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)
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。
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)。
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
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
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
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
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。
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
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。
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
(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。