1961—2017年華北區域大氣自凈能力變化特征及其影響因素分析

井元元，李宏宇，張婧，許啟慧，劉咪咪

（1.河北省氣象與生態環境重點實驗室，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，經濟快速發展、城市化進程不斷加快，我國大氣環境污染形勢較為嚴峻，一些經濟活動密集地區，如長三角（長江三角洲）、珠三角（珠江三角洲）、京津冀等城市群的空氣污染問題日趨嚴重[1-2]。氣象條件對空氣污染的影響問題多年來一直備受關注，當外界污染物排放量比較穩定時，氣象條件對空氣污染的程度和影響路徑具有關鍵性作用[2-4]。國內學者將表征空氣污染氣象條件的綜合指標作為主要研究方法，徐大海等[5-7]在分析擴散矩陣和箱模式的基礎上，提出了表征大氣污染擴散能力的大氣通風量和大氣環境容量的分析計算方法。基于此，有學者[1-2,8-12]研究了河北、山東、內蒙古、浙江、安徽、四川及重慶等地區大氣環境容量的氣候變化特征；與之類似，國外學者[13-14]在研究污染氣象條件的氣候分布特征時，定義了通風系數（混合層高度內風速乘以高度的積分）這一概念。

朱蓉等[3]根據大氣自身運動對大氣中污染物的通風稀釋和濕清除能力，在大氣通風量的基礎上，定義了大氣自凈能力指數(ASI)，研究了其氣候特征并在大氣污染預報中得以應用。已有研究[3-4,15-16]表明，京津冀地區和內蒙古等地大氣自凈能力呈顯著下降趨勢，全年低自凈能力日數上升，本世紀以來其增幅明顯增加，且低值區域面積逐漸擴大，氣象條件對污染物的清除能力變弱，太行山一線特殊地形下的背風區更是不利于大氣污染物的擴散。此外，有學者[10,17-19]研究表明空氣質量與大氣自凈能力存在一定對應關系，如天津、黑龍江等區域的重污染事件多出現在低大氣自凈能力時段。以往對華北地區大氣污染特征的研究多拘泥在省域較小空間尺度上，對華北區域較大范圍大氣自凈能力指數的長期演變規律研究較少，因此有必要在區域空間尺度上開展分析。

近些年，國內外學者開展了大量空氣污染與氣象因子關系的研究。研究結果表明對流層低層逆溫、高濕和高溫、穩定大氣層結等氣象條件與中國東部等地霧霾天氣過程及其空間分布關系密切[20-21]，而高溫和低濕、小風和強日照等氣象條件對臭氧濃度影響較大[22-23]。對于河北地區，地面風速、降水和邊界層高度等天氣和氣象要素是決定其大氣環境容量的重要氣象要素[8]。而風速減小、小風頻率、冷空氣強度、混合層高度下降和城市化進程加快等因素均對大氣自凈能力指數下降有重要貢獻[4,15]。

鑒于華北區域大氣污染事件頻發，本文利用ASI指數，系統分析了1961—2017年華北區域大氣自凈能力的時空變化特征、年際突變及頻譜差異，結合ASI的REOF空間載荷場分布特征，將華北區域進行分區，并研究了氣象要素與華北區域及各分區的可能聯系；對于大氣自凈能力較低的IV區，選擇近年污染相對嚴重的部分城市（石家莊、保定和唐山），對比給出了ASI與污染氣象條件及不同級別空氣質量天數占比情況。

2 資料和方法

2.1 資 料

本文中華北區域包括北京、天津、內蒙古、河北和山西，采用中國氣象局共享網站中華北區域的80個國家級地面氣象觀測站（圖1）1961年1月1日—2017年12月31日的氣象觀測資料，包括氣溫、相對濕度、平均風速、總云量、低云量以及24 h降水量（08時—08時，北京時間，下同)[4]；大西洋年代際振蕩(AMO)指數源自美國國家海洋與大氣管理局資料網站（https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/）。城市污染氣象條件（混合層高度、地表通風系數和靜穩天氣指數[24]）及環境空氣質量指數(AQI)均源于河北省環境氣象中心。

2.2 方 法

本文基于國家地面氣象觀測站資料，利用朱蓉等[3]提出的大氣自凈能力指數(ASI)分析華北區域大氣自身運動對大氣中污染物的清除作用，該指數可以較好地反映出大氣對污染物清除能力的空間分布特征及變化特點。由于夜間云量觀測資料的局限性，我們只計算每日14時的ASI，其可用來表征全天大氣對污染物總體清除能力，計算公式為[4]：

