近些年，中国的霾污染日益加重，对交通、航运、旅游和农业等产生了不利影响，也阻碍了社会经济的可持续发展。随着中国经济的快速发展，霾已经不完全是自然现象，背后有大量与人类活动相关的气溶胶粒子参与（王跃思等，2013），这些细颗粒物对呼吸系统、心血管、心理健康和生殖能力都会产生不利影响(Simon, 2013; Chen et al., 2013)。针对霾成因的科学研究是当前的热点，属于大气科学和环境科学的交叉领域。可以说，现在的霾既是一种天气现象，也是一种污染现象（缪育聪等，2015）。污染物排放强度大是霾高发、重发的物质基础和根本原因。当前，中国东部的大气气溶胶质量浓度背景值长期处于偏高的状态（张小曳等，2013），大气的环境容量已经或接近饱和，这就导致霾发生所需要的颗粒物条件非常容易达到。

2016年12月16~21日，京津冀及周边地区共有接近30个城市启动了空气重污染红色预警，采取停产限产、停工限行等措施，大幅降低了污染物的排放量。在如此严厉的限排措施下，华北、黄淮及周边地区依然出现了严重的霾过程，其中有13个省（直辖市）出现重度霾，影响面积达到268×10⁴ km²，超过中国1/4的国土面积。极端不利的气象条件是此次重度霾发生的主要原因之一，因此有必要针对此次过程及其相关的气象条件、大气环流进行深入分析。从局地条件看，小风速、高湿度和强逆温是霾发生发展的有利条件（花丛等，2015），近些年达到发生阈值的难度也在下降（Yin et al., 2015）。在雾—霾天气持续期间，地面弱风场的维持主要源于冷空气势力弱、常不能影响到地面（廖晓农等，2014；孙彧等，2016）。从全球和区域大气环流来看，东亚冬季风偏弱及伴随的环流调整为霾的发生提供了稳定的大气条件（张人禾等, 2014; Yin et al., 2015; Li et al., 2016）。此外，东大西洋/西俄罗斯（EA/WR）、西太平洋（WP）和欧亚（EU）等遥相关可以通过调控华北平原上空的反气旋异常对华北平原冬季霾产生显著的影响(Yin et al., 2017)。更详细的分析指出当冬季底层风减弱，中低层逆温层发展、中层东亚大槽减弱及高层东亚急流北移时，华北地区容易爆发大范围的霾(Chen and Wang, 2015)。Wang et al. (2015)的研究更是指出北极海冰的减少通过调控欧亚大陆大气环流异常，进而加剧我国东部冬季霾污染。污染排放是内因，气象条件是外因。霾，尤其是大范围重度霾的发生，往往需要内外因的配合。在2016年12月16~21日的这次重度霾过程中，污染排放在一定程度上受到抑制，气象条件的作用被突出了，针对相关大气环流的诊断分析有利于更加清楚地认识不利气象条件的作用和机制。需要注意的是，虽然12月是霾过程比较易发的时段，但达到如此强度、范围和时长的过程，也是较为少见的。因此，本文在分析环流形势时，为了剔除气候平均态的干扰，采用的是距平场，以此来突出本次过程的异常环流信号。

（1）2016年12月15~22日中国地面观测数据，包括能见度、温度、相对湿度和风速等要素，以及北京观象台的探空观测数据；（2）2016年12月15~22日NCEP/NCAR再分析资料中的逐日高度场、风场、相对湿度、表面气温、海平面气压场和表面抬升指数等，以及各要素的气候平均值；（3）2016年12月15~22日北京、天津、石家庄、太原、西安和郑州等地的逐小时大气成分（包括细颗粒物PM2.5、SO₂和NO₂）观测数据；（4）由NOAA/CPC提供的2016年11~12月逐日的北极涛动(Arctic Oscillation, AO)指数。

