東北部和中部偏西地區(qū)較低，在內(nèi)蒙古中部等其他地區(qū)較高。
（2）從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)看，華北大部分地區(qū)年和四季大氣自?xún)裟芰黠@減弱，其中河北東部及西北部、內(nèi)蒙古中部區(qū)域ASI線性趨勢(shì)的減弱速率超過(guò)0.6 t/(10 a·d·km2)；年、季區(qū)域均值存在明顯的年際突變點(diǎn)，分別為1988、1988、1990、1998和1980年；全時(shí)域顯著高能量振蕩區(qū)位于64年左右，僅夏、秋和冬季，存在不同時(shí)段2～4年左右的不連續(xù)顯著高能量區(qū)。
（3）將華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰Ψ譃?個(gè)分區(qū)，其中海拔相對(duì)較低的Ⅳ區(qū)大氣自?xún)裟芰ψ畹?，較Ⅱ區(qū)偏低28.3%。且在全球和區(qū)域變暖背景下，冬季風(fēng)環(huán)流減弱，天氣過(guò)程頻率和強(qiáng)度減弱，并降低了地面風(fēng)速，從而導(dǎo)致大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的降低趨勢(shì)。從季節(jié)角度來(lái)看，區(qū)域大氣自?xún)裟芰Φ南陆抵饕怯傻孛骘L(fēng)速下降以及區(qū)域變暖伴隨的冷空氣過(guò)程減少造成的。
（4）石家莊、唐山和保定地區(qū)ASI與混合層高度及地表通風(fēng)系數(shù)均呈現(xiàn)同相月變化，而與靜穩(wěn)天氣指數(shù)呈現(xiàn)反相月變化，其中唐山地區(qū)ASI與污染氣象條件變化的一致性較高。上述三個(gè)地區(qū)AQI不同級(jí)別天數(shù)占比與ASI月變化差異明顯，其中良和輕度級(jí)別與ASI呈同相變化，而重度和嚴(yán)重級(jí)別反相差異明顯。未來(lái)氣候預(yù)估結(jié)果[29-30]表明，秋冬季冷空氣活動(dòng)很大可能變?nèi)酰L(fēng)力減小，靜穩(wěn)天氣增多；根據(jù)風(fēng)速和氣溫對(duì)華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的影響規(guī)律，未來(lái)大氣自?xún)裟芰M(jìn)一步降低的可能性很高。適當(dāng)?shù)臏p排和區(qū)域產(chǎn)業(yè)升級(jí)依舊勢(shì)在必行。
上文對(duì)ASI影響因素的分析僅停留在相關(guān)氣象要素的角度，海洋作為驅(qū)動(dòng)大氣系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的重要能量來(lái)源，其海表溫度變化及與大氣之間的相互作用形成的大尺度振蕩，會(huì)對(duì)東亞氣候有重要的同期或者超前影響。有學(xué)者[31]研究表明，東亞氣溫超前北大西洋年代際振蕩（AMO）幾年，領(lǐng)先AMO變化的現(xiàn)象在近500年來(lái)一直存在，可能是自然氣候系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)在特征，并通過(guò)模式結(jié)果揭示了氣溫升高后，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的海平面氣壓梯度影響表層流，引起大洋間的淡水補(bǔ)償?shù)臍鉁爻暗目赡苡绊憴C(jī)制。鑒于氣溫對(duì)華北區(qū)域大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的重要貢獻(xiàn)，華北區(qū)域ASI與AMO的超前滯后相關(guān)結(jié)果表明，當(dāng)年、季ASI均超前AMO 3～11年不等時(shí)，相關(guān)值超過(guò)同期相關(guān)達(dá)最大，但其影響機(jī)制仍舊不清楚，后面的工作還需要進(jìn)一步分析揭示內(nèi)部的物理機(jī)制。
致 謝：中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心朱蓉研究員和梅梅老師提供了大氣自?xún)裟芰χ笖?shù)的相關(guān)技術(shù)和資料，并提出了建設(shè)性建議，河北省環(huán)境氣象中心李二杰高級(jí)工程師對(duì)污染氣象條件及AQI數(shù)據(jù)的分析使用進(jìn)行了指導(dǎo)，審稿專(zhuān)家對(duì)本文的修改及下一步工作的開(kāi)展提出了非常寶貴的意見(jiàn)，謹(jǐn)此一并致謝。
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