高慶先, 李 亮, 馬占云, 黃炳博

1.中國環(huán)境科學研究院, 北京 100012 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站, 北京 100012 3.南京信息工程大學, 江蘇 南京 210044

2013—2016年天氣形勢對北京秋季空氣重污染過程的影響

高慶先1, 李 亮2, 馬占云1, 黃炳博3

1.中國環(huán)境科學研究院, 北京 100012 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站, 北京 100012 3.南京信息工程大學, 江蘇 南京 210044

我國北方秋冬季節(jié)的空氣重污染過程已經成為影響人們生活的重大環(huán)境事件，不僅受到公眾和科研工作者的廣泛關注，也已成為各地各部門政策制訂者最為重視的關鍵問題之一. 針對眾說紛紜的空氣重污染過程的形成機理、治理方案、控制對策等，利用2013—2016年秋季(9—11月)中國環(huán)境監(jiān)測總站公布的逐時空氣質量監(jiān)測數據，重點對北京奧體中心站的空氣重污染過程的演變進行了分析. 結合中國氣象局發(fā)布的天氣形勢分析圖，系統(tǒng)地分析了我國4 a來秋冬季節(jié)出現大范圍空氣重污染過程的氣候背景. 結果表明：秋季我國東北和華北地區(qū)出現持續(xù)時間長、影響范圍廣的空氣重污染過程，除了排放源的影響之外，天氣形勢同樣起著重要作用. 2013—2016年秋季北京奧體中心的PM2.5污染狀況仍以優(yōu)良天氣為主，其間中度及以上污染的持續(xù)時間雖然不長，但其影響〔高ρ(PM2.5)〕也不容忽視. 秋季北京奧體中心ρ(PM2.5)日均值超標(二級)日數占25.8%，其中2014年最為嚴重，超標日數達44 d，占37.4%. 通過對空氣重污染過程與我國傳統(tǒng)節(jié)氣的對比分析發(fā)現，入秋后我國北方首次出現持續(xù)48 h以上的空氣重污染過程分別是在秋分和寒露兩個節(jié)氣，而最嚴重的空氣重污染過程則出現在寒露和霜降兩個節(jié)氣. 從時間序列來看，4 a來北京奧體中心ρ(PM2.5)沒有特別顯著的改善，優(yōu)良時數占60%左右，而中度以上的污染時數則維持在25%左右，但嚴重污染事件〔ρ(PM2.5)≥250 μgm3〕的有效時數則有明顯的變化. 此外，白天污染物的濃度明顯低于夜晚. 研究還發(fā)現，西伯利亞高壓指數的異常偏低往往會導致持續(xù)時間長、影響范圍廣和污染強度強的重度污染事件.

