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了解中国东部近期的雾霾污染趋势：气候变化的作用

Hui-Jun Wang and Huo-Po Chen

摘要

本文分析了1960 - 2012年冬季中国东部雾霾污染的变化趋势。随着这一时期冬季雾霾天数的总体增加，根据位于中国大陆109°E以东的华北中部（30-40°N）和华南东部（30°N以南）冬季雾霾（WHD）的变化，将50年分为三个子时期。结果表明，WHD在1960 - 1979年间逐渐增加，1980 - 1999年间保持稳定，2000 - 2012年间增长较快。作者确定了除能源消耗总量外的主要气候强迫因素。在所有可能的气候因素中，秋季北极海冰范围的变化，冬季的局部降水和地面风对雾霾污染变化的影响最大。 2000年后，中国北方中部地区的雾霾污染加剧了总能耗的快速增加，北极海冰面积的迅速下降以及降水和地面风的减少，加剧了中部地区的雾霾污染。2000年以后，华南东部的雾霾污染得出了类似的结论，降水效应较小且空间不一致。

1. 引言

近年来，中国遭受了严重的雾霾事件的影响，这些事件对社会、生态系统和人类健康产生了重大影响。例如，中国东部在2013年1月遭遇了长时间的重度雾霾事件，这使北京达到了最高的空气污染水平，并导致了北京气象史上的第一次橙色烟雾警报（Wang 等， 2014； Zhang 等，2014）。此外，由于空气污染的加剧，从呼吸道疾病到心脏病、过早死亡和癌症都引发了严重的健康问题（Wang and Mauzerall., 2006; Xu 等，2013；Xie等， 2014）。因此，政府机构和公众对雾霾问题的关注日益增加，并且已经实施了一些防止空气污染的行动，并规定了对煤炭消费，工业生产，车辆等的严格控制。

早期的研究表明，中国东部经济发达地区的雾霾天数普遍增加，而中国经济欠发达地区的雾霾天数则减少（例如，Wu等，2010）；据报道，自2001年以来，这种雾霾的增加趋势更为明显（Sun等，2013）。因此，人类活动，如快速城市化和经济发展，通常被认为是中国东部雾霾长期增长趋势的主要原因（Wang 等，2013）。例如，在北京，据报道车辆是细颗粒物（PM 2.5）的最大来源，占污染的25％，煤燃烧和跨区域运输是第二大来源，均占19%，虽然有些争论仍然存在（He 等，2013；Zhang等；2013）。在中国其他地区也可以观察到类似的现象，例如在中国西南部的成都市，其中次生无机气溶胶和煤燃烧分别占空气污染物的37plusmn;18％和20plusmn;12％（Tao 等，2014）。

显然，毫无疑问，人类活动在中国阴霾日的强烈增长中发挥了重要作用。然而，我们在这项研究中的深入分析表明，雾霾天数的变化在过去几十年中呈现出与中国东部不同的趋势，在1960 - 1979年间有所增加，在1980 - 1999年间没有明显变化（甚至在北部地区也较中国东部有所下降），自2000年以来迅速增长，这与过去该地区的总能耗持续快速增长存在分歧。因此，在谈论雾霾事件的变化时，必须考虑气候变化的影响，因为气候变化可以通过当地大气环流的变化显着影响空气污染。大气表面风速的降低（Gao 等，2008; Niu 等，2010）和相对湿度（Ding和Liu，2014）在很大程度上促成了中国东部雾霾天数的增加。 （Chen和Wang，2015）揭示，中国北方冬季的严重雾霾事件一般发生在有利的大气背景下，北风减弱，对流层低层发生逆温异常，中大气层弱化的东亚低槽和对流层高层的北向东亚急流。此外，最近的一项研究（Wang et al。，2015）进一步揭示了北极海冰的下降会加剧中国东部的雾霾污染，占雾霾事件的年际到年代际变化的约45-67％。

然而，尽管雾霾事件的环境条件和长期增长的原因已得到很好的分析，但是到目前为止，雾霾天数（从几十年不等）的不同趋势的可能原因尚未揭示，这是我们在本研究中的兴趣和主题。

