2013年12月上旬江蘇大范圍持續(xù)性霧霾成因分析
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孫燕 嚴(yán)文蓮 謝真珍
（1．江蘇省氣象臺，江蘇南京210008；2．淮安市氣象局，江蘇淮安223001）
——《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》
摘要：利用常規(guī)氣象觀測資料和NCEP/NCAR再分析資料，從污染實(shí)況、氣象要素特征、環(huán)流背景、水汽條件、動熱力條件等方面，對江蘇2013年12月上旬持續(xù)霧霾天氣成因進(jìn)行分析，結(jié)果表明：(1)持續(xù)性霧霾天氣發(fā)生時(shí)江蘇大部分地區(qū)空氣質(zhì)量達(dá)到重度污染，首要污染物為PM2.5，大量的氣溶膠粒子長時(shí)間懸浮于空中；(2)這段時(shí)間內(nèi)影響江蘇的冷空氣勢力較弱，中高層冷空氣未能完全破壞底層相對穩(wěn)定的層結(jié)，而近地層濕度較大且風(fēng)速較小利于霾的發(fā)展，重度霾時(shí)相對濕度在80%以上，且風(fēng)速多維持在3m/s以下；(3)逆溫層的長時(shí)間維持結(jié)使得大氣巾上下的湍流熱量和動量交換減弱，不利于垂直上升運(yùn)動的發(fā)生發(fā)展，進(jìn)一步有利于將近地層的污染物和水汽粒子不斷積聚，使得霧霾得以發(fā)生和長時(shí)問維持。
關(guān)鍵詞：持續(xù)性霧霾；重度污染；天氣形勢；動熱力條件
近年來，空氣污染日益嚴(yán)重，持續(xù)性大范圍霧霾出現(xiàn)頻繁，對人們的生活和健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通出行、和軍事活動等均造成嚴(yán)重影響，受到各級政府和氣象部門的高度關(guān)注。黨中央、國務(wù)院及地方政府把改善空氣質(zhì)量、控制空氣污染作為重要任務(wù)。黨的十八屆三中全會提出建設(shè)美麗中國，把生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會主義事業(yè)“五位一體”的總體布局，對環(huán)境保護(hù)及大氣污染防治提出了更高要求。因此，霾是當(dāng)前備受關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。吳兌等對霾的判別標(biāo)準(zhǔn)、霾物質(zhì)的組成等問題進(jìn)行了研究；饒曉琴等則著重討論了2007年2月上旬我國中東部一次大范圍霾天氣過程；周寧芳等對2006年冬半年我國霾天氣的時(shí)空變化、環(huán)流特征和氣象要素變化等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；其他學(xué)者也分別對濟(jì)南、福州、南京、香港等地霾天氣氣候特征進(jìn)行了不同程度的分析。針對京津冀區(qū)域性霾天氣的高發(fā)，趙普生等分析了該區(qū)域霾天氣的特征，發(fā)現(xiàn)京津冀地區(qū)霾天氣整體特征和變化趨勢較為相似，均呈現(xiàn)增加趨勢，非城區(qū)站點(diǎn)霾日數(shù)增加趨勢明顯，與城區(qū)霾日數(shù)的差距越來越小。另外，對于許多學(xué)者針對大氣氣溶膠開展了大量觀測試驗(yàn)，取得了很多有意義的研究成果。
以上研究大多側(cè)重于霧霾的氣候特征、天氣學(xué)特點(diǎn)和成因等方面，本文結(jié)合污染濃度和氣象要素，對2013年12月江蘇大范圍持續(xù)性霧霾天氣的污染物特征、環(huán)流背景、水汽和動熱力條件等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，為江蘇持續(xù)性霧霾天氣的預(yù)報(bào)積累一定思路和提供一些有用的參考。
