对中国东部近期霾的研究：气候变化的作用外文翻译资料

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对中国东部近期霾的研究：气候变化的作用

Hui-Jun Wang^1,2,3 and Huo-Po Chen^2,3,1

1南京信息工程大学，气象灾害预报预警与评估协同信息中心，南京，中国

2中国科学院大气物理研究所，竺可桢-南森国际研究中心，北京，中国

3中国科学院气候变化研究中心，北京，中国

联系人: Hui-Jun Wang (wanghj@mail.iap.ac.cn)

收稿日期：2015年12月12日 ； 出版：Atmos. Chem. Phys.；

讨论日期：2016年1月18日；修订日期：2016年3月16日；

接受日期: 2016年3月18日 ；发表日期：2016年4月1日

摘要：

本文分析了1960-2012年冬季，中国东部霾污染的变化和趋势。这50年来，冬季霾日数总体上是增加的。根据中国北部（30-40°N）和东南部（30°N以南）冬季霾日数的变化情况，可将这50年划分为三个时段。结果显示，冬季霾日数在1960-1979年间逐渐增加，在1980-1999年间维持稳定不变，而在2000-2012年间快速增长。作者识别了除能源消费总量以外的主要气候强迫因子。在所有可能影响气候变化的因子中，前期秋季北极海冰面积、局地降水、冬季近地面风是霾污染的主要影响因子。能源消费总量快速增长，海冰面积的快速减少和降水量、地表风的衰减，共同加剧了华北中部2000年后的霾污染情况。同样，这一结论适用于华南东部2000年后的霾污染问题，但不同的是，降水效应在这一区域要弱一些而且在空间上存在差异。

1.介绍

近年来，中国霾问题愈演愈烈，对社会、生态系统和居民健康造成严重影响。例如，2013年1月，中国东部地区遭受到一次持续而且严重的霾天气，这是北京遇到的最高级别的空气污染，为此，气象部门发布了北京气象史上的首个雾霾橙色预警（Wang等，2014；Zhang等，2013）。更甚，空气污染的加剧，导致一些呼吸系疾病演变成心血管疾病、夭折和癌症这些严重的健康问题（Wang 和 Mauzerall，2006；Xu等，2013；Xie等，2014）。因此，政府部门和普通大众应该更加重视霾问题，并且身体力行减少空气污染，同时严格控制煤炭燃烧，工厂排放和机动车排放等污染源头。

早期研究证明，霾日数在经济较为发达的中国东部广泛增加，但在经济发展落后的地区存在下降的趋势（Wu等，2010）；同时，这种增长趋势自2001年后愈加显著（Sun等，2013）。因此，人类活动，诸如快速城镇化、经济发展，被普遍认为是中国东部这种霾长期增长趋势的主要原因（Wang等，2013）。以北京为例，尽管依然存在争议，但北京的机动车被认为是pm2.5的最大污染源，约有25%的排放源于此，而煤炭的燃烧和跨区域传输被认为是第二大污染源，两者共占了19%（He等2013；Zhang等2013）。在中国其他区域也能观察到类似的现象，例如位于中国西南部的成都，这是中国第二大无机气溶胶和煤炭的燃烧与跨区域传输的地区，分别占据了空气污染的37plusmn;18%和20plusmn;12%（Tao等，2014）。

显然，无需质疑人类活动在中国霾日数剧增的趋势中起的重要作用，然而，我们的深入研究表明，中国东部霾日数变化，在过去几十年间表现为不同的趋势。1960-1979年间霾日数上升，而在1980-1999年间变化不显著（甚至在华东地区的北部呈现出下降的趋势），而2000年后上升速度加快，和过去该区域持续和快速增长的能源消费总量并不吻合。考虑到气候变化能够通过影响局地大气环流，从而显著影响空气质量，所以，当讨论到霾的变化时，必须考虑气候变化的影响。研究认为，大气中地表风速（Gao等，2008）和相对湿度（Ding和Liu，2014）的减少，对华东地区霾日数的增加起着重要作用，Chen和Wang揭示了中国北部在（北半球）冬季的霾普遍发生在适宜的环流形势下，即弱的偏北风和较低的对流层的异常发展，对流层中部的浅槽位于亚洲东岸，对流层高层有一向北的东亚急流。此外，近期一些研究揭示了北极海冰消融可以使东亚地区的霾污染加剧，使得约45-67%霾发生尺度从年际变化转为年代际。到目前为止，尽管人们对霾发生的环境条件研究的较为透彻，如同对霾长期增长原因的研究一样，但华东地区霾日数变化趋势不同的可能原因（和年代际不同）并没有被揭示，而这，也正是我们感兴趣的地方，即本文的重点。

