重慶市春節(jié)期間典型空氣污染過程分析

韓　余，劉　德，白瑩瑩，陳道勁，閔凡花

1.重慶市氣象臺，重慶 401147

2.重慶市氣候中心，重慶 401147

春節(jié)是中國的傳統(tǒng)節(jié)日，重慶市自2006年起對春節(jié)期間燃放煙花解禁以后，每年除夕夜市民都要大量燃放煙花爆竹，造成城市空氣質(zhì)量急劇惡化。但城市空氣污染并不是一個(gè)簡單的現(xiàn)象，主要由污染物的排放量和氣象條件共同決定[1-2]。目前國內(nèi)外很多專家學(xué)者對大氣污染與氣象條件進(jìn)行了研究，陳朝暉等[3]對北京地區(qū)一次重污染過程進(jìn)行了大尺度天氣型分析，發(fā)現(xiàn)空氣質(zhì)量的變化與天氣形勢的演變有較好的對應(yīng)關(guān)系。任陣海等[4]分析了邊界層內(nèi)大氣排放物形成重污染的背景，得出大范圍的均壓場持續(xù)是形成重污染的重大氣象條件。李瓊等[5]研究發(fā)現(xiàn)空氣污染物濃度不僅與當(dāng)天天氣類型有關(guān),而且與前幾天的天氣類型持續(xù)時(shí)間、地面氣壓場等都有密切關(guān)系。

該文采用重慶市環(huán)境監(jiān)測站提供的空氣污染指數(shù)(API)的日均值，分析了重慶市近10年春節(jié)期間空氣質(zhì)量的變化特征，并利用氣象觀測資料以及TAMP模式，分析了污染最嚴(yán)重的2006年春節(jié)期間中度污染個(gè)例的天氣影響系統(tǒng)，來研究污染物排放和氣象條件是如何共同影響空氣質(zhì)量的，以期為今后春節(jié)期間環(huán)境狀況的預(yù)測和管理提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)部分

利用重慶市環(huán)境監(jiān)測站提供的氣象觀測資料分析了污染個(gè)例的天氣影響系統(tǒng)，并使用TAMP模式對此次污染過程進(jìn)行近地層大氣邊界層特征分析。TAMP由澳大利亞聯(lián)邦科工組織(CSIRO)開發(fā)，由氣象模式和污染物預(yù)報(bào)模式耦合組成。模式在使用天氣分析背景資料的條件下能夠模擬出如海陸風(fēng)等局地環(huán)流過程，進(jìn)而預(yù)報(bào)局地、城市和區(qū)域尺度上的氣象和污染參數(shù)。模式的輸出結(jié)果可用來驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散模式。已有研究表明，該模式能夠較好地模擬中小尺度內(nèi)風(fēng)和溫度等氣象要素，目前在研究城市熱島效應(yīng)[6]、風(fēng)能資源評估[7-8]等方面得到了很好的應(yīng)用。

2　結(jié)果與討論

2.1重慶市春節(jié)期間空氣質(zhì)量特征

表1給出了2001—2012年春節(jié)(除夕到初一)的API。可以看出，2006年前鞭炮禁放期間，從除夕到初一API變化幅度很小，基本都在10以內(nèi)，變化最大的是2001年，初一的API比除夕降低了17。而2006年解禁以后，除2008年受降水影響從除夕到初一API有小幅下降以外，每年API從除夕到初一都出現(xiàn)了明顯增加。其中2006年增幅最大，初一的API比除夕增加了104，達(dá)到226,形成中度污染，是近10年春節(jié)期間污染最嚴(yán)重的一天。

表1　重慶市2001—2012年春節(jié)期間API變化情況

將2001—2005年以及2006—2012年春節(jié)期間API按農(nóng)歷日期(t1、t2、t3、t4、t5、t6分別代表除夕前一天、除夕、初一、初二、初三、初四)平均(圖1)，通過對比發(fā)現(xiàn)，2001—2005年春節(jié)期間API平均值是一個(gè)持續(xù)下降的過程，API在75～100范圍波動(dòng)，從除夕到初一API平均值下降了0.4。而2006—2012年春節(jié)期間API平均值是一個(gè)劇烈變化的過程，除夕到初一由77激增到125，然后再持續(xù)下降到86。由此可見，鞭炮燃放所釋放出的污染物對空氣質(zhì)量的影響是非常顯著的。

