南京城區(qū)冬季大氣污染特征

王博妮, 濮梅娟, 陳 鵬, 孫 明

1.江蘇省氣象服務(wù)中心， 江蘇 南京 210008 2.江蘇省氣象臺(tái)， 江蘇 南京 210008 3.江蘇省氣象信息中心， 江蘇 南京 210008

南京城區(qū)冬季大氣污染特征

王博妮1, 濮梅娟2*, 陳 鵬3, 孫 明1

1.江蘇省氣象服務(wù)中心， 江蘇 南京 210008 2.江蘇省氣象臺(tái)， 江蘇 南京 210008 3.江蘇省氣象信息中心， 江蘇 南京 210008

為探究南京城區(qū)冬季主要大氣污染物濃度變化規(guī)律，運(yùn)用南京市空氣自動(dòng)監(jiān)測站的φ(CO)、φ(O3)、φ(NO2)、φ(SO2)、ρ(PM2.5) 和ρ(PM10)逐時(shí)資料，結(jié)合同期氣象數(shù)據(jù)，分析了2014年冬季(2014年12月—2015年2月)南京城區(qū)大氣污染濃度水平和變化特征，探討2015年春節(jié)期間在實(shí)施減排措施下氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量的影響. 結(jié)果表明：①觀測期φ(CO)日均值和φ(O3)小時(shí)均值未超過GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值；ρ(PM2.5)、ρ(PM10)、φ(NO2)、φ(SO2)日均值分別超標(biāo)44%、38%、34%、2%；ρ(PM2.5)、ρ(PM10)最大日均值分別為231和283 μg/m3，分別是GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的3.1、1.9倍. ②日變化分析顯示，φ(CO)與φ(NO2)呈早晚雙峰型變化，與早晚交通高峰源排放有關(guān)；φ(O3)呈明顯的單峰型，在午后出現(xiàn)峰值；φ(SO2)呈單峰型且夜間濃度低于白天；ρ(PM2.5)和ρ(PM10)為雙峰型變化，峰值出現(xiàn)在10：00和22：00左右. ③南京地區(qū)污染物周末濃度整體高于工作日，其中周末φ(CO)、φ(NO2)和ρ(PM2.5)顯著高于工作日，“周末效應(yīng)”顯著. ④2015年春節(jié)期間，南京實(shí)施減排措施后，即使在不利的氣象條件下，污染物濃度也未出現(xiàn)明顯升高，說明減排措施有效削弱了污染源的排放，是保持南京地區(qū)良好空氣質(zhì)量的重要因素.

大氣污染； 氣象要素； 周末效應(yīng)； 減排措施

隨著城市化、工業(yè)化和現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量不斷飆升，能源消耗迅猛增加，城市空氣質(zhì)量不斷惡化，對(duì)人體健康和生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重危害[1- 4]. 大量研究[5- 7]表明，大氣污染與人體健康有直接關(guān)系，空氣中粒徑較小的大氣顆粒物會(huì)成為有毒有害物質(zhì)的運(yùn)載體和反應(yīng)體，進(jìn)入人體后可在肺泡中沉積，參與血液循環(huán)，引起肺功能障礙、呼吸性疾病以及心血管疾病. 空氣污染成為制約生態(tài)文明城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的首要問題，改善空氣質(zhì)量、防治城市空氣污染已成為人們普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題.

