空氣污染天氣過程與氣象要素的關(guān)系研究

楊袁慧 王蕊 程宸 房志玲 曹久才

摘要? ? 本文基于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)2017年3月北京地區(qū)一次空氣污染過程的特征、天氣形勢(shì)以及氣象要素特征等進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明，天氣形勢(shì)靜穩(wěn)、缺少北方冷空氣南下、逆溫、擴(kuò)散條件差、以南風(fēng)為主等是污染物累積階段的大氣環(huán)流特征，也是導(dǎo)致北京地區(qū)空氣污染的主要原因。氣象要素與污染物擴(kuò)散、稀釋聯(lián)系緊密，風(fēng)速越大，污染物濃度擴(kuò)散稀釋越快，空氣質(zhì)量指數(shù)越低;逆溫強(qiáng)度增大，污染物濃度升高，污染加重;降水量對(duì)于空氣污染物濃度具有一定稀釋作用。

關(guān)鍵詞? ? 空氣污染;空氣質(zhì)量;天氣形勢(shì);氣象要素

中圖分類號(hào)? ? P49? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）22-0131-04? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Abstract? ? Based on the environmental air quality monitoring data and meteorological observation data，this paper made a comprehensive analysis of an air pollution weather process in Beijing area in March 2017，including the characteristics of primary air pollution process，the weather situation and meteorological elements. The results showed that the characteristics of weather situation in the accumulation phase of pollutants were static and stable weather situation，lack of northern cold air southward，temperature inversion，poor diffusion conditions and mainly southern wind，which were also the main causes of air pollution in Beijing area. Meteorological elements are closely related to pollutant diffusion and dilution. The higher the wind speed is，the faster the pollutant concentration diffuse and dilute，and the lower the air quality index is. When the intensity of temperature inversion is increasing，the pollutant concentration increases，and the pollution increases. Precipitation has some dilution effect on air pollutant concentration.

Key words? ? air pollution;air quality;weather situation;meteorological element

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市群規(guī)模的快速擴(kuò)大、機(jī)動(dòng)車數(shù)量的快速增長(zhǎng)，大氣中的污染物濃度逐年攀升[1]，我國(guó)城市大氣污染已經(jīng)由局地單一的煤煙型污染轉(zhuǎn)變成了區(qū)域性復(fù)合型大氣污染[2]，越發(fā)繁榮的經(jīng)濟(jì)持續(xù)降低著城市區(qū)域空氣質(zhì)量，尤其是由高濃度的大氣顆粒物污染導(dǎo)致的霧霾天氣已經(jīng)引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，如何提高城市大氣環(huán)境質(zhì)量已成為目前亟須解決的重大環(huán)境問題。

隨著空氣污染問題的日漸嚴(yán)峻，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后開展了深入的研究與探討。從20世紀(jì)60年代開始，Pasquill和Gifford即討論給出了不同穩(wěn)定度條件下污染物的擴(kuò)散參數(shù)曲線[3];之后Davis等[4]研究指出，大尺度環(huán)流形勢(shì)和局地氣象條件在短時(shí)間內(nèi)對(duì)重污染過程構(gòu)成重要作用;Flocas等[5]對(duì)5類局地環(huán)流和4類大氣環(huán)流形勢(shì)對(duì)污染狀況的影響做出了詳細(xì)的分析;Chow等[6]研究灰霾天氣的成因發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)灰霾天氣的形成是因?yàn)槿藶橹苯优欧乓约皻鈶B(tài)到顆粒態(tài)的轉(zhuǎn)換而形成大量顆粒物。國(guó)內(nèi)方面，蘇福慶等[7]研究指出，污染物的聚集、輸送和擴(kuò)散受邊界層中氣象因子梯度分布的影響;任陣海等[8]發(fā)現(xiàn)，持續(xù)的逆溫層和干潔的暖空氣蓋是造成污染的重要原因;魏文秀[9]研究表明，霾的出現(xiàn)與天氣形勢(shì)有關(guān)，霾頻數(shù)大小與空氣污染程度和地形聯(lián)系密切;程念亮等[10]采用數(shù)值模式與觀測(cè)資料相結(jié)合的方式，分析表明，北京市空氣重污染過程及成因與當(dāng)?shù)貧庀髼l件有著緊密的聯(lián)系;趙敬國(guó)等[11]通過分析蘭州市的空氣污染物與氣象要素之間的關(guān)系，得出相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象要素對(duì)大氣污染物產(chǎn)生重要影響;胡春梅等[12]研究重慶地區(qū)連續(xù)的2次大氣污染事件，發(fā)現(xiàn)沒有降水、中低層為下沉氣流、邊界層內(nèi)出現(xiàn)多層逆溫且大氣維持靜穩(wěn)條件等因素會(huì)導(dǎo)致污染現(xiàn)象進(jìn)一步惡化;喻義勇等[13]研究表明，冷空氣強(qiáng)度弱及大氣靜穩(wěn)等不利污染擴(kuò)散的氣象條件和本地污染排放疊加區(qū)域輸送影響，造成PM2.5積聚增多，形成持續(xù)重污染天氣。

