江蘇地區(qū)連續(xù)性霧霾天氣的污染物濃度變化和特征分析

王博妮,濮梅娟,苗茜

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江蘇地區(qū)連續(xù)性霧霾天氣的污染物濃度變化和特征分析

王博妮①*,濮梅娟②,苗茜③

① 江蘇省氣象服務(wù)中心,江蘇 南京 210008;

② 江蘇省氣象臺,江蘇 南京 210008;

③ 江蘇省氣候中心,江蘇 南京 210008

2015-04-28收稿,2015-05-28接受

國家自然科學基金資助項目(41575135;41340042;40975085);江蘇省氣象局青年基金(Q201409);江蘇省氣象局預報員專項(JSYBY201305);江蘇省氣象服務(wù)中心自立課題

針對2013年1月江蘇淮安地區(qū)發(fā)生的一次連續(xù)性霧霾天氣過程,分析該天氣過程中PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度演變特征、能見度與氣象要素之間的關(guān)系、中低層環(huán)流特征以及污染物來源。結(jié)果表明:霧霾期間PM10和PM2.5質(zhì)量濃度最低值出現(xiàn)在05:00至07:00(北京時間,下同)和13:00至17:00,最高值出現(xiàn)在21:00至23:00,PM10和PM2.5質(zhì)量濃度并非同時達到極大值;持續(xù)變化較小的氣壓梯度、較低的風速、相對濕度的增大以及PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的增高是霧霾發(fā)生發(fā)展的必要條件;能見度與氣壓、相對濕度、PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性較好,建立回歸方程,對能見度的整體變化趨勢擬合效果較好;高空環(huán)流形勢平穩(wěn)、中低層的暖平流、持續(xù)穩(wěn)定少動的地面高壓場分布為霧霾天氣的持續(xù)發(fā)生發(fā)展提供了有利的形勢背景;穩(wěn)定的層結(jié)結(jié)構(gòu)、中低層偏東及偏東北方向氣團的輸送、本地污染源以及嚴重的空氣污染是此次過程中能見度偏低、霾天數(shù)較多的主要原因。

霧霾能見度氣團軌跡

霧和霾是兩種不同的天氣現(xiàn)象,物化特性不盡相同,但是兩者均發(fā)生在穩(wěn)定天氣條件下,都能造成能見度的不同程度下降,并且條件適宜時,可相互轉(zhuǎn)換(Deng et al.,2008;Westcott and Kristovich,2009;Chen et al.,2012)。霧對交通造成的危害是直接的,并且往往是災難性的(Lewis et al.,2004;Gultepeet al.,2007)。我國對于霧的各項研究已取得了豐碩的成果(李子華等,2011;王博妮等,2014),從最初的氣候統(tǒng)計方法的研究(范新強和孫照渤,2009;周偉燦和魏煒,2010;鄭秋萍等,2013),到數(shù)值模擬(鮑艷松等,2013;滕華超等,2014)和霧微物理結(jié)構(gòu)方法的提升(趙麗娟和牛生杰,2012),再到監(jiān)測手段的多樣化,并逐步擴展到高速公路、海上、城市和復雜地形地區(qū)等熱點領(lǐng)域(劉霖蔚等,2012;劉端陽等,2014a;呂晶晶等,2014)。而霾相對于霧而言,對能見度的影響程度較小,因此對于霾的研究起步較晚。然而,近年來連續(xù)高發(fā)的霾天氣,對人民群眾的身體健康和日常生活帶來了嚴重危害(Tardif and Rasmussen,2007,2008,2010),成為公眾最關(guān)心的的話題之一。吳兌等率先對珠江三角洲地區(qū)的灰霾天氣做了大量研究,認為珠江地區(qū)灰霾天氣中氣溶膠成分和結(jié)構(gòu)主要與當?shù)厝祟惢顒优欧诺奈廴疚?、氣流停滯區(qū)、強平流輸送等有關(guān)(吳兌和鄧雪嬌,2001;吳兌等,2006;吳兌,2008)。此外,吳兌(2005,2006,2008)深入探討了國內(nèi)各地區(qū)對霾概念標準的地區(qū)差異。楊軍等(2010)圍繞霾天氣過程中氣溶膠粒子光學特性、微物理特性等展開了系統(tǒng)的研究。

