1 引言
霾是悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，使空气浑浊，水平能见度降低到10 km以下的一种天气现象（中国气象局，2010）。近30年来，随着中国经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快，大气污染问题越来越严重（Shao et al.，2006），霾成为我国城市的主要灾害天气之一。霾严重时，大气能见度降低（Qiu and Yang，2000；Che et al.，219007），可引发各类交通事故；它还含有很多有害颗粒物，严重影响生态环境和城市空气质量，危害人类的身体健康（阚海东等，2004；白志鹏等，2006）。因此，霾成为公众关注的焦点。目前已有很多的学者对霾日数的气候特征进行了研究，得到的结果基本一致，即我国霾日数东部地区多，西部地区少，主要发生在华北等地区（高歌，2008；宋连春等，2013；孙彧等，2013；Han et al.，2016）。
华北地区霾主要集中在太行山东麓，且随时间呈明显增长趋势（付桂琴等，2013）。20世纪80年代霾日数开始增加，且在80年代后期迅速增加，90年代达到峰值，之后霾日数处于平稳波动状态，直至2005年又开始增加（高歌，2008；Ding and Liu，2014）。1960～2011年北方区域重度霾天气主要发生在冬季，春季和秋季次之，夏季最少（Chen and Wang，2015）。任阵海等（2004）指出太行山东侧地区是我国污染最严重的地区之一，华北地形复杂，太行山及燕山使颗粒污染物聚集在北京地区附近。对于持续霾天气发生的环流和气象条件主要为个例研究，针对2013年1月9～17日京津冀地区持续霾事件的研究发现：该次过程的环流形势为纬向型，500 hPa中纬度地区较平直的纬向环流，近地面逆温层的存在，较弱的垂直运动及近地面风速较小都有利于持续霾事件的发生、稳定和维持（刘丽伟等，2015）。2015年11～12月持续霾天气发生时，欧亚中高纬以纬向环流为主，东亚冬季风减弱，中东部地区对流层低层盛行异常偏南风，大气层结稳定，对流层底层存在逆温，这些都是有利于持续霾事件的发生和维持（袁媛等，2017）。
也有针对十年以上的持续霾事件环流特征的研究。Wu et al.（2017）把1980～2013年京津冀地区发生的持续霾事件按大尺度环流特征分为纬向西风气流型和高压脊型，当第一种类型发生时，中高层是纬向西风控制，低层盛行西南风，近地面风速很弱。第二类型发生时，对流层中高层是西北风，低层是西风。并分析了两类霾天气发生机理的异同。Ding et al.（2017）对华北地区持续性强霾事件的环境和动力条件方面的研究结果进行了总结，指出华北地区霾天气主要受纬向西风气流型和高压脊型控制，对流层中高层处于纬向西风气流或脊前西北气流控制，大气边界层内以西南风为主，地面风速较小。对流层中低层为稳定的下沉气流，使得大气边界层厚度减少、大气环境容量降低，大量的污染物和水汽不易向上扩散，为霾天气的维持和加剧提供了显著的动力条件。孙彧等（2016）对位势高度场进行聚类分析，将2000～2013年华北地区的40次雾、霾事件其近地面环流形势分为低压槽底型、宽广槽区底部型、鞍型场型、弱高压型和高压脊后型5种类型。
综上所述，已有的研究主要针对中国霾日数特征的研究且结论基本一致，而对持续霾事件的研究主要针对单个事件的分析，Wu et al.（2017）的研究区域为京津冀，不是整个华北区域，也没有给出持续霾事件的统计特征。本文在以上研究的基础上，首先挑选出1981～2015年整个华北区域的霾日数，利用霾日和客观识别方法挑选出持续霾事件，然后，根据持续霾事件的地理分布特征，分类研究华北地区不同区域持续霾事件的环流特征及其差异，对形成华北地区持续性霾事件的污染源的精准控制有重要意义。
2 资料与方法
2.1 资料
本文所用的资料为1981～2015年中国地面基本气象要素定时值数据集资料和气候资料日值数据集资料，主要使用其中的能见度、相对湿度、天气现象资料。部分站点存在缺测，考虑到数据的连续性，对华北地区（33°N～43°N，110°E～122°E）所有站点进行了筛选，要求14:00（北京时间，下同）站点资料的完整率为100%，共选取了79个站点（图1）。环流合成分析采用欧洲中期天气预报中心ERA interim再分析资料集，空间分辨率为0.75°（纬度）×0.75°（经度），时间分辨率为6 h。
2.2 霾日数的统计方法
在中国气象系统的台站观测业务中，区分霾的判据没有统一的判别标准。如果直接使用天气现象记录进行统计，会大大降低科学性。因此，可结合能见度、天气现象和相对湿度进行综合判断，并将其他视程障碍现象剔除（吴兑，2005，2006，2008；吴兑等，2008）。有关霾日的定义主要有3种方法：单次值法（吴兑，2010，2014）、日均值法（吴兑，2005，2006，2008；吴兑等，2008，2010；赵普生，2011）和14时实测值法（吴兑，2010，2014）。其中，14时实测值法被国际上广泛地应用于统计霾日数的长期变化特征（Schichtel et al.，2001；Doyle and Dorling，2002；Che et al.，2007），它规定对于能见度小于10 km的资料，观测时次为14:00，相对湿度小于90%，排除雨、雪、冰雹、吹雪、雪暴、沙尘暴、扬尘、浮尘影响视程的天气现象为一个霾日（吴兑等，2010，2014）。该方法有效的避免了早晨的逆温以及光对自动能见度观测仪器的影响，更能代表所在区域的大气能见度水平（范引琪等，2005；朱业玉等，2011）。因此，在本研究中，选用14时实测值法对霾日数进行统计。
2.3 极端事件的客观识别方法
在统计霾日的基础上，本文采用Ren et al.（2012）提出的区域性极端客观事件的识别技术挑选华北地区持续霾事件，这种方法被用来研究极端低温、降水、高温和极端干旱事件（龚自强等，2012；Li et al.，2014），Wu et al.（2017）也利用该方法挑选出了京津冀地区持续霾事件，本文借鉴了此篇文章的筛选方法，考虑到本文的研究范围更大，而站点数相对较少，调整了部分参数，具体步骤如下：
（1） 对每个站I，统计这个站点周边站的个数，规定它周边的站与这个站I的距离