2.数据和方法

每月霾日数来自中国气象局国家气象信息中心，1960-2013年间756个气象站数据，这些霾日数普遍是根据实时天气现象来判定的。每月的霾日数是一个月中发生霾的总日数，在之前的研究中也使用过（Wang等，2015）。因为是站点观测，因而，如果该时间序列内有缺失的数据，该站的观测则不予使用；最终我们挑选了542个站。本次研究我们关注华东地区的霾污染（即取中国大陆109°E以东，40°N以南）。正如所指出的那样，超过40%的霾发生在冬季（当年十二月到次年二月），因此我们只关注冬季。后文将把华东地区分为两个区域，R1（109°E以东，30-40°N，包括了112个站点），R2（109°E以东，30°N以南，包括了104个站点），这里将R1或R2整个区域的霾日数定义为区域霾日数。北极海冰面积根据哈德莱中心分辨率为1°times;1°的数据，时间尺度为1870-2013（Rayner等，2003），年ASI指数根据北极总的海冰面积计算，中国不同省份能源消费总量的年统计资料来源于每年出版的中国统计年鉴。

3.结果

严重的霾不但会对交通造成严重影响，而且会导致一系列从呼吸系疾病演变成心血管疾病、夭折和癌症等严重的健康问题（PopeIII和Docheru，2006；W昂和Mauzerall，2006）。中国空气污染的恶化，或多或少可以归因于污染物排放的增加，也带来了经济的快速发展，化石燃料燃烧的增加和城镇化。同时，气候变化通过影响局地大气环流和降水对空气污染产生显著影响。

大量研究表明，过去半个世纪我国华东地区空气污染的急剧恶化，冬春季节出现霾的日数更多，pm2.5浓度更高（Wang等，2015）。然而，基于我们当前的研究，2000-2012年的变化趋势与1980-1999年间、1960-1979年间的趋势是不同的（如图1）。1960-1979年间，京津冀地区和长江中下游的霾日数呈现出一个持续增长的趋势，东南沿海地区趋势不明显。在第二个时期（1980-1999年），30°N以南的地区大体上存在一个增加的趋势，而30-40°N之间的华东地区则呈现一个下降的趋势。在2000-2012期间，40°N以南的霾日数剧烈增加。在这三个阶段内，东北和内蒙古地区没有明显的变化。

因此，我们的问题在于，从1970改革开放至今，中国经济持续快速发展，但为什么冬季霾日数在1980-1999期间会有下降的趋势？我们把R1和R2（,图2）上的冬季霾日数和能源消费总量绘制在一张图上，发现冬季霾日数在第一个时期内保持增长的趋势，在第二个时期内保持稳定或者轻微下降，而在近期的那个阶段内和能源消费总量一样保持快速增长的趋势。因此，冬季霾日数和能源消费总量在第二阶段内的这种相反趋势，一定是由其他显著的因子导致的，例如气候因子。

北极海冰面积可能是其中一个主要气候因子（Deser等，2010；Liu等，2012,；Li和Wang，2013，2014），它与华东地区霾污染的关系在2015年第一次被指出（Wang等，2015）。如图3，在R1和R2区域内，北极海冰面积和冬季霾日数存在明显的反位相关系，1960-2012期间相关系数高达-0.70和-0.87，而在1980-2012期间为-0.60和-0.82。同时，1960-2012年间，R1和R2区域间冬季霾日数年际变化的时间相关系数为0.75。海冰面积对霾污染的显著影响，实际上，海冰面积保持大体上的稳定可以很大程度地解释第二阶段冬季霾日数非增长的情况，尽管此阶段内伴随着经济发展和能源消费总量的增加。另外，海冰面积在过去二十年的快速减少可以很大程度地解释华东地区南北两个区域冬季霾日数快速增加的情况。早期研究（Wang等，2015）发现，年ASI的减少，会导致亚欧大陆中纬度地区海平面气压正异常，气旋活动路径的向北转向和华东地区冬季产生弱的罗斯贝波的活动。这些大气环流的调整，将导致更少的气旋活动和华东地区更稳定的大气，引起霾的频发。

