2015-2019年北支脊強度與中國空氣質量狀況的相關性研究

　　摘要：基于NCEP/NCAR再分析資料和AQI臺站數據，通過統計分析、相關分析等方法，利用北支脊強度指數及空氣質量指數討論了20152019年北支脊強度及空氣質量的變化特征以及兩者之間的相互關系。結果表明：5年內北支脊強度表現為先增強后減弱，春季北支脊強度逐漸加強至夏季到達峰值后逐漸減弱至冬季到達谷值。空氣質量狀況表現為春、夏季較好，秋、冬季較差，中度污染區域主要位于中部地區，華北地區空氣質量狀況季節性變化顯著。AQI值與北支脊強度指數的時間序列為顯著負相關，當北支脊強度偏強(弱)時AQI值整體偏小(大)，中國空氣質量上升(下降)。春季西北及華北地區主要為負相關。夏季以長江為界，相關性在中國的分布具有明顯的南北差異。秋季大部分地區負相關性顯著。冬季內陸地區以負相關為主，東北及東部沿海城市為顯著正相關。

　　關鍵詞：大氣科學;氣候變化;北支脊強度;空氣質量狀況;時空分布

　　趙雯;范廣洲;李一偉成都信息工程大學學報2021-12-13

　　0引言

　　大氣是人類賴以生存的環境之一和發展的基本環境要素，但隨著中國各方面綜合實力的不斷提高，工業化不斷推進，生產、建筑行為的增加，自然環境已經遭受了極大的污染，中國已成為大氣污染最為嚴重的國家之一，人們在生活水平提高的同時也越來越關注城市內大氣污染問題[。因此，對影響大氣污染因素的統計和分析也越發重要。中國大氣污染具有總懸浮顆粒物和可吸人顆粒物含量高，含菌量大，煤煙型污染占重要地位等特點[3]。董佳丹等[4]在有關空氣質量時空變化分析的研究中指出，空氣質量有逐年下降的趨勢，大氣污染程度時間上冬季要高于夏季，空間分布上北方高于南方。排放到大氣中的氣體和顆粒污染物被從排放源驅散到更大的空氣體積中，這是引發空氣污染事件的根本原因[5]，而污染物被釋放后，氣象條件在污染物的擴散和輸送中起了主要作用，成為大氣污染的直接影響因子[6]。劉強等[7]認為大尺度天氣形勢的變化，會導致風、氣溫、氣壓、相對濕度等要素在水平、垂直方向的分布發生相應的改變，從而影響空氣污染物的擴散條件。祁棟林等[8]認為解釋空氣污染的成因較為常見的方法是通過分析空氣質量與氣象條件之間的關系。鄒旭東等[9]發現空氣污染指數與風速、氣壓、降水呈負相關。趙慶云等[|°]通過建立預報方程得出，東亞大槽明顯時，亞洲地區環流經向度大，空氣污染程度較輕。李厚宇等[||]通過分析大氣流場變化也得出相關結論，當東亞大槽偏弱，高空以緯向環流為主時，中國冷空氣強度較弱，使霾天氣出現的可能性大大增加。魏月娥等[|2]研究指出，降水量的大小對空氣中污染物有濕清除作用，對空氣質量的改善和污染物濃度的降低有明顯作用。

