冷空气南下对江苏省重污染天气过程的影响

曹璐，刘端阳*，陆维青，严文莲，陈昊

(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)

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[1-11]。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)》(HJ 633—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(PM2.5)、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、PM10和O3污染物均达重度污染以上，则分别算为PM2.5、PM10和O3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。

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[13-21]。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[22-30]。

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差异[32]。

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PM2.5、PM10和O3重度污染和严重污染132 d，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，PM2.5占绝对主导地位，PM10主要出现在中路，O3在中路和东路概率均较高。

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2 d以上重污染率达30%以上，最长连续重污染可达6 d；东路冷空气影响时，连续2 d以上重污染率为18%，全省仅出现一次连续3 d的重污染，单站点连续污染最多2 d。

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PM2.5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O3。

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，850 hPa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 ～1 000 hPa上多为高压前东北/西北气流。

图2 西路、中路、东路冷空气影响时江苏省地面气压平均场

图3 冷空气影响致江苏重污染日高低空环流配置

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 d，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 d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%；西路冷空气影响时，平均相对湿度较小，为58%。

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 km。混合层厚度小，不利于污染物垂直扩散。

表3 不同路径冷空气影响致南京重污染日的风向和风速 m/s

表4 不同路径冷空气影响致南京重污染日的逆温情况

3.3 不同路径冷空气对ρ(PM2.5)日增幅影响

根据冷空气背景下江苏省105个PM2.5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，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 μg/m3；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ρ(PM2.5)的影响

江苏省发生区域性重污染时，南京市ρ(PM2.5)日增幅>50 μg/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24 h与南京市ρ(PM2.5)差>50 μg/m3；(2) 上游有污染正输送，近地层有逆温或地面风速<2 m/s；(3) 上游有污染负输送，近地层逆温强度>1.6(℃/100 m)，且地面风速<2 m/s。

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PM2.5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，O3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<1.2 km；前日和当日风速<4 m/s，无降水或<1.0 mm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，ρ(PM2.5)日增量也可>100 μg/m3；上游污染负输送，风速< 2 m/s，近地层逆温强度>1.6(℃/100 m)，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，ρ(PM2.5)日最大增幅< 150 μg/m3，且最大增幅< 100 μg/m3的概率为94.4%；在西路和东路冷空气的影响下，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。