基于稳定分量探讨京津冀地区雾霾形成的大气环流机制

孙树鹏，张 禄，廖云琛，吴 洋，马 宁

（1.天津市津南区气象局，天津 300350；2.天津市气候中心，天津 300074）

进入21世纪以来，京津冀地区在经济快速增长的同时，雾霾问题也呈多发态势，加之地处华北平原，受西部和北部的太行山脉、燕山山脉等地形条件影响，不利于污染物的扩散，导致雾霾天气频发并不断加重.关于中国雾霾天气的发生与气象因子之间的联系，已有的研究一方面集中在雾霾长期变化趋势与气象因子变化趋势之间的关系［1-4］，另一方面集中在局地气象条件与雾霾发展演变过程、污染物分布特征的联系以及雾霾天气与大气环流的联系［5-12］.但是关于持续雾霾天气的影响系统及其预报方法相关的研究还不多.

大部分严重雾霾天气过程往往具有持续性的特点，一旦形成很难快速消散.雾霾持续时间越长，产生的危害就越大.如果能在延伸期时间尺度（10～30 d）甚至更长的时间尺度对可能发生的持续性严重雾霾天气过程进行预报将有十分重要的意义.大气或气候是一个多时空尺度的系统，这种特性决定了大气或气候的可预报性必然是一个强的依赖于现象的时空尺度概念［13-14］.延伸期稳定分量即在延伸期过程中占主导变化地位的、具有较大时空尺度的大气活动中心或遥相关型的配置，其活动变化受大气半永久活动中心的影响，甚至也可能是大气半永久活动中心在延伸期尺度上的振荡分量.延伸期稳定分量不同于天气尺度的长波活动，它更体现了超长波系统的移动和调整，与西风带的指数循环有较为密切的联系.因此，基于延伸期稳定分量来进行持续性雾霾天气生消和发展维持机制的研究具有十分重要的意义，以此为突破口，提高持续性雾霾天气的延伸期预报技巧具有可行性.

本文在以往研究的基础上对京津冀地区持续性雾霾天气过程背后的稳定分量进行提取，分析其在延伸期尺度上对持续性雾霾的作用，对于分析和预报持续性雾霾有重要的意义.同时对照雾霾发生前后转折时段的延伸期稳定分量，探讨持续性雾霾天气的生消机制.

1 资料和方法

1.1 资料

使用资料主要包括：NCEP-DOE ReanalysisⅡ1979—2018年全球位势高度场、温度场、风场和相对湿度场逐日资料（来源于NOAA/OAR/ESRL PSD，Boulder，Colorado，USA，http：//www.esrl.noaa.gov/psd），水平空间分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向从1000～10 hPa共17层等压面.地面观测数据来源于国家气象信息中心整编的中国地面逐小时资料，主要选取1979—2018年京津冀146个测站的能见度和相对湿度等数据（http：//data.cma.cn）.

1.2 雾霾天气界定方法

根据中华人民共和国国家标准（GB/T 36542—2018）规定，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、吹雪、雪暴、烟幕等影响视程的天气现象后，水平能见度小于10 km、相对湿度小于80%的天气直接识别为霾.根据地面气象观测规范［15］，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、吹雪、雪暴、烟幕、霾等影响视程的天气现象后，能见度小于10 km（1 km）、空气较潮湿（相对湿度接近100%）时记为轻雾（雾）.本文参考相关的研究［4，16］，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍，如果一天（24 h）中的08时、14时和20时3个时次的平均能见度小于10 km，则记为一个雾霾日.

参考张禄等［17］提出的雾霾指数计算方法，利用08时、14时和20时3个时次的能见度计算得到日平均能见度，然后对日平均能见度序列进行处理，将日平均能见度大于10 km取为0，另外如果某日出现降水、沙尘暴、浮尘、扬沙、吹雪、雪暴和烟幕等天气现象，则该日平均能见度也取为0，即仅保留雾霾日的能见度序列.对该序列进行归一化处理，然后用1减去该序列，即得到雾霾指数序列.

