2014年南京春节期间持续霾天气过程的分析

1 引言

随着经济的发展,城市化、工业化发展迅猛,机动车拥有量、建筑工地扬尘量和工业耗煤量、工业废气排放量都在不断增加, 霾天气急剧增多，已成为当今时代主要灾害之一，引起社会和公众广泛关注。低能见度的霾天气不仅对交通造成危害，还与人体健康密切相关。霾的形成，是由于污染物在大气中不易扩散，而污染物的扩散能力又是与大气的稳定状况有着密不可分的关系。研究发现，冬季里出现霾天气的频率高于夏季，因为冬季的大气层结相对夏季更为稳定。春节期间由于烟花爆竹燃放集中等人为原因，霾天气则更为严重。

气象观测中，一般把相对湿度低于 80％，能见度小于 10 公里，记为霾。在气象行业标准中，根据能见度（V，单位：km）的不同，分别把霾分为：轻微霾（5.0V＜10.0）、轻度霾（3.0V＜5.0 ）、中度霾（2.0V＜3.0）、重度霾（V＜2.0）。近些年来，随着人们对霾天气的探索研究，发现细颗粒物是造成霾天气主要因子。2013 年 1 月，中国气象局将PM2.5 浓度作为发布预警的重要指标之一。环保部门把包含 PM2.5 浓度变化的 AQI 指数作为大气污染指标，大气污染程度分为：轻度污染（101150）、中度污染（151200）、重度污染（201300）、严重污染（AQI＞300）。

国内外对于霾天气的研究有很多：研究证明，在污染源基本稳定的前提下，空气质量的优劣主要由天气形势和气象条件控制。关于天气形势和气象条件对污染状况的影响，国内外已有较多的研究工作。早在 60 年代初,美国国家气象局在研究空气污染预报时,就指出了大气层结稳定度和风速与空气污染的关系。赵桂香、杜莉等通过对发生在山西省的一次持续性雾霾天气进行了综合分析，发现 500hPa 冷空气偏北、中纬度环流较平是大范围霾天气持续的重要天气背景；逆温层的存在，是雾霾天气得以持续的重要原因。Guest et al.指出边界层内的气溶胶浓度与边界层内的通风条件和垂直混合率有密切联系。Vukovich也指出污染事件频率的年际变化,很大程度上依赖于天气条件,污染形势对天气尺度环流具有较强的敏感性。徐晓峰等认为北京市 2004 年 10 月 7～10 日持续重污染过程是由本地的污染源和大尺度的天气背景与局地的气象条件共同造成的。饶晓琴等利用空气污染资料、常规气象观测资料和 NCEP 再分析资料，对 2007 年 2 月 5 日我国中东部大范围霾天气进行综合分析，结果表明：前倾槽结构和逆温层结为霾的形成提供了有利条件，大气混合层高度的变化对霾的生消有很好指示作用。马小会、甘璐等通过对北京的一次持续雾霾天气的成因进行分析，发现中纬度大气环流较平，冷空气比较偏北是造成雾霾天气频发和维持的重要原因；而逆温层的出现有利于雾霾天气的形成和持续。魏玉香等利用南京市 2002-2006 年大气监测资料研究不同气象条件下污染物质量浓度发现，污染物质量浓度与风速呈反相关，且东南风时浓度最高。杜荣光、齐冰等通过对杭州污染物浓度与逆温层的研究，发现污染物浓度与逆温厚度、强度和底高都呈明显相关。综上所述，大部分研究结果表明，冷空气势力偏北，中纬度的环流较平，地面风力较小，是雾霾天气形成和持续的重要的环流背景；并且持续性雾霾天气发生时一般都伴有逆温层的出现。

以上研究都是采用常规的探空观测资料，然而探空气球测量的温、湿度廓线常常达不到足够高的时空分辨率, 虽然可以利用地面温度和最近的探空数据计算的混合层高度来填补探空间隙，可是这样也会因为忽略平流和下沉对温度廓线的影响而导致计算误差。因此，有必要利用时空分辨率较高的新型探测资料对 2014 年春节期间的霾天气进行更深入的分析。本次工作应用了安装于南京站的CLC-11-D型固定式边界层风廓线雷达及被动式微博遥感方式的地基微波辐射计这两种新型探测资料。风廓线雷达能够在同一时间探测大气各个高度的数据，从而得出大气的廓线图，时间分辨率能精确到 6 分钟。微波辐射计可以连续地对包括温度、水汽等气象要素的廓线以及环境温度和云底高度等要素进行观测，时间分辨率能够精确到 1 分钟。首先分析了 2014 年春节期间雾霾的变化特征及其与气象条件的关系，再利用风廓线雷达和微波辐射计资料对南京春节期间霾天气过程了进行分析和研究，以期利用高分辨率的资料可以看出通风情况和逆温层特征的动态变化，进而分析通风系数及逆温层是否与大气污染程度存在密切联系，并可以提出一些定量指标，为将来预报提供参考价值。

