南京市霾天氣與主要氣象條件的相關(guān)分析

趙子菁，魏永杰，張祥志，秦 瑋，謝慧芳*（.南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，江蘇 南京 0094；.中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 000；江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京006）

南京市霾天氣與主要氣象條件的相關(guān)分析

趙子菁1，魏永杰2，張祥志3，秦 瑋3，謝慧芳1*（1.南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012；3江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京210036）

利用天氣學(xué)原理，分析研究2012～2014年南京市霾天氣的主要地面天氣形勢、氣象要素以及PM2.5與PM10濃度的相互關(guān)系.結(jié)果表明，2012～2014年南京市霾天氣以輕度和輕微霾為主，且冬季最多，夏季最少；相對濕度在50%～80%之間有利于霾的發(fā)生，尤其是70%≤RH＜80%時；有87.6%的霾發(fā)生在風(fēng)速≤4m/s的情況下，并且主要來自東北偏東到東南風(fēng)向區(qū)域.最利于南京霾天氣形成的主要天氣形勢是均壓場、高壓控制和高壓后部，而低壓槽、副高控制和臺風(fēng)影響時霾發(fā)生較少.PM2.5在PM10中所占比例與霾強度呈正比.通過對南京市氣象條件與霾的關(guān)系，及后向軌跡HYSPLIT4模式的聚類分析顯示，結(jié)合南京市霾天氣時的風(fēng)向統(tǒng)計，影響南京霾發(fā)生的污染源主要有本地源、南京市東南地區(qū)的近距離污染源和華北地區(qū)的遠(yuǎn)距離污染源.

霾；地面天氣類型；氣象要素；后向軌跡模擬

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，機動車尾氣、建筑工地?fù)P塵、工業(yè)排放不斷增加，大氣氧化性不斷增強，二次污染也越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致我國霾天氣出現(xiàn)越來越頻繁.霾天氣不僅使能見度惡化，影響交通；還會對人類身體健康造成嚴(yán)重危害［1-3］；甚至能夠影響氣候和農(nóng)作物的生長［4-5］.

CHE等［6］研究了31個省會城市1981～2005年的霾特征變化，指出我國東部和東南部城市霾天氣上升趨勢顯著.高歌［7］在對1961～2005年中國霾日氣候特征和變化分析中指出，全國平均年霾日呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，特別是長江中下游地區(qū)，增加幅度大，趨勢顯著.長江三角州地區(qū)是我國霾最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是目前霾研究的重點區(qū)域之一［8-9］.童堯青等［10］對包括南京市區(qū)和江浦、六合、溧水、江寧、高淳等5縣1961～2005年的氣象資料進(jìn)行了分析研究，指出了灰霾天氣受氣象要素的影響，靜小風(fēng)、較高的相對濕度有利于灰霾的出現(xiàn)，能見度和相對濕度呈負(fù)相關(guān).陸曉波等［11］、高岑等［12］分別對2008年和2009年南京的一次霾天氣過程進(jìn)行了分析，指出近地面逆溫和近地面風(fēng)速較小等條件不利于大氣污染物的擴散和清除，這是造成這兩次灰霾天氣過程的重要條件.王靜等［13］對南京北郊2010年冬季一次霾天氣過程中氣溶膠的光學(xué)特性進(jìn)行了反演研究表明，霾影響期間氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）明顯增加，霾過程伴隨了大尺度氣溶膠的導(dǎo)入，同時也有人為排放的貢獻(xiàn).鄭秋萍等［14］對蘇州霾天氣的研究發(fā)現(xiàn)蘇州白天出現(xiàn)霾的頻率比夜間低.張國璉等［15］對影響上海市空氣質(zhì)量的地面天氣類型以及氣象要素研究指出春、秋、冬季易于引起上海市空氣污染的天氣類型有L型高壓、高壓、高壓前和均壓場4種地面天氣類型；氣壓與空氣污染物的關(guān)系為正相關(guān)，而氣溫、相對濕度和風(fēng)速與空氣污染物濃度呈負(fù)相關(guān).王建國等［16］、齊冰等［17］分別對濟南和杭州地區(qū)霾天氣的地面天氣類型進(jìn)行研究，表明影響濟南市霾的主要天氣類型是冷高壓和低壓槽；杭州地區(qū)高壓類型的天氣形勢對霾的產(chǎn)生有重要影響，氣旋和東風(fēng)帶形勢下較少出現(xiàn)霾.戴永立等［18］對2006～2009年我國超大城市霾天氣特征和影響因子的研究指出PM10和相對濕度是影響能見度和霾天氣頻率的關(guān)鍵因子.因此，可以認(rèn)為地面天氣類型和氣象要素與霾天氣的形成和擴散關(guān)系密切.本文根據(jù)收集掌握的數(shù)據(jù)資料，對2012～2014年南京市發(fā)生的霾天氣進(jìn)行分析，運用天氣學(xué)原理和方法對霾天氣發(fā)生時南京市的天氣類型和其他氣象條件進(jìn)行相關(guān)和歸類，并運用后向軌跡聚類分析研究南京市霾天氣污染來源軌跡，這對南京市未來對于霾天氣的預(yù)報、預(yù)警和防治均有重要意義.

