Vol. 13 ,No.2March 2021
第13卷第2期2021年3月环境监控与预警
Environmental Monitoring and Forewarning DOI : 10. 3969/j. issn.1674—6732. 2021.02. 004
冷空气南下对江苏省重污染天气过程的影响
曹璐1，刘端阳1!，陆维青2，严文莲1，陈昊1
（1.江苏省气象局，江苏 南京 210008 $2.江苏省环境监测中心，江苏 南京 210019 %
摘要：根据2013—2015年江苏省重污染%重度污染和严重污染）个例，分析冷空气南下对重污染天气过程的影响机制和
特征$将冷空气南下过程按路径分为东路、中路和西路，分别统计了不同路径冷空气影响江苏的特征，以及冷空气背景下
重污染发生时的气象条件，总结了不同路径冷空气对污染物浓度日增幅的影响，探讨了冷空气对江苏省大气污染的影响机 制$研究表明，江苏省的重污染天气主要发生在中路冷空气影响时，东路冷空气
影响概率相对较小；中路、西路易出现区域 性、连续性重污染；东路多单站点污染，连续污染概率较小$重污染日的高空冷空气主体偏北，中低层为槽后脊前西北气流
或有弱切变，地面处于冷高压前部；中路、西路冷空气对污染的输送贡献大于东路，对上游污染呈负输送，如有强逆温、小风
速的“静稳”天气，重污染仍可能加剧；重污染天气的发生，是本地污染、外源输送和局地不利污染扩散的气象条件共同作用
造成的$
关键词：冷空气路径；重污染天气；气象条件；江苏省中图分类号：X823
文献标志码:B
文章编号：1674 -6732 （2021） 02 -0019 -05
The Influence of Southward Cold Anticyclone on the Process of Heavy Air Pollution in
Jiangsu Province
CAO Lu 1, LIU Duan -yang 1! , LU Wei-qing 2 ,YAN Wen-lian 1 , CHEN Hao 1
% 1 Jiangsu Meteorological Obrvatory , Nanjing , Jiangsu 210008 , China ； 2. Jiangsu Provincial Environmental
Monitoring Center , Nanjing , Jiangsu 210019 , China ）
Abstract : That the mechanisms and characteristics of the influence of southward cold anticyclone on vvro air pollution episode was
analyzed bad on vvre air pollution ess in Jiangsu Province dueing 2013 —2015. The peoccss of the ccld air was divided into
easterly, central and westerly pathway. The characteristics of impact of cold air from each pathway on Jiangsu Provincc in different
paths were analyzed as well as the meteorolovicyl ccnditions of heavy pollution in cold air. The effects of cold air in different paths on the daily increa of pollutant concentration were summarized. The influencc mechanism of cold air on air pollution in Jiangsu
Provincc was discusd. The results showed that in Jiangsu Provincc , vvre air pollution happened undee cold air was mostly took
placc when the cold air was from central pathway, and rare cas were from easterly pathway. Generally, the air pollution episodes unde centaland westen pathwazweeFegionaland continuous ； while tho undeFeaste n pathwazweelocaland shot.DuFing ieepo l utron eprsodes , athrgh altrtude , thecold arwasmarnlzatnoth srdeofJrangsu Poirnce ； atmrd and lowaltrtude , thee
wasnothwestarflowrn fontofrdgeo weak shea ； on thesuFface , Jrangsu wasrn thefontofcold ar.Compaed totheeastelz
pathwa zs , moear po l utantsweetanspoted fom centaloFwestelzpathwaz.Theheaizpo l utron mrghtberntensrfred undeF
stable weather ccnditions with negative transportation upstream, extraordinarily strong inwr and weak wind. Overall, the wre air
馈源
pollution in Jiangsu provincc was attributed to the ccmbined ccntributions from local emission , regional transportation and
unfavvrable weathea ccnditions.
