2020 年皖西北两次连续重污染天气过程分析

黄利萍，赵 健，李佳耘，马魁侠

（亳州市气象局，安徽 亳州 236800）

中国的大气污染已从20 世纪80 年代的点源污染发展到90 年代的城市污染，21 世纪开始逐渐演变为区域性、复合型的大气污染［1］。学者对安徽省大气重污染特征进行了大量研究。季冕等［2］分析了安徽省滁州市春季大气重污染过程的成因；弓中强等［3］对合肥市PM2.5重度污染气象条件进行了分析；石 春 娥 等［4-6］对 合 肥 市PM2.5和PM10输 送 轨 迹 及2013—2015 年PM2.5重污染特征进行了研究；周述学等［7］对长江三角洲西部地区PM2.5输送轨迹进行了分类研究。上述研究主要是以合肥市和长三角区域大城市为主，而针对重污染频发的皖西北地区的研究较少。亳州市地处河南、山东、安徽三省交界地区，污染形势极为严峻，大气污染防治工作已成为当地政府的重点工作。本研究以亳州市为例，分析亳州市大气污染特征概况，并选取2 次连续重污染过程来分析气象因子在重污染天气过程中的作用。

1 资料与方法

依据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012），将环境空气质量划分为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染6 个等级，其中，AQI≤50 为优，50＜AQI≤100 为良，100＜AQI≤150 为轻度污染，150＜AQI≤200 为中度污染，200＜AQI≤300 为重度污染，AQI＞300 为严重污染。本研究所用的资料来源于安徽省气象局信息中心和欧洲中心再分析资料。采用统计方法对亳州市2015—2019 年AQI 的年、季变化特征和首要污染物年变化特征进行了分析，并选取了2020 年1 月亳州市2 次典型连续重污染天气过程，将PM2.5和PM10的逐小时变化特征与地面风向风速、能见度、相对湿度、925 hPa 风向风速等气象要素进行了对比分析，同时分析了2 次过程高低空环流形势，探讨重污染天气发生的环流形势及重污染天气与气象因子的关系，以期为皖西北地区重污天气预报提供指导。

2 亳州市空气污染特征概况

2.1 亳州市AQI年、季变化特征

亳州市2015—2019 年AQI平均值为149.7，达到国家二级标准（100）的1.5 倍，其中优良日数占总日数的64%，轻度污染日数占26%，中度以上污染日数为183 d，占10%，重度污染日数为66 d。2015—2019年亳州市各等级AQI 出现频率季节变化见图1。由图1 可知，春、夏、秋季AQI 优良日数占比相对较多（65.54%～75.11%）；轻度污染冬季出现频率最高（33.49%）、秋季次之（26.13%），春、夏季略少；冬季出现中度以上污染的频率明显增多，其余季节仅占2%～5%；重度以上污染主要出现在冬季（12.70%），秋季次之（3.38%），夏季未出现。

图1 2015—2019 年亳州市各等级AQI出现频率季节变化

2.2 亳州市首要污染物的年变化特征

2015—2019年亳州市各首要污染物出现频率年变化见图2。由图2 可知，亳州市2015—2019 年首要污染物主要为PM2.5、O3和PM10，NO2首要污染偶有发生，SO2未出现过。PM2.5首要污染占比呈逐年下降趋势，O3首要污染占比呈显著上升趋势，2019 年达到46.38%，超过PM2.5污染占比（38.55%）。2015 年PM10首要污染占比为20.26%，此后总体呈下降趋势（2018 年除外）。

图2 2015—2019 年亳州市各首要污染物出现频率年变化

3 亳州市2020 年2 次连续重污染天气过程分析

3.1 2020 年1 月11—15 日 和1 月24—25 日2 次连续重污染天气过程概况

3.1.1 第一次重污染天气过程 2020 年1 月10 日，受区域静稳、逆温、高湿等不利气象条件影响，河南省北部、河北省中南部和山东省西部等地出现重度及以上污染。11 日凌晨起，受弱偏北气流影响，京津冀及周边地区污染气团逐渐向南输送；11 日08：00，亳州市PM2.5浓度达到小时重度污染；随后，受静稳、高湿天气影响，污染气团在亳州市滞留，污染继续加重，11 日23：00 PM2.5浓度达到308 μg/m3，此后缓慢下降，12 日18：00 至13 日18：00 PM2.5浓度维持在150 μg/m3。13 日夜间，受弱冷空气南下影响，京津冀及周边地区污染气团再次南下，亳州市再次经历了PM2.5浓度升高过程（PM2.5峰值增至185 μg/m3）。14 日午后，偏北风逐渐增大，区域大气扩散条件转好，本次污染过程缓解（图3）。

