河南省冬季空气污染天气分型研究

王倩倩

河南省气象探测数据中心，河南郑州 450003

近年来，河南省经济和工业生产飞速发展，城市化进程加快，能源消耗增加。伴随着大量污染物的排放，尤其是冬季燃煤取暖排放，使河南省大部分城市冬季大气污染日益加重。“2+26”城市是京津冀地区空气污染的传播通道城市，是我国大气治理措施的重点实施对象，河南省郑州、开封、安阳、鹤壁、新乡、焦作、濮阳7个城市被列入其中，因此，对河南省大气污染的准确预报和科学防治势在必行。

已有研究表明，污染物的排放量和气象条件是决定城市大气污染的主要影响因子，但当城市的污染物排放量一定时，大气扩散条件会影响污染物浓度的变化，此时大气污染主要是由不利于污染物扩散的气象条件造成的，而天气环流形势是决定大气扩散条件的关键因素[1-2]。张莹等[3]对华北地区冬半年的海平面气压场进行了客观分型，分析了不同天气类型与污染气象参数的关系，发现均压场、高压内部和高压后部型下的PM2.5浓度较高，大气层结表现为稳定的静稳特征，是重污染潜势天气型。杨旭等[4]发现京津冀地区冬半年在高压场、高压后部、鞍形场和冷锋前部天气形势控制下，容易发生污染事件。

本研究利用客观天气分型方法，对影响河南省冬季的天气形势进行了分类，并统计了不同天气类型下的污染物浓度变化，揭示了易造成污染的天气类型，以期为环境空气质量的预报提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料介绍

天气客观分型资料来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERAInterim 再分析资料（https://www.ecmwf.int/），选用资料时间段为1988—2019年 冬 季（11—12月，翌 年1—2月），时次为北京时间08:00，空间分辨率为0.125°×0.125°，研究区域范围为25°N~40°N、100°E~130°E，并 提 取海平面气压变量作为客观天气分型的对象。空气污染资料来源于2015—2018年冬季（11—12月，翌年1—2月）河南省75个空气质量监测站点的小时空气质量指数（AQI）数据和近地面PM10、PM2.5小时浓度数据。

1.2 天气分型方法

相关分析法、主成分分析法（PCA）、Fuzzy法、聚类分析法和非线性法是目前常用的客观天气分型方法，Huth等[5]研究了上述5种方法对天气分型的适用性，发现斜交旋转主成分分析法（T-PCA）可以对数据结构进行简化，K平均聚类法（K-means）对变量类别的区分效果更好，并且这2种方法均有较好的时空稳定性。因此，本研究结合T-PCA和K-means方法进行客观天气分型。天气分型步骤如下：本研究区域共有29 161个海平面气压格点和3 727个观测时次。首先，根据Huth的研究，将29 161个海平面气压格点作为矩阵的行，3 727个观测时次作为列，对数据进行标准化。其次，通过T-PCA方法获取对原数据的累计方差贡献率超过85%的特征值所对应的前K个主成分，达到降维的目的，得到了3个客观表达海平面气压场的主成分。最后，根据拐点法确定聚类数，利用K-means对通过T-PCA选取的3个主成分进行聚类，从而确定天气类型[6]。

2 天气分型结果

为使分型结果更具有气候统计意义，利用T-PCA和K-means相结合的客观天气分型方法对研究区域（河南省）1988—2019年近30年冬季的海平面气压场进行分型，将地面环流形势分成了6类，图1为每种天气形势平均海平面气压场和1988—2019年冬季3 727个观测时次发生的频率，描述如下：

第1类（Type1）为高压后部型。此天气型在近30年冬季发生的总频率为17.49%，在2015—2018年冬季的发生频率为21.88%，该类型在2015—2018年冬季出现频率最高，多发生在1月和12月。河南省位于弱高压的后部，等压线比较稀疏，气压场较弱，平均风速较小。

第2类（Type2）为高压底部型。此天气型在近30年冬季发生的总频率为17.33%，在2015—2018年冬季的发生频率为19.67%，多发生在1月和11月。河南省位于高压的底部最外围，等压线稀疏，纬向环流为主。

第3类（Type3）为均压场型。此天气型在近30年冬季发生的总频率为16.07%，在2015—2018年冬季的发生频率为12.19%，在2015—2018年冬季出现频率最低，多发生在11月。河南省为弱低压区域，天气系统较弱，气压梯度较小，全省气压数值在6种天气型中最低。

第4类（Type4）为高压边缘型。此天气型在近30年冬季发生的总频率为15.99%，在2015—2018年冬季的发生频率为14.40%，多发生在1月。河南省处于冷高压边缘，北部高压中心外围的等压线比较密集，气压梯度大。

第5类（Type5）为两高切变型。此天气型在近30年冬季发生的总频率为16.42%，在2015—2018年冬季的发生频率为14.68%，多发生在11月和12月。Type5环流形势下，中国川西高原和东部西太平洋上均存在高压区，河南省位于两高压中间的过渡带，气压值相对较低，河南西部等压线密集程度大于东部。