1資料
2013年12月江蘇省逐日地面和探空觀測資料，包括能見度、相對濕度、天氣現(xiàn)象、降水量等要素；2013年12月江蘇環(huán)境監(jiān)測逐日的污染物濃度數(shù)據(jù)。
2013年12月NCEP/NCAR逐日再分析資料，經(jīng)緯度2.5。*2.50。
2天氣實(shí)況和污染物特征
2013年12月江蘇大部分地區(qū)均出現(xiàn)不同程度的霧霾天氣，從13個(gè)主要城市近4年的霾日統(tǒng)計(jì)來看（圖1），2013年12月的霾日明顯增多，鹽城的霾日數(shù)達(dá)到31d，連云港、淮安、常州、無錫也都達(dá)到30 d；最少的揚(yáng)州也達(dá)到了21 d。各市以1981-2010年的12月的平均值為氣候平均值，計(jì)算其距平，發(fā)現(xiàn)鹽城、淮安、鎮(zhèn)江排在前三位，鹽城的距平值達(dá)到29.9 d。從空間分布上來看，沿淮和江淮之間的城市2013年12月的霾日增長尤為明顯。特別的，12月上旬江蘇全省范圍出現(xiàn)持續(xù)性霾天氣，且伴隨有空氣質(zhì)量重度污染的發(fā)生，從中國環(huán)境監(jiān)測總站的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺上獲取的12月2-8日全國空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)平均值最高10大城市中，江蘇省有4個(gè)城市榜上有名。而從環(huán)境監(jiān)測的PM2.5濃度的變化情況來看（圖2），重度霾天氣過程伴隨有重污染過程的發(fā)生，并且在過程開始時(shí)，江蘇北部的鹽城和淮安PM2.5濃度迅速累積升高，表明其排放量較大，后面又有多次快速升高過程；而上海和南京PM2.5濃度累積速率相對平緩，基本維持在150ug/m3的重度污染線以上；懸浮于空中的大量氣溶膠顆粒物是造成江蘇出現(xiàn)大范圍持續(xù)性霾天氣的主要原因，同時(shí)，也為小霧滴的形成提供了充分的凝結(jié)核。當(dāng)空氣中的濕度發(fā)生變化時(shí)，霧霾之間發(fā)生轉(zhuǎn)化；濕度加大時(shí)，飽和的水汽附在顆粒物上凝結(jié)，霾轉(zhuǎn)變成霧，甚至出現(xiàn)強(qiáng)濃霧；反之，霧轉(zhuǎn)化成霾；另外，還會出現(xiàn)霧霾混合存在的情況。
從徐州、連云港、宿遷、淮安、鹽城、泰州、鎮(zhèn)江、南京、揚(yáng)州、無錫、常州、蘇州各站的氣象觀測逐時(shí)能見度變化來看（圖3），2日開始能見度都有明顯的下降，且除了江淮之間北部和淮北地區(qū)的城市，其余城市的能見度都維持在較低的水平，4-5日大部分地區(qū)能見度都不足1000 m，部分地區(qū)在50 m以下；7-8日，西部地區(qū)能見度較低，最低100 m以下。值得注意的是，在6日，江蘇北部的徐州、連云港、宿遷、淮安、鹽城5市的低能見度都有所緩解，升高到5 km以上，特別是連云港和宿遷的能見度一度達(dá)到10 km以上。在5日后期，有一股冷空氣自北向南影響江蘇，但是冷空氣強(qiáng)度較弱，路徑偏西，因此6日早晨只是江淮之間北部和淮北地區(qū)的城市最低氣溫24 h下降5—6℃，其他地區(qū)持平，甚至上升了2—3℃；而7日05時(shí)的48 h變溫情況，主要在江淮之間北部和淮北地區(qū)的城市有4—9℃的降溫，其他地區(qū)基本沒有變化。對應(yīng)能見度變化，可以看到，冷空氣影響的區(qū)域，能見度有了很大的改善，而其他地區(qū)仍然維持在很低的水平。因此，在秋冬季節(jié)，冷空氣的影響對低能見度天氣有很大的影響和改善，下面重點(diǎn)分析一下持續(xù)性霧霾天氣發(fā)生時(shí)的天氣環(huán)流背景。
