网络科学前沿：既能造成极端天气，又能引发雾霾的“行星波”

罗斯比波，又称行星波，存在于大气和海洋中，会引发一系列的极端天气

导语

由于社会经济的迅速发展，工业化的扩张以及城市化的加剧，大气污染近年已成为我国面临的一个最为严重的环境问题。近日，来自昆明理工大学的张永文博士、德国波茨坦气候影响研究所的樊京芳博士和北京师范大学的陈晓松教授以及合作者，运用一种多层网络的分析技术发现大气中的行星波（罗斯比波，波长与地球的半径相比拟）可引发雾霾，行星波的演化对近地面大气污染物的逐日浓度涨落有非常重要的贡献。作者还通过网络的度分布展现了高层大气影响近地面空气污染物的主要区域。某些高层区域与地面污染区域之间的平面距离可以达到近3000公里，时间前置为1-2天。本文是对这篇论文的解读。

我们特别邀请到论文第一作者张永文博士，在线解读这篇论文。直播交流群和参与方式见文末。

在传统大气污染的研究中，大气化学传输模式是一种较为普遍的研究手段，从微观层面的化学生成机理出发模拟整个系统的行为。从物理的视角，我们认识到还原论并不能重塑整个复杂体系的行为，不能从少数的个体外推出多数个体的集体行为，相反，复杂体系的每个层次会呈现出全新的性质。统计物理可以从统计系综出发，研究复杂系统在介观和宏观层面的统计特性，这恰好可以弥补大气模式方法的不足。最近这些年来，统计物理研究的对象已由传统的物理系统扩展到非常广泛的各种复杂系统如生命、社会、气候和环境等系统。

这项研究涉及的领域是多学科交叉的领域，将复杂网络方法应用到大气污染的研究中。复杂网络是近几十年来基于统计物理和数学中的图论所诞生出的一种研究复杂系统规律的非常有效的研究手段。这项研究成果揭示雾霾现象的发生不仅仅依赖排放，也非常依赖大尺度的行星波造成的天气条件。

论文题目：

Significant Impact of Rossby Waves on Air Pollution Detected by Network 

论文地址：

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019GL084649

一、大气颗粒污染物简介 

1. 大气颗粒污染物是什么？

大气颗粒污染物是造成雾霾的主要污染物。它是由各种大小的固态和/或液态颗粒的混合体系，有时候人们也把固态或液态颗粒本身称为气溶胶或大气颗粒物。颗粒物直径从几纳米（病毒的大小的1/10）到大约100微米（包括真菌气溶胶等，大约是头发的厚度）。 

颗粒污染物可以被直接排放到大气中，也可以通过化学反应在大气中二次形成。颗粒物既有来自人类排放，也有来自自然界。它包含一系列化学化合物如氯化钠、有机碳、微量金属、硫酸盐、硝酸盐等。颗粒物浓度一般根据其大小进行分类，例如PM10近似地描述直径小于或等于10μm的颗粒浓度；类似地，PM2.5描述了直径小于或等于2.5μm的颗粒浓度[1]。

图1：大气颗粒物的微观结构。来源[1]

2. 大气颗粒污染物对主要危害

大气颗粒污染物会严重影响人的身体健康。医学研究表明PM2.5会引起肺部、呼吸道和心血管等相关的疾病。一项研究数据表明，主要由PM2.5引起的室外空气污染，造成全世界范围内每年330万（95％的置信区间为161万-481万）的人过早死亡，大部分在亚洲[2]。

3. 天气条件与大气颗粒污染物之间的关系

大量由人类排放的大气颗粒污染物只能依靠风和空气对流等自然天气过程进行驱散。一旦天气条件不利于颗粒污染物的扩散，就会在局地堆积，出现我们熟知的霾现象。大气颗粒污染依赖的天气因素有很多，例如风速、相对湿度、逆温及边界层高度等。其中逆温现象对空气污染物的影响最为显著。在一般情况下对流层中气温随高度增加而降低，但由于天气和地形等条件影响，有时会出现气温随高度增加而升高的现象（逆温现象）。逆温层使得大气中均匀混合的边界层高度降低，阻碍空气作上升运动，加剧空气污染。逆温现象大多发生在冬季和傍晚。

二、什么是罗斯比波？

罗斯比波会引发一系列的极端天气如极端降雨、高温和低温天气[4]。并且能使得在相距上千公里的两个区域的极端天气发生关联。

罗斯比波，也称为行星波，是自然存在于旋转流体中的一种惯性波。它首先是由Carl-Gustaf Arvid Rossby发现。在大气和海洋中都被观察到。大气中的罗斯比波主要分布在中高纬度地区，波长足以和地球的半径比拟[3]。

罗斯比波是由于在地球表面的科里奥利力随纬度变化的 β 效应所引起。如图2所示是罗斯比波造成高空气流发生扭曲并形成波状盘旋在北半球上空。气流的波峰和波谷分别对应着高压（伴随高温）和低压（伴随低温）的两个区域。波峰和波谷的间距对应罗斯比波的半波长大概3000公里。当罗斯比波移动时，波峰和波谷会交替变化。