（2）计算每个站I周边站有霾的站点所占的比例，公式为r(I)=m/M。对于I这个站，M代表周边站的个数（M>5），m代表周边站有霾的站点个数。
（3）选择华北地区霾区域的中心，满足以下3个条件：在I这个站出现霾；r(J)>
（4）每个霾事件必须有大于4个及以上的霾区域中心。
（5）霾事件持续时间必须大于或者等于3 d。
（6）霾站要在中心站的附近，且发生的区域要连续，以此进行人工订正。
基于以上标准，一共选出48个霾事件中心站点（图1蓝色圆点），并挑选出华北地区的持续霾事件。
3 霾日数的特征
由于站点分布不均匀，将站点资料的霾日进行格点样条插值后再绘图分析。1981～2015年华北地区年均霾日数分布不均匀（图2a），结合图1的地形分布特征，可以看到霾日数分布有4个大值区：吕梁山和太行山之间的河谷地区；沿太行山以东的平原；河南北部；环黄海和渤海地区。大值中心年均霾日数可达90 d以上，霾的发生具有局地性。年霾日数的长期变化趋势分析表明（图2b），山东东北部、鲁豫交界地区、京津地区及河北西南部呈线性减少趋势，减少为5～25 d/10 a，其余地区均是线性增加的，增加基本在5d/10 a以上，河南、江苏、河北和山东局地区甚至超过了20 d/10 a（图2b）。从霾日数的季节平均分布（图3a-3d），可以看到4个季节霾日数与年均霾日数分布都很相似，也有4个大致相同的大值区。华北地区霾日数的季节变化显著，霾日数冬季最多，其次是秋季，再者是春季，最少的是夏季。冬季华北大部分地区霾日数年均达25天，太行山东西两侧是霾日数最多的区域，高达55 d以上，沿渤海和黄海地区相对太行山东西两侧地区少一些，一般在35～45 d。秋季、春季和夏季发生天数明显比冬季少，但35 d以上的站点都出现在河北南部。太行山西侧的霾日数中心在冬季最多，而春、夏季均在15 d以下，说明这个地区霾形成的主要原因是冷季采暖燃煤所致。四季霾日数的长期变化趋势，与整年的变化基本一致，即山东东北部、京津和河北西南部，也是线性减少趋势，减少3～15 d/10 a，其它地区是是线性增加，增加基本都在3 d/10 a以上，河南、江苏、河北和山东局地区甚至超过了12d/10 a（图3e-3h）。
图2 1981～2015年华北地区（a）年均霾日数分布（单位：d）和（b）年霾日数变化趋势分布（单位：d/10 a）
Fig. 2 The geographic distribution of (a) average annual haze days and (b) annual haze days linear trend in North China during 1981-2015
图3 1981～2015年华北地区霾日数的季节分布（左列，单位：d）和不同季节霾日数的变化趋势分布（右列，单位：d/10 a）：（a、e）春季；（b、f）夏季；（c、g）秋季；（d、h）冬季
Fig. 3 The seasonal distribution of haze days (left panel, units: d) and their variation trend (right panel, units: d/10 a) in North China during 1981-2015: (a, e) Spring; (b, f) summer; (c, g) autumn; (d, h) winter
4 持续霾事件的特征
4.1 持续霾事件的空间分布
在霾日数的统计基础上，应用极端事件的客观识别方法，筛选出48个霾事件中心站点（图1蓝色圆点），挑选出了1981～2015年华北地区及区域性的持续时间为3 d及以上的111个持续霾事件（表1）。持续霾事件中心站点的位置代表了霾事件出现的位置，因此根据中心站点的分布分析持续霾事件的空间特征（图4）。可以看到，华北地区持续霾事件数的空间分布极不均匀，与霾日数的大值区分布大致相似，也有4个密集的区域：吕梁山和太行山之间的河谷地区；沿太行山以东的平原；河南北部；环黄海和渤海地区。持续霾事件与霾日空间分布的最大差异表现在：持续霾事件在太行山以东地区与河南北部地区的中心比其它两个中心的次数显著增多。沿太行山以东的平原地区（燕山以南）35年的持续霾事件在90～110次，最大的中心位于河北东南部，达到109次；河南北部、河北南部和太行山以东的平原地区基本在90～100次。环黄海和渤海地区霾事件可达70次，最少的也有50次。山西省中部（吕梁山和太行山之间的河谷地区）30次，比太行山东侧平原少60次左右。本文的分析与张英娟等（2015）的结果基本一致，他们的研究表明1981～2013年京津冀连续2 d及以上的霾事件集中在北京、天津北部和河北西南部。
图4 1981～2015年华北地区持续霾事件中心站点和持续霾事件总数分布
Fig. 4 The geographic distribution of the central sites and total number of the persistent haze eventsin North China from 1981 to 2015
表1 1981~2015年华北地区持续霾事件列表
Table 1 A list of persistent haze events in North China from 1981 to 2015
序号 开始与结束日期 持续天数/d 发生位置 序号 开始与结束日期 持续天数/d 发生位置 1 1981-01-28至1981-01-31 4 A 45 2003-10-29至2003-11-01 4 B 2 1981-12-25至1981-12-27 3 A 46 2004-01-05至2004-01-07 3 A 3 1982-02-19至1982-02-21 3 C 47 2004-10-08至2004-10-10 3 A 4 1982-12-08至1982-12-10 3 G 48 2004-12-13至2004-12-15 3 A 5 1983-01-26至1983-01-29 4 A 49 2005-11-02至2005-11-04 3 F 6 1985-12-03至1992-12-05 3 E 50 2005-11-18至2005-11-22 5 D 7 1985-12-24至1985-12-28 