式中，ASI單位為t/(d?km2)；右式第一項中VE為大氣通風量，表征大氣對污染物的通風擴散能力；第二項是降水對大氣污染物的清除能力；n為降水小時數，R為小時降水量，單位為mm/h；S為區域面積，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t(MT)檢驗方法相結合，對華北區域全年和四季大氣自凈能力指數進行突變檢驗分析[8]；基于Morlet小波對比了全年和四季大氣自凈能力指數頻譜能量分布差異。此外，還將旋轉主成分分析(REOF)得到的不同模態空間場高載荷區與氣候值空間分布相結合進行區域劃分。

圖1華北區域海拔高度（m）及選定氣象站點的空間分布情況

3 結果分析

3.1 ASI歷年及季節變化分析

圖2給出1961—2017年華北區域平均年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年達最高值，2007年到達最低值，總體呈顯著減弱趨勢（通過0.01顯著性水平檢驗），線性趨勢的減弱速率為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，之后持續減弱，其中1970年代到1980年代減弱最明顯，至20世紀末明顯低于氣候值，21世紀前10年為近五十幾年以來最低，僅4.59 t/(d·km2)，2010年以來呈現出一定增強趨勢。

圖2 1961—2017年華北區域平均年大氣自凈能力指數歷年變化 單位：t/(d·km2)。

華北區域ASI月際差異明顯（圖略），整體呈“M型”雙峰分布，峰值出現在4月，高達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月大氣自凈能力相對較低，分別為4.39和4.47 t/(d·km2)。

圖3給出了1961—2017年華北區域平均四季ASI歷年變化，統計得出ASI春夏秋冬四個季節氣候值分別為6.08、4.97、4.71和4.12 t/(d·km2)；一年中，春季大氣對污染物總體清除能力最強，冬季最弱，從春到冬大氣自凈能力逐漸下降，總體呈現顯著減弱趨勢（通過0.01顯著性水平檢驗）。春季和冬季線性趨勢的減弱速率相對較大，分別為0.41和0.40 t/(10a·d·km2)，秋季和夏季線性趨勢的減弱速率相對較小，分別為0.35和0.30 t/(10a·d·km2)。四個季節ASI與年ASI呈現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世紀前10年為近五十多年以來最低。春季和夏季均在1960年代到1970年代為增強趨勢，之后持續減弱，夏、秋和冬季大氣自凈能力均于21世紀10年代初轉為增強。隨著改革開放和城鎮化建設步伐加速，下墊面粗糙度增加，這促使風速逐漸降低，加之氣候變暖背景下經向環流的減弱引起了亞洲冬夏季風的減弱，而且冬季風的減弱趨勢較夏季風更為明顯[16]，因此與上述結果相一致，冬季的大氣自凈能力也呈現出和夏季類似的減小趨勢。

圖3 1961—2017年華北區域平均四季大氣自凈能力指數歷年變化 單位：t/(d·km2)。

3.2 ASI氣候值的空間分布

華北區域年ASI氣候值空間分布差異明顯（圖4），其與圖1所示的華北區域海拔高度空間分布，存在一定對應關系。圖1和圖4對比可以發現海拔高度及山脈走向對區域自然氣候條件有直接影響，其中海拔高度相對較低的山前平原地區，包括京津冀大部、內蒙古東部和東北部等區域大氣自凈能力相對較低，而海拔高度較高的內蒙古中部及山西西北部部分區域大氣自凈能力相對較高。四季ASI氣候值的地理分布特征與年際結果相類似（圖5），京津冀和山西大部、內蒙古東北部和中部偏西地區大氣自凈能力較低，內蒙古中部等其他地區大氣自凈能力較高。冬季內蒙古地區大氣自凈能力減弱明顯，其東北部和中部偏西地區與京津冀南部污染嚴重區域大氣自凈能力數值相當，這可能與上述地區冬季風速的減弱有關[25]，中部偏西區域為呼和浩特和包頭等大城市區，城市群的聚集會影響風速、混合層高度等大氣擴散條件，使得冬季大氣自凈能力減弱明顯[16]。

