2015-2019年北支脊强度与中国空气质量状况的相关性研究

　　摘要：基于NCEP/NCAR再分析资料和AQI台站数据，通过统计分析、相关分析等方法，利用北支脊强度指数及空气质量指数讨论了20152019年北支脊强度及空气质量的变化特征以及两者之间的相互关系。结果表明：5年内北支脊强度表现为先增强后减弱，春季北支脊强度逐渐加强至夏季到达峰值后逐渐减弱至冬季到达谷值。空气质量状况表现为春、夏季较好，秋、冬季较差，中度污染区域主要位于中部地区，华北地区空气质量状况季节性变化显著。AQI值与北支脊强度指数的时间序列为显著负相关，当北支脊强度偏强(弱)时AQI值整体偏小(大)，中国空气质量上升(下降)。春季西北及华北地区主要为负相关。夏季以长江为界，相关性在中国的分布具有明显的南北差异。秋季大部分地区负相关性显著。冬季内陆地区以负相关为主，东北及东部沿海城市为显著正相关。

　　关键词：大气科学;气候变化;北支脊强度;空气质量状况;时空分布

　　赵雯;范广洲;李一伟成都信息工程大学学报2021-12-13

　　0引言

　　大气是人类赖以生存的环境之一和发展的基本环境要素，但随着中国各方面综合实力的不断提高，工业化不断推进，生产、建筑行为的增加，自然环境已经遭受了极大的污染，中国已成为大气污染最为严重的国家之一，人们在生活水平提高的同时也越来越关注城市内大气污染问题[。因此，对影响大气污染因素的统计和分析也越发重要。中国大气污染具有总悬浮颗粒物和可吸人颗粒物含量高，含菌量大，煤烟型污染占重要地位等特点[3]。董佳丹等[4]在有关空气质量时空变化分析的研究中指出，空气质量有逐年下降的趋势，大气污染程度时间上冬季要高于夏季，空间分布上北方高于南方。排放到大气中的气体和颗粒污染物被从排放源驱散到更大的空气体积中，这是引发空气污染事件的根本原因[5]，而污染物被释放后，气象条件在污染物的扩散和输送中起了主要作用，成为大气污染的直接影响因子[6]。刘强等[7]认为大尺度天气形势的变化，会导致风、气温、气压、相对湿度等要素在水平、垂直方向的分布发生相应的改变，从而影响空气污染物的扩散条件。祁栋林等[8]认为解释空气污染的成因较为常见的方法是通过分析空气质量与气象条件之间的关系。邹旭东等[9]发现空气污染指数与风速、气压、降水呈负相关。赵庆云等[|°]通过建立预报方程得出，东亚大槽明显时，亚洲地区环流经向度大，空气污染程度较轻。李厚宇等[||]通过分析大气流场变化也得出相关结论，当东亚大槽偏弱，高空以纬向环流为主时，中国冷空气强度较弱，使霾天气出现的可能性大大增加。魏月娥等[|2]研究指出，降水量的大小对空气中污染物有湿清除作用，对空气质量的改善和污染物浓度的降低有明显作用。

　　青藏高原是一个大范围的高海拔地区，它通过机械和热力动力学效应对亚洲及亚洲以外的大气环流有着深远的影响[|3|4]。青藏高原的动力作用不仅使其形成了独特的高原气候，而且由于其高大地形的存在，使西风带发生分支、绕流，从而形成了南北两支气流。北侧气流在新疆地区形成北支西风带高压脊，王谦谦等[|5]通过数值实验得到，西风气流在高原纯动力作用下，产生绕流的北侧纬向位置基本一致。北支脊作为高原环流的一支，体现了青藏高原纯粹的动力作用，对其邻近地区乃至中国的环流系统和天气气候均产生显著影响。盛华等[|6]通过数值实验分析指出，夏季青藏高原的动力作用主要表现在对气流的绕流作用上，在高原纯动力作用中，绕流作用均比爬坡作用重要。B〇-lin等[17]对地形绕流效应进行研究，结果表明，高原冬季对西风气流的分支作用是形成东亚大槽的重要原因。陈忠明等[18]分析指出，东亚大槽的强度与西风强度成正比。李维京等[19]指出高原的南北气流有助于在高原附近生成新的中尺度天气系统，如西南涡、高原东侧的切变线和北侧的小高压等。乔钰等[M]研究指出气流绕过高原后在其东侧汇含s并在高原北侧有反气旋式高压叠成，高原东北侧南下的冷空气;加强。蒋艳蓉等fen研究发现较强的高压脊有利于中高纬冷空气向南输送，同时髙原东南侧的暖涵气流向北输送，有利于江淮降水。同时强高原绕流作用也使西北、华北、东北部分地区參季气温显奢偏低。梁潇3馨_对有、无食原大地形进行了数值模拟，结果表：明，在春季，青藏高揮北支气流加强了北方冷空气在高原东侧的南下，有利于华南地区春季降水的加强。

