南京春節期間持續霾天氣過(guò)程的分析論文

　　1 引言

　　隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展,城市化、工業(yè)化發(fā)展迅猛,機動(dòng)車(chē)擁有量、建筑工地揚塵量和工業(yè)耗煤量、工業(yè)廢氣排放量都在不斷增加, 霾天氣急劇增多，已成為當今時(shí)代主要災害之一，引起社會(huì )和公眾廣泛關(guān)注。低能見(jiàn)度的霾天氣不僅對交通造成危害，還與人體健康密切相關(guān)。霾的形成，是由于污染物在大氣中不易擴散，而污染物的擴散能力又是與大氣的穩定狀況有著(zhù)密不可分的關(guān)系。研究發(fā)現，冬季里出現霾天氣的頻率高于夏季，因為冬季的大氣層結相對夏季更為穩定。春節期間由于煙花爆竹燃放集中等人為原因，霾天氣則更為嚴重。

　　氣象觀(guān)測中，一般把相對濕度低于 80％，能見(jiàn)度小于 10 公里，記為霾。在氣象行業(yè)標準中，根據能見(jiàn)度（V，單位：km）的不同，分別把霾分為：輕微霾（5.0≤V＜10.0）、輕度霾（3.0≤V＜5.0 ）、中度霾（2.0≤V＜3.0）、重度霾（V＜2.0）。近些年來(lái)，隨著(zhù)人們對霾天氣的探索研究，發(fā)現細顆粒物是造成霾天氣主要因子。2013 年 1 月，中國氣象局將PM2.5 濃度作為發(fā)布預警的重要指標之一。環(huán)保部門(mén)把包含 PM2.5 濃度變化的 AQI 指數作為大氣污染指標，大氣污染程度分為：輕度污染（101≤AQI≤150）、中度污染（151≤AQI≤200）、重度污染（201≤AQI≤300）、嚴重污染（AQI＞300）。

　　國內外對于霾天氣的研究有很多：研究證明，在污染源基本穩定的前提下，空氣質(zhì)量的優(yōu)劣主要由天氣形勢和氣象條件控制。關(guān)于天氣形勢和氣象條件對污染狀況的影響，國內外已有較多的研究工作。早在 60 年代初,美國國家氣象局在研究空氣污染預報時(shí),就指出了大氣層結穩定度和風(fēng)速與空氣污染的關(guān)系。趙桂香、杜莉等通過(guò)對發(fā)生在山西省的一次持續性霧霾天氣進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現 500hPa 冷空氣偏北、中緯度環(huán)流較平是大范圍霾天氣持續的重要天氣背景；逆溫層的存在，是霧霾天氣得以持續的重要原因。Guest et al.指出邊界層內的氣溶膠濃度與邊界層內的通風(fēng)條件和垂直混合率有密切聯(lián)系。Vukovich也指出污染事件頻率的年際變化,很大程度上依賴(lài)于天氣條件,污染形勢對天氣尺度環(huán)流具有較強的敏感性。徐曉峰等認為北京市 2004 年 10 月 7～10 日持續重污染過(guò)程是由本地的污染源和大尺度的天氣背景與局地的氣象條件共同造成的。饒曉琴等利用空氣污染資料、常規氣象觀(guān)測資料和 NCEP 再分析資料，對 2007 年 2 月 5 日我國中東部大范圍霾天氣進(jìn)行綜合分析，結果表明：前傾槽結構和逆溫層結為霾的形成提供了有利條件，大氣混合層高度的變化對霾的生消有很好指示作用。馬小會(huì )、甘璐等通過(guò)對北京的一次持續霧霾天氣的成因進(jìn)行分析，發(fā)現中緯度大氣環(huán)流較平，冷空氣比較偏北是造成霧霾天氣頻發(fā)和維持的重要原因；而逆溫層的出現有利于霧霾天氣的形成和持續。魏玉香等利用南京市 2002-2006 年大氣監測資料研究不同氣象條件下污染物質(zhì)量濃度發(fā)現，污染物質(zhì)量濃度與風(fēng)速呈反相關(guān)，且東南風(fēng)時(shí)濃度最高。杜榮光、齊冰等通過(guò)對杭州污染物濃度與逆溫層的研究，發(fā)現污染物濃度與逆溫厚度、強度和底高都呈明顯相關(guān)。綜上所述，大部分研究結果表明，冷空氣勢力偏北，中緯度的環(huán)流較平，地面風(fēng)力較小，是霧霾天氣形成和持續的重要的環(huán)流背景；并且持續性霧霾天氣發(fā)生時(shí)一般都伴有逆溫層的出現。

