2016年12月16日至22日超长雾霾成因解密：遥远的日月调控

                               杨学祥，杨冬红

1、  哪些气象条件的叠加导致了雾霾的出现？

同样的排污条件，同样的山川地形，同一地区不同时刻，为什么有时万里晴空，有时雾霾密布？显然，气象条件是雾霾形成的重要原因。

日月大潮、日月小潮、月亮赤纬角最大值、月亮赤纬角最小值、月亮近地潮、月亮远地潮、太阳近地潮、太阳远地潮不同组合的叠加，可形成4种类型的潮汐组合，对冷暖空气流动和雾霾消长有重要的影响。

实践验证表明，雾霾的生成和清除与潮汐组合类型一一对应。

四大潮汐组合类型

激发雾霾形成的两种类型：

日月大潮、月亮赤纬角最大值、月亮近地潮相互叠加，潮汐强度最大，导致地球扁率变小，自转变快，使赤道暖空气向两极流动，有利于低层偏南风的发展，带来较多水汽，造成部分地方出现大雾天气（强）。太阳近地潮（每年12月21日前后）会加强这一效应。这是2016年12月16日至21日最长雾霾发生的原因。

日月小潮、月亮赤纬角最大值、月亮远地潮相互叠加，潮汐强度最小，导致地球扁率变小，自转变快，使赤道暖空气向两极流动，有利于低层偏南风的发展，带来较多水汽，造成部分地方出现大雾天气（弱）。

清除雾霾的两种类型：

日月大潮、月亮赤纬角最小值、月亮近地潮相互叠加，潮汐强度最大，导致地球扁率变大，自转变慢，使两极冷空气向赤道流动，可激发冷空气活动，有利于雾霾的清除(强)。

日月小潮、月亮赤纬角最小值、月亮远地潮相互叠加，潮汐强度最小，导致地球扁率变大，自转变慢，使两极冷空气向赤道流动，可激发冷空气活动，有利于雾霾的清除(弱)。

由于各项条件发生时间的间隔不同，实际的潮汐组合千差万别，四种类型只是大致的归类。

2、 风带的风向异常变化和强度变化对雾霾发生有重要的影响，是雾霾突发的原因

地球的表面是球面，纬度圈在赤道最大，在两极收缩为0。这表明，在北半球由北极吹来的北风在南下的过程中所经过的弧长是不断扩大的，从而导致雾霾不断扩散，有利于雾霾的清除，北风强度越大，雾霾清除得越彻底。

与此相反，在北半球，由赤道吹来的南风在北上的过程中所经过的弧长是不断缩小的，从而导致雾霾不断集中，当污染物浓度达到一定水平，就会突发雾霾。南风的强度越大，雾霾的集聚速度就越快。

以上两种条件具有两周（大约14天）变化特征：南北风转换、冷暖转换、雾霾消长转换。

总之，风带的风向异常变化和强度变化对雾霾发生有重要的影响，是雾霾突发的原因。地球自转确实存在13.6天和18.6年周期。李国庆发现月亮视赤纬角变化周期13.6天、27.3天与地球自转速度变化有明显的对应关系。我们的研究发现，月亮赤纬角变化周期13.6天、27.3天和18.6年周期对风力风向变化、冷暖变化、雾霾消长、厄尔尼诺指数和拉尼娜指数变化存在明显影响。

其中，2014-2016年月亮赤纬角最小值对雾霾的形成影响最大。

我们在2015年10月18日指出，2014-2016年月亮赤纬角极小值是导致我国雾霾高发的天文背景，2015年12月至2016年1月为弱潮汐时期，增强我国的季节性雾霾。2015年厄尔尼诺和高温干旱是雾霾高发的气象条件。2015-2016年雾霾高发不可避免，减轻雾霾是一项极其艰巨的任务。

我们在2014年4月撰文指出，1998年是最热的年份，1995-1997年月亮赤纬角最小值产生的弱潮汐南北震荡是原因之一；自1998年以后，全球气温呈波动下降趋势，2005-2007年月亮赤纬角最大值产生的强潮汐南北震荡是原因之一。