2 资料与方法

2.1 资料

本文所采用的观测资料包括：1）NCEP/NCAR再分析资料；2）微波辐射计每2分钟观测的温度资料，微波辐射计观测高度为10km，1km以下垂直分辨率100m、110km垂直分辨率250m；3）南京市环境监测站提供的逐小时PM2.5质量浓度，观测仪器选用TEOM 1400a颗粒物监测仪，仪器的样气温度加热到50℃以保证气溶胶干燥。研究时段为2014年春节期间（1月30日~2月6日），即农历2013年腊月三十至2014年正月初七。

2.2 仪器简介

CLC-11-D 型固定式边界层风廓线雷达的主要目标是晴空大气湍流，利用布拉格散射原理探测随风飘动的湍团中大气折射率指数结构参数 Cn2的变化，进而导出大气中风向风速的真实情况。包括工作在 L 频段范围的脉冲多普勒雷达及相关的软硬件以及 RASS 系统，可全天候连续自动观测、数据处理、以及运行监控和标校。

设在南京国家基准站的 MP-3000A 微波辐射计是由美国 Radiometrics 公司研发的一种新型 35 通道的微波辐射计，该辐射计采取被动式微波遥感，通过接收天空亮温来反演地面至 10 km 高度的高分辨率的温度、相对湿度和水汽廓线，以及较低分辨率的液态水廓线。温度廓线子系统接受频率在 22～30 GHz 之间用所选择的频率进行天空亮温观测，而水汽廓线子系统在 51～59 GHz 之间用所选择的频率进行天空亮温观测。为了消除液态水的影响，MP-3000A 辐射计的天线罩是采用防水材料做成的，并设置鼓风机对着天线罩吹，这样就使得辐射计可以全天候地进行观测。

2.3 计算方法

大气边界层中性或不稳定时，由于动力或热力湍流的作用，边界层内上下层之间产生强烈的动量或热量交换。通常把出现这一现象的层称为混合层。混合层向上发展时，常受到位于边界层上边缘的逆温层底部的限制。与此同时也限制了混合层内污染物的再向上扩散。中性和不稳定时的混合层高度和大气边界层高度是一致的。混合层高度越低越不利于污染物扩散。

3 南京 2014 年春节霾实况回顾

从空气质量指数（AQI）的逐时变化曲线来看：春节假期前期（1 月 30 日至 2月 2 日），全市的空气污染指数都在轻度污染级别以上，其中 1 月 30 日至 2 月 1 日空气污染指数都是重度污染。1 月 3031 日南京出现了持续的雾霾天气，30 日、31 日早晨出现了区域性浓雾天气，大部分地区能见度低于 500 米，部分地区低于 200 米。2 日早晨我市出现锋前雾，部分地区能见度不足 200 米。

4 2014 年春节霾天气的大气背景分析

4.1 环流背景分析

按照春节假期污染情况，可以分为两个过程：前期是 1 月 30 日-2 月 2 日，污染较重，AQI 指数较高，都在 100 以上，都在轻度污染以上；后期是 2 月 3 日-2 月 6 日，受冷空气和雨雪影响，空气质量显著改善，维持在良或优。

从春节前期 500hPa 平均高度场上可以看出，中纬度环流平直，北方冷空气活动较弱，高层多受西北偏西气流控制，冷空气势力较弱。从海平面气压场（图略）上，亦可以看出前期我国中东部地区均处在气压梯度小，水平风速弱的均压场控制当中，非常不利于中低层污染物的输送扩散。气压梯度小，风速弱，不利于污染物扩散。后期，冷暖空气活跃，850hPa 气温在 2 日后期锐减，雨雪频繁，空气质量也随之改善。

4.2 气象要素特征分析

燃放烟花爆竹的高峰时段出现在 1 月 30 日（除夕）18 时至 1 月 31日（大年初一）05 时，期间 PM2.5 浓度的每小时平均值异常高，主峰值出现在 1 月 31 日 1时，达到 0.5783m gm，可见大年初一的 0 时至 1 时是烟花爆竹燃放最集中的时候，这与大多数市民选择在吃年夜饭的前后燃放烟花爆竹有很大关系。另外，在除夕 20 时以后，PM10和 PM2.5 的浓度很快下降，原因是此时在家收看春节晚会的市民增多，烟花的燃放量也随之减少。进一步对比图 2 中能见度与图 6 中 PM2.5 浓度的变化趋势，不难发现两者具有明显的反相关关系，相关系数达到了-0.63，通过 95%显著性检验，表明在日时间尺度上，南京地区 PM2.5 质量浓度对于能见度下降具有重要贡献，可见高浓度的气溶胶为雾霾的形成提供了有利条件。