Ke y words : Pathway of cold air ； Heavy air pollution ； Meteorological ccnditions ； Jiangsu Provincc
收稿日期：2020 -06 -23 ；修订日期：2020 -08 - 18
基金项目：国家自然科学基金资助项目% 41575010 ）；国家重点研发计划基金资助项目% 2016YFC0201901 ）；中国气象局预报员专项基金 资助项目％ CMAYBY2017 -027）；江苏省“ 333高层次人才培养工程”基金资助项目％ BRA2016565 ）；江苏省环境监测科研基金资助项目
% 1902）；江苏省气象局青年基金资助项目％ KQ202003 ）
作者简介：曹璐% 1987 —），女，高级工程师，博士在读，从事大气环境污染气象条件预报分析工作$* 通讯作者：刘端阳 E - mail : Liuduanyang2001 @ 126. com
— 19 —
大气环境问题已成为我国政府和公众高度关注的问题，区域性细颗粒物污染和严重雾霾是江苏省重污染天气的主要特征，2013和2014年初均出现了大范围、持续性的雾霾天气过程$在大气污染物的积聚
与扩散过程中，气象条件起到十分重要的作用，因此我国气象工作者在霾的天气气候特征、生消物理机制和数值模拟等方面做了大量研究'1J11（$这些研究大多是针对一次典型的雾霾进行详尽的个例分析，缺乏长时间序列的系统性分析$
现对2013—2015年江苏省冷空气背景下100多个重污染%重度污染和严重污染）日进行系统分析，重点研究在不同路径的冷空气影响下，首要污染物、污染时空、污染浓度和大气环流等特征$以江苏省南京市为例，研究不同路径冷空气对重污染日的风向、风速、降水、温度层结、混合层厚度等气象条件的影响，并分析上游污染输送与气象条件对污染浓度的影响，为环境气象预报业务提供参考$
1研究方法与资料来源
1.1研究方法
《环境空气质量指数%AQI）技术规定%试行）》%HJ633—2012）'12（中将空气质量分为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染这6个等级$对江苏省2013—2015年细颗粒物%PM：.）、可吸入颗粒物%PM10）和臭氧%O3）这3种首要污染物达到重度和严重污染%5—6级）地区的地面气压场根据华东区域气象中心业务标准进行分型%表1），选取地面气压场G1、G2型个例％同一日江苏境内出现PM2.5'PM”和O3污染物均达重度污染以上，则分别算为PM2.5、PM10和。3污染独立的3次个例），作为冷空气背景下江苏省重污染研究样本$
表1华东区域气象中心地面气压场分型
类型污染区域地面气压场地
G高压中心附近
G1冷高压楔内，高压主体位于河套、山东以东
G2冷高压楔内，高压主体位于蒙古国
GT高压后部
GJ高压楔内的均压场
J低压前部的均压场
D低压底部
C冷锋过境前后
O其他1.2资料来源
大气成分资料来自江苏省生态环境厅，包括13个设区市72个国控站的2013—2015年PM2&5、PM10和O3这3种污染物浓度日平均数据；气象要素资料来自江苏省国家气象观测站；环流形势资料来自气象信息综合分析处理系统%Micaps）；温度、压力、风速、湿度以及混合层高度等数据运用美国国家环境预报中心%NCEP）资料计算得出$
2冷空气对江苏省大气污染的影响机制
受典型的东亚季风影响，复杂的季风系统和天气过程%台风、副高控制、冷锋过境）对于江苏省大气污染物的传输和转化机制具有重要作用［"T（$江苏省冬、春季节受内陆污染、北方沙尘和本地不利气象条件等综合影响，区域性雾霾和浮尘影响突出$同期，因供暖需要，北方煤炭消耗激增，冷空气频繁南下，导致重污染颗粒向江苏省输送效应十分明显$冬、春季节冷暖空气的交替易形成静稳天气，在大范围内边界层形成逆温，大气中水汽含量也往往较高，极大增强了颗粒物的吸湿增长，导致污染迅速累积［2_30（$
西伯利亚高压的强弱对江苏省冬季西北气流的强弱具有重要影响$当弱西伯利亚高压控制我国北部与东部大部分地区，水平气压梯度力较弱$弱地表风速、稳定的大气条件以及混合层高度减弱了空气污染的传输和辐散，是京津冀和长三角地区大范围灰霾形成的气象机制$强西伯利亚高压带来的寒潮/冷锋过程对我国冬季大部分地区%尤其是京津冀和长三角地区）空气污染物具有显著的清除作用$
