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中国冬季雾频次的增加：东亚季风环流的减弱和气溶胶含量增加的潜在影响
摘要：雾是一种严重的气象灾害，极大地影响交通和日常生活，造成潜在的重大经济损失。近年来，中国已经报道了越来越多的由雾引起的交通事故。通过本文，我们展示了中国中东部雾频次较过去三十年增加了一倍。在同一时期，地面风速度已经由3.7米/秒下降到3米/秒并且平均每个冬天冷空气爆发的数目从7次下降到5次。相对湿度和威风事件频次也显著增加。东亚冬季季风的减弱似乎影响着这些变化。减弱的东亚冬季季风环流给地区带来了干冷的空气、减弱风速并且有利于形成雾。区域性大气气溶胶的增加也有可能改变区域环流模式，为雾的形成创造有利的条件。我们通过使用美国国家环境预报中心（NCEP）的资料模型以及美国国家大气研究中心的共同体气候模拟模型（NCAR/ CCM3）验证了这一假设。分析表明，东亚地区500hPa槽在过去三十年已经减弱，同时，地面西伯利亚高压减弱，这很可能是在当时西北风速度衰减和西北的干冷空气入侵的减少的原因。大气气溶胶含量的增加加热大气并在中国东部生成一个气旋环流。这种环流异常也会导致在中国中东部流入的干燥和寒冷的空气减少。这些影响导致水汽的增加。所有这些变化有利于在这个地区雾的形成和持续。
1 引言
大雾通常延伸数十到数百公里并且持续好几天，是中国北方冬季的主要天气危害。雾不仅降低能见度,引起事故,也会影响人类的健康,尤其是对有呼吸问题的人。雾更可能发生在风速较低,相对湿度高,地表温度很低的情况下。[Sachweh and Koepke, 1995; Niu et al,2009]案例研究[Zhang et al, 2005; Pu et al,2008]还表明,在稳定边界层有逆温层、低水平热空气平流和足够的水汽都能使雾持续时间较长。这些研究表明,冬季雾事件的频率的变化因素可能是高度相关的气象条件,通常由冬季冷空气活动影响并且最终由东亚冬季风变化决定。本文通过一些尝试已经发现了在中国有利于雾形成的动力和热力学条件以及雾的持续和消散[Niu et al., 2009]。
以西北强风和中国北部冷空气爆发为特征的东亚冬季季风在过去几十年里发生了巨大的变化，这是许多研究的主题[Guo, 1994; Xu et al., 1999; Shi, 1996]。自1980年代中期东亚冬季季风大大削弱。与此同时,在中国北方冬季表面温度增加,导致在中国历史上的连续17个温暖冬天一直到2000年[Wang, 2006]。在同一时期, 减少[Xu et al,2006]。这些系统的变化频率的风速和多风的频率数可能会回应外部影响因子如热带海面温度(SST)的变化,全球或区域范围内变暖,或气溶胶强迫。
全球变暖在欧亚中高纬度地区冬季最重要[Flato and Boer, 2001]。中、高纬地区上升的热气流对比的减少可能会导致冬季季风的减弱，这在一些研究中已经被揭示出来了[Hori and Ueda, 2006; Hu et al,2000, 2003; Kimoto, 2005]。同时，自上世纪70年代以来中国气溶胶含量明显增加[Luo et al,2001]。气溶胶数量的增加可以通过直接或间接地去影响区域天气[Ramanathan et al,2001; Li, 2004; Qian and Giorgi, 1999; Qian et al,2003;Li et al,2007b; Gu et al,2010]。通过减少到达地面的太阳辐射量（每天可减少25Wmminus;2）[e.g., Li et al,2007c]以及减小海陆质检的温度对比，气溶胶可以缓慢影响亚洲季风环流和水循环[Ramanathan et al., 2001]。利用耦合的大气-海洋环流模型，[Ramanathan et al.2005]并且[Lau et al. 2008]阐明了在夏季气溶胶大大改变了南亚季风系统，虽然他们提议的机制有所不同[Lau and Kim, 2006; Chung and Ramanathan, 2006]. Menon et al.[2002]。这些不同之处表明吸收气溶胶可能增强中国南部大气向上运动以及在夏季季风季节增加降水。冬季东亚季风的和冬季雾频次及气溶胶的影响事件则受到较少的关注。值得注意的是,诸如热带海洋、青藏高原变暖及内部的变化等因素也可能影响东亚季风系统。[Zhou et al., 2009; Lau et al., 2006; Wu et al., 2009; Li et al.,2010; Wang et al., 2008; Zhu and Wang, 2002; Jhun and Lee,2004]。一些观测结果并不能完全通过气溶胶效应解释[Yu and Zhou, 2007; Yu et al., 2004]。尽管我们主要研究气溶胶的潜在影响和全球变暖，但这项研究并没有排除这些因素的影响。