　　青藏高原是一個大范圍的高海拔地區，它通過機械和熱力動力學效應對亞洲及亞洲以外的大氣環流有著深遠的影響[|3|4]。青藏高原的動力作用不僅使其形成了獨特的高原氣候，而且由于其高大地形的存在，使西風帶發生分支、繞流，從而形成了南北兩支氣流。北側氣流在新疆地區形成北支西風帶高壓脊，王謙謙等[|5]通過數值實驗得到，西風氣流在高原純動力作用下，產生繞流的北側緯向位置基本一致。北支脊作為高原環流的一支，體現了青藏高原純粹的動力作用，對其鄰近地區乃至中國的環流系統和天氣氣候均產生顯著影響。盛華等[|6]通過數值實驗分析指出，夏季青藏高原的動力作用主要表現在對氣流的繞流作用上，在高原純動力作用中，繞流作用均比爬坡作用重要。B〇-lin等[17]對地形繞流效應進行研究，結果表明，高原冬季對西風氣流的分支作用是形成東亞大槽的重要原因。陳忠明等[18]分析指出，東亞大槽的強度與西風強度成正比。李維京等[19]指出高原的南北氣流有助于在高原附近生成新的中尺度天氣系統，如西南渦、高原東側的切變線和北側的小高壓等。喬鈺等[M]研究指出氣流繞過高原后在其東側匯含s并在高原北側有反氣旋式高壓疊成，高原東北側南下的冷空氣;加強。蔣艷蓉等fen研究發現較強的高壓脊有利于中高緯冷空氣向南輸送，同時髙原東南側的暖涵氣流向北輸送，有利于江淮降水。同時強高原繞流作用也使西北、華北、東北部分地區參季氣溫顯奢偏低。梁瀟3馨_對有、無食原大地形進行了數值模擬，結果表：明，在春季，青藏高揮北支氣流加強了北方冷空氣在高原東側的南下，有利于華南地區春季降水的加強。

　　目前對影晌大氣污染物擴散的氣象條件的研究多針對于裳些城市局地的氣象要素變化，而有關高原環流對全畫太氣污染整體局勢的影響的研究尚不急參-e利用統計分析方法，從春夏秋冬四個季節的角度討論北支脊強度及中國城市空氣質：量指數AQI在2015-2019年的變化特征，并空氣質量指數的插值結果分析北支脊與中國空氣質董狀況的關系，有利于完_有關影響污染物擴散的氣象條件的工作，提高人們對中國大氣污染狀況的認識，為推進研究青藏高原環流對中_大氣污染的影響提供一定的參考。

　　1資料及方法1.1空氣質量指數

　　在疵究大氣特染肘，通常會根據反映太氣If染狀況朦重要指標進行大氣轉染常規指標分析[23—24]，將監測到的幾種空氣;污染物的濃度折寡成一個統一的指數，即空氣厭量指數人(｝1['這是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數。根據A(?r值將空氣質量分為不眞等級，AQI值越高說明大氣：污染.程度越高，空氣質量越差。研究數據主要乘自生態環境部發布的國控站點全國站點日報數據中的AQI臺站數據。選取2015-2〇19年的共有站點U657個)進行統計分析。*于AQI的插值結果對其進行時間及■間分布特征分析，研究其季節性變化特考慮到4月、7月、10月、1月的500hPa平均高度和渦度場與#、夏、秋、要季的芊均場類似，選用每年的4月、7月、10月、1月分別代表舂、夏、秋、冬季〇

　　1.2北支脊強度指數

　　所用資料包括;NCEP/NCAH||分析資料，包括位勢高度VJC平經向鳳和緯向風，垂直速度等物理量%水率雜_為2.X2.5°，時間取2015-2019年。副熱帶面風帶在青藏高原動力作用下分支出的北側氣流在新疆地區形成的北支西鳳帶高，壓脊，即為北支脊。參照?駔等[261定義冬季北支脊的方法，將各年北支脊強度指數定義為廠1^1%)—niax，

　　45e：l進抒平均，傷規在65U5SE內舞漏2.5°1爾共丨3個像錄高?的乎均值，取其中的最大值為4。/?對應的盛度值為北.支脊的緯向位置指數/ZP，以表征北支脊在東、西方向的移動情況。

　　22015-2019年北支脊強度及緯向位置變化特征

　　如圖1所示T2015-2019年北支脊強度指數日變化圖上存在5個顯著波段，分別對應每一年北支脊強度的逐日變化情況，波段數值區間為5500?6000gpni，呈現出較為一致的特征P