2013年1月12—17日,江蘇地區(qū)出現(xiàn)了一次范圍廣、持續(xù)時間長、強度大、污染重的霧霾天氣過程。其中1月13—14日江蘇省大部地區(qū)能見度均低于0.1 km,持續(xù)的霧霾天氣對高速、航運、空運等交通運輸造成較大影響(王自發(fā)等,2014;謝元博等,2014;張人禾等,2014)。江蘇省大氣污染防治聯(lián)席會議辦公室隨即發(fā)出大氣重污染藍色預警,這是江蘇省環(huán)保廳首次嘗試發(fā)出的 “有色”預警,即當空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index,AQI)大于200時啟用的“藍黃橙紅”有色預警中最低級別的空氣污染預警。本次研究中,考慮到霧和霾可相互轉(zhuǎn)換,凌晨相對濕度較高時是霧,日出后氣溫上升,相對濕度減小霧轉(zhuǎn)換成霾,所以統(tǒng)稱為“霧霾”天氣進行研究。

針對此次典型天氣過程,基于污染物顆粒濃度資料、FNL資料、常規(guī)氣象資料、全球同化系統(tǒng)(GDAS)數(shù)據(jù)以及淮安市環(huán)保局各觀測站空氣質(zhì)量日報等數(shù)據(jù),分析霧霾過程中的污染物顆粒濃度變化、天氣形勢、能見度與各主要氣象要素的相關(guān)性以及污染物氣團軌跡,以期深入地認識區(qū)域性霧霾的成因機制,為當?shù)仂F霾預報預測和大氣污染治理提供科學依據(jù)。

1　天氣實況概述

2013年1月江蘇省平均霾日為21.8 d,比2012年多3.2 d,是1961年以來同期最多。其中1月12—17日出現(xiàn)的大范圍霧霾天氣甚為嚴重,全省大部地區(qū)能見度均低于0.5 km,淮安市在1月14日約有12 h能見度連續(xù)低于0.1 km,其他時段均以能見度低于2 km的重度霾天氣為主,持續(xù)的霧霾天氣對人民生活和交通運輸產(chǎn)生較大影響。

淮安市位于江淮之間北部地區(qū),除西南部的盱眙縣有丘陵崗地,地勢較高,其他地區(qū)以平原為主。境內(nèi)河湖交錯,水網(wǎng)縱橫,洪澤湖大部分位于淮安市境內(nèi),中小型湖泊鑲嵌其間。從氣候特點來說,淮河是中國暖溫帶和亞熱帶的分界線,因此,淮安市兼有南北氣候特征,淮河以南是亞熱帶氣候,而以北則是暖溫帶氣候。隨著工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展,城市化進程的加快以及夏收夏種時節(jié),秸稈焚燒等諸多原因,淮安地區(qū)霧霾天氣日數(shù)有增多趨勢(劉端陽等,2014b)。

圖1　2013年1月11—17日淮安市環(huán)境監(jiān)測站和缽池山站空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)變化Fig.1　AQI variation during 11—17 January 2013 at the environmental monitoring centerof Huai’an and Bochishan station

圖1為2013年1月11—17日淮安市環(huán)境監(jiān)測站和缽池山站空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)。這兩個監(jiān)測點分別位于淮安市西北和東南部,其中缽池山站位于環(huán)境監(jiān)測站上風向,相距約為6 km,可以將兩站AQI對比。11—17日兩站AQI值均在125以上,12—16日AQI值均大于200,其中15日缽池山站AQI值達到峰值302,根據(jù)國家環(huán)境空氣質(zhì)量標準達到重度污染等級,淮安市監(jiān)測站AQI值為278,為中度污染級別。缽池山形若缽盂,受地形的影響AQI始終高于淮安市監(jiān)測站,淮安地區(qū)被長達7 d的高污染霧霾天氣籠罩。17日隨著冷空氣的東移南下,全市的空氣質(zhì)量指數(shù)明顯下降,空氣轉(zhuǎn)好。

2　霧霾天氣污染物濃度特征

中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》及《霾的觀測和預報等級》將相對濕度大于95%,能見度低于1 km作為霧的判斷標準;相對濕度小于80%,能見度低于10 km作為霾的判定標準;能見度小于10 km,相對濕度為80%～95%時,如果PM2.5質(zhì)量濃度大于75 μg/m3,則是為霾,若PM2.5質(zhì)量濃度小于75 μg/m3,則定義為霧。以本次霧霾過程為例,分析污染物顆粒濃度與近地面濕度的特征變化。