北京； 秋季； 重污染； 天氣形勢

隨著社會經濟的高速發(fā)展，以及工業(yè)化、城市化、交通運輸現代化的突飛猛進，化石燃料(如煤、石油、天然氣等)的過度消耗，導致城市空氣環(huán)境質量不斷惡化，空氣污染已成為關系到人類生存的重大環(huán)境問題，引起了世界科學家的高度關注[1-3]. 城市空氣污染物的排放及空氣質量能否改善已經成為目前人們普遍關注的熱點問題[4-5].進入秋冬季節(jié)以后，我國北方地區(qū)往往會出現持續(xù)時間長、影響范圍廣、污染程度重的空氣重污染過程，成為影響人們生活的重大環(huán)境事件，不僅受到廣大民眾和科研工作者的關注，而且成為各地各部門政策制訂者最為重視的任務之一.引起媒體熱追，民眾熱議，專家熱談，從空氣重污染過程的形成過程、傳輸機理、影響程度和治理方式等方方面面各抒己見，對解釋空氣重污染過程有一定的幫助.李令軍等[6]通過對2000—2010年北京空氣重污染過程的研究指出北京的重污染可分為靜穩(wěn)積累型、沙塵型、復合型以及特殊型4個類型.冀翠華等[7]研究了北京空氣污染指數節(jié)氣分布及其與氣象要素的關系，得出了ρ(PM10)在不同節(jié)氣的分布.此外還有不少學者[8-15]針對不同的空氣重污染過程展開了天氣特征、影響因素、污染變化等方面的研究.張小曳等[16]在分析了霧和霾與氣溶膠的聯系、維持機制、污染物構成及如何治理等問題后指出，我國污染問題的主要原因是污染物的排放，但是，氣象條件對于污染的形成、分布和維持與變化的作用非常明顯.張人禾等[17]利用資料診斷方法，從大氣環(huán)流背景場和霧霾演變過程兩個方面，分析了氣象條件在2013年1月空氣重污染過程的作用，指出2013年1月東亞冬季風異常偏弱是形成空氣重污染過程的重要成因之一.戴永立等[18]通過對2006—2009年4個重點城市霾天的天氣特征及影響因子進行了分析，指出北京能見度變化對相對濕度比較敏感.廖曉農等[19]在對北京冬夏季節(jié)霧霾天氣形成機制和維持機制的分析，指出冬季和夏季霧-霾過程出現的天氣背景不同，影響的關鍵因素也有所差別.冬季在高空西北氣流、低層多短波活動的背景下，霧霾形成和維持的主要機制是邊界層內始終有逆溫層、地面弱風場、底層濕度逐漸增大的情況，而在夏季，在受副熱帶高壓長時間控制下，對流層低層盛行偏南風，北京的ρ(PM2.5)隨著偏南風風速的增大而升高，氣溶膠的區(qū)域輸送作用明顯，顯示出天氣形勢對霧霾天氣形成的作用很重要.廖曉農等[20]分析了污染過程ρ(PM2.5)迅速下降的形成機制，指出冷空氣活動伴隨的強偏北風是導致空氣質量迅速改善的原因.針對京津冀空氣污染特征開展了大量的研究[21-24].如張建忠等[21]分析了京津冀4次空氣重污染過程的氣象條件，發(fā)現4次空氣重污染過程的共同點就是相對濕度維持高水平，海平面的高壓和低壓位置對于污染范圍有著明顯的影響.已有的研究對于揭示空氣重污染過程的形成、維持、發(fā)展和治理有重要意義.

該研究利用2013—2016年4 a的逐時監(jiān)測數據，針對北京奧體中心站開展單點的分析評估，特別選擇秋季(9—11月)作為研究時段，目的是揭示入秋后北京出現持續(xù)時間長的空氣重污染過程與天氣氣候背景的關系，解釋節(jié)氣在空氣重污染過程形成中的作用，分析近4 a來大氣污染物的演變特征，包括污染等級的分布特點等.同時，結合天氣形勢圖和西伯利亞高壓指數的演變資料，分析氣候背景對空氣重污染過程形成、維持和消散的影響.

1 材料與方法

該研究所用的污染監(jiān)測資料來自中國環(huán)境監(jiān)測總站全國城市空氣質量實時發(fā)布平臺(http:106.37.208.233:20035)發(fā)布的逐小時空氣質量監(jiān)測數據，包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3等. 研究時間為2013—2016年秋季(9—11月)；氣象數據包括中國氣象局發(fā)布的每日8次的天氣形勢分析圖(http:m.nmc.cnpublishobservations)，西伯利亞高壓指數來自中國氣象局國家氣候中心發(fā)布的氣候系統(tǒng)監(jiān)測、診斷、預測和評估系統(tǒng)(http:cmdp.ncc-cma.netMonitoringmonsoon.php?ListElem=shidx).

該研究使用的分析方法包括統(tǒng)計學的趨勢分析和相關分析法，同時，依據HJ 663—2013《環(huán)境空氣質量評價技術規(guī)范(試行)》，對2013—2014年連續(xù)4 a秋季(9—11月)北京奧體中心站逐小時空氣質量監(jiān)測資料開展單點環(huán)境空氣質量評價，分析其總污染過程的演變及其日均值達標情況，以GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》中表1環(huán)境空氣污染物濃度限值以及HJ 633—2012《環(huán)境空氣質量指數(AQI)技術規(guī)定(試行)》中的各類污染物等級劃分和濃度限值為依據，北京奧體中心站主要污染物達標情況進行判斷，計算其超標現象并進行評價.