近年來，秋冬季節(jié)中東部地區(qū)重污染天氣頻發(fā)，呈現(xiàn)出持續(xù)時(shí)間長、污染程度高的特征，已引起了科研工作者的廣泛關(guān)注[8- 11]. 吳兌等[12- 14]利用環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，京津冀地區(qū)PM2.5和PM10引發(fā)的中度以上污染事件多出現(xiàn)在冬季和春末秋初，ρ(PM2.5)過高對(duì)人類身體健康造成嚴(yán)重危害. 何建軍等[15- 16]針對(duì)河北省的強(qiáng)霾天氣分析了氣象要素和空氣污染的關(guān)系，結(jié)果表明能見度、風(fēng)速與ρ(PM2.5)、ρ(PM10)相關(guān)性較高. 李莉等[17]利用WRF-CMAQ模擬測算出大氣污染物減排量，發(fā)現(xiàn)只有在強(qiáng)力減排下空氣質(zhì)量才能達(dá)標(biāo). 張普等[18]利用邯鄲市ρ(PM2.5)和ρ(PM10)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)顯示ρ(PM2.5)、ρ(PM10)和空氣污染程度密切相關(guān). 王占山等[19]對(duì)2014年春節(jié)期間北京空氣質(zhì)量進(jìn)行分析后指出，污染源減排對(duì)空氣質(zhì)量有明顯的正面影響. 錢俊龍等[20]研究發(fā)現(xiàn)，隨著蘇州城市面積的擴(kuò)張，ρ(PM2.5)增加，污染程度加劇. 近年來，隨著監(jiān)測手段的多樣化[21]，空氣污染的研究熱點(diǎn)區(qū)域已由北京、上海等一線城市[22- 23]及邯鄲、蘭州等工業(yè)城市[18,24]逐步擴(kuò)展到南京、成都、武漢等特大城市[25- 27].

南京是長江下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)中心，是滬寧杭經(jīng)濟(jì)核心地區(qū)的樞紐城市. 由于南京市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)水平較高，大氣細(xì)顆粒污染物來源呈現(xiàn)出復(fù)雜的特點(diǎn)[28]. 目前南京地區(qū)大氣污染研究主要集中在氣溶膠粒子的微物理特征和化學(xué)組成[29]、光化學(xué)污染特征[30- 31]、大氣細(xì)顆粒物的粒徑分布以及市區(qū)和郊區(qū)PM2.5含量的對(duì)比[32]等方面. 然而，針對(duì)南京冬季連續(xù)性大氣污染宏觀尺度的研究較為薄弱，未能系統(tǒng)地揭示南京市區(qū)大氣環(huán)境趨勢(shì)變化和主要大氣污染物濃度變化規(guī)律. 該研究利用南京市空氣自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合氣象觀測資料，分析2014年冬季南京城區(qū)大氣污染物濃度變化和“周末效應(yīng)”等特征，探討春節(jié)期間減排措施實(shí)施后氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量的影響，以期為南京市大氣污染治理提供參考.

1 材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

選取2014年12月—2015年2月南京空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)(http://222.190.111.117:8023)公布的大氣污染物(CO、O3、NO2、SO2、PM10和PM2.5)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和同期地面常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，對(duì)2014年冬季南京城區(qū)大氣污染物逐日變化、“周末效應(yīng)”以及春節(jié)期間污染物的濃度變化和氣象條件進(jìn)行分析. 選取草場門、瑞金路、玄武湖、中華門、山西路、邁皋橋、仙林大學(xué)城、奧體中心和浦口等9個(gè)具有文教、商業(yè)、工業(yè)、居民和交通等城市特點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn).

1.2研究方法

首先將9個(gè)環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)φ(CO)、φ(O3)、φ(NO2)、φ(SO2)、ρ(PM2.5)和ρ(PM10)的24 h逐時(shí)連續(xù)監(jiān)測值分別進(jìn)行算術(shù)平均，得到逐時(shí)算術(shù)平均值，再將獲得的逐時(shí)算術(shù)平均值在24 h范圍內(nèi)進(jìn)行平均，進(jìn)而得到φ(CO)、φ(O3)、φ(NO2)、φ(SO2)、ρ(PM2.5) 和ρ(PM10)日均值. “周末效應(yīng)”是周末(周六至周日)和工作日(周一至周五)污染物濃度變化的周循環(huán)效應(yīng).

