重庆市春节期间典型空气污染过程分析

2014-03-24白莹莹陈道劲闵凡花

中国环境监测 2014年1期

韩　余，刘　德，白莹莹，陈道劲，闵凡花

1.重庆市气象台，重庆 401147

2.重庆市气候中心，重庆 401147

春节是中国的传统节日，重庆市自2006年起对春节期间燃放烟花解禁以后，每年除夕夜市民都要大量燃放烟花爆竹，造成城市空气质量急剧恶化。但城市空气污染并不是一个简单的现象，主要由污染物的排放量和气象条件共同决定[1-2]。目前国内外很多专家学者对大气污染与气象条件进行了研究，陈朝晖等[3]对北京地区一次重污染过程进行了大尺度天气型分析，发现空气质量的变化与天气形势的演变有较好的对应关系。任阵海等[4]分析了边界层内大气排放物形成重污染的背景，得出大范围的均压场持续是形成重污染的重大气象条件。李琼等[5]研究发现空气污染物浓度不仅与当天天气类型有关,而且与前几天的天气类型持续时间、地面气压场等都有密切关系。

该文采用重庆市环境监测站提供的空气污染指数(API)的日均值，分析了重庆市近10年春节期间空气质量的变化特征，并利用气象观测资料以及TAMP模式，分析了污染最严重的2006年春节期间中度污染个例的天气影响系统，来研究污染物排放和气象条件是如何共同影响空气质量的，以期为今后春节期间环境状况的预测和管理提供参考。

1　实验部分

利用重庆市环境监测站提供的气象观测资料分析了污染个例的天气影响系统，并使用TAMP模式对此次污染过程进行近地层大气边界层特征分析。TAMP由澳大利亚联邦科工组织(CSIRO)开发，由气象模式和污染物预报模式耦合组成。模式在使用天气分析背景资料的条件下能够模拟出如海陆风等局地环流过程，进而预报局地、城市和区域尺度上的气象和污染参数。模式的输出结果可用来驱动扩散模式。已有研究表明，该模式能够较好地模拟中小尺度内风和温度等气象要素，目前在研究城市热岛效应[6]、风能资源评估[7-8]等方面得到了很好的应用。

2　结果与讨论

2.1重庆市春节期间空气质量特征

表1给出了2001—2012年春节(除夕到初一)的API。可以看出，2006年前鞭炮禁放期间，从除夕到初一API变化幅度很小，基本都在10以内，变化最大的是2001年，初一的API比除夕降低了17。而2006年解禁以后，除2008年受降水影响从除夕到初一API有小幅下降以外，每年API从除夕到初一都出现了明显增加。其中2006年增幅最大，初一的API比除夕增加了104，达到226,形成中度污染，是近10年春节期间污染最严重的一天。

表1　重庆市2001—2012年春节期间API变化情况

将2001—2005年以及2006—2012年春节期间API按农历日期(t1、t2、t3、t4、t5、t6分别代表除夕前一天、除夕、初一、初二、初三、初四)平均(图1)，通过对比发现，2001—2005年春节期间API平均值是一个持续下降的过程，API在75～100范围波动，从除夕到初一API平均值下降了0.4。而2006—2012年春节期间API平均值是一个剧烈变化的过程，除夕到初一由77激增到125，然后再持续下降到86。由此可见，鞭炮燃放所释放出的污染物对空气质量的影响是非常显著的。

图1　2001—2005年、2006—2012年春节期间API平均值

2.22006年春节期间中度污染个例气象条件

2006年是近10年春节期间污染最严重的一年，2006年1月29日(初一)重庆市API达到226，已经形成中度污染。利用Ncep再分析资料分析此次污染过程的大尺度天气形势，并利用TAMP模式模拟分析了边界层特征，研究污染物排放和气象条件如何共同影响空气质量。

2006年1月24日至2月3日的API日均值逐日变化见图2。由图2可知，这是一次很明显的空气质量中度污染过程，此次过程中首要污染物均为PM10，24日空气质量为良，25—28日为持续性轻微污染，28—29日API增量为104,29日达到226，为中度污染。30日API下降至143，此后又持续4 d轻微污染，直到2月3日API值降为87，空气质量转为良。

