南京春節(jié)期間持續(xù)霾天氣過程的分析論文
1 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市化、工業(yè)化發(fā)展迅猛,機(jī)動(dòng)車擁有量、建筑工地?fù)P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(dāng)今時(shí)代主要災(zāi)害之一，引起社會(huì)和公眾廣泛關(guān)注。低能見度的霾天氣不僅對(duì)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(kuò)散，而污染物的擴(kuò)散能力又是與大氣的穩(wěn)定狀況有著密不可分的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，冬季里出現(xiàn)霾天氣的頻率高于夏季，因?yàn)槎镜拇髿鈱咏Y(jié)相對(duì)夏季更為穩(wěn)定。春節(jié)期間由于煙花爆竹燃放集中等人為原因，霾天氣則更為嚴(yán)重。
氣象觀測(cè)中，一般把相對(duì)濕度低于 80％，能見度小于 10 公里，記為霾。在氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)能見度（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，隨著人們對(duì)霾天氣的探索研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)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(yù)警的重要指標(biāo)之一。環(huán)保部門把包含 PM2.5 濃度變化的 AQI 指數(shù)作為大氣污染指標(biāo)，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(yán)重污染（AQI＞300）。
國內(nèi)外對(duì)于霾天氣的研究有很多：研究證明，在污染源基本穩(wěn)定的前提下，空氣質(zhì)量的優(yōu)劣主要由天氣形勢(shì)和氣象條件控制。關(guān)于天氣形勢(shì)和氣象條件對(duì)污染狀況的影響，國內(nèi)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(yù)報(bào)時(shí),就指出了大氣層結(jié)穩(wěn)定度和風(fēng)速與空氣污染的關(guān)系。趙桂香、杜莉等通過對(duì)發(fā)生在山西省的一次持續(xù)性霧霾天氣進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現(xiàn) 500hPa 冷空氣偏北、中緯度環(huán)流較平是大范圍霾天氣持續(xù)的重要天氣背景；逆溫層的存在，是霧霾天氣得以持續(xù)的重要原因。Guest et al.指出邊界層內(nèi)的氣溶膠濃度與邊界層內(nèi)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,很大程度上依賴于天氣條件,污染形勢(shì)對(duì)天氣尺度環(huán)流具有較強(qiáng)的敏感性。徐曉峰等認(rèn)為北京市 2004 年 10 月 7～10 日持續(xù)重污染過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(guī)氣象觀測(cè)資料和 NCEP 再分析資料，對(duì) 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(jié)果表明：前傾槽結(jié)構(gòu)和逆溫層結(jié)為霾的形成提供了有利條件，大氣混合層高度的變化對(duì)霾的生消有很好指示作用。馬小會(huì)、甘璐等通過對(duì)北京的一次持續(xù)霧霾天氣的成因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)有利于霧霾天氣的形成和持續(xù)。魏玉香等利用南京市 2002-2006 年大氣監(jiān)測(cè)資料研究不同氣象條件下污染物質(zhì)量濃度發(fā)現(xiàn)，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、齊冰等通過對(duì)杭州污染物濃度與逆溫層的研究，發(fā)現(xiàn)污染物濃度與逆溫厚度、強(qiáng)度和底高都呈明顯相關(guān)。綜上所述，大部分研究結(jié)果表明，冷空氣勢(shì)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(xù)的重要的環(huán)流背景；并且持續(xù)性霧霾天氣發(fā)生時(shí)一般都伴有逆溫層的出現(xiàn)。