2. 数据和方法

中国气象局国家气象信息中心收集了1960 - 2013年中国756个气象站的月度雾霾日数据。来自该数据集的雾度天数通常根据直接天气现象确定。这里的每月雾霾天数是一个月中雾霾日的总数，其也已在先前的工作中使用（例如，Wang等人，2015）。对于观测资料，如果时间序列中缺测，则放弃该站数据。因此，选择了总共542个站的子集。在本研究中，我们将重点放在中国东部（中国大陆东部40°E以东，中国大陆40°以南）的雾霾污染上。如前所述，北方冬季（当年12月和次年1月至2月）发生的雾霾污染超过40％;因此我们专注于冬季。今后我们将分析重点放在中国大陆的两个地区，R1（东经109°E，30-40°N，包括112个测站）和R2（东经109°E以及30°N以南，包括104个测站）。区域雾度日定义为区域R1或R2的平均值。北极海冰范围（ASI）是从哈德利中心（HadISST1）计算得出的，1870 - 2013年分辨率为1°times;1°（Rayner等，2003）。秋季ASI指数计算为北极地区的海冰总面积。每年为中国各省提供的能源消费总量年度统计数据来自每年出版的“中国统计年鉴”。

图1. 三个时期台站冬季雾霾天的线性趋势：（a）1960-1979，（b）1980-1999和（c）2000-2012。 R1和R2是文中讨论的两个区域。 具有交叉的圆圈意味着在95％置信水平下变化是显着的。
单位：天/年

3.结论

重雾事件不仅会严重影响交通，还会引发从呼吸系统疾病和心脏病，过早死亡和癌症等严重健康问题（PopeIII和Docheru，2006； Wang和Mauzerall，2006）。 由于经济的快速发展，以及化石燃料能源消耗和城市化的快速增长，中国空气污染的加剧或多或少可归因于大气中污染物排放的增加。 同时，气候变化也可以通过改变当地大气环流和降水来显著影响空气污染。

图2. 冬季雾霾天（红曲线），夏季雾霾天（蓝曲线）的时间序列和总能量消耗（条）（a）区域R1（30-40°N）和（b）区域R2（南纬30°N）位于109°E以东中国大陆

正如大量研究所表明的那样，过去半个世纪以来中国东部地区的空气污染普遍加剧，冬季和春季的雾霾天数增加，PM 2.5浓度增加（例如Wang等，2015）。然而，根据我们目前的研究，2000 - 2012年的最新趋势与1980 - 1999年或1960 - 1979年期间的趋势不同（图1）。在1960 - 1979年期间，京津冀地区和长江流域下游的冬季雾霾日（WHD）呈现出持续增长的趋势。中国东南沿海地区没有明显的趋势。在第二个时期（1980-1999），中国东部地区30°和40°之间的地区普遍存在增加的趋势，但是在30°N以南的地区有一些下降的趋势。在最近一段时期（2000 - 2012年），中国东部40°N以南地区的增长趋势普遍较大。在这三个时期，中国东北和内蒙古东部没有显着的趋势。

因此，我们的问题是为什么在第二阶段（1980-1999）期间，当经济从20世纪70年代末到现在不断增长时，WHD有一些下降的趋势。然后我们绘制了WHD以及R1和R2中的总能量消耗（图2）。我们发现WHD在第一阶段逐渐增加，在第二阶段保持稳定或略微减少期间，随着近期总能耗的快速增长而迅速增加。因此，非增加的WHD与第二期间增加的能量消耗之间的矛盾必须由其他因素来解释，最明显的是一些气候因素。

可能的主要气候因素之一是北极海冰范围（Deser等，2010; Liu等，2012; Li和Wang，2013,2014），其与中国东部雾霾污染的关系首先表现被（Wang等，2015）提出。在这里，我们显示了图3中R1和R2的秋季北极海冰面积与WHD之间明显的异相年际关系，1960 - 2012年期间相关系数分别为-0.70和-0.87， 1980 - 2012年分别为-0.82和-0.60。同时，在1960年至2012年期间，R1和R2中的WHD在年际变化中在0.75处在时间上相互关联。由于海冰范围对雾霾污染的显着影响，海冰范围保持基本稳定的事实可以在很大程度上解释即使经济发展和总能量消耗增加，第二阶段WHD也不增加。此外，过去20年海冰面积的快速下降也可以很大程度上解释中国东部北部和南部地区WHD的快速增长。早期研究（如Wang等，2015）表明，秋季ASI的减少可导致中纬度欧亚大陆海平面气压异常，中国气旋活动向北偏移，东部弱罗斯贝波冬季在中国活动。这些大气环流变化有利于东部较少的气旋活动和更稳定的大气层，因此那里有更多的阴霾天。