第6类（Type6）为高压中部型。此天气型在近30年冬季发生的总频率为16.69%，在2015—2018年冬季的发生频率为17.17%，多发生在12月。高压中心在河南北部，与Type4环流形势相似，但Type6河南地区距离高压中心更近，位于高压环流中部，气压值大于Type4，北部等压线密集程度小于Type4，径向环流占主导。

3 天气类型与空气污染的关系

表1为河南省2015—2018年冬季不同天气形势下平均AQI值的统计情况，可以看出，Type1、Type2和Type3的AQI值较高，分别为151、157和166，均在150以上，说明这3种天气型下空气质量较差，其中均压场天气形势下（Type3）空气质量最差。根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定》，Type1、Type2和Type3天气形势下的平均AQI值已经达到中度污染级别，可能对健康人群的心脏和呼吸系统造成 不 利 影 响[7]。Type4、Type5和Type6的AQI值相对较低，分别为123、139和125，其中Type4和Type6的空气质量相对较好，但也属于轻度污染级别，健康人群容易出现刺激症状。由此可见，不同天气形势下的空气污染状况不同。

表1 2015—2018年冬季不同天气形势AQI均值统计

统计2015—2018年冬季不同天气形势下平均PM10和PM2.5浓度及二者污染率，污染率为某种天气型下污染物24 h平均浓度超过国家二级标准（PM10≥150 μg/m3、PM2.5≥75 μg/m3）的天数与这种天气类型在2015—2018年冬季发生的总天数的百分比，污染率越高说明这种天气形势下更容易发生大气污染事件。6种天气形势下平均PM10浓度分别为173.33 μg/m3、174.70 μg/m3、187.76 μg/m3、141.38 μg/m3、164.63 μg/m3和144.50 μg/m3， 污 染率分别为54.55%、56.99%、60.71%、35.71%、47.14%和40.96%，可见前3种（Type1、Type2和Type3）天气形势下的PM10平均浓度较高，均在170 μg/m3以上，污染率也较高，均超过50%。这3种天气型下等压线比较稀疏，气压场较弱，容易造成污染天气，其中Type3天气型PM10浓度最高。对于PM2.5，6种天气形势下平均浓度分别为114.33 μg/m3、122.07 μg/m3、126.82 μg/m3、86.41 μg/m3、101.75 μg/m3和90.54 μg/m3，污染率分别为72.73%、76.34%、75%、51.43%、55.71%和54.22%，可以看出仍是Type1、Type2和Type3这3种天气形势下的PM2.5平均浓度较高，均达到110 μg/m3以上，污染率更是达到70%以上，极易出现大气污染事件。其中Type3天气形势下的PM2.5平均浓度最高，其余3种天气型PM2.5浓度和污染率相对较低，以Type4天气型最低。除了均压场型（Type3）天气形势下PM2.5污染率小于PM10，其余5种天气形势下PM2.5污染率均大于PM10，可能与冬季的首要污染物类型有关。

上述可知，天气形势在一定程度上决定了大气污染程度。Type1、Type2和Type3这3种天气型下的AQI值、PM10和PM2.5平均浓度和污染率均大 于Type4、Type5和Type6，说 明 冬季河南省位于高压后部、高压底部和均压场时，空气质量较差，是由于这3种环流形势的等压线稀疏、气压场较弱，在一定程度上指示了气象扩散条件较差，污染物聚集不易扩散。因此，将Type1、Type2和Type3 3种 天 气 形势定义为易污染天气型，其中Type3天气型下的AQI值、PM10和PM2.5平均浓度在6种天气型中最高，气压场最弱，是最易造成大气污染事件的天气型。高压边缘、两高切变和高压中部环流形势控制下，河南省AQI值、PM10和PM2.5平均浓度较低，空气质量相对较好，将Type4、Type5和Type6 3种天气形势定义为不易污染天气型，其中Type4天气形势下的AQI值、污染物浓度和污染率最低，说明河南位于高压边缘，并且在北部气压梯度较大的天气形势控制下时，北风携带冷空气进入河南生，风速相对较大，气象扩散条件较好，污染物不易聚集，最不易发生大气污染事件。

4 结论与讨论

（1）利用T-PCA和K-means相结合的方法对河南省近30年冬季的海平面气压进行了客观分型，得到高压后部型（Type1）、高压底部型（Type2）、均压场型（Type3）、高压边缘型（Type4）、两高切变型（Type5）和高压中部型（Type6）6种主要天气型。

（2）天气形势在一定程度影响了大气污染，不同天气形势下的空气质量状况和污染物浓度不同。Type1、Type2和Type3 3种天气形势的气压场弱、气压梯度小，大气扩散条件差，因此空气质量较差，污染物平均浓度较高，为易污染天气型。 Type4、Type5和Type6 3种天气形势下的气压梯度相对较高、大气扩散条件良好，因此空气质量相对较好，污染物平均浓度较低，为不易污染天气型。

大气污染物浓度在一定程度上也与基本气象要素相关，本文缺少温度、湿度、风等基本要素与天气形势的关系研究，以及不同天气形势下气象扩散条件与污染物浓度关系的探讨。接下来会引进气象基本要素资料，更进一步研究气象条件、天气形势和污染物浓度三者之间的关系，为环境空气质量预报提供参考。