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

本文采用美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，縮寫為NOAA）的全球氣象站數(shù)據(jù)（http: //gis.ncdc.noaa.gov/map/viewer/#app=clim &cfg= cdo&theme=hourly&layers=1&node=gis）分析逐時地面氣象數(shù)據(jù)，采用韓國氣象廳的歷史分析圖（http://222.195.136.24/forecast.html）分析地面天氣類型，PM數(shù)據(jù)采用江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心提供的數(shù)據(jù).HYSPLIT模型采用的氣象資料是NCEP（National Center for Environmental Prediction）的FNL全球分析資料，并經(jīng)過ARL（NOAA-Air Resources Laboratory）的預(yù)處理模塊轉(zhuǎn)化成模式所需要的格式.本文采用的是每日執(zhí)行4次，每6h一次（00:00、06:00、12:00、18:00），水平分辨率為1°×1°的大氣環(huán)流數(shù)據(jù).

1.2 研究方法

選用逐日8:00地面天氣圖為主，結(jié)合韓國氣象廳每天提供的每3h一張（02:00、05:00、08:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00）的共8張地面天氣圖進(jìn)行分析，按照天氣學(xué)原理，根據(jù)南京市在地面天氣圖氣壓場中所處位置，將地面天氣形勢分為10種，即:高壓控制，高壓后部，高壓底部，高壓前部，L型高壓，副高控制，低壓槽，低壓底部，均壓場，臺風(fēng)影響.

根據(jù)以上天氣型特征，統(tǒng)計2012～2014年南京市霾天氣發(fā)生時的天氣形勢，按照季節(jié)、月份統(tǒng)計不同時間霾天氣出現(xiàn)的頻率，分析不同的地面天氣形勢下風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素以及PM2.5與PM10濃度對霾天氣的影響.

2 結(jié)果分析

按照《中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—霾的觀測和預(yù)報等級》［19］（以下簡稱“霾標(biāo)準(zhǔn)”）中關(guān)于霾的判別規(guī)定對2012～2014年南京霾天氣進(jìn)行判定.在相對濕度80%～95%時，由于缺少PM1.0和氣溶膠散射、吸收系數(shù)數(shù)據(jù)，在相對濕度80%～95%時，本文只以PM2.5濃度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5濃度≥75μg/m3的判為霾.

同時按照霾標(biāo)準(zhǔn)［19］，將霾按照能見度（V）分為重度（V＜2km）、中度（2km≤V＜3km）、輕度（3km≤V＜5km）、輕微（5km≤V＜10km）4個等級.

2.1 霾的時間變化規(guī)律

圖1 2012～2014年南京市各月霾發(fā)生時長Fig.1 The monthly statistical time during haze weather in Nanjing， in 2012～2014

圖1是2012～2014年南京市各月霾天氣時長的統(tǒng)計，從總時次上來看2012年霾時次占全年的56.5%，2013年占全年的43.8%，2014年最少，占全年的41.9%.從霾等級來看，這3年中南京市的霾天氣以輕度和輕微霾為主，2012年的輕度和輕微霾占霾總時長的64.7%，2013年的占60.1%，2014年占65.8%.中、重度霾分別為，2012年占35.3%， 2013年占39.9%，2014年占34.2%. 2012～2014年南京市總的霾時長呈減少的趨勢，但是每年的霾總時長還在40%以上，中、重度霾的時長也在10%以上，因此，南京市仍然受到霾天氣的嚴(yán)重影響.

從逐月比較來看，常年霾發(fā)生頻次最高的月份為11月、12月和1月，最低的月份為7、8、9月3個月.2014年，由于8月份世界青奧會的召開，政府各部門采取了很多治理措施和一些強制性措施，因此，從2014年8月起，南京市的霾發(fā)生頻次顯著低于往年，同時，重度、中度和輕度灰霾的持續(xù)時間也顯著減少.從一個方面說明，對于本地源的有效控制，會在一定程度上減少霾的發(fā)生.

圖2 2012～2014年南京市各季節(jié)霾時長Fig.2 The quarterly statistical time during haze weather in Nanjing in 2012～2014

南京市春季為3月、4月、5月，夏季為6月、7月、8月，秋季為9月、10月、11月，冬季為1月、2月、12月.如圖2所示，2012～2014年南京市霾時長，冬季最多，春季次之，夏季最少.夏季比較充沛的雨水對空氣中懸浮的污染物有較好的沉降沖刷作用，不利于霾天氣的形成.冬季隨著降水的減少，同時穩(wěn)定的大陸冷高壓控制，使低層大氣層結(jié)穩(wěn)定，污染物堆積，高壓中心氣流下沉，對流層大氣下冷上熱，容易形成逆溫層，易于霾的發(fā)生.