3天氣背景分析
如圖4(a)~(c)分別為2010年和2012年12月上旬500 hPa的平均形勢場，可以看到，在貝加爾湖到我國東北地區(qū)或蒙古一帶都有冷渦維持，而江蘇省位于冷渦后部，為西北氣流控制；在650N以南、lOOoE以東的廣大區(qū)域，500 hPa高度場較常年平均都是負(fù)距平，說明2010年和2012年12月上旬500 hPa的冷渦較常年偏強(qiáng)、冷空氣也較常年明顯偏強(qiáng)。而對比分析同期2011年和2013年12月上旬500 hPa平均形勢場(圖4(b)、(d))，在貝加爾湖附近不僅沒有閉合的冷渦環(huán)流，反而是處于弱高壓脊的影響之下；在400N以北的區(qū)域500 hPa高度場較常年平均都是正距平，雖然在華東和華南上空也有負(fù)距平，但是從冷空氣的主要源地和路徑區(qū)域來看，冷空氣較常年明顯偏弱。從圖1中的霾日實(shí)況，冷空氣偏強(qiáng)的2010、2012年12月的霾日少，冷空氣弱的2011、2013年12月的霾日多。具體分析2013年12月上旬的冷空氣過程，分別是3日和5日，冷空氣出現(xiàn)頻次較少，且多以中西路尤其是西路冷空氣到達(dá)我省，強(qiáng)度亦明顯減弱，偏北風(fēng)力也偏小，不利于污染物的水平擴(kuò)散。并且在冷空氣影響的間隙，江蘇一直為高壓控制，冷高壓中心強(qiáng)度偏低，污染物累積較重。
12月上旬，重度霧霾發(fā)生時(shí)的地面天氣形勢大多為均壓場（圖略），具體來看，4-5日江蘇位于從華北延伸下來的大陸均壓場，而7日江蘇處于鞍形場均壓區(qū)，8日江蘇位于冷鋒前地面倒槽右上方；在均壓區(qū)風(fēng)速較小，近地層層結(jié)穩(wěn)定，不利于污染物的水平擴(kuò)散。同時(shí)，中高層的冷空氣也較弱，并不能破壞底層相對穩(wěn)定的層結(jié)結(jié)構(gòu)。
4氣象成因和維持機(jī)制
4.1地面氣象要素分析
圖5給出了12月2-9日南京市能見度與溫度、露點(diǎn)、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素的演變情況，2013年12月上旬南京大部分時(shí)間的能見度都在5 km以下，特別是6日以后基本在l km附近波動。從濕度變化來看，期間露點(diǎn)變化相對平穩(wěn)，主要存在晝夜差異，夜間至早晨氣溫下降，T-Td減小，相對濕度增大，空氣中的水汽飽和度增大，進(jìn)而近地面大氣中的水汽達(dá)到飽和凝結(jié)，致使后半夜到早晨這段時(shí)間成霧，而白天氣溫逐漸升高，而濕度則降至80%以下，霧向霾轉(zhuǎn)化。特別的，在4日夜里-5日上午、6日夜里-8日近地面相對濕度增大到90%以上且長時(shí)間維持，對應(yīng)著該時(shí)段的天氣現(xiàn)象為霧�？梢�，空氣濕度的變化導(dǎo)致霾霧之間的相互轉(zhuǎn)化。12月上旬處于秋季和冬季的季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)期，冷空氣逐漸活躍，氣溫起伏較大，風(fēng)速風(fēng)向變化也比較復(fù)雜，但是從2013年12月上旬南京站風(fēng)變化情況來看，其風(fēng)速較小，基本維持在3 m/s以下，特別是大霧發(fā)生時(shí)風(fēng)速僅為l m/s。