春节期间气象条件对南京大气环境(污染/清洁)的影响

孙燕 张蓬勃 严文莲 潘菁菁 郑祚芳

(1 中国气象局 交通气象重点开放实验室，南京210019；2 南京气象科技创新研究院，南京210019；3 江苏省气象局，南京 210008；4 江苏省气象台，南京210019；5 中国气象局 北京城市气象研究所，北京 100089)

引 言

随着经济社会的高速发展，大气污染问题日益严峻，受到各级政府和气象部门的高度关注，力争逐步消除重污染天气，明显改善全国空气质量。

污染天气过程受到大气污染物排放和气象条件的共同影响。从污染源来看，作为中国两千多年来的传统习俗，春节期间燃放烟花爆竹虽然增加了节日氛围，但也造成了短时间空气污染物浓度急剧升高，产生了较严重的环境污染[1-6]。许多城市燃放烟花爆竹对大气污染的影响[7-13]的研究结果表明，烟花爆竹的大量集中燃放可在短时间内导致PM2.5和PM1.0的浓度急剧增加。南京市自2005年起对烟花爆竹实行“限时间、限地点、限品种”的有限开禁政策。2014年江苏省人大常委会第十一次会议批准了《南京市人民代表大会常务委员会关于修改〈南京市关于禁止燃放烟花爆竹的规定〉的决定》，此次新划定的常年禁放区，既延伸了主城大部分区域，又涵盖了部分工业密集区，对环境和燃放安全进行了双重考量；而从禁放时间看，也进一步变严，从原来春节期间的“有限开禁”，调整为划定范围内的“全年禁放”，禁燃烟花爆竹对PM2.5浓度的降低起决定性作用[14]。

污染物浓度排放进入大气后，其扩散传输和转化主要取决于气象条件[15-16]。大气扩散理论研究和试验研究表明，有利于污染物扩散和稀释的气象条件将降低污染物的浓度，不利于污染物扩散的气象条件将造成污染物的累积，从而引起浓度升高并造成持续性污染[17-18]。污染天气分析是做好空气污染气象条件预报的前提，而空气污染形成条件与台风、暴雨、强对流寒潮等灾害性天气均存在明显差异，相对于这些较为成熟的灾害性天气业务，污染天气的分析基础还比较薄弱。因此，以长江中下游城市群的中心城市之一南京为代表，以近30 a来春节前后烟花爆竹燃放集中时段为主要研究对象，分析该重点关注时段的主要天气过程，以及气象条件对大气环境的影响和作用，有助于提高对春节期间污染天气过程的预报水平。

1 资料

采用1981—2015年南京市常规气象观测资料和NCEP/NCAR再分析资料，分辨率为2.5°×2.5°。

春节期间研究时段分为：春节前期(除夕前5 d,下同)和春节期间(除夕—初六,下同)。

2 春节前天气形势分析

1981—2015年，南京地区春节前期共出现冷空气过程19次，出现的频次为0.54次/a，以中西路冷空气为主，冷空气强度较强；共出现降水天气过程27次，出现的频次为0.77次/a，降水形势多以降雪为主，一般持续2～3 d。春节前既没有冷空气又无降水天气过程的年份有8 a，出现的频次为0.23次/a，下面对污染天气形势分析中，将对这8 a做出着重分析。

表1 1981—2015年春节前期南京地区主要天气过程影响时段Table 1 The effecting periods by the main synoptic processes before the Spring Festival in Nanjing area during 1981-2015

2.1 冷空气形势分析(清除和扩散作用)

把春节前多次冷空气过程形势场进行平均得到，春节前冷空气过程多以中西路为主，冷中心位于贝加尔湖以西，平均气压为1 036 hPa(图1a)；高层500 hPa以两脊一槽型分布，南京市处于槽区，槽后冷空气不断南下影响(图1b)；在冷空气影响下，南京市以偏北风为主(图1c)，且都处于大风速区(图1d)。春节前冷空气过程有利于污染物清除和扩散。

图1 春节前冷空气形势场分析:(a)海平面气压场;(b)500 hPa高度场;(c)地面风场；(d)地面风速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 降水形势分析(稀释和清除的作用)

把春节前多次降水天气过程形势场进行合成分析(图2)得到降水时850 hPa冷暖气流大多交汇于南京，使其处于南北气流交汇的鞍型场中，同时由于湿度大(图2a)且处于风场辐合区内(图2b)，有利于降水天气的发生，对于大气污染物起到了稀释和清除的作用。

图2 春节前降水形势场分析:(a)850 hPa风场和相对湿度场(阴影);(b)水平风速辐合辐散场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 稳定大气形势场分析

南京春节前期，从近35 a来的天气形势来看，有8 a春节前期即无冷空气过程又无降水天气过程，本文把这8 a形势场进行分析得到，这8 a中，春节前南京市处于海平面气压的均压场中(图3a)，地面风速较小，平均风力为2～3 m·s-1(图3b)，这样的天气条件不利于污染扩散；同时近地层相对湿度都在60%～70%之间(图3c)，湿度适中，有利于污染物半径吸湿扩大，进而增加大气污染物浓度；从温度层结(图3d)来看，南京地区上空700～1 000 hPa气温基本一致，这样的中性层对污染物的向上扩散也起到一定的一致作用；上述这些气象条件都有利于大气污染浓度增加。