　　從北支脊強度指數J1.月變化方面分析，2015-2019年波谷對應的時段均為1月卞旬，此時強度指數最小，北支脊強.度最萄。北支脊強虔指數均?2-7月逐漸增大，其：中2017年3月增速達到6.89，為5年內增速最太值》4-7月增速有所放緩32015-2019年北支脊強度指數達到峰值的時段均為7、8.月，此時強度最強，維持1個月左有*9-12月北支脊強度指數逐漸減小，北支脊強度逐漸減弱，其中2019年11月減速達到-4.964，為5年內減遞_大僮。2015-2019年北支脊強度指數的峰值有逐漸臧小的趨勢，2015年峰值最高為5929.625期111，2019年_值最低為5907.458§1?1。

　　從北支脊強度指數季節性變化方面分析，眷季北支脊強度為顯著增強階段，波動幅度大且比較不穩氣蕙學北鎌3線指數維持在較_平且振_小，被動比較穩定。秋賽北支脊強度為嚴箸減.弱階段，冬季強庋到達谷值且波動比較不穩定。張永翁等網指出，北支脊緯向位置指數/ZP與強度指數4關系為顯著負相關，心的值愈大(小)，/2P愈小(大)，北支脊向西f東)移動s圖2所承：的2〇15_2〇19年北支脊部向位寘指數的逐月變化曲線呈現出相對應的特征..整體表現為先減小后增大。自2月起/&逐漸減小，于7月份到達谷值，9-12月4逐漸增太，且10-11月緯向位置指數被動較大韈蒙性載差，對St北支;脊春季起0_向兩移動至夏季中卞旬到達最偏西位暨，在偏西偉置保持1?2個月后由西向東移動。

　　32015-2019年中國空氣質量變化特征3.1AQI值時間變化特征

　　2015-2019年AQI時閭變化如圖、3所示，財AQI進行二次多項式擬合，弁根據AQI值與擬合值的差值，得到AQI值逐日波動情況。如圖3U)所示，2015年AQI變化特征顯著，盤體特征為先減小后增大：。自1月起AQI值逐漸減小，至8月前后即夏末時段達到谷值，9月就后AQI值開始逐漸升高，12月下旬達到AQ.I值峰值，說明中閨的空氣麋量情況以8月為轉折點先上升后下降。2015年AQI值均爾于50，其中4月中旬至9月的AQI值低于100，說明中g在春季中后期至秋季中期空氣質量狀況較好^萁中6-9JAQI值低于75，夏季至秋季初期的空氣質量為金年最優。1-3月、10-U月的AQI值總體處于100￣150，說明冬季、眷初、秋末空氣質量狀況覉于輕度污染，其中冬季出現：TAQI值大于15〇的時段，即中度污染天氣。根據AQI值與擬合值的差值得到AQI值波動特征J-4月波動幅度較大，自1月起波動幅慶逐漸減小，龜ft韻小幅度波動保祿在6-9月，10H波動幅度遂漸增大，12月AQI值前振幅較太，波動截雙性藜雜*

　　圖3(b)中，2016年AQI值整體變化特征與2015年較為一致，其中6-8月大約有25天的AQI值小于50，此時段內空氣質量狀況最佳。2016年AQI值低于100的時間段為4-10月，與2015年相比持續時間較長，此時段內空氣質量較好。1-3月的AQI波動與2015年同期相比不穩定性增大，其中3月振幅變化最為明顯。圖3(c)中，2017年3月起AQI值波動漸趨穩定，但在5月初出現AQI突變值，穩定的小幅度波動時間較長。圖3(d)中，2018年1-5月的AQI值振幅整體偏大，此時段內AQI值波動穩定性較差，僅7月的波動較為穩定，11-1月均出現AQI突增。圖3(e)中，2019年AQI值較往年整體偏低為32￣136，且波動與往年相比較為穩定。因2015-2019年內僅2016年為閏年，圖3(f)中用2016年2月29日AQI數據代替該日平均數據。5年AQI日均值表明，AQI值總體呈現先降低后增大的變化特征，空氣質量較好且變化較穩定的時段為6-9月，其余時段AQI值波動較大，空氣質量狀況不穩定。從季：節性角度分析/舂季璧氣質量逐漸上升至夏季達到空氣質量最優時段，眉秋季起空氣質量遂漸下降，冬季的空氣污重§