文中還明確了空氣重污染過程的定義：空氣重污染過程是指一個站點某一種污染物小時濃度超過中度污染的限值，并且持續(xù)超過24 h的污染過程定義為空氣重污染過程. 對PM2.5而言，就是指當ρ(PM2.5)小時均值超過115 μgm3，并且持續(xù)超過24 h的污染過程定義為空氣重污染過程. 考慮到監(jiān)測數據的儀器誤差的影響，該研究特別規(guī)定在一個空氣重污染事件的持續(xù)過程中，若污染物的濃度出現短暫回落，降至中度污染限值以下〔如ρ(PM2.5)小時均值在115 μgm3以下〕，但是回落的時間不超過5 h又恢復至重度污染，那么，仍然視其為一個連續(xù)的污染過程.

該研究還定義了一個量化表征影響空氣重污染過程天氣系統(tǒng)強弱的指標，即污染物清除速率，用以表征空氣重污染過程結束時污染物濃度在1 h之內的下降情況，可由污染物小時濃度下降的百分率表示，見式(1).

RE=(ρi-ρi-1)ρi

(1)

式中：RE為污染物的清除速率，%；ρi為重污染結束時污染物(污染物濃度小于中度污染對應的濃度限值)的濃度值；ρi-1為重污染過程結束后的1 h后污染物的濃度值. 清除速率在某種程度上可以反映出影響重污染過程天氣系統(tǒng)的強弱.

在分析過程中，考慮到儀器故障或其他原因，在研究時段會出現資料短缺的現象，通過對2013—2014年秋季(9月—11月)北京奧體中心站逐小時監(jiān)測資料的分析，ρ(PM2.5)的有效時數為2 116 h，占總時數(2 184 h)的96.6%，2014年有2 058 h，占94.2%，2015年有2 110 h，占96.6%，2016年有1 950 h，占89.3%. 有效時數能夠反映出研究站點ρ(PM2.5)的實際情況.

2 結果與討論

2.1 2013—2016年秋季奧體中心污染物演變趨勢

表1給出了2013—2014年秋季(9—11月)主要污染物日均濃度其超標日數及其平均濃度，表1中的超標是指污染物濃度超過GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》中二級標準. 從表1可以看出，北京奧體中心2013—2016年秋季的主要超標污染物是顆粒物(PM2.5和PM10)，ρ(PM2.5)日均值超標日數平均為39 d，占總日數的42.9%，而ρ(PM10)日均值超標日數平均為24d，超標日比例為25.8%，超標期間ρ(PM2.5)平均值為155.1 μgm3，超標期間ρ(PM10)為227.8 μgm3.

2013年出現超標的日數達到了38 d，超標日比例為41.8%，超標期間ρ(PM2.5)為144.0 μgm3，最高小時均值為336 μgm3，ρ(PM10)為211.1 μgm3；2014年出現超標的日數達到了44 d，是4 a中最高的一年，超標日數比例為48%，超標期間ρ(PM2.5)為160.6 μgm3，最高小時均值為465.0 μgm3，ρ(PM10)為241.3 μgm3；2015年雖然超標日數僅有34 d，超標日比例為37.4%，但是2015年卻出現了21 d曝表記錄，ρ(PM2.5)最高達619.0 μgm3，其超標期間ρ(PM2.5)也是4 a來最高的，為172.3 μgm3，ρ(PM10)為240.9 μgm3，這表示2015年秋季的空氣重污染程度近年來最為嚴重的；2016年有41 d超過標準，超標日比例為45.1%，期間ρ(PM2.5)為143.3 μgm3，最高ρ(PM2.5)小時均值高達452.0 μgm3，ρ(PM10)為218.0 μgm3.從日均值等級分布來看，北京奧體中心近4 a來，空氣質量的改善情況并不明顯，4 a間PM2.5超標的日數比例分別是41.8%、48.4%、37.4%和45.1%. 而PM10的超標日所占的比例相對較小，分別是25.3%、36.3%、19.8%和22.0%. 可以看出，2014年顆粒物出現超標日數最多，2015年則為最少，空氣質量形勢不容樂觀.

在2013—2016年的4 a中，奧體中心站沒有出現SO2和NO2超標的現象，但是在2013年出現5 dρ(SO2)超過一級標準(GB 3095—2012)的現象，平均為58.2 μgm3，而ρ(NO2)在4 a間則有平均26 d超過一級標準的現象，平均濃度為104.3 μgm3.ρ(CO)日均值雖然沒有出現超標現象，但是超過一級標準日數有逐年增加的趨勢.

