喀拉海和巴伦支海海冰对中高纬异常纬向环流暨中国东部重霾天气形成的作用
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大尧科擘学拍■
http ://dqkxxb.cnjournals.org2019年第42卷第2期：267-279
喀拉海和巴伦支海海冰对中高纬异常纬向环流
暨中国东部重霾天气形成的作用
陈诚！，牛涛"，陆尔
① 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南
京 210044;
② 中国气象局灾害天气国家重点实验室/中国气象局大气化学实验室/中国气象科学研究院，北京
1000+1
!联系人，E-mail:elu@ nuist.edu.cn
2018-05-18 收稿，2018-06-26 接受
国家重大研发专项“大气污染”专项项目（2016YFC0203306);自然科学基金重点资助项目（91744209)
摘要采用1981年1月一
2017年2月国家气象信息中心雾、
霾数据集资料、
同期
NCEP/NCAR
再分析资料以及哈德来中心的海冰资料，
分析了秋冬季喀拉海和巴伦支
海海冰变化与东亚冬季风暨中国东部冬季雾和霾日数变化特征之间的关系。
研究结果
表明，
喀拉海和巴伦支海海冰对亚洲区中高纬纬向环流有重要影响，
秋季海冰异常偏少
是冬季亚洲区中高纬异常纬向环流形成的诱因之一。
该地区秋季海冰偏少年，
冬季亚
洲中高纬地区纬向环流异常偏强，
东亚大槽偏弱，
影响我国东部地区的东亚冬季风减
弱，
这为大气污染物在水平方向上的聚集提供了有利条件，
同时在海冰偏少年，
对流层
从中层向下均为正温度距平，
与地表温差减小，
不利于对流发展，
使得大气的状况变得
更加稳定，
不利于大气污染物在垂直方向上的扩散，
水平和垂直方向上的共同作用导致
中国东部地区易发生霾天气过程。
虽然喀拉海和巴伦支海海冰是影响中国东部地区冬
季霾过程发生的重要因子之一，
但其对冬季中国东部雾天气发生日数多寡的影响并不
显著。
亚洲区纬向环流指数相比经向环流指数更能反映中国东部地区冬季雾-霾日数
的变化，
冬季亚洲中高纬纬向环流越强，
中国东部地区雾-霾日数越多。关键词
海冰；
雾；
霾；
东亚冬季风;
纬向环流
雾是指近地面水汽凝结成大量悬浮在空气中的
微小水滴或者冰晶，
导致水平能见度低于1 km
的视
程障碍现象。
霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮
游在空中，
使水平能见度小于10* km
的空气普遍
混浊现象，
且在一天中任何时刻均可出现，
能使远处
光亮物体微带黄、
红色,
使黑暗物体微带蓝色。
近些
年来，
全国各地的雾-霾天气加剧频发，
不仅对交通
出行造成了很大阻碍，
更对人体健康带来了巨大影
响。
污染控制需要区域共同参与才能真正得到落
实，
各地政府积极响应国家政策并纷纷制定了空气
清洁计划或者大气污染防治条例等相关规定计划
(
Zhang
et
al
.,
2013b;
Wang
et
al
.,
2014a)。雾和霾在空间分布上具有显著差异，雾的分布
主要与地理因素有关，而霾的分布主要受城市工业
的污染排放源所造成的影响（孙或等,2013)。关于
雾和霾长时间范围内的变化特征的研究，前人得到
的结果基本一致，雾和霾日数的年代际变化差异明
显，雾日数具有明显的前后20 a
波动变化，20世纪
90年代前增后减，霾日数自2001年以来急剧增加
(刘小宁等，2005 ;胡亚旦和周自江，2009;吴兑等，
2010;陶丽等，2016)。在季节变化上，雾和霾日数
的分布类似，秋冬的雾和霾分布大于春、夏季（孙或
等，2013)，霾易发期由冬季转变为全年（Yin
et
al
.，
2015a
)。大气污染日益严重，以京津冀、长三角和
引用格式：陈诚，牛涛，陆尔，2019.喀拉海和巴伦支海海冰对中高纬异常纬向环流暨中国东部重霾天气形成的作用[J].大气科学学报，42
(2) ：267-279.
