冷空氣南下對(duì)江蘇省重污染天氣過(guò)程的影響

曹璐，劉端陽(yáng)*，陸維青，嚴(yán)文蓮，陳昊

(1. 江蘇省氣象局，江蘇 南京 210008；2. 江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210019)

大氣環(huán)境問(wèn)題已成為我國(guó)政府和公眾高度關(guān)注的問(wèn)題，區(qū)域性細(xì)顆粒物污染和嚴(yán)重霧霾是江蘇省重污染天氣的主要特征，2013和2014年初均出現(xiàn)了大范圍、持續(xù)性的霧霾天氣過(guò)程。在大氣污染物的積聚與擴(kuò)散過(guò)程中，氣象條件起到十分重要的作用，因此我國(guó)氣象工作者在霾的天氣氣候特征、生消物理機(jī)制和數(shù)值模擬等方面做了大量研究[1-11]。這些研究大多是針對(duì)一次典型的霧霾進(jìn)行詳盡的個(gè)例分析，缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列的系統(tǒng)性分析。

現(xiàn)對(duì)2013—2015年江蘇省冷空氣背景下100多個(gè)重污染(重度污染和嚴(yán)重污染)日進(jìn)行系統(tǒng)分析，重點(diǎn)研究在不同路徑的冷空氣影響下，首要污染物、污染時(shí)空、污染濃度和大氣環(huán)流等特征。以江蘇省南京市為例，研究不同路徑冷空氣對(duì)重污染日的風(fēng)向、風(fēng)速、降水、溫度層結(jié)、混合層厚度等氣象條件的影響，并分析上游污染輸送與氣象條件對(duì)污染濃度的影響，為環(huán)境氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供參考。

1 研究方法與資料來(lái)源

1.1 研究方法

《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[12]中將空氣質(zhì)量分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染這6個(gè)等級(jí)。對(duì)江蘇省2013—2015年細(xì)顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)和臭氧(O3)這3種首要污染物達(dá)到重度和嚴(yán)重污染(5—6級(jí))地區(qū)的地面氣壓場(chǎng)根據(jù)華東區(qū)域氣象中心業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分型(表1)，選取地面氣壓場(chǎng)G1、G2型個(gè)例(同一日江蘇境內(nèi)出現(xiàn)PM2.5、PM10和O3污染物均達(dá)重度污染以上，則分別算為PM2.5、PM10和O3污染獨(dú)立的3次個(gè)例)，作為冷空氣背景下江蘇省重污染研究樣本。

1.2 資料來(lái)源

大氣成分資料來(lái)自江蘇省生態(tài)環(huán)境廳，包括13個(gè)設(shè)區(qū)市72個(gè)國(guó)控站的2013—2015年P(guān)M2.5、PM10和O3這3種污染物濃度日平均數(shù)據(jù)；氣象要素資料來(lái)自江蘇省國(guó)家氣象觀測(cè)站；環(huán)流形勢(shì)資料來(lái)自氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(Micaps)；溫度、壓力、風(fēng)速、濕度以及混合層高度等數(shù)據(jù)運(yùn)用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)資料計(jì)算得出。

2 冷空氣對(duì)江蘇省大氣污染的影響機(jī)制

受典型的東亞季風(fēng)影響，復(fù)雜的季風(fēng)系統(tǒng)和天氣過(guò)程(臺(tái)風(fēng)、副高控制、冷鋒過(guò)境)對(duì)于江蘇省大氣污染物的傳輸和轉(zhuǎn)化機(jī)制具有重要作用[13-21]。江蘇省冬、春季節(jié)受內(nèi)陸污染、北方沙塵和本地不利氣象條件等綜合影響，區(qū)域性霧霾和浮塵影響突出。同期，因供暖需要，北方煤炭消耗激增，冷空氣頻繁南下，導(dǎo)致重污染顆粒向江蘇省輸送效應(yīng)十分明顯。冬、春季節(jié)冷暖空氣的交替易形成靜穩(wěn)天氣，在大范圍內(nèi)邊界層形成逆溫，大氣中水汽含量也往往較高，極大增強(qiáng)了顆粒物的吸濕增長(zhǎng)，導(dǎo)致污染迅速累積[22-30]。