5 C 51 2005-12-26至2005-12-29 4 B 8 1986-01-15至1986-01-19 5 F 52 2006-01-11至2006-01-16 6 A 9 1987-11-20至1987-11-23 4 D 53 2006-01-23至2006-01-29 7 B 10 1987-12-17至1987-12-20 4 C 54 2006-10-05至2006-10-07 3 D 11 1988-12-19至1988-12-21 3 A 55 2006-12-19至2006-12-21 3 A 12 1989-01-15至1989-01-20 6 D 56 2006-12-23至2006-12-26 4 A 13 1989-11-21至1989-11-23 3 E 57 2007-01-13至2007-01-16 4 B 14 1990-01-03至1990-01-05 3 C 58 2007-11-05至2007-11-07 3 G 15 1990-11-14至1990-11-17 4 E 59 2007-11-23至2007-11-25 3 A 16 1990-12-06至1990-12-09 4 E 60 2007-12-17至2007-12-22 6 B 17 1991-11-29至1991-12-02 4 D 61 2008-01-06至2008-01-09 4 D 18 1991-12-04至1991-12-06 3 F 62 2009-01-05至2009-01-07 3 B 19 1991-12-13至1991-12-16 4 G 63 2009-01-29至2009-12-02 5 A 20 1991-12-19至1991-12-21 3 B 64 2009-02-04至2009-02-06 3 A 21 1992-01-02至1992-01-04 3 D 65 2009-10-27至2009-10-30 4 A 22 1992-01-26至1992-01-28 3 C 66 2009-11-24至2009-11-26 3 A 23 1992-11-28至1992-11-30 3 B 67 2009-12-09至2009-12-11 3 C 24 1992-12-02至1992-12-04 3 B 68 2010-01-08至2010-01-10 3 B 25 1996-01-19至1996-01-23 5 D 69 2010-01-17至2010-01-19 3 A 26 1996-12-14至1996-12-16 3 E 70 2010-07-26至2010-07-29 4 B 27 1996-12-26至1996-12-28 3 B 71 2010-10-21至2010-10-23 3 B 28 1997-01-09至1997-01-12 4 A 72 2011-02-20至2011-02-24 5 B 29 1997-11-06至1997-11-08 3 C 73 2011-10-28至2011-10-31 4 B 30 1997-11-20至1997-11-24 5 B 74 2011-11-25至2011-11-27 3 A 31 1997-12-13至1997-12-15 3 F 75 2012-01-08至2012-01-10 3 C 32 1997-12-22至1997-12-28 7 B 76 2012-01-12至2012-01-19 8 A 33 1998-03-25至1998-03-28 4 G 77 2012-02-13至2012-02-15 3 C 34 1998-11-12至1998-11-14 3 E 78 2013-01-10至2013-01-16 7 C 35 1998-11-20至1998-11-23 4 C 79 2013-01-27至2013-01-29 3 C 36 1998-11-28至1998-11-30 3 D 80 2013-02-24至2013-02-28 5 C 37 1998-12-17至1998-12-20 4 A 81 2013-03-15至2013-03-17 3 G 38 1999-11-21至1999-11-23 3 F 82 2013-10-04至2013-10-06 3 G 39 2000-12-06至2000-12-08 3 B 83 2013-11-20至2013-11-23 4 C 40 2000-12-28至2000-12-30 3 B 84 2013-12-03至2013-12-05 3 E 41 2001-10-22至2001-10-24 3 A 85 2013-12-14至2013-12-17 4 C 42 2002-11-21至2002-11-24 4 C 86 2013-12-19至2013-12-25 7 B 43 2002-11-30至2002-12-02 3 D 87 2014-01-04至2014-01-07 4 B 44 2003-01-16至2003-01-19 4 C 88 2014-01-09至2014-01-19 11 A 89 2014-01-22至2014-02-02 12 A 101 2014-11-18至2014-11-22 5 B 46 2014-02-12至2014-02-15 4 B 102 2014-12-26至2014-12-30 5 B 47 2014-02-19至2014-02-25 7 A 103 2015-01-08至2015-01-16 9 B 48 2014-03-02至2004-03-04 3 C 104 2015-03-13至2015-03-16 4 C 49 2014-03-07至2014-03-11 5 A 105 2015-10-15至2015-10-17 3 E 50 2014-03-23至2014-03-27 5 G 106 2015-10-19至2015-10-24 6 C 51 2014-04-07至2014-04-09 3 B 107 2015-11-09至2015-11-12 4 F 52 2014-07-06至2014-07-09 4 C 108 2015-11-27至2015-12-01 5 B 53 2014-10-07至2014-10-11 5 A 109 2015-12-06至2015-12-14 9 A 54 2014-10-17至2014-10-19 3 A 110 2015-12-19至2015-12-25 7 A 55 2014-10-22至2014-10-26 5 A 111 2015-12-28至2015-12-31 4 A 56 2014-11-09至2014-11-11 3 C 注：A代表华北型；B是河南北部和太行山以东的平原型；C代表河南北部型；D河南北部和环渤海、黄海地区型；E是环渤海、黄海地区型；F是太行山以东的平原和环渤海、黄海地区型；G是太行山以东的平原型。