圖1　2001—2005年、2006—2012年春節(jié)期間API平均值

2.22006年春節(jié)期間中度污染個(gè)例氣象條件

2006年是近10年春節(jié)期間污染最嚴(yán)重的一年，2006年1月29日(初一)重慶市API達(dá)到226，已經(jīng)形成中度污染。利用Ncep再分析資料分析此次污染過程的大尺度天氣形勢，并利用TAMP模式模擬分析了邊界層特征，研究污染物排放和氣象條件如何共同影響空氣質(zhì)量。

2006年1月24日至2月3日的API日均值逐日變化見圖2。由圖2可知，這是一次很明顯的空氣質(zhì)量中度污染過程，此次過程中首要污染物均為PM10，24日空氣質(zhì)量為良，25—28日為持續(xù)性輕微污染，28—29日API增量為104,29日達(dá)到226，為中度污染。30日API下降至143，此后又持續(xù)4 d輕微污染，直到2月3日API值降為87，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良。

圖2　2006年1月24日至2月3日API

2.2.1大尺度背景場分析

氣象條件對污染物擴(kuò)散具有顯著影響[9]。利用Ncep資料分析了2006年1月24日至2月3日的逐日天氣狀況(表2)。由表2可知，在1月24—26日API上升階段，高空為持續(xù)的西風(fēng)氣流，地面處于高壓以及高壓內(nèi)部的均壓場控制，污染物不易隨大氣擴(kuò)散，但由于此時(shí)并沒有很強(qiáng)的外加污染源，所以在此期間污染物濃度是一個(gè)逐步累積的過程，空氣質(zhì)量由良轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微污染。27—28日高空有淺槽東移，但地面沒有很明顯的冷空氣配合，所以并未形成降水，對污染物濃度的變化影響不大，繼續(xù)維持在輕微污染的狀況。

表2　2006年1月24至2月3日API日均值與逐日天氣狀況

29日，污染物濃度急劇上升，API從前一日的122上升到226，達(dá)到中度污染，形成了近10年來春節(jié)期間污染最嚴(yán)重的一天。這除了與除夕夜市民燃放煙花爆竹使得污染物濃度上升有關(guān)外，29日天氣狀況本身也對空氣污染的加重起到了推波助瀾的作用。29日高空為偏西氣流控制，地面受均壓場控制，氣壓梯度很小，不易于污染物隨大氣擴(kuò)散。同時(shí)前期(27日)高空有淺槽東移，28日夜間高空為槽后西北氣流控制，天空晴朗少云，使得地面夜間輻射增強(qiáng)，29日8:00，地面形成了很明顯的逆溫，逆溫層一直延伸至550 m，逆溫差為2.7 ℃。而逆溫的出現(xiàn)又進(jìn)一步抑制了近地層對流的發(fā)展，使得污染物無法擴(kuò)散，從而使得污染狀況更加嚴(yán)重。

30日，高空有低槽，地面冷空氣中心位于重慶以北地區(qū)，重慶處于冷鋒前部，氣壓梯度明顯增加，有利于污染物的擴(kuò)散，API降到143，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為輕度污染。1月31日至2月1日，高空轉(zhuǎn)為偏西氣流控制，重慶地面再次處于高壓區(qū)，空氣質(zhì)量并沒有進(jìn)一步好轉(zhuǎn)。2月2日開始，高空南支槽配合地面冷空氣影響重慶，2日、3日均產(chǎn)生小雨量級降水，對污染物起到了沉降沖刷的作用。空氣質(zhì)量進(jìn)一步轉(zhuǎn)好，3日API降到87，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良。