图2　2006年1月24日至2月3日API

2.2.1大尺度背景场分析

气象条件对污染物扩散具有显著影响[9]。利用Ncep资料分析了2006年1月24日至2月3日的逐日天气状况(表2)。由表2可知，在1月24—26日API上升阶段，高空为持续的西风气流，地面处于高压以及高压内部的均压场控制，污染物不易随大气扩散，但由于此时并没有很强的外加污染源，所以在此期间污染物浓度是一个逐步累积的过程，空气质量由良转变为轻微污染。27—28日高空有浅槽东移，但地面没有很明显的冷空气配合，所以并未形成降水，对污染物浓度的变化影响不大，继续维持在轻微污染的状况。

表2　2006年1月24至2月3日API日均值与逐日天气状况

29日，污染物浓度急剧上升，API从前一日的122上升到226，达到中度污染，形成了近10年来春节期间污染最严重的一天。这除了与除夕夜市民燃放烟花爆竹使得污染物浓度上升有关外，29日天气状况本身也对空气污染的加重起到了推波助澜的作用。29日高空为偏西气流控制，地面受均压场控制，气压梯度很小，不易于污染物随大气扩散。同时前期(27日)高空有浅槽东移，28日夜间高空为槽后西北气流控制，天空晴朗少云，使得地面夜间辐射增强，29日8:00，地面形成了很明显的逆温，逆温层一直延伸至550 m，逆温差为2.7 ℃。而逆温的出现又进一步抑制了近地层对流的发展，使得污染物无法扩散，从而使得污染状况更加严重。

30日，高空有低槽，地面冷空气中心位于重庆以北地区，重庆处于冷锋前部，气压梯度明显增加，有利于污染物的扩散，API降到143，空气质量转为轻度污染。1月31日至2月1日，高空转为偏西气流控制，重庆地面再次处于高压区，空气质量并没有进一步好转。2月2日开始，高空南支槽配合地面冷空气影响重庆，2日、3日均产生小雨量级降水，对污染物起到了沉降冲刷的作用。空气质量进一步转好，3日API降到87，空气质量转为良。

2.2.2边界层特征分析

2.2.2.1模拟方案

模拟区域中心坐标取在沙坪坝气象站(29°35′N，106°28′E)，模式采用3层嵌套层数，分辨率分别为10、3、1 km，最内层面积是80 km×80 km，包括了重庆的主城区及其近郊。模式垂直层数为25层。天气分析资料使用NECP再分析资料，水平分辨率1°×1°，时间分辨率6 h。在NECP再分析资料中提取模式运算所需要的地面气压、位势高度、水平u、v风场、相对湿度，由于模式需要比湿资料，所以对相对湿度场进行了计算转化。海表和深层土壤含水量采用模式默认值。地形高度采用重庆区域SRTM DEM高程资料，土壤类型采用模式默认值，植被类型参考2005—2006年Google earth图像修改主城区域植被类型与全市的水体数据融合。模拟时间从2006年1月27日8:00至30日20:00，时间分辨率为1 h。

2.2.2.2模拟效果比较分析

利用沙坪坝站2006年1月29日8:00 L波段雷达测量的垂直温度与TAMP模式模拟输出的垂直温度进行比较(图3)，以检验该模式的模拟能力。从图4可以看出，TAMP模式较好地模拟了29日8:00的贴地逆温，400 m以下温度变化情况与实况基本一致，同层次与实况的温差都在0.5 ℃以内。100 m以下模式输出的逆温强度略大于实况观测的。模拟出的逆温拐点在500 m左右，与实况550 m逆温拐点接近。但对逆温最大值的预报比实况偏低0.9 ℃,偏差一定程度上是由于模式的平滑作用造成的。总体来说，TAMP模式能较好地反映近地层的大气状况，可以用于模拟分析近地层气象状况。