1.3 稳定分量的提取方法

研究方法主要采用Pearson提出的经验正交函数（EOF）分解及其逆运算，具体方法参见文献［18］.郑志海等［19-20］的研究表明，可通过EOF方法压缩自由度，提取能够反映原变量场变化的大部分信息.本文基于EOF方法提取稳定分量，各垂直层次分别进行.以500 hPa位势高度距平场为例，具体步骤如下.

1）对1981—2010年500 hPa历史同期位势高度距平场进行EOF分解：

式中：F为由位势高度距平场构建的资料阵；V为空间函数阵；T为时间函数阵.若把V看作一组正交基向量，则可以将不同时次的500 hPa位势高度距平场看作是若干个典型场由不同权重线性叠加而成.

2）通过计算进一步可以得到V′（一组正交基向量组成的空间函数阵）：

3）将同期历史资料分别在V′投影展开：

由于V′是一组正交基向量组成的空间函数阵，因此可以取解释方差较大的少数EOF分量进行合成（本文选取前5个分量进行合成），即可得到500 hPa位势高度距平场稳定分量.

2 持续雾霾天气过程稳定分量分析

2.1 稳定分量分析

2016年12月下旬—2017年1月上旬全国出现了大范围的雾霾天气，京津冀地区尤为严重.本文选取2016年12月25日至2017年1月8日共15 d作为研究时段，考察在此期间持续性雾霾天气环流形势的稳定分量变化情况（图1）.

图1 研究时段位势高度场、相对湿度场和风场距平场稳定分量分布图Fig.1 Distribution of the stable components of geopotential height anomaly field，relative humidity anomaly field and wind anomaly field during the research period

1）由图1可知，与亚洲极涡相对应，在亚欧中高纬地区上空呈现一个非常强大的气旋式环流，几乎贯穿整个对流层，垂直层次越高，环流中心越集中，在高层100 hPa位势高度距平场稳定分量图上表现为中心在亚洲东北部的东西伯利亚地区上空负距平区，而在低层700 hPa和850 hPa环流中心较为分散，环流中心向亚洲西部分散，但仍集中在中高纬地区.在中高纬度，有一个较为明显的波列沿纬向的大圆路径传播，西起乌拉尔山，东到北太平洋地区.该波列的存在是中高纬地区较强的纬向环流特征的体现，这种形势不利于冷空气向南传输，对京津冀地区的冷空气活动起到了阻断削弱的作用.

2）在中低纬度地区对流层的中上层有两个相对较强的反气旋式环流，一个中心位于东亚的京津冀地区以东，一个中心位于阿拉伯地区.其中京津冀地区东侧的反气旋式环流从850 hPa至100 hPa几乎一直稳定维持.受其影响，京津冀地区上空各层均受偏南风分量控制，且伴随相对湿度大值区，尤其在低层，相对湿度较大.

3）在中高纬气旋式环流和中低纬反气旋式环流的共同影响下，欧亚大陆中部的西风带系统得到异常加强，西风急流较为宽广且影响范围较大，但整体位置偏北.低层850 hPa也呈现较为宽广的西风形势.这种强西风形势阻挡了冷空气南下影响京津冀地区，少冷空气活动以及暖湿气流控制等因素都为京津冀地区出现持续性雾霾天气提供了有利条件.

从图2和图3（b）位势高度距平场稳定分量的空间立体分布形势分析可以发现：①在中高纬度地区存在一个宽广深厚的负距平中心，控制范围为20°～150°E和60°N以北地区，垂直层次几乎从地面一直向上伸展到平流层，在100°～150°E和60°～80°N有一个较强的负距平中心.这与中高纬度的气旋式环流形势相对应.②在中纬度地区存在几个分散的正距平中心，一个中心位于30°～60°N和100°～150°E附近，主要在700～100 hPa；另外，在中亚阿拉伯地区上空及欧洲南部地区上空各有一个强度稍弱的正距平中心，分别对应着中低纬度的反气旋式环流，并且在160°E以东地区还有一个较强的正距平中心.③在欧亚大陆上空中纬度和高纬度整体大致呈现南正北负分布形势，这种分布形势加剧了中纬度地区西风带的强度和影响范围.

