2014年华北平原冬季严重雾霾事件中气候异常的作用外文翻译资料

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2014年华北平原冬季严重雾霾事件中气候异常的作用

尹志聪^1,2, 王会军^1,2,3, 陈活泼^2,3,1

1.南京信息工程大学气象灾害重点实验室，教育部/气候与环境变化联合国际研究实验室（ILCEC）/气象灾害预测与评价合作创新中心（CIC-FEMD），南京信息工程大学，南京210044，中国

2.中国科学院大气物理研究所南森-竺可桢国际研究中心，北京，中国

3.中国科学院气候变化研究中心，北京，中国

摘要：大气污染已成为中国严重的环境和社会问题。在过去的30年中，华北平原的冬季(12月至2月)雾霾天数(WHD _NCP)在2014年是最多的。除了人为影响，气候异常也发挥了作用。因此，有必要详细分析2014年与雾霾污染有关的异常大气环流。近地表，较弱的东亚冬季风模式，导致华北平原的偏南风，可能加剧雾霾的情况。在对流层低层和中层，以华北地区的反气旋环流为中间系统，东大西洋/西俄罗斯(EA/WR)，西太平洋(WP)和欧亚(EU)模式的正相位导致更不利的空气污染扩散条件从而形成更多的雾霾天数。2014年，这三种模式可以从对流层低层的风异常中识别出来。前一个秋季(9月至11月)东半球的北极海冰(ASI)异常以及欧亚大陆上冬季更温暖的地表可能在2014年引发或加剧了EA/WR的正位相模式。这两个外部强迫，以及前期太平洋秋季海表面温度异常，可能也刺激或增强了类似EU的正位相模式。2014年秋季的异常表面温度有效地加强了异常循环，例如WP正位相模式。2010年雾霾天数最少的相反情况进一步支持EA/WR和WP模式以及相关外部因素如何调节当地气候条件以影响华北地区雾霾天数的机制。

Understanding severe winter haze events in the North China Plain in 2014: roles of climate anomalies

Zhicong Yin^1,2, Huijun Wang^1,2,3, and Huopo Chen^2,3,1

1Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change (ILCEC)/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters (CIC-FEMD), Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing 210044, China

2Nansen-Zhu International Research Centre, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

3Climate Change Research Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

Abstract. Atmospheric pollution has become a serious environmental and social problem in China. Over the past 30 years, the number of winter (December–February) haze days over the North China Plain (WHD_NCP/ was greatest in 2014. In addition to anthropogenic influence, climate anomalies also played a role. Thus, it is necessary to analyze the anomalous atmosphere circulations associated with haze pollution of this year in detail. Near the surface, the weaker East Asian winter monsoon pattern, causing southerly winds over the North China Plain, could aggravate the situation of haze. In the lower and middle troposphere, taking the anticyclone circulation over North China as an intermediate system, the positive phases of the eastern Atlantic/western Russia (EA/WR), the western Pacific (WP), and the Eurasia (EU) patterns led to a worse air pollution dispersion condition that contributed to a larger number of WHD_NCP. In 2014, these three patterns could be recognized from the wind anomalies in the lower troposphere. The preceding autumn (September–November) Arctic sea ice (ASI) anomalies over the eastern Hemisphere and the warmer winter surface over Eurasia might have induced or intensified the positive EA/WR pattern in 2014. These two external forcings, together with the pre-autumn sea surface temperature anomalies in the Pacific, might have also stimulated or enhanced the positive EU-like patterns. The anomalous surface temperature in autumn 2014 was efficient in intensifying anomalous circulations such as the positive phase of the WP pattern. The opposite case of minimum WHD_NCP in 2010 further supports the mechanism of how EA/WR and WP patterns and associated external factors altered the local climate conditions to impact the WHD_NCP.

1. 引言

由于经济的极速发展，大气污染成为我国一个非常严重的社会环境问题(Ding和Liu，2014；Wang和Chen，2016)。尤其是在2013年1月持续严重的雾霾事件之后，霾污染变得更加严重(Zhang等人，2014；Zhao等人，2014；Li等人，2015)，并且对人体健康有非常坏的影响(Yin等人，2011；Chen等人，2013)。中国的华北平原有非常高的污染浓度，是我国三大雾霾易发区之一。在过去30年中，2013和2014年华北平原的冬季霾污染是霾污染事件中最严重的(Yin等人，2015a)。 因此这项研究的目标就是分析与之相关的气候条件(例如大气环流异常和外强迫)对2014年严重霾事件的作用。