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

3.1.2 第二次重污染天气过程 2020 年1 月23 日，河北省中南部、山东、河南、关中地区PM2.5均达重度污染。24 日凌晨起亳州市PM2.5达到重度污染，24日傍晚受冷空气影响，河北省中南部污染带开始逐渐向南移动；24日夜间，河北省大部和山东半岛空气质量已经转为轻度污染，河北省南部、山东省西部、河南省大部和安徽省北部受区域传输影响，依然维持重度污染，24日23：00前后PM2.5达到354 μg/m3，此后污染迅速缓解，25 日05：00 PM2.5降至78 μg/m3。25 日11：00再度转为重度污染，26日10：00污染清除（图4）。

图4 2020 年1 月23 日20：00 至1 月26 日20：00 亳州市PM2.5和PM10浓度时序

3.2 环流形势分析

3.2.1 第一次重污染天气过程 2020 年1 月11 日08：00，500 hPa 在河套西部有1 个弱的低压槽，亳州市处在低压槽底部偏西气流中，17：00 低压槽快速东移，亳州市转受槽后西北气流控制，12 日02：00 至20：00 925 hPa 亳州市至河南省中部东南风和东北偏东风的辐合持续存在，13 日17：00 受弱冷空气影响，925 hPa 偏北风加大，14 日17：00 转为偏东气流，15 日02：00 500 hPa 转为脊控制，925 hPa 偏东风增大（图5）。

图5 2020 年1 月12 日02：00 925 hPa 风场

3.2.2 第二次重污染天气过程 2020 年1 月24 日08：00，500 hPa 上在内蒙古西部为高压脊，南支槽位于高原南部，亳州市处在偏西气流中，脊前弱冷空气不断扩散南下，亳州市污染逐步加重，24 日夜间低槽东移，925 hPa 亳州市处在反气旋环流底部东北偏东风气流中，地面上表现为冷高压南下，为典型的冷锋过境影响（图6）。

3.3 气象因子分析

3.3.1 地面风向风速 第一次重污染天气过程。从地面逐小时风向、风速变化（图7）可知，1 月10 日上午亳州国家站地面为东北风，风速2 m/s 左右，10 日12：00 前后转西北风，直至11 日20：00 西北风持续，风速2～3 m/s，表明受弱冷空气影响，上游污染持续向亳州市输送，PM2.5浓度持续上升；1 月11 日21：00至13 日03：00 以小风为主，风速1 m/s，风向多变，不利于污染物的清除，PM2.5浓度达到峰值；13 日04：00 以后偏西风转西北风，07：00 风速增至4 m/s左右，17：00 风速减小至2 m/s 左右，14 日07：00 偏北风转偏东风，风速2 m/s 左右，表明亳州市再次受弱冷空气影响，PM2.5浓度再次上升，并继续累积；14 日17：00 之后东北风逐渐增至3～4 m/s，重度污染缓解。

第二次重污染天气过程。从地面逐小时风向、风速变化（图7）可知，受冷空气影响，1 月23 日夜间到24 日04：00 亳州站地面以东北风为主，风速迅速增至3～5 m/s，05：00 起东北风逐渐转偏北风，风速减至2 m/s 左右，受上游传输影响亳州市PM2.5浓度达到重度污染，24日18：00至20：00偏北风增至4 m/s，上游污染再次传输，亳州市PM2.5浓度达到峰值，此后迅速清除。25 日白天偏北风转东北风，风速降至2 m/s 左右，PM2.5浓度再度上升，25 日夜间东北风增至4 m/s 左右，受传输影响，PM2.5浓度第二次达到峰值，此后东北风迅速减小至1～2 m/s，26 日上午污染彻底清除。