Wang等［31（结合中国47个站点的空气污染指数%API）以及东亚大气环流形势，通过对2001—2011年11个冬季47次大寒潮过程以及空气污染事件的分析，指出自寒潮爆发的4日内，空气质量显著改善，寒潮对大气污染物的清除效率达30%，对中国大陆范围均有显著影响$寒潮过程对冬季空气质量完整的影响过程通常为分为3个典型阶段：（1）冷锋过境前，污染物的堆积使空气质量逐步恶化;%2）冷锋过境时，强西北风的清除作用显著改善了空气质量;%3）冷锋过境后，在高压控制下污染物逐步积累，直到下一次冷锋过程$寒潮爆发后，API最低日由西北向东南逐渐推迟，说明了寒潮带来的高压、低温、大风天气由北向南逐步改
20—
善了中国空气质量的“北早南晚”的过程。
3结果与讨论
3.1不同路径冷空气影响江苏省的特征
冷空气从寒潮关键区入侵江苏省，主要有3条路径。%1)东路：冷空气从寒潮关键区经蒙古到我国华北北部，在冷空气主力继续东移的同时，低空的冷空气折向西南，经渤海侵入华北，再从黄河下游向南，可达两湖盆地。％2)中路：冷空气从寒潮关键区经蒙古到达我国河套附近南下，直达长江中下游
及江南地区。％3)西路：冷空气从寒潮关键区经我国新疆、青海、西藏高原东侧南下，对我国西北、西南及江南各地区影响较大。不同类型的冷空气其影响强度、影响时间以及冷气团特征也有显著'32]
O
3.1.1重污染等级与首要污染物类型
2013—2015年冷空气背景下江苏省PM.：、PM】。和O3重度污染和严重污染132V，重污染个例168个%表2)$由表2可见，污染等级多为重度污染，其中严重污染个例较少，占14%；污染天气主要出现在中路冷空气影响时，东路冷空气对污染影响较小$发生重污染天气时，污染物种类有所差异，无论冷空气路径如何，PM.：占绝对主导地位,PM10主要出现在中路,。3在中路和东路概率均较高。
表2 2013—2015年不同路径冷空气导致江苏省重度和
严重污染个例个
污染级别污染物
西路冷空气路径
中路东路
合计
重度污染PM2.58552487
PM10411217
。32191839严重污染PM?.：217322
PM1033
。3
合计1610547168
3.1.2重污染时效与区域分布
对72个国控站数据按照城市进行了平均处理，用来表征每个城市的污染水平，如果只有一个城市达到重污染，则判定为单站污染，否则为多站污染$不同路径冷空气连续多日重污染次数及同日多点重污染次数见图1%A)%b)$由图1可见，中路、西路冷空气影响造成江苏省连续2V以上重污染率达30%以上，最长连续重污染可达6V；东路冷空气影响时，连续2V以上重污染率为18%，全省仅出现一次连续3V的重污染，单站点连续污染最多2V$
中路、西路冷空气影响时，易出现3站以上区域性重污染，重污染频率最高地区为江苏西北部的淮安和徐州，主要污染物为PM：.：和PM10；东路冷空气影响时，易出现单站污染，重污染频率最高地区在江苏省中南部，主要污染物为03$
图1不同路径冷空气连续多日重污染次数及
同日多点重污染次数
3.2冷空气背景下重污染日气象条件特征
3.2.1地面气压场特征
冷空气影响下的重污染日，不管冷空气路径如何，污染区域处于冷高压前部的高压楔内，地面水平风场弱，风速小，不利于污染物的扩散。图2%a) % b)%c)为西路、中路和东路冷空气影响时，江苏省区域性重污染地面气压平均场。
3.2.2高低空环流配置
重污染日高空天气形势主要有2种类型，见图3%a)%b)$图3%a)：高空槽引导北方冷空气扩散南下，中低层为槽后脊前西北气流，气流下沉，抵制污染垂直扩散；图3%b)：高空浅槽过境，中纬度环流较
平直，中低层有弱切变,850hPa上有暖平流，层结稳定$总体上，高空冷空气主体偏北，近地层925〜1000hPa上多为高压前东北/西北气流$
—
豆浆的英语
21
图2西路、中路、东路冷空气影响时江苏省地面气压平均场
500 hPa
850 hPa
地面冷高压前部鬲压楔内
下沉增温
中低层槽后\ 脊前西北气流
（】））
地面
图3 冷空气影响致江苏重污染日高低空环流配置
气影响时，平均相对湿度较小，为58% $懦成语
逆温层情况：上述重污染日08 ：00时的大气逆
温情况见表4 $由表4可见，西路冷空气影响时,
逆温发生的概率为50% ，逆温层高度为925 hPa 以
下；中路冷空气影响时，逆温发生的概率为60% ,
较强逆温层更为贴地，基本在1 000 hPa 以下；东路
身体部位单词冷空气影响时，逆温发生的概率为75% ，逆温层高
度为925 hPa 以下，但贴地逆温较弱，较强逆温层 在 1 000 〜925 hPa $
混合层厚度：重污染天气发生时，平均混合层