對2012～2014年南京市各時次發(fā)生霾的時長進(jìn)行統(tǒng)計，分析南京市霾的日變化規(guī)律，結(jié)果見圖3.由圖3可見，早上7:00霾出現(xiàn)頻率增高，在9:00～10:00出現(xiàn)峰值，然后逐漸降低，在16:00～ 17:00達(dá)到低谷，之后再繼續(xù)上升，并持續(xù)到午夜，然后逐漸下降，到凌晨5:00～6:00達(dá)到最小值.這種變化過程，與交通早晚高峰的變化規(guī)律和污染排放非常符合，同時，由于污染物堆積在夜間形成的逆溫層內(nèi)，日出后，地表受熱，對流加強，地面污染物濃度上升.隨著氣溫上升，地面邊界層增高，風(fēng)速增大，有利于污染物的擴散和輸送，霾出現(xiàn)頻率也逐漸降低.17:00以后，隨著交通晚高峰的出現(xiàn)，日落、混合層高度降低，逆溫層的形成，也使得污染物在近地面堆積，利于霾的形成，出現(xiàn)次高峰值.因此交通源的貢獻(xiàn)，在霾的形成過程中不容忽視.

圖3 2012～2014年南京市各時次霾時長Fig.3 The hourly statistical time during haze weather in Nanjing in 2012～2014

2.2 影響霾的氣象要素分析

2.2.1 相對濕度 圖4是2012～2014年南京市霾天氣發(fā)生時的相對濕度統(tǒng)計.2012～2014年所有的霾天氣統(tǒng)計結(jié)果顯示，發(fā)生重度霾時的平均相對濕度為84.3%，中度76.6%，輕度69.2%，輕微60.1%.相對濕度低于70%時發(fā)生的重度霾為200h，僅占重度霾總數(shù)的8.0%；相對濕度高于80%的輕微霾為297h，占輕微霾總數(shù)5.9%.可以看出相對濕度較高時，利于重度和中度霾發(fā)生，即高的相對濕度更有可能發(fā)生霾，霾的發(fā)生不僅與相對濕度呈反比［10］，還與相對濕度的高低有關(guān).這是由于一方面顆粒物的吸光消光特性會隨著相對濕度的增大而明顯增強，造成能見度降低，另一方面可能由于顆粒物中的吸濕性化學(xué)組分在高相對濕度條件下反應(yīng)加速、吸濕性增強，從而影響能見度［20-21］，發(fā)生霾.

圖4 2012～2014年南京市各月各類霾平均相對濕度Fig.4 Monthly average relative humidity of various types during haze weather in Nanjing in 2012～2014

為了更好的了解霾隨相對濕度的變化規(guī)律，對2012～2014年相對濕度進(jìn)行了統(tǒng)計，如表1所示.相對濕度在50%～80%之間有利于霾的發(fā)生，尤其是70%≤RH＜80%時，霾發(fā)生頻率高達(dá)71.45%；而中、重度霾則多在RH≥70%的情況下發(fā)生，特別是80%≤RH＜90%時，而相對濕度較低時（RH＜50%）不利于霾發(fā)生.此結(jié)論與魏建蘇等［22］對2004年1月到2008年7月南京霾特征的研究結(jié)果接近，其結(jié)果認(rèn)為相對濕度40%～70%有利于霾天氣的出現(xiàn)，尤其50%～60%出現(xiàn)概率最高.有研究表明［23-24］大氣能見度隨著相對濕度的增大而明顯降低，但是在高相對濕度下水汽對能見度的影響很大，甚至超過氣溶膠粒子對其的影響.RH在75%以上時，大氣能見度能較好反應(yīng)PM10濃度的變化，RH大于75%時，大氣能見度的降低主要反應(yīng)的是PM10含水量的快速增加而不只是PM10濃度的增加［25］.所以在高RH下，能見度降低，出現(xiàn)中重度霧霾頻率增高，但是氣溶膠粒子濃度不一定增加，由于霾標(biāo)準(zhǔn)中RH在80%～95%時，要加入PM2.5、PM1.0等限制，所以總霧霾頻率反而降低了.有研究表明［26］，霧和霾往往相伴出現(xiàn)，而且可以互相轉(zhuǎn)化，空氣的飽和水汽壓是隨著溫度降低的，降溫可導(dǎo)致空氣的RH增大，當(dāng)RH超過臨界飽和度時，霾就會轉(zhuǎn)化為霧.反之，霧也可以轉(zhuǎn)化為霾.

表1 2012～2014年南京市相對濕度變化趨勢Table 1 The change trend of relative humidity in Nanjing 2012～2014

2.2.2 風(fēng)速及風(fēng)向 （1）風(fēng)速 風(fēng)速是影響霾天氣的重要氣象要素，南京市2012～2014年大于4m/s的霾天氣只占總時長的12%，靜風(fēng)的占8%，有34%的霾是在風(fēng)速3～4m/s的情況下發(fā)生的，而多達(dá)46%的霾是在風(fēng)速≤2m/s的條件下發(fā)生的（圖5a）.這說明，靜小風(fēng)不利于污染物的擴散稀釋，有利于霾天氣的形成.如果只討論中、重度霾天氣（圖5b），風(fēng)速3～4m/s和大于4m/s所占比例都有所下降，而靜風(fēng)和1～2m/s的所占比例都有所升高，這說明靜小風(fēng)更利于中、重度霾發(fā)生.