图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）亳州站地面风向、风速变化时序

3.3.2 能见度 第一次重污染天气过程。从地面逐小时最小能见度和PM2.5时序变化（图8）可知，能见度和PM2.5浓度变化基本上表现为负相关。1 月10 日10：00 亳州站能见度10 km 左右，此后呈直线下降趋势，PM2.5浓度呈缓慢上升趋势，11 日20：00至12 日03：00 出现小 于1 km 的雾，最小能见 度113 m，此时PM2.5也出现了浓度峰值，此后能见度回升，12 日白天至13 日白天能见度维持在2～4 km，13日夜间能见度下降至1～2 km，与13 日夜间PM2.5浓度升高正好对应，14 日白天能见度迅速回升，PM2.5浓度开始逐渐下降。

第二次重污染天气过程。从地面逐小时最小能见度和PM2.5时序变化（图8）可知，能见度和PM2.5浓度变化的相关性不明显。1 月23 日夜间到24 日白天，亳州站能见度维持在2 km 左右，PM2.5浓度缓慢增大；24 日夜间受冷空气影响，能见度迅速升至5 km 以上，受传输影响PM2.5浓度达到峰值，此后两者变化基本一致。

3.3.3 相对湿度 第一次重污染天气过程。从地面逐小时相对湿度和PM2.5时序变化（图9）可知，相对湿度和PM2.5浓度变化基本上表现为正相关。PM2.5重污染期间，亳州站相对湿度均在70%～90%，其中11 日夜间相对湿度90%～98%，与PM2.5浓度峰值相对应。13 日夜间受干冷空气影响，相对湿度迅速降至40%～60%，但是受传输影响PM2.5浓度仍然明显上升，14 日下午污染逐渐缓解。

第二次重污染天气过程。从地面逐小时相对湿度和PM2.5时序变化（图9）可知，相对湿度和PM2.5浓度变化有正相关关系。在24 日凌晨PM2.5达到重度污染到25 日凌晨达到峰值期间，亳州站相对湿度为60%～85%，其中受干冷空气影响，25 日早晨相对湿度降至50%左右，PM2.5重污染清除。25 日白天到夜间相对湿度维持60%～70%，PM2.5浓度再度上升。26 日白天相对湿度增至90%以上，PM2.5浓度却迅速下降。

图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风向、风速3 h 变化时序

3.3.4 1 000、925 hPa 风向风速 第一次重污染天气过程。从1 000 hPa 和925 hPa 逐3 h 风向、风速变化（图10）可知，受冷空气影响，11 日白天925 hPa 以偏北风为主，风速9～13 m/s，11 日夜间到13 日8：00 偏北风转偏南风，风速降至7～8 m/s。13 日下午起亳州市次受冷空气影响，偏北风增至12～13 m/s，此后偏北风转偏南风，风力11 m/s 左右，14 日午后偏南风逐渐减小至4～8 m/s。1 000 hPa 风向风速的变化与925 hPa 基本一致，也表现为2 次冷空气过程，偏北风增至4～6 m/s，11 日夜间、14 日白天风速不足2 m/s。

图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浓度和地面相对湿度变化时序

第二次重污染天气过程。从1 000 hPa 和925 hPa 逐3 h 风向、风速变化（图10）可知，受冷空气影响，23 日夜间到24 日白天925 hPa 以偏北风为主，风速10～12 m/s，24 日夜间偏北风速降至4～6 m/s。25 日白天偏北风增至12m/s 左右，夜间减小至8 m/s左右。1 000 hPa 风向为偏北风，23 日夜间起风速增至5～6 m/s。925 hPa 风向风速的变化能明显指示冷空气活动过程。

3.3.5 海平面气压、24 h 变压 第一次重污染天气过程。从海平面气压、24 h 变压时序变化（图11）可知，1 月11—12 日基本维持均压场（1 025 hPa 左右），13日午后起气压迅速增大（1 030 hPa左右）。从24 h变压可知，13 日午后起正变压明显，最大可达6.9 hPa，11—12 日白天正变压较小（小于1 hPa），12 日夜间为负变压（-2 hPa 左右）。可见，11 日冷空气较弱，13 日的冷空气强度较强。

