吉林省长春市2019年12月22日—29日一次重污染过程的成因分析

姚令玮，李 昂，高福新

1.乾安县气象局，吉林乾安 131400；2.松原市气象，吉林松原 138000

1 数据来源

研究所采用的2014—2019年的AQI数据和相关的污染物数据均来自中国空气质量在线监测分析平台（https://www.aqistudy.cn/historydata/）。该平台是可获取自2013年以来AQI数据的公益性质软件平台，该平台共收录了我国367个主要城市的PM2.5和天气信息相关数据，具体天气类数据主要有12种，包括空气质量方面的AQI、 PM2.5、PM10，燃烧中产生的S02、N02，破坏大气层的O3和CO，基础气象要素方面的温度、湿度、风级、风向，以及卫星云图。其中，O3的指标O3-8 h为8 h平滑的结果，除此以外的5种均为日数据。气象要素数据为长春站（54161）相关气象要素，包括气压、温度、降水量、云量、风向、风速、混合层高度，逆温层数据包括逆温层数、逆温底高、逆温强度、逆温厚度。其中，关于空气质量指数（AQI）的研究，采用国家生态环境部的分级标准，按照0～50、51～100、101～150、151～200、201～300、＞300，划 分 为6个 等级，分别用绿、黄、橙、红、紫、褐红色表示，代表空气质量的6个等级（表1）。

2 2019年12月22日—29日 一次 重污染过程分析

2.1 重污染过程实况分析

每年冬季东北地区都有4个月的供暖期，即使是在国家的管控下，煤炭取暖的弊端依旧存在，因此秋冬季节也是空气污染出现的多发期。根据表1空气污染指数(Air Quality index， AQI)分级，可知AQI的值越大，说明空气污染程度越重，级别越高，污染程度越严重，对人体健康产生的危害就越大，反之，危害越小[1]。在此次过程中，AQI指数超过151的时间为 2019 年 12月23—28日，但从22日开始，污染物就迅速堆积，达到峰值。在地面各类气象要素的共同影响下，29日开始才逐渐消散[2]。此次重污染过程历时8 d，此次空气污染过程的主要特点是：程度重、污染物浓度上升速度快、恢复迅速。

表1 空气质量指数分级标准

图1为12月20—31日AQI的时间序列，从图中可以看出12月20、21日AQI分别为58、67，空气质量为良，处在一个较好的水平；22日空气质量为轻度污染，污染物开始累积；23日空气质量达到重度污染，24—25日空气质量有减轻但也为中度污染；26日空气质量再次达到了重度污染，AQI值也达到了此次重污染过程的最大值279；随后开始下降，在28日出现一个小高峰后继续下降，29日AQI指数下降到150以下，污染物基本消散，空气质量恢复，重污染过程基本结束[3～4]。根据此次过程的发展情况可知，重污染过程具有较明显的特点，污染在初期迅速积累，后期消散速度快，严重污染级别天数较多，且持续时间较长，污染强度影响范围大。

图1 2019年12月20—31日AQI变化

AQI由6种污染因子组成，分别为PM2.5、PM10、CO、SO2、O3和NO2。根据国家环境保护部不同污染物浓度限制的 规 定，当PM2.5或 PM10的24 h均 值超过75或150 μg/m3时即到达污染标准，PM2.5或PM10的24 h均 值 超 过150或350 μg/m3即达到重度污染（根据环境空气质量指数AQI标准）。通过表2发现，在23和26日环境空气质量指数AQI达到最大时候，对应的PM2.5、PM10和NO2浓度也达到污染标准并且为整个污染期间的最大值。其中，PM2.5的浓度更是达到了中度空气污染的浓度限值[5～7]。26日是此次污染最为严重的一天。

2.2 重污染过程气象条件分析

2.2.1 地面降水量 降水的过程可以使空气中的粒子随着雨滴的降落而达到地面，减轻空气中的污染粒子密度，从而减轻污染程度[8]。从图2可知，虽然有多日降水数据缺测，但仍可以看出降水减轻了一定的空气污染。23日空气污染达到此次重污染过程的峰值，24—25日都有降水，虽然降水量不多，但AQI都是降低的，到了29日降水量为5 mm，对应的AQI值也下降到145，此次重污染过程逐渐减弱结束（其中22、23、26、28日的降水量缺测）。

图2 2019年12月22—29日逐日降水量及AQI变化趋势

2.2.2 地面风速 风对大气污染物的稀释扩散和三维输送起着重要作用，风的方向对污染物的扩散运动方向至关重要，风速决定着污染物粒子的运动速度。根据表2可知，在23和26日AQI值在2个小高峰时温度出现2个最低值，风速出现2个最低值，在最低值后都随着AQI值的降低有一定程度的增高，随着AQI值的变化而变化，随着AQI变正常而回归正常。

表2 12月22—30日AQI各污染因子的变化

图3为2019年12月23—28日 污 染天气期间的风速数据。设定风速≤1 m/s为静风状态，在6 d的重污染期间最大风速只有3 m/s，最小风速为0 m/s，期间的静风频率达到34.5%，风速在2 m/s以下的频率达到66%，并且在12月23日和26日AQI值最大的2天，0 m/s的风速均出现在这2天内，这2天的风速也是污染期间最低的。根据研究污染物浓度与地面风速（u）的关系：当u＞2 m/s时，污染物浓度随风速的增加迅速减小；u＜2 m/s 时，此时风速对污染物的扩散稀释影响甚微。但是29日开始风速达到3.2 m/s，随后的2天超过2 m/s，风速的增加，加速了污染物的稀释、扩散和清除。30日，正常重污染过程结束，AQI值降到69，空气质量为良[9]。图3表明风速对大气污染物的扩散稀释有一定程度的影响，此次污染期间，地面风速小，大气水平扩散能力弱，不利于污染物的稀释、扩散和清除。

图3 2019年12月20—31日风速与AQI的变化

2.2.3 逆温层 统计重污染期间的逆温层数、逆温底高、逆温强度、逆温厚度等逆温要素（表3），发现每天2个时次的逆温数据，逆温层数最少的时次是3层，其余时次均达到5层及5层以上。逆温层数越多，污染物的垂直扩散就越不容易，越会加重污染[10]。在整个污染过程中，多个时次的逆温层底的高度都是0 m，这说明逆温层从地面开始存在。逆温层底越低，污染物的垂直扩散空间就越小，污染越严重。在整个污染过程期间，有4 d的逆温强度达到0.6 ℃/100 m及以下，最强达到2.4 ℃/100 m，在污染最严重的23日和26日逆温强度分别低至0.2和0.4 ℃/100 m，说明逆温层内高度每升高100 m时的温度逆增值越大，大气层结越稳定，越不利于污染物的扩散；逆温厚度在污染最重的两天也是高值。因此，逆条件都是不利于污染物稀释、扩散和清除的。

表3 2019年12月22日—29日逆温数据情况统计