当月亮在南（北）纬28.6度（月亮赤纬角最大值）时，高潮区在12小时后从南（北）纬28.6度向北（南）纬28.6度震荡一次，大气和海洋的南北震荡将产生巨大的能量交换并搅动深海冷水上翻到海洋表面降低气温。这是以18.6年为周期的潮汐南北震荡作用比其他周期的潮汐东西震荡作用更显著的原因。太阳在南北回归线时也会产生潮汐南北震荡运动。2014-2016年月亮赤纬角最小值可能导致中国干旱和全球高温（杨冬红等，2008）。

月两次未交最大值在18.6-28.6度之间变化，变化周期为18.6年，变化幅度大于三分之一。这是2014-2016年月亮赤纬角最小值时期潮汐南北震荡幅度减少，冷空气活动减弱的重要原因，也是2014年和2015年连续两年气温创造新纪录的原因，是中国雾霾加重的主要天文条件。

月亮赤纬角变化还会产生27.3天和13.6天的大气潮和海洋潮南北震荡幅度变化周期，对形成雾霾的静稳天气有重要影响（Li G Q, 2005）。中国气象局的数据显示，2013年12月初的雾霾波及25个省份，100多个大中型城市，安徽、湖南、湖北、浙江、江苏等13地雾霾天数均创下历史纪录。权威数据显示，今年以来，全国平均雾霾日数为29.9天，较常年同期偏多10.3天，达到52年来的峰值。2014-2016年月亮赤纬角最小值导致2013年雾霾高发，并将在今后三年持续高发。52年前，1959-1960年月亮赤纬角最小值导致前一周期的雾霾高发。

根据月亮赤纬角极值与日月大潮的叠加可计算得出，每年11月至次年1月的潮汐组合类型有利于雾霾的形成，每年2月-4月的潮汐组合类型不利于雾霾发生；每年5-7月潮汐组合类型有利于雾霾发生，每年8-10月潮汐组合类型不利于雾霾发生，潮汐组合类型转化的周期为6个月。这个半年周期是固定的，每年都是这样（杨冬红等，2007a）。与雾霾季节性相叠加，雾霾频发期是每年的1月和12月。

吴兑等人指出，1951-2005年中国大陆霾的时空分布特征明显，就中国大陆而言，12和1月霾天气日数明显偏多，2个月霾日数的总和达到了全年的30%；9月霾天气日数最少，约占全年的5%（吴兑等，2010）。这一研究结果与潮汐类型的划分完全一致。2013年的中国雾霾首发在1月，并于12月进入高潮。预计2014年1月会仍保持高发态势。作者的理论推导在科学网上得到2014年1月实践的验证，表明大气潮对天气和雾霾影响的真实存在。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-929003.html

2016年12月雾霾高发正在得到证实。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1018704.html

3. 气压的变化对雾霾形成有影响吗？比如近地面低压会不会不利于污染物扩散？比如全球气候变暖，会不会导致高纬度地区气温增加，西伯利亚高压减弱导致冬季北风减弱，不利于污染物扩散？

空气的流动动力主要受气温和气压的影响，气压差和气温差是空气流动的动力。全球变暖导致两极地区升温最明显，降低了赤道和两极的温差和压力差，减弱了空气流动的强度，是雾霾发生的重要原因。气象相关现象就是两极变暖，高纬度地区气温增加，西伯利亚高压减弱，冬季北风减弱，所有这些气象条件都不利于污染物扩散。

值得一提的是，今年11月，北极的海冰面积再创新低，这已是今年第七次改写纪录。报道称，今年11月，北极海冰面积达到910万平方公里，比2006年记录下的最低纪录还少了80万平方公里。而80万平方公里比美国得克萨斯州的面积还要大一点。

http://www.chinanews.com/gj/2016/12-07/8085840.shtml

2016年11月北极气温较以往高摄氏20度，这是1979年卫星数据时代来临至今，记录到的最高气温。气象学家观测到的现象，极为异常。

http://weather.news.sina.com.cn/news/s/2016-11-28/doc-ifxyawxa2959097.shtml?cre=newspagepc&mod=f&loc=1&r=9&doct=0&rfunc=16