本文以2017年3月北京一次空氣污染天氣過程為研究對(duì)象，基于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析污染過程發(fā)生時(shí)的天氣形勢(shì)、氣象條件、外部輸送等情況，探討污染天氣過程的演變特征，進(jìn)一步探討區(qū)域污染天氣特征，為做好區(qū)域空氣污染預(yù)報(bào)、服務(wù)和防治提供科學(xué)依據(jù)。

1? ? 資料來(lái)源

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料來(lái)自中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，其中包含了全國(guó)所有城市的空氣質(zhì)量指數(shù)的日值與小時(shí)值，PM2.5質(zhì)量濃度逐小時(shí)變化數(shù)據(jù)來(lái)自北京市14個(gè)大氣成分觀測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。天氣圖資料為歷年MICAPS資料庫(kù)中提取的高空、地面形勢(shì)圖等。氣象要素資料選取北京市門頭溝區(qū)國(guó)家觀測(cè)站2017年3月16—23日的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量等觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2? ? 空氣質(zhì)量概況

2017年3月中下旬，北京市發(fā)生大范圍、持續(xù)性的空氣污染過程，3月16日起北京市大部分區(qū)域空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為輕度污染，17—18日空氣污染呈逐日加重趨勢(shì)為中度污染，19日達(dá)到污染峰值為重度污染，20—21日空氣污染略有緩解，分別為中度和輕度污染，但22—23日空氣污染又進(jìn)一步加重為中度污染，直至24日全區(qū)空氣質(zhì)量才明顯好轉(zhuǎn)，以良為主，此次污染過程結(jié)束。由表1可以看出，3月19日前后達(dá)到污染的濃度峰值，AQI指數(shù)為273，因此下面的分析主要圍繞19日前后的天氣環(huán)流形勢(shì)和氣象要素特征展開。

3? ? 天氣形勢(shì)分析

3.1? ? 高空形勢(shì)分析

3月18日500 hPa高空為兩槽一脊形勢(shì)，2個(gè)低壓槽分別位于巴爾喀什湖以東以及貝加爾湖以東，隨著低壓槽東移，在內(nèi)蒙古西部有一個(gè)反氣旋性環(huán)流存在，北京地區(qū)受偏西氣流控制。由圖1（a）可知，至19日8：00依然維持兩槽一脊形勢(shì)，2個(gè)低壓槽中間為一個(gè)范圍較大的高壓脊，這種天氣型對(duì)于冷氣團(tuán)向亞洲中低緯地區(qū)的移動(dòng)有阻礙作用，會(huì)削弱冷空氣對(duì)我國(guó)東部地區(qū)的影響[14]，不利于空氣污染物的擴(kuò)散。由圖1（b）可知，19日20：00，高空轉(zhuǎn)受短波槽前西南氣流控制，空氣污染物不斷在山前堆積，污染物濃度升高;至20日20：00短波槽過境轉(zhuǎn)為西北氣流控制，形勢(shì)略有好轉(zhuǎn)，空氣污染出現(xiàn)短暫好轉(zhuǎn)。