2.2.2邊界層特征分析

2.2.2.1模擬方案

模擬區(qū)域中心坐標(biāo)取在沙坪壩氣象站(29°35′N，106°28′E)，模式采用3層嵌套層數(shù)，分辨率分別為10、3、1 km，最內(nèi)層面積是80 km×80 km，包括了重慶的主城區(qū)及其近郊。模式垂直層數(shù)為25層。天氣分析資料使用NECP再分析資料，水平分辨率1°×1°，時(shí)間分辨率6 h。在NECP再分析資料中提取模式運(yùn)算所需要的地面氣壓、位勢高度、水平u、v風(fēng)場、相對濕度，由于模式需要比濕資料，所以對相對濕度場進(jìn)行了計(jì)算轉(zhuǎn)化。海表和深層土壤含水量采用模式默認(rèn)值。地形高度采用重慶區(qū)域SRTM DEM高程資料，土壤類型采用模式默認(rèn)值，植被類型參考2005—2006年Google earth圖像修改主城區(qū)域植被類型與全市的水體數(shù)據(jù)融合。模擬時(shí)間從2006年1月27日8:00至30日20:00，時(shí)間分辨率為1 h。

2.2.2.2模擬效果比較分析

利用沙坪壩站2006年1月29日8:00 L波段雷達(dá)測量的垂直溫度與TAMP模式模擬輸出的垂直溫度進(jìn)行比較(圖3)，以檢驗(yàn)該模式的模擬能力。從圖4可以看出，TAMP模式較好地模擬了29日8:00的貼地逆溫，400 m以下溫度變化情況與實(shí)況基本一致，同層次與實(shí)況的溫差都在0.5 ℃以內(nèi)。100 m以下模式輸出的逆溫強(qiáng)度略大于實(shí)況觀測的。模擬出的逆溫拐點(diǎn)在500 m左右，與實(shí)況550 m逆溫拐點(diǎn)接近。但對逆溫最大值的預(yù)報(bào)比實(shí)況偏低0.9 ℃,偏差一定程度上是由于模式的平滑作用造成的。總體來說，TAMP模式能較好地反映近地層的大氣狀況，可以用于模擬分析近地層氣象狀況。

圖3　TAMP模式預(yù)報(bào)和L波段雷達(dá)測量29日8:00沙坪壩站溫度的垂直變化

2.2.2.3近地層風(fēng)場分析

風(fēng)是影響污染物擴(kuò)散的一個(gè)重要條件[9-10]，特別是近地層的風(fēng)速大小以及風(fēng)向的輻合輻散直接影響到污染物的濃度變化。分析了28日12:00至29日12:00的地面風(fēng)場，發(fā)現(xiàn)28日12:00重慶主城為一致的偏南氣流，沒有明顯的輻合區(qū)，有利于污染物向北輸送擴(kuò)散，但由于風(fēng)速較小(2 m/s左右)，所以該時(shí)段對污染物的擴(kuò)散作用并不是很大。而28日13：00以后主城偏北地區(qū)風(fēng)向逐漸由南風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)，而偏東地區(qū)的風(fēng)向也由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，在28日21:00左右在渝中半島以及長江以南沿江地區(qū)形成了偏北氣流與偏東氣流的輻合(圖4)，這種環(huán)流形勢一直持續(xù)到29日4:00，而該時(shí)段正好是鞭炮燃放的高峰期。此后風(fēng)向逐步轉(zhuǎn)為較一致的偏南氣流。主城區(qū)的風(fēng)向輻合以及較小的風(fēng)速，使鞭炮燃放產(chǎn)生的污染物無法及時(shí)擴(kuò)散，最終造成29日的中度污染。

圖4　28日21:00地面風(fēng)場

2.2.2.4近地層動(dòng)能分析

近地層平均風(fēng)場以及湍流場能量的強(qiáng)弱，直接影響近地面邊界層的動(dòng)力結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致污染物擴(kuò)散條件改變[11]。為進(jìn)一步了解邊界層風(fēng)場動(dòng)力特征對污染物濃度變化的影響，利用模式風(fēng)場資料計(jì)算了沙坪壩0～500 m的平均動(dòng)能[圖5(a)]，平均動(dòng)能的計(jì)算公式為

