孫燕 張蓬勃 嚴(yán)文蓮 潘菁菁 鄭祚芳

(1 中國(guó)氣象局 交通氣象重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)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(tái)，南京210019；5 中國(guó)氣象局 北京城市氣象研究所，北京 100089)

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，大氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，受到各級(jí)政府和氣象部門(mén)的高度關(guān)注，力爭(zhēng)逐步消除重污染天氣，明顯改善全國(guó)空氣質(zhì)量。

污染天氣過(guò)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(lái)看，作為中國(guó)兩千多年來(lái)的傳統(tǒng)習(xí)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(shí)間空氣污染物濃度急劇升高，產(chǎn)生了較嚴(yán)重的環(huán)境污染[1-6]。許多城市燃放煙花爆竹對(duì)大氣污染的影響[7-13]的研究結(jié)果表明，煙花爆竹的大量集中燃放可在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致PM2.5和PM1.0的濃度急劇增加。南京市自2005年起對(duì)煙花爆竹實(shí)行“限時(shí)間、限地點(diǎn)、限品種”的有限開(kāi)禁政策。2014年江蘇省人大常委會(huì)第十一次會(huì)議批準(zhǔn)了《南京市人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)關(guān)于修改〈南京市關(guān)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(duì)環(huán)境和燃放安全進(jìn)行了雙重考量；而從禁放時(shí)間看，也進(jìn)一步變嚴(yán)，從原來(lái)春節(jié)期間的“有限開(kāi)禁”，調(diào)整為劃定范圍內(nèi)的“全年禁放”，禁燃煙花爆竹對(duì)PM2.5濃度的降低起決定性作用[14]。

污染物濃度排放進(jìn)入大氣后，其擴(kuò)散傳輸和轉(zhuǎn)化主要取決于氣象條件[15-16]。大氣擴(kuò)散理論研究和試驗(yàn)研究表明，有利于污染物擴(kuò)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(kuò)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(yù)報(bào)的前提，而空氣污染形成條件與臺(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對(duì)流寒潮等災(zāi)害性天氣均存在明顯差異，相對(duì)于這些較為成熟的災(zāi)害性天氣業(yè)務(wù)，污染天氣的分析基礎(chǔ)還比較薄弱。因此，以長(zhǎng)江中下游城市群的中心城市之一南京為代表，以近30 a來(lái)春節(jié)前后煙花爆竹燃放集中時(shí)段為主要研究對(duì)象，分析該重點(diǎn)關(guān)注時(shí)段的主要天氣過(guò)程，以及氣象條件對(duì)大氣環(huán)境的影響和作用，有助于提高對(duì)春節(jié)期間污染天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)水平。

1 資料

采用1981—2015年南京市常規(guī)氣象觀(guān)測(cè)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(shí)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(shì)分析

1981—2015年，南京地區(qū)春節(jié)前期共出現(xiàn)冷空氣過(guò)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(qiáng)度較強(qiáng)；共出現(xiàn)降水天氣過(guò)程27次，出現(xiàn)的頻次為0.77次/a，降水形勢(shì)多以降雪為主，一般持續(xù)2～3 d。春節(jié)前既沒(méi)有冷空氣又無(wú)降水天氣過(guò)程的年份有8 a，出現(xiàn)的頻次為0.23次/a，下面對(duì)污染天氣形勢(shì)分析中，將對(duì)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(guò)程影響時(shí)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(shì)分析(清除和擴(kuò)散作用)

把春節(jié)前多次冷空氣過(guò)程形勢(shì)場(chǎng)進(jìn)行平均得到，春節(jié)前冷空氣過(guò)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?xún)杉挂徊坌头植迹暇┦刑幱诓蹍^(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(fēng)為主(圖1c)，且都處于大風(fēng)速區(qū)(圖1d)。春節(jié)前冷空氣過(guò)程有利于污染物清除和擴(kuò)散。

圖1 春節(jié)前冷空氣形勢(shì)場(chǎng)分析:(a)海平面氣壓場(chǎng);(b)500 hPa高度場(chǎng);(c)地面風(fēng)場(chǎng)；(d)地面風(fēng)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(shì)分析(稀釋和清除的作用)

把春節(jié)前多次降水天氣過(guò)程形勢(shì)場(chǎng)進(jìn)行合成分析(圖2)得到降水時(shí)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(chǎng)中，同時(shí)由于濕度大(圖2a)且處于風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)內(nèi)(圖2b)，有利于降水天氣的發(fā)生，對(duì)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(shì)場(chǎng)分析:(a)850 hPa風(fēng)場(chǎng)和相對(duì)濕度場(chǎng)(陰影);(b)水平風(fēng)速輻合輻散場(chǎng)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(shì)場(chǎng)分析