12月中旬之前，2016年中国出现了7次大范围、持续性的重度霾过程，其中有6次过程的最高小时PM2.5浓度出现在华北地区。这7次霾天气过程均出现在秋冬季，持续时间为3~4 d（图 1）。12月16~21日，华北、黄淮及周边地区再一次遭受了严重的霾过程，受影响面积达到268×10⁴ km²，其中重度霾影响面积为71×10⁴ km²（接近前7次过程影响面积的总和），持续时间达到6 d（较前几次过程偏长近1倍）。这次过程是2016年影响范围最广、持续最久、强度最强的霾天气过程。虽然重度霾主要出现在华北、黄淮，但其范围也波及到东北地区中南部、四川盆地和西北地区东部等地（图略）。16日，霾天气首先出现在华北、黄淮地区，其中河北西南到东北部一线的日均PM2.5浓度最早超过150 μg/m³。山东、江苏和山西的部分地区的日均PM2.5浓度也已经超过110 μg/m³。16~19日，霾区域持续扩大，日均PM2.5浓度超过150 μg/m³的范围向北推进到东北地区中南部，向南推进到长江以北。日均PM2.5浓度超过70 μg/m³的霾甚至向南影响到广西。从19日开始，整个华北、黄淮地区的日均PM2.5浓度超过250 μg/m³，并有部分区域大于500 μg/m³。经过4 d的积累，霾过程在20日达到最强，不仅存在大范围日均PM2.5浓度超过250 μg/m³的区域，超过150 μg/m³的区域也推进到长江以南。21日，霾的影响范围明显减小，收缩到华北、黄淮等地。

图 1

Fig. 1

图 1 2016年中国主要霾过程的重度霾面积（柱形）和持续天数（折线） Fig. 1 Areas affected by severe haze episodes (bars) and the number of haze-lasting days (lines) during the main haze processes in China 2016

从能见度（图 2）和PM2.5浓度（图 3）的时间变化可以发现，16~21日霾存在逐渐加重的趋势，但前期（16~18日）日变化比较明显，傍晚到夜间霾加重，早晨至上午能见度和污染物浓度略有好转，而后期能见度持续偏低，PM2.5浓度持续增高。激光雷达监测显示，华北地区上空霾平均厚度在500 m左右，最高厚度接近1 km（图略）。逐小时观测的PM2.5峰值浓度出现在石家庄，超过1100 μg/m³（图 3a）。除此之外，各省会城市的NO₂和SO₂浓度也处于明显偏高的状态，与高浓度的PM2.5叠加之后加重了污染的危害程度。值得注意的是，在整个霾过程中太原的SO₂浓度明显超过其他城市。从污染物浓度看，河北（以石家庄为代表）是污染最严重的省份，PM2.5、NO₂和SO₂（除太原外）浓度都是最高的。北京的污染主要体现为高浓度的PM2.5和NO₂，但SO₂的浓度相对较低。21日夜间开始，随着地面风速加大，能见度迅速上升，污染物也随之消散。对比之下，污染物消散（21日夜间）的速度明显快于前期（16~21日白天）累积的速度。

图 2

Fig. 2

图 2 2016年12月15~22日重度霾区域（30°N~42°N，110°E~122.5°E）能见度、地面风速和相对湿度的逐3小时变化 Fig. 2 Variations of area-mean visibility, surface wind speed, and surface relative humidity in the severe haze area (30°N–42°N, 110°E–122.5°E) during 15−22 Dec 2016

图 3

Fig. 3

图 3 2016年12月15~22日重度霾区域省会城市（a）PM2.5、（b）NO2和（c）SO2浓度的逐小时变化 Fig. 3 Hourly variations of (a) PM2.5, (b) NO2, and (c) SO2 in the provincial capitals located in the severe haze area during 15−22 Dec 2016

污染排放是霾发生的物质基础，不利气象条件是重要原因。得益于提前发布的空气重污染红色预警，12月16~21日京津冀及周边地区的污染排放在一定程度上受到抑制。从局地气象条件看，地面小风速和高湿度（图 2）以及底层强逆温（图 4）是促使霾发生发展的重要因子。能见度与表面风速、相对湿度之间的相关系数分别是0.55和–0.68，均通过99.99%的信度检验。持续的小风速（1 m/s左右）抑制了大气中颗粒物在水平方向上的扩散，高湿的环境则促进了颗粒物吸湿增长，导致能见度显著下降。从变化趋势上看，前期风速和相对湿度的日变化导致能见度在持续下降的大趋势中也表现出显著的日变化，后期相对湿度持续大于70%则带来能见度的持续下降，并达到本次过程的最低值（图 2）。强逆温层的发生发展阻止了颗粒物的垂直扩散，可以将大气中的颗粒物限制在浅薄的边界层。以北京为例，16日08:00（北京时间，下同）就已经有逆温出现，逆温强度（925 hPa和地面温度差）为6 ℃，随后逆温持续存在了132 h，直到21日20:00才被破坏（图 4）。16~18日，逆温强度也存在显著的日变化，与污染物浓度的日变化相对应。20日的霾最严重，08:00和20:00的逆温强度分别为9 ℃和8 ℃，持续存在强逆温。