(1)

式中：k為平均動(dòng)能，m2/s2；u、v為每小時(shí)模式輸出風(fēng)速，m/s。同時(shí)給出了模式計(jì)算輸出的湍流動(dòng)能[圖5(b)]。湍流動(dòng)能的計(jì)算公式為

(2)

式中：k′為湍流動(dòng)能，m2/s2;u′、v′為u、v方向的風(fēng)速脈動(dòng)值,m/s。從圖5可以看出，28—29日無論是平均動(dòng)能還是湍流動(dòng)能在近地層都很小。平均動(dòng)能從28日6:00到29日24:00，在200 m以下均維持一個(gè)很小的值，多數(shù)情況下均小于20 m2/s2,而在50 m以下更是小于5 m2/s2。而湍流動(dòng)能存在很明顯的日變化，在每天12：00左右，湍流動(dòng)能達(dá)到最大。28日最大湍流動(dòng)能在1 m2/s2左右，29日最大湍流動(dòng)能在1.2 m2/s2左右，明顯小于27日和29日。而在28日20:00到29日8:00近地層湍流動(dòng)能小于0.2 m2/s2。28—29日的平均動(dòng)能和湍流動(dòng)能均很小，不利于污染物的擴(kuò)散，使28日夜間鞭炮燃放產(chǎn)生的污染物無法及時(shí)得到擴(kuò)散，一定程度上加重了29日的大氣污染狀況。

圖5　沙坪壩站平均動(dòng)能和湍流動(dòng)能

3　結(jié)論

對重慶地區(qū)2001—2012年春節(jié)期間空氣質(zhì)量的變化特征進(jìn)行分析，并利用氣象觀測資料以及TAMP模式，分析了2006年春節(jié)期間中度污染個(gè)例的天氣影響系統(tǒng)。

1)2006年鞭炮燃放解禁前后，除夕到初一API的變化情況出現(xiàn)了明顯的差異，2001—2005年春節(jié)期間API平均值是一個(gè)持續(xù)下降的過程。而2006年以后幾乎每年都出現(xiàn)了API的陡增。說明鞭炮燃放所帶來的空氣污染影響是很明顯的。

2)2006年初一API超過200達(dá)到了中度污染。利用氣象觀測資料分析2006年春節(jié)大尺度環(huán)流背景，發(fā)現(xiàn)29日高空為偏西氣流控制，地面受均壓場控制，氣壓梯度很小，不利于污染物隨大氣擴(kuò)散，近地層形成了很明顯的逆溫，而逆溫的出現(xiàn)又進(jìn)一步抑制了近地層對流的發(fā)展，使得污染狀況更加嚴(yán)重。

3)利用TAMP模式模擬此次過程， 通過分析TAMP模式輸出的地面風(fēng)場，發(fā)現(xiàn)在鞭炮燃放的高峰期，在渝中半島以及長江以南沿江地區(qū)形成了偏北氣流與偏東氣流的輻合。主城區(qū)的風(fēng)向輻合以及較小的風(fēng)速，使得鞭炮燃放產(chǎn)生的污染物無法及時(shí)擴(kuò)散，最終造成了29日的中度污染。而28—29日的平均動(dòng)能和湍流動(dòng)能都很小，不利于污染物的擴(kuò)散，使28日夜間鞭炮燃放產(chǎn)生的污染物無法及時(shí)得到擴(kuò)散。一定程度上加重了29日的大氣污染狀況。

綜合分析表明，鞭炮燃放所帶來的空氣污染影響是很顯著的，而2006年春節(jié)期間的中度污染過程是由人為燃放鞭炮帶來的污染源與不利于污染物擴(kuò)散的天氣系統(tǒng)的共同影響造成的。建議今后根據(jù)氣象條件給出煙花燃放指數(shù)。指導(dǎo)市民如何燃放，以降低鞭炮燃放對環(huán)境的污染。

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