图5给出了1981～2015年持续霾事件的季节分布。春季，持续霾事件在太行山以东的平原地区（京津冀地区）和河南北部发生次数最多（图5a），一般为5～9次，山东和山西南部为1～3次，而山西中北部基本没有持续霾事件发生。夏季，持续霾事件集中出现在太行山东侧的平原地区，一般为1～2次，是4个季节中发生最少的，而华北的其它区域基本上没有出现持续霾事件（图5b）。秋季持续霾事件最高可达33次左右，发生在河南北部
图5 1981～2015年华北地区持续霾事件中心站点和霾事件发生总次数的季节分布：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季
Fig. 5 The distribution of the central sites of persistent haze events in North China from 1981 to 2015: (a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d)winter.
和京津冀区域，太行山和吕梁山之间的河谷地区及山东环渤海、黄海地区也有17～25次左右（图5c）。冬季霾事件河南北部和太行山东侧的河北南部最高可达65次，太行山西侧最少，但也在17次以上，环渤海、黄海地区霾事件在33～57次（图5d）。秋冬季，持续霾事件与其年总数分布一致，太行山以东的平原地区和河南北部是华北地区持续霾事件发生最多的地区，太行山的阻挡作用及秋、冬季的天气系统稳定层结可能是主要原因，有关的环流特征分析将在第5部分给出。
4.2 持续霾事件的时间变化
近35年来持续霾事件有明显的增加趋势（图6a）。1990年前持续霾事件大部分为2次，低于平均值（3.17次）；1991和1992年有4次，比平均值多1次左右，1993～1995年连续3年没有出现持续霾事件，1996～2008年事件数有所减少，大部分在平均值左右，最多为1997年、1998年和2006年的5次；2009年以后呈稳定状态，保持在平均值附近；2013年后又迅速增长，2014年更是达到了35年以来的峰值，与Yin et al.（2017）结论一致。从1981～2015年每月发生的持续霾事件数分布可以看到（图6b），持续霾事件具有明显的月际变化特征，1月、11月和12月均远远大于平均值（9.25次），其他月份明显低于平均值。春季7次，占总数的6%，夏季2次，仅占2%，秋季36次，占32%，冬季（12月、1月和2月）是持续霾事件最多的季节，有66次，占了总数的60%。可见冬季是持续霾事件最多的季节。
图6 1981～2015年华北地区持续霾事件统计：（a）年事件分布（黑色实线是多年平均值，红色实线是线性趋势线）；（b）月事件分布（黑色实线是年均值）
Fig. 6 Statistics on persistent haze events in North China from 1981 to 2015: (a) Annual distribution of events (the black line is the mean value, and the red line is the linear trend line); (b) monthly distribution of events (the black line is the annual mean)
4.3 持续霾事件的持续时间特征
华北地区挑选出的111个持续霾事件中，最长的达12 d，由于定义中持续时间最少为3 d，所以最短为3 d。图7 给出了华北地区1981～2015年持续霾事件持续时间的分布情况，持续时间为3 d的事件有51个，4 d的有30个，5 d的有15个，持续3～5 d的事件共有96个，占总数的86.5%。持续5 d以上的一共15个。持续天数越长（短），持续霾事件数越少（多）。
图7 1981～2015年华北地区持续霾事件持续时间的分布情况
Fig. 7 The duration distribution of haze events in North China from 1981 to 2015
持续霾事件的多寡呈现出明显的年代际变化，1981～1990年持续霾事件有16次，1991～2000年有24次，2001～2010年31次，2011～2015年40次（图8a）。2011～2015年总数比第三个阶段多9次，约为第二阶段的2倍，是第一个阶段的3倍。其持续时间的变化也呈现出显著的年代际变化特征，持续3～5 d的霾事件在4个时间阶段均占了75%以上，2010～2015年，持续3 d的霾事件有所减少，但持续4～5 d的迅速增加，而且持续8 d及以上的均发生在这一时段，可见2011～2015年是霾污染最严重的时段。霾事件持续时间的季节差异也较显著（图8b）。冬季最多，其次是秋季和春季，最少的是夏季。4个季节持续3～5 d的霾事件均占78%以上，且持续7 d以上的事件均发生在冬季。可见冬季是霾事件最多且持续时间最长的季节。
5 持续霾事件大气环流的分类特征