對比分析霧霾出現(xiàn)時(shí)風(fēng)的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)霾時(shí)風(fēng)速多小于3 m/s，而5—6m/s也可有霾，風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)或偏南風(fēng)時(shí)均會出現(xiàn)霾，但是偏北風(fēng)時(shí)風(fēng)力也較弱，風(fēng)速不超過3 m/s；而霧出現(xiàn)時(shí)多偏南風(fēng)且風(fēng)力較弱。
4.2水汽條件
由前面的分析可知，適當(dāng)?shù)乃欣诮孛鏉穸鹊脑黾�，為霧霾發(fā)展維持以及霧霾之間的轉(zhuǎn)換都有影響；然而，充足的水汽與冷空氣交匯，又會形成降水，降水過程對空氣中的顆粒物有沖刷作用，不利于霧霾天氣的發(fā)生，因此水汽輸送對于霧霾的形成與維持也是重要的影響因素之一。圖6為2-8日1 000~300 hPa整層積分水汽輸送的平均場，可以看到江蘇上空的水汽輸送非常小，低于100 kg/(s -m)，而江蘇省的主要水汽輸送源地之一的孟加拉灣，是偏東的水汽輸送，因此不能將充足的水汽輸送到江蘇，與天氣實(shí)況對應(yīng)的是江蘇省12月上旬降水明顯偏少，較常年同期偏少7成左右。水汽輸送比較弱，冷空氣也不強(qiáng)，又沒有明顯的降水過程，大氣長期維持在靜穩(wěn)狀態(tài)，霧霾天氣得以長時(shí)間維持。
4.3熱力條件
圖7給出了南京、射陽、徐州3站逐日08和20時(shí)溫度層結(jié)時(shí)序圖，可以看到，在2-8日霧霾期間950 hPa以下大部分時(shí)段均存在不同強(qiáng)度的逆溫，整個(gè)層結(jié)都較穩(wěn)定，其中夜間至早晨逆溫較強(qiáng)，在水汽達(dá)到飽和時(shí)，對應(yīng)著全省大部分地區(qū)霧也比較嚴(yán)重，特別是在5-7日，南京、射陽、徐州3站在950 hPa以下均存在較明顯的逆溫結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的這段時(shí)間霧霾強(qiáng)度也要較前期強(qiáng)。霧霾的嚴(yán)重程度與層結(jié)的穩(wěn)定度相一致，6日前后南京的逆溫層結(jié)較徐州和射陽明顯，其對應(yīng)的能見度也更差，大部分時(shí)段都在2 km以下。可見，大氣層結(jié)特征同樣是霧霾天氣形成和維持的重要條件，逆溫層持續(xù)的時(shí)間、強(qiáng)度和逆溫層厚度都與污染物擴(kuò)散有直接關(guān)系；長時(shí)間維持的逆溫層結(jié)使得大氣上下的動量交換和湍流熱量減弱，空氣在垂直方向流動性均非常小，有利于近地層污染物顆粒和水汽不斷積聚，促使霧霾天氣的發(fā)生和維持；而且霧所需要的近地層逆溫要稍強(qiáng)于霾。
4.4動力條件
垂直上升運(yùn)動也是影響溫度層結(jié)發(fā)展變化的重要因子之一，圖8(a)是給出了南京地區(qū)12月1-9日垂直速度時(shí)間剖面圖，從圖中可以看出，期間低層垂直速度上升下沉氣流均較�。�-0.1 hPa/s左右），即上下氣流交換弱，這也有利于穩(wěn)定層結(jié)的維持和污染顆粒的聚集；弱上升運(yùn)動大多在800 hPa以下，從低層到高層均轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動時(shí)，往往對應(yīng)著地面能見度的好轉(zhuǎn)，如5日早晨出現(xiàn)l km以下的霧，白天受冷空氣影響，整層維持上升運(yùn)動，能見度上升至4 km左右，由于冷空氣影響偏北，造成的上升運(yùn)動很弱，霾維持；而江蘇北部地區(qū)的上升運(yùn)動更加明顯(圖8(b))，使得偏北的地區(qū)能見度快速上升，部分地區(qū)超過10 km，霾得到了短時(shí)間的緩解。