以上研究都是采用常規(guī)的探空觀測(cè)資料，然而探空氣球測(cè)量的溫、濕度廓線常常達(dá)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(shù)據(jù)計(jì)算的混合層高度來填補(bǔ)探空間隙，可是這樣也會(huì)因?yàn)楹雎云搅骱拖鲁翆?duì)溫度廓線的影響而導(dǎo)致計(jì)算誤差。因此，有必要利用時(shí)空分辨率較高的新型探測(cè)資料對(duì) 2014 年春節(jié)期間的霾天氣進(jìn)行更深入的分析。本次工作應(yīng)用了安裝于南京站的CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)及被動(dòng)式微博遙感方式的地基微波輻射計(jì)這兩種新型探測(cè)資料。風(fēng)廓線雷達(dá)能夠在同一時(shí)間探測(cè)大氣各個(gè)高度的數(shù)據(jù)，從而得出大氣的廓線圖，時(shí)間分辨率能精確到 6 分鐘。微波輻射計(jì)可以連續(xù)地對(duì)包括溫度、水汽等氣象要素的廓線以及環(huán)境溫度和云底高度等要素進(jìn)行觀測(cè)，時(shí)間分辨率能夠精確到 1 分鐘。首先分析了 2014 年春節(jié)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)廓線雷達(dá)和微波輻射計(jì)資料對(duì)南京春節(jié)期間霾天氣過程了進(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(shù)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(biāo)，為將來預(yù)報(bào)提供參考價(jià)值。
2 資料與方法
2.1 資料
本文所采用的觀測(cè)資料包括：1）NCEP/NCAR再分析資料；2）微波輻射計(jì)每2分鐘觀測(cè)的溫度資料，微波輻射計(jì)觀測(cè)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(jiān)測(cè)站提供的逐小時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度，觀測(cè)儀器選用TEOM 1400a顆粒物監(jiān)測(cè)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(jié)期間（1月30日~2月6日），即農(nóng)歷2013年臘月三十至2014年正月初七。
2.2 儀器簡介
CLC-11-D 型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的主要目標(biāo)是晴空大氣湍流，利用布拉格散射原理探測(cè)隨風(fēng)飄動(dòng)的湍團(tuán)中大氣折射率指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù) Cn2的變化，進(jìn)而導(dǎo)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(dá)及相關(guān)的軟硬件以及 RASS 系統(tǒng)，可全天候連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理、以及運(yùn)行監(jiān)控和標(biāo)校。
設(shè)在南京國家基準(zhǔn)站的 MP-3000A 微波輻射計(jì)是由美國 Radiometrics 公司研發(fā)的一種新型 35 通道的微波輻射計(jì)，該輻射計(jì)采取被動(dòng)式微波遙感，通過接收天空亮溫來反演地面至 10 km 高度的高分辨率的溫度、相對(duì)濕度和水汽廓線，以及較低分辨率的液態(tài)水廓線。溫度廓線子系統(tǒng)接受頻率在 22～30 GHz 之間用所選擇的頻率進(jìn)行天空亮溫觀測(cè)，而水汽廓線子系統(tǒng)在 51～59 GHz 之間用所選擇的頻率進(jìn)行天空亮溫觀測(cè)。為了消除液態(tài)水的影響，MP-3000A 輻射計(jì)的天線罩是采用防水材料做成的，并設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)對(duì)著天線罩吹，這樣就使得輻射計(jì)可以全天候地進(jìn)行觀測(cè)。
2.3 計(jì)算方法
大氣邊界層中性或不穩(wěn)定時(shí)，由于動(dòng)力或熱力湍流的作用，邊界層內(nèi)上下層之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)量或熱量交換。通常把出現(xiàn)這一現(xiàn)象的層稱為混合層。混合層向上發(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(nèi)污染物的再向上擴(kuò)散。中性和不穩(wěn)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谖廴疚飻U(kuò)散。