3.2? ? 地面形勢(shì)分析

地面天氣圖上（圖2），19日北京地區(qū)受高壓底部控制，等壓線較稀疏，地面風(fēng)速較弱，大氣擴(kuò)散條件較差，污染物累積加重，呈現(xiàn)區(qū)域性重度污染態(tài)勢(shì)。地面填圖顯示：18日8：00北京地區(qū)總云量為9至10-，東北風(fēng)4 m/s左右，天氣現(xiàn)象記錄有霾，能見度2 km，氣溫8 ℃，露點(diǎn)溫度0.8 ℃;20：00轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)4 m/s左右，現(xiàn)在天氣現(xiàn)象記錄有霾，能見度3 km，氣溫15 ℃，露點(diǎn)溫度0.3 ℃。到19日8：00，北京地區(qū)總云量為9至10-，東北風(fēng)2 m/s，現(xiàn)在天氣現(xiàn)象記錄有霾，能見度下降到1 km，氣溫7 ℃，露點(diǎn)溫度2 ℃;20：00轉(zhuǎn)為東南風(fēng)2 m/s，污染程度進(jìn)一步加深。20日8：00北京地區(qū)總云量為10，偏東風(fēng)2 m/s，現(xiàn)在天氣現(xiàn)象有霾，能見度3 km;20：00現(xiàn)在天氣現(xiàn)象有霾，過去天氣現(xiàn)象為小雨，能見度為4 km，對(duì)污染物稍有一定清除作用，污染程度略微緩解。

3.3? ? T-lnP圖分析

逆溫是大氣溫度沿垂直方向隨高度增加而升高的現(xiàn)象，而出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象的大氣層稱為逆溫層，可抑制污染物的垂直運(yùn)動(dòng)和湍流交換，是空氣污染天氣出現(xiàn)并維持以及污染物堆積的一個(gè)重要條件。從19日8：00的探空資料（圖3）可以看到，近地面層925 hPa以下出現(xiàn)逆溫層，在低空形成暖區(qū)，嚴(yán)重阻礙空氣對(duì)流。另外，根據(jù)沙氏指數(shù)來(lái)判斷大氣穩(wěn)定度，沙氏指數(shù)正值越大，穩(wěn)定程度也越大。19日8：00沙氏指數(shù)為7.24，處于較高水平，說(shuō)明大氣層結(jié)比較穩(wěn)定，近地面層的污染物很難向高層大氣擴(kuò)散，加上偏南風(fēng)輸送，且風(fēng)力較小，導(dǎo)致污染物的水平擴(kuò)散也受限，從而導(dǎo)致重污染天氣的出現(xiàn)。

3.4? ? PM2.5質(zhì)量濃度逐時(shí)變化

從北京市14個(gè)大氣成分觀測(cè)站的逐小時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)（圖4）可以看出，18日14：00至19日14：00，除上甸子、野鴨湖等個(gè)別站點(diǎn)外，北京市大部分監(jiān)測(cè)站的PM2.5濃度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。尤其門頭溝站的PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)逐時(shí)陡升的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)較為明顯，且于19日12：00達(dá)到了全市濃度峰值，約為350 μg/m3。下面選取門頭溝站展開具體分析。

