孫燕 張蓬勃 嚴文蓮 潘菁菁 鄭祚芳

(1 中國氣象局 交通氣象重點開放實驗室，南京210019；2 南京氣象科技創(chuàng)新研究院，南京210019；3 江蘇省氣象局，南京 210008；4 江蘇省氣象臺，南京210019；5 中國氣象局 北京城市氣象研究所，北京 100089)

引 言

隨著經濟社會的高速發(fā)展，大氣污染問題日益嚴峻，受到各級政府和氣象部門的高度關注，力爭逐步消除重污染天氣，明顯改善全國空氣質量。

污染天氣過程受到大氣污染物排放和氣象條件的共同影響。從污染源來看，作為中國兩千多年來的傳統(tǒng)習俗，春節(jié)期間燃放煙花爆竹雖然增加了節(jié)日氛圍，但也造成了短時間空氣污染物濃度急劇升高，產生了較嚴重的環(huán)境污染[1-6]。許多城市燃放煙花爆竹對大氣污染的影響[7-13]的研究結果表明，煙花爆竹的大量集中燃放可在短時間內導致PM2.5和PM1.0的濃度急劇增加。南京市自2005年起對煙花爆竹實行“限時間、限地點、限品種”的有限開禁政策。2014年江蘇省人大常委會第十一次會議批準了《南京市人民代表大會常務委員會關于修改〈南京市關于禁止燃放煙花爆竹的規(guī)定〉的決定》，此次新劃定的常年禁放區(qū)，既延伸了主城大部分區(qū)域，又涵蓋了部分工業(yè)密集區(qū)，對環(huán)境和燃放安全進行了雙重考量；而從禁放時間看，也進一步變嚴，從原來春節(jié)期間的“有限開禁”，調整為劃定范圍內的“全年禁放”，禁燃煙花爆竹對PM2.5濃度的降低起決定性作用[14]。

污染物濃度排放進入大氣后，其擴散傳輸和轉化主要取決于氣象條件[15-16]。大氣擴散理論研究和試驗研究表明，有利于污染物擴散和稀釋的氣象條件將降低污染物的濃度，不利于污染物擴散的氣象條件將造成污染物的累積，從而引起濃度升高并造成持續(xù)性污染[17-18]。污染天氣分析是做好空氣污染氣象條件預報的前提，而空氣污染形成條件與臺風、暴雨、強對流寒潮等災害性天氣均存在明顯差異，相對于這些較為成熟的災害性天氣業(yè)務，污染天氣的分析基礎還比較薄弱。因此，以長江中下游城市群的中心城市之一南京為代表，以近30 a來春節(jié)前后煙花爆竹燃放集中時段為主要研究對象，分析該重點關注時段的主要天氣過程，以及氣象條件對大氣環(huán)境的影響和作用，有助于提高對春節(jié)期間污染天氣過程的預報水平。

1 資料

采用1981—2015年南京市常規(guī)氣象觀測資料和NCEP/NCAR再分析資料，分辨率為2.5°×2.5°。

春節(jié)期間研究時段分為：春節(jié)前期(除夕前5 d,下同)和春節(jié)期間(除夕—初六,下同)。

2 春節(jié)前天氣形勢分析

1981—2015年，南京地區(qū)春節(jié)前期共出現(xiàn)冷空氣過程19次，出現(xiàn)的頻次為0.54次/a，以中西路冷空氣為主，冷空氣強度較強；共出現(xiàn)降水天氣過程27次，出現(xiàn)的頻次為0.77次/a，降水形勢多以降雪為主，一般持續(xù)2～3 d。春節(jié)前既沒有冷空氣又無降水天氣過程的年份有8 a，出現(xiàn)的頻次為0.23次/a，下面對污染天氣形勢分析中，將對這8 a做出著重分析。

表1 1981—2015年春節(jié)前期南京地區(qū)主要天氣過程影響時段Table 1 The effecting periods by the main synoptic processes before the Spring Festival in Nanjing area during 1981-2015

2.1 冷空氣形勢分析(清除和擴散作用)

把春節(jié)前多次冷空氣過程形勢場進行平均得到，春節(jié)前冷空氣過程多以中西路為主，冷中心位于貝加爾湖以西，平均氣壓為1 036 hPa(圖1a)；高層500 hPa以兩脊一槽型分布，南京市處于槽區(qū)，槽后冷空氣不斷南下影響(圖1b)；在冷空氣影響下，南京市以偏北風為主(圖1c)，且都處于大風速區(qū)(圖1d)。春節(jié)前冷空氣過程有利于污染物清除和擴散。