2 結(jié)果與討論

2.1大氣污染物濃度和氣象條件總體變化特征分析

氣象要素和大氣污染物濃度的逐日變化如圖1和圖2所示. 由圖1可見，2014年南京市冬季累積降水量為91.8 mm，降水主要集中在2015年2月，占總降水量的62%，其中2月23—28日為連陰雨天氣，過程雨量達(dá)到了36.6 mm，較大雨量對(duì)大氣污染物清除作用明顯，污染物濃度顯著降低；2014年12月和2015年1月，天氣形勢(shì)較穩(wěn)定，降水強(qiáng)度較弱，對(duì)污染物的清除力度有限，φ(CO)、φ(NO2)、ρ(PM2.5)和ρ(PM10)日均值較高(見圖2). 2014年冬季南京市海平面氣壓變化范圍為 1 006.7～1 034.8 hPa，平均值 1 022.9 hPa. 強(qiáng)冷高壓南下造成的系統(tǒng)性大風(fēng)天氣，可使污染物濃度迅速下降，空氣質(zhì)量得到有效改善，但在冷空氣活動(dòng)周期對(duì)應(yīng)的間歇期內(nèi)，大氣靜穩(wěn)、層結(jié)穩(wěn)定，污染物擴(kuò)散條件弱，易發(fā)生污染事件.

圖1 2014年12月—2015年2月南京市氣象要素的逐日變化Fig.1 Daily variations of meteorological elements from December in 2014 to February in 2015 in Nanjing

圖2 2014年12月—2015年2月南京市污染物濃度的逐日變化Fig.2 Daily variations of air pollutant concentration from December in 2014 to February in 2015 in Nanjing

2014年冬季逐月平均氣溫分別為4.8、5.1、6.3 ℃，較往年同期偏高，氣候變暖背景下溫度偏高已經(jīng)成為常態(tài). 2015年2月隨著氣溫升高、輻射條件轉(zhuǎn)好，光化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)有利于O3的生成，φ(O3)上升. 研究期間相對(duì)濕度范圍為17%～99%，平均值為65%，說明南京市冬季相對(duì)濕度波動(dòng)比較大. 分析觀測期間的幾次重污染過程發(fā)現(xiàn)，高溫高濕促使顆粒物吸濕增長[33]，造成污染物濃度升高. 南京市冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，但當(dāng)西北風(fēng)或偏北風(fēng)偏弱時(shí)，可能會(huì)引起局地輻合，導(dǎo)致污染物在局地累積和發(fā)展；當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)或東南風(fēng)后，海上清潔水汽被輸送到南京，污染物濃度下降. 不利氣象條件下導(dǎo)致的空氣污染，污染物濃度的變化主要由天氣形勢(shì)和氣象要素變化共同主導(dǎo). 在整個(gè)觀測時(shí)段內(nèi)，φ(CO)、φ(O3)、φ(NO2)、φ(SO2)最大日均值分別為2.20×10-6、99×10-9、119×10-9、82.6×10-9；ρ(PM2.5)和ρ(PM10) 最大日均值分別為231和283 μg/m3.

2014年南京市冬季大氣污染物濃度日均值描述統(tǒng)計(jì)如表1所示.φ(CO)日均值變化范圍為0.48×10-9～2.20×10-6，低于環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，冬季平均值為(1.2±0.4)×10-6.φ(O3)最大小時(shí)值為99×10-9，未超過環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，平均值僅為(29.1±17.6)×10-9，主要原因?yàn)檎麄€(gè)觀測期為太陽光強(qiáng)度和植物揮發(fā)出的有機(jī)物處于最弱時(shí)段，削弱了VOCs和NOx在紫外線作用下生成O3的光化學(xué)反應(yīng)能力.φ(NO2)日均值變化范圍為19×10-9～119×10-9，超過環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)天數(shù)為31 d(超標(biāo)率34%)，平均值為(56.5±13.7)×10-9. 南京冬季沒有明顯的采暖季，燃煤量不是很多，φ(SO2)日均值變化范圍為5×10-9～83×10-9，超標(biāo)率2%，平均值為(27.6±16.1)×10-9.ρ(PM2.5)、ρ(PM10)最大日均值分別為231 μg/m3和283 μg/m3，出現(xiàn)在1月26日，分別為環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的3.1和1.9倍；ρ(PM2.5)、ρ(PM10)日均值超標(biāo)率分別為44%和38%. 2014年冬季ρ(PM2.5) 、ρ(PM10)平均值為(78±42)(135±58) μg/m3.