厚度约为0.78 Cm $混合层厚度小，不利于污染物
垂直扩散$
m/s
表3 不同路径冷空气影响致南京重污染日的风向和风速
冷空气路径前24 h 日平均风速日平 均 风速
极大风速最多风向中路
0.7 -3.30.7 〜4.2 3.3 〜11.9
北西北西路 2.0 〜2.20.5 〜2.2
6〜7
西西北
东路
1.6 〜
2.4 1.6 〜5.7 6.3 〜12.2东东南
3.2.3 气象要素特征
风向与风速：以江苏省南京市为例，2013—
2015年重度污染和严重污染有33 V ，重污染日风 向与风速见表3 $由表3可见，重污染日前24 h 地 面日平均风速＜ 3.3 m/s ，其中西路、东路冷空气 日平均风速＜ 2.4 m/s ，有利于污染物积聚$西
路、中路冷空气多为西北风向，有利于内陆污染物
水平输送，容易维持或加速重污染的形成；东路冷 空气多以东东南风向为主，风速相对较大，海上洁
净空气的输送不利于严重污染的形成$ 3年中全 省仅出现3个严重污染个例，南京市一次都没有
出现$
降水与湿度：上述重污染日中，仅2 V 出现 0.3 mm 的降雨$中路和东路冷空气影响时，平均
相对湿度差距不大，为72.7% -73.5% ；西路冷空
—22 —
表4 不同路径冷空气影响致南京重污染日的逆温情况
冷空气贴地逆温强度/
最强逆温强度/最高逆温逆温发生路径'w - % 100 m) J1][w - % 100 m) 1 (高度/hPa 概率/%
中路
1 &26 3.8185060西路1 &661 &6692550东路
0. 13
0. 18
925
75
3.3 不同路径冷空气对p" PM 2.5）日增幅影响
根据冷空气背景下江苏省105个PM ?.的重 污染个例，分析南京市上游污染输送对污染浓度
的影响%表5 ）$由表5可见，冷空气影响下的重 污染日，污染浓度日增幅为中路〉东路和西路,
终止合同协议书
元宵节儿童灯谜
冷空气污染输送贡献为中路、西路〉东路$上游 有污染正输送，风速小，即使无逆温，污染浓度日
增量也可〉100 'g/m 3 ；上游负输送,
应利于污染
浓度下降，但近地层有强逆温，地面风速小，重污染仍可能加剧$
表5不同路径冷空气下南京市上游污染输送
对PM cr)的影响
冷空气个例数/
p PM2.5)
日增幅/
('/-m-3)
增幅
<50'//m3
的概率/%
增幅
<100'//m3
的概率/%
路径个
中路71-154-13670.494.4
西路10-127~7060.0
东路24-93.7~95.784.0
江苏省发生区域性重污染时，南京市p(PM-)日增幅＞50'g/m3的个例有以下3个特点：(1)上游有较强的污染输送，如中路冷空气影响时，徐州或淮安市前24h与南京市p(PM i：)差＞50'//m3；
(2)上游有污染正输送，近地层有逆温或地面风速＜2m/s；(3)上游有污染负输送，近地层逆温强度＞1.6(°C/100m)，且地面风速＜2m/-$
4结论
(1)冷高压南下背景下，江苏省的重污染主要发生在中路冷空气影响时，东路冷空气影响概率较小；在中路、西路冷空气影响下易出现区域性、连续性重污染，污染物以PM.：为主，O3次之；在东路冷空气影响下，多单站点污染，多日连续污染概率较小，。3污染概率较高$
(2)江苏省重污染日，高空冷空气主体偏北，中低层为槽后脊前西北气流或有弱切变，地面处于冷高压前部；层结稳定，且逆温发生概率＞50%，混合层高度＜1.2km；前日和当日风速＜4m/-无降水或＜1.0mm弱降水$
(3)中路、西路冷空气对PM2.5的输送贡献大于东路$上游有污染正输送，即使无逆温产生，p(PM2.5)日增量也可＞100'Qm3；上游污染负输送，风速＜2m/s，近地层逆温强度＞1.6(C/ 100m)，污染浓度仍有增量。微风、逆温的静稳天气，是重污染天气维持和加剧的重要条件$
(4)南京市在有利的重污染发生环流背景和中路冷空气的影响下，p(PM.：)日最大增幅＜150'//m3，且最大增幅＜100'//m3的概率为94.4%；在西路和东路冷空气的影响下，p(PM-)日最大增量＜100'g/m3，且最大增幅＜50'g/m3的概率＞60%$
(5)冷空气南下是造成江苏省重污染天气的重要原因之一，重污染天气的发生，是本地污染、外源输送和局地不利于污染扩散的气象条件共同作用所造成的$
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>树的画