4? ? 氣象要素分析

4.1? ? 風(fēng)場(chǎng)分析

風(fēng)是影響污染物擴(kuò)散與稀釋的一種重要的動(dòng)力因子，風(fēng)向決定空氣污染物的輸送方向，而風(fēng)速?zèng)Q定著空氣污染物的擴(kuò)散稀釋速度，尤其是低層的風(fēng)速與風(fēng)向改變會(huì)對(duì)空氣污染物的聚散以及各處的濃度分布產(chǎn)生直接影響[15]。選取北京市門頭溝國(guó)家氣象觀測(cè)站（54505），從門頭溝站3月16—23日2 min平均風(fēng)速逐時(shí)序列（圖5）可以看出，其間2 min平均風(fēng)速為0.5～3.0 m/s，多為1～2級(jí)風(fēng)力;靜風(fēng)（0級(jí)，0～0.2 m/s）及軟風(fēng)（1級(jí)，0.3～1.5 m/s）頻率為41%，不利于污染物的稀釋擴(kuò)散。從風(fēng)向頻次分布（圖6）來(lái)看，偏南風(fēng)向出現(xiàn)頻次較多、影響時(shí)間較長(zhǎng)，加之西部、北部山區(qū)阻擋，空氣水平方向流動(dòng)性較差，本地排放的污染物以及河北中南部地區(qū)輸送的污染物不斷在山前堆積，使山前區(qū)域以及平原地區(qū)污染物質(zhì)量濃度出現(xiàn)波動(dòng)并不斷堆積、升高。18—19日，河北中南部地區(qū)有一條弱的風(fēng)場(chǎng)輻合線維持，導(dǎo)致輻合線周邊污染物持續(xù)堆積，污染程度加重，出現(xiàn)連續(xù)2 d重度污染過程。北京地區(qū)空氣污染物（如PM2.5、PM10）日變化明顯，大氣污染具有“早輕晚重”和“北輕南重”的特點(diǎn)[16];19日20：00開始，弱輻合線逐漸北抬，污染物隨之向北京地區(qū)輸送，造成19日夜間污染物不斷累積，污染物質(zhì)量濃度波動(dòng)升高。

4.2? ? 能見度分析

空氣污染過程中，尤其重污染過程，北京大部分地區(qū)能見度持續(xù)低于5 km。16—20日門頭溝區(qū)能見度、相對(duì)濕度日變化顯著（圖7），而污染最為嚴(yán)重的19—20日日變化特征則逐漸減弱，維持較低的能見度（2 km左右）和較高的相對(duì)濕度（50%～80%）。較高的相對(duì)濕度會(huì)導(dǎo)致細(xì)顆粒物吸濕增長(zhǎng)，消光作用增強(qiáng)，能見度顯著降低，如20日15：00出現(xiàn)最小能見度906 m，對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度為85%。因19日夜間至20日的白天一直維持濕潤(rùn)的南風(fēng)輸送，導(dǎo)致污染物在山前不斷堆積并吸濕增長(zhǎng)，所以門頭溝區(qū)的污染程度較為嚴(yán)重，19—20日能見度均較低，且相對(duì)濕度均較大，連續(xù)2 d維持低能見度天氣，空氣污染嚴(yán)重。

4.3? ? 地面降水、溫度等要素分析

結(jié)合降水、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，19日前后溫度隨高度增加而升高，即出現(xiàn)了逆溫現(xiàn)象，是其間空氣質(zhì)量最差的時(shí)段。當(dāng)生成逆溫的時(shí)候，湍流的垂直運(yùn)動(dòng)會(huì)受到抑制而無(wú)法發(fā)展，此時(shí)的大氣擴(kuò)散能力會(huì)減弱，從而會(huì)導(dǎo)致污染物在近地層大量的累積;當(dāng)逆溫強(qiáng)度較大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間段污染物濃度迅速升高，導(dǎo)致污染現(xiàn)象進(jìn)一步嚴(yán)重[17]。因此，近地層出現(xiàn)逆溫對(duì)于污染現(xiàn)象的產(chǎn)生有促進(jìn)作用，因而溫度與氣壓也能夠作為研討空氣污染天氣過程的參考要素之一。