表1 大氣污染物濃度日均值描述統(tǒng)計(jì)

注：a)單位統(tǒng)一換算；b)小時(shí)均值.

ρ(PM2.5)/ρ(PM10)的大小表征了顆粒物富集程度. 2014年冬季該比值逐月均值分別高達(dá)47%、64%、62%，表明南京城區(qū)細(xì)粒子所占比例較大，主要與2014年冬季相對(duì)濕度和溫度較常年同期偏高、降水偏少，有利于氣體向固態(tài)顆粒物轉(zhuǎn)化有關(guān)[34]. 冬季ρ(PM2.5)/ρ(PM10)平均值為58%，低于上海2009年冬季平均值(68.8%)[35]和烏魯木齊2011年冬季平均值(79%)[36]，但高于天津2010年冬季平均值(55.0%)[37]和邯鄲2012年冬季平均值(44.8%)[18]. 不同研究地區(qū)ρ(PM2.5)/ρ(PM10)差異與取樣年份、研究地區(qū)的采暖情況、機(jī)動(dòng)車數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及大氣污染防控水平有很大關(guān)系，具有一定的偶然性.

2.2污染物日變化特征

該研究統(tǒng)計(jì)分析了南京2014年冬季不同時(shí)刻的大氣污染物濃度值，旨在深入了解大氣污染物的日變化規(guī)律. 從主要污染物日變化特征(見圖3)中可以看出：①φ(SO2)日變化呈現(xiàn)出明顯的單峰型分布，在10：00—12：00時(shí)段達(dá)到峰值，主要是由于日出后太陽輻射產(chǎn)生的熱力作用通過垂直對(duì)流發(fā)展，將日出前部分存在逆溫層中的SO2輸送到地面，導(dǎo)致中午前后出現(xiàn)濃度高值；夜晚φ(SO2)比白天低，可能是夜間空氣濕度較大，濕沉降對(duì)φ(SO2)清除作用明顯[38- 40]. ②φ(NO2)日變化呈單谷雙峰型，峰值出現(xiàn)在08：00—09：00時(shí)段和19：00—21：00時(shí)段，峰值的出現(xiàn)與早晚交通高峰源排放以及邊界層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定相關(guān)；09：00后隨著太陽輻射增強(qiáng)到一定程度時(shí)，NO2作為O3的前體物，必須參與到光化學(xué)反應(yīng)中，在太陽光解中不斷消耗[41]，φ(NO2)在15：00左右出現(xiàn)谷值，之后φ(NO2)又積累升高. ③φ(O3)變化呈典型的單峰型變化，09：00開始隨著太陽輻射的增強(qiáng)，φ(O3)上升；午后受強(qiáng)光照作用，在二次光化學(xué)反應(yīng)下，15：00左右φ(O3)達(dá)到峰值；夜間到日出前φ(O3)很低，原因是O3與NO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(O3+ NO→NO2+O2)被消耗掉，此外夜間較弱的光照和較低的溫度也會(huì)影響O3生成. ④φ(CO)與φ(NO2)日變化形式相似，在09:00和19：00左右達(dá)到峰值. ⑤ρ(PM2.5)和ρ(PM10)日變趨勢(shì)基本同步，在10：00 左右達(dá)到峰值；午后隨著湍流交換加強(qiáng)，擴(kuò)散條件較好，約在13：00—15：00時(shí)段二者濃度出現(xiàn)谷值；18：00 至午夜前后，隨著交通污染源活躍加之餐飲油煙排放，ρ(PM2.5)和ρ(PM10)開始升高，深夜隨著相對(duì)濕度的增加，大氣層結(jié)穩(wěn)定，加上電價(jià)低谷時(shí)段工業(yè)源排放的增加將兩者濃度再次推向相對(duì)較高的狀態(tài). 南京城區(qū)冬季污染物的日變化趨勢(shì)基本與人類活動(dòng)排放規(guī)律基本一致，但是與國內(nèi)其他城市[18,22,25,37]相比，污染物日變化趨勢(shì)基本相同，區(qū)別在于峰、谷值出現(xiàn)的時(shí)間和大小有所差異.