　　以上研究都是采用常規的探空觀(guān)測資料，然而探空氣球測量的溫、濕度廓線(xiàn)常常達不到足夠高的時(shí)空分辨率, 雖然可以利用地面溫度和最近的探空數據計算的混合層高度來(lái)填補探空間隙，可是這樣也會(huì )因為忽略平流和下沉對溫度廓線(xiàn)的影響而導致計算誤差。因此，有必要利用時(shí)空分辨率較高的新型探測資料對 2014 年春節期間的霾天氣進(jìn)行更深入的分析。本次工作應用了安裝于南京站的CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達及被動(dòng)式微博遙感方式的地基微波輻射計這兩種新型探測資料。風(fēng)廓線(xiàn)雷達能夠在同一時(shí)間探測大氣各個(gè)高度的數據，從而得出大氣的廓線(xiàn)圖，時(shí)間分辨率能精確到 6 分鐘。微波輻射計可以連續地對包括溫度、水汽等氣象要素的廓線(xiàn)以及環(huán)境溫度和云底高度等要素進(jìn)行觀(guān)測，時(shí)間分辨率能夠精確到 1 分鐘。首先分析了 2014 年春節期間霧霾的變化特征及其與氣象條件的'關(guān)系，再利用風(fēng)廓線(xiàn)雷達和微波輻射計資料對南京春節期間霾天氣過(guò)程了進(jìn)行分析和研究，以期利用高分辨率的資料可以看出通風(fēng)情況和逆溫層特征的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而分析通風(fēng)系數及逆溫層是否與大氣污染程度存在密切聯(lián)系，并可以提出一些定量指標，為將來(lái)預報提供參考價(jià)值。

　　2 資料與方法

　　2.1 資料

　　本文所采用的觀(guān)測資料包括：1）NCEP/NCAR再分析資料；2）微波輻射計每2分鐘觀(guān)測的溫度資料，微波輻射計觀(guān)測高度為10km，1km以下垂直分辨率100m、1—10km垂直分辨率250m；3）南京市環(huán)境監測站提供的逐小時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度，觀(guān)測儀器選用TEOM 1400a顆粒物監測儀，儀器的樣氣溫度加熱到50℃以保證氣溶膠干燥。研究時(shí)段為2014年春節期間（1月30日~2月6日），即農歷2013年臘月三十至2014年正月初七。

　　2.2 儀器簡(jiǎn)介

　　CLC-11-D 型固定式邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達的主要目標是晴空大氣湍流，利用布拉格散射原理探測隨風(fēng)飄動(dòng)的湍團中大氣折射率指數結構參數 Cn2的變化，進(jìn)而導出大氣中風(fēng)向風(fēng)速的真實(shí)情況。包括工作在 L 頻段范圍的脈沖多普勒雷達及相關(guān)的軟硬件以及 RASS 系統，可全天候連續自動(dòng)觀(guān)測、數據處理、以及運行監控和標校。

　　設在南京國家基準站的 MP-3000A 微波輻射計是由美國 Radiometrics 公司研發(fā)的一種新型 35 通道的微波輻射計，該輻射計采取被動(dòng)式微波遙感，通過(guò)接收天空亮溫來(lái)反演地面至 10 km 高度的高分辨率的溫度、相對濕度和水汽廓線(xiàn)，以及較低分辨率的液態(tài)水廓線(xiàn)。溫度廓線(xiàn)子系統接受頻率在 22～30 GHz 之間用所選擇的頻率進(jìn)行天空亮溫觀(guān)測，而水汽廓線(xiàn)子系統在 51～59 GHz 之間用所選擇的頻率進(jìn)行天空亮溫觀(guān)測。為了消除液態(tài)水的影響，MP-3000A 輻射計的天線(xiàn)罩是采用防水材料做成的，并設置鼓風(fēng)機對著(zhù)天線(xiàn)罩吹，這樣就使得輻射計可以全天候地進(jìn)行觀(guān)測。

　　2.3 計算方法

　　大氣邊界層中性或不穩定時(shí)，由于動(dòng)力或熱力湍流的作用，邊界層內上下層之間產(chǎn)生強烈的動(dòng)量或熱量交換。通常把出現這一現象的層稱(chēng)為混合層�；旌蠈酉蛏习l(fā)展時(shí)，常受到位于邊界層上邊緣的逆溫層底部的限制。與此同時(shí)也限制了混合層內污染物的再向上擴散。中性和不穩定時(shí)的混合層高度和大氣邊界層高度是一致的�；旌蠈痈叨仍降驮讲焕�于污染物擴散。