（2）風(fēng)向 把風(fēng)向分為北（350°、360°、10°）、東北偏北（20°、30°）、東北（40°、50°）、東北偏東（60°、70°）、東（80°、90°、100°）、東南偏東（110°、120°）、東南（130°、140°）、東南偏南（150°、160°）、南（170°、180°、190°）、西南偏南（200°、210°）、西南（220°、230°）、西南偏西（240°、250°）、西（260°、270°、280°）、西北偏西（290°、300°）、西北（310°、320°）、西北偏北（330°、340°）16個方位，對2012～2014年南京市除去靜風(fēng)、風(fēng)向不定外的情況進(jìn)行統(tǒng)計.如圖6a所示，2012～2014年南京市主導(dǎo)風(fēng)向是偏東風(fēng).圖6b、圖6c分別是2012～2014年南京市霾天氣和中重度霾天氣風(fēng)向圖，南京市的主導(dǎo)風(fēng)向與霾發(fā)生的主要風(fēng)向一致，發(fā)生中重度霾時，東南風(fēng)明顯較少，說明南京市中重度霾時多為偏東北風(fēng)，而東南風(fēng)時多為輕度和輕微霾.

圖5 2012～2014年南京市霾時及中、重度霾時風(fēng)速統(tǒng)計Fig.5 The statistics of wind speed of haze weather in Nanjing 2012～2014

在南京市從東北至東南（順時針）方向，尤其是東北偏東方向進(jìn)行污染整治，減少大氣污染排放，并在該范圍持續(xù)有風(fēng)速＜4m/s預(yù)報時，做好對該風(fēng)向輸送路徑上的重大污染源的控制，有可能在未來，提前做到污染控制，不至引起大范圍持續(xù)霾的發(fā)生.

圖6 2012～2014年南京市各風(fēng)向時長統(tǒng)計Fig.6 The statistics of wind direction in Nanjing 2012～2014

2.3 影響霾的地面天氣類型分析

根據(jù)2012～2014年南京市天氣氣候特點，根據(jù)韓國氣象局逐日地面天氣圖資料，依據(jù)天氣學(xué)的原理、南京在地面氣壓場所處位置以及天氣形發(fā)生的頻次，將南京市2012～2014年地面天氣形勢分為以下10類:高壓控制，高壓后部，高壓底部，高壓前部，L型高壓，副高控制，低壓槽，低壓底部，均壓場，臺風(fēng)影響.

分別統(tǒng)計出2012～2014年這10類天氣形勢出現(xiàn)的天數(shù)和各類天氣形勢下霾時長，結(jié)果列于表2.從表2統(tǒng)計結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，副高、臺風(fēng)、低壓槽這3種天氣形勢下霾出現(xiàn)頻率較低；而在高壓控制、均壓場和高壓后部這3種天氣形勢下霾出現(xiàn)頻率較高.

表2 2012～2014年天氣形勢與霾時長統(tǒng)計Table 2 The statistical time of weather types and haze days in Nanjing 2012～2014

針對影響南京地區(qū)較頻繁（樣本數(shù)≥100d）的天氣形勢和霾出現(xiàn)頻率較高（霾出現(xiàn)頻率≥50%）的天氣形勢作出分析.

低壓槽包括影響南京地區(qū)的低壓氣旋、倒槽、準(zhǔn)靜止鋒等形勢，是影響南京地區(qū)最為頻繁的地面天氣形勢，通常伴隨著高空的西南暖濕氣流，使本場多降水天氣，利于污染物的沉降不大會有霾天氣的發(fā)生.

高壓底部、高壓控制和高壓后部3種天氣形勢影響南京地區(qū)的樣本天數(shù)接近，且同為高壓系統(tǒng)，但是霾的出現(xiàn)頻率大不相同.高壓底部影響南京地區(qū)時，高壓中心偏北，雖會帶來北方的污染物，但是由于冷空氣滲透南下，風(fēng)速較大，對本地污染物也有一定的清潔作用，所以高壓底部是這三類天氣形勢中霾出現(xiàn)頻率最低的.南京地區(qū)處于高壓中心或附近時，本場為高壓控制，多發(fā)生在冷空氣過境之后，天氣晴好，高壓控制的前幾天由于冷空氣過境的清潔作用，把本地的污染物吹散，會出現(xiàn)較好的空氣質(zhì)量，霾天氣也少有發(fā)生，持續(xù)的高壓控制導(dǎo)致較小的風(fēng)速，還有晴朗夜間多出現(xiàn)的輻射逆溫現(xiàn)象，造成污染物持續(xù)堆積，難以擴散，霾出現(xiàn)頻率增高.高壓后部控制時，多為高壓移除南京地區(qū)，本地污染物堆積濃度已經(jīng)較高，且高壓后部多偏東風(fēng)，南京地區(qū)離海較遠(yuǎn)，不能輸送來海上的清潔空氣而是帶來了下游地區(qū)的污染物導(dǎo)致霾繼續(xù)加重，所以高壓后部是南京地區(qū)霾出現(xiàn)頻率最高的天氣形勢.