圖2　2013年1月12—17日淮安市PM10和PM2.5質(zhì)量濃度及相對濕度的日均變化Fig.2　Daily average variationof PM10 and PM2.5 concentration,and relative humidity,in Huai’an during 12—17 January 2013

根據(jù)1月12—17日淮安市PM10和PM2.5質(zhì)量濃度以及相對濕度的逐小時變化(圖2)可知,PM10和PM2.5質(zhì)量濃度變化基本一致,兩者具有很好的正相關(guān)性。采用Pearson相關(guān)分析方法,計算出兩者的相關(guān)系數(shù)達到了0.97(p<0.01)(表1),說明污染具有同源性(姚青等,2014;周勤遷等,2014)。12—17日PM10的日均值質(zhì)量濃度分別為:260、214、230、309、277和151 μg/m3;PM2.5的日均值質(zhì)量濃度分別為182、141、164、228、193和101 μg/m3,根據(jù)國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準中PM10和PM2.5日均值質(zhì)量濃度限值為150 μg/m3和75 μg/m3的規(guī)定,12—17日PM10和PM2.5質(zhì)量濃度日均值嚴重超標,其中15日PM10和PM2.5日均值質(zhì)量濃度均超過國家二級標準的2倍和2.5倍,AQI也達到最高值。此次過程中 PM10小時質(zhì)量濃度峰值為452 μg/m3,出現(xiàn)在14日13:00,PM2.5小時質(zhì)量濃度峰值為293 μg/m3,發(fā)生在14日23:00。

圖3　淮安市PM10和PM2.5質(zhì)量濃度和相對濕度變化　　a.1月13日08:00—14日08:00;b.1月14日20:00—16日08:00Fig.3　Hourly variation of PM10 and PM2.5 concentration,and relative humidity,in Huai’an (a)from 08:00 BST 13 January 2013 to 08:00 BST 14 January 2013 and (b)from 20:00 BST 14 January 2013 to 08:00 BST 16 January 2013

為了更好地說明此次霧霾過程中污染物顆粒濃度的日變化特征,選取此次過程中AQI最低的13日和最高的15日進行比較說明。經(jīng)過對比研究,13、15日05:00—07:00和13:00—17:00均為 PM10和PM2.5質(zhì)量濃度較低時段(圖3),這一發(fā)現(xiàn)與張普等(2013)的研究結(jié)論一致。早晨時段相對濕度大于90%,空氣中水滴數(shù)較多,各污染物顆粒做為凝結(jié)核被水滴吸附、包裹,導致PM10和PM2.5質(zhì)量濃度最低,凝結(jié)核通過吸收和散射等物理作用致使能見度下降到1 km以下;午后大約在13:00—17:00隨著湍流交換加強,污染物擴散條件較好,兩者質(zhì)量濃度再次出現(xiàn)谷值。約在21:00—23:00大氣層結(jié)穩(wěn)定,逆溫明顯,即使工業(yè)廢氣、汽車尾氣、粉塵和揚塵等污染物排放很小,但逆溫層像一個干暖蓋阻止低層污染物顆粒、水汽和動量的垂直交換,使得PM10和PM2.5質(zhì)量濃度很高。此外,從圖中可以看出PM10和PM2.5質(zhì)量濃度逐小時同步變化,但極大值出現(xiàn)的時間卻不一樣,這可能與當天相對濕度,風向風速、大氣化學反應(yīng)等有關(guān)。17日隨著北方強冷空氣的南下,相對濕度減小,PM10和PM2.5質(zhì)量濃度下降,能見度轉(zhuǎn)好。

3　局地氣象條件

圖4　2013年1月12—17日淮安站主要氣象要素和PM2.5、PM10質(zhì)量濃度逐時平均變化a.氣壓;b.氣溫;c.風速;d.能見度;e.相對濕度;f.PM2.5質(zhì)量濃度;g.PM10質(zhì)量濃度Fig.4　Hourly variation of major meteorological variables,and PM2.5and PM10 concentrations,at Huai’an station during 12—17 January 2013:(a)pressure;(b)air temperature;(c)wind speed;(d)visibility;(e)relative humidity;(f)PM2.5 mass concentration;(g)PM10mass concentration