圖3 大氣污染物濃度的日變化特征Fig.3 Daily variation characterization of air pollutant concentration

從圖3中各污染物濃度逐月變化對(duì)比來看，2015年2月φ(SO2)和φ(NO2)顯著降低，而φ(O3)明顯升高，這與2月份氣溫逐步升高、輻射條件轉(zhuǎn)好有利于O3生成，損耗了參與光化學(xué)反應(yīng)的O3前體物濃度有關(guān). 整體來看，2015年1月是2014年冬季污染最嚴(yán)重的月份，φ(CO)、φ(NO2)、ρ(PM2.5)和ρ(PM10)高于其他兩月. 2015年1月φ(CO)、φ(O3)、φ(NO2)、φ(SO2)的月均值分別為1.32×10-6、22×10-9、28×10-9、66×10-9；ρ(PM2.5)和ρ(PM10)的月均值分別為99、155 μg/m3.

圖4 工作日與周末大氣污染物濃度的日變化特征Fig.4 Daily variation characterization of air pollutant concentrations on weekdays and weekend

2.3工作日與周末大氣污染物濃度特征比較

為了分析南京冬季各污染物的“周末效應(yīng)”，分別統(tǒng)計(jì)周末(周六至周日)和工作日(周一至周五)兩個(gè)時(shí)段的污染物濃度數(shù)據(jù)，分析南京市冬季工作日與周末主要大氣污染物濃度的變化特征差異(見圖4). 根據(jù)偏差公式〔Dev=(CH-CW)/CW×100%，CW、CH分別表示工作日、周末的濃度〕計(jì)算得到周末與工作日小時(shí)濃度的偏差. 從圖4中可以看出：①周末和工作日的ρ(PM2.5)、ρ(PM10)日變化趨勢(shì)基本一致，均呈雙峰型. 10：00的峰值出現(xiàn)前周末和工作日的ρ(PM2.5)、ρ(PM10)偏差不大，午后開始偏差逐漸增大；在22：00左右周末和工作日的ρ(PM2.5)、ρ(PM10) 偏差最大，分別可達(dá)31%和19%，說明夜間ρ(PM2.5)、ρ(PM10)“周末效應(yīng)”顯著，ρ(PM2.5)的“周末效應(yīng)”比ρ(PM10)更為明顯. 周末ρ(PM2.5)整體略高于工作日，原因與周末車流量密集性大導(dǎo)致細(xì)粒子濃度高有關(guān). ②周末和工作日φ(NO2)、φ(CO)的變化趨勢(shì)基本類似，均為周末φ(NO2)和φ(CO)高于工作日，可能與南京旅游業(yè)發(fā)達(dá)，城區(qū)周末車流量上升導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車尾氣排放增多有關(guān)，二者最高偏差分別可達(dá)23%和30%. ③φ(SO2)周末和工作日峰值分別為34.8×10-9和33.4×10-9，峰值出現(xiàn)前工作日濃度大于周末濃度，之后工作日濃度小于周末濃度，二者偏差的絕對(duì)值在11%以內(nèi). ④φ(O3)與φ(SO2)變化規(guī)律類似.

城市大氣污染物日變化和周循環(huán)特征與城市擴(kuò)張、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)和汽車污染物排放、煤炭用量、市民的生活規(guī)律以及政府減排措施等因素息息相關(guān)[42- 44]. 南京城區(qū)冬季一周內(nèi)大氣污染物濃度主要與氣象條件和人類活動(dòng)造成的污染物排放有關(guān)，2014年冬季南京城區(qū)污染物濃度表現(xiàn)出明顯的“周末效應(yīng)”，說明周末人類活動(dòng)、作息方式等改變對(duì)大氣污染物有很大的影響，表現(xiàn)為污染物周末濃度高于工作日，尤其是周末φ(CO)、φ(NO2)和ρ(PM2.5)顯著高于工作日，但由于該研究使用的數(shù)據(jù)時(shí)間序列較短且季節(jié)選擇的局限性及城市規(guī)模和屬性、機(jī)動(dòng)車數(shù)量、生活方式和人口密度等因素的差異，研究結(jié)果與邯鄲[18]、北京[19]、成都[25]等地相比略有出入.

