2020 年皖西北兩次連續(xù)重污染天氣過(guò)程分析

黃利萍，趙 健，李佳耘，馬魁俠

（亳州市氣象局，安徽 亳州 236800）

中國(guó)的大氣污染已從20 世紀(jì)80 年代的點(diǎn)源污染發(fā)展到90 年代的城市污染，21 世紀(jì)開(kāi)始逐漸演變?yōu)閰^(qū)域性、復(fù)合型的大氣污染［1］。學(xué)者對(duì)安徽省大氣重污染特征進(jìn)行了大量研究。季冕等［2］分析了安徽省滁州市春季大氣重污染過(guò)程的成因；弓中強(qiáng)等［3］對(duì)合肥市PM2.5重度污染氣象條件進(jìn)行了分析；石 春 娥 等［4-6］對(duì) 合 肥 市PM2.5和PM10輸 送 軌 跡 及2013—2015 年P(guān)M2.5重污染特征進(jìn)行了研究；周述學(xué)等［7］對(duì)長(zhǎng)江三角洲西部地區(qū)PM2.5輸送軌跡進(jìn)行了分類(lèi)研究。上述研究主要是以合肥市和長(zhǎng)三角區(qū)域大城市為主，而針對(duì)重污染頻發(fā)的皖西北地區(qū)的研究較少。亳州市地處河南、山東、安徽三省交界地區(qū)，污染形勢(shì)極為嚴(yán)峻，大氣污染防治工作已成為當(dāng)?shù)卣闹攸c(diǎn)工作。本研究以亳州市為例，分析亳州市大氣污染特征概況，并選取2 次連續(xù)重污染過(guò)程來(lái)分析氣象因子在重污染天氣過(guò)程中的作用。

1 資料與方法

依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ 633—2012），將環(huán)境空氣質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染6 個(gè)等級(jí)，其中，AQI≤50 為優(yōu)，50＜AQI≤100 為良，100＜AQI≤150 為輕度污染，150＜AQI≤200 為中度污染，200＜AQI≤300 為重度污染，AQI＞300 為嚴(yán)重污染。本研究所用的資料來(lái)源于安徽省氣象局信息中心和歐洲中心再分析資料。采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)亳州市2015—2019 年AQI 的年、季變化特征和首要污染物年變化特征進(jìn)行了分析，并選取了2020 年1 月亳州市2 次典型連續(xù)重污染天氣過(guò)程，將PM2.5和PM10的逐小時(shí)變化特征與地面風(fēng)向風(fēng)速、能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、925 hPa 風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)分析了2 次過(guò)程高低空環(huán)流形勢(shì)，探討重污染天氣發(fā)生的環(huán)流形勢(shì)及重污染天氣與氣象因子的關(guān)系，以期為皖西北地區(qū)重污天氣預(yù)報(bào)提供指導(dǎo)。

2 亳州市空氣污染特征概況

2.1 亳州市AQI年、季變化特征

亳州市2015—2019 年AQI平均值為149.7，達(dá)到國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（100）的1.5 倍，其中優(yōu)良日數(shù)占總?cè)諗?shù)的64%，輕度污染日數(shù)占26%，中度以上污染日數(shù)為183 d，占10%，重度污染日數(shù)為66 d。2015—2019年亳州市各等級(jí)AQI 出現(xiàn)頻率季節(jié)變化見(jiàn)圖1。由圖1 可知，春、夏、秋季AQI 優(yōu)良日數(shù)占比相對(duì)較多（65.54%～75.11%）；輕度污染冬季出現(xiàn)頻率最高（33.49%）、秋季次之（26.13%），春、夏季略少；冬季出現(xiàn)中度以上污染的頻率明顯增多，其余季節(jié)僅占2%～5%；重度以上污染主要出現(xiàn)在冬季（12.70%），秋季次之（3.38%），夏季未出現(xiàn)。

圖1 2015—2019 年亳州市各等級(jí)AQI出現(xiàn)頻率季節(jié)變化

2.2 亳州市首要污染物的年變化特征

2015—2019年亳州市各首要污染物出現(xiàn)頻率年變化見(jiàn)圖2。由圖2 可知，亳州市2015—2019 年首要污染物主要為PM2.5、O3和PM10，NO2首要污染偶有發(fā)生，SO2未出現(xiàn)過(guò)。PM2.5首要污染占比呈逐年下降趨勢(shì)，O3首要污染占比呈顯著上升趨勢(shì)，2019 年達(dá)到46.38%，超過(guò)PM2.5污染占比（38.55%）。2015 年P(guān)M10首要污染占比為20.26%，此后總體呈下降趨勢(shì)（2018 年除外）。