西伯利亞高壓的強(qiáng)弱對(duì)江蘇省冬季西北氣流的強(qiáng)弱具有重要影響。當(dāng)弱西伯利亞高壓控制我國(guó)北部與東部大部分地區(qū)，水平氣壓梯度力較弱。弱地表風(fēng)速、穩(wěn)定的大氣條件以及混合層高度減弱了空氣污染的傳輸和輻散，是京津冀和長(zhǎng)三角地區(qū)大范圍灰霾形成的氣象機(jī)制。強(qiáng)西伯利亞高壓帶來(lái)的寒潮/冷鋒過(guò)程對(duì)我國(guó)冬季大部分地區(qū)(尤其是京津冀和長(zhǎng)三角地區(qū))空氣污染物具有顯著的清除作用。

Wang等[31]結(jié)合中國(guó)47個(gè)站點(diǎn)的空氣污染指數(shù)(API)以及東亞大氣環(huán)流形勢(shì)，通過(guò)對(duì)2001—2011年11個(gè)冬季47次大寒潮過(guò)程以及空氣污染事件的分析，指出自寒潮爆發(fā)的4日內(nèi)，空氣質(zhì)量顯著改善，寒潮對(duì)大氣污染物的清除效率達(dá)30%，對(duì)中國(guó)大陸范圍均有顯著影響。寒潮過(guò)程對(duì)冬季空氣質(zhì)量完整的影響過(guò)程通常為分為3個(gè)典型階段：(1)冷鋒過(guò)境前，污染物的堆積使空氣質(zhì)量逐步惡化；(2)冷鋒過(guò)境時(shí)，強(qiáng)西北風(fēng)的清除作用顯著改善了空氣質(zhì)量；(3)冷鋒過(guò)境后，在高壓控制下污染物逐步積累，直到下一次冷鋒過(guò)程。寒潮爆發(fā)后，API最低日由西北向東南逐漸推遲，說(shuō)明了寒潮帶來(lái)的高壓、低溫、大風(fēng)天氣由北向南逐步改善了中國(guó)空氣質(zhì)量的“北早南晚”的過(guò)程。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同路徑冷空氣影響江蘇省的特征

冷空氣從寒潮關(guān)鍵區(qū)入侵江蘇省，主要有3條路徑。(1)東路：冷空氣從寒潮關(guān)鍵區(qū)經(jīng)蒙古到我國(guó)華北北部，在冷空氣主力繼續(xù)東移的同時(shí)，低空的冷空氣折向西南，經(jīng)渤海侵入華北，再?gòu)狞S河下游向南，可達(dá)兩湖盆地。(2)中路：冷空氣從寒潮關(guān)鍵區(qū)經(jīng)蒙古到達(dá)我國(guó)河套附近南下，直達(dá)長(zhǎng)江中下游及江南地區(qū)。(3)西路：冷空氣從寒潮關(guān)鍵區(qū)經(jīng)我國(guó)新疆、青海、西藏高原東側(cè)南下，對(duì)我國(guó)西北、西南及江南各地區(qū)影響較大。不同類型的冷空氣其影響強(qiáng)度、影響時(shí)間以及冷氣團(tuán)特征也有顯著差異[32]。

3.1.1 重污染等級(jí)與首要污染物類型

2013—2015年冷空氣背景下江蘇省PM2.5、PM10和O3重度污染和嚴(yán)重污染132 d，重污染個(gè)例168個(gè)(表2)。由表2可見，污染等級(jí)多為重度污染，其中嚴(yán)重污染個(gè)例較少，占14%；污染天氣主要出現(xiàn)在中路冷空氣影響時(shí)，東路冷空氣對(duì)污染影響較小。發(fā)生重污染天氣時(shí)，污染物種類有所差異，無(wú)論冷空氣路徑如何，PM2.5占絕對(duì)主導(dǎo)地位，PM10主要出現(xiàn)在中路，O3在中路和東路概率均較高。