图 4

Fig. 4

图 4 北京观象台12月16~21日（a）08:00和（b）20:00温度垂直扩线 Fig. 4 Vertical profiles of temperature in Beijing observatory at (a) 0800 LST and (b) 2000 LST during 16−21 Dec 2016

北极涛动是北半球冬季中高纬度主要的环流模态之一，当AO处于正位相时，华北黄淮的表面风速为负距平，有利于霾的发生（尹志聪等，2015）。16~21日，海平面气压场为典型的AO正位相型（图 5），且AO指数从12月7日开始持续为正（图 6）。在这样的形势下，冷空气被提前地、连续地限制在极区，不易南推到华北黄淮地区，导致地表面温度偏高。华北黄淮地区是明显的弱低压区，周围空气携带颗粒物向华北黄淮有比较弱的辐合。亚洲大陆为海平面气压场负距平（温度正距平显著），西太平洋为正距平（温度距平小），导致陆地和海洋之间的气压差（温度差）减小，诱发出由海洋吹向陆地的异常风场（图 7）。一方面减弱了华北黄淮地区的地面风速，抑制了颗粒物的水平扩散；另一方面带来了大量的水汽（图 8），有利于颗粒物的吸湿增长。同时，华北黄淮地区的表面抬升指数为显著的负距平，通过95%信度检验，表示该区域底层大气异常稳定，垂直运动非常弱，颗粒物集聚在非常浅薄的边界层内（图 7）。

图 5

Fig. 5

图 5 2016年12月16~21日海平面气压（阴影）和表面气温（等值线，单位：℃）距平（白点表示海平面气压通过95%信度检验，绿框为重度霾区域） Fig. 5 Spatial patterns of sea level pressure (SLP, shading) and surface air temperature (contours, units: ℃) in 16–21 Dec 2016 [white dots indicate SLP anomalies exceeding the 95% confidence level (t test) and the green box indicates the severe haze area]

图 6

Fig. 6

图 6 2016年11~12月逐日的AO指数 Fig. 6 Daily Arctic Oscillation (AO) indices from Nov to Dec in 2016

图 7

Fig. 7

图 7 2016年12月16~21日表面抬升指数（阴影）和表面风（箭头）距平（白点表示表面抬升指数通过95%信度检验，矩形为重度霾区域） Fig. 7 Spatial patterns of lifted index (shading) and surface wind (arrows) anomalies during 16–21 Dec 2016 [white dots indicate surface lifted index anomalies exceeding the 95% confidence level (t test) and the green box indicates the severe haze area]

图 8

Fig. 8

图 8 2016年12月16~21日表面相对湿度（阴影）和850 hPa风场（箭头）距平（白点表示850 hPa风场通过95%信度检验，矩形为重度霾区域） Fig. 8 Distributions of surface relative humidity (shading) and 850 hPa wind anomalies (arrows) in 16–21 Dec 2016 [white dots indicate 850 hPa wind anomalies exceeding the 95% confidence level (t test) and the green box indicates the severe haze area]