圖2 2015—2019 年亳州市各首要污染物出現(xiàn)頻率年變化

3 亳州市2020 年2 次連續(xù)重污染天氣過(guò)程分析

3.1 2020 年1 月11—15 日 和1 月24—25 日2 次連續(xù)重污染天氣過(guò)程概況

3.1.1 第一次重污染天氣過(guò)程 2020 年1 月10 日，受區(qū)域靜穩(wěn)、逆溫、高濕等不利氣象條件影響，河南省北部、河北省中南部和山東省西部等地出現(xiàn)重度及以上污染。11 日凌晨起，受弱偏北氣流影響，京津冀及周邊地區(qū)污染氣團(tuán)逐漸向南輸送；11 日08：00，亳州市PM2.5濃度達(dá)到小時(shí)重度污染；隨后，受靜穩(wěn)、高濕天氣影響，污染氣團(tuán)在亳州市滯留，污染繼續(xù)加重，11 日23：00 PM2.5濃度達(dá)到308 μg/m3，此后緩慢下降，12 日18：00 至13 日18：00 PM2.5濃度維持在150 μg/m3。13 日夜間，受弱冷空氣南下影響，京津冀及周邊地區(qū)污染氣團(tuán)再次南下，亳州市再次經(jīng)歷了PM2.5濃度升高過(guò)程（PM2.5峰值增至185 μg/m3）。14 日午后，偏北風(fēng)逐漸增大，區(qū)域大氣擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，本次污染過(guò)程緩解（圖3）。

圖3 2020 年1 月10 日00：00 至1 月16 日00：00 亳州市PM2.5和PM10濃度

3.1.2 第二次重污染天氣過(guò)程 2020 年1 月23 日，河北省中南部、山東、河南、關(guān)中地區(qū)PM2.5均達(dá)重度污染。24 日凌晨起亳州市PM2.5達(dá)到重度污染，24日傍晚受冷空氣影響，河北省中南部污染帶開(kāi)始逐漸向南移動(dòng)；24日夜間，河北省大部和山東半島空氣質(zhì)量已經(jīng)轉(zhuǎn)為輕度污染，河北省南部、山東省西部、河南省大部和安徽省北部受區(qū)域傳輸影響，依然維持重度污染，24日23：00前后PM2.5達(dá)到354 μg/m3，此后污染迅速緩解，25 日05：00 PM2.5降至78 μg/m3。25 日11：00再度轉(zhuǎn)為重度污染，26日10：00污染清除（圖4）。

圖4 2020 年1 月23 日20：00 至1 月26 日20：00 亳州市PM2.5和PM10濃度時(shí)序

3.2 環(huán)流形勢(shì)分析

3.2.1 第一次重污染天氣過(guò)程 2020 年1 月11 日08：00，500 hPa 在河套西部有1 個(gè)弱的低壓槽，亳州市處在低壓槽底部偏西氣流中，17：00 低壓槽快速東移，亳州市轉(zhuǎn)受槽后西北氣流控制，12 日02：00 至20：00 925 hPa 亳州市至河南省中部東南風(fēng)和東北偏東風(fēng)的輻合持續(xù)存在，13 日17：00 受弱冷空氣影響，925 hPa 偏北風(fēng)加大，14 日17：00 轉(zhuǎn)為偏東氣流，15 日02：00 500 hPa 轉(zhuǎn)為脊控制，925 hPa 偏東風(fēng)增大（圖5）。

圖5 2020 年1 月12 日02：00 925 hPa 風(fēng)場(chǎng)

3.2.2 第二次重污染天氣過(guò)程 2020 年1 月24 日08：00，500 hPa 上在內(nèi)蒙古西部為高壓脊，南支槽位于高原南部，亳州市處在偏西氣流中，脊前弱冷空氣不斷擴(kuò)散南下，亳州市污染逐步加重，24 日夜間低槽東移，925 hPa 亳州市處在反氣旋環(huán)流底部東北偏東風(fēng)氣流中，地面上表現(xiàn)為冷高壓南下，為典型的冷鋒過(guò)境影響（圖6）。