均壓場控制本場時，氣壓梯度弱，風(fēng)速較小，層結(jié)穩(wěn)定，有利于霾天氣的產(chǎn)生.

低壓底部影響南京地區(qū)的天數(shù)并不多，不過霾出現(xiàn)的頻率卻較高，低壓底部控制本場時，本場主要為西南和偏西風(fēng)影響，風(fēng)速不大，地面輻合較強，容易造成周邊污染物聚積，同時發(fā)生逆溫的可能性較大，不利于污染物擴散這些條件都加大了霾天氣發(fā)生的可能性.

2.4 PM2.5和PM10的分析

圖7 2012～2014年各霾等級下PM2.5與PM10濃度平均值Fig.7 The average concentrations of PM2.5and PM10of in Nanjing in 2012～2014

研究表明，在一定氣象條件下大氣中的氣溶膠粒子是導(dǎo)致霾發(fā)生的重要因素［27-30］.如圖7所示，隨著霾等級的加重，PM2.5與PM10濃度平均值不斷升高，這說明，在PM2.5與PM10濃度較高的情況下，更加利于重度和中度霾天氣的發(fā)生，當(dāng)濃度較低時，則發(fā)生輕度和輕微霾.從PM2.5占PM10的比例來看，輕微霾時PM2.5占PM10的比例是51.3%，輕度霾時是56.9%，中度霾時是65.1%，重度霾時達(dá)69.7%.吳兌等［31］在對粵港細(xì)粒子（PM2.5）污染導(dǎo)致能見度下降的研究也表明，珠江三角州地區(qū)能見度惡化與細(xì)粒子關(guān)系較大，近年來隨著霾增多，PM2.5占PM10比重越來越高，可達(dá)51%～79%.這說明隨著霾等級的提升，PM2.5的影響增強，因為能見度是霾的等級區(qū)分的標(biāo)準(zhǔn)，所以可以說，在低能見度時PM2.5的貢獻(xiàn)比PM10更大.

3 基于后向軌跡模式的污染物路徑研究

根據(jù)所歸類的10種天氣型，結(jié)合PM2.5污染情況，進(jìn)行基于后向軌跡模式的污染物路徑研究，以期為今后的污染預(yù)報預(yù)警提供理論依據(jù).

3.1 后向軌跡模式HYSPLIT簡介

HYSPLIT-4模型［32-33］是由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局在過去20年間聯(lián)合研發(fā)的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業(yè)模型.該模型是Eulerian-Lagrangian混合型的擴散模式，其平流和擴散計算采用Larangian方法，而濃度計算采取Eulerian方法，即采用Larangian方法以可變網(wǎng)格定義污染源，分別進(jìn)行平流和擴散運算；采用通常Eulerian方法在固定的網(wǎng)格點上計算污染物濃度.

3.2 軌跡模擬方案

由于模擬出來的軌跡數(shù)量較大，為了清晰的看出軌跡來源，使用簇分析的方法對軌跡進(jìn)行聚類分析（cluster analysis）.

在HYSPLIT模式中的聚類分析是根據(jù)氣團(tuán)水平移動速度和方向?qū)Υ罅寇壽E進(jìn)行分組得出的輸送軌跡組，從而分析大氣污染物的污染源區(qū).鄧雪嬌等［34］等運用HYSPLIT模型對深圳地區(qū)典型大氣污染過程進(jìn)行了分析，說明了珠三角上游地區(qū)的污染對深圳地區(qū)存在明顯影響，污染輸送可能是造成深圳地區(qū)重污染的關(guān)鍵因子.根據(jù)潘鵠等［35］對上海地區(qū)的灰霾天氣研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)邊界層高度降至600m左右時，易發(fā)生中度、重度灰霾；鄧濤等［36］對廣州地區(qū)灰霾天氣的研究表明發(fā)生灰霾天氣時，霾層厚度基本達(dá)到在1km，午后可達(dá)1.5km，而發(fā)生嚴(yán)重灰霾天氣時，霾層只有500m.經(jīng)過多次篩選比較，認(rèn)為選取500m作為模擬的初始高度，對于本地比較適合.同時選用氣象資料觀測點坐標(biāo)31.93°N，118.90°E為終點.分別對2012～2014年進(jìn)行72h后向軌跡分析，對中、重度霾（能見度＜3km）且PM2.5＞115 μg/m3（中度污染及以上）［37］的情況下按地面天氣類型進(jìn)行聚類分析.雖然統(tǒng)計分類了10種天氣型，由于副熱帶高壓控制和臺風(fēng)影響時幾乎不發(fā)生霾，所以只對其余8種地面天氣類型進(jìn)行分析討論.