2.42015年春節(jié)期間污染物濃度變化和氣象條件分析

2015年春節(jié)期間南京市氣象要素(見圖5)和污染物濃度(見圖6)的變化過程可分為3個(gè)階段：① 2015 年2月18—19日，南京地面主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|到東南風(fēng)，風(fēng)速平均值為3.6 m/s、相對(duì)濕度為57%、溫度為3.9 ℃、海平面氣壓變幅較小，平均值為1 028 hPa、能見度平均值為10.67 km，氣象條件良好有利于污染物擴(kuò)散. 2月18日凌晨南京處在冷高壓的前部，風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，較小風(fēng)速的東風(fēng)攜帶的水汽促使粒子吸濕增長，在18日04：00 時(shí)ρ(PM2.5)、ρ(PM10) 分別升至101、179 μg/m3，但隨著東風(fēng)持續(xù)帶來的海洋清潔氣團(tuán)，污染稀釋作用明顯，15：00時(shí)ρ(PM2.5)、ρ(PM10)分別降為35、84 μg/m3. 禁燃令實(shí)施加上良好的氣象條件，18日夜間(除夕夜)ρ(PM2.5)、ρ(PM10)分別維持在35、65 μg/m3以下，φ(SO2) 均值僅為10×10-9，空氣質(zhì)量狀況為優(yōu). ② 2 月20日，隨著高壓入海，南京轉(zhuǎn)受低壓倒槽控制，全市出現(xiàn)降水，濕沉降作用明顯. ③ 2月22—23日，受南下冷空氣影響，弱北風(fēng)在南京產(chǎn)生弱輻合，上游污染物輸送到南京后匯集，ρ(PM2.5)、ρ(PM10)上升，22日20：00ρ(PM2.5) 高達(dá)181 μg/m3，23：00ρ(PM10)達(dá)224 μg/m3，這一污染時(shí)段氣溫偏高(平均值為6.4 ℃)，相對(duì)濕度均值為79%，能見度均值為2.4 km. 高溫高濕促使污染物顆粒吸濕增長，進(jìn)而影響大氣能見度，全市出現(xiàn)中度霾天氣. 到了23日午后，隨著湍流交換加強(qiáng)，風(fēng)速持續(xù)增大，相對(duì)濕度減小，ρ(PM2.5)和ρ(PM10)下降. 2015年春節(jié)期間(2月18—24日)南京市φ(CO)、φ(O3)、φ(NO2)、φ(SO2) 的平均值分別為1.04×10-6、54×10-9、12×10-9、25×10-9；ρ(PM2.5)、ρ(PM10)的平均值分別為61、87 μg/m3.

圖5 2015年春節(jié)期間南京市氣象要素的逐日變化Fig.5 Daily variations of meteorological elements during the Spring Festival of 2015 in Nanjing

圖6 2015年春節(jié)期間南京市大氣污染物濃度的逐日變化Fig.6 Daily variations of air pollutant concentrations during the Spring Festival of 2015 in Nanjing

注：底圖來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心(http://map.tianditu.com/map/index.html)，審圖號(hào)GS(2015)2583.圖7 2015年春節(jié)期間08:00時(shí)東亞地區(qū)500 hPa高度場和地面天氣圖Fig.7 500 hPa height field and pressure field at sea surface level in East Asia at 08:00 during the Spring Festival of 2015