　　3.2AQI值空間分布特征

　　圖4所示的中爵AQI值的分布情況在_夏秋冬四個季節具有較大的差異，圖4(反腴了春季在Q1值的分布■情況，高值區大部分分布在35，￣40，，位于中國北方，其中新疆西部高值區覆蓋范圍較廣且細區毫大j高達300，屬重度染m另一■AQI局值區覆盞面積包括華東地區、傘北南部地區及華中北部地區，其中柯北南部、山東西部及河南北部的AQI值處于100￣150，屬于輕度污染，空氣質量較差。40°N以北、35B南的AQI值遂漸減小，黑龍K北.、廣東._部AQI值低f50，空氣質董為優。賣藏裔原中部存在AQI值翕值區，但范圍較小且中心值小于100，主要位于那曲地區，AQI值由中心向四周逐漸減小。

　　圖4(b)反映的蕞夏季AQI值的分布情祝，A〇[值.低于50的區域較春季大幅度擴大，整體AQI值偏低，空氣質量較好。空氣質量相對較差的區域集中在35°N￣45離直區：靄蓋的范圍較#季有所減少，主要分布在新蘧西部及河北南部地區。新疆西部的高值區葙圍雖無明顯縮減但巖大值較春季有所減小，最大值小于175。河北南部的AQI值降至100以下，但依舊高于周邊地愈氣質量由輕度汚染降為良，較春季書：所提_。35以歯及45北的K域AQI價低于50，空氣質量狀況以優為主。

　　圖4(c)反映了秋季.AQI值的分布情況，空氣質量整體有所下降，存在3個高眞K，分別位子新疆西部、華北南部以及青擊高原南部地區。其中新蘼西部AQI值大于150_蒗：爾較裏事會所擴大，嘗值區_最大痕瑨至200以上，所在位亶偏酋a痕本位于鈳北南部的龕值區范M在秋季擴大，至山東、河南、安徽大部分地區，但高值匡，最大值所在位置依舊位于河北南部。西南大部分地區AQI值低于50，空氣質量較好，但實藏錢庫南部出現AQI辟值區，錢愼JX戴蘭與春季錢為相似，秋季AQI高值區的極太值太于150，空氣處鐘相對較差。根據圖4(d)，冬季中部地區及新疆大部分地區存在太范圍的AQI高值：區。新疆地K的AQI高值區范圍由西向東北擴太，新輯西部、北部、東部均出現高值中心，較嚴重的大氣污染覆蓋新疆大部分地區。中部AQI商瘡麗內最大值遠歸于春i復、秋季AQI僮大于150，其中河北南部、山西南部、陜西南部、湖北中部及整個河南中部的AQI值高達200，屬于重庹污染。青藏高揮中部的寫值中心梢失，高原南部空氣鷹量較好#

　　總體來看》在春、夏.、秋季，中匡大部分地區為中度?專染，主要位于西北、華北以及華中、華東地區，Iff寳藏龕原及東北地區空氣質量較好。冬季整體空氣質量降低，絕大部分城市均受到污染性天氣影響，華中、華東地區_中：度雨染轉為重屢If染。常年太■氣鐘染較為：嚴重的區壤遵賽擊中在30aS￣4585N，尤其是新囊及中東部地區的空氣風最豪節變化最明顯。西川西部、云南北部以及海南地區常年全氣就麄較好6新疆西部的空氣質量常年較差，這與新疆的區域性沙繭天氣及嘻什三面環山的半封閉地形特征有很大的關系。