3.3 2012～2014年中重度污染各天氣形勢聚類分析

圖8是對2012～2014年各天氣形勢下中、重度霾天氣進(jìn)行的72h后向軌跡聚類分析.可以發(fā)現(xiàn)各天氣形勢下，軌跡都不相同，說明不同天氣形勢下對南京市霾天氣有不同的影響.例如均壓場和低壓槽控制時，南京市霾天氣的污染源多為本地源；高壓后部控制時，污染源多從南京市東南地區(qū)進(jìn)入；高壓控制和低壓底部時污染源多來自華北地區(qū)；高壓前部、L型高壓多為西北底部的長距離輸送；高壓底部時多從南京東北方向進(jìn)入.

圖8 2012～2014南京市不同天氣形勢后向軌跡聚類分析Fig.8 The backward trajectory clustering analysis of Nanjing in different weather types in 2012～2014

3.4 2012～2014年中重度霾天氣聚類分析

為了弄清楚南京中重度霾發(fā)生時主要來源，對2012～2014年出現(xiàn)的PM2.5＞115μg/m3的中、重度霾情況共360d的1440條軌跡進(jìn)行聚類分析，共得到6類軌跡組（圖9）.第1類（41%）為本地附近的污染源，在南京市東南部有堆積；第6類（9%）72h前位于600km左右的東北海上，從杭州灣附近登陸，然后從東南方向進(jìn)入南京；其他4類都是來自南京西北方向，第3類（13%）和第5類（4%）為長距離輸送，分別從南京的東北和西北進(jìn)入；第2類（22%）和第4類（11%）來自華北地區(qū)，其中第2類從西北方向緩慢移向南京，第4類經(jīng)山東半島入海后回轉(zhuǎn)從南京偏東方向進(jìn)入.總的來看2012～2014年的中、重度霾天氣中，有74%（第1、3、4、6類）是從東部進(jìn)入南京的，其余26%（第2、5類）是從西北方向進(jìn)入南京的.從污染源來看，南京附近地區(qū)的本地污染源在中、重度霾中占的比例最大（41%），來自華北地區(qū)次之（33%），西北地區(qū)的長距離輸送和海上的輸送較少.72h前高度大多處于1500～2000m之間，36h前沉降到1000m附近，12h前大多已經(jīng)在500m左右的高度，這說明發(fā)生中、重度霾時南京附近地區(qū)氣流較穩(wěn)定，沒有明顯的沉降或上升運動.

圖9 2012～2014年南京市中重度霾后向軌跡聚類分析Fig.9 The backward trajectory clustering analysis of the medium and heavy haze weather in Nanjing 2012～2014

通過對2012～2014年南京市中、重度霾的后向軌跡聚類分析，可以發(fā)現(xiàn)，影響南京中、重度霾天氣的污染來源，首先是本地附近的影響，然后是華北地區(qū)，西北地區(qū)和海上.中、重度霾進(jìn)入南京的方向多為西北、東北和偏東.

趙普生等［38］對京津冀區(qū)域霾天氣特征的研究指出，由于奧運會前后明顯減少了污染物排放，且整體氣象條件較好，2008年霾日數(shù)較前兩年有明顯下降.我們的研究也表明，在南京召開青奧會期間對本地源的有效控制會減少霾的發(fā)生.綜合研究結(jié)果，建議對南京地區(qū)可根據(jù)不同的天氣型進(jìn)行顆粒物污染預(yù)警、預(yù)報，針對不同的天氣形勢對不同的污染路徑上的主要排放源進(jìn)行控制，以控制和減少霾天氣的影響和發(fā)生.特別是東北方向，無論是在地面風(fēng)還是500m高度的后向軌跡模擬中都是污染源進(jìn)入南京的一條重要路徑，應(yīng)該針對這個方向加以防治.同時加大對本地附近地區(qū)大氣污染的治理，關(guān)注華北地區(qū)大氣污染變化和輸送.

4 結(jié)論

4.1 南京市2012～2014年的霾天氣以輕度和輕微霾為主，從季節(jié)來，冬季最多，春季次之，夏季最少.從日變化來看霾在上午5:00～6:00出現(xiàn)最少，9:00～10:00最多，16:00～17:00出現(xiàn)次少.

4.2 均壓場、高壓控制和高壓后部這三種地面天氣形勢影響南京市時有利于霾天氣發(fā)生，副高、臺風(fēng)、低壓槽控制南京市時不利于霾發(fā)生.

4.3 相對濕度在50%～80%之間有利于霾的發(fā)生，尤其是70%≤RH＜80%時霾發(fā)生頻率最高；中、重度霾多在RH≥70%的情況下發(fā)生，特別是80%≤RH＜90%時.而相對濕度較低時（RH＜50%）不利于霾發(fā)生.