降水变化是另一个重要的因子，它通过大气污染物的湿沉降过程对霾污染有显著影响。如图4，我们绘制了三个时期，华东地区各站点冬季降水的直线趋势的空间分布。显然，在第一和第二个时期，R2区域的降水呈现出大致增加的趋势，而R1区域在第三个时期出现了明显的上升趋势。因此，R2区域在第一和第二个时期这种降水的趋势，促成冬季霾日数的减少，而R1区域在第三个时期的趋势促成了冬季霾日数的增加。在这点上，R1区域海冰面积和降水的共同影响加强了近期该区域的霾污染，而R2（R1）区域的降水趋势在最近的一个时期内（前两个时期内）总体较小，因而对霾日数的影响效果不如海冰面积显著。

1961-2011年间，R1和R2区域冬季霾日数和降水的同时相关系数分别为-0.11和-0.16，而1980-2011年间的为-0.60和-0.41。此外，我们不能忽略地表风变化的效应。如图5，20世纪以来，地表风在我国东部地区大体上逐渐减弱，但也存在空间上的差异。自2000年来，R2地区的地表风逐渐增强，R1区域北部和南部则分别呈现增强和减弱的趋势。

因此，我国东部地区的降水趋势和海冰面积变化，可以解释1980年来，除了人类活动部分的能源消费总量之外，冬季霾日数变化的大部分趋势。2000年之后，根据气候变化的观点，R1区域冬季霾日数剧增是海冰面积消融、降水的减少和地表风减弱的综合效应，反之，R2区域霾日数的剧增主要是由于海冰面积消融的诱发（地表风微弱的增强不利于冬季霾日数的增加）。

夏季霾日数的年变化如图2显示，2000年后这两个区域存在微小的增长趋势，因此，21世纪以来，我国东部地区冬夏霾污染的激化均表现显著。夏季降水和近地风的变化，可以直接与夏季霾日数变化趋势相联系。尽管我们不能找到夏季霾日数和北极海冰面积在年变化尺度上的显著相关关系，但2000年后夏季霾日数的增加依然可以与北极海冰面积相联系。此外，Zhu等研究表明（2011），1990年后太平洋十年涛动的位相变化，影响我国东部地区夏季大气环流和降水的变化。因此，对于夏季霾日数变化机制的研究，更多地需要通过对局地和遥相关模型的研究。

4.结论和讨论

基于此前的分析，相对于其他影响因子，包括1980以来的降水和地表风，北极海冰面积对于华东地区的霾污染影响最显著。而2000年以来，海冰面积缩小和华北中部降水量减少的共同作用，加剧的该地区的霾污染。海冰消融的净效应同样加剧了东南地区的霾污染。

如图6所示，我们把全面的分析和结论总结在这张图表中。

然而，有两个需要注意的地方。第一点是海冰面积、降水和地表风之间的相互关系。基于前期研究（Wang等，2015），北极海冰消融促使华东40°N以南地区的罗斯贝波活动减弱，因此导致了冬季降水的减少。同时，北极海冰面积的变化同样对华东地区经向和纬向地表风有一定影响。第二，我们需要更加关注2000年后的趋势。如之前推断的那样，北极海冰消融、华北中部降水减少、连同能源消费总量的增加的共同作用，导致霾污染的剧增。在华南东部地区，不考虑降水的情况下，有两个较为显著的因子（海冰面积的消融和能源消费总量的增加）使得霾污染加重。另外，华北中部地表风的持续减弱，反映的是1980年后尤其是九十年代中期，东亚冬季风减弱的情况（Wang和He，2012）。<!--

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