孙燕，张备，严文莲，等.南京及周边地区一次严重烟霾天气的分析[J].高原气象,2010,29(3):794-800
收稿日期:2009-06-17；改回日期:2009-09-14
基金项目：公益性行业(气象)科研专项(GYH Y(QX)200706026)；江苏省科技厅科技发展项目(BS2006087)共同资助 作者简介：孙燕(1976))，女，山东人，硕士，工程师，主要从事短期区域气候诊断与预测研究.E -mail:jss hqxtsy@
南京及周边地区一次严重烟霾天气的分析
孙 燕,
张 备,
严文莲,
陈 曲,
赵 凯
(江苏省气象台，江苏南京 210008)
摘 要：利用南京市空气污染资料、常规气象观测资料和N CEP 再分析资料，对2008年10月28~29日南京、镇江、扬州、泰州、盐城等地区出现的一次大范围烟霾天气过程的空气污染状况、大尺度环流背景、微观气象要素特征以及影响天气系统的热力和动力场结构等进行了综合分析研究，并且运用H ysplit-4模式反演了这次过程影响南京地区污染物的扩散轨迹。结果表明：焚烧秸秆物引起的空气中高颗粒物浓度是造成这次大范围烟霾天气的直接原因；有利的环流和风场条件，加上稳定的大气层结，是烟霾维持和加强的重要条件；在未达到饱和情况下，适当增加湿度有利于霾的形成，且吸湿粒子吸湿凝结增大会使得能见度更加恶化，烟霾更加严重。在这次烟霾天气中，南京地区的污染物源头来自扬州、镇江、泰州一带，最严重时期的污染物主要来自泰州南部。关键词：南京；烟霾；气溶胶污染；气象条件；轨迹分析文章编号:1000-0534(2010)03-0794-07 中图分类号:P427
文献标识码:A
1 引言
在中国气象局/地面气象观测规范0中，霾天气的定义是:/大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度<10km 的空气普遍有混浊现象，使远处光亮物微带黄、红色，黑暗物微带蓝色0。出现霾天气时，视野能见度低，空气质量差,
容易引起交通阻塞，发生交通事故。同时，易对人体呼吸循环系统造成刺激，诱发疾病。近年来，随
着城市化进程的快速发展，人类活动向大气中排放的污染物大量增加，导致都市灰霾天气急剧增多[1-6]，灰霾问题也越来越引起各国政府和公众的广泛关注。
国外学者较早对霾的组成及气候特征进行了研究[7]，其中Kerr [8]对由污染物质造成的霾的气候致冷机制进行了研究;M alm
[9]
对美国大陆性霾天气
的时空演变进行了定量分析，并在此基础上对霾物质产生的源头进行了追踪和模拟。另外，国外学者在区域性霾现象对气候的影响[10]方面也作了较为系统、深入的研究。国内学者[11-18]也对霾物质的组成、霾天气下的气候特征以及数值模拟等进行了分析研究。
南京作为长江下游城市群的中心城市之一，改革开放以来城市化、工业化发展迅速，机动车拥有量、建筑工地扬尘量、工业耗煤量和工业废气排放量都在不断增加，使南京成为我国4个明显的灰霾区之一。霾的形成、发展和消散与气象、气候条件密切相关。本文对2008年10月南京发生的一次大范围烟霾天气过程的空气污染、环流形势、气象要素以及影响天气系统的热力和动力场结构等特征进行了天气动力学分析，进而探讨霾天气的成因，为霾的预报提供一些参考依据。
2 资料来源和研究方法
2.1 资料选取
(1) 所用资料为2008年10月26~29日南京市观测站的逐日气象要素观测资料、风廓线雷达资料和南京市环境质量监测点(草场门、中华门、瑞金路、玄武湖、迈皋桥、山西路)的SO 2、N O 2和PM 10的逐日实测资料。地面气象观测每3h 一次，分别为02:00,05:00,08:00,11:00,14:00,17:00,20:00,23:00(北京时，下同)，地面观测首先人工目测一下能见度，当能见度<10km 时考虑是否有雾霾烟，主要判据是观察颜色，雾偏乳白
第29卷 第3期
2010年6月
高 原 气 象
PLAT EAU MET EOROLOGY
Vo l.29 N o.3June,2010
色，霾青色或淡黄，烟咖啡或者黑色并且可能有味
道。如果夜间看不清楚，或者感觉雾霾混合状态，再去参考相对湿度为准。本文对于霾的逐时判定主要根据逐时能见度和相对湿度(90%以下是霾)，再辅以人工观测。
(2) 2008年10月27~29日美国N CEP 1b @1b 的再分析场资料，时间间隔为6h 。
2.2 研究方法
H ysplit-4模式是由美国国家海洋和大气局(NOAA)等开发的供质点轨迹、扩散及沉降分析用的综合模式系统[19-20]
。该模式是Euler ian -La -grangian 混合型的扩散模式，其平流和扩散计算采用Lagr angian 法，通常用来跟踪气流所携带的粒子或气体移动方向，模式采用诊断风场和边界层高度等要素，逐一计算示踪粒子的空间位移和拉格朗日轨迹，从大量粒子的空间分布了解实际大气的扩散状况，并进一步模拟污染物在区域内的动态扩散过程。