在这项研究中，我们分析了雾事件的频率趋势、相对湿度、微风的频率以及大气环流模式的变化来阐明东亚冬季季风的减弱和气溶胶可能影响中国东北部冬季雾。在接下来的几段将描述所使用的数据。第3节展示了从雾发生的趋势和相关气候变量以及区域环流模式的结果。基于这些分析，第4节我们做出了一个假设并且通过使用国家大气研究中心的气候模型(NCAR/CCM3)模拟测试了气溶胶的作用。
2 数据
在这项研究中使用的气象数据是从隶属于国家海洋和大气管理局(NOAA)国家气候数据中心(NCDC)获得的。这个数据集提供了从1950年到2007年的每小时气象记录,包括表面温度、露点温度、风速和现在的天气。“天气”描述了如下天气事件：雨,雪,雾、云和其他重要类型的天气现象。在这项研究中白天使用数据是从1976年到现在, 由于仪器故障记录因此在早些时候数据存在很多误差[Liu et al., 2004]。三百九十测站拥有的超过20年的数据被用于这项研究。
大尺度气象变量如位势高度、海平面气压、表面风和水汽是从获得国家环境预报中心(NCEP)获得的，这些分析追溯的记录是超过50年的全球大气分析领域[Kistler et al., 2001]。
3 雾发生趋势及影响因子
各种趋势都进行了分析。逐年雾事件的频次是通过每年观测的总次数除以雾事件发生的次数获得的 雾频次的变化在最近的30年是然后使用线性回归分析计算。其他物理量,如风速和趋势发生微风也使用同样的方法获得的。检查大气环流变化的模式为了调查的雾事件变化频次可能的原因。通过NCEP再分析资料可得500 hPa位势高度的变化、海平面气压、850 hPa风、低层水汽输送在1976年到2001年前13年和后13年存在很大差异。
3.1 雾的频率、风速和冷空气爆发
图1a表明了1976到2007年中国390个测站平均冬季雾频次。雾频次是通过每个测站总的观测次数除以雾事件发生的次数获得的。过去三十年中，中国中东部雾事件发生频繁，特别是长三角地区。图1b显示了雾事件每年频率的变化(百分比)，这是从冬季线性回归分析获得。在390测站中,有128个测站雾事件的频率显著降低,110网站增加,剩余的测站并没有显著变化。最重要的雾事件的频率增加是在中国中东部（中国人口最为稠密的地区）-最大值约为每年0.3%。
图1（a）冬季雾事件发生的平均频率（b） 1976到2007年中国390个测站冬季雾事件年变化频率（只有显著性水平达到5%的测站才会在图中显示）
在同一时期来自中国东南部和四川盆地的数据显示出雾事件频率的减少，这在中国其它地区不相符合。
雾形成的条件有以下三点：风速不大的稳定大气条件、充足的水分和较低的温度[Sachweh and Koepke, 1995; Zhang et al.2005]。中国中东部常见的雾的类型是辐射平流雾。这种雾的形成通常需要充足的水汽以及较低的温度、寒冷的地面形成的稳定大气。[Niu
et al.2009]。雾事件的频率变化很有可能与一些变化有关，如果不包含全部上述因素的话。因此,在这段时间内相对湿度的变化是第一次检查。相对湿度的变化在地理上的分布与图1b分布十分相似。相对湿度在中国中东部显著上升，在中国南部下降（稍后在图4b展示）。
冬季,来自西北的西伯利亚高压系统寒冷、干燥的空气不宜雾的形成[Zhang et al,2005]。雾事件时间序列的平均频率、平均风速和微风的频率如图2所示。雾事件的地理区域平均频率显著增加从1976年的2%到2007年的5%,是过去30年的两倍多。在同一时期,该地区平均风速从约3.7米/秒减少到大约3米/秒。相应地，微风的发生频率(风速小于1.6m/s)。从1970年代的9%增加到21世纪的14%。图2中的趋势大于95%的置信水平非常重要。
风速的减小和稳定的大气情况暗示着东亚冬季季风的减弱。随着东亚冬季季风的减弱，来自北方寒潮爆发也就减少了。各种寒潮的定义如地表温度的变化、地面气压以及风速出现相同的变化[Wang,2006]。寒潮爆发的频率被定义为在每个冬季的次数，日平均地表温度比前一天下降超过4oC。图2b显示了寒潮和平均风速频率的时间序列。寒潮的冬季平均频率在比过去三十年下降了约5到7倍。这种趋势也有超过95%的置信水平。