圖7為2015年春節(jié)期間東亞地區(qū)500 hPa高度場和地面天氣圖. 由圖7可見，2月18日08：00，500 hPa上南京處在強(qiáng)盛西北氣流控制，高空動(dòng)量下傳明顯，加速垂直方向湍流交換；同時(shí)地面處在東北高壓底部，受持續(xù)較強(qiáng)偏東風(fēng)帶來的清潔海洋氣團(tuán)影響，水平和垂直方向的擴(kuò)散作用明顯，污染物濃度下降. 2月20日環(huán)流形勢(shì)發(fā)生改變，南京轉(zhuǎn)受南支槽前西南氣流控制，水汽輸送條件好，加上地面處在低壓倒槽中，出現(xiàn)小雨天氣，降水帶來的濕沉降作用明顯. 2月21日南京受短波槽影響，云系較多，天氣以陰天為主. 22日08:00時(shí)，500 hPa南京處在槽前西南氣流中，偏西分量增大；地面圖上在蒙古地區(qū)有較強(qiáng)冷空氣南下，冷空氣前鋒在河套和華北地區(qū)，南京處在冷高壓底部，全市能見度維持在2 km左右. 22日午后隨著冷空氣逼近江蘇，處在下游地區(qū)的南京，在弱西北風(fēng)作用下，外源輸入疊加區(qū)域污染，夜間ρ(PM2.5)和ρ(PM10)急劇上升. 23日受冷鋒過后大風(fēng)清除作用，污染物濃度下降.

霧、霾引發(fā)的空氣污染事件主要發(fā)生在近地層，與低空大氣層結(jié)關(guān)系密切. 逆溫造成大量水汽和氣溶膠顆粒積聚在逆溫層下面，顆粒物吸濕增長進(jìn)而降低地面能見度. 逆溫層像“暖蓋”一樣阻止上下層動(dòng)量和水汽的垂直交換，使得大氣層結(jié)更加穩(wěn)定. 春節(jié)前期(2月18—21日)，受冷空氣和降水影響，近地層沒有逆溫存在，氣象條件有利于污染物擴(kuò)散. 到了22日南京處在高壓底部均壓場中，從08:00時(shí)層結(jié)曲線〔見圖8(a)〕可見，在 1 019～1 000 hPa有淺薄的等溫層和飽和濕層存在，近地層為2～3 m/s的西北風(fēng)，弱風(fēng)高濕加速污染物累積；在913～850 hPa處有等溫層存在，但濕度層較小，8～12 m/s的西北風(fēng)將北方污染物遠(yuǎn)距離輸送到南京；高空500 hPa強(qiáng)盛暖濕西南風(fēng)抑制污染上升，污染物濃度被助推升高，全市出現(xiàn)中度污染天氣. 23日08:00〔見圖8(b)〕850 hPa以下為偏東風(fēng)，逆溫隨著風(fēng)力增強(qiáng)而消失，持續(xù)偏東風(fēng)帶來的海洋清潔氣團(tuán)迅速稀釋污染，污染物濃度下降.

圖8 2015年春節(jié)期間08:00時(shí)南京站大氣層結(jié)曲線Fig.8 Stratification curves of 08:00 during Spring Festival of 2015 at Nanjing Station

3 結(jié)論

a) 2014年冬季南京市監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，ρ(PM2.5)、ρ(PM10)最大值分別為231、283 μgm3，分別是GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(75、150 μgm3)的3.1、1.9倍，φ(NO2)、φ(SO2)、φ(O3)和φ(CO)日均值在環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值以下. 監(jiān)測時(shí)段內(nèi)南京市ρ(PM2.5)ρ(PM10)平均值為58%，表明南京市城區(qū)細(xì)粒子所占比例較大.

b) 南京冬季城區(qū)φ(SO2)日變化呈單峰型，夜間濃度低于白天；φ(CO)與φ(NO2)日變化形式相似，均為早晚雙峰型，與早晚交通源排放有關(guān)；φ(O3)呈明顯的單峰型日變化，午后二次光化學(xué)作用下φ(O3) 達(dá)到峰值；ρ(PM2.5)和ρ(PM10)日變化基本為同步的雙峰型變化，10:00左右達(dá)到峰值，18:00后濃度再次升高，午后出現(xiàn)谷值. 南京城區(qū)污染物濃度表現(xiàn)出明顯的“周末效應(yīng)”，污染物周末濃度整體略高于工作日.