霧霾天氣形成的部分原因是地面各氣象條件相互作用的影響,能見度的演變受氣象條件和大氣主要污染物濃度的共同影響。本次過程中淮安市能見度與相對濕度、氣壓、溫度、風速、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的逐時平均變化如圖4所示。由圖4分析可知,在霧霾過程中,氣壓整體呈穩(wěn)定的態(tài)勢,氣壓梯度變化較小,在14日早晨和夜間能見度下降到0.2 km以下,氣壓值略有升高,有助于輻射降溫,水汽凝結(jié),16日傍晚隨著冷空氣東移南下到江蘇后,氣壓升高到1 030 hPa(圖4a)。相對濕度和能見度、氣溫呈一致的反相位變化(圖4b,4d,4e),能見度降到最低時,相對濕度最高,氣溫最低。此次過程風速穩(wěn)定維持在3 m/s以下,較小的地面風速為霧霾的持續(xù)形成提供水平輸送較小的背景場(圖4c)。PM2.5、PM10質(zhì)量濃度變化基本一致(圖4f,4g),前面已做詳細分析,這里就不再贅述。

綜合整個過程中氣象要素的變化特征,氣壓梯度的較小變化、較低的風速以及相對濕度和PM2.5、PM10質(zhì)量濃度的升高是此次霧霾天氣產(chǎn)生發(fā)展的主要原因。

4　能見度影響因子分析

表1給出本次過程中能見度與氣壓、溫度、風速、相對濕度、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)關(guān)系。由表1可見,能見度與風速、氣壓、相對濕度、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度有相關(guān)性,并通過α=0.01的顯著性水平,這與曹偉華等(2013)研究結(jié)論一致。在整個過程中風速維持在3 m/s以下,較小的風速帶來微弱的空氣擾動,使得污染物顆粒和水汽維持在一定的高度內(nèi),有利于霧霾天氣的形成;氣壓在此次過程中變化平穩(wěn),氣壓梯度變化較小,給霧—霾天氣的形成提供平穩(wěn)的天氣背景,這也表明氣壓和風速與能見度在天氣尺度上的變化具有一致性,兩者與能見度呈正相關(guān)關(guān)系。相比較而言,能見度與PM2.5質(zhì)量濃度、PM10質(zhì)量濃度、相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系,其中能見度與PM2.5質(zhì)量濃度和相對濕度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.69和-0.76。

表1中能見度與風速、氣壓、相對濕度、PM2.5質(zhì)量濃度、PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)分別為0.31,0.53、-0.76、-0.56和-0.69,經(jīng)檢驗置信水平均為99%。表明能見度與風速和氣壓呈正相關(guān),與相對濕度和PM2.5質(zhì)量濃度、PM10質(zhì)量濃度呈明顯的負相關(guān)。利用最小二乘法原理,以能見度(Y)為因變量,風速(X1)、氣壓(X2)、相對濕度(X3)、PM2.5質(zhì)量濃度(X4)、PM10質(zhì)量濃度(X5)為自變量進行多元線性回歸分析,樣本數(shù)為132個,樣本長度為1月12—17日08:00,得到方程(1):

Y=2.283 78X1+13.401 9X2-7.215 2X3-19.4X4-12.237X5-4 846.29。

(1)

通過對方程(1)進行顯著性檢驗,根據(jù)張建忠等(2014)構(gòu)造統(tǒng)計量F用于方程做顯著性檢驗,計算出F=65.99,顯著性水平α=0.01,說明方程(1)通過顯著性水平檢驗,具有顯著意義;R2=0.76(復相關(guān)系數(shù)),回歸效果一般。運用逐步回歸法,在5個變量中剔除風速、PM10,分別對回歸方程和各系數(shù)做顯著性檢驗,再次建立回歸方程,得到方程(2):

表1能見度與主要氣象要素以及PM2.5、PM10質(zhì)量濃度的Pearson相關(guān)系數(shù)

Table 1Correlation coefficients for major meteorological variables and PM2.5and PM10mass concentrations

能見度風速溫度氣壓相對濕度PM10質(zhì)量濃度PM2.5質(zhì)量濃度能見度1.00風速0.311)1.00溫度0.080.121.00氣壓0.531)0.251)-0.501)1.00相對濕度-0.761)-0.261)-0.581)-0.131.00PM10質(zhì)量濃度-0.561)0.040.14-0.182)0.121.00PM2.5質(zhì)量濃度-0.691)0.040.09-0.170.150.971)1.00

注：1)表示通過99%置信水平檢驗;2)表示通過95%置信水平檢驗.