Chen C，Niu T，Lu E，2019.Effect of ice in the Barents-ICaa Seas on zonal circulation over mid-high latitudes and severe haze events in
eastern China# J] .Trans Atmos Sci，42( 2) ： 267-279.doi： 10. 13878/j.cnki.tlqkxxb.20180518001. ( in Chines
).大冬科擘学报 2019年3月第42卷第2期
珠三角为代表的三个经济发达区的复合型污染日益
严重并由单一型向复合型转变，从而造成霾天气频
繁发生（王跃等，2014)。霾天气现象的急剧增多不
单单是由于大气污染物排放增多造成的，当地所处
背景气象和气候的条件也起到很重要的促进作用。
排人大气中的污染物主要来源于自然排放和人类活
动，一段时期内总量大致稳定但在不同气象条件下，
同一人为污染源所造成的局地大气污染物浓度可能
相差很大，故气象条件是决定性的控制因素，随着局
地气象条件的不同，大气对污染物的扩散稀释能力
有着极大的不同％吴兑，2011)，近些年来关于小范
围地区的雾、霾过程的研究逐渐增多（刘端阳等，
2014;吴丹等，2016;于文金等，2016;郑龙飞等，
2016;包云轩等，2018)。
在2013年1月，我国东部地区发生了影响范围
大、持续时间长、强度严重的雾-霾天气。有研究表
明，此次雾-霾天气过程的形成是由于对流层中低层
的南风水汽输送和中层空气对流活动受异常正变压
抑制共同造成的，偏弱水平风垂直切变和强逆温等
动力和热力因素是造成雾-霾天气过程能够持续长
时间的原因（11^
115 8#21.，20132)，而不是污染源排
放突然增多导致的（
Wang
et
al.，2014
b)。霾日的平
均相对湿度降低不利于霾粒子向雾滴转换，温度和
饱和比湿由于气候变暖增加导致中国近地面相对湿
度减少，对雾和霾的形成可能产生了一定的影响'霾
日发生频率增加时，总体能见度明显下降％
Ding
and
L>，2013)。东亚冬季风对我国冬季的天气和气候
有着直接作用。从1986年开始东亚冬季风的强度
和变率出现了年代际尺度的减弱％贺圣平和王会
军，2012)，环流形势在水平方向和垂直方向上都不
利于污染物的扩散，从而有利于霾的形成％
Yin 8
a1.，2015
b)。中国中东部地区冬季霾的发生频次与
东亚冬季风的年代际变化以及大气湿度的变化有着
密切的关系，东亚冬季风强度的减弱，地面风速减小
和冬季气温升高，大气层结稳定度，从而导致冬季霾
日增多（吴萍等，2016)。
Chen
and
Wang % 2015)发
现，夏季和秋季的霾日数增长趋势明显，春季和冬季
的霾日数在20世纪60年代、90年代至21世纪00
年代相对较低，在20世纪70年代到80年代相对较
高。城市地区的雾、霾变化与农村地区的雾、霾变化
十分相似，但由于气溶胶排放量高，城市地区雾、霾
天数更多。相比东亚冬季风，£奶0(杻恥[〇-
Southem
Oscillation)与霾的关系更加稳定，
ENSO
事件对于霾的发生频率有着超前的影响且能够用来进行季节尺度的霾日预报（
Gao
and
Li，2015)。秋
季北极海冰减少引起中纬欧亚大陆海平面气压升
高，中国气旋活动轨迹向北偏移，40°
N以南中国东
部
Rosby波活动偏弱，大气稳定度升高，霾日数增
多（
Wang
et
al+2015)。全球变暖对于我国部分地
区重大霾过程也起到一定的促进作用（
Zou
et
al.，
2017)，在多种模式中对比了历史（1950—1999年）
和未来（2050—2099年）
RCP8. 5情景气候下这些天
气条件的频率和持续时间，类似2013年1月的诱发
性天气条件的频率将增加50
Z，持续时间增
加 80
Z。
以上工作从多方面讨论了中国东部雾和霾的形
成原因和特征，但是资料系列最长截止在2014年。
2015年和2016年中国东部地区又发生了严重的大
气污染事件，本文采用国家信息中心最新的雾、霾日
数数据集，并将该数据集订正到2017年2月。本工
作不仅包含了 2015和2016年的严重雾、霾过程，并
且与前人工作不同的是！1)本工作在雾、霾日数订
正过程中保留了轻雾，减少了被遗漏的雾、霾日数，
更能反映真实的雾、霾日数情况；2)研究了秋季巴
伦支海和喀拉海海冰减少对冬季亚洲区纬向环流的
影响。尽管很多研究都指出纬向环流加强对雾、霾
的形成具有非常重要的作用，但是并没有工作详细
讨论形成严重雾、霾的异常纬向环流是什么原因造
成的，这一点将在本文中详细论述。
1资料与方法
! 1资料来源
所用观测资料来自中国气象局国家气象信息中
心的雾、霾专题数据集，包括1981—2017年地面观
测的雾、霾天气现象和每日4次定时观测的大气能
见度、相对湿度、风向风速数据。使用美国国家环境
预测中心/国家大气研究中心（
National
Center
for
EnvironmentalPrediction/
NationalCentemfomAtmos-
pheric
Research，
NCEP/NCAR)提供的再分析资料
(
Kalnay
et
al.，1996)，包括 1981—2017 年逐月位势
高度场、气温、风场、相对湿度，水平分辨率2. 5 °
x
2. 5°，垂直17层。海冰覆盖率资料来自英国哈德来
中心（
Met
Office
Hadley
Centre)提供的 1981—2017
年月平均海冰（
ICE)资料（
Rayner，2003 )。亚洲纬
向环流指数和亚洲经向环流指数来自国家气候中心
气候系统监测指数集。
本文中所指的冬季为当年的12月和次年的1、
2月，例如2010年冬季指2010年12月、2011年1
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