圖4 華北區域年大氣自凈能力指數氣候值空間分布 單位：t/(d·km2)。

圖5 華北區域四季大氣自凈能力指數氣候值空間分布 單位：t/(d·km2)。

1961—2017年華北區域年和四季ASI線性趨勢變化速率的空間分布（圖6和圖7）表明，華北區域大部分地區大氣自凈能力呈顯著減弱趨勢（通過0.01顯著性水平檢驗），其中河北東部及西北部、內蒙古中部部分站點線性趨勢的減弱速率超過0.6 t/(10 a·d·km2)，且季節變幅存在差異，冬季和春季線性趨勢的減弱速率最為明顯，夏季和秋季相對較小。全年有74個站顯著下降，占統計站數的92.5%；春季和秋季下降站點較多，達73個，占統計站數的91.25%；夏季次之，為72個，占統計站數的90%；冬季為70個，占統計站數的87.5%。

圖6 1961—2017年華北區域年ASI線性趨勢變化速率空間分布 單位：t/(10 a·d·km2)。

圖7 1961—2017年華北區域四季ASI線性趨勢變化速率空間分布 單位：t/(10a·d·km2)。

3.3 ASI突變檢驗及能量譜分析

將MK和MT檢驗相結合，計算獲得了1961—2017年華北區域年和四季ASI的年際突變檢驗結果。結果表明，秋季MT檢驗結果的峰值年份多為1998年，而MK檢驗正反序列的交點出現在1990年代初，這與許啟慧等[8]研究結果相類似；以華北區域秋季ASI的歷年值MT檢驗的峰值年和MK檢驗的交點年為界，比較前后序列的多年平均值，結果表明以1998年為界時，歷年序列前后多年均值相差最大，這反映出秋季華北區域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間尺度振蕩的強弱（圖略），1961—2017年華北區域年ASI的Morlet小波能量譜分布與總體時段波譜分析相一致，在年際和年代際尺度上不存在顯著高能量區，其全時域顯著高能量振蕩區位于64年左右，且年際能量譜分布差異明顯。季節能量譜分布與年際相類似，全時域顯著高能量區均位于64年左右，年際差異具體表現為：夏季在1965—1973年間存在3年左右帶狀連續顯著高能量區；秋季在1963—1966年及1968—1977年存在2～4年的不連續顯著高能量區；冬季在1961—1969年和2000—2005年左右存在2～4年的帶狀連續高能量區。

3.4 ASI分區特征分析

上述分析（圖4和圖5）表明，華北地區ASI空間差異明顯，為進一步討論華北地區ASI的區域差異，下文對ASI空間場的前10個主成分進行正交旋轉，得到年大氣自凈能力指數REOF的前4個模態方差貢獻率分別為34.1%、25.7%、6.7%和5.9%，四個季節大氣自凈能力指數REOF的第一模態方差貢獻率分別為24.9%、17.6%、22.5%和36.0%。圖8中陰影區域顯示的是華北區域大氣自凈能力指數REOF的高載荷區（≥0.4），年RE‐OF1的高載荷區主要分布在內蒙古東北部、內蒙古中部及京津冀中部區域；春季REOF1的高載荷區與年值相類似，冬季REOF1方差貢獻最大，且在內蒙古中部、南部及京津冀區域存在明顯的高載荷區。綜合考慮大氣自凈能力的空間分布和華北區域地形特征，嘗試將華北區域大氣自凈能力指數分為4個區：I區為內蒙古東部（20站），II區為內蒙古中部和南部（24站），III區為山西地區（14站），IV區為京津冀區域（22站）（圖8）。

圖8 1961—2017年華北區域年大氣自凈能力指數REOF的前四模態和四季大氣自凈能力指數REOF的第一模態空間分布、分區結果及站點分布情況

下面對各分區ASI的氣候值及年際線性趨勢變化速率進行分析，其中Ⅱ區大氣自凈能力相對較高，氣候值達5.84 t/(d·km2)，Ⅰ區和Ⅲ區次之，氣候值分別為5.10和4.57 t/(d·km2)，Ⅳ區大氣自凈能力最低，僅4.19 t/(d·km2)，較Ⅱ區偏低28.3%。與華北區域年際ASI的線性趨勢變化速率相一致，各分區年和四季大氣自凈能力均呈現出顯著減少的趨勢（通過0.01顯著性水平檢驗），且春季和冬季線性趨勢的減弱速率相對較大。分區域來看，Ⅱ區大氣自凈能力線性趨勢的減弱速率最大，Ⅰ區和Ⅳ區次之，Ⅲ區大氣自凈能力線性趨勢的減弱速率相對較小。