3 灰霾过程概述
电梯平面图3.1 烟霾和空气污染监测
从10月28日傍晚起，江苏省出现大面积烟霾天气，其中南京、镇江、扬州、泰州、盐城等市可吸入颗
粒物平均小时浓度处于中度污染，最大浓度平均值达重污染。根据南京市气象观测站的逐时观测资料,10月28日07:00能见度迅速降低为2.5km，之后在08:00~20:00的能见度维持在1.5~3km，从28日22:00~29日02:00能见度都在1km 以下，能见度最低只有0.4km 。大面积烟霾不仅对道路交通带来重大影响，而且造成人体视觉和嗅觉不适,
严重影响了人们的正常生活。
图1 2008年10月27日13:08N OA A -18卫星遥感
方块为着火点位置
F ig.1 N O A A-18satellite r emote nsing
imag e at 13:08o n 27O ctober 2008.Square is location on fire point
红酒炖梨国家卫星气象中心利用我国风云一号气象卫星与美国NOAA -18、NOAA -16等卫星对全国范围进行日常火情监测(图1),10月27日13:08监测到江苏有多处着火点，其中，连云港有8个，宿迁2个，泰州28个，南通4个，火点位置都是耕地。
根据南京市环境质量监测点(草场门、中华门、瑞金路、玄武湖、迈皋桥、山西路)2008年10月26日13:00~29日12:00的SO 2、NO 2、PM 10的逐时实测资料(每日12:00的资料缺测)，如图2a 所示，可吸入颗粒物的浓度PM 10从26日13:00开始呈缓慢波动上升的趋势，在28日18:00迅速增大，到22:00达到峰值，为1.15mg #m
-3
，之后开始缓慢
减少，并且于29日02:00迅速减少,
之后可吸入颗
图2 2008年10月26日13:00~29日12:00南京SO 2、N O 2、P M 10浓度的逐时变化(a)和累积频率(b)
F ig.2 Ho ur ly chang e (a)and cumulative frequency (b)of SO 2,NO 2and P M 10in Nanjing
fro m 13:00on 26to 12:00on 29October 2008
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3期
孙 燕等：南京及周边地区一次严重烟霾天气的分析
表1 2008年10月27~28日南京SO 2、NO 2、
韶关旅游景点大全PM 10的日均浓度
Table 1 Daily average concentration of SO 2,NO 2and
PM 10in Nanjing f rom 26to 29October 2008
日期/(月-日)
SO 2NO 2PM 1010-270.0680.0770.14210-28
0.079
0.104
凯旋的意思
0.395
粒物浓度稳定在0.1~0.2mg #m -3
之间；而SO 2和NO 2的浓度变化相对较平稳，没有明显的突变。从各污染物浓度的累积频率上看(图2b),PM 10的浓度0.7mg #m
-3
时累积频率接近1.0，说明在这
一时段PM 10浓度主要集中在0.7mg #m -3以下，虽然浓度>0.7mg #m -3的出现频率少，但是带来的危害却很大。由图还可看到,SO 2、NO 2的浓度维持相对较低,<0.16mg #m -3
。
对各污染物的浓度计算了日均值(表1)，根据5国家环境空气质量标准(GB3095-1996)6二级标准的规定,10月27日SO 2、NO 2、PM 10浓度均超过二级标准;28日,NO 2超标24%,PM 10是二级标准的2.63倍,SO 2未超过二级标准。对比南京市2008年10月26日13:00~29日12:00的能见度观测可看到(图3b),27日07:00的能见度较低，为2.5km，相对湿度是93%，此时的天气现象是雾，之后能见度迅速上
升，从10:00开始到15:00都是霾，相对湿度在25%~42%，能见度在4~9km;28日开始能见度就在10km 以下，由于空气中的水汽含量少，相对湿度都在70%以下，低能见度天气都是霾;07:00开始能见度下降到3km 以下，在28日22:00~29日02:00能见度均在1km 以下,
而该时段正好是PM 10浓度达到峰值。同时，计算
了能见度与SO 2、NO 2、PM 10浓度的相关系数，分别是-0.39,-0.31,-0.46，均呈负相关关系，而且与PM 10的相关通过了0.001的显著性水平检验，与其他两种污染物浓度的相关也通过了0.01的显著性水平检验。由此可见，这次霾天气过程确实是一次空气中的颗粒物污染事件，故定性为一次烟霾天气过程。3.2 环流背景分析