EA/WR是大陆性波列，正位相型包括位于欧洲和华北地区的正异常中心和位于西北大西洋中部和里海以北的负中心(Barnston and Livezey, 1987)。WP遥相关型则处于海洋和大陆的交汇处，正位相型包括堪察加半岛的负中心和东南亚及西太平洋的正异常中心(Barnston and Livezey, 1987)。EA/WR（WP）遥相关型的大气环流能够将大西洋和欧亚大陆（热带太平洋）的信号传播到东亚地区，进而对东亚冬季气候产生显著的调控作用。在冬季，EA/WR和WP正位相可以通过增强华北平原上空的反气旋异常，抑制华北平原上大气中颗粒物的水平和垂直扩散，进而导致冬季霾日数增加(Yin et al., 2017)。16~21日，在500 hPa位势高度异常分布中，EA/WR和WP两个波列的正位相能够非常清晰地被识别出来，并且每个异常中心都通过95%的信度检验（图 9）。同时，WP正位相与东亚急流的强度密切相关。200 hPa上，东亚急流明显偏弱，且位置偏北，意味着东亚，尤其是华北黄淮地区的冷空气活动明显偏弱，有利于霾的发生。华北黄淮上空的异常反气旋在850 hPa（图 8）和500 hPa（图 9）均有很清晰的表现，不仅能够有效地抑制底层的垂直运动，而且其后部暖湿的偏南风异常还能在减弱水平风速的同时，增强向重度霾区域的水汽输送。大尺度的大气环流异常通过调控华北黄淮上空的反气旋异常，为重度霾的发生提供了小风速、高湿度和强逆温的局地环境。

图 9

Fig. 9

图 9 2016年12月16~21日500 hPa高度场（阴影）和200 hPa纬向风（等值线，单位：m/s）距平（白点表示500 hPa高度场通过95%信度检验，绿框为重度霾区域） Fig. 9 Distributions of geopotential height at 500 hPa (shading) and zonal wind at 200 hPa (contours, units: m/s) anomalies in 16–21 Dec 2016 [white dots indicate geopotential height at 500 hPa anomalies exceeding the 95% confidence level (t test) and the green box indicates the severe haze area]

2016年12月16~21日，华北、黄淮及周边地区遭受了严重的霾过程，重度霾影响面积为71×10⁴ km²，持续时间达到6 d，过程最高小时PM2.5浓度超过1100 μg/m³。在整个过程中，霾存在逐渐加重的趋势，但前期日变化比较明显，后期能见度持续偏低，PM2.5浓度持续增高。除PM2.5浓度高之外，各省会城市的NO₂和SO₂浓度也处于明显偏高的状态，叠加效应进一步加重了污染的危害程度。中高层大气中EA/WR和WP波列表现为显著的正位相型，海平面气压则为典型的AO正位相型。在它们的综合影响下，华北黄淮局地的环流场和气象条件极有利于霾天气的发生。华北黄淮上空显著的异常反气旋能够有效抑制垂直运动，并减弱重度霾区域的水平风速。与之对应，近地面层为明显的弱低压区和偏南风异常，且逆温强烈发展。从局地气象条件看，地面小风速和高湿度以及浅薄的边界层是促使本次重度霾发生的重要因子。

污染排放是霾发生的物质基础，不利气象条件是重要原因。针对此次过程，中华人民共和国环境保护部于12月15日提前发布了京津冀及周边地区重污染天气预警提示。随后，有接近30个城市启动了空气重污染（或霾）红色预警，接近20个城市启动了橙色预警。启动预警的城市均采取工业企业停产限产、工地停工、机动车限行等措施，在一定程度上降低了污染物排放量。需要注意的是，2016年12月整月的霾都比较严重（图 1），我们选取的是限排措施最严格，但污染却最严重的一次过程进行分析。在这样的前提下，极端不利气象条件的作用变得更加显著，也更容易被清晰地诊断出来。EA/WR和WP等遥相关型除了自身可以调控华北黄淮上空的局地环流和气象条件外，还能够有效地将前期和远处的外强迫的影响传递到华北黄淮。本文仅针对霾过程本身和相关的气象条件、大气环流异常进行了诊断分析，并没有涉及排放和气象条件之间的相互作用，也没有针对前期外强迫的作用机制开展研究。除此之外，2016年12月霾显著偏多的成因，依然是一个值得关注的科学问题。例如，2016年冬季东亚冬季风偏弱，气温偏暖是否会对霾偏多有一定的贡献？2015/2016年发生的强El Ni o气候事件是否会延迟影响到2016年12月的霾？这些没有涉及的问题对于加深对重度霾成因的理解是非常重要的，也是下一步需要开展的工作。