表1 1961—2017年華北區域年和四季大氣自凈能力指數各分區的氣候值（單位：t/(d·km2)）及線性趨勢變化速率（單位：t/(10 a·d·km2)）

3.5 ASI與氣象條件的關系

為進一步考察氣象要素指標對華北區域ASI的影響程度，利用1961—2015年華北區域80個氣象站點資料，計算出了各站年和四季ASI與地面風速、氣溫、降水量和相對濕度的相關結果（表2）。對于華北區域，由正相關顯著站點占比可以看出，在不同氣象要素中，地面風速與大氣自凈能力指數的正相關最為顯著，其在四季和全年相關系數超過0.80，影響到全部站點區域，這表明地面風速是影響華北大氣自凈能力最重要的氣象要素，風速越大，大氣自凈能力越強，大氣自凈能力指數也因此越大，風速與大氣環境容量及霧霾指標之間關系的研究結果[8,26]也證實了該結論；氣溫次之，除冬季外，氣溫與ASI在其他三個季節均呈現顯著負相關，特別是夏季影響區域可以超過60%，這表明一定程度上伴隨天氣過程的降溫會顯著增強大氣自凈能力；相對濕度對大氣自凈能力的負相關影響主要表現在冬季和春季（76%和40%區域），而夏季的部分區域為正相關關系；降水量在夏季的正影響區域為60%，由于華北區域降水主要出現在夏季，降水對污染物的濕沉降清除作用在夏季也更為明顯，對其他季節的大氣自凈能力影響較小。

表2 1961—2015年華北地區及各分區年和四季大氣自凈能力指數與氣象要素的相關結果

與整體華北區域相關結果相類似，各分區大氣自凈能力仍與地面風速的相關最高，對比華北區域，氣溫在Ⅳ區的負影響范圍占比相對較大，尤其是秋季，氣溫的負影響范圍超過65%區域；降水對各分區的影響也主要集中在夏季，尤其是I區和Ⅲ區，正影響范圍為65%和79%區域；相對濕度亦為冬季負影響范圍最大，尤其是Ⅱ區和Ⅲ區，負影響范圍超過85%區域。

表3為華北區域ASI及相關氣象要素與時間的相關系數和線性趨勢變化速率，顯示出華北區域年和四季大氣自凈能力均顯著下降，與圖3顯示的結果一致，表明近地層大氣容納污染物的能力在降低。已有研究表明靜穩天數增加，空氣污染有一定增加趨勢，由氣象條件決定的大氣自凈能力指數對污染有一定貢獻[27]。另外，區域平均氣溫呈顯著增加趨勢，這與近50多年來全球變暖的總體趨勢是一致的，華北區域年平均氣溫增加速率可達到0.035oC/a。地面風速在春、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)，在全球和區域氣候變化背景下，冬季風環流減弱，天氣過程頻率和強度減弱，并降低了地面風速[28]，從而導致大氣自凈能力指數的降低趨勢。從季節角度來看，區域大氣自凈能力的下降主要由地面風速下降以及區域變暖伴隨的冷空氣過程減少造成的。

表3 1961—2015年華北區域平均大氣自凈能力指數及相關氣象要素與時間的相關系數和線性趨勢變化速率

3.6 ASI與污染氣象條件和不同級別AQI天數的關系

上述分析闡明了華北區域ASI時空分布與相關氣象要素之間的可能聯系。對于大氣自凈能力較低的IV區，下面選擇平原區域近年污染相對嚴重的部分城市（石家莊、保定和唐山），來對比分析2013—2017年ASI與污染氣象條件及不同級別AQI天數占比情況。具體來講，混合層高度越高，越利于污染區的垂直擴散；地表通風系數越大，越利于污染區的水平擴散；靜穩天氣指數越大，越不利于污染物的擴散。且對于同體量的污染排放，大氣自凈能力低時，污染愈頻發。從ASI與污染氣象條件總體來看，石家莊、唐山和保定地區的ASI與混合層高度和地表通風系數均呈現出同相月變化，而與靜穩天氣指數呈現出反相月變化，這與劉新等[16]對呼和浩特市地區的研究結果相似。從具體數值來說，唐山地區混合層高度最高，保定和石家莊相差不大；唐山地區地表通風系數最大，保定次之，石家莊相對較小；三個地區的靜穩天氣指數各月數值相接近。混合層高度與ASI同相變化最為一致（相關達0.73），而石家莊和保定地區ASI在6—8月受降水濕沉降的影響增加明顯，其與6—8月因降水天氣過程導致的混合層高度降低存在明顯差異；與混合層高度相似，地表通風系數與ASI的同相變化也在唐山最為突出（相關系數數達0.80）；靜穩天氣指數與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（相關系數達-0.76）。

圖9 2013—2017年石家莊、唐山和保定地區大氣自凈能力指數（單位：t/(d·km2)）與混合層高度（單位：m）、地表通風系數（單位：m2/s）和靜穩天氣指數（單位：1）的月變化對比