　　目前对影晌大气污染物扩散的气象条件的研究多针对于裳些城市局地的气象要素变化，而有关高原环流对全画太气污染整体局势的影响的研究尚不急參-e利用统计分析方法，从春夏秋冬四个季节的角度讨论北支脊强度及中国城市空气质：量指数AQI在2015-2019年的变化特征，并空气质量指数的插值结果分析北支脊与中国空气质董狀况的关系，有利于完_有关影响污染物扩散的气象条件的工作，提高人们对中国大气污染状况的认识，为推进研究青藏高原环流对中_大气污染的影响提供一定的参考。

　　1资料及方法1.1空气质量指数

　　在疵究大气特染肘，通常会根据反映太气If染状况朦重要指标进行大气转染常规指标分析[23—24]，将监测到的几种空气;污染物的浓度折寡成一个统一的指数，即空气厭量指数人(｝1['这是定量描述空气质量状况的无量纲指数。根据A(?r值将空气质量分为不眞等级，AQI值越高说明大气：污染.程度越高，空气质量越差。研究数据主要乘自生态环境部发布的国控站点全国站点日报数据中的AQI台站数据。选取2015-2〇19年的共有站点U657个)进行统计分析。*于AQI的插值结果对其进行时间及■间分布特征分析，研究其季节性变化特考虑到4月、7月、10月、1月的500hPa平均高度和渦度场与#、夏、秋、要季的芊均场类似，选用每年的4月、7月、10月、1月分别代表舂、夏、秋、冬季〇

　　1.2北支脊强度指数

　　所用资料包括;NCEP/NCAH||分析资料，包括位势高度VJC平经向凤和纬向风，垂直速度等物理量%水率雜_为2.X2.5°，时间取2015-2019年。副热带面风带在青藏高原动力作用下分支出的北侧气流在新疆地区形成的北支西凤带高，压脊，即为北支脊。参照?驵等[261定义冬季北支脊的方法，将各年北支脊强度指数定义为厂1^1%)—niax，

　　45e：l进抒平均，傷规在65U5SE内舞漏2.5°1爾共丨3个像錄高?的乎均值，取其中的最大值为4。/?对应的盛度值为北.支脊的纬向位置指数/ZP，以表征北支脊在东、西方向的移动情况。

　　22015-2019年北支脊强度及纬向位置变化特征

　　如图1所示T2015-2019年北支脊強度指数日变化图上存在5个显著波段，分别对应每一年北支脊强度的逐日变化情况，波段数值区间为5500?6000gpni，呈现出較为一致的特征P

　　从北支脊强度指数J1.月变化方面分析，2015-2019年波谷对应的时段均为1月卞旬，此时强度指数最小，北支脊强.度最萄。北支脊强虔指数均?2-7月逐渐增大，其：中2017年3月增速达到6.89，为5年内增速最太值》4-7月增速有所放缓32015-2019年北支脊强度指数达到峰值的时段均为7、8.月，此时强度最强，维持1个月左有*9-12月北支脊强度指数逐渐减小，北支脊强度逐渐减弱，其中2019年11月减速达到-4.964，为5年内减遞_大僮。2015-2019年北支脊强度指数的峰值有逐渐臧小的趋势，2015年峰值最高为5929.625期111，2019年_值最低为5907.458§1?1。

　　从北支脊强度指数季节性变化方面分析，眷季北支脊强度为显著增强阶段，波动幅度大且比较不稳氣蕙學北鎌3線指数维持在较_平且振_小，被动比较稳定。秋赛北支脊强度为嚴箸减.弱阶段，冬季强庋到达谷值且波动比较不稳定。张永翁等网指出，北支脊纬向位置指数/ZP与强度指数4关系为显著负相关，心的值愈大(小)，/2P愈小(大)，北支脊向西f东)移动s图2所承：的2〇15_2〇19年北支脊部向位寘指数的逐月变化曲线呈现出相对应的特征..整体表现为先减小后增大。自2月起/&逐渐减小，于7月份到达谷值，9-12月4逐渐增太，且10-11月纬向位置指数被动较大韈蒙性載差，对St北支;脊春季起0_向两移动至夏季中卞旬到达最偏西位暨，在偏西偉置保持1?2个月后由西向东移动。