3.3 氣象因子分析

3.3.1 地面風(fēng)向風(fēng)速 第一次重污染天氣過(guò)程。從地面逐小時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速變化（圖7）可知，1 月10 日上午亳州國(guó)家站地面為東北風(fēng)，風(fēng)速2 m/s 左右，10 日12：00 前后轉(zhuǎn)西北風(fēng)，直至11 日20：00 西北風(fēng)持續(xù)，風(fēng)速2～3 m/s，表明受弱冷空氣影響，上游污染持續(xù)向亳州市輸送，PM2.5濃度持續(xù)上升；1 月11 日21：00至13 日03：00 以小風(fēng)為主，風(fēng)速1 m/s，風(fēng)向多變，不利于污染物的清除，PM2.5濃度達(dá)到峰值；13 日04：00 以后偏西風(fēng)轉(zhuǎn)西北風(fēng)，07：00 風(fēng)速增至4 m/s左右，17：00 風(fēng)速減小至2 m/s 左右，14 日07：00 偏北風(fēng)轉(zhuǎn)偏東風(fēng)，風(fēng)速2 m/s 左右，表明亳州市再次受弱冷空氣影響，PM2.5濃度再次上升，并繼續(xù)累積；14 日17：00 之后東北風(fēng)逐漸增至3～4 m/s，重度污染緩解。

第二次重污染天氣過(guò)程。從地面逐小時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速變化（圖7）可知，受冷空氣影響，1 月23 日夜間到24 日04：00 亳州站地面以東北風(fēng)為主，風(fēng)速迅速增至3～5 m/s，05：00 起東北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)偏北風(fēng)，風(fēng)速減至2 m/s 左右，受上游傳輸影響亳州市PM2.5濃度達(dá)到重度污染，24日18：00至20：00偏北風(fēng)增至4 m/s，上游污染再次傳輸，亳州市PM2.5濃度達(dá)到峰值，此后迅速清除。25 日白天偏北風(fēng)轉(zhuǎn)東北風(fēng)，風(fēng)速降至2 m/s 左右，PM2.5濃度再度上升，25 日夜間東北風(fēng)增至4 m/s 左右，受傳輸影響，PM2.5濃度第二次達(dá)到峰值，此后東北風(fēng)迅速減小至1～2 m/s，26 日上午污染徹底清除。

圖7 2020年1月10日00：00至1月16日00：00（a）2020年1月23日20：00至1月26日20：00（b）亳州站地面風(fēng)向、風(fēng)速變化時(shí)序

3.3.2 能見(jiàn)度 第一次重污染天氣過(guò)程。從地面逐小時(shí)最小能見(jiàn)度和PM2.5時(shí)序變化（圖8）可知，能見(jiàn)度和PM2.5濃度變化基本上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。1 月10 日10：00 亳州站能見(jiàn)度10 km 左右，此后呈直線(xiàn)下降趨勢(shì)，PM2.5濃度呈緩慢上升趨勢(shì)，11 日20：00至12 日03：00 出現(xiàn)小 于1 km 的霧，最小能見(jiàn) 度113 m，此時(shí)PM2.5也出現(xiàn)了濃度峰值，此后能見(jiàn)度回升，12 日白天至13 日白天能見(jiàn)度維持在2～4 km，13日夜間能見(jiàn)度下降至1～2 km，與13 日夜間PM2.5濃度升高正好對(duì)應(yīng)，14 日白天能見(jiàn)度迅速回升，PM2.5濃度開(kāi)始逐漸下降。

第二次重污染天氣過(guò)程。從地面逐小時(shí)最小能見(jiàn)度和PM2.5時(shí)序變化（圖8）可知，能見(jiàn)度和PM2.5濃度變化的相關(guān)性不明顯。1 月23 日夜間到24 日白天，亳州站能見(jiàn)度維持在2 km 左右，PM2.5濃度緩慢增大；24 日夜間受冷空氣影響，能見(jiàn)度迅速升至5 km 以上，受傳輸影響PM2.5濃度達(dá)到峰值，此后兩者變化基本一致。

3.3.3 相對(duì)濕度 第一次重污染天氣過(guò)程。從地面逐小時(shí)相對(duì)濕度和PM2.5時(shí)序變化（圖9）可知，相對(duì)濕度和PM2.5濃度變化基本上表現(xiàn)為正相關(guān)。PM2.5重污染期間，亳州站相對(duì)濕度均在70%～90%，其中11 日夜間相對(duì)濕度90%～98%，與PM2.5濃度峰值相對(duì)應(yīng)。13 日夜間受干冷空氣影響，相對(duì)濕度迅速降至40%～60%，但是受傳輸影響PM2.5濃度仍然明顯上升，14 日下午污染逐漸緩解。