二十四節(jié)氣(twenty-four solar terms)是按照地球與太陽的相對位置，固定劃分的一種天文、季節(jié)和氣候綜合的歷法，能更細致地反映中國四季交替的氣候特征，是中國古代訂立的一種用來指導農事的補充歷法，是長期經驗的積累和智慧的結晶. 圖1給出了2013—2014年秋季(9—11月)ρ(PM2.5)逐時和逐日變化趨勢，圖中也給出了9—11月的5個節(jié)氣. 可以看出，進入秋季以后,北京奧體中心的重度以上的污染時間明顯增多，2013—2016年進入秋季后首次發(fā)生連續(xù)48 h重度污染時間分別是2013年9月27日—10月1日(持續(xù)86 h，秋分)、2014年9月5—7日(持續(xù)52 h，白露)、2015年9月15—18日(持續(xù)48 h，白露)和2016年9月30日—10月3日(持續(xù)67 h，秋分)，即在白露和秋分兩個節(jié)氣北京奧體中心首次出現連續(xù)48 h以上的重度污染時間，這種現象與入秋之后的天氣氣候背景關系密切.

表1 2013—2016年秋季(9—11月)主要污染物超標日數及平均質量濃度

進入秋分時節(jié)，我國長江流域及其以北的廣大地區(qū)，先后進入了秋季，日平均氣溫都降到了22 ℃以下. 北方冷氣團開始具有一定的勢力，大部分地區(qū)雨季剛剛結束. 秋分后太陽直射的位置移至南半球，北半球得到的太陽輻射越來越少，而地面散失的熱量卻較多，氣溫降低的速度明顯加快；而進入白露節(jié)氣后，夏季風逐步被冬季風所代替，冷空氣南下，往往帶來一定范圍的降溫幅度. 此時，我國北方地區(qū)降水明顯減少，秋高氣爽，比較干燥. 可以看出，白露節(jié)氣前后，我國季風特征發(fā)生轉換，此時冬季風剛剛形成，尚未達到主導強度，而夏季風還沒有完全消弱減退，在這種勢均力敵的情形下，容易形成不利于污染物擴散的氣象條件. 從天氣形勢和節(jié)氣氣候特點分析，可以看出，進入秋季后我國北方地區(qū)會出現有利于重污染過程形成的天氣條件，當污染排放達到一定程度時，就會形成持續(xù)時間長、影響范圍廣的空氣重污染過程.

從持續(xù)時間上來看，2013年持續(xù)時間最長的空氣重污染時間發(fā)生在秋分之后，持續(xù)了86 h，ρ(PM2.5)平均為202.5 μgm3；2014年重度污染持續(xù)時間最長的是發(fā)生在2014年10月7—11日，即進入寒露之后，持續(xù)時間長達98 h，ρ(PM2.5)平均高達291.2 μgm3；2015年重度污染持續(xù)時間最長的事件發(fā)生在寒露之后，即2015年11月11—15日，持續(xù)出現重度污染99 h，ρ(PM2.5)平均為217.7 μgm3；2016年重度污染持續(xù)時間最長的事件發(fā)生在寒露之后，即2016年10月12—16日，持續(xù)了84 h，ρ(PM2.5)平均為208.8 μgm3. 可以看出，在寒露之后，霜降之前往往會出現連續(xù)80 h以上的重度污染事件.

圖1 2013—2016年秋季(9—11月)ρ(PM2.5)逐時和逐日變化趨勢Fig.1 The PM2.5 hourly and daily trend during autumn from 2013 to 2016

如果利用每一次空氣重污染過程的ρ(PM2.5)平均值表示其污染過程的強弱，可以發(fā)現，最強的空氣重污染事件與最長的空氣重污染事件并不一定是同一個污染過程，如2013年10月27—29日的空氣重污染過程，雖然持續(xù)時間只有39 h，但是ρ(PM2.5)平均值高達269.5 μgm3；2014年最強的空氣重污染過程和最長的污染過程一致，ρ(PM2.5)平均值為291.2 μgm3；2015年的最強的一次重度污染出現在10月4—7日，持續(xù)時間為80 h，ρ(PM2.5)平均值高達268.5 μgm3；2016年最強的重度污染過程則是發(fā)生在2016年11月25—27日，持續(xù)時間39 h，ρ(PM2.5)平均值高達277.5 μgm3.