图2 研究时段位势高度距平场稳定分量垂直剖面分布图Fig.2 Vertical profile distribution of the stable components of geopotential height anomaly field during the research period

2.2 稳定分量随时间演变情况

为进一步考察稳定分量随时间的演变情况，从研究时段向前向后扩展各取一个时段（15 d），分别计算位势高度距平场稳定分量并进行对比研究.在研究时段之前的15 d（2016年12月10—24日）京津冀地区仅发生了一次严重雾霾天气过程，持续时间较短，影响范围也比研究时段要小.在研究时段之后的15 d（2017年1月9—23日）京津冀地区发生雾霾的范围迅速缩小，平均能见度保持在较高的水平.为方便对比，3个时段取同一组正交基进行投影展开.图3分别为3个时段位势高度距平场稳定分量500～100 hPa的平均分布状况立体分布图，图4分别为6个不同地区的区域平均位势高度距平场稳定分量在3个时段的垂直分布曲线.

图3 研究时段及前后时段位势高度距平场稳定分量对流层中上层（500～200 hPa）平均分布图Fig.3 Average distribution of the stable components of geopotential height anomaly field in the middle and upper troposphere（500～200 hPa）during the research period and before and after the research period

图4 研究时段及前后时段位势高度距平场稳定分量垂直分布图Fig.4 Vertical distribution of the stable components of geopotential height anomaly field during the research period and before and after the research period

由图3和图4可知：①整体而言，在研究时段的前15 d（2016年12月10—24日），位势高度距平场稳定分量中正距平分布范围更广泛，中高纬和极地地区也呈现弱的正距平形势，从而弱化了中高纬的气旋式环流；中纬度地区亚洲东部以较强的正距平为主，但在亚洲西部欧洲东南部有一个较强的负距平区域，这种形势导致欧亚大陆总体呈现较强的经向环流形势，不利于京津冀地区长时间维持静稳天气.②在研究时段（2016年12月25日—2017年1月8日），亚洲东北及以东区域正距平进一步增强并向中高纬扩展，亚洲西部负距平中心减弱，其余地区位势高度场距平均呈减小趋势.逐步形成南高北低的形势，向着有利于纬向环流维持的形势调整.③在研究时段的后15 d（2017年1月9—23日），中高纬地区出现一个强大的正距平中心，中低纬地区以弱正距平和负距平形势为主，整体呈现北高南低的形势，在亚洲东部和北部有利于冷空气南下.同时在京津冀地区东部有一个负距平中心，利于引导冷空气南下.在此时段冷空气活跃，不利于雾霾的持续发展.

2.3 气候背景稳定分量分析

大气环流系统的调整，除了与准双周的低频变化有关外，还受更长时间尺度的低频变化影响.因此，要搞清楚影响京津冀地区持续雾霾的关键系统，还需要进一步研究更长时间尺度稳定分量的影响作用.

不少学者的研究表明，中高纬环流系统也存在较为明显的60 d左右周期的低频振荡［21］.将研究时段向前后扩展60 d，并计算该时段位势高度距平场稳定分量.由图5可知，在60 d尺度稳定分量中，中低纬度分布形势与研究时段较为相似，以几个分散的正距平中心为主，中高纬度，尤其在亚洲北部40°～160°E和40°～70°N主要呈负距平分布形势，在亚洲西部60°～100°E和40°～70°N有一个较强的负距平中心.但在极地和高纬以正距平为主，在亚洲东北部至极地附近120°～170°E和70°～90°N有一个较强的正距平中心.

图5 研究时段前后60 d平均位势高度距平场稳定分量对流层中上层平均分布图Fig.5 Average distribution of the stable components of 60-day average geopotential height anomaly field in the middle and upper troposphere before and after the research period

总之，60 d尺度的位势高度距平场稳定分量为15 d持续雾霾研究时段的稳定分量提供了重要的环流背景.在此基础上，中纬度西风急流进一步加强，中纬度地区呈现深厚宽广的纬向环流形势，阻碍了冷空气南下，从而形成了京津冀地区持续雾霾天气事件.