　　4北支脊強度指數乙與空氣質量指數AQI的相關性分析4.1&與AQI的時間序列相關性

　　畫5(a)所示的2015年/^與AQI的時間序列對比圖中與AQI值具有明顯反向變化特征;s;1-4月V：處于速：度較：大的增太階段★同_AQI值處于邀度較大的減小階段増A舅£月到達峰值時，嵐期AQI值遂漸減小M8月到達咎值，8月下旬/w逐漸減小，AQI值逐漸增大。總體分析，北支脊強度為先增強后減_，肩期AQI：値先減小篇增大。雨者餘動不_定_時段均處f1-3月、10—12月。如圖5(f)所示.，2015-2019年的AQIH均值與北支脊強度指數均具有明顯的負相關關系，相關系數在-0.55￣-0.75，相關系：數均通過0.05的顯.養掛檢：驗。其中2019年相要系數最大負相關性最強2015-2018平：貨相關性遂浙減弱，2018年：負相關系數最小，負相關性最弱q

　　4.2/#與AQI值季節性相關系數分布特征

　　圖6為2015-2019年龍支脊強度與中匿4、7、10、1月空氣質量狀況的相關系數分布?。4與屑期AQI值的相關性在：不同季節不同地域呈現出不同的特征》圖6(a)中，春季應著負相關區域主要位f青梅東圖6(b)夏攀￣與AQI趙相關系數在中_，的密間分布圖，除新疆北部有較為顯著的正相關關系外，以長江為界，與AQI的相關性晷有明顯的南北善異，長杠以北為顯著負相關，長江以南為顯箸正相關，長江以南地區'中廣西、湖南、江西部分地匡相關系數超過0.5，正相關性較高。說明當夏季的北支脊強度偏大時，長杠以北地區AQI值偏小，空氣，J|i：俯高：，而長江以南地區AQI值偏高s空氣質量偏低。圖6(?)中、，秋攀/f;與AQI_大部分地區為負相關關系，青藜高原、東北地區及中部地區的負相關系數較高，其中遼寧、吉林、i可南南部、湖北北部、相關系數超過-0.5，負相關性顯著e除此之外，在貴州南部出部以及河南南部及其周邊地區，尤其基河北南部的負相關系數趄過-0.5，周邊地區包括山東西部、山西南部、陜西南部的負相關系數超過-0.2，負相關性較高。正相關區域主宴ft乎商鬅食中部、_方太部分地區，尤其是音南西部正相關系數超過0.5，疋相關;性較高c說明_季&值愈大時，北支脊強度愈強，陜西、山西、河南、山東即黃河申下游大部分地區AQI值愈小，空氣質量狀況愈好，而南方大部分地區AQI值愈大，空氣處薰愈差。

　　圖6(b)夏攀￣與AQI趙相關系數在中_，的密間分布圖，除新疆北部有較為顯著的正相關關系外，以長江為界，與AQI的相關性晷有明顯的南北善異，長杠以北為顯著負相關，長江以南為顯箸正相關，長江以南地區'中廣西、湖南、江西部分地匡相關系數超過0.5，正相關性較高。說明當夏季的北支脊強度偏大時，長杠以北地區AQI值偏小，空氣，J|i：俯高：，而長江以南地區AQI值偏高s空氣質量偏低。圖6(?)中、，秋攀/f;與AQI_大部分地區為負相關關系，青藜高原、東北地區及中部地區的負相關系數較高，其中遼寧、吉林、i可南南部、湖北北部、相關系數超過-0.5，負相關性顯著e除此之外，在貴州南部出現小范圍的芷相關性區域，相關系數不超過0.2，相關性翁薄eM6({;)：倉朗，秋_1#值偏小時，北重眷強慶減弱，大部分地區AQI值升高，空氣質量較羞，而貴州甫部AQI值減小，空氣質量有所上升。圖6(dj蠢冬拳‘與AQI僮'關系數分布圖，'酉北地區主要為負相關關系，從西北向東南方向相關性逐漸減弱，正相關性主要分布在東北地區以及東部沿海城市。說明當冬季冬值愈大即北支脊強度愈強時，內陸地區空氣嚴愈好，反之值愈小，內陸地區空氣質量愈羞，東北及沿海地區空氣質量愈好Q

