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)濟的發(fā)展,城市化、工業(yè)化發(fā)展迅猛,機動車擁有量、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(wěn)定狀況有著密不可分的關系。研究發(fā)現(xiàn)，冬季里出現(xiàn)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(wěn)定。春節(jié)期間由于煙花爆竹燃放集中等人為原因，霾天氣則更為嚴重。

　　氣象觀測中，一般把相對濕度低于 80％，能見度小于 10 公里，記為霾。在氣象行業(yè)標準中，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，隨著人們對霾天氣的探索研究，發(fā)現(xiàn)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)保部門把包含 PM2.5 濃度變化的 AQI 指數(shù)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(nèi)外對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)劣主要由天氣形勢和氣象條件控制。關于天氣形勢和氣象條件對污染狀況的影響，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報時,就指出了大氣層結穩(wěn)定度和風速與空氣污染的關系。趙桂香、杜莉等通過對發(fā)生在山西省的一次持續(xù)性霧霾天氣進行了綜合分析，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(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、甘璐等通過對北京的一次持續(xù)霧霾天氣的成因進行分析，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)量濃度與風速呈反相關，且東南風時濃度最高。杜榮光、齊冰等通過對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(huán)流較平，地面風力較小，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)的探空觀測資料，然而探空氣球測量的溫、濕度廓線常常達不到足夠高的時空分辨率, 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，有必要利用時空分辨率較高的新型探測資料對 2014 年春節(jié)期間的霾天氣進行更深入的分析。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數(shù)據(jù)，從而得出大氣的廓線圖，時間分辨率能精確到 6 分鐘。微波輻射計可以連續(xù)地對包括溫度、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行觀測，時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系，再利用風廓線雷達和微波輻射計資料對南京春節(jié)期間霾天氣過程了進行分析和研究，以期利用高分辨率的資料可以看出通風情況和逆溫層特征的動態(tài)變化，進而分析通風系數(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，為將來預報提供參考價值。

2 資料與方法

　　2.1 資料

　　本文所采用的觀測資料包括：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以下垂直分辨率100m、1—10km垂直分辨率250m；3）南京市環(huán)境監(jiān)測站提供的逐小時PM2.5質(zhì)量濃度，觀測儀器選用TEOM 1400a顆粒物監(jiān)測儀，儀器的樣氣溫度加熱到50℃以保證氣溶膠干燥。研究時段為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(shù)結構參數(shù) Cn2的變化，進而導出大氣中風向風速的真實情況。包括工作在 L 頻段范圍的脈沖多普勒雷達及相關的軟硬件以及 RASS 系統(tǒng)，可全天候連續(xù)自動觀測、數(shù)據(jù)處理、以及運行監(jiān)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行天空亮溫觀測，而水汽廓線子系統(tǒng)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(tài)水的影響，MP-3000A 輻射計的天線罩是采用防水材料做成的，并設置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(wěn)定時，由于動力或熱力湍流的作用，邊界層內(nèi)上下層之間產(chǎn)生強烈的動量或熱量交換。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，常受到位于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(nèi)污染物的再向上擴散。中性和不穩(wěn)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于污染物擴散。