2.4 稳定分量与持续雾霾严重程度和发生频次的关系

从京津冀地区区域持续性雾霾天气过程历史资料中选取最为严重的20次个例过程，计算其与研究时段500 hPa位势高度距平场稳定分量的距平同号数（图6），并计算雾霾指数与500 hPa位势高度距平场稳定分量相关系数（图7）.

由图6可以看出，在持续雾霾发生时中低纬往往分布较相似，即副热带系统偏强，向中纬度尤其京津冀地区输送暖湿空气较为有利，从而有利于持续雾霾的发生.另外，在乌拉尔山以东的西西伯利亚地区也有较好的相似分布性.由图7可以看出，欧亚大陆北部，尤其是西西伯利亚地区的位势高度场分布与京津冀地区雾霾严重程度有较好的相关关系，即西西伯利亚地区位势高度场偏高越明显，京津冀地区雾霾越严重.该区域位势高度场偏高，一方面减弱了冷空气的向京津冀地区输送；另一方面使得冷空气向南输送通道向东推移，从而对京津冀地区影响偏弱.

图6 历史雾霾个例与研究时段500 hPa位势高度距平场稳定分量同号数分布图Fig.6 Distribution of the stable components of geopotential height anomaly field at 500 hPa during the research period with the same sign number of the historical fog and haze case

图7 500 hPa位势高度距平场稳定分量与雾霾指数的相关系数分布图Fig.7 Distribution of the correlation coefficient between the stable components of geopotential height anomaly field at 500 hPa and the indexes of fog and haze

3 结论

通过对京津冀地区2016年12月下旬—2017年1月上旬典型的持续雾霾天气过程的研究，得出如下结论：

1）研究时段内在亚欧中高纬地区上空有一个非常强大的气旋式环流，在中低纬度地区则呈现两个相对较强的反气旋式环流，在它们的共同影响下，欧亚大陆中部的西风带系统得到异常加强，这种形势阻挡了冷空气南下影响京津冀地区.同时，京津冀地区东侧的反气旋环流带来大量暖湿空气.少冷空气活动以及暖湿气流控制等因素，都为京津冀地区出现持续性雾霾天气提供了有利条件.

2）从位势高度距平场稳定分量的空间立体分布形势分析可以发现：在中高层，有一个较为明显的波列沿中高纬地区的大圆路径传播，西起乌拉尔山，东到北太平洋地区.该波列的存在是中高纬地区较强的纬向环流特征的体现，这种形势不利于冷空气的向南传输，对京津冀地区的冷空气活动起到了阻断削弱的作用.另外，在中高纬地区存在着一个宽广深厚的负距平中心，在中纬度地区存在几个分散的正距平中心，它们共同在欧亚大陆上空中纬度和高纬度构成南高北低的偶极分布形势，加剧了中纬度地区西风带的强度和影响范围.

3）通过对持续雾霾过程前后阶段稳定分量的演变情况分析发现：整体而言，在研究时段的前15 d位势高度距平场稳定分量中正距平分布范围更广泛，中高纬和极地地区也呈现弱的正距平形势，从而弱化了中高纬的气旋式环流；中纬度地区亚洲东部以较强的正距平为主，但在亚洲西部欧洲东南部有一个较强的负距平区域，这种形势导致欧亚大陆总体呈现较强的经向环流形势，不利于京津冀地区长时间维持静稳天气.到了研究时段的后15 d，中高纬地区出现一个强大的正距平中心，中低纬地区以弱正距平和负距平形势，整体呈现北高南低的形势，在亚洲东部和北部有利于冷空气南下.同时在京津冀地区东部有一个负距平中心，利于引导冷空气南下.在此时段冷空气活跃，不利于雾霾的持续发展.

4）更长时间（60 d）尺度的位势高度距平场稳定分量为15 d持续雾霾研究时段的稳定分量提供了重要的环流背景.在此基础上，中纬度西风急流进一步加强，中纬度地区呈现深厚宽广的纬向环流形势，阻碍了冷空气南下，从而形成了京津冀地区持续雾霾天气事件.

如何基于稳定分量分析和预报持续雾霾天气的发生和演变，值得进一步研究和思考.另外，影响持续雾霾天气前后阶段稳定分量调整变化的原因机制有待进一步研究.