c) 2015年春節(jié)期間南京市實(shí)施減排措施，空氣質(zhì)量明顯改善. 減排措施前期，受冷空氣影響，空氣質(zhì)量優(yōu)-良；即使是在中后期環(huán)流形勢(shì)和大氣層結(jié)穩(wěn)定等不利天氣背景下，ρ(PM2.5)和ρ(PM10)等污染物濃度并沒有累積到很高的濃度，說明減排措施有效削弱了污染物的排放，對(duì)空氣質(zhì)量改善效果明顯.

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Characteristic Analysis of Atmospheric Pollutants in Nanjing Urban Area in Winter

WANG Boni1, PU Meijuan2*, CHEN Peng3, SUN Ming1

1.Jiangsu Meteorological Service Center, Nanjing 210008, China 2.Jiangsu Meteorological Observatory, Nanjing 210008, China 3.Jiangsu Meteorological Information Center, Nanjing 210008, China

In order to investigate the variation profile of air pollutant concentrations in the Nanjing urban area in winter, real-time monitoring data onφ(CO),φ(O3),φ(NO2),φ(SO2),ρ(PM2.5) andρ(PM10) from air quality automatic monitoring stations, as well as the synchronous meteorological data, were used in this study. The concentration level and variation profile of air pollutants in the Nanjing urban area in winter 2014 (from December 2014 to February 2015) were analyzed. The effects of meteorological conditions on air quality during emission reduction measures during the Spring Festival of 2015 were investigated. The results indicated that during the observation period, both daily mean values and hourly mean values ofφ(CO) andφ(O3) were below the grade II standard in China′sAmbientAirQualityStandards(GB 3095- 2012). Daily mean values ofρ(PM2.5),ρ(PM10),φ(NO2) andφ(SO2) exceeded the limits by 44%, 38%, 34% and 2%, respectively.ρ(PM2.5) andρ(PM10) reached maximal daily average values of 231 and 283 μg/m3, respectively, which were 3.1 times and 1.9 times the grade II standard. The daily variation indicated thatφ(CO) andφ(NO2) values presented bimodal patterns in the morning and evening, which was related to pollutant discharge from traffic rush in the morning and evening. Variation trend ofφ(O3) values appeared as an obvious single peak, with peak value appearing in the afternoon. Variation trend ofφ(SO2) values presented a single peak, with the concentration at night lower than that in the daytime. Variation trend ofρ(PM2.5) andρ(PM10) values generally showed synchronous bimodal pattern, with the peak values appearing at around 10：00 and 22：00. In the urban area of Nanjing, pollutant concentrations during the weekend were overall higher than those on the workdays. In particular, the values ofφ(CO),φ(NO2) andρ(PM2.5) during the weekend were significantly higher than those on the workdays, with an obvious ′weekend effect′ observed. Since the emission reduction measures were adopted in Nanjing during the Spring Festival of 2015, serious accumulation of pollutants in Nanjing was not observed, despite poor weather conditions, indicating the important contribution of emission reduction measures towards the improvement of air quality.

air pollution; meteorological element; weekend effect; emission reduction measures

2016-12-26

：2017-06-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41575135，40975085，41340042)

王博妮(1984-)，女，陜西岐山人，工程師，碩士，主要從事氣象預(yù)報(bào)服務(wù)與大氣環(huán)境研究，bnsmile@163.com.

*責(zé)任作者，濮梅娟(1959-)，女，江蘇常州人，正研級(jí)高工，博士，主要從事大氣動(dòng)力學(xué)與大氣物理研究，pumeijuan@126.com

X51

：1001- 6929(2017)09- 1335- 11

ADOI：10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.77

王博妮,濮梅娟,陳鵬,等.南京城區(qū)冬季大氣污染特征[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(9):1335- 1345.

WANG Boni,PU Meijuan,CHEN Peng,etal.Characteristic analysis of atmospheric pollutants in Nanjing urban area in winter[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(9):1335- 1345.