AQI不同級別的占比代表了空氣質量的大體分布情況，石家莊、唐山和保定地區AQI不同級別天數占比與ASI的月變化差異明顯，其中良和輕度級別天數占比與ASI呈現出一定的同相變化，而重度和嚴重級別天數占比呈現出明顯的反相差異，尤其是大氣自凈能力較低的冬季，嚴重級別天數占比明顯增多。從具體數值來說，分析時段，除冬季的12月、1月和2月外，良級別天數占比偏多，尤其是受通風影響的5月和受降水濕沉降影響8月更為明顯。整體來看，石家莊和保定地區的嚴重級別天數占比在12月和1月占比均較唐山地區偏高，尤其是石家莊1月嚴重級別天數占比接近40%，且保定地區ASI和AQI不同級別天數占比的相關較高，分析時段，其與輕度級別天數占比相關達0.56，與重度和嚴重級別天數占比的相關均為-0.58。

圖10 2013—2017年石家莊、唐山和保定地區大氣自凈能力指數（單位：t/(d·km2)）與AQI不同級別天數占比（單位：1）的月變化對比

4 結論與討論

通過對華北區域80個站大氣自凈能力變化特征及影響因素的分析得出以下主要結論。

（1）大氣自凈能力季節及區域差異明顯。一年中，大氣對污染物總體清除能力從春到冬逐漸下降；大氣自凈能力在京津冀和山西大部、內蒙古東北部和中部偏西地區較低，在內蒙古中部等其他地區較高。

（2）從長期變化趨勢來看，華北大部分地區年和四季大氣自凈能力均明顯減弱，其中河北東部及西北部、內蒙古中部區域ASI線性趨勢的減弱速率超過0.6 t/(10 a·d·km2)；年、季區域均值存在明顯的年際突變點，分別為1988、1988、1990、1998和1980年；全時域顯著高能量振蕩區位于64年左右，僅夏、秋和冬季，存在不同時段2～4年左右的不連續顯著高能量區。

（3）將華北區域大氣自凈能力分為4個分區，其中海拔相對較低的Ⅳ區大氣自凈能力最低，較Ⅱ區偏低28.3%。且在全球和區域變暖背景下，冬季風環流減弱，天氣過程頻率和強度減弱，并降低了地面風速，從而導致大氣自凈能力指數的降低趨勢。從季節角度來看，區域大氣自凈能力的下降主要是由地面風速下降以及區域變暖伴隨的冷空氣過程減少造成的。

（4）石家莊、唐山和保定地區ASI與混合層高度及地表通風系數均呈現同相月變化，而與靜穩天氣指數呈現反相月變化，其中唐山地區ASI與污染氣象條件變化的一致性較高。上述三個地區AQI不同級別天數占比與ASI月變化差異明顯，其中良和輕度級別與ASI呈同相變化，而重度和嚴重級別反相差異明顯。未來氣候預估結果[29-30]表明，秋冬季冷空氣活動很大可能變弱，風力減小，靜穩天氣增多；根據風速和氣溫對華北區域大氣自凈能力指數的影響規律，未來大氣自凈能力進一步降低的可能性很高。適當的減排和區域產業升級依舊勢在必行。

上文對ASI影響因素的分析僅停留在相關氣象要素的角度，海洋作為驅動大氣系統運動的重要能量來源，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，會對東亞氣候有重要的同期或者超前影響。有學者[31]研究表明，東亞氣溫超前北大西洋年代際振蕩（AMO）幾年，領先AMO變化的現象在近500年來一直存在，可能是自然氣候系統的一個內在特征，并通過模式結果揭示了氣溫升高后，對應出現的海平面氣壓梯度影響表層流，引起大洋間的淡水補償的氣溫超前的可能影響機制。鑒于氣溫對華北區域大氣自凈能力指數的重要貢獻，華北區域ASI與AMO的超前滯后相關結果表明，當年、季ASI均超前AMO 3～11年不等時，相關值超過同期相關達最大，但其影響機制仍舊不清楚，后面的工作還需要進一步分析揭示內部的物理機制。

致 謝：中國氣象局國家氣候中心朱蓉研究員和梅梅老師提供了大氣自凈能力指數的相關技術和資料，并提出了建設性建議，河北省環境氣象中心李二杰高級工程師對污染氣象條件及AQI數據的分析使用進行了指導，審稿專家對本文的修改及下一步工作的開展提出了非常寶貴的意見，謹此一并致謝。