3.1.2 重污染時(shí)效與區(qū)域分布

對(duì)72個(gè)國(guó)控站數(shù)據(jù)按照城市進(jìn)行了平均處理，用來(lái)表征每個(gè)城市的污染水平，如果只有一個(gè)城市達(dá)到重污染，則判定為單站污染，否則為多站污染。不同路徑冷空氣連續(xù)多日重污染次數(shù)及同日多點(diǎn)重污染次數(shù)見圖1(a)(b)。由圖1可見，中路、西路冷空氣影響造成江蘇省連續(xù)2 d以上重污染率達(dá)30%以上，最長(zhǎng)連續(xù)重污染可達(dá)6 d；東路冷空氣影響時(shí)，連續(xù)2 d以上重污染率為18%，全省僅出現(xiàn)一次連續(xù)3 d的重污染，單站點(diǎn)連續(xù)污染最多2 d。

中路、西路冷空氣影響時(shí)，易出現(xiàn)3站以上區(qū)域性重污染，重污染頻率最高地區(qū)為江蘇西北部的淮安和徐州，主要污染物為PM2.5和PM10；東路冷空氣影響時(shí)，易出現(xiàn)單站污染，重污染頻率最高地區(qū)在江蘇省中南部，主要污染物為O3。

圖1 不同路徑冷空氣連續(xù)多日重污染次數(shù)及同日多點(diǎn)重污染次數(shù)

3.2 冷空氣背景下重污染日氣象條件特征

3.2.1 地面氣壓場(chǎng)特征

冷空氣影響下的重污染日，不管冷空氣路徑如何，污染區(qū)域處于冷高壓前部的高壓楔內(nèi)，地面水平風(fēng)場(chǎng)弱，風(fēng)速小，不利于污染物的擴(kuò)散。圖2(a)(b)(c)為西路、中路和東路冷空氣影響時(shí)，江蘇省區(qū)域性重污染地面氣壓平均場(chǎng)。

3.2.2 高低空環(huán)流配置

重污染日高空天氣形勢(shì)主要有2種類型，見圖3(a)(b)。圖3(a)：高空槽引導(dǎo)北方冷空氣擴(kuò)散南下，中低層為槽后脊前西北氣流，氣流下沉，抵制污染垂直擴(kuò)散；圖3(b)：高空淺槽過(guò)境，中緯度環(huán)流較平直，中低層有弱切變，850 hPa上有暖平流，層結(jié)穩(wěn)定?？傮w上，高空冷空氣主體偏北，近地層925 ～1 000 hPa上多為高壓前東北/西北氣流。

圖2 西路、中路、東路冷空氣影響時(shí)江蘇省地面氣壓平均場(chǎng)

圖3 冷空氣影響致江蘇重污染日高低空環(huán)流配置

3.2.3 氣象要素特征

風(fēng)向與風(fēng)速：以江蘇省南京市為例，2013—2015年重度污染和嚴(yán)重污染有33 d，重污染日風(fēng)向與風(fēng)速見表3。由表3可見，重污染日前24 h地面日平均風(fēng)速< 3.3 m/s，其中西路、東路冷空氣日平均風(fēng)速< 2.4 m/s，有利于污染物積聚。西路、中路冷空氣多為西北風(fēng)向，有利于內(nèi)陸污染物水平輸送，容易維持或加速重污染的形成；東路冷空氣多以東東南風(fēng)向?yàn)橹?，風(fēng)速相對(duì)較大，海上潔凈空氣的輸送不利于嚴(yán)重污染的形成。3年中全省僅出現(xiàn)3個(gè)嚴(yán)重污染個(gè)例，南京市一次都沒有出現(xiàn)。

降水與濕度： 上述重污染日中，僅2 d出現(xiàn)0.3 mm的降雨。中路和東路冷空氣影響時(shí)，平均相對(duì)濕度差距不大，為72.7%～73.5%；西路冷空氣影響時(shí)，平均相對(duì)濕度較小，為58%。