图3 春节前稳定大气形势场分析:(a)海平面气压场;(b)地面风速场；(c)地面相对湿度场；(d)垂直温度场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 春节期间天气形势分析

南京地区春节期间，共出现冷空气过程21次，出现的频次为0.6次/a，其中除夕当天有冷空气过程的共有3 a，其余大多在初二—初五之间发生；共出现降水天气过程25次，出现的频次为0.71次/a，其中降水过程出现在除夕的年份共1 a，降水出现时段均以1～2 d为准。春节期间既无冷空气又无降水天气过程的年份有8 a，出现的频次为0.23次/a。

3.1 冷空气形势分析(清除和扩散作用)

与春节前相比，春节期间冷空气过程仍以中西路为主，但冷空气中心位于贝加尔湖南侧，比春节前冷空气中心位置偏南，因此南京地区受冷空气影响程度较大，春节期间海平面气压1 030 hPa在南京市附近(春节前1 028 hPa等压线也在南京市附近，图4a)；受冷空气南下影响，春节期间影响南京市的大风速区中心为11 m·s-1(图4b)，略大于春节前的10 m·s-1。因此春节期间的冷空气比春节前要略强一些，大气清洁效果要更好一些。

图4 春节期间冷空气过程形势场分析:(a)海平面气压场;(b)地面风速场Fig.4 Analysis on cold air situation field during the Spring Festival: (a)sea surface pressure field; (b)surface wind field

3.2 降水形势分析(稀释和清除的作用)

春节期间，南京平均降水量为5.4 mm/降水日，比春节前3.3 mm/降水日略多一些，究其原因，主要是2014年2月5—7日出现了一次暴雨天气过程，这次强降水抬高了春节期间降水日的降水量。从降水形势场来看，春节期间降水形势与春节前差异不大，说明春节期间降水对大气污染物稀释和清除程度与春节前基本一致。

3.3 稳定大气形势场分析

南京地区春节期间共有8 a即无冷空气过程又无降水天气过程，南京处于地面均压场中，与春节前相比，低气压场强度更强，地面风速平均为1～2 m·s-1，略小与春节前2～3 m·s-1；同时近地层相对湿度(图5c)在70%～80%；从温度层结(图5d)来看，南京地区上空仍为中性层结；上述这些气象条件都有利于大气污染浓度的增加。

图5 春节期间降水形势场分析:(a)850风场和相对湿度场(阴影);(b)水平风速辐合辐散场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 结论

(1)1981—2015年，南京地区春节前共出现冷空气过程19次，出现的频次为0.54次/a，以中西路冷空气为主，冷空气强度较强；共出现降水天气过程27次，出现的频次为0.77次/a，降水形势多以降雪为主，一般持续2～3 d。春节前既没有冷空气，又无降水天气过程的年份有8 a，出现的频次为0.23次/a。

(2)南京地区春节期间，共出现冷空气过程21次，出现的频次为0.6次/a，其中除夕当天有冷空气过程的共有3 a，其余大多在初二—初五之间；共出现降水天气过程25次，出现的频次为0.71次/a，其中降水过程出现在除夕的年份共1 a，降水出现时段均以1～2 d为准。春节期间既没有冷空气，又无降水天气过程的年份有8 a，出现的频次为0.23次/a。

表2 1981—2015年春节期间南京地区主要天气过程影响时段Table 2 The effecting periods by the main synoptic processes during the Spring Festival in Nanjing area during 1981-2015

图6 春节期间稳定大气形势场分析:(a)海平面气压场;(b)地面风速场；(c)地面相对湿度场；(d)垂直温度场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)冷空气天气形势：冷空气过程多以中西路为主，春节前冷中心位于贝加尔湖以西，平均气压为1 036 hPa，春节期间冷空气中心位置略偏南，强度略偏大；高层500 hPa以两脊一槽型分布，南京处于槽区，槽后冷空气不断南下影响南京；在冷空气影响下，南京以偏北风为主，且南京都处于大风速区。冷空气过程有利于污染物清除和扩散。

(4)降水天气形势：冷暖气流大多交汇于南京市，处于南北气流交汇的鞍型场中，同时南京地区湿度大，且处于风场辐合区内，这些条件都有利于降水天气的发生，降水天气对于大气污染物也起到了稀释和清除的作用。春节前和春节期间天气形势基本一致。

(5)既无冷空气有无降水：南京市处于海平面气压的均压场中，地面风速较小，这样的天气条件不利于污染扩散；同时近地层相对湿度适中，有利于污染物半径吸湿扩大，进而增加大气污染物浓度；从温度层结来看，南京地区上空700～1 000 hPa气温基本一致，这样的中性层对污染物的向上扩散也起到一定的一致作用；上述这些气象条件都有利于大气污染浓度增加。春节期间的稳定天气形势对于污染加重起到的作用更大一些。