　　32015-2019年中国空气质量变化特征3.1AQI值时间变化特征

　　2015-2019年AQI时闾变化如图、3所示，财AQI进行二次多项式拟合，弁根据AQI值与拟合值的差值，得到AQI值逐日波动情况。如图3U)所示，2015年AQI变化特征显著，盤体特征为先减小后增大：。自1月起AQI值逐渐减小，至8月前后即夏末时段达到谷值，9月就后AQI值开始逐渐升高，12月下旬达到AQ.I值峰值，说明中闺的空气麋量情况以8月为转折点先上升后下降。2015年AQI值均爾于50，其中4月中旬至9月的AQI值低于100，说明中g在春季中后期至秋季中期空气质量状况较好^萁中6-9JAQI值低于75，夏季至秋季初期的空气质量为金年最优。1-3月、10-U月的AQI值总体处于100￣150，说明冬季、眷初、秋末空气质量状况覉于轻度污染，其中冬季出现：TAQI值大于15〇的时段，即中度污染天气。根据AQI值与拟合值的差值得到AQI值波动特征J-4月波动幅度较大，自1月起波动幅慶逐渐减小，龜ft韵小幅度波动保祿在6-9月，10H波动幅度遂渐增大，12月AQI值前振幅较太，波动截雙性藜雜*

　　图3(b)中，2016年AQI值整体变化特征与2015年较为一致，其中6-8月大约有25天的AQI值小于50，此时段内空气质量状况最佳。2016年AQI值低于100的时间段为4-10月，与2015年相比持续时间较长，此时段内空气质量较好。1-3月的AQI波动与2015年同期相比不稳定性增大，其中3月振幅变化最为明显。图3(c)中，2017年3月起AQI值波动渐趋稳定，但在5月初出现AQI突变值，稳定的小幅度波动时间较长。图3(d)中，2018年1-5月的AQI值振幅整体偏大，此时段内AQI值波动稳定性较差，仅7月的波动较为稳定，11-1月均出现AQI突增。图3(e)中，2019年AQI值较往年整体偏低为32￣136，且波动与往年相比较为稳定。因2015-2019年内仅2016年为闰年，图3(f)中用2016年2月29日AQI数据代替该日平均数据。5年AQI日均值表明，AQI值总体呈现先降低后增大的变化特征，空气质量较好且变化较稳定的时段为6-9月，其余时段AQI值波动较大，空气质量状况不稳定。从季：节性角度分析/舂季璧气质量逐渐上升至夏季达到空气质量最优时段，眉秋季起空气质量遂渐下降，冬季的空气污重§

　　3.2AQI值空间分布特征

　　图4所示的中爵AQI值的分布情况在_夏秋冬四个季节具有较大的差异，图4(反腴了春季在Q1值的分布■情况，高值区大部分分布在35，￣40，，位于中国北方，其中新疆西部高值区覆盖范围较广且細区毫大j高達300，屬重度染m另一■AQI局值区覆盏面积包括华东地区、傘北南部地区及华中北部地区，其中柯北南部、山东西部及河南北部的AQI值处于100￣150，属于轻度污染，空气质量較差。40°N以北、35B南的AQI值遂渐减小，黑龙K北.、广东._部AQI值低f50，空气质董为优。賣藏裔原中部存在AQI值翕值区，但范围较小且中心值小于100，主要位于那曲地区，AQI值由中心向四周逐渐减小。

　　图4(b)反映的蕞夏季AQI值的分布情祝，A〇[值.低于50的区域较春季大幅度扩大，整体AQI值偏低，空气质量較好。空气质量相对较差的区域集中在35°N￣45離直区：霭盖的范围较#季有所减少，主要分布在新蘧西部及河北南部地区。新疆西部的高值区葙围虽无明显缩减但巖大值较春季有所减小，最大值小于175。河北南部的AQI值降至100以下，但依旧高于周边地愈气质量由轻度汚染降为良，较春季書：所提_。35以歯及45北的K域AQI價低于50，空气质量状况以优为主。

　　图4(c)反映了秋季.AQI值的分布情况，空气质量整体有所下降，存在3个高眞K，分别位子新疆西部、华北南部以及青擊高原南部地区。其中新蘼西部AQI值大于150_蒗：爾较裏事會所扩大，嘗值区_最大痕瑨至200以上，所在位亶偏酋a痕本位于钶北南部的龕值区范M在秋季扩大，至山东、河南、安徽大部分地区，但高值匡，最大值所在位置依旧位于河北南部。西南大部分地区AQI值低于50，空气质量较好，但實藏錢庫南部出现AQI辟值区，錢愼JX戴蘭与春季錢为相似，秋季AQI高值区的极太值太于150，空气處鐘相对较差。根据图4(d)，冬季中部地区及新疆大部分地区存在太范围的AQI高值：区。新疆地K的AQI高值区范围由西向东北扩太，新辑西部、北部、东部均出现高值中心，较严重的大气污染覆盖新疆大部分地区。中部AQI商瘡麗内最大值远歸于春i复、秋季AQI僮大于150，其中河北南部、山西南部、陕西南部、湖北中部及整个河南中部的AQI值高达200，属于重庹污染。青藏高揮中部的寫值中心梢失，高原南部空气鹰量较好#