圖1 春節(jié)前冷空氣形勢場分析:(a)海平面氣壓場;(b)500 hPa高度場;(c)地面風場；(d)地面風速Fig.1 Analysis on cold air situation field before the Spring Festival:(a)sea surface pressure field; (b)500 hPa height field; (c)surface wind field; (d)surface wind speed

2.2 降水形勢分析(稀釋和清除的作用)

把春節(jié)前多次降水天氣過程形勢場進行合成分析(圖2)得到降水時850 hPa冷暖氣流大多交匯于南京，使其處于南北氣流交匯的鞍型場中，同時由于濕度大(圖2a)且處于風場輻合區(qū)內(圖2b)，有利于降水天氣的發(fā)生，對于大氣污染物起到了稀釋和清除的作用。

圖2 春節(jié)前降水形勢場分析:(a)850 hPa風場和相對濕度場(陰影);(b)水平風速輻合輻散場Fig.2 Analysis on precipitation situation field before the Spring Festival: (a)850 hPa wind field and relative humidity field (shaded);(b)horizontal wind speed convergence and divergence field

2.3 穩(wěn)定大氣形勢場分析

南京春節(jié)前期，從近35 a來的天氣形勢來看，有8 a春節(jié)前期即無冷空氣過程又無降水天氣過程，本文把這8 a形勢場進行分析得到，這8 a中，春節(jié)前南京市處于海平面氣壓的均壓場中(圖3a)，地面風速較小，平均風力為2～3 m·s-1(圖3b)，這樣的天氣條件不利于污染擴散；同時近地層相對濕度都在60%～70%之間(圖3c)，濕度適中，有利于污染物半徑吸濕擴大，進而增加大氣污染物濃度；從溫度層結(圖3d)來看，南京地區(qū)上空700～1 000 hPa氣溫基本一致，這樣的中性層對污染物的向上擴散也起到一定的一致作用；上述這些氣象條件都有利于大氣污染濃度增加。

圖3 春節(jié)前穩(wěn)定大氣形勢場分析:(a)海平面氣壓場;(b)地面風速場；(c)地面相對濕度場；(d)垂直溫度場Fig.3 Analysis on stable atmospheric situation field before the Spring Festival: (a)sea surface pressure field; (b)surface wind speed field; (c)surface relative humidity field;( d)vertical temperature field

3 春節(jié)期間天氣形勢分析

南京地區(qū)春節(jié)期間，共出現(xiàn)冷空氣過程21次，出現(xiàn)的頻次為0.6次/a，其中除夕當天有冷空氣過程的共有3 a，其余大多在初二—初五之間發(fā)生；共出現(xiàn)降水天氣過程25次，出現(xiàn)的頻次為0.71次/a，其中降水過程出現(xiàn)在除夕的年份共1 a，降水出現(xiàn)時段均以1～2 d為準。春節(jié)期間既無冷空氣又無降水天氣過程的年份有8 a，出現(xiàn)的頻次為0.23次/a。

3.1 冷空氣形勢分析(清除和擴散作用)

與春節(jié)前相比，春節(jié)期間冷空氣過程仍以中西路為主，但冷空氣中心位于貝加爾湖南側，比春節(jié)前冷空氣中心位置偏南，因此南京地區(qū)受冷空氣影響程度較大，春節(jié)期間海平面氣壓1 030 hPa在南京市附近(春節(jié)前1 028 hPa等壓線也在南京市附近，圖4a)；受冷空氣南下影響，春節(jié)期間影響南京市的大風速區(qū)中心為11 m·s-1(圖4b)，略大于春節(jié)前的10 m·s-1。因此春節(jié)期間的冷空氣比春節(jié)前要略強一些，大氣清潔效果要更好一些。

圖4 春節(jié)期間冷空氣過程形勢場分析:(a)海平面氣壓場;(b)地面風速場Fig.4 Analysis on cold air situation field during the Spring Festival: (a)sea surface pressure field; (b)surface wind field

3.2 降水形勢分析(稀釋和清除的作用)