逆溫層情況：上述重污染日08：00時(shí)的大氣逆溫情況見表4。由表4可見，西路冷空氣影響時(shí)，逆溫發(fā)生的概率為50%，逆溫層高度為925 hPa以下；中路冷空氣影響時(shí)，逆溫發(fā)生的概率為60%，較強(qiáng)逆溫層更為貼地，基本在1 000 hPa以下；東路冷空氣影響時(shí)，逆溫發(fā)生的概率為75%，逆溫層高度為925 hPa以下，但貼地逆溫較弱，較強(qiáng)逆溫層在1 000～925 hPa。

混合層厚度：重污染天氣發(fā)生時(shí)，平均混合層厚度約為0.78 km?；旌蠈雍穸刃?，不利于污染物垂直擴(kuò)散。

表3 不同路徑冷空氣影響致南京重污染日的風(fēng)向和風(fēng)速 m/s

表4 不同路徑冷空氣影響致南京重污染日的逆溫情況

3.3 不同路徑冷空氣對(duì)ρ(PM2.5)日增幅影響

根據(jù)冷空氣背景下江蘇省105個(gè)PM2.5的重污染個(gè)例，分析南京市上游污染輸送對(duì)污染濃度的影響(表5)。由表5可見，冷空氣影響下的重污染日，污染濃度日增幅為中路>東路和西路，冷空氣污染輸送貢獻(xiàn)為中路、西路>東路。上游有污染正輸送，風(fēng)速小，即使無(wú)逆溫，污染濃度日增量也可>100 μg/m3；上游負(fù)輸送，應(yīng)利于污染濃度下降，但近地層有強(qiáng)逆溫，地面風(fēng)速小，重污染仍可能加劇。

表5 不同路徑冷空氣下南京市上游污染輸送對(duì)ρ(PM2.5)的影響

江蘇省發(fā)生區(qū)域性重污染時(shí)，南京市ρ(PM2.5)日增幅>50 μg/m3的個(gè)例有以下3個(gè)特點(diǎn)：(1)上游有較強(qiáng)的污染輸送，如中路冷空氣影響時(shí)，徐州或淮安市前24 h與南京市ρ(PM2.5)差>50 μg/m3；(2) 上游有污染正輸送，近地層有逆溫或地面風(fēng)速<2 m/s；(3) 上游有污染負(fù)輸送，近地層逆溫強(qiáng)度>1.6(℃/100 m)，且地面風(fēng)速<2 m/s。

4 結(jié)論

(1)冷高壓南下背景下，江蘇省的重污染主要發(fā)生在中路冷空氣影響時(shí)，東路冷空氣影響概率較小；在中路、西路冷空氣影響下易出現(xiàn)區(qū)域性、連續(xù)性重污染，污染物以PM2.5為主，O3次之；在東路冷空氣影響下，多單站點(diǎn)污染，多日連續(xù)污染概率較小，O3污染概率較高。

(2)江蘇省重污染日，高空冷空氣主體偏北，中低層為槽后脊前西北氣流或有弱切變，地面處于冷高壓前部；層結(jié)穩(wěn)定，且逆溫發(fā)生概率>50%，混合層高度<1.2 km；前日和當(dāng)日風(fēng)速<4 m/s，無(wú)降水或<1.0 mm弱降水。

(3)中路、西路冷空氣對(duì)PM2.5的輸送貢獻(xiàn)大于東路。上游有污染正輸送，即使無(wú)逆溫產(chǎn)生，ρ(PM2.5)日增量也可>100 μg/m3；上游污染負(fù)輸送，風(fēng)速< 2 m/s，近地層逆溫強(qiáng)度>1.6(℃/100 m)，污染濃度仍有增量。微風(fēng)、逆溫的靜穩(wěn)天氣，是重污染天氣維持和加劇的重要條件。

(4)南京市在有利的重污染發(fā)生環(huán)流背景和中路冷空氣的影響下，ρ(PM2.5)日最大增幅< 150 μg/m3，且最大增幅< 100 μg/m3的概率為94.4%；在西路和東路冷空氣的影響下，ρ(PM2.5)日最大增量< 100 μg/m3，且最大增幅<50 μg/m3的概率>60%。

(5)冷空氣南下是造成江蘇省重污染天氣的重要原因之一，重污染天氣的發(fā)生，是本地污染、外源輸送和局地不利于污染擴(kuò)散的氣象條件共同作用所造成的。