南京春節期間持續霾天氣過程的分析論文
南京春節期間持續霾天氣過程的分析論文
1 引言
隨著經濟的發展,城市化、工業化發展迅猛,機動車擁有量、建築工地揚塵量和工業耗煤量、工業廢氣排放量都在不斷增加, 霾天氣急劇增多，已成為當今時代主要災害之一，引起社會和公眾廣泛關注。低能見度的霾天氣不僅對交通造成危害，還與人體健康密切相關。霾的形成，是由於汙染物在大氣中不易擴散，而汙染物的擴散能力又是與大氣的穩定狀況有著密不可分的關係。研究發現，冬季裡出現霾天氣的頻率高於夏季，因為冬季的大氣層結相對夏季更為穩定。春節期間由於煙花爆竹燃放集中等人為原因，霾天氣則更為嚴重。
氣象觀測中，一般把相對溼度低於 80％，能見度小於 10 公里，記為霾。在氣象行業標準中，根據能見度（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，隨著人們對霾天氣的探索研究，發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 濃度作為釋出預警的重要指標之一。環保部門把包含 PM2.5 濃度變化的 AQI 指數作為大氣汙染指標，大氣汙染程度分為：輕度汙染（101≤AQI≤150）、中度汙染（151≤AQI≤200）、重度汙染（201≤AQI≤300）、嚴重汙染（AQI＞300）。
國內外對於霾天氣的研究有很多：研究證明，在汙染源基本穩定的前提下，空氣質量的優劣主要由天氣形勢和氣象條件控制。關於天氣形勢和氣象條件對汙染狀況的影響，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汙染預報時,就指出了大氣層結穩定度和風速與空氣汙染的關係。趙桂香、杜莉等透過對發生在山西省的一次持續性霧霾天氣進行了綜合分析，發現 500hPa 冷空氣偏北、中緯度環流較平是大範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條件和垂直混合率有密切聯絡。Vukovich也指出汙染事件頻率的年際變化,很大程度上依賴於天氣條件,汙染形勢對天氣尺度環流具有較強的敏感性。徐曉峰等認為北京市 2004 年 10 月 7～10 日持續重汙染過程是由本地的汙染源和大尺度的天氣背景與局地的氣象條件共同造成的。饒曉琴等利用空氣汙染資料、常規氣象觀測資料和 NCEP 再分析資料，對 2007 年 2 月 5 日我國中東部大範圍霾天氣進行綜合分析，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、甘璐等透過對北京的一次持續霧霾天氣的成因進行分析，發現中緯度大氣環流較平，冷空氣比較偏北是造成霧霾天氣頻發和維持的重要原因；而逆溫層的出現有利於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汙染物質量濃度發現，汙染物質量濃度與風速呈反相關，且東南風時濃度最高。杜榮光、齊冰等透過對杭州汙染物濃度與逆溫層的研究，發現汙染物濃度與逆溫厚度、強度和底高都呈明顯相關。綜上所述，大部分研究結果表明，冷空氣勢力偏北，中緯度的環流較平，地面風力較小，是霧霾天氣形成和持續的重要的環流背景；並且持續性霧霾天氣發生時一般都伴有逆溫層的出現。
以上研究都是採用常規的探空觀測資料，然而探空氣球測量的溫、溼度廓線常常達不到足夠高的時空解析度, 雖然可以利用地面溫度和最近的探空資料計算的混合層高度來填補探空間隙，可是這樣也會因為忽略平流和下沉對溫度廓線的影響而導致計算誤差。因此，有必要利用時空解析度較高的新型探測資料對 2014 年春節期間的霾天氣進行更深入的分析。本次工作應用了安裝於南京站的CLC-11-D型固定式邊界層風廓線雷達及被動式微博遙感方式的地基微波輻射計這兩種新型探測資料。風廓線雷達能夠在同一時間探測大氣各個高度的資料，從而得出大氣的廓線圖，時間解析度能精確到 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以及環境溫度和雲底高度等要素進行觀測，時間解析度能夠精確到 1 分鐘。首先分析了 2014 年春節期間霧霾的變化特徵及其與氣象條件的'關係，再利用風廓線雷達和微波輻射計資料對南京春節期間霾天氣過程了進行分析和研究，以期利用高解析度的資料可以看出通風情況和逆溫層特徵的動態變化，進而分析通風係數及逆溫層是否與大氣汙染程度存在密切聯絡，並可以提出一些定量指標，為將來預報提供參考價值。
