2017年冬季南京市一次連續(xù)霧霾的氣象條件分析

王珺雨，陳 丹

(南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京210044)

1 引言

21世紀(jì)，隨著城市化進(jìn)程的加速和大型重工業(yè)區(qū)的興建，城市區(qū)域擴(kuò)張加劇，人口過(guò)度增長(zhǎng)，污染物排放日益增加，加上不利的氣象條件影響，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外諸多城市空氣質(zhì)量管理中的突出問(wèn)題——霧霾現(xiàn)象日益嚴(yán)重，環(huán)境污染正在嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的生產(chǎn)和發(fā)展。

霧霾是對(duì)大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的統(tǒng)稱(chēng)，霧和霾其實(shí)是兩種概念，空氣中的灰塵、硫酸、硝酸等顆粒物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成視覺(jué)障礙的叫霾，也稱(chēng)灰霾。二者的區(qū)別在于發(fā)生霾時(shí)相對(duì)濕度不大，而霧中的相對(duì)濕度是飽和的。一般相對(duì)濕度小于80%時(shí)的大氣混濁和視野模糊導(dǎo)致的能見(jiàn)度惡化是霾造成的，相對(duì)濕度介于80%～90%之間時(shí)的大氣混濁和視野模糊導(dǎo)致的能見(jiàn)度惡化是霾和霧的混合物共同造成的，但其主要成分是霾[1]。相關(guān)研究表明，大多數(shù)污染過(guò)程都伴隨著霾和霧的混合物。霧霾頻發(fā)不僅與工業(yè)廢氣偷排以及煤炭、石油的過(guò)度使用有關(guān)，也與氣象條件密切相關(guān)，穩(wěn)定靜風(fēng)天氣有利于霧霾形成[2]。

2017年12月份，南京市遭遇了連續(xù)污染，多達(dá)19個(gè)污染天，其中12月15日、22日、23日和31日這4 d的空氣質(zhì)量都達(dá)到了重度污染，超標(biāo)天數(shù)中以PM2.5為首要污染物的天數(shù)最多，其次是PM10。尤其是12月20～31日南京出現(xiàn)了多次污染過(guò)程，除了24日、27日10時(shí)至29日08時(shí)南京空氣質(zhì)量維持在“良”以外，其余時(shí)間均為污染，其中12月23日早晨空氣質(zhì)量指數(shù)AQI(Air Quality Index)甚至超過(guò)了300，達(dá)到嚴(yán)重污染，對(duì)公路、鐵路、航空、航運(yùn)以及人體健康等都有很大影響。因此本文利用南京市山西路站空氣監(jiān)測(cè)指數(shù)和氣象要素對(duì)本次連續(xù)污染過(guò)程進(jìn)行分析。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

資料來(lái)自南京市環(huán)保局提供的南京市山西路站逐時(shí)空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括AQI、PM2.5、PM10；南京市氣象臺(tái)提供的南京觀測(cè)站能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、氣壓、近地面風(fēng)速以及氣溫、位勢(shì)高度等要素。

3 AQI與各氣象要素的關(guān)系

3.1 AQI與能見(jiàn)度及風(fēng)速的關(guān)系

目前把包含PM2.5濃度變化的AQI(Air Quality Index)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)[3]。

圖1 12月20～31日南京山西路站AQI和能見(jiàn)度逐小時(shí)分布

圖2 12月20～31日南京山西路站AQI和風(fēng)速逐小時(shí)分布

由圖1發(fā)現(xiàn)，AQI與能見(jiàn)度呈顯著負(fù)相關(guān)。當(dāng)污染加重時(shí)，能見(jiàn)度隨之降低，污染減輕時(shí)，能見(jiàn)度明顯好轉(zhuǎn)。此外從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，AQI和能見(jiàn)度常常出現(xiàn)日變化特點(diǎn)。每日下午污染有所減輕，能見(jiàn)度有所升高，這可能由于下午溫度升高，空氣粒子活躍，湍流旺盛所致。

據(jù)南京市氣象臺(tái)天氣報(bào)告，12月下旬經(jīng)歷了兩次弱冷空氣過(guò)程，分別是23日后期和27日凌晨以后，風(fēng)力明顯增大，所以24日00～18時(shí)以及27日10時(shí)至29日08時(shí)受冷空AQI指數(shù)迅速下降，空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)至優(yōu)－良。但是冷空氣過(guò)后風(fēng)力減小(圖2)，大氣又恢復(fù)靜穩(wěn)狀態(tài)，有利于污染物在城市上空堆積，25～26日、29～31日又出現(xiàn)了持續(xù)污染。進(jìn)一步分析22～23日南京站風(fēng)向頻率發(fā)現(xiàn)，南京城區(qū)受到西北氣流影響頻率較高，城區(qū)西北部工業(yè)園區(qū)排放量大，也可能是23日遭遇嚴(yán)重污染的原因之一。