當(dāng)從低層到高層均轉(zhuǎn)為弱的下沉運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)致整層下沉增溫，從而使得底層形成相對穩(wěn)定層結(jié)，阻止顆粒物的向上擴(kuò)散，有利于霧霾的維持。這段時(shí)間大量顆粒物的存在也會削弱太陽輻射，從而抑制了地面熱力作用導(dǎo)致的上升運(yùn)動，使得溫度層結(jié)不會完全破壞，而垂直向上擴(kuò)散也不會太強(qiáng)，也利于霧霾的發(fā)展和維持�？梢�，上升運(yùn)動與霧霾的發(fā)展之間存在著相互影響的緊密關(guān)系。垂直上升運(yùn)動減弱不利于低層水汽或顆粒物的垂直向上擴(kuò)散輸送，從而有利于霧霾天氣的發(fā)展和維持；而霧霾天氣的發(fā)展和維持也會抑制垂直上升運(yùn)動的發(fā)展。
5結(jié)論
通過對2013年12月上旬發(fā)生在江蘇的大范圍持續(xù)性霧霾過程的分析，得到以下結(jié)論：
(1)持續(xù)性霧霾天氣發(fā)生時(shí)，江蘇大部分地區(qū)空氣質(zhì)量達(dá)到重度污染，首要污染物為PM2.5，PM2.5濃度基本維持在150ug/m3的重度污染線以上，懸浮于空中的大量氣溶膠粒子是造成江蘇此次大范圍持續(xù)性霾天氣的主要原因，同時(shí)也為霧形成提供了豐富的凝結(jié)核，當(dāng)空氣中的濕度變化時(shí)，發(fā)生霧霾轉(zhuǎn)換，也極易出現(xiàn)強(qiáng)濃霧。
(2)在秋冬季節(jié)，冷空氣的影響對低能見度和空氣重污染有很大的影響和改善，2013年12月上旬，冷空氣頻次較少，強(qiáng)度偏弱，多中西路冷空氣，風(fēng)力也相對偏小，對污染物的水平擴(kuò)散不利；同時(shí)，水汽輸送也較常年偏弱，沒有明顯的降水過程，降水量較常年同期偏少7成左右，大氣長期維持在靜穩(wěn)狀態(tài)，霧霾天氣得以長時(shí)間維持。
(3)2013年12月上旬南京站風(fēng)變化情況來看，其風(fēng)速較小，基本維持在3 m/s以下，特別是大霧發(fā)生時(shí)風(fēng)速僅為1 m/s。分析霧霾出現(xiàn)時(shí)風(fēng)的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)霾時(shí)風(fēng)速多小于3 m/s，而5-6ms也可有霾，風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)或偏南風(fēng)時(shí)均會出現(xiàn)霾，但是偏北風(fēng)時(shí)也不超過3 m/s;而霧出現(xiàn)時(shí)多偏南風(fēng)且風(fēng)力較弱。
(4)長時(shí)間維持的逆溫層結(jié)逆溫層使得大氣低層的空氣垂直運(yùn)動受到限制，懸浮于空氣中的水汽和顆粒物難以向高空飄散而被阻滯在低空和近地面，促使霧霾天氣的發(fā)生和維持；分析發(fā)現(xiàn)霧發(fā)生時(shí)近地層逆溫要稍強(qiáng)于霾。
(5)垂直上升運(yùn)動與霧霾的發(fā)展之間有著互相影響的緊密聯(lián)系，持續(xù)性霧霾期間，低層垂直速度上升下沉氣流均較�。�-0.1 hPa/s左右），垂直上升運(yùn)動減弱不利于低層水汽或顆粒物的垂直向上擴(kuò)散輸送，從而有利于霧霾天氣的發(fā)展和維持；而霧霾天氣的發(fā)展和維持也會抑制垂直上升運(yùn)動的發(fā)展。