这些气象背景是2016年12月16日至22日中国雾霾最长纪录发生的原因。

4. 大气环流变化的理论解释：

M.B.斯托瓦斯把地球作为体积不随时间变化的不等速的二轴椭球体，计算了它的基本参数随扁率或偏心率变化而发生的变化，得出南北纬35^o线不随扁率变化而伸缩的结论，由于其固定不变的特性而称为临界纬度。相反，南北纬62^o与赤道纬度，当地球扁率发生变化时，互为消长，称为共轭纬度。0^o和62^o共轭纬度以及35^o临界纬度在大气环流和海洋环流中的特殊作用，表明潮汐形变导致的地球扁率变化在大气环流和海洋环流中可能起到某种特殊作用：四种潮汐组合类型的形成。

我们计算结果表明，一个旋转速度不断增大的气体星球，在扁率不断变大的过程中，被削平的两极突起通过35^o不变圈向赤道流动，形成一个几乎静止的（相对星球自转方向相反的快速旋转）大气环流。在星球外部看来，加速旋转的气体星球象一个层层包裹的洋葱，每层的旋转速度不同，中心转速快，外层转速逐渐减小（见图1）。这非常符合木星环的旋转特征：美国学院公园市马里兰大学的DouglasHamilton和德国海德尔堡马普学会核物理研究所的Harald Krüger发现，行星环中的微粒缓慢围绕木星运转，其形成机制尚不清楚^[4]。理论计算结果给出了一个合理的行星环形成机制：变速旋转的气体星球，赤道有慢速旋转的环，两极有快速旋转的帽。

这种流动具有两周循环的特征，可以导致赤道升起的空气暖流帽（见图1豆绿色部分）在北纬35^o不变圈到赤道0纬度圈之间的高空停留一周左右，形成稳定的逆温层，有利于中国南方雾霾的发生，一周之后，暖流帽越过北纬35^o线，形成北极暖流帽（见图1天蓝色部分），形成稳定的逆温层，有利于中国北方雾霾的发生。

中国北方，特别是京津冀地区处于北纬35^o线以北，有利的地形和污染条件使其成为中国雾霾最严重的地方。

图1  地球变扁南北纬35度线长度不变（杨冬红，2009）

根据这一变化规律，在引潮力使地球扁率变大时，赤道上空的高速气流，产生与地球自转方向相反的由东向西运动，加大赤道东风带的风速，在外空间看来几乎静止不动；在引潮力使地球扁率变小时，大气赤道突起减小并向两极流动，在南北纬35度线以上的中高纬度地区，形成两极突起，旋转方向与地球自转方向相同，速度加快，加大中纬度地区的西风带风速。这一变化规律与星体大小以及形变规模无关。

图2 中国35度线雾霾分区

天气变化主要与对流层气体运动有关。吸收太阳辐射热量所在空间的温度和高度控制了对流层的气体密度和气压。一般在空气受热强的地区，形成低密度的低压区；而在受热弱的地区，形成高密度的高压区。在近地面水平方向上，赤道地区为低压区，两极地区为高压区；在垂直方向上，靠近地面的热空气为低压区，高空冷空气为高压区。气压的不均匀性导致气体运动，形成大气环流。受这一规律控制，一般空气在地面从两极流向赤道，在高空则从赤道流向两极。实际的气流分布并不这样简单，除赤道和两极外，还出现了30^o、35^o和60^o三个特征纬度，表明太阳能量分布差异不是大气环流形成的唯一因素^[5]。上述计算表明，气流分布出现了0 ^o、30^o、35^o、60^o和90^o五个特征纬度，与潮汐形变引起的地球扁率变化以及相关纬度大气的自转速度变化相关。

月亮潮的强度是太阳潮的2.17倍。据李国庆等人的研究，月球对地球大气的作用是巨大的，它引起大气纬向风速场及地球位势高度场的变化。当月球围绕地球运转到天赤道上空时，月球视赤纬角等于0度，这时月亮对大气的引潮力最大，大气的纬向风速增加，地球的自转角速度减小，日长增加；反之，当月球视赤纬角最大（绝对值），月球对大气的引潮力减小，大气纬向风速减小，地球自转角速度增加，日长减小^[6]。计算值与实际测量值有很好的对应关系。日食发生时，太阳潮和月亮潮相互加强，可以产生最大的潮汐形变和显著的圈层差异旋转运动。

图3 2016年12月16日8时北京地区污染物分布

气压的变化与温度变化相关，而气压和温度是流体运动的动力。就一般情况而言，两极气温最低，使空气变冷密度变大而下降，形成两极高压区，这是冷空气向低纬度流动的主要动力；相反，赤道气温最高，使空气变热密度变小而上升，由低纬度向高纬度流动，形成赤道低压区，导致高纬度冷空气流来补充，形成哈得来环流。