4.4 靜小風(fēng)不利于污染物的擴散稀釋，有利于霾天氣，特別是中度和重度霾的形成. 2012～2014年南京市霾天氣主要發(fā)生在風(fēng)向東北偏東到東南之間，風(fēng)向偏西北時霾發(fā)生較少，風(fēng)向偏東南時，發(fā)生的霾天氣多為輕度和輕微霾，發(fā)生中、重度霾時的主要風(fēng)向為東北到東.

4.5 影響南京市霾發(fā)生的污染源主要有本地源、南京市東南地區(qū)的近距離污染源和華北地區(qū)遠(yuǎn)距離污染源.不同天氣形勢下，污染源進(jìn)入南京的路徑不同，東北方向是其中一條重要途徑.

4.6 南京可根據(jù)對不同天氣型進(jìn)行顆粒物污染的預(yù)警、預(yù)報，對污染路徑上的主要污泥源進(jìn)行控制，以控制和減少霾天氣的影響及發(fā)生.

［1］Tie X， Wu D， Brasseur G. Lung cancer mortality and exposure to atmospheric aerosol particles in Guangzhou， China ［J］. Atmospheric Environment， 2009，43（14）:2375-2377.

［2］Lim S S， Vos T， Flaxman A D， et al. A comparative risk assessment of burden of disease and injury attributable to 67riskfactors and risk factor clusters in 21regions， 1990-2010: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2010［J］. The lancet， 2013，380（9859）:2224-2260.

［3］Xu P， Chen Y， Ye X. Haze， air pollution， and health in China ［J］. The Lancet， 2013，382（9910）:2067.

［4］Menon S， Hansen J， Nazarenko L， et al. Climate effects of black carbon aerosols in China and India ［J］. Science， 2002，297（5590）: 2250-2253.

［5］Ramanathan V， Crutzen P J， Lelieveld J， et al. The Indian Ocean experiment: An integrated analysis of the climate forcing and effects of the great Indo-Asian haze ［J］. J. Geophys. Res.， 2001，106（22）:371-398.

［6］Che H， Zhang X， Li Y， et al. Haze trends over the capital cities of 31provinces in China， 1981-2005 ［J］. Theoretical and Applied Climatology， 2009，97（3/4）:235-242.

［7］高 歌.1961～2005年中國霾日氣候特征及變化分析 ［J］. 地理學(xué)報， 2008，63（7）:761-768.

［8］史 軍，崔林麗.長江三角洲城市群霾的演變特征及影響因素研究 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2013，33（12）:2113-2122.

［9］劉曉慧，朱 彬，王紅磊，等.長江三角洲地區(qū)1980～2009年灰霾分布特征及影響因子 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2013，33（11）:1929-1936.

［10］童堯青，銀 燕，錢 凌，等.南京地區(qū)霾天氣特征分析 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2007，27（5）:584-588.

［11］陸曉波，許建華.一次典型灰霾天氣過程及成因分析 ［J］. 環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警， 2009，1（1）:10-13.

［12］高 岑，王體健，吳建軍，等.2009年秋季南京地區(qū)一次持續(xù)性灰霾天氣過程研究 ［J］. 氣象科學(xué)， 2012，32（3）:246-252.

［13］王 靜，牛生杰，許 丹，等.南京一次典型霧霾天氣氣溶膠光學(xué)特性 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2013，33（2）:201-208.

［14］鄭秋萍，劉紅年，唐麗娟，等.蘇州灰霾特征分析 ［J］. 氣象科學(xué)，2013（1）:83-88.

［15］張國璉，甄新蓉，談建國，等.影響上海市空氣質(zhì)量的地面天氣類型及氣象要素分析 ［J］. 熱帶氣象學(xué)報， 2010，26（1）:124-128.

［16］王建國，王業(yè)宏，盛春巖，等.濟南市霾氣候特征分析及其與地面形勢的關(guān)系 ［J］. 熱帶氣象學(xué)報， 2008，24（3）:303-306.

［17］齊 冰，劉壽東，杜榮光，等.杭州地區(qū)氣候環(huán)境要素對霾天氣影響特征分析 ［J］. 氣象， 2012，38（10）:1225-1231.

［18］戴永立，陶 俊，林澤健，等.2006～2009年我國超大城市霾天氣特征及影響因子分析 ［J］. 環(huán)境科學(xué)， 2013，34（8）:2925-2932.

［19］QX/T 113-2010 霾的觀測和預(yù)報等級 ［S］.

［20］Xiao Z， Zhang Y， Hong S， et al. Estimation of the main factors influencing haze， based on a long-term monitoring campaign in Hangzhou， China ［J］. Aerosol and Air Quality Resarch， 2011， 11（7）:873-882.

［21］Pitchford M， Malm W， Schichtel B， et al. Revised algorithm for estimating light extinction from IMPROVE particle speciation data ［J］. Journal of the Air and Waste Management Association， 2007，57（11）:1326-1336.

［22］魏建蘇，孫 燕，嚴(yán)文蓮，等.南京霾天氣的特征分析和影響因子初探 ［J］. 氣象科學(xué)， 2010，30（6）:868-873.