第二次重污染天氣過(guò)程。從地面逐小時(shí)相對(duì)濕度和PM2.5時(shí)序變化（圖9）可知，相對(duì)濕度和PM2.5濃度變化有正相關(guān)關(guān)系。在24 日凌晨PM2.5達(dá)到重度污染到25 日凌晨達(dá)到峰值期間，亳州站相對(duì)濕度為60%～85%，其中受干冷空氣影響，25 日早晨相對(duì)濕度降至50%左右，PM2.5重污染清除。25 日白天到夜間相對(duì)濕度維持60%～70%，PM2.5濃度再度上升。26 日白天相對(duì)濕度增至90%以上，PM2.5濃度卻迅速下降。

圖9 2020 年1 月10 日23：00 至1 月15 日23：00（a）2020 年1 月22 日23：00 至1 月26 日14：00（b）亳州站1 000 hPa 和925 hPa風(fēng)向、風(fēng)速3 h 變化時(shí)序

3.3.4 1 000、925 hPa 風(fēng)向風(fēng)速 第一次重污染天氣過(guò)程。從1 000 hPa 和925 hPa 逐3 h 風(fēng)向、風(fēng)速變化（圖10）可知，受冷空氣影響，11 日白天925 hPa 以偏北風(fēng)為主，風(fēng)速9～13 m/s，11 日夜間到13 日8：00 偏北風(fēng)轉(zhuǎn)偏南風(fēng)，風(fēng)速降至7～8 m/s。13 日下午起亳州市次受冷空氣影響，偏北風(fēng)增至12～13 m/s，此后偏北風(fēng)轉(zhuǎn)偏南風(fēng)，風(fēng)力11 m/s 左右，14 日午后偏南風(fēng)逐漸減小至4～8 m/s。1 000 hPa 風(fēng)向風(fēng)速的變化與925 hPa 基本一致，也表現(xiàn)為2 次冷空氣過(guò)程，偏北風(fēng)增至4～6 m/s，11 日夜間、14 日白天風(fēng)速不足2 m/s。

圖10 2020 年1 月10 日00：00 至1 月16 日00：00（a）2020 年1 月23 日20：00 至1 月26 日20：00（b）亳州站PM2.5濃度和地面相對(duì)濕度變化時(shí)序

第二次重污染天氣過(guò)程。從1 000 hPa 和925 hPa 逐3 h 風(fēng)向、風(fēng)速變化（圖10）可知，受冷空氣影響，23 日夜間到24 日白天925 hPa 以偏北風(fēng)為主，風(fēng)速10～12 m/s，24 日夜間偏北風(fēng)速降至4～6 m/s。25 日白天偏北風(fēng)增至12m/s 左右，夜間減小至8 m/s左右。1 000 hPa 風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)，23 日夜間起風(fēng)速增至5～6 m/s。925 hPa 風(fēng)向風(fēng)速的變化能明顯指示冷空氣活動(dòng)過(guò)程。

3.3.5 海平面氣壓、24 h 變壓 第一次重污染天氣過(guò)程。從海平面氣壓、24 h 變壓時(shí)序變化（圖11）可知，1 月11—12 日基本維持均壓場(chǎng)（1 025 hPa 左右），13日午后起氣壓迅速增大（1 030 hPa左右）。從24 h變壓可知，13 日午后起正變壓明顯，最大可達(dá)6.9 hPa，11—12 日白天正變壓較?。ㄐ∮? hPa），12 日夜間為負(fù)變壓（-2 hPa 左右）?？梢?jiàn)，11 日冷空氣較弱，13 日的冷空氣強(qiáng)度較強(qiáng)。

第二次重污染天氣過(guò)程。從海平面氣壓、24 h變壓時(shí)序變化（圖11）可知，1 月23—25 日為地面冷高壓南下影響毫州市，海平面氣壓維持1 030～1 035 hPa，25 日夜減小到1 030 hPa 以下。從24 h 變壓可知，24 日正變壓明顯，最大為7.3 hPa，24 日夜間至25 日逐漸為負(fù)變壓。表明本次過(guò)程為強(qiáng)冷空氣過(guò)境過(guò)程，冷高壓強(qiáng)度和24 h 變壓較強(qiáng)。

圖11 2020 年1 月10 日00：00 至1 月16 日00：00（a）2020 年1 月23 日20：00 至1 月26 日20：00（b）亳州站海平面氣壓、24 h 變壓時(shí)序

3.4 氣團(tuán)軌跡路徑分析

第一次重污染天氣過(guò)程。11—14日亳州市100 m和1 000 m 高空氣團(tuán)均來(lái)自北方。11 日前以偏北方向的近地面輸送為主，12—14 日高空和地面同時(shí)向亳州市輸送，高空氣體來(lái)自西北方向，地面氣團(tuán)來(lái)自偏北方向。本次污染過(guò)程區(qū)域傳輸對(duì)亳州市PM2.5濃度升高有重要影響。本次污染過(guò)程區(qū)域傳輸表現(xiàn)為前期為地面輸送，輸送路徑來(lái)自偏北方向；后期為高空、地面同時(shí)傳輸，輸送路徑來(lái)自西北偏北和偏北2 個(gè)方向。