　　3 南京 2014 年春節霾實(shí)況回顧

　　從空氣質(zhì)量指數（AQI）的逐時(shí)變化曲線(xiàn)來(lái)看：春節假期前期（1 月 30 日至 2月 2 日），全市的空氣污染指數都在輕度污染級別以上，其中 1 月 30 日至 2 月 1 日空氣污染指數都是重度污染。1 月 30—31 日南京出現了持續的霧霾天氣，30 日、31 日早晨出現了區域性濃霧天氣，大部分地區能見(jiàn)度低于 500 米，部分地區低于 200 米。2 日早晨我市出現鋒前霧，部分地區能見(jiàn)度不足 200 米。

　　4 2014 年春節霾天氣的大氣背景分析

　　4.1 環(huán)流背景分析

　　按照春節假期污染情況，可以分為兩個(gè)過(guò)程：前期是 1 月 30 日-2 月 2 日，污染較重，AQI 指數較高，都在 100 以上，都在輕度污染以上；后期是 2 月 3 日-2 月 6 日，受冷空氣和雨雪影響，空氣質(zhì)量顯著(zhù)改善，維持在良或優(yōu)。

　　從春節前期 500hPa 平均高度場(chǎng)上可以看出，中緯度環(huán)流平直，北方冷空氣活動(dòng)較弱，高層多受西北偏西氣流控制，冷空氣勢力較弱。從海平面氣壓場(chǎng)（圖略）上，亦可以看出前期我國中東部地區均處在氣壓梯度小，水平風(fēng)速弱的均壓場(chǎng)控制當中，非常不利于中低層污染物的輸送擴散。氣壓梯度小，風(fēng)速弱，不利于污染物擴散。后期，冷暖空氣活躍，850hPa 氣溫在 2 日后期銳減，雨雪頻繁，空氣質(zhì)量也隨之改善。

　　4.2 氣象要素特征分析

　　燃放煙花爆竹的高峰時(shí)段出現在 1 月 30 日（除夕）18 時(shí)至 1 月 31日（大年初一）05 時(shí)，期間 PM2.5 濃度的每小時(shí)平均值異常高，主峰值出現在 1 月 31 日 1時(shí)，達到 0.5783m gm，可見(jiàn)大年初一的 0 時(shí)至 1 時(shí)是煙花爆竹燃放最集中的時(shí)候，這與大多數市民選擇在吃年夜飯的前后燃放煙花爆竹有很大關(guān)系。另外，在除夕 20 時(shí)以后，PM10和 PM2.5 的濃度很快下降，原因是此時(shí)在家收看春節晚會(huì )的市民增多，煙花的燃放量也隨之減少。進(jìn)一步對比圖 2 中能見(jiàn)度與圖 6 中 PM2.5 濃度的變化趨勢，不難發(fā)現兩者具有明顯的反相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數達到了-0.63，通過(guò) 95%顯著(zhù)性檢驗，表明在日時(shí)間尺度上，南京地區 PM2.5 質(zhì)量濃度對于能見(jiàn)度下降具有重要貢獻，可見(jiàn)高濃度的氣溶膠為霧霾的形成提供了有利條件。

　　4.3 HYSPLIT 后向軌跡模式分析污染源

　　利用 HYSPLIT 后向軌跡模式， 對春節假期前后影響南京地區的氣團路徑進(jìn)行了進(jìn)一步分析。假期前期，影響南京的氣團大多來(lái)自南部，較為潮濕，且往往裹挾著(zhù)較多的污染物；3 日以后，影響南京的氣團則基本來(lái)自北方地區，較為干冷。這近一步表明春節假期前后，南京的灰霾天氣不僅僅是因為天氣背景發(fā)生改變，煙花爆竹燃放過(guò)多也是重要原因之一，煙花爆竹的集中燃放會(huì )使得空氣中細粒子濃度的增幅尤為明顯。

　　5 新資料的應用

　　5.1 風(fēng)廓線(xiàn)雷達

　　通風(fēng)系數表示混合層中污染物的傳輸速率，通風(fēng)系數越高, 大氣處理污染的能力越強,因而污染越小, 空氣質(zhì)量越好。利用激光雷達反演的混合層高度計算通風(fēng)系數有明顯的優(yōu)越性, 因為激光雷達的高時(shí)間分辨率提供了混合層的連續變化, 配合同步風(fēng)的觀(guān)測可得到該系數精確的演變特征。圖 10 給出了春節假期通風(fēng)系數、PM2.5 濃度的日變化，由圖可知，通風(fēng)系數與 PM2.5 濃度有較好地時(shí)間對應，1 月 31 日通風(fēng)系數增強，PM2.5 隨之顯著(zhù)降低，2 月 1 日-3 日，通風(fēng)系數持續走低，PM2.5 濃度則出現反彈，2 月 3 日后期開(kāi)始，通風(fēng)系數一直維持在 10000 以上的較高水平，PM2.5 濃度也持續維持在較低地水平，計算發(fā)現 PM2.5濃度與通風(fēng)系數的負相關(guān)顯著(zhù)，相關(guān)系數高達-0.51。進(jìn)一步計算發(fā)現，通風(fēng)系數的逐小時(shí)分布與風(fēng)速、混合層高度均呈顯著(zhù)正相關(guān)，并且通風(fēng)系數與風(fēng)速關(guān)系比它與混合層高度的關(guān)系更密切，這與文獻的結果一致。