［23］姚 青，蔡子穎，韓素芹，等.天津冬季相對濕度對氣溶膠濃度譜分布和大氣能見度的影響 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2014，34（3）:596-603.

［24］宋 明，韓素芹，張 敏，等.天津大氣能見度與相對濕度和PM10及PM2.5的關(guān)系 ［J］. 氣象與環(huán)境學(xué)報， 2013，29（2）:34-41.

［25］龔識懿，馮加良.上海地區(qū)大氣相對濕度與PM10濃度和大氣能見度的相關(guān)性分析 ［J］. 環(huán)境科學(xué)研究， 2012，25（6）:628-632.

［26］劉端陽，濮梅娟，嚴(yán)文蓮，等.淮河下游連續(xù)霧-霾及轉(zhuǎn)換成因分析［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2014，34（7）:1673-1683.

［27］Wu D， Alexis Kai-Hon Lau， Leung Y K， et al. Haze weather formation and visibility deterioration resulted from fine particulate （PM2.5） pollutions in Guangdong and Hong Kong ［J］. Acta Scientiae Circumstantiae， 2012，32（11）:2660-2669.

［28］Okada K， Ikegami M， Zaizen Y， et al. The mixture state of individual aerosol particles in the 1997 Indonesian haze episode［J］. Journal of Aerosol Science， 2001，32（11）:1269-1279.

［29］Whiteaker J R， Suess D T， Prather K A. Effects of meteorological conditions on aerosol composition and mixing state in Bakersfield， CA ［J］. Environmental Science and Technology， 2002，36（11）: 2345-2353.

［30］Baik N J， Kim Y P， Moon K C. Visibility study in Seoul， 1993 ［J］. Atmospheric Environment， 1996，30（13）:2319-2328.

［31］Wu D， Deng X， Bi X， et al. Study on the visibility reduction caused by atmospheric haze in Guangzhou area ［J］. Journal of Tropical Meteorology， 2007，23（1）:1-6.

［32］Draxler R R，Hess G D. An overview of the HYSPLIT_ 4modelling system for trajectories ［J］. Australian Meteorological Magazine， 1998，47（4）:295-308.

［33］Draxler R R， Stunder B， Rolph G， et al. HYSPLIT_4User's Guide， via NOAA ［J］. ARL. Silver Spring， MD: NOAA Air Resources Laboratory， 2009.

［34］鄧雪嬌，黃 健，吳 兌，等.深圳地區(qū)典型大氣污染過程分析［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2006，26（suppl.）:7-11.

［35］潘 鵠，耿福海，陳勇航，等.利用微脈沖激光雷達(dá)分析上海地區(qū)一次灰霾過程 ［J］. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報， 2010，30（11）:2164-2173.

［36］鄧 濤，吳 兌，鄧雪嬌，等.一次嚴(yán)重灰霾過程的氣溶膠光學(xué)特性垂直分布 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2013，33（11）:1921-1928.

［37］GB3095-2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) ［S］.

［38］趙普生，徐曉峰，孟 偉，等.京津冀區(qū)域霾天氣特征 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2012，32（1）:31-36.

The correlation analysis of Nanjing haze days and meteorological factors.

ZHAO Zi-jing1， WEI Yong-jie2， ZHANG Xiang-zhi3， QIN Wei3， XIE Hui-fang1*（1.School of Environmental and Biological Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment and Environmental Standards Institute， Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China；3.Jiangsu Environmental Monitoring Center， Nanjing 210036， China）. China Environmental Science， 2015，55（12）：3570～3580

In the present study， we discussed the interactions between surface weather types， ground weather situations，meteorological elements and the concentration of PM2.5and PM10in the haze days in Nanjing 2012～2014 by using synoptic meteorology principle. The results showed that most of the haze pollutions in Nanjing were slight and mild，mainly occurred in winter and seldom in the summer. The haze days occurred easily when the relative humidity between 50%～80%， especially 70%～80%. Nearly 87.6% of the haze days occurred in the case of wind speed 4m/s or less and wind direction northeast to southeast. The haze days frequently presented in the uniform pressure field， high pressure control，and the back of the high pressure， while in the conditions of under controlled by the subtropical high pressure， low pressure trough and typhoon， it was rare. The ratio of mass concentrations of PM2.5in PM10was proportional to the strength of haze pollutions. The results of trajectory clustering analysis by HYSPLIT4 mode showed that in the medium and heavy haze days in Nanjing， it was mainly affected by the local pollution and sources from northeast China and southeast of Nanjing.

haze；the ground weather types；meteorological elements；HYSPLIT4

X16

A

1000-6923（2015）12-3570-11

趙子菁（1987-），男，江蘇如皋人，碩士研究生，主要研究方向為大氣污染化學(xué)與控制.

2015-05-06

國家自然科學(xué)基金資助項目（21477119）

* 責(zé)任作者， 副教授， huifangxie@hotmail.com