2 資料與方法
2.1 資料
本文所採用的觀測資料包括：1）NCEP/NCAR再分析資料；2）微波輻射計每2分鐘觀測的溫度資料，微波輻射計觀測高度為10km，1km以下垂直解析度100m、1—10km垂直解析度250m；3）南京市環境監測站提供的逐小時PM2.5質量濃度，觀測儀器選用TEOM 1400a顆粒物監測儀，儀器的樣氣溫度加熱到50℃以保證氣溶膠乾燥。研究時段為2014年春節期間（1月30日~2月6日），即農曆2013年臘月三十至2014年正月初七。
2.2 儀器簡介
CLC-11-D 型固定式邊界層風廓線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飄動的湍團中大氣折射率指數結構引數 Cn2的變化，進而匯出大氣中風向風速的真實情況。包括工作在 L 頻段範圍的脈衝多普勒雷達及相關的軟硬體以及 RASS 系統，可全天候連續自動觀測、資料處理、以及執行監控和標校。
設在南京國家基準站的 MP-3000A 微波輻射計是由美國 Radiometrics 公司研發的一種新型 35 通道的微波輻射計，該輻射計採取被動式微波遙感，透過接收天空亮溫來反演地面至 10 km 高度的高解析度的溫度、相對溼度和水汽廓線，以及較低解析度的液態水廓線。溫度廓線子系統接受頻率在 22～30 GHz 之間用所選擇的頻率進行天空亮溫觀測，而水汽廓線子系統在 51～59 GHz 之間用所選擇的頻率進行天空亮溫觀測。為了消除液態水的影響，MP-3000A 輻射計的天線罩是採用防水材料做成的，並設定鼓風機對著天線罩吹，這樣就使得輻射計可以全天候地進行觀測。
2.3 計算方法
大氣邊界層中性或不穩定時，由於動力或熱力湍流的作用，邊界層內上下層之間產生強烈的動量或熱量交換。通常把出現這一現象的層稱為混合層。混合層向上發展時，常受到位於邊界層上邊緣的逆溫層底部的限制。與此同時也限制了混合層內汙染物的再向上擴散。中性和不穩定時的混合層高度和大氣邊界層高度是一致的。混合層高度越低越不利於汙染物擴散。
3 南京 2014 年春節霾實況回顧
從空氣質量指數（AQI）的逐時變化曲線來看：春節假期前期（1 月 30 日至 2月 2 日），全市的空氣汙染指數都在輕度汙染級別以上，其中 1 月 30 日至 2 月 1 日空氣汙染指數都是重度汙染。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，大部分地區能見度低於 500 米，部分地區低於 200 米。2 日早晨我市出現鋒前霧，部分地區能見度不足 200 米。
4 2014 年春節霾天氣的大氣背景分析
4.1 環流背景分析
按照春節假期汙染情況，可以分為兩個過程：前期是 1 月 30 日-2 月 2 日，汙染較重，AQI 指數較高，都在 100 以上，都在輕度汙染以上；後期是 2 月 3 日-2 月 6 日，受冷空氣和雨雪影響，空氣質量顯著改善，維持在良或優。
從春節前期 500hPa 平均高度場上可以看出，中緯度環流平直，北方冷空氣活動較弱，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（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，水平風速弱的均壓場控制當中，非常不利於中低層汙染物的輸送擴散。氣壓梯度小，風速弱，不利於汙染物擴散。後期，冷暖空氣活躍，850hPa 氣溫在 2 日後期銳減，雨雪頻繁，空氣質量也隨之改善。
4.2 氣象要素特徵分析
燃放煙花爆竹的高峰時段出現在 1 月 30 日（除夕）18 時至 1 月 31日（大年初一）05 時，期間 PM2.5 濃度的每小時平均值異常高，主峰值出現在 1 月 31 日 1時，達到 0.5783m gm，可見大年初一的 0 時至 1 時是煙花爆竹燃放最集中的時候，這與大多數市民選擇在吃年夜飯的前後燃放煙花爆竹有很大關係。另外，在除夕 20 時以後，PM10和 PM2.5 的濃度很快下降，原因是此時在家收看春節晚會的市民增多，煙花的燃放量也隨之減少。進一步對比圖 2 中能見度與圖 6 中 PM2.5 濃度的變化趨勢，不難發現兩者具有明顯的反相關關係，相關係數達到了-0.63，透過 95%顯著性檢驗，表明在日時間尺度上，南京地區 PM2.5 質量濃度對於能見度下降具有重要貢獻，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 後向軌跡模式分析汙染源