　　5.2 微波輻射計所表征的逆溫層特征

　　冬季穩定的天氣條件，造成了空氣中污染物不能擴散，大氣穩定度的一個(gè)重要標志是逆溫，逆溫是冬季經(jīng)常出現的，低層溫度低于高層溫度的現象。逆溫主要是由空氣下沉、絕熱增溫引起的，因此逆溫的出現往往表示大氣層結比較穩定，使得大氣中懸浮顆粒物不易擴散，積聚增長(cháng)，導致空氣質(zhì)量下降。所以，逆溫和霾天氣也有密切相關(guān)。逆溫層的存在是霧霾天氣持續的條件之一。

　　利用微波輻射計的氣溫資料，將春節假期的逆溫層篩選出來(lái)，再分別計算強度與厚度。定義逆溫層厚度為逆溫層頂的高度減去逆溫層底的高度，逆溫層的強度為逆溫層頂的氣溫與逆溫層底的氣溫的差值，差值越大，表明逆溫層強度越大。

　　6 結果和討論

　　使用南京站點(diǎn)資料、環(huán)保局監測資料和 NCEP/NCAR 再分析資料,闡述 2013 年 1 月份南京持續性污染的事實(shí)，并從大氣環(huán)流背景場(chǎng)分析出現持續性污染的原因；利用探空資料、風(fēng)廓線(xiàn)雷達資料和激光雷達資料，探討影響大氣污染程度的大氣垂直結構特征以及邊界層內氣象條件的差異，主要結論有：

　�。�1）按照春節假期污染情況，可將其分為兩個(gè)過(guò)程：前期是 1 月 30 日-2 月 2 日，污染較重，AQI 指數較高，都在 100 以上，都在輕度污染以上；后期是 2 月 3 日-2 月 6 日，受冷空氣和雨雪影響，空氣質(zhì)量顯著(zhù)改善，維持在良或優(yōu)。春節前期（1 月 30 日-2 月 2 日），我市處于均壓場(chǎng)里，冷空氣活動(dòng)弱，近地層風(fēng)速小，污染物氣象擴散條件差，加之地面以弱偏東風(fēng)為主，近地層水汽有利于污染物直徑增大，濃度升高，有利于逆溫層的形成，使得污染物容易堆積。

　�。�2）污染物的積聚和爆發(fā)需滿(mǎn)足的天氣形勢一般具有以下3個(gè)特征: （a）高氣壓前部、均壓場(chǎng)內或低氣壓底部 （b）海平面氣壓值及氣壓梯度值較�。╟）地面風(fēng)向不穩定，風(fēng)速偏弱。

　�。�3）污染物的消散一般需滿(mǎn)足以下2個(gè)特征：（a）冷空氣、大風(fēng)、降水，大氣湍流運動(dòng)加強，擴散能力增強（b）逆溫層破壞，混合層厚度升高。

　�。�4）利用激光雷達反演的混合層高度計算通風(fēng)系數有明顯的優(yōu)越性, 因為激光雷達的高時(shí)間分辨率提供了混合層的連續變化, 配合同步風(fēng)的觀(guān)測可得到該系數精確的演變特征。結果顯示，PM2.5 濃度與通風(fēng)系數的負相關(guān)顯著(zhù)，通風(fēng)系數與風(fēng)速、混合層高度均呈顯著(zhù)正相關(guān)，并且通風(fēng)系數與風(fēng)速關(guān)系比它與混合層高度的關(guān)系更密切。

　�。�5）利用微波輻射計的氣溫資料，將春節假期的逆溫層篩選出來(lái)，再分別計算其強度與厚度。春節期間，PM2.5 質(zhì)量濃度與逆溫厚度和強度都與很好地對應關(guān)系，PM2.5 濃度與逆溫層厚度、強度的相關(guān)系數分別高達 0.63、0.47。前期逆溫層結較厚，且逆溫幅度較大，逆溫強度逐漸增強，霧霾持續，直至 3 日冷空氣南下，逆溫層結被破壞，轉為中性層結，霧霾天氣有所緩解。

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