4.3 HYSPLIT 后向轨迹模式分析污染源

利用 HYSPLIT 后向轨迹模式， 对春节假期前后影响南京地区的气团路径进行了进一步分析。假期前期，影响南京的气团大多来自南部，较为潮湿，且往往裹挟着较多的污染物；3 日以后，影响南京的气团则基本来自北方地区，较为干冷。这近一步表明春节假期前后，南京的灰霾天气不仅仅是因为天气背景发生改变，烟花爆竹燃放过多也是重要原因之一，烟花爆竹的集中燃放会使得空气中细粒子浓度的增幅尤为明显。

5 新资料的应用

5.1 风廓线雷达

通风系数表示混合层中污染物的传输速率，通风系数越高, 大气处理污染的能力越强,因而污染越小, 空气质量越好。利用激光雷达反演的混合层高度计算通风系数有明显的优越性, 因为激光雷达的高时间分辨率提供了混合层的连续变化, 配合同步风的观测可得到该系数精确的演变特征。图 10 给出了春节假期通风系数、PM2.5 浓度的日变化，由图可知，通风系数与 PM2.5 浓度有较好地时间对应，1 月 31 日通风系数增强，PM2.5 随之显著降低，2 月 1 日-3 日，通风系数持续走低，PM2.5 浓度则出现反弹，2 月 3 日后期开始，通风系数一直维持在 10000 以上的较高水平，PM2.5 浓度也持续维持在较低地水平，计算发现 PM2.5浓度与通风系数的负相关显著，相关系数高达-0.51。进一步计算发现，通风系数的逐小时分布与风速、混合层高度均呈显著正相关，并且通风系数与风速关系比它与混合层高度的关系更密切，这与文献的结果一致。

5.2 微波辐射计所表征的逆温层特征

冬季稳定的天气条件，造成了空气中污染物不能扩散，大气稳定度的一个重要标志是逆温，逆温是冬季经常出现的，低层温度低于高层温度的现象。逆温主要是由空气下沉、绝热增温引起的，因此逆温的出现往往表示大气层结比较稳定，使得大气中悬浮颗粒物不易扩散，积聚增长，导致空气质量下降。所以，逆温和霾天气也有密切相关。逆温层的存在是雾霾天气持续的条件之一。

利用微波辐射计的气温资料，将春节假期的逆温层筛选出来，再分别计算强度与厚度。定义逆温层厚度为逆温层顶的高度减去逆温层底的高度，逆温层的强度为逆温层顶的气温与逆温层底的气温的差值，差值越大，表明逆温层强度越大。

6 结果和讨论

使用南京站点资料、环保局监测资料和 NCEP/NCAR 再分析资料,阐述 2013 年 1 月份南京持续性污染的事实，并从大气环流背景场分析出现持续性污染的原因；利用探空资料、风廓线雷达资料和激光雷达资料，探讨影响大气污染程度的大气垂直结构特征以及边界层内气象条件的差异，主要结论有：

（1）按照春节假期污染情况，可将其分为两个过程：前期是 1 月 30 日-2 月 2 日，污染较重，AQI 指数较高，都在 100 以上，都在轻度污染以上；后期是 2 月 3 日-2 月 6 日，受冷空气和雨雪影响，空气质量显著改善，维持在良或优。春节前期（1 月 30 日-2 月 2 日），我市处于均压场里，冷空气活动弱，近地层风速小，污染物气象扩散条件差，加之地面以弱偏东风为主，近地层水汽有利于污染物直径增大，浓度升高，有利于逆温层的形成，使得污染物容易堆积。

（2）污染物的积聚和爆发需满足的天气形势一般具有以下3个特征: （a）高气压前部、均压场内或低气压底部 （b）海平面气压值及气压梯度值较小（c）地面风向不稳定，风速偏弱。

（3）污染物的消散一般需满足以下2个特征：（a）冷空气、大风、降水，大气湍流运动加强，扩散能力增强（b）逆温层破坏，混合层厚度升高。

（4）利用激光雷达反演的混合层高度计算通风系数有明显的优越性, 因为激光雷达的高时间分辨率提供了混合层的连续变化, 配合同步风的观测可得到该系数精确的演变特征。结果显示，PM2.5 浓度与通风系数的负相关显著，通风系数与风速、混合层高度均呈显著正相关，并且通风系数与风速关系比它与混合层高度的关系更密切。

（5）利用微波辐射计的气温资料，将春节假期的逆温层筛选出来，再分别计算其强度与厚度。春节期间，PM2.5 质量浓度与逆温厚度和强度都与很好地对应关系，PM2.5 浓度与逆温层厚度、强度的相关系数分别高达 0.63、0.47。前期逆温层结较厚，且逆温幅度较大，逆温强度逐渐增强，雾霾持续，直至 3 日冷空气南下，逆温层结被破坏，转为中性层结，雾霾天气有所缓解。