Y=4.794 92X1-7.095X2-9.622X3-1547.978。

(2)

方程(2)為能見度與氣壓、相對濕度、PM2.5的最優(yōu)回歸方程,為了檢驗方程(2)的效果,分別以氣壓、相對濕度、PM2.5質(zhì)量濃度為自變量,利用方程(2)對12—17日08:00,132個能見度進行擬合,并與實況觀測數(shù)據(jù)進行對比。如圖5所示,能見度的整體變化趨勢擬合效果較好,但對能見度低于0.2 km濃霧擬合能力不足,這可能與樣本觀測資料有限,自變量選取欠缺等有關(guān),此外計量方程的普適性有待以后獲取較長時間序列的樣本數(shù)據(jù)進行驗證分析。

圖5　1月12—17日08:00淮安站能見度觀測值與擬合值曲線Fig.5　The actual values and fittedvalues of visibility at Huai’an station at 08:00 BST 12 January 2013 to 17 January 2013

5　大氣環(huán)流特征

大范圍霧霾天氣總是發(fā)生在極為有利的天氣形勢。圖6是霧霾過程(1月12—16日)5 d平均環(huán)流形勢場,在500 hPa高度場上(圖6a),從霧霾開始到結(jié)束,在貝加爾湖附近有一高壓脊,在鄂霍次克海附近有一低渦,沒有特別明顯的冷平流。中東部地區(qū)受西北偏西氣流控制,有利于夜間輻射降溫和下沉增溫,同時這種較平直的緯向環(huán)流還可阻擋高緯度地區(qū)冷空氣的大規(guī)模滲透,高空形勢極為平穩(wěn)。925 hPa上(圖略),江蘇處在暖區(qū)內(nèi)。中低層暖性結(jié)構(gòu)的長期維持,有利于層結(jié)穩(wěn)定和逆溫層的形成,是霧霾存在的一個主要原因。

從海平面氣壓場來看(圖6b),連續(xù)多日單一冷性高壓控制華北華東地區(qū),無明顯冷空氣的補充,高壓位置穩(wěn)定少動。江蘇處在冷高壓底部的均壓場,等壓線較稀疏,地面基本呈靜小風狀態(tài),不利于水汽和污染物粒子的水平擴散。此外,江蘇處在冷高壓底部,有偏東氣流存在,可將黃海上的水汽輸送到江蘇,為霧的形成提供水汽。17日受新的較強冷空氣影響,冷高壓逐漸變性,持續(xù)霧霾天氣才結(jié)束。

高空環(huán)流形勢平穩(wěn)、中低層的暖平流、持續(xù)穩(wěn)定少動的地面高壓場分布為本次霧霾天氣的持續(xù)發(fā)生發(fā)展提供有利的環(huán)流形勢。

圖6　1月12—16日500 hPa平均環(huán)流形勢場(a,單位:gpm)和海平面氣壓場(b,單位:Pa)Fig.6　(a)Distribution of the mean circulation situation(units:gpm) and (b)the sea level pressure field(units:Pa) during 12—16 January 2013

圖7　1月13日08:00—17日08:00射陽站探空資料時間剖面(紅色實線是溫度,綠色實線溫度露點差)Fig.7　Time cross section profile of sounding data at Sheyang station from 08:00 BST 13 January 2013 to 08:00 BST 17 January 2013(red line,temperature;green line,dew-point temperature)

6　層結(jié)結(jié)構(gòu)

為了更好地表征此次霧霾過程中淮安地區(qū)大氣層結(jié)結(jié)構(gòu),選取位于其東部距離約有110 km的射陽站探空資料剖面圖分析大氣逆溫層和穩(wěn)定性(圖7)。13日08:00邊界層內(nèi)以6 m/s的偏東風為主,可將黃海水汽輸送到內(nèi)陸,風向隨著高度的增加呈順時針轉(zhuǎn)動,有暖平流存在,但中高空為西南偏西氣流,低層有弱逆溫存在,能見度約維持在1 km,以重度霾天氣為主。13日20:00中高空轉(zhuǎn)為西北偏北風,低層吹4 m/s的偏東風,將海上水汽輸送到淮安地區(qū),致使14日08:00在900 hPa附近有露點鋒區(qū)存在,水汽被大量的集聚在低層,濕層厚度較大。此外,中低空轉(zhuǎn)受偏北氣流控制,輻射降溫有利于輻射霧的形成和維持;逆溫層也被抬升到850 hPa左右,將水汽和污染物顆粒聚集在低層,使得大氣層結(jié)更加穩(wěn)定,這也是14日上午淮安地區(qū)能見度低于0.1 km持續(xù)12 h的原因之一。14日午后隨著氣溫升高,相對濕度減小,逆溫層減弱,霧轉(zhuǎn)換成霾,能見度維持在1～2 km。15日有弱短波槽過境,低層轉(zhuǎn)受東南—偏南氣流并伴有等溫層,能見度基本維持在0.5 km左右;20:00高空槽已過淮安,中低層轉(zhuǎn)為較弱的偏北氣流,能見度穩(wěn)定維持在1 km左右。16日高空有冷空氣滲透,高低層為一致的偏北風,逆溫較弱,受前期較多云系影響,天氣仍以陰天為主,霾仍然存在。17日隨著冷高壓的東移南壓,中低層北風加強,穩(wěn)定的大氣層結(jié)被破壞,能見度升高,霾消散。