10月下旬是江苏秋收高峰期，农民焚烧秸秆，容易形成大范围浓重的烟霾，加之气象条件不利于空气中污染物扩散，极易造成低能见度恶劣天气的出现。而大气稳定度和大气对污染物的扩散能力取决于高低空大气环流的配置。下面分析严重烟霾天气发生前的大气环流背景特征。
由10月28日08:00500hPa 图上可以看到(图略)，欧亚中高纬环流呈两槽一脊型，两个长波槽分别位于欧洲东部和亚洲东部，两槽之间是宽广的脊区，盛行偏西气流，锋区平直，西风带在105b E 附近有一短波槽活动，江苏受弱高压脊的影响，这次烟霾天气主要受该短波槽东移的影响。配合温度场来看，等高线和等温线配合比较一致，没有明显的冷暖平流。与500hPa 温压场配置相似,700hPa 高空槽在1
07b E 附近，江苏受弱高压脊的影响。在850hPa 图上，我国中东部地区均为温度脊控制，高空槽由东北穿过华北直至河套一带，受东南侧高压脊西伸北抬的影响，高空槽缓慢东移南下。来自孟加拉湾的水汽经槽前西南气流输送到我
国中东部。地面图上位于我国北方的弱冷空气前锋江南逢李龟年赏析
图3 2008年10月26日13:00~29日12:00的相对湿度(a)和能见度(b)逐时变化
Fig.3 H ourly change of r elative humility (a)and v isibility (b)fr om 13:00
on 26to 12:00on 29October 2008
796 高 原 气 象 29卷
到达东北、内蒙古一线，我国中东部地区为均压场
或弱高压控制，气压梯度小，水平风速弱，不利于污染物的水平扩散。
4 气象条件分析
4.1 风场分析
风是边界层内影响污染物扩散的重要动力因子，风向决定着大气中污染物的输送方向，风速决定着大气中污染物的扩散稀释速度，特别是低层风向、风速的变化直接影响空气污染物的聚散及各处的浓度分布。因此，风是影响霾天气形成和发展的首要气象因素。图4为2008年10月26~29日南京近地层的风速变化。由图可见，连续小风天气为污染物积累提供了很好的气象条件。南京26~28日风速偏小，基本上都是在3m #s -1以下，不利于
污染物水平输送。从风向上分析,26~27日南京都是以偏西风为主，而28日一整天都是偏东风，在NNE 到SE 之间变化，根据以前的统计结果,贪吃的后果
霾多
图4 2008年10月26~29日南京近地层风速时间变化
Fig.4 T ime change of w ind speed at surface layer in N anjing fro m 26to 29O cto ber
2008
图5 2008年10月26~29日南京风廓线雷达实测的垂直风场变化
(a)26日12:00~27日13:00,(b)27日12:00~28日13:00,(c)28日12:00~29日13:00
物候是什么意思F ig.5 T he v ertical w ind pro file o f radar o brv atio n in N anjing from 26t o 29Octo ber 2008.(a)fro m 12:00
o n 26to 13:00on 27,(b)fro m 12:00on 27to 13:00on 28,(c)fr om 12:00o n 28to 13:00on 29
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图6 2008年10月26~29日南京(a)和扬州(b)温度的时间-高度剖面Fig.6 Spat ial and tempo ral cross -ct ions of temperature in N anjing (a)
and Yang zhou (b)from 26t o 29Octo ber 2008
出现在偏东风时,ENE 到SE 的4个风向就占了总数的38.3%。通过分析26~29日高空风场(图5)发现,26~29日观测到的低层大气风速很小，并且在1km 以下有明显的风切变，不利于污染物的水平输送，特别是在100~450m 的高度层,28日上午基本上都是偏南风，且风速较小；下午开始转为北到东北
风，风速逐渐增大,23:00前后风速达到极值，约在300m 高度层达到16m #s -1，在该层有弱冷空气渗透，江苏部分地区已经开始下小雨，南京的相对湿度较低,28日22:00~29日01:00南京的能见度也达到最低;100m 以下的风受近地面建筑物的影响，风向较乱，风速较小，对污染物的平流输送作用不大，污染物在该层受湍流作用充分混合，而对平流扩散不起主要作用。
4.2 温度层结特征