南京春節(jié)前期，從近35 a來(lái)的天氣形勢(shì)來(lái)看，有8 a春節(jié)前期即無(wú)冷空氣過(guò)程又無(wú)降水天氣過(guò)程，本文把這8 a形勢(shì)場(chǎng)進(jìn)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(chǎng)中(圖3a)，地面風(fēng)速較小，平均風(fēng)力為2～3 m·s-1(圖3b)，這樣的天氣條件不利于污染擴(kuò)散；同時(shí)近地層相對(duì)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(kuò)大，進(jìn)而增加大氣污染物濃度；從溫度層結(jié)(圖3d)來(lái)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(duì)污染物的向上擴(kuò)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(shì)場(chǎng)分析:(a)海平面氣壓場(chǎng);(b)地面風(fēng)速場(chǎng)；(c)地面相對(duì)濕度場(chǎng)；(d)垂直溫度場(chǎng)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(shì)分析

南京地區(qū)春節(jié)期間，共出現(xiàn)冷空氣過(guò)程21次，出現(xiàn)的頻次為0.6次/a，其中除夕當(dāng)天有冷空氣過(guò)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(guò)程25次，出現(xiàn)的頻次為0.71次/a，其中降水過(guò)程出現(xiàn)在除夕的年份共1 a，降水出現(xiàn)時(shí)段均以1～2 d為準(zhǔn)。春節(jié)期間既無(wú)冷空氣又無(wú)降水天氣過(guò)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(shì)分析(清除和擴(kuò)散作用)

與春節(jié)前相比，春節(jié)期間冷空氣過(guò)程仍以中西路為主，但冷空氣中心位于貝加爾湖南側(cè)，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(xiàn)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(fēng)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(qiáng)一些，大氣清潔效果要更好一些。

圖4 春節(jié)期間冷空氣過(guò)程形勢(shì)場(chǎng)分析:(a)海平面氣壓場(chǎng);(b)地面風(fēng)速場(chǎng)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(shì)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(guò)程，這次強(qiáng)降水抬高了春節(jié)期間降水日的降水量。從降水形勢(shì)場(chǎng)來(lái)看，春節(jié)期間降水形勢(shì)與春節(jié)前差異不大，說(shuō)明春節(jié)期間降水對(duì)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(shì)場(chǎng)分析

南京地區(qū)春節(jié)期間共有8 a即無(wú)冷空氣過(guò)程又無(wú)降水天氣過(guò)程，南京處于地面均壓場(chǎng)中，與春節(jié)前相比，低氣壓場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，地面風(fēng)速平均為1～2 m·s-1，略小與春節(jié)前2～3 m·s-1；同時(shí)近地層相對(duì)濕度(圖5c)在70%～80%；從溫度層結(jié)(圖5d)來(lái)看，南京地區(qū)上空仍為中性層結(jié)；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(shì)場(chǎng)分析:(a)850風(fēng)場(chǎng)和相對(duì)濕度場(chǎng)(陰影);(b)水平風(fēng)速輻合輻散場(chǎng)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(jié)論

(1)1981—2015年，南京地區(qū)春節(jié)前共出現(xiàn)冷空氣過(guò)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(qiáng)度較強(qiáng)；共出現(xiàn)降水天氣過(guò)程27次，出現(xiàn)的頻次為0.77次/a，降水形勢(shì)多以降雪為主，一般持續(xù)2～3 d。春節(jié)前既沒(méi)有冷空氣，又無(wú)降水天氣過(guò)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(guò)程21次，出現(xiàn)的頻次為0.6次/a，其中除夕當(dāng)天有冷空氣過(guò)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(guò)程25次，出現(xiàn)的頻次為0.71次/a，其中降水過(guò)程出現(xiàn)在除夕的年份共1 a，降水出現(xiàn)時(shí)段均以1～2 d為準(zhǔn)。春節(jié)期間既沒(méi)有冷空氣，又無(wú)降水天氣過(guò)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(guò)程影響時(shí)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(shì)場(chǎng)分析:(a)海平面氣壓場(chǎng);(b)地面風(fēng)速場(chǎng)；(c)地面相對(duì)濕度場(chǎng)；(d)垂直溫度場(chǎng)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(shì)：冷空氣過(guò)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(qiáng)度略偏大；高層500 hPa以?xún)杉挂徊坌头植?，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(fēng)為主，且南京都處于大風(fēng)速區(qū)。冷空氣過(guò)程有利于污染物清除和擴(kuò)散。

(4)降水天氣形勢(shì)：冷暖氣流大多交匯于南京市，處于南北氣流交匯的鞍型場(chǎng)中，同時(shí)南京地區(qū)濕度大，且處于風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)內(nèi)，這些條件都有利于降水天氣的發(fā)生，降水天氣對(duì)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(shì)基本一致。

(5)既無(wú)冷空氣有無(wú)降水：南京市處于海平面氣壓的均壓場(chǎng)中，地面風(fēng)速較小，這樣的天氣條件不利于污染擴(kuò)散；同時(shí)近地層相對(duì)濕度適中，有利于污染物半徑吸濕擴(kuò)大，進(jìn)而增加大氣污染物濃度；從溫度層結(jié)來(lái)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(duì)污染物的向上擴(kuò)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(shì)對(duì)于污染加重起到的作用更大一些。