7　污染物來源分析

圖8　淮安市1月13日(a)、14日(b)、15日(c)、17日(d)20:00后向軌跡模擬(綠色:1 km;藍色:0.5 km;紅色:0.1 km;★表示119.01°E、33.38°N)Fig.8　Simulated back trajectories in Huai’an at (a)20：00 BST 13 January,(b)14 January,(c)15 January,and (d)17 January 2013(green line,1 km;blue line,0.5 km;red line,0.1 km;★:source at (33.38°N,119.01°E))

利用HYSPLITE-4軌跡模式,采用美國NOAA全球同化資料來分析此次霧霾天氣中相對嚴重時刻的污染物顆粒的輸送過程。以淮安(119.01°E,33.38°N)為終點,考慮到混合層高度和區(qū)域尺度,選取0.1、0.5、1 km三個高度層表征中低層的氣團走向,分別計算2013年1月13日、14日、15日、17日20:00后向72 h的軌跡,以追蹤到達淮安的氣團過去72 h的輸送軌跡,用于分析不同高度上污染物的氣團走向,模擬結(jié)果如圖8所示。由圖8a可知13日20:00,1 km高度氣團自蘇南經(jīng)沿江地區(qū)到達淮安,0.5 km高度氣團源于浙北地區(qū)折向黃海到達淮安,0.1 km高度的氣團主要是本地區(qū)域污染。14日20:00,0.5和0.1 km高度氣團都源于山東地區(qū)在低層偏東風的影響下被海上水汽攜帶到達終點,1 km高度氣團自安徽中北部向西南方向移動在偏北風作用下北上折向淮安(圖8b)。15日20:00,0.5和0.1 km高度氣團起源于沿海地區(qū)經(jīng)海上到達終點,1 km高度氣團來自本地,經(jīng)北上再南下二次北上到淮安(圖8c)。17日20:00強冷空氣南下影響江蘇,低層來自蒙古地區(qū)的干冷空氣經(jīng)蒙古國、內(nèi)蒙古、吉林和山東半島到達淮安(圖8d),強降溫作用將逆溫層打破、消失,高低空的偏北風帶來的冷平流快速發(fā)展,混合層高度增高,清除了污染物顆粒所需的高濕靜穩(wěn)環(huán)境,本次霧—霾過程徹底消散。

綜合各方面分析,當江蘇處在高壓底部或均壓區(qū)時,近地層為偏東風或偏北風,大氣污染物從華北經(jīng)山東,黃海輸送到江蘇,此外,本地區(qū)域污染(蘇南和蘇北)也是污染物顆粒輸送的另一途徑。

8　結(jié)論

本文對2013年1月12—16日淮安地區(qū)連續(xù)性霧霾天氣過程的污染物顆粒濃度、氣象條件、環(huán)流特征、污染物顆粒來源等方面進行了分析,結(jié)果表明:

1)相對濕度增大、PM2.5質(zhì)量濃度和PM10質(zhì)量濃度在污染物顆粒中的富集,是造成能見度變化和持續(xù)性污染的首要原因。后半夜(21:00—23:00),大氣層結(jié)穩(wěn)定,逆溫存在,PM2.5和PM10質(zhì)量濃度最高;05:00—07:00和13:00—17:00為PM2.5和PM10質(zhì)量濃度較低時段,兩者的濃度極大值出現(xiàn)時刻略有偏差。