春節(jié)期間，南京平均降水量為5.4 mm/降水日，比春節(jié)前3.3 mm/降水日略多一些，究其原因，主要是2014年2月5—7日出現(xiàn)了一次暴雨天氣過程，這次強降水抬高了春節(jié)期間降水日的降水量。從降水形勢場來看，春節(jié)期間降水形勢與春節(jié)前差異不大，說明春節(jié)期間降水對大氣污染物稀釋和清除程度與春節(jié)前基本一致。

3.3 穩(wěn)定大氣形勢場分析

南京地區(qū)春節(jié)期間共有8 a即無冷空氣過程又無降水天氣過程，南京處于地面均壓場中，與春節(jié)前相比，低氣壓場強度更強，地面風速平均為1～2 m·s-1，略小與春節(jié)前2～3 m·s-1；同時近地層相對濕度(圖5c)在70%～80%；從溫度層結(圖5d)來看，南京地區(qū)上空仍為中性層結；上述這些氣象條件都有利于大氣污染濃度的增加。

圖5 春節(jié)期間降水形勢場分析:(a)850風場和相對濕度場(陰影);(b)水平風速輻合輻散場Fig.5 Analysis on precipitation situation field during the Spring Festival: (a)850 hPa wind field and relative humidity field (shaded); (b)horizontal wind speed convergence and divergence field

4 結論

(1)1981—2015年，南京地區(qū)春節(jié)前共出現(xiàn)冷空氣過程19次，出現(xiàn)的頻次為0.54次/a，以中西路冷空氣為主，冷空氣強度較強；共出現(xiàn)降水天氣過程27次，出現(xiàn)的頻次為0.77次/a，降水形勢多以降雪為主，一般持續(xù)2～3 d。春節(jié)前既沒有冷空氣，又無降水天氣過程的年份有8 a，出現(xiàn)的頻次為0.23次/a。

(2)南京地區(qū)春節(jié)期間，共出現(xiàn)冷空氣過程21次，出現(xiàn)的頻次為0.6次/a，其中除夕當天有冷空氣過程的共有3 a，其余大多在初二—初五之間；共出現(xiàn)降水天氣過程25次，出現(xiàn)的頻次為0.71次/a，其中降水過程出現(xiàn)在除夕的年份共1 a，降水出現(xiàn)時段均以1～2 d為準。春節(jié)期間既沒有冷空氣，又無降水天氣過程的年份有8 a，出現(xiàn)的頻次為0.23次/a。

表2 1981—2015年春節(jié)期間南京地區(qū)主要天氣過程影響時段Table 2 The effecting periods by the main synoptic processes during the Spring Festival in Nanjing area during 1981-2015

圖6 春節(jié)期間穩(wěn)定大氣形勢場分析:(a)海平面氣壓場;(b)地面風速場；(c)地面相對濕度場；(d)垂直溫度場Fig.6 Analysis on stable atmospheric situation field during the Spring Festival: (a)sea surface pressure field; (b)surface wind speed field; (c)surface relative humidity field; (d)vertical temperature field

(3)冷空氣天氣形勢：冷空氣過程多以中西路為主，春節(jié)前冷中心位于貝加爾湖以西，平均氣壓為1 036 hPa，春節(jié)期間冷空氣中心位置略偏南，強度略偏大；高層500 hPa以兩脊一槽型分布，南京處于槽區(qū)，槽后冷空氣不斷南下影響南京；在冷空氣影響下，南京以偏北風為主，且南京都處于大風速區(qū)。冷空氣過程有利于污染物清除和擴散。

(4)降水天氣形勢：冷暖氣流大多交匯于南京市，處于南北氣流交匯的鞍型場中，同時南京地區(qū)濕度大，且處于風場輻合區(qū)內，這些條件都有利于降水天氣的發(fā)生，降水天氣對于大氣污染物也起到了稀釋和清除的作用。春節(jié)前和春節(jié)期間天氣形勢基本一致。

(5)既無冷空氣有無降水：南京市處于海平面氣壓的均壓場中，地面風速較小，這樣的天氣條件不利于污染擴散；同時近地層相對濕度適中，有利于污染物半徑吸濕擴大，進而增加大氣污染物濃度；從溫度層結來看，南京地區(qū)上空700～1 000 hPa氣溫基本一致，這樣的中性層對污染物的向上擴散也起到一定的一致作用；上述這些氣象條件都有利于大氣污染濃度增加。春節(jié)期間的穩(wěn)定天氣形勢對于污染加重起到的作用更大一些。