第二次重污染天氣過(guò)程。22—24 日，亳州市100 m 和1 000 m 高空氣團(tuán)均來(lái)自山東半島方向。22—24 日以高空輸送為主，高空來(lái)自偏東方向，地面來(lái)自東北方向，24—25 日以地面輸送為主，來(lái)自東北方向。本次污染過(guò)程區(qū)域傳輸表現(xiàn)為前期冷空氣高空輸送下沉，后期為地面?zhèn)鬏?，輸送路徑?lái)自東北和偏東2 個(gè)方向。本次污染過(guò)程區(qū)域傳輸對(duì)亳州市PM2.5濃度升高有重要影響。

4 小結(jié)與討論

4.1 小結(jié)

選取2020 年1 月11 至15 日 和1 月24 至25 日 亳州市2 次連續(xù)重污染天氣過(guò)程，通過(guò)對(duì)環(huán)流形勢(shì)、氣象要素和氣團(tuán)軌跡路徑3 個(gè)方面的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)2次過(guò)程異同點(diǎn)如下。

4.1.1 2 次重污染過(guò)程相同點(diǎn) 2 次過(guò)程都是冷空氣活動(dòng)，使上游污染傳輸導(dǎo)致亳州市出現(xiàn)重度污染，表明污染區(qū)域傳輸對(duì)亳州市PM2.5濃度升高有重要影響。地面上為東北風(fēng)或者偏北風(fēng)輸送，風(fēng)速達(dá)到5 m/s 時(shí)會(huì)導(dǎo)致上游污染的傳輸和迅速清除，風(fēng)速3～4 m/s 時(shí)傳輸效果明顯，清除效果不明顯，風(fēng)速1～2 m/s時(shí)利于污染的累積。

4.1.2 2 次重污染過(guò)程不同點(diǎn) 冷空氣活動(dòng)的強(qiáng)度不同。第一次過(guò)程是本地污染積累加上2 次冷空氣活動(dòng)（弱冷空氣和較強(qiáng)冷空氣），導(dǎo)致污染強(qiáng)度逐漸遞增的過(guò)程，且清除效果不明顯，第二次過(guò)程是強(qiáng)冷空氣過(guò)境，將上游污染向毫州市輸送的過(guò)程，其中有2 次明顯清除過(guò)程；污染傳輸路徑不同。第一次過(guò)程氣團(tuán)主要來(lái)自北方，且以前期近地面輸送為主，后期為高空、地面同時(shí)輸送，第二次過(guò)程氣團(tuán)來(lái)自東北和偏東2 個(gè)方向，且前期以高空輸送為主，后期為地面輸送；環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)不同。第一次過(guò)程高空為短波槽過(guò)境，925 hPa 有風(fēng)場(chǎng)輻合，地面以均壓場(chǎng)為主，第二次過(guò)程高空有低槽東移，925 hPa 以東北偏北風(fēng)為主，風(fēng)力較大，地面為冷高壓南下，為典型的冷鋒過(guò)境影響。氣象條件不同。第一次過(guò)程能見(jiàn)度、相對(duì)濕度與PM2.5濃度分別呈負(fù)、正相關(guān)，第二次過(guò)程相關(guān)性不明顯。地面風(fēng)速在2 次過(guò)程表現(xiàn)不同，第一次過(guò)程污染累積和增強(qiáng)期間風(fēng)速為1～3 m/s，第二次過(guò)程風(fēng)速較大，傳輸作用更明顯。

4.2 討論

統(tǒng)計(jì)分析了亳州市2015—2019 年污染天氣總體特征，亳州市重污染天氣主要出現(xiàn)在冬季，主要污染物為PM2.5，秋季和春季次之，夏季未出現(xiàn)。全年主要污染物為PM2.5和O3，PM2.5污染除夏季發(fā)生較少外，其余季節(jié)發(fā)生較多，冬季天數(shù)最多，O3污染除冬季外，其他季節(jié)均有出現(xiàn)，夏季最多。

從首要污染物年變化特征看，亳州市PM2.5首要污染占比呈下降趨勢(shì)，O3首要污染占比上升明顯，尤其是2019 年，因此需要加強(qiáng)對(duì)O3污染的研究。