3.2 相對(duì)濕度與高低空溫壓場(chǎng)配置

圖3為12月20～31日南京山西路站AQI和相對(duì)濕度逐小時(shí)分布，可見(jiàn)2017年12月下旬相對(duì)濕度介于40%～95%之間，大多數(shù)時(shí)間段相對(duì)濕度維持在80%以上，濕度較大，污染天氣主要由霾和霧的混合物共同造成。22、23、31日重污染發(fā)生時(shí)，都伴有較高的濕度，而當(dāng)27日10時(shí)至29日08時(shí)空氣質(zhì)量改善后，濕度隨之下降。可見(jiàn)濕度對(duì)于霧霾污染也非常重要，這主要是由于氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng)，易使得污染加重。圖4為2017年12月20～23日500 hPa高度場(chǎng)，中高緯度主要維持平直的西風(fēng)環(huán)流，30°N有短波槽活動(dòng)，長(zhǎng)三角地區(qū)受短波槽前弱西南氣流影響，這樣的高層環(huán)流有利于長(zhǎng)三角地區(qū)維持較高的相對(duì)濕度。從850hPa溫壓場(chǎng)配置來(lái)看(圖5)，23日污染過(guò)程發(fā)生前，南京位于冷暖平流交界附近的暖平流區(qū)，冷暖平流交界附近存在冷暖空氣混合，暖空氣降溫，冷空氣增濕，從而有利于霧滴形成和氣溶膠粒子吸濕，在其他有利的氣象條件下導(dǎo)致嚴(yán)重霧霾。

圖3 12月20～31日南京山西路站AQI和相對(duì)濕度逐小時(shí)分布

3.3 逆溫條件

研究表明，靜穩(wěn)天氣不利于污染物擴(kuò)散[4，5]。當(dāng)大氣層結(jié)出現(xiàn)逆溫時(shí)，有利于靜穩(wěn)天氣出現(xiàn)，這是因?yàn)橥ǔＧ闆r下大氣下暖上冷，有利于空氣對(duì)流擴(kuò)散，地面的污染物也會(huì)隨之?dāng)U散。但是如果有逆溫層存在，輕的暖空氣在上面，重的冷空氣在下面，這個(gè)結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，像一層厚厚的被子罩在城市上空，上下層空氣減少了對(duì)流交換，近地面層大氣污染物原地堆積，空氣污染勢(shì)必加重。

圖4 12月20～23日500 hPa高度場(chǎng)(單位：dagpm)

圖5 12月20～23日850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)

由表1可以看出，當(dāng)冷空氣影響后，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良時(shí)(24日、27日)沒(méi)有逆溫；而當(dāng)污染出現(xiàn)時(shí)常常伴有逆溫，例如22～23日、26日、29～31日。

圖6表明，23日、25－26日，29－31日出現(xiàn)霧霾天氣時(shí)，氣壓出現(xiàn)明顯上升。這是因?yàn)橛心鏈卮嬖跁r(shí)，地面溫度降低，氣壓升高，風(fēng)速小，不利于污染物的擴(kuò)散。

綜合以上分析，本次持續(xù)霧霾過(guò)程與各氣象要素關(guān)系密切。冷空氣活動(dòng)不頻繁，強(qiáng)度弱，風(fēng)力持續(xù)偏小，相對(duì)濕度較大以及逆溫形成的靜穩(wěn)天氣是霧霾持續(xù)的主要原因。

表1 12月20～31日08時(shí)南京觀測(cè)站上下層溫度差℃

圖6 12月20～31日南京山西路站AQI和氣壓逐小時(shí)分布

4 結(jié)論

利用南京市山西路站逐時(shí)空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和南京市氣象要素資料，對(duì)2017年12月下旬南京市持續(xù)霧霾過(guò)程及其與氣象要素的關(guān)系進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

(1)2017年12月下旬南京市持續(xù)霧霾天氣與氣象條件關(guān)系密切。冷空氣活動(dòng)不頻繁，強(qiáng)度弱，風(fēng)力持續(xù)偏小，是霧霾持續(xù)的主要原因之一。

(2)12月下旬大多數(shù)時(shí)間段相對(duì)濕度維持在80%以上，濕度較大，氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng)，使得主要由霾和霧的混合物造成的污染加重。20－23日中高緯度主要維持平直的西風(fēng)環(huán)流，長(zhǎng)三角地區(qū)受弱西南氣流影響，低層冷暖空氣混合，這樣的高低層環(huán)流有利于長(zhǎng)三角地區(qū)維持高的相對(duì)濕度，導(dǎo)致嚴(yán)重霧霾。

(3)除24日和27日以外，逆溫的存在形成靜穩(wěn)天氣，風(fēng)速小，上下層空氣減少了對(duì)流交換，近地面層大氣污染物原地堆積，空氣污染加重。