　　总体来看》在春、夏.、秋季，中匡大部分地区为中度?专染，主要位于西北、华北以及华中、华东地区，Iff寳藏龕原及东北地区空气质量较好。冬季整体空气质量降低，绝大部分城市均受到污染性天气影响，华中、华东地区_中：度雨染转为重屢If染。常年太■气鐘染较为：严重的区壤遵賽擊中在30aS￣4585N，尤其是新囊及中东部地区的空气風最豪节变化最明显。西川西部、云南北部以及海南地区常年全气就麄较好6新疆西部的空气质量常年较差，这与新疆的区域性沙茧天气及嘻什三面环山的半封闭地形特征有很大的关系。

　　4北支脊强度指数乙与空气质量指数AQI的相关性分析4.1&与AQI的时间序列相关性

　　画5(a)所示的2015年/^与AQI的时间序列对比图中与AQI值具有明显反向变化特征;s;1-4月V：处于速：度较：大的增太阶段★同_AQI值处于邀度較大的减小阶段増A舅£月到达峰值时，嵐期AQI值遂渐减小M8月到达咎值，8月下旬/w逐渐减小，AQI值逐渐增大。总体分析，北支脊强度为先增强后减_，肩期AQI：値先减小篇增大。雨者餘动不_定_时段均处f1-3月、10—12月。如图5(f)所示.，2015-2019年的AQIH均值与北支脊强度指数均具有明显的负相关关系，相关系数在-0.55￣-0.75，相关系：数均通过0.05的显.養挂检：验。其中2019年相要系数最大负相关性最强2015-2018平：货相关性遂浙减弱，2018年：負相关系数最小，负相关性最弱q

　　4.2/#与AQI值季节性相关系数分布特征

　　图6为2015-2019年龙支脊强度与中匿4、7、10、1月空气质量状况的相关系数分布?。4与屑期AQI值的相关性在：不同季节不同地域呈现出不同的特征》图6(a)中，春季應着负相关区域主要位f青梅东图6(b)夏攀￣与AQI趙相关系数在中_，的密间分布图，除新疆北部有较为显著的正相关关系外，以长江为界，与AQI的相关性晷有明显的南北善异，长杠以北为显著负相关，长江以南为显箸正相关，长江以南地区'中广西、湖南、江西部分地匡相关系数超过0.5，正相关性较高。说明当夏季的北支脊強度偏大时，长杠以北地区AQI值偏小，空气，J|i：俯高：，而长江以南地区AQI值偏高s空气质量偏低。图6(?)中、，秋攀/f;与AQI_大部分地区为负相关关系，青藜高原、东北地区及中部地区的负相关系数较高，其中辽宁、吉林、i可南南部、湖北北部、相关系数超过-0.5，负相关性显著e除此之外，在贵州南部出部以及河南南部及其周边地区，尤其基河北南部的负相关系数趄过-0.5，周边地区包括山东西部、山西南部、陕西南部的负相关系数超过-0.2，负相关性较高。正相关区域主宴ft乎商鬅食中部、_方太部分地区，尤其是音南西部正相关系数超过0.5，疋相关;性较高c说明_季&值愈大时，北支脊强度愈强，陕西、山西、河南、山东即黄河申下游大部分地区AQI值愈小，空气质量状况愈好，而南方大部分地区AQI值愈大，空气處薰愈差。

　　图6(b)夏攀￣与AQI趙相关系数在中_，的密间分布图，除新疆北部有较为显著的正相关关系外，以长江为界，与AQI的相关性晷有明显的南北善异，长杠以北为显著负相关，长江以南为显箸正相关，长江以南地区'中广西、湖南、江西部分地匡相关系数超过0.5，正相关性较高。说明当夏季的北支脊強度偏大时，长杠以北地区AQI值偏小，空气，J|i：俯高：，而长江以南地区AQI值偏高s空气质量偏低。图6(?)中、，秋攀/f;与AQI_大部分地区为负相关关系，青藜高原、东北地区及中部地区的负相关系数较高，其中辽宁、吉林、i可南南部、湖北北部、相关系数超过-0.5，负相关性显著e除此之外，在贵州南部出现小范围的芷相关性区域，相关系数不超过0.2，相关性翁薄eM6({;)：倉朗，秋_1#值偏小时，北重眷强慶减弱，大部分地区AQI值升高，空气质量较羞，而贵州甫部AQI值减小，空气质量有所上升。图6(dj蠢冬拳‘与AQI僮'关系数分布图，'酉北地区主要为负相关关系，从西北向东南方向相关性逐渐减弱，正相关性主要分布在东北地区以及东部沿海城市。说明当冬季冬值愈大即北支脊强度愈强时，内陆地区空气嚴愈好，反之值愈小，内陆地区空气质量愈羞，东北及沿海地区空气质量愈好Q