霾事件的出现不仅与污染物的排放有关，还与不利于污染物扩散的气象条件有关，有利于霾形成的气象条件取决于大尺度的环流场。以往的研究都是针对京津冀或者整个华北地区持续霾事件的天气型的分类（Wu et al.，2017）。前文的分析表明霾日数、持续霾事件的空间分布明显不均匀，为了揭示华北地区持续霾事件高发地点形成持续霾事件的环流特征的异同，将地形分布和持续霾事件的空间特征结合进行分类研究。由于吕梁山和太行山之间的河谷地区发生持续霾事件较少，针对其他3个高发中心主要有七类（表1），第一类发生在整个华北地区（31个），第二类主要发生在河南北部及太行山以东的平原地区（27），第三类主要发生在河南北部（22个），第四类主要发生在河南北部及环渤海、黄海地区（10），第五类主要发生在环渤海、黄海地区（8个），第六类主要发生在太行山以东的平原地区和环渤海、黄海地区（6个），第七类主要发生在沿太行山以东的平原地区（7个）。前面的分析中得到，持续霾事件主要发生在冬季，且11月也是持续霾事件比较严重的月份，前四类的事件数比较多。因此，挑选出前四类11月至2月的事件进行环流合成分析，其中第一类有24个，第二类22个，第三类18个，第四类9个，其他三类个数较少，本文就不再讨论。
已有研究指出京津冀地区持续性强霾事件的对流层中层环流形势可分为两类（Wu et al.，2017）：平直西风型和高压脊型。得到京津冀地区处于平直的西风环流中，中高纬度的冷空气向京津冀地区输送较弱，高压脊型京津冀地区处于高压脊前西北气流控制中。4类500 hPa环流合成图上，第一类、第二类和第三类都受弱脊前的西北风控制，而第四类河南北部和环渤海、黄海型是纬向平直西风控制（图略）。它们的环流特征在对流层中低层存在更显著的差异。第一类华北地区持续霾天气发生时，850 hPa受弱西风控制，风速4～6 m/s，相对湿度小于70%，我国东南沿海地区为高压控制（图9a），高压西侧的西南风只能到达长江流域。925 hPa华北地区盛行西南风，风速小（1～2 m/s），相对湿度大部分在40%～60%（图10a），中心位于上海附近的高压，其西部的弱西南风有利于污染物向华北地区输送，与华北地区的弱西风产生辐合，且华北北部的燕山和西部的太行山阻挡了污染物向西向北扩散，使得污染物在华北地区积累。由于地面扰动较多，合成的环流图会平滑掉很多信息，因此采用个例图来说明地面环流形势，第一类（表1中序号为88的事件）给出了2014年1月11日14:00的地面图，太行山以东地区湿度较高，温度露点差都在5 ℃以下，黄海有一个高压，华北平原上主要为弱西南气流携带暖湿水汽向霾区输送，为霾的形成提供了水汽条件（图11a）。在太行山地区主要为西风和西北风，而在太行山以东山脚下有弱东风。
图9 1981～2015年华北地区4类持续霾事件的850 hPa环流合成图。填色为相对湿度，黑色实线是位势高度（单位：gpm）。（a）第一类（华北地区）；（b）第二类（河南北部和太行山以东的平原）；（c）第三类（河南北部）；（d）第四类（河南北部和环渤海、黄海地区）。灰色阴影为地形高度大于1500 m
Fig. 9 The composite circulation at 850 hPa for the four kinds of persistent haze events in North China from 1981 to 2015. The shadings represent relative humidity, and the black solid line represents the geopotential height (gpm). (a) Type one (North China); (b) type two (northern Henan and the plain east of Taihang Mountains); (c) type three (northern Henan); (d) type four (northern Henan and the gulf area of Bohai and Yellow Seas). The gray shadings represent topography higher than 1500 m
图10 同图9，但为925 hPa环流合成图，灰色阴影为地形高度大于800 m
Fig. 10 Same as Fig. 9, but for composite circulation at 925 hPa, the gray shadings represent topography higher than 800 m
图11 1981~2005年华北地区4种类型持续霾事件14:00地面流场合成图。填色为温度露点差（单位：℃），黑色实线是海平面气压（单位：hPa），红色实线是地面温度（单位：℃），蓝色方框代表霾最严重的区域。（a）第一类（华北地区，2014年1月11日）；（b）第二类（河南北部和太行山以东的平原，2015年1月13日）；（c）第三类（河南北部，2013年2月24日）；（d）第四类（河南北部和环渤海、黄海地区，2002年12月1日）
Fig. 11 Distribution of surface stream at 1400 BST of the four kinds of persistent haze events in North China from 1981 to 2015. The shadings represent the vertical velocity (°C), black line represents sea level pressure (hPa), red line represents temperature (°C), and blue line box represents the worst pollution area: (a) Type one (North China; 11 Jan 2014); (b) type two (northern Henan and the plain east of Taihang Mountains; 13 Jan 2015); (c) type three (northern Henan; 15 Jan 2013); (d) type four (northern Henan and the gulf area of Bohai and Yellow Seas; 1 Dec 2002)