图4  2016年12月16日11时中国北方地区卫星遥感影像图

图5 2016年12月20日中国雾霾高发

太阳和月亮潮汐引力导致的潮汐形变使大气对流变得更加复杂。潮汐形变导致地球的扁率发生变化：扁率变大，低纬度圈特别是赤道圈周长变大发生扩张，高纬度圈周长变小导致收缩；扁率变小，低纬度圈特别是赤道圈周长变小发生收缩，高纬度圈周长变大导致扩张。在潮汐形变过程中，南北35度纬度圈的周长保持不变。

全球性地表风带和气压带由赤道向两极依次为：赤道无风带（低压带）、纬度0^o~30^o的南北两个信风带（贸易风带）、纬度30^o~35^o南北两个亚热带无风带（高压带）、纬度35^o~60^o左右南北两个盛行西风带、纬度60^o左右南北两个多风暴带（低压带）、纬度60^o以上南北两个寒带东风带与极地高压带。特别值得重视的是相邻两个风带之间的过渡带，即纬度0^o、±（30^o~35^o）、±60^o的5个纬度带，其两侧空气水平运动方向明显不同，故称之为大气临界纬度。全球不同纬度的气压带、风带空气运动速度变化很大，量级达m/s。这表明，大气运动与地球自转、地理纬度密切相关^[5]。我们的计算表明，潮汐引起的地球扁率变化和不同纬度大气差异旋转与大气运动有关，特别是与纬度35^o~60^o左右南北两个盛行西风带、纬度60^o左右南北两个多风暴带（低压带）的风暴形成机制有关。

总之，吸收太阳辐射热量所在空间的温度和高度控制了对流层的气体密度和气压。一般在空气受热强的地区，形成低密度的低压区；而在受热弱的地区，形成高密度的高压区。在近地面水平方向上，赤道地区为低压区，两极地区为高压区；在垂直方向上，靠近地面的热空气为低压区，高空冷空气为高压区。气压的不均匀性导致气体运动，形成大气环流。受这一规律控制，一般空气在地面从两极流向赤道，在高空则从赤道流向两极。实际的气流分布并不这样简单，除赤道和两极外，还出现了30^o、35^o和60^o三个特征纬度，表明太阳能量分布差异不是大气环流形成的唯一因素。计算表明，气流分布出现了0 ^o、30^o、35^o、60^o和90 ^o五个特征纬度，与潮汐形变引起的地球扁率变化以及相关纬度大气的自转速度变化相关。

潮汐组合两周循环控制的大气冷暖变化、海洋冷暖变化（即厄尔尼诺指数和拉尼娜指数变化），南北风向转变，雾霾和寒潮的交替，都是自然变化内在规律的具体表现。

详细过程可参看后面附件。

图6 全球大气环流示意图：气温和气压导致的空气流动

5. 实例验证

我们在2016年10月18日指出：

2016年3-6月和9-12月为强潮汐时期，2016年1-2月，2015年7-8月为弱潮汐时期。2016年12月是强潮汐时期第四个月。2016年9-12月地震活动进入高潮。12月雾霾活动进入高潮。11月18日-1月23日为地球自转加速阶段，不利于拉尼娜的发展。

潮汐组合A：11月29日为日月大潮， 12月2日月亮赤纬角极大值南纬18.90812度，两者弱叠加，潮汐强度大，地球扁率变小，自转变快，有利于厄尔尼诺发展（强），潮汐使赤道空气向两极流动，可激发地震火山活动和暖空气活动，有利于低层偏南风的发展，带来较多水汽，造成部分地方出现大雾天气（强）。

验证：

华北黄淮等地将持续雾霾：12月2日，华北黄淮等地将持续见霾，3日污染最重，5日有望消散

http://money.163.com/16/1202/11/C79D6I76002580S6.html

http://news.sohu.com/20161202/n474795194.shtml

潮汐组合B：12月9日为月亮赤纬角最小值南纬0. 00066度。12月7日为日月小潮。两者强叠加，潮汐强度小，地球扁率变大，自转变慢，有利于拉尼娜发展(弱)，潮汐使两极空气向赤道流动，可激发地震火山活动和冷空气活动(弱)。