3 南京 2014 年春節(jié)霾實(shí)況回顧
從空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）的逐時(shí)變化曲線來看：春節(jié)假期前期（1 月 30 日至 2月 2 日），全市的空氣污染指數(shù)都在輕度污染級(jí)別以上，其中 1 月 30 日至 2 月 1 日空氣污染指數(shù)都是重度污染。1 月 30—31 日南京出現(xiàn)了持續(xù)的霧霾天氣，30 日、31 日早晨出現(xiàn)了區(qū)域性濃霧天氣，大部分地區(qū)能見度低于 500 米，部分地區(qū)低于 200 米。2 日早晨我市出現(xiàn)鋒前霧，部分地區(qū)能見度不足 200 米。
4 2014 年春節(jié)霾天氣的大氣背景分析
4.1 環(huán)流背景分析
按照春節(jié)假期污染情況，可以分為兩個(gè)過程：前期是 1 月 30 日-2 月 2 日，污染較重，AQI 指數(shù)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)量顯著改善，維持在良或優(yōu)。
從春節(jié)前期 500hPa 平均高度場上可以看出，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(shì)力較弱。從海平面氣壓場（圖略）上，亦可以看出前期我國中東部地區(qū)均處在氣壓梯度小，水平風(fēng)速弱的均壓場控制當(dāng)中，非常不利于中低層污染物的輸送擴(kuò)散。氣壓梯度小，風(fēng)速弱，不利于污染物擴(kuò)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(xiàn)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(xiàn)在 1 月 31 日 1時(shí)，達(dá)到 0.5783m gm，可見大年初一的 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(shù)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(jié)晚會(huì)的市民增多，煙花的燃放量也隨之減少。進(jìn)一步對(duì)比圖 2 中能見度與圖 6 中 PM2.5 濃度的變化趨勢(shì)，不難發(fā)現(xiàn)兩者具有明顯的反相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.63，通過 95%顯著性檢驗(yàn)，表明在日時(shí)間尺度上，南京地區(qū) PM2.5 質(zhì)量濃度對(duì)于能見度下降具有重要貢獻(xiàn)，可見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(duì)春節(jié)假期前后影響南京地區(qū)的氣團(tuán)路徑進(jìn)行了進(jìn)一步分析。假期前期，影響南京的氣團(tuán)大多來自南部，較為潮濕，且往往裹挾著較多的污染物；3 日以后，影響南京的氣團(tuán)則基本來自北方地區(qū)，較為干冷。這近一步表明春節(jié)假期前后，南京的灰霾天氣不僅僅是因?yàn)樘鞖獗尘鞍l(fā)生改變，煙花爆竹燃放過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(xì)粒子濃度的增幅尤為明顯。
5 新資料的應(yīng)用
5.1 風(fēng)廓線雷達(dá)
通風(fēng)系數(shù)表示混合層中污染物的傳輸速率，通風(fēng)系數(shù)越高, 大氣處理污染的能力越強(qiáng),因而污染越小, 空氣質(zhì)量越好。利用激光雷達(dá)反演的混合層高度計(jì)算通風(fēng)系數(shù)有明顯的優(yōu)越性, 因?yàn)榧す饫走_(dá)的高時(shí)間分辨率提供了混合層的連續(xù)變化, 配合同步風(fēng)的觀測(cè)可得到該系數(shù)精確的演變特征。圖 10 給出了春節(jié)假期通風(fēng)系數(shù)、PM2.5 濃度的日變化，由圖可知，通風(fēng)系數(shù)與 PM2.5 濃度有較好地時(shí)間對(duì)應(yīng)，1 月 31 日通風(fēng)系數(shù)增強(qiáng)，PM2.5 隨之顯著降低，2 月 1 日-3 日，通風(fēng)系數(shù)持續(xù)走低，PM2.5 濃度則出現(xiàn)反彈，2 月 3 日后期開始，通風(fēng)系數(shù)一直維持在 10000 以上的較高水平，PM2.5 濃度也持續(xù)維持在較低地水平，計(jì)算發(fā)現(xiàn) PM2.5濃度與通風(fēng)系數(shù)的負(fù)相關(guān)顯著，相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.51。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)系數(shù)的逐小時(shí)分布與風(fēng)速、混合層高度均呈顯著正相關(guān)，并且通風(fēng)系數(shù)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(xiàn)的結(jié)果一致。