图2 (a)雾事件时间序列的平均频率和微风的频率和在(b)图1b地区中寒潮爆发的平均风速
3.2环流模式的变化
东亚冬季季风指数的下降证实了东亚风速的下降[Gao,2007]。这些指数包括海陆间的压力差异[Shi, 1996]，对流层低层区域的平均经向风[Ji et al,1997;Chen et al,2001],对流层高层的纬向风[Jhun and Lee, 2004]以及东亚大槽的高度[Sun and Sun, 1995]。这些发现表明,东亚冬季季风的减弱可能在更广泛的范围内与气候变化有关。利用1976年到2001年NCEP再分析资料研究大气环流模式的变化可以以确定任何雾事件的频率之间的关系和东亚冬季风强度的指数。
作为一个冬季活跃在欧亚大陆的重要大气系统，西伯利亚高压对东亚冬季季风环流有直接和重要的影响，特别是对海平面压力和东亚沿岸的北风[Wu and Wang, 2002]。图3a显示了从1976年到2001年冬季的平均海平面压力及850hPa风矢量。冬季季风环流将来自西伯利亚的冷空气平流输送到东亚大陆及南方地区。目前东亚地区冬季极端天气爆发的冷空气是从西北来的寒冷干燥的冷空气[Wang, 2006]。图3b显示了从1976年到2001年平均海平面气压的差异和850 hPa风(或异常流) (从1989年到2001年的平均减去从1976到1988的均值)。在过去26年中西伯利亚高压似乎削弱了。在大多数地区,异常风矢量相对抑制了盛行风,这与地表观察是一致的[Xu et al,2006]。在中国中东部，东部海平面气压的变化是伴随着从来自东部海岸的异常东南风以及来自中国南方的异常北风。这导致向中国中东部运输了更少的干冷空气，但向中国的南部地区运送了更多的干冷空气。这种变化可以解释中国中东部相对湿度和雾事件频率的增加以及中国东南部地区这些量的减少。
图3 冬季海平面（hPa）和850hPa风速（m/s）NECP资料分析 （a）1976年到2000年的平均值（b）是两者差异。在平流层中大于850hPa的风速已被剔除。
上面的解释也证实了水汽运输散度的变化。水汽运输散度被定义为▽bull;qv（q是水汽混合比，v是大气的水平风速）[Houghton, 1985]。因为雾和相对湿度是在表面附近观测到的,只有低层大气中的水汽运输散度从地表到850hPa计算。图4展示了水汽运输散度在过去26年里的变化率（1976到1988年的区别）。值得注意的是，正数意味着水汽已经分化，反之亦然。水汽在中国中东部融合在中国南方分化与雾事件频率和相对湿度的增加和减少是相对应的（图4b）。上述结果表明，近年来增加雾事件的频率是由于环流变化引起的高度相关的风速和风向和水汽通量的变化。
图4 850hPa下水汽散度（kg/kg/m2/s）的变化（a）相对湿度（b）
4 成因分析
虽然上述变量的变化都与雾出现增加的趋势有关，但他们不是最终决定这种趋势的变量，因为他们可能会响应温室气体或气溶胶等某些外部因素。这个论点是基于一个经过广泛调查前的基于模型和观察的关于气溶胶影响雾发生的因素的全球变暖的研究都得到的。诚然，我们不能排除这些变化是由于自然变化引起的，但它可以指出一种可能性-雾事件频率稳定增加是由于这两个外部因素引起的。
4.1 全球变暖和其他因素
基于先前的模型模拟和地面测量表明,全球变暖在高纬度地区比在低纬度地区更明显[Del worth and Knutson,2000;Min et al,2004;Flato and Boer,2001]。通过斜压波和槽脊的减弱强度来体现出500hPa位势高度的南北热对比如图5 所示。槽地区位势高度增加。槽后和地表面附近,相关的高压系统很弱(图3b)。因此,来自东亚槽高纬度地区的了冷空气变得不那么强大,这是一个冬季东亚季风减弱的关键指标。这样的观点通过观测和模拟验证过了[Hori and Ueda, 2006; Xu et al., 2006;Hu et al., 2000, 2003; Kimoto, 2005]。过去30年的气象记录[Xu et al,2006]表明,地表风速稳步下降。然而,这种变化与近地表的空气温度负相关,这表明风速减小和区域性的全
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