通過對2013—2016年秋季空氣重污染過程的分析可以發(fā)現，北京首次會出現持續(xù)48 h以上的空氣重污染過程一般在秋分和白露這兩個節(jié)氣期間，而持續(xù)時間最長的空氣重污染過程和污染程度最高的污染過程均出現在寒露和霜降這兩個節(jié)氣.

2.2 2013—2016年秋季奧體中心PM2.5污染等級評估

為了指導環(huán)境空氣質量指數日報、實時報和預報工作，向社會公眾提供健康的指導，環(huán)境保護部制定了HJ 633—2012《環(huán)境空氣質量指數(AQI)技術規(guī)定(試行)》，規(guī)定了環(huán)境空氣質量指數的分級方案、計算方法和環(huán)境空氣質量級別和類別，為了對北京奧體中心站開展研究單點評估研究，該研究通過對2013—2016年秋季北京奧體中心監(jiān)測站PM2.5的逐時監(jiān)測資料進行分等級統(tǒng)計，統(tǒng)計出各等級出現的時間和平均濃度.

圖2給出了每年秋季各污染等級的出現的累計時間和平均濃度，可以看出累計時間和ρ(PM2.5)平均值呈現反相關關系，也即污染等級高的時候累計的時間相對較短，說明在2013—2016年的4 a中，北京奧體中心的PM2.5污染狀況仍然時以優(yōu)良天氣為主，但是中度污染以上的累計時間雖然不長，但是其影響〔高ρ(PM2.5)〕也不容忽視.

空氣污染等級：1—優(yōu)，ρ(PM2.5)≤35 μgm3；2—良好，36 μgm3<ρ(PM2.5)≤75 μgm3；3—輕度污染，76 μgm3<ρ(PM2.5)≤115 μgm3；4—中度污染，116 μgm3<ρ(PM2.5)≤150 μgm3；5—重度污染，151 μgm3<ρ(PM2.5)≤150 μgm3；6—嚴重污染，ρ(PM2.5)>250 μgm3.圖2 2013—2016年北京奧體中心每年秋季各空氣污染等級的累計時間和ρ(PM2.5)平均值Fig.2 The accumulate time and average concentration of PM2.5 for different pollution grade during autumn from 2013 to 2016 in Beijing Olympic Sports Center

從逐時ρ(PM2.5)分級情況(見表2)來看，2013—2016年4 a間北京奧體中心空氣質量出現優(yōu)〔ρ(PM2.5)≤35 μgm3〕和良〔ρ(PM2.5)為36～75 μgm3〕限值的有效時數分別占總有效時數的57.9%、52.7%、63.1%和57.2%；ρ(PM2.5)超過中度污染濃度限值(115 μgm3)的有效時數分別為26.4%、29.9%、25.4%和27.6%. 從時間序列來看，這4年北京奧體中心ρ(PM2.5)變化沒有顯著改善，優(yōu)良時數的比例在60%左右，而中度以上的污染時數則維持在25%左右. 但是嚴重污染事件〔ρ(PM2.5)≥250 μgm3〕的有效時數則有明顯變化，2013年和2016年均約為5%，2014年和2015年則均達9%左右，這種年際間的差異與當年的天氣背景有密切關系.

通過分析每次持續(xù)時間超過24 h空氣重污染過程的強弱發(fā)現，2013—2016年發(fā)生持續(xù)時間超過24 h的空氣重污染事件的次數分別為9、9、8和10次，其累計時間分別為441、444、460和393 h，四者占總時數的20%左右.

表2 2013—2016年秋季北京奧體中心站空氣污染分級情況

圖3 2013—2016年秋季北京奧體中心持續(xù)24 h以上空氣重污染過程持續(xù)時間和清除速率Fig.3 The accumulate time and clearance rate of heavy pollution process during autumn from 2013 to 2016 in Beijing Olympic Sports Center

根據式(1)，選擇PM2.5作為研究對象，計算ρ(PM2.5)的清除速率. 圖3給出了2013—2016年每年出現持續(xù)時間在24 h以上空氣重污染過程的持續(xù)時間和清除速率. 由圖3可以看出，每次污染過程的持續(xù)時間和清除速率并不一致，這反映出每次過程影響系統(tǒng)的不同. 這也可以從每次過程結束時污染物清除速率變化幅度得到反映，最低的清除速率只有1.7%，而最高的清除速率可達99.0%.