5.2 微波輻射計(jì)所表征的逆溫層特征
冬季穩(wěn)定的天氣條件，造成了空氣中污染物不能擴(kuò)散，大氣穩(wěn)定度的一個(gè)重要標(biāo)志是逆溫，逆溫是冬季經(jīng)常出現(xiàn)的，低層溫度低于高層溫度的現(xiàn)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(xiàn)往往表示大氣層結(jié)比較穩(wěn)定，使得大氣中懸浮顆粒物不易擴(kuò)散，積聚增長，導(dǎo)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(xù)的條件之一。
利用微波輻射計(jì)的氣溫資料，將春節(jié)假期的逆溫層篩選出來，再分別計(jì)算強(qiáng)度與厚度。定義逆溫層厚度為逆溫層頂?shù)母叨葴p去逆溫層底的高度，逆溫層的強(qiáng)度為逆溫層頂?shù)臍鉁嘏c逆溫層底的氣溫的差值，差值越大，表明逆溫層強(qiáng)度越大。
6 結(jié)果和討論
使用南京站點(diǎn)資料、環(huán)保局監(jiān)測(cè)資料和 NCEP/NCAR 再分析資料,闡述 2013 年 1 月份南京持續(xù)性污染的事實(shí)，并從大氣環(huán)流背景場分析出現(xiàn)持續(xù)性污染的原因；利用探空資料、風(fēng)廓線雷達(dá)資料和激光雷達(dá)資料，探討影響大氣污染程度的大氣垂直結(jié)構(gòu)特征以及邊界層內(nèi)氣象條件的差異，主要結(jié)論有：
�。�1）按照春節(jié)假期污染情況，可將其分為兩個(gè)過程：前期是 1 月 30 日-2 月 2 日，污染較重，AQI 指數(shù)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)量顯著改善，維持在良或優(yōu)。春節(jié)前期（1 月 30 日-2 月 2 日），我市處于均壓場里，冷空氣活動(dòng)弱，近地層風(fēng)速小，污染物氣象擴(kuò)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)需滿足的天氣形勢(shì)一般具有以下3個(gè)特征: （a）高氣壓前部、均壓場內(nèi)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(wěn)定，風(fēng)速偏弱。
�。�3）污染物的消散一般需滿足以下2個(gè)特征：（a）冷空氣、大風(fēng)、降水，大氣湍流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，擴(kuò)散能力增強(qiáng)（b）逆溫層破壞，混合層厚度升高。
�。�4）利用激光雷達(dá)反演的混合層高度計(jì)算通風(fēng)系數(shù)有明顯的優(yōu)越性, 因?yàn)榧す饫走_(dá)的高時(shí)間分辨率提供了混合層的連續(xù)變化, 配合同步風(fēng)的觀測(cè)可得到該系數(shù)精確的演變特征。結(jié)果顯示，PM2.5 濃度與通風(fēng)系數(shù)的負(fù)相關(guān)顯著，通風(fēng)系數(shù)與風(fēng)速、混合層高度均呈顯著正相關(guān)，并且通風(fēng)系數(shù)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(jì)的氣溫資料，將春節(jié)假期的逆溫層篩選出來，再分別計(jì)算其強(qiáng)度與厚度。春節(jié)期間，PM2.5 質(zhì)量濃度與逆溫厚度和強(qiáng)度都與很好地對(duì)應(yīng)關(guān)系，PM2.5 濃度與逆溫層厚度、強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)分別高達(dá) 0.63、0.47。前期逆溫層結(jié)較厚，且逆溫幅度較大，逆溫強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，霧霾持續(xù)，直至 3 日冷空氣南下，逆溫層結(jié)被破壞，轉(zhuǎn)為中性層結(jié)，霧霾天氣有所緩解。
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