验证：寒潮延迟发生：

2016年12月11日新文化讯（记者毕继红）昨日下午，吉林省专业气象台发布了明显降雪、降温预报：受高空冷涡影响，预计昨晚到今天白天，我省将有一次明显降雪天气过程，东南部地区降雪量较大。今天开始，我省气温自西向东明显下降，累计降温幅度可达10～12℃，局部可达14℃左右。最低气温将出现在14日或15日早晨，北部和东部山区可达-21～-24℃，其他地区为-17～-20℃。

http://news.sina.com.cn/c/2016-12-11/doc-ifxypizk0231316.shtml

寒潮延长了本次冷空气活动。

http://news.sina.com.cn/o/2016-12-13/doc-ifxypcqa9522561.shtml

潮汐组合C：12月15日为月亮赤纬角最大值北纬18.93661度，12月14日为日月大潮，12月13日为月亮近地潮。三者强叠加，潮汐强度大，地球扁率变小，地球自转变快，有利于厄尔尼诺发展（强），潮汐使赤道空气向两极流动，可激发地震火山活动和暖空气活动，有利于低层偏南风的发展，带来较多水汽，造成部分地方出现大雾天气（强：日月大潮和月亮近地潮相隔一天，为本月第三次超级月亮，强度稍弱）。

验证：由于12月13日月亮近地潮和12月14日日月大潮在前，12月15日月亮赤纬角最大值北纬18.93661度在后，所以先冷后暖是特征。变暖周期被寒潮推迟。本次潮汐组合减弱寒潮强度，将导致前期冷后期暖。

　　根据中国环境监测总站预报分析，2016年12月16日至21日期间，京津冀地区以及山东、河南等地将出现一次大范围区域性重污染过程，受大范围区域影响，叠加本地污染积累，预计北京市12月17日至21日期间将达到重度及以上污染水平。

经北京市政府批准，本市将于12月16日20时启动空气重污染红色预警。预计12月21日夜间起空气质量将逐步改善，届时将根据空气质量实况及预报适时解除预警。

潮汐组合D：12月21日为日月小潮，12月21日为月亮赤纬角最小值南纬0. 00047度，12月25日为月亮远地潮。两者强叠加，三者弱叠加，潮汐强度小，地球扁率变大，自转变慢，有利于拉尼娜发展(弱)，潮汐使两极空气向赤道流动，可激发地震火山活动和冷空气活动(弱)。

验证：冷周期。

预计12月21日夜间起空气质量将逐步改善，届时将根据空气质量实况及预报适时解除预警。

潮汐组合E：12月29日为月亮赤纬角最大值南纬18.95967度，12月29日为日月大潮。两者强叠加，潮汐强度大，地球扁率变小，地球自转变快，有利于厄尔尼诺发展（强），潮汐使赤道空气向两极流动，可激发地震火山活动和暖空气活动，有利于低层偏南风的发展，带来较多水汽，造成部分地方出现大雾天气（强）。

验证：暖周期。

本月天文奇点相对较集中，相互作用增强，可激发极端事件发生。2016年9-12月地震活动进入高潮。12月雾霾活动进入高潮。本月为地球自转加速阶段，不利于拉尼娜发展，潮汐组合类型也不利于拉尼娜发展。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1009483.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1018324.html

参考文献

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2. 杨冬红,杨学祥.全球变暖减速与郭增建的“海震调温假说”.地球物理学进展.2008, Vol. 23 (6): 1813～1818

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4. 杨冬红, 杨学祥.北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(2): 610-615.

5. 杨冬红，杨德彬。日食诱发厄尔尼诺现象的热-动力机制。世界地质。2010，29（4）：652-657.

6. 杨学祥，杨冬红。2014-2016年月亮赤纬角最小值时期雾霾进入高发期。2013天灾预测总结研讨学术会议论文集。2013，万方数据库。

7. 杨冬红，杨德彬，杨学祥。地震和潮汐对气候波动变化的影响。地球物理学报。2011，54（4）：926-934.

8. 杨学祥，杨冬红。2013年中国雾霾高发的气象原因初探。科学家. 2014, (3): 90-91.

9. 杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学, 长春：吉林大学出版社,1998

10. 杨冬红，杨德彬。日食诱发厄尔尼诺现象的热-动力机制。世界地质。2010，29（4）：652-657.