对流层低层和边界层的弱风和湿度对霾形成至关重要，对流层中低层的垂直运动也很关键（Zhao et al.，2013）。Wu et al.（2017）给出的京津冀持续霾事件的天气学模型指出，华北地区对流层中低层易产生持续而深厚的下沉气流，致使边界层厚度减小、大气环境容量降低，大量的污染物和水汽不易向上扩散，为霾天气的维持和加剧提供了显著的动力条件。从华北地区持续霾事件的合成垂直环流（图12a、图13a）可以看出，华北地区低层深厚的偏南风，可以达到800 hPa，虽然在850 hPa以下有两个弱的上升运动区，但在燕山以南形成的垂直环流圈的下沉支位于37°N以南，35°N～37°N整层都是下沉运动，是霾污染最严重的区域（图12a）。近地层950 hPa以下（114°E～116°E）为东南风气流（图13a），山前在900 hPa以下形成了一个垂直环流圈，冬季的偏东风会将水汽输送到华北地区。此类型发生时，河南与河北交界处是污染最严重的区域，该地区也是局地垂直环流的下沉气流控制地区，下沉气流致使该地区边界层厚度减小、大气环境容量降低、大量污染物聚集在厚度较小的边界层内，是持续霾形成的主要原因之一。同时，近地面东南气流和低层的西南气流向该地区输送了暖湿空气，为霾的形成提供了物质和水汽条件。
图12 1981～2015年华北地区4种类型持续霾事件环流的经向合成剖面。填色代表垂直速度（单位：cm/s），黑色实线是流线，红色实线是假相当位温（单位：K），两条蓝色虚线之间代表霾区。（a）第一类（华北地区，沿117°E经向剖面）；（b）第二类（河南北部和太行山以东的平原，沿117°E经向剖面）；（c）第三类（河南北部，沿114°E经向剖面）；（d）第四类（河南北部和环渤海、黄海地区，沿115°E经向剖面）
Fig. 12 Composite longitudinal cross sections of the four kinds of persistent haze events in North China from 1981 to 2015. The shadings represent the vertical velocity (cm/s), black line represents the streamline, red solid line represents the pseudo-equivalent temperature (K), and the area between blue dotted line represents the haze area: (a) Type one (North China, along 117°E); (b) type two (northern Henan and the plain east of Taihang Mountains, along 117°E); (c) type three (northern Henan, along 114°E; the area between the red dotted lines represents haze area); (d) type four (northern Henan and the gulf area of Bohai and Yellow Seas, 115°E)
图13 1981～2015年华北地区4种类型持续霾事件环流的纬向合成剖面。填色代表垂直速度（单位：cm/s），黑色实线是流线，红色实线是假相当位温（单位：K），两条蓝色虚线之间代表霾区。（a）第一类（华北地区，沿36°N纬向剖面）；（b）第二类（河南北部和太行山以东的平原，沿37°N纬向剖面）；（c）第三类（河南北部，沿34°N纬向剖面）；（d）第四类（河南北部和环渤海、黄海地区，沿35°N纬向剖面）
Fig. 13 Composite latitudinal cross sections of the four kinds of persistent haze events in North China from 1981 to 2015. The color shadings represent the vertical velocity (cm/s); the black line represents the streamline, and the red solid line represents the pseudo-equivalent temperature (K), the area between the blue dotted lines represents the haze area. (a) Type one (North China, along 36°N); (b) type two (northern Henan and the plain east of Taihang Mountains, along 37°N); (c) type three (northern Henan, along 34°N); (d) type four (northern Henan and the area of Bohai and Yellow Seas, along 35°N)
第二类河南北部与太行山以东的平原地区发生霾天气时，850 hPa霾区环流场与第一类相似，只是东南沿海的高压位置稍偏北（图9b），高压西侧几乎为静风。925 hPa上，华北地区东南侧也为高压，但这个高压比第一类型强度更强，位置更偏西北（图10b）。霾区环流与第一类风向相同都是西南风，风速也比较小（1～2 m/s），相对湿度大部分在50%～60%，比第一类略高。经向剖面上，850 hPa以下盛行南风（图12b），燕山的南侧也有一个垂直环流圈，在燕山的南侧850 hPa以下为辐合区，其北侧为整层的偏北风，阻碍了污染物向北扩散。中低层虽有小范围的弱上升运动，但800 hPa以上为下沉运动，层结稳定，有利于污染物在霾地区堆积。纬向剖面图上整层都是下沉运动（图13b），且为西风控制，没有第一类的950 hPa以下的偏东风。从2015年1月13日14:00的地面图上（表1中序号为103的事件），华北地区主要为西南风控制，没有出现明显的偏东风（图11b）。假相当位温变化趋势与第一类相似，处于稳定层结控制。
第三类河南北部地区发生霾天气时，850 hPa河南地区受弱西北风控制，但风速比第一类小，约为2 m/s，相对湿度在40%～70%。华北地区盛行弱的西北风，长江以南地区为西南风控制区域（图9c）。925 hPa环流合成图上，在河南地区风速小于1 m/s，相对湿度大于50%（图10c）。河南地区为高压控制，天气形势稳定，温度露点差小，湿度大（图11c）。从合成垂直环流（图12c，图13c）可以看出，河南地区950 hPa以下盛行东南风，污染物向西北输送，西侧伏牛山的阻挡在迎风坡有弱上升运动，但这个弱上升运动也在900 hPa 以下，之上为大范围的弱下沉运动，特别是其北侧的西北下沉气流（图13c）。此类型发生时，伏牛山的东侧900 hPa以下形成了一个可以东伸到12