　　通过对北支脊强度偏强和偏弱时的风场及降水特征进行分析，：可初步讨论中舞空：气簾量状况与北支脊强度相关性分布备异性的原因，图7(a)所磁，在北支脊强度较弱的冬季，中高纬地区东亚大槽显著，青藏高厚及东北地g风速较大，北方盛行西北风，新疆地区及华中、华东地区风速较小，不利于浔染物扩散.，且中部地区风向座反气旋，高空存在下沉气流，吴萍間认为涑厚的下沉气流使得大气边界层麇度降低，是冬季京津冀地区太气污染物难以扩散的.原：固。加之中部地区冬季汚染物排放强度较高，而西南、西北以及北方地区降水量较少，不利于污染物进行極沉降，导致冬季北支脊偏弱时，北方地区空气质量状况较差图7(所示的冬季降水量：分布图中，降水主要发生在南方地区，翕值区位予沿海一带，有效促进沿海地区的大气颗粒物24681012141618m/s(a)冬季850hPa风场60°N2468101214161820m/s(c)夏季850hPa风场沉降，降低大%?染程度，且沿海地区较华中地区风速较大，有利于污染物的扩散。图7u)所示的夏季85〇hPa凤场中V中部地区风速较聲羊看所增太，但整体风速有所下降，风场对污染物扩散的影响有所减小。彭京备等[M]研究榑出，夏季副热带翕压西伸、北抬过程会导致南方禽温天气的发生。畐jii西_的西南气流将水汽持续输送到中东部地区，高湿环境便得污染物在一定程度：上吸痖增长。图7(d)所示的夏季降水暈分布_中，北方地区降水暈较冬季大幅度増加，南方地区降水量高值区范围较冬季有所扩大，有利于特染物扩散和沉降，便得夏季空气庚童整体较好。

　　5结论

　　通过使用统计分析、相关分析方法对2015-2019年北支脊强度指数与空气质量指数吋空变化特征以及两者相互关系迸行研究，筲到以下结论：

　　(1)北畫脊義32.5￣45，、65￣95°E区：域全年均有较活跃的移动特征，自春季起北支脊强度不断增加并自面向东移动，塋夏季中旬到达强度最大值且北支脊讳向像置最偏西，秋季北支脊强度逐渐减弱且自西向东移动，冬季北支脊强度最弱且位置偏东《

　　(2)中国AQI值呈现先减小后增太的变化：特征。从整体来看，春季AQI值逐渐减小、夏季为AQI值谷值时段，S气质量最好，大气污染程度最低，秋季AQI值逐渐增太，冬季AQI达到峰值，空气质量状况最_。从不_地域来看，中響污染地区主要位于西北、华北以及华中x华东地区。由于地形零原谇新疆西部常■年存在AQI高值区，春季北方空气质童较差，东部地区属于轻度污染u夏季空气质量较差的区域主要位于35°N￣45QN，整体AQI值偏低，空气;麋量较好。秋季南方地区空气质量整体有所下降，京津冀地区污染逐步扩大。冬季大气污染最严重的地区处于中部，AQI值高达200，属重度污染。

　　(3)2015-2019年中国AQI日均值与北支脊强度指数的时间序列为显著负相关，当北支脊强度指数达到最大值时同期AQI值达到最小，说明北支脊强度偏高(低)时，整体的大气污染程度偏低(高)，空气质量较好(差)。在空气质量状况的整体变化背景下，北支脊强度与空气质量状况在不同地域表现出不同的相关性，春季华中及华南地区有小范围的正相关，西北及华东地区负相关显著。夏季南北差异显著，以长江流域为界，长江以北为显著负相关，长江以南为显著正相关。秋季大部分地区为显著负相关。冬季新疆及内陆大部分地区以显著负相关性为主，沿海及东北地区为正相关。引起相关性差异的原因与北支脊所代表的环流对风场、降水等气象因子的影响有一定的联系。