利用 HYSPLIT 後向軌跡模式， 對春節假期前後影響南京地區的氣團路徑進行了進一步分析。假期前期，影響南京的氣團大多來自南部，較為潮溼，且往往裹挾著較多的汙染物；3 日以後，影響南京的氣團則基本來自北方地區，較為乾冷。這近一步表明春節假期前後，南京的灰霾天氣不僅僅是因為天氣背景發生改變，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 風廓線雷達
通風係數表示混合層中汙染物的傳輸速率，通風係數越高, 大氣處理汙染的能力越強,因而汙染越小, 空氣質量越好。利用鐳射雷達反演的混合層高度計算通風係數有明顯的優越性, 因為鐳射雷達的高時間解析度提供了混合層的連續變化, 配合同步風的觀測可得到該係數精確的演變特徵。圖 10 給出了春節假期通風係數、PM2.5 濃度的日變化，由圖可知，通風係數與 PM2.5 濃度有較好地時間對應，1 月 31 日通風係數增強，PM2.5 隨之顯著降低，2 月 1 日-3 日，通風係數持續走低，PM2.5 濃度則出現反彈，2 月 3 日後期開始，通風係數一直維持在 10000 以上的較高水平，PM2.5 濃度也持續維持在較低地水平，計算發現 PM2.5濃度與通風係數的負相關顯著，相關係數高達-0.51。進一步計算發現，通風係數的逐小時分佈與風速、混合層高度均呈顯著正相關，並且通風係數與風速關係比它與混合層高度的關係更密切，這與文獻的結果一致。
5.2 微波輻射計所表徵的逆溫層特徵
冬季穩定的天氣條件，造成了空氣中汙染物不能擴散，大氣穩定度的一個重要標誌是逆溫，逆溫是冬季經常出現的，低層溫度低於高層溫度的現象。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，導致空氣質量下降。所以，逆溫和霾天氣也有密切相關。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，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
使用南京站點資料、環保局監測資料和 NCEP/NCAR 再分析資料,闡述 2013 年 1 月份南京持續性汙染的事實，並從大氣環流背景場分析出現持續性汙染的原因；利用探空資料、風廓線雷達資料和鐳射雷達資料，探討影響大氣汙染程度的大氣垂直結構特徵以及邊界層內氣象條件的差異，主要結論有：
（1）按照春節假期汙染情況，可將其分為兩個過程：前期是 1 月 30 日-2 月 2 日，汙染較重，AQI 指數較高，都在 100 以上，都在輕度汙染以上；後期是 2 月 3 日-2 月 6 日，受冷空氣和雨雪影響，空氣質量顯著改善，維持在良或優。春節前期（1 月 30 日-2 月 2 日），我市處於均壓場裡，冷空氣活動弱，近地層風速小，汙染物氣象擴散條件差，加之地面以弱偏東風為主，近地層水汽有利於汙染物直徑增大，濃度升高，有利於逆溫層的形成，使得汙染物容易堆積。
（2）汙染物的積聚和爆發需滿足的天氣形勢一般具有以下3個特徵: （a）高氣壓前部、均壓場內或低氣壓底部 （b）海平面氣壓值及氣壓梯度值較小（c）地面風向不穩定，風速偏弱。
（3）汙染物的消散一般需滿足以下2個特徵：（a）冷空氣、大風、降水，大氣湍流運動加強，擴散能力增強（b）逆溫層破壞，混合層厚度升高。
（4）利用鐳射雷達反演的混合層高度計算通風係數有明顯的優越性, 因為鐳射雷達的高時間解析度提供了混合層的連續變化, 配合同步風的觀測可得到該係數精確的演變特徵。結果顯示，PM2.5 濃度與通風係數的負相關顯著，通風係數與風速、混合層高度均呈顯著正相關，並且通風係數與風速關係比它與混合層高度的關係更密切。
（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，再分別計算其強度與厚度。春節期間，PM2.5 質量濃度與逆溫厚度和強度都與很好地對應關係，PM2.5 濃度與逆溫層厚度、強度的相關係數分別高達 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。