第二次重污染天气过程。从海平面气压、24 h变压时序变化（图11）可知，1 月23—25 日为地面冷高压南下影响毫州市，海平面气压维持1 030～1 035 hPa，25 日夜减小到1 030 hPa 以下。从24 h 变压可知，24 日正变压明显，最大为7.3 hPa，24 日夜间至25 日逐渐为负变压。表明本次过程为强冷空气过境过程，冷高压强度和24 h 变压较强。

图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）亳州站海平面气压、24 h 变压时序

3.4 气团轨迹路径分析

第一次重污染天气过程。11—14日亳州市100 m和1 000 m 高空气团均来自北方。11 日前以偏北方向的近地面输送为主，12—14 日高空和地面同时向亳州市输送，高空气体来自西北方向，地面气团来自偏北方向。本次污染过程区域传输对亳州市PM2.5浓度升高有重要影响。本次污染过程区域传输表现为前期为地面输送，输送路径来自偏北方向；后期为高空、地面同时传输，输送路径来自西北偏北和偏北2 个方向。

第二次重污染天气过程。22—24 日，亳州市100 m 和1 000 m 高空气团均来自山东半岛方向。22—24 日以高空输送为主，高空来自偏东方向，地面来自东北方向，24—25 日以地面输送为主，来自东北方向。本次污染过程区域传输表现为前期冷空气高空输送下沉，后期为地面传输，输送路径来自东北和偏东2 个方向。本次污染过程区域传输对亳州市PM2.5浓度升高有重要影响。

4 小结与讨论

4.1 小结

选取2020 年1 月11 至15 日 和1 月24 至25 日 亳州市2 次连续重污染天气过程，通过对环流形势、气象要素和气团轨迹路径3 个方面的对比分析，发现2次过程异同点如下。

4.1.1 2 次重污染过程相同点 2 次过程都是冷空气活动，使上游污染传输导致亳州市出现重度污染，表明污染区域传输对亳州市PM2.5浓度升高有重要影响。地面上为东北风或者偏北风输送，风速达到5 m/s 时会导致上游污染的传输和迅速清除，风速3～4 m/s 时传输效果明显，清除效果不明显，风速1～2 m/s时利于污染的累积。

4.1.2 2 次重污染过程不同点 冷空气活动的强度不同。第一次过程是本地污染积累加上2 次冷空气活动（弱冷空气和较强冷空气），导致污染强度逐渐递增的过程，且清除效果不明显，第二次过程是强冷空气过境，将上游污染向毫州市输送的过程，其中有2 次明显清除过程；污染传输路径不同。第一次过程气团主要来自北方，且以前期近地面输送为主，后期为高空、地面同时输送，第二次过程气团来自东北和偏东2 个方向，且前期以高空输送为主，后期为地面输送；环流形势场不同。第一次过程高空为短波槽过境，925 hPa 有风场辐合，地面以均压场为主，第二次过程高空有低槽东移，925 hPa 以东北偏北风为主，风力较大，地面为冷高压南下，为典型的冷锋过境影响。气象条件不同。第一次过程能见度、相对湿度与PM2.5浓度分别呈负、正相关，第二次过程相关性不明显。地面风速在2 次过程表现不同，第一次过程污染累积和增强期间风速为1～3 m/s，第二次过程风速较大，传输作用更明显。

4.2 讨论

统计分析了亳州市2015—2019 年污染天气总体特征，亳州市重污染天气主要出现在冬季，主要污染物为PM2.5，秋季和春季次之，夏季未出现。全年主要污染物为PM2.5和O3，PM2.5污染除夏季发生较少外，其余季节发生较多，冬季天数最多，O3污染除冬季外，其他季节均有出现，夏季最多。

从首要污染物年变化特征看，亳州市PM2.5首要污染占比呈下降趋势，O3首要污染占比上升明显，尤其是2019 年，因此需要加强对O3污染的研究。