3月20日出現(xiàn)少量降水，對(duì)應(yīng)其AQI指數(shù)隨之出現(xiàn)下降趨勢(shì)，23—24日也有降水現(xiàn)象，伴隨著AQI指數(shù)也有一個(gè)明顯的下降。因此，在降水量比較集中的時(shí)間段里，與之對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)會(huì)相對(duì)較低，降水對(duì)于沙塵有沉降作用，即一定的降水量會(huì)對(duì)空氣污染有較好的抑制作用。

5? ? 結(jié)論

分析結(jié)果表明，通過對(duì)北京地區(qū)3月15—24日空氣質(zhì)量指數(shù)日數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，此次污染天氣過程以PM2.5和PM10為主要污染物，19日各站均達(dá)到濃度峰值。其中，門頭溝站PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)逐時(shí)陡升的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)較為明顯，且于19日12：00達(dá)到了全市濃度峰值，污染程度嚴(yán)重。

通過對(duì)污染過程期間的天氣形勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，天氣形勢(shì)靜穩(wěn)、缺少北方冷空氣南下、逆溫、擴(kuò)散條件差、以南風(fēng)為主等是污染物累積階段的大氣環(huán)流特征，也是導(dǎo)致北京地區(qū)空氣污染的主要原因。另外，通過分析探空曲線圖發(fā)現(xiàn)，污染過程輻射逆溫層的形成對(duì)當(dāng)時(shí)污染物濃度增長(zhǎng)有促進(jìn)作用，當(dāng)逆溫生成時(shí)，湍流的垂直運(yùn)動(dòng)會(huì)受到抑制而無(wú)法發(fā)展，這時(shí)其大氣擴(kuò)散能力會(huì)隨之減弱，從而使污染物在近地面層發(fā)生大量堆積，并且隨著逆溫強(qiáng)度的增大，其對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)污染物濃度會(huì)隨之快速升高，將會(huì)導(dǎo)致污染加重。而強(qiáng)冷空氣的侵入，帶來(lái)氣象擴(kuò)散條件的改變，伴隨一定程度的降水量也會(huì)對(duì)空氣污染物濃度具有一定稀釋作用，結(jié)束空氣污染過程。

通過對(duì)污染期間的氣象要素變化情況分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速偏小、能見度持續(xù)偏低，氣溫、相對(duì)濕度日變化振幅減小是污染期間PM2.5、PM10濃度峰值出現(xiàn)前氣象要素的變化特征。風(fēng)是影響污染物擴(kuò)散與稀釋的一種重要因素，風(fēng)向會(huì)對(duì)空氣污染物的輸送方向產(chǎn)生影響，而風(fēng)速對(duì)空氣污染物的擴(kuò)散稀釋速度產(chǎn)生影響，當(dāng)風(fēng)速越大的時(shí)候，污染物的擴(kuò)散稀釋就越快，當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量就越好;反之風(fēng)速越小，污染物濃度越高。其后冷空氣活動(dòng)對(duì)改善污染天氣有關(guān)鍵作用，主要特征表現(xiàn)為日最高氣溫出現(xiàn)若干次降低，即存在不同程度的冷空氣活動(dòng)，帶來(lái)氣象要素的變化，對(duì)空氣污染也有很好的緩解作用。目前的結(jié)果均基于觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)污染的發(fā)生發(fā)展進(jìn)行討論，下一步可加強(qiáng)對(duì)不同天氣形勢(shì)條件下空氣污染源以及演變特征等方面的研究，深入研究如何控制污染物的輸送等，也可基于高分辨率再分析數(shù)據(jù)、數(shù)值模式結(jié)果等對(duì)污染傳輸機(jī)制、污染機(jī)理等做進(jìn)一步探究。今后可進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)域的聯(lián)防、聯(lián)動(dòng)以及與環(huán)保部門的合作，在不利氣象條件出現(xiàn)時(shí)及時(shí)采取必要的管控措施，防止或減輕可能出現(xiàn)的重污染所帶來(lái)的危害。

6? ? 參考文獻(xiàn)

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