利用N CEP 再分析资料分别对南京和扬州两站10月26~29日不同高度的温度场进行分析(图6)。从图6可以看出，在这次烟霾发生时,925hPa 以下气层的温度层结接近中性，上、下温差小，大气湍流交换能力和热力对流均较弱，不利于污染物扩散。在28~29日期间，假相当位温随高度升高都是上升的(图略),500hPa 与850hPa 假相当位温差均>0，这也说明高层大气层结也相当稳定。故当焚烧秸秆的烟气排出后，稳定大气层使垂直方向交换和低层湍流运动受到抑止，致使地面污染浓度不断积累增大，烟霾持续。
4.3 湿度特征
同样用NCEP 再分析资料做出了27~29
日南
图7 2008年10月26~29日南京(a)和扬州(b)温度露点差的时间-高度剖面F ig.7 Spatial and tempor al cro ss -ctio ns of depression of the dew point
in Nanjing (a)and Y ang zho u (b)fro m 26to 29O cto ber 2008
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京、扬州两地的温度露点差的垂直变化情况(图7)，从图7可以看出,27日空气较干，温度露点差普遍在12e以上，能见度均在10km以上，无烟霾出现,27日午后，两地950hPa以下湿度逐渐增大，但均未达到饱和;28日凌晨南京、扬州先后出现了烟霾，所以适当增加湿度有利于霾的形成。受冷空气影响,28日下午江苏省大部分地区出现降水，南京的温度露点差也降至4e以下，仍未饱和，而能见度进一步降低,28日一整天南京的相对湿度一直在49%~66%。29日01:00南京能见度仅400 m，相对湿度在70%左右，属严重烟霾污染。这是由于随着降水过程的出现，中低空湿度明显加大，吸湿粒子吸湿增长，干霾成湿霾，使得能见度降低。同时SO2、NO2等颗粒吸收水汽后经过一系列复杂化学变化转变为酸性物质，使空气污染加剧，人们感觉眼睛酸涩。南京降水出现在29日凌晨02:00前后，这次降水持续到30日早晨，过程较弱,24h降水4.7mm。在整个降水过程中，部分吸湿粒子凝结增大而没有达到下沉的比重，使得空气污染未得到改善，能见度始终维持在2km左右。
5污染物轨迹的反演
利用H ysplit-4模式模拟这次过程污染物的扩散轨迹，模拟用的气象背景场是美国的GDAS g lobal数据，网格距为2.5b@2.5b，垂直方向共14层，从地面到50hPa的气象场。地面要素场包括：地面气压、温度、地面U、V方向动量通量、感热通量、潜热通量、地面向下短波辐射通量，地形高度、2m高度的温度，相对湿度、10m高度的风向、风速、土壤湿度、总云量。高空要素场包括：水平、垂直风场、温度、高度、相对湿度。
由于28日云系较多，火点不明，因此，对南京地区28日12:00~20:00进行了逐时扩散模拟(图8)，图8中浅绿线(最左侧的一条线)为12:00影响轨迹，红线(最右侧的线)为20:00影响轨迹，从左到右每个时次一条线。由图可看出，南京地区的污染物源头来自扬州、镇江、泰州一带，最严重时期(18:00以后)的污染物主要来自泰州南部，这与之前卫星监测及地面观测员反映的情况很吻合。在实际预报中，可以在火点监测清楚的前提下，由江苏省气象台运行的WRF-V2预报场提取出H ysplit -4模式所需大气参数预报背景场，按照其格式要求，进行数据格式转换，并压缩存放成H y split-4输入数据文件，对未来的影响轨迹进行预判断。通过H ysplit-4模式，火点坐标信息以及WRF-V2提供的模式所需大气参数预报背景场，我们可以实现对污染物轨迹的预判断，结合环流背景分析是否有灾害性烟霾天气的潜势。但是，该方法尚存在缺陷，如极轨卫星观测频率比较低，遇有云层无法准确定位。需要再找到同时具有直观以及受天气影响
较小的观测定点途径。
图8H y split-4模拟2008年10月28日12:00~20:00
污染物扩散轨迹反演
Fig.8Diffud tr ack o f contamination r et riev ed
by the Hy split-4model fro m12:00to20:00
on28O ctober2008
6结论
(1)焚烧秸秆引起的空气中高浓度气溶胶污染是造成这次大范围烟霾天气的直接原因。
(2)江苏省受弱高压脊控制，地面图上为均压场或弱高压控制，气压梯度小，水平风速弱，加上低层风速较小，且存在风向切变，为烟霾的维持和加强提供了有利的环流和风场条件。急性肠炎症状
(3)稳定的大气层结也是烟霾维持的一个重要条件。
(4)烟霾天气下空气相对较干，而适当增加湿度有利于霾的形成。弱降水过程中，吸湿粒子吸湿凝结增大会使得能见度进一步降低。
(5)利用H y split-4模式来模拟这次过程污染物的扩散轨迹，发现南京地区的污染物源头来自扬州、镇江、泰州一带，且最严重时期(28日18:00以后)的污染物主要来自泰州南部。
参考文献
[1]高歌.1961)2005年中国霾日气候特征及变化分析[J].地理
799
3期孙燕等：南京及周边地区一次严重烟霾天气的分析