2o E垂直环流圈，霾最严重的地区出现在伏牛山的东坡和紧靠山脉的平原地区。地面图上在36o N以南伏牛山以东为大范围的东风（图11c），东风既输送水汽，也将输送污染物到伏牛山的东侧，这样的环流形势使得污染物在伏牛山的东侧大量积累，有利于霾天气的形成和维持。第四类型霾区发生在河南北部及环渤海、黄海地区。850 hPa与第三类相同，盛行西北风，但风速比第三类大（4～6 m/s），东南侧高压的位置比第三类偏西北，强度稍弱一些。相对湿度比第三类低，与第一、二类型差不多（图9d）。925 hPa环流场与第二类相似，但东南侧的高压强度比第二类弱，且已经到达山东省（图10d）。此类型发生时，西南风可将污染物从湖北、安徽省输送到河南和山东霾区。南北向剖面图上（图12d），800 hPa以下盛行东南风，有弱上升运动，山前形成一个700 hPa以下的垂直环流，近地面山东西部（35°N～37°N）为下沉运动区，同时处于层结稳定区，导致污染物在山前积累，难以扩散。东西向剖面图上可以看到（图13d），此类型的垂直环流圈比第三类偏东，且伏牛山东坡的下沉运动没有第三类强，山东西部中低层为较强的下沉运动，地面图上河南和山东为大范围弱东南风，东风的范围比第三类大，山东地区有一个温度脊（图11d），相对于河南地区更有利于霾的形成和维持，是霾污染最严重的区域。
6 结论
（1）华北地区年、季平均霾日数分布存在明显的空间差异，有4个大值区：吕梁山和太行山之间的河谷地区，河南北部，沿太行山以东的平原和环黄海和渤海地区。4个季节霾日数与总霾日数的变化趋势均一致，即山东东北部、鲁豫交界地区、京津地区及河北西南部呈线性减少趋势，其余地区均是线性增加的。
（2）华北地区持续霾事件与年均霾日数空间分布较相似，也有相同的4个大值区，主要差异是持续霾事件在太行山以东地区的中心明显增多。持续霾事件整体呈增加趋势，冬季霾事件增加最显著，其次是秋季，春季，最少的是夏季。1981～2015年期间，华北地区持续霾事件一共有111个。持续时间为3～5 d的事件最多，占了总数的86.5%，持续时间最长的可达12 d。持续霾事件还存在年、季变化，2011～2015年是持续霾事件最多的时段。
（3）为了揭示华北地区持续霾事件高发地点形成霾的环流异同，将地形和持续霾事件的空间特征结合后分为七类，后三类的事件数较少，因此，针对前四类：第一类发生在整个华北地区，第二类主要发生在河南北部及太行山以东的平原地区，第三类主要发生在河南北部，第四类主要发生在河南北部及环渤海、黄海地区进行了合成研究。
（4）华北地区持续霾事件的环流形势主要特征如下（图14）：对流层的中低层华北地区为纬向西风气流或脊前西北气流，我国南部或东南部地区为高压控制，高压西部的西南气流与华北地区的偏西气流产生弱辐合下沉气流；近地面层（925 hPa以下）由于地形的影响形成垂直环流圈，霾最严重的地区一般出现在地形的东坡（整层为下沉运动）和垂直环流圈的下沉支。同时，近地面东南气流和低层的西南气流向该地区输送了暖湿空气和污染物。华北地区霾发生位置的不同，主要由低层我国东部或者南部高压的位置和强度，以及局地垂直环流的下沉支的位置决定，因此，对华北持续霾事件预报除了需要考虑大尺度的环流背景条件外，还需要考虑地形影响下的局地垂直环流的影响。
图14 第一类华北型持续霾事件形成的概念图；上、中、下图分别代表850 hPa、925 hPa和地面；彩色阴影代表相对湿度，黑色实线是位势高度（单位：gpm），灰色阴影代表地形（850 hPa地形高度大于1500 m，925 hPa地形高度大于800 m）；850 hPa图中的蓝色虚线方框代表华北地区
Fig. 14 A schematic model for the persistent haze events of type one in North China. The upper, middle, and lower panels represent circulations at 850 hPa, 925 hPa, and the surface, respectively. The shadings represent relative humidity, the black solid line represents the geopotential height (gpm), and the gray shadings represent topography, which is higher than 1500 m at 850 hPa and higher than 800 m at 925 hPa; the blue dotted box at 850 hPa represents North China
本文总结了华北地区持续霾事件发生时的环流特征，建立4类环流模型，为预报员预报提供一定依据。
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摘要
根据1981～2015年华北地区地面基本气象要素定时值数据集和地面气候日值数据集站点资料，分别利用14时实测值法和目标区域极端事件的客观识别方法挑选霾日数和持续霾事件，并分析了它们的特征；，然后对持续霾事件进行了分类研究。结果表明：（1）华北地区霾日数空间分布极不均匀，有4个大值区：吕梁山和太行山之间的河谷地区、沿太行山以东的平原、河南北部、环黄海和渤海地区。（2）华北地区共挑选出111个持续霾事件，其中，持续3～5 d的事件最多，占了总数的86.5%，最长的事件可达12 d。（3）持续霾事件和霾日数的空间分布特征相似，且存在明显的年、季变化。1981～2015年持续霾事件数呈增加趋势，冬季增加最显著，其次是秋季和春季，夏季最少。（4）结合地形、霾日数、持续霾事件的分布和环流特征把持续霾事件分为7类，对发生频次较多的4类（华北地区型，河南北部及太行山以东的平原型，河南北部型，河南北部及环渤海、黄海地区型）的环流进行了对比分析。其环流形势的主要特征包括：对流层的中低层华北地区为纬向西风气流或脊前西北气流，我国南部或东南部地区高压西部的西南气流与华北地区的偏西气流产生弱辐合下沉气流；近地面层由于地形的影响形成垂直环流圈，霾最严重的地区一般出现在地形的东坡和垂直环流圈的下沉支。近地面东南气流和低层的西南气流向该地区输送了暖湿空气和污染物。华北地区霾发生位置的不同，主要由低层我国东部或者南部高压的位置和强度，以及局地垂直环流的下沉支的位置决定。这些研究结果可以为华北地区持续性霾的防控提供参考。