2.3 節(jié)氣與區(qū)域空氣重污染分析

通過上述對北京奧體中心開展的單點環(huán)境空氣質量分析可以看出，節(jié)氣對重度污染過程有著明顯的影響，特別是進入寒露和霜降之后在我國北方會出現范圍廣、持續(xù)時間長和強度強的區(qū)域性空氣重污染過程. 圖4給出了2013—2016年每年寒露和霜降的ρ(PM2.5)空間分布.圖4顯示，每年的寒露(10月7日或8日)和霜降(每年10月22日或23日)之后，在我國東北或華北均會出現大范圍的空氣重污染過程，這些過程是經歷夏季空氣質量相對優(yōu)良季節(jié)之后出現，往往會受到媒體和老百姓的廣泛關注，“霧霾”這一話題又開始頻繁出現在各種媒體上，對老百姓的身心健康產生不利的影響. 然而，通過對這種大范圍的區(qū)域空氣重污染發(fā)生和氣候背景的分析可以看出天氣背景的影響不容忽視.

圖4 2013—2016年寒露和霜降節(jié)氣的ρ(PM2.5)空間分布Fig.4 The spatial distribution of PM2.5 during Cold Dew solar terms and First Frost solar terms from 2013 to 2016

霜降節(jié)氣，天氣漸冷，開始有霜.黃河流域一帶出現初霜，大部分地區(qū)多忙于播種三麥等作物. 防霜措施：早種，錯開晚秋霜凍；選種，選用早熟高產品種；澆水，因為干土比濕土散熱快；熏煙，可在小范圍內形成保溫云層，減輕凍害；鋤地，可提高地溫；施肥，施腐植酸鈉或磷肥，使作物提前成熟；改變，植樹造林，可調節(jié)氣溫，徹底改變環(huán)境. 可見在霜降前后廣大的農區(qū)，特別是東北地區(qū)焚燒秸稈以減輕凍害很常見，期間秸稈焚燒釋放的大量污染物在不利的天氣氣候背景下，容易形成大范圍重度污染過程.

如2013年10月20日黑龍江、吉林和遼寧三省形成嚴重霧霾天氣. 黑龍江省內的全部高速路封閉，同時，哈爾濱機場和學校關閉3 d.哈爾濱監(jiān)測的ρ(PM2.5)小時均值高達1 000 μgm3，能見度降至50 m，造成航班延誤以及2 000多所學校停課.2013年10月22日，北京、天津和河北分別發(fā)布了各自的空氣污染應急預案，京津冀治污首次實現同步.

2013年10月28日，我國中東部20余個省區(qū)市出現霧霾天氣. 根據06:00時監(jiān)測ρ(PM2.5)顯示，北京、天津、河北、山西、陜西及河南等部分地區(qū)出現了中度或重度污染現象.

2013年10月我國中東部大部地區(qū)霧霾日數較常年同期偏多5～10 d，局部偏多10 d以上.

2.4 影響空氣重污染事件的氣候背景分析

通過上述分析可以看出，每年秋季特別是進入寒露和霜降節(jié)氣，我國北方地區(qū)經常會出現持續(xù)時間長、影響范圍廣、污染強度強的空氣重污染過程，這種污染過程的形成，除了污染物的排放外，不容忽視的一個重要影響因子就是這段時期的天氣氣候背景.

從氣象學來講，秋季在我國境內活動的氣團是以變性的西伯利亞氣團為主導，熱帶氣團退居東南海上，我國東部地區(qū)處在單一氣團控制下. 秋季我國大氣環(huán)流的總體形勢：進入秋季，副熱帶高壓開始減弱并南撤，脊線退回到25°N～30°N，海上高壓中心向東南方移去. 地面上北方冷空氣勢力加強，冷高壓活動在蒙古國一帶，地面熱低壓漸漸消失，各地的冷空氣活動增多[25].