　　通過對北支脊強度偏強和偏弱時的風場及降水特征進行分析，：可初步討論中舞空：氣簾量狀況與北支脊強度相關性分布備異性的原因，圖7(a)所磁，在北支脊強度較弱的冬季，中高緯地區東亞大槽顯著，青藏高厚及東北地g風速較大，北方盛行西北風，新疆地區及華中、華東地區風速較小，不利于潯染物擴散.，且中部地區風向座反氣旋，高空存在下沉氣流，吳萍間認為涑厚的下沉氣流使得大氣邊界層麇度降低，是冬季京津冀地區太氣污染物難以擴散的.原：固。加之中部地區冬季汚染物排放強度較高，而西南、西北以及北方地區降水量較少，不利于污染物進行極沉降，導致冬季北支脊偏弱時，北方地區空氣質量狀況較差圖7(所示的冬季降水量：分布圖中，降水主要發生在南方地區，翕值區位予沿海一帶，有效促進沿海地區的大氣顆粒物24681012141618m/s(a)冬季850hPa風場60°N2468101214161820m/s(c)夏季850hPa風場沉降，降低大%?染程度，且沿海地區較華中地區風速較大，有利于污染物的擴散。圖7u)所示的夏季85〇hPa鳳場中V中部地區風速較聲羊看所增太，但整體風速有所下降，風場對污染物擴散的影響有所減小。彭京備等[M]研究榑出，夏季副熱帶翕壓西伸、北抬過程會導致南方禽溫天氣的發生。畐jii西_的西南氣流將水汽持續輸送到中東部地區，高濕環境便得污染物在一定程度：上吸痖增長。圖7(d)所示的夏季降水暈分布_中，北方地區降水暈較冬季大幅度増加，南方地區降水量高值區范圍較冬季有所擴大，有利于特染物擴散和沉降，便得夏季空氣庚童整體較好。

　　5結論

　　通過使用統計分析、相關分析方法對2015-2019年北支脊強度指數與空氣質量指數吋空變化特征以及兩者相互關系迸行研究，筲到以下結論：

　　(1)北畫脊義32.5￣45，、65￣95°E區：域全年均有較活躍的移動特征，自春季起北支脊強度不斷增加并自面向東移動，塋夏季中旬到達強度最大值且北支脊諱向像置最偏西，秋季北支脊強度逐漸減弱且自西向東移動，冬季北支脊強度最弱且位置偏東《

　　(2)中國AQI值呈現先減小后增太的變化：特征。從整體來看，春季AQI值逐漸減小、夏季為AQI值谷值時段，S氣質量最好，大氣污染程度最低，秋季AQI值逐漸增太，冬季AQI達到峰值，空氣質量狀況最_。從不_地域來看，中響污染地區主要位于西北、華北以及華中x華東地區。由于地形零原誶新疆西部常■年存在AQI高值區，春季北方空氣質童較差，東部地區屬于輕度污染u夏季空氣質量較差的區域主要位于35°N￣45QN，整體AQI值偏低，空氣;麋量較好。秋季南方地區空氣質量整體有所下降，京津冀地區污染逐步擴大。冬季大氣污染最嚴重的地區處于中部，AQI值高達200，屬重度污染。

　　(3)2015-2019年中國AQI日均值與北支脊強度指數的時間序列為顯著負相關，當北支脊強度指數達到最大值時同期AQI值達到最小，說明北支脊強度偏高(低)時，整體的大氣污染程度偏低(高)，空氣質量較好(差)。在空氣質量狀況的整體變化背景下，北支脊強度與空氣質量狀況在不同地域表現出不同的相關性，春季華中及華南地區有小范圍的正相關，西北及華東地區負相關顯著。夏季南北差異顯著，以長江流域為界，長江以北為顯著負相關，長江以南為顯著正相關。秋季大部分地區為顯著負相關。冬季新疆及內陸大部分地區以顯著負相關性為主，沿海及東北地區為正相關。引起相關性差異的原因與北支脊所代表的環流對風場、降水等氣象因子的影響有一定的聯系。