图3　TAMP模式预报和L波段雷达测量29日8:00沙坪坝站温度的垂直变化

2.2.2.3近地层风场分析

风是影响污染物扩散的一个重要条件[9-10]，特别是近地层的风速大小以及风向的辐合辐散直接影响到污染物的浓度变化。分析了28日12:00至29日12:00的地面风场，发现28日12:00重庆主城为一致的偏南气流，没有明显的辐合区，有利于污染物向北输送扩散，但由于风速较小(2 m/s左右)，所以该时段对污染物的扩散作用并不是很大。而28日13：00以后主城偏北地区风向逐渐由南风转为北风，而偏东地区的风向也由偏南风转为偏东风，在28日21:00左右在渝中半岛以及长江以南沿江地区形成了偏北气流与偏东气流的辐合(图4)，这种环流形势一直持续到29日4:00，而该时段正好是鞭炮燃放的高峰期。此后风向逐步转为较一致的偏南气流。主城区的风向辐合以及较小的风速，使鞭炮燃放产生的污染物无法及时扩散，最终造成29日的中度污染。

图4　28日21:00地面风场

2.2.2.4近地层动能分析

近地层平均风场以及湍流场能量的强弱，直接影响近地面边界层的动力结构，从而导致污染物扩散条件改变[11]。为进一步了解边界层风场动力特征对污染物浓度变化的影响，利用模式风场资料计算了沙坪坝0～500 m的平均动能[图5(a)]，平均动能的计算公式为

(1)

式中：k为平均动能，m2/s2；u、v为每小时模式输出风速，m/s。同时给出了模式计算输出的湍流动能[图5(b)]。湍流动能的计算公式为

(2)

式中：k′为湍流动能，m2/s2;u′、v′为u、v方向的风速脉动值,m/s。从图5可以看出，28—29日无论是平均动能还是湍流动能在近地层都很小。平均动能从28日6:00到29日24:00，在200 m以下均维持一个很小的值，多数情况下均小于20 m2/s2,而在50 m以下更是小于5 m2/s2。而湍流动能存在很明显的日变化，在每天12：00左右，湍流动能达到最大。28日最大湍流动能在1 m2/s2左右，29日最大湍流动能在1.2 m2/s2左右，明显小于27日和29日。而在28日20:00到29日8:00近地层湍流动能小于0.2 m2/s2。28—29日的平均动能和湍流动能均很小，不利于污染物的扩散，使28日夜间鞭炮燃放产生的污染物无法及时得到扩散，一定程度上加重了29日的大气污染状况。

图5　沙坪坝站平均动能和湍流动能

3　结论

对重庆地区2001—2012年春节期间空气质量的变化特征进行分析，并利用气象观测资料以及TAMP模式，分析了2006年春节期间中度污染个例的天气影响系统。

1)2006年鞭炮燃放解禁前后，除夕到初一API的变化情况出现了明显的差异，2001—2005年春节期间API平均值是一个持续下降的过程。而2006年以后几乎每年都出现了API的陡增。说明鞭炮燃放所带来的空气污染影响是很明显的。

2)2006年初一API超过200达到了中度污染。利用气象观测资料分析2006年春节大尺度环流背景，发现29日高空为偏西气流控制，地面受均压场控制，气压梯度很小，不利于污染物随大气扩散，近地层形成了很明显的逆温，而逆温的出现又进一步抑制了近地层对流的发展，使得污染状况更加严重。

3)利用TAMP模式模拟此次过程，通过分析TAMP模式输出的地面风场，发现在鞭炮燃放的高峰期，在渝中半岛以及长江以南沿江地区形成了偏北气流与偏东气流的辐合。主城区的风向辐合以及较小的风速，使得鞭炮燃放产生的污染物无法及时扩散，最终造成了29日的中度污染。而28—29日的平均动能和湍流动能都很小，不利于污染物的扩散，使28日夜间鞭炮燃放产生的污染物无法及时得到扩散。一定程度上加重了29日的大气污染状况。

综合分析表明，鞭炮燃放所带来的空气污染影响是很显著的，而2006年春节期间的中度污染过程是由人为燃放鞭炮带来的污染源与不利于污染物扩散的天气系统的共同影响造成的。建议今后根据气象条件给出烟花燃放指数。指导市民如何燃放，以降低鞭炮燃放对环境的污染。

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