南京春節(jié)期間持續(xù)霾天氣過(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(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(guó)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(mén)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(guó)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(guó)內(nèi)外已有較多的研究工作。早在 60 年代初,美國(guó)國(guó)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(guò)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(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(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(guó)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(guò)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(guò)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(lái)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(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(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(lái)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(jiǎn)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(guó)家基準(zhǔn)站的 MP-3000A 微波輻射計(jì)是由美國(guó) 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(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(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。混合層高度越低越不利于污染物擴(kuò)散。