2)持續(xù)變化較小的氣壓梯度、較低的風速、相對濕度的增大以及PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的增高為霧霾天氣的發(fā)生發(fā)展提供有利條件。分析能見度與各氣象因子的相關(guān)系數(shù),建立能見度擬合方程,對于能見度整體變化趨勢擬合效果較好,但計量方程的普適性有待以后獲取較長時間序列的樣本數(shù)據(jù)進行驗證分析。

3)高空環(huán)流形勢平穩(wěn)的變化導致槽脊活動不明顯,冷空氣勢力偏弱、中低層的暖平流、持續(xù)少動的地面高壓場分布為霧霾天氣的發(fā)生提供有利的環(huán)流背景。霧霾期間低層都存在不同程度的逆溫層,深厚的逆溫層、穩(wěn)定的大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)以及近地層的偏東風均有利于能見度低且范圍廣。

4)根據(jù)HYSPLITE-4模型分析淮安污染物顆粒來源,偏東、偏東北方向的氣團輸送是造成此次霧霾過程中能見度偏低、霧霾持續(xù)的主要原因。此外,本地區(qū)域污染(蘇南和蘇北)也不容忽視。

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Recently,the continuously high incidence of fog and haze events has been a topic of considerable concern among the public,since such events can bring serious harm in terms of the health and daily lives of the masses.A rare fog and haze event,which was wide-ranging,long-lasting and heavily polluting,occurred during 12—17 January 2013 in the Huai’an area of Jiangsu Province.In particular,the visibility of most of the area during 13—14 January was lower than 0.1 km,which is extremely rare.The event caused considerable disruption to expressways,air transport and sea transportation.In this study,in order to reveal the formation mechanism of regional and successional fog and haze,and to provide scientific evidence for forecasting and prediction and air pollution abatement,this event was chosen as a case of typical heavy fog and haze for the analysis of pollution variation and its characteristics.The variation characteristics of PM10and PM2.5,the relationship between visibility and meteorological variables,the circulation features at middle-low levels,and the pollution sources were explored based on the pollutant particle concentration,FNL data,conventional meteorological data,and Global Data Assimilation System data.

The results indicated that the minimum value of hourly average PM10and PM2.5concentrations during this fog and haze event occurred at 0500—0700 BST and 1300—1700 BST,while the maximum value occurred at 2100—2300.For PM10and PM2.5,the maximum concentrations appeared at different times.The increase inrelative humidity and the increase of PM2.5and PM10concentrations in total pollutant particles were the leading cause of visibility variation and persistent pollution.Several conditions,such as the slight variations inpressure gradient,sudden increase inrelative humidity,relatively low wind speed,and the increase in PM10and PM2.5,were the main reasons for the rapid development of the fog and haze event.A good co-relationship between visibility and pressure,relative humidity,and PM2.5concentration was observed.The overall variation trend of visibility could be well fitted by the regression equation.

The representativeness of these results was analyzed and verified based on long-termsample data.The stable upper-air circulation situation,the warm advection at middle-low levels,and the stable ground pressure field provided abeneficial circulation situation for the development of the fog and haze event.During the event,varying levels of the thermal inversion layer werefound at lower layers.The deepthermal inversion layer and east wind near the surface layer wereconducivetothe low visibility and its wide distribution.The stable stratification structure,east-northeast air mass at the inversion layer and middle-low levels,local-source pollution and serious air pollution weremainly attributed to the relatively low visibility and longevity of the haze.The air quality was dependent on the concentration of pollutants.

Meteorologists should identify meteorological indicesthatareadverse to the diffusion and dilution of pollutants when meteorological conditions that are adverse to pollutant diffusion appear.Early forecasting and timely warningsareessential for the prevention and treatment of air pollution.

fog;haze;visibility;air mass trajectory

(責任編輯：劉菲)

Analysis of the characteristics and variation of pollutant concentrations for a long-lasting fog and haze event in the Jiangsu area

WANG Boni1,PU Meijuan2,MIAO Qian3

1JiangsuMeteorologicalServiceCenter,Nanjing210008,China;2JiangsuMeteorologicalStation,Nanjing210008,China;3JiangsuMeteorologicalInformationServiceCenter,Nanjing210008,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150428001

*聯(lián)系人，E-mail:bnsmile@163.com

引用格式：王博妮,濮梅娟,苗茜.2016.江蘇地區(qū)連續(xù)性霧霾天氣的污染物濃度變化和特征分析[J].大氣科學學報,39(2):243-252.

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