Abstract
Based on the surface meteorological observational elements and the 1981-2015 climate daily station data from China Meteorological Administration (CMA), 1400 BST (Beijing Summer Time) moment method was used to select haze days (HDs) in North China，and an objective identification technique for regional extreme events was employed to determine persistent haze events (PHEs). Finally, the major characteristics of HDs and PHEs were obtained. The major characteristics of PHEs are as follows: (1) The spatial distribution of HDs in North China was extremely uneven, with four high- frequency regions: The valley area between Lvliang Mountains and Taihang Mountains; the plain east of Taihang Mountains; northern Henan; the gulf area of Bohai and Yellow Seas. (2) A total of 111 PHEs, with the longest one lasting 12 d, were identified. The PHEs lasting three to five days accounted for 86.5%. (3) The annual and seasonal variation of PHEs was very similar to those of HDs. The number of PHEs increased during 1981-2015, which peaked in winter, followed by autumn, spring, and summer. (4) According to the characteristics of topography, HDs, and PHEs and their circulations, PHEs can be categorized into seven types. Among these, we compared the circulations of the four high-frequency PHE types (North China; northern Henan and the plain east of Taihang Mountains; northern Henan; northern Henan and the gulf area of Bohai and Yellow Seas). The major circulation characteristics of the four PHE types were obtained. In the mid-lower troposphere, North China was controlled by zonal westerlies or northwesterlies in the front of ridges. A sinking motion was produced by a weak convergence—formed by southwesterlies along the west of high pressure with westerlies in North China. A vertical circulation existed near the surface, which is related to the influence of topography. The most severe haze areas generally appeared in the east slope of the topography and the subsidence of the vertical circulation. Southeasterlies or southwesterlies in the lower troposphere transported moisture and pollutants into the haze area. The location of haze in North China was mainly determined by the position and intensity of high pressure in the eastern or southern China, as well as the location of the local sinking motion in vertical circulation. These results provide references for the prevention and control of persistent hazes in North China.