图3. 冬季雾霾天（WHD）的时间变化R1（蓝色）和R2（红色），以及秋季北极海冰范围（ASI）（黑色）。 相关系数（CC）分析的结果是以下：1960 - 2012年CC（WHD-R1，WHD-R2）= 0.75，1980 - 2012年为0.58; 1960 - 2012年CC（WHD-R1，ASI）=-0.70； 1980 - 2012年为-0.60; 1960年至2012年，CC（WHD-R2，ASI）= - 0.87；1980 - 2012年为-0.82。

降水变化是通过大气污染物的湿法去除效应对雾霾污染产生重大影响的另一个重要因素。 在这里，我们绘制了三个时期中国东部地区冬季降水线性趋势的空间分布（图4）。 很明显，R2在第一和第二阶段具有普遍增加的降水趋势，而R1在第三阶段具有明显的减少趋势。 因此，降水趋势有利于第一和第二时期的R2中WHD降低，并且有利于第三期中R1的WHD增加。 在这方面，R1的海冰范围和降水趋势的影响有助于加剧近期华北中部（R1）的雾霾污染。而R2（R1）的降水趋势在近期普遍较小 因此，与海冰范围相比，它对WHD的影响较小。

图4. 台站冬季降水（mm / day）的线性趋势三个时期：（a）1961-1979，（b）1980-1999和（c）2000-2011，交叉的圆圈意味着95％的置信水平。

1961 - 2011年期间，R1和R2的WHD-降水相关系数分别为-0.11和-0.16。然而，在1980 - 2011年期间，R1和R2的WHD-降水相关系数分别为-0.60和-0.41。此外，我们不应忽视改变地面风的影响。如图5所示，2000年以前中国东部地面风速普遍减弱，但地面风的空间趋势不一致。2000年以后，R2区域具有上升的地面风向，而该区域的北部和南部R1分别呈上升和下降趋势。

图5. 与图4相同，但为冬季地面风速（m/s）

因此，除了人类排放污染物外，中国东部地区的降水趋势和海冰范围可以解释自20世纪80年代以来中国东部地区WHD方差的较大比例。 2000年以后，从气候变化的角度来看，R1中强化的WHD是海冰下降与降水和地面风减少的共同作用，而R2中强化的WHD主要是由海冰下降引起的（地面弱风增加不有利于WHD增加）。

在图2中，夏季雾霾天（SHD）的逐年变化显示为蓝色曲线，表明两个地区在2000年之前和之后的轻微趋势和快速增加。因此，2000年以后中国东部地区雾霾污染的加剧在冬季和夏季均有显着影响。夏季降水和近地面风的变化应与SHD趋势直接相关。尽管我们没有发现SHD与北极海冰范围之间在年际变化方面存在显着相关性，但2000年后的SHD增加也可能与北极海冰有关。另外，如（Zhu等，2011）所示，20世纪90年代末的太平洋年代际振荡（PDO）相变可能对中国东部夏季大气环流和降水变化产生影响。因此，了解SHD变化的气候机制需要从本地和远程观点进行更多的调查。

4.结论及讨论

根据以上分析，自20世纪80年代以来，北极海冰范围对中国东部地区的雾霾污染以及其他气候因素（包括降水和地面风）的影响最为明显。 2000年以后，华北中部海冰下降和降水减少共同加剧了雾霾污染，而海冰下降的净效应也加剧了华南东部的雾霾污染。 我们的总体分析和结论在图6中示意性地总结。

图6.中国东部雾霾污染变化及各种影响因素（包括气候变化）的总结。 时间序列对于冬季雾霾天，其线性趋势绘制在顶部。 “gt;”表示“大于”; “lt;”表示“小于”，“asymp;”表示“相当”。 比较在这三

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