图3：罗斯比波的演化过程。蓝色为低温区域，橙色为高温区域。粉色曲线为被扭曲的高空气流。来源于维基百科[3]

在这篇GRL中，作者表示罗斯比波对人类的影响不仅仅表现在极端天气，由于人类排放污染物的增加，罗斯比波与空气污染物之间的关系也变得非常重要。

三、500hPa位势高度场与PM2.5的多层网络

研究者利用观测数据，构建了包括几大区域内500hPa位势高度场网络和污染物 PM2.5 网络的多层网络。500hPa位势高度指的是500hPa等压面对应的位势高度（离地面5千米左右，侧面反映大气压强的变化）。它能有效表征罗斯比波的演化。

图3：500hPa位势高度场与地面PM2.5的多层网络示意图对应（a）中国、（b）美国西部和（c）美国东部。(d)-(k)中峰值对应的时间为污染物相对于500hPa位势高度的时间迟滞。来源于[5]

图3（a-c） 中研究者展示了500hPa位势高度场网络与地面PM2.5网络间的连边。PM2.5 的观测区域分别为中国中东部、美国东部和西部。研究者发现在500hPa高空主要有两个相距罗斯比半波长的团簇作用于近地面颗粒污染物。蓝色的团簇与相连接的地面节点成反关联，并且它们之间的平面距离大概为3000公里，污染物节点相对于蓝色团簇节点的时间迟滞为1-2天。红色的团簇主要分布在污染区域的上空，与颗粒污染物浓度成正关联，时间迟滞为0-1天。

四、罗斯比波如何影响大气颗粒污染物？

研究者考虑了罗斯比波对大气颗粒污染物影响的两种极端情况：

（1）无污染

蓝色反关联的团簇通常位于空气污染节点的西部，因为高空气流的方向总是自西向东见图4（a），并且由于受高振幅罗斯比波的影响，高空气流向南和北蜿蜒，并形成波峰和波谷（粉色曲线）。如图4（a）所示，在（左）波峰上出现了一个反气旋，导致气流下沉，同时，在污染区附近的（右）波谷上形成了一个气旋，导致气流上升。污染区域西侧的下行空气强化了西风，能有效地驱散空气污染物。此外，上升的空气将污染物带到高空，也减少了地面污染物。

（2）重污染

对于图4（b）中相反相位的情况，反气旋和气旋相互交换位置。地面风减弱，并且在污染区附近，反气旋使高层空气下降。下沉空气的绝热增温伴随着地表的辐射冷却过程会产生了一个逆温层，从而导致静稳天气，空气污染物堆积，以至发生严重的雾霾事件。

图4：罗斯比波影响空气污染物的机制示意图。（a）和（b）分别对应于低和高空气污染的两种极端情况。来源于[5]

五、气候变化的影响

这项研究通过复杂网络方法展示了大气罗斯比波对大气颗粒污染物的重要影响，污染物网络与位势高度网络之间的大部分连边都来自于高空的两个团簇，它们之间相距3000公里，这正好对应于罗斯比波的半波长。该研究成果可为雾霾的预警提供一定的帮助。但雾霾的根治还是要取决于人类对污染物排放的管控，大气过程只是起到一个疏散的作用。

科学界一直在争论北极的快速气候变化是否会影响中纬度的环流模式，从而可能影响极端天气事件的频率或强度。北极的变暖速度比全球其他地区快得多（约为两倍），这与海冰范围的迅速减少有关。这会影响温度的梯度分布（从赤道到极点），从而影响风场。南北温度梯度的减小会导致纬向风减弱，从而使罗斯比波向东传播的速度变慢[6]。缓慢行进的波将会导致更持久的静稳天气，如果不对排放加以限制，未来空气污染可能会变得更加极端。

参考文献：

[1] Pöschl U. Atmospheric aerosols: composition, transformation, climate and health effects[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2005, 44(46): 7520-7540.

[2] Lelieveld J, Evans J S, Fnais M, et al. The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality on a global scale[J]. Nature, 2015, 525(7569): 367-371.

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Rossby_wave

[4] Screen J A, Simmonds I. Amplified mid-latitude planetary waves favour particular regional weather extremes[J]. Nature Climate Change, 2014, 4(8): 704.

[5] Zhang Y, Fan J, Chen X, et al. Significant Impact of Rossby Waves on Air Pollution Detected by Network Analysis[J]. Geophysical Research Letters, 2019, 46(21): 12476-12485.

[6] Francis J A, Vavrus S J. Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid‐latitudes[J]. Geophysical research letters, 2012, 39(6).

（参考文献可上下滑动）

作者：张永文

审校：刘培源

编辑：张希妍

周六直播预告

我们邀请到论文第一作者张永文博士，在北京时间4月25日（周六）19:00-20:00，做客集智俱乐部直播间，从研究者视角，为你解读这篇论文。

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