毫无疑问人为排放是造成雾霾天数长期变化的基本原因(Wang等人，2013)。然而，气象条件的影响很突出并且气候条件也是造成雾霾年际变化的关键贡献因素(Yang等人，2016；Zhang等人，2016)。例如，2000年之后总能量消耗的快速增长、北极海冰的急剧下降趋势、降水的减少以及地表风的减少它们的共同作用加剧了我国华北的霾污染(Wang和Chen，2016)。早期的研究指出1986年后东亚冬季风的减弱导致华北平原的冬季雾霾天数增加(Yin等人，2015a,b；Li等人，2015)。从1979年至2012年秋季(9月-11月)北极海冰的减少更加加剧了我国东部的霾污染，它的方差贡献率为45-67%(H.J.Wang等人，2015)。副热带西太平洋(SWP)上海表温度(SST)和华北平原的冬季雾霾天数显示出明显的负相关性。SWP SST减弱了东亚冬季风的环流，为雾霾提供了一个稳定的大气和增湿的有利环境(Yin和Wang，2016a)。

在NCP周围的反气旋异常是和相关的最突出的环流(Yin和Wang，2016a，Chen和Wang，2015)。并且处于在两个大陆Rossby波(EU和EA/WR模式)的辐合区附近。EU模式是由Wallace和Gutzler(1981)定义的，起始于高纬度的极地地区。EU 的正位相模式在极地地区(70-80°N，60-90°E)和日本海(35-45°N，120-140°E)呈现一个负中心，在蒙古和中国北部(45-55°N，60-90°E)为一个正中心，在2014年引起了严重的干旱(Wang和He，2015)。另一个欧亚大陆的遥相关EA/WR模式(Barnston和Livezey，1987)呈现为在大西洋北部中心和至里海北部是负中心，在欧洲和中国北部为正中心。这两种大陆Rossby波列可能会导致东亚北部有明显的增温(Liu等人，2014)，表明有减弱的冷空气。因此，我们猜测例如SST，ASI，和陆地地表温度()这类的外强迫可能会影响大气中的遥相关，然后遥相关会改变当地的气候异常从而远程的调节。在我国关于霾污染的气候研究的确是一项新的尝试但依旧较少，尤其是关于引起严重霾事件的机制的研究更少。因此，在本文中将研究气候异常在2014年NCP的冬季霾事件的作用并且希望提高的预报能力。

本文余下的部分会按如下这样安排，第二部分讲述数据和方法，第三部分分析2014年关于严重的事件的气候事实和与之相关的大气环流，第四部分描述使用奇异值分解的方法来研究其物理机制，第五部分是简要的结论与讨论。

2.数据与方法

本文使用来自我国的国际气候信息中心收集的NCP地区1979至2015年39个地面观测站(图1)的数据来重建气候WHD数据(参见Yin和Wang，2016a)。由于数据的质量和时间范围，只有4个乡村测站有资格供选择(图1中白色圆点)。常规的气象测量包括相对湿度、能见度和风速，分别在当地时间02:00、08:00(世界时00:00)、14:00、20:00进行一天四次的观测。在本次研究中，认为霾是当能见度低于一个中心阈值并且相对湿度小于90%。在排除了其他影响能见度的天气现象后，我们定义一天中任意四个时次有霾出现为一个霾天。总从2014年1月起大部分的能见度观测都从手动转为自动，但是站号为54511、54527和54623的试验站在2013年就转为自动观测。因此，对于2014年1月1日之前的大多站和对于试验站是在2013年12月1月之前能见度的阈值为10km。转为自动观测之后，根据中国气象局的报告(2014)阈值变为7.5km。在某种程度上，2013年和2014年WHD数据相对于定量来说更多是定性。为了避免连续性问题，在本文中这两年霾天数的数据会进行复合分析而不是相关性分析。

图1华北地形图(阴影；单位：m)和39个NCP观测站(城市：黑圈；农村：白圈)的位置。NCP区域用黑色矩形框标出，省名和山名分别用红色和白色表示。

霾是一个多学科的现象，在气象中可以通过能见度和湿度来表示，以及在环境科学中以浓度表示大气的成分。在最近几年，上甸子和宝莲站(北京的一个城市测站；Zhao等人，2011)测量的大气成分中包括,,,,,,(运用TEOM 1400a)的浓度和浑浊度(NEP)。详细的大气成分数据来自2014年12月1日至2015年2月28日一天四次的观测。在本次研究中分别使用上甸子和宝莲站2004-2015年和2008-2014年逐小时的数据。上甸子站是中国六大区域全球大气观测站之一，位于40°39′N，117°7′E，海拔高度为293.3m。因为它是中国北部唯一的区域背景全球大气观测站(GAW)，选择在此位置的大气成分可以最好的描述自然状态或者相当于大气背景条件(Yao等人，2012)。通过TEOM和-rays(从2013年起)两种方法每5分钟监测的数据。

在中国，时间范围和大气成分的观测质量还不足以支撑气象霾的研究。为了证明以能见度为基础

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