西伯利亞高壓是東亞季風的主要成員之一，對全球大氣環(huán)流特別是東亞季風有重要影響[26]，已有研究往往集中在西伯利亞對氣溫、海溫和北極濤動等因子的影響，分析西伯利亞高壓與空氣重污染過程的研究不多. 利用中國氣象局國家氣候中心(http:cmdp.ncc-cma.netMonitoring)發(fā)布的西伯利亞高壓指數(Siberian High Index)數據，選取2013—2016年秋季3 m的西伯利亞高壓指數，對比同期北京奧體中心站監(jiān)測的ρ(PM2.5)日均值演變，以便分析二者之間的關系. 從2013—2016年秋季西伯利亞高壓指數及氣候態(tài)的日變化趨勢〔見圖5(a)〕以及同期北京奧體中心ρ(PM2.5)日均值演變趨勢〔見圖5(b)〕可以看出，最近4年西伯利亞高壓指數比氣候態(tài)偏低的日數多于偏高的日數，特別是2013年和2014年，偏低日數分別占總日數的65.9%和63.7%. 2015年和2016年偏高日數和偏低日數基本相當，但是2015年偏低的幅度明顯高于偏高的幅度，2016年則是明顯偏高. 西伯利亞高壓的這種異常變化對空氣重污染過程的影響非常明顯，對比北京同期奧體中心ρ(PM2.5)日均值的變化與西伯利亞高壓的變化可以發(fā)現，奧體中心出現連續(xù)空氣重污染過程均出現在西伯利亞高壓強度較氣候平均值偏弱的時段，因為西伯利亞高壓偏弱，則顯示月內冬季風活動不活躍，擴散條件相對較弱，易于污染物的累積從而形成重度污染.結合前文分析近4年來重度污染過程的起止時間、持續(xù)長短和強度高低，可以看出，2013—2016年最早出現持續(xù)時間超過48 h的空氣重污染過程均出現在西伯利亞高壓指數明顯偏低氣候態(tài)的時段，如2013年9月27日—2013年10月1日(持續(xù)86 h)，2014年9月5—7日(持續(xù)52 h)，2015年9月15—18日(持續(xù)48 h)，2016年9月30日—2016年10月3日(持續(xù)67 h). 2014年10月7—11日發(fā)生了持續(xù)時間長達98 h的重度污染事件，2015年11月11—15日發(fā)生了持續(xù)99 h的重度污染事件，2016年10月12—16日發(fā)生了持續(xù)84 h的重度污染事件，這些事件的發(fā)生均出現在西伯利亞高壓指數偏低氣候態(tài)的時段. 由此可見，西伯利亞高壓指數的異常偏低往往會導致我國北方地區(qū)出現持續(xù)時間長、影響范圍廣和污染強度強的重度污染事件.

圖5 2013—2016年西伯利亞高壓指數和同期北京奧體中心ρ(PM2.5)日均值比較Fig.5 The Siberian high pressure index and PM2.5 daily average value in Beijing Olympic Sports Center from 2013 to 2016

3 結論

a) 天氣氣候背景對秋季空氣重污染過程的形成、維持和消亡起著重要的作用，在污染物排放量高、污染物排放源復雜的情況下，天氣氣候背景成為形成持續(xù)時間長、影響范圍廣和污染程度高的空氣重污染過程的主要驅動因素.

b) 秋季空氣重污染過程的形成與節(jié)氣有著密切的關系，北京入秋之后最早出現持續(xù)時間超過48 h的空氣重污染過程一般發(fā)生在白露和秋分這兩個節(jié)氣，而持續(xù)時間最長、污染程度最高的空氣重污染過程則會出現在寒露和霜降這兩個節(jié)氣.

c) 2013—2016年秋季的主要超標污染物是顆粒物(PM2.5和PM10)，ρ(PM2.5)日均值超過二級標準日數平均為39 d，超標日比例為日數42.9%；而ρ(PM10)日均值出現超標(二級標準)日數平均為24 d，超標日比例為25.8%；超標期間ρ(PM2.5)、ρ(PM10)平均值分別為155.1、227.8 μgm3.

d) 2013—2016年秋季奧體中心站未出現ρ(SO2)和ρ(NO2)超標的現象，但是在2013年ρ(SO2)超過一級標準5 d，平均濃度為58.2 μgm3；而ρ(NO2)在4 a間平均26 d超過二級標準，ρ(NO2)平均值為104.3 μgm3；ρ(CO)日均值雖然沒有出現超標現象，但是超過二級標準日數有逐年增加的趨勢.

e) 2013—2016年北京奧體中心ρ(PM2.5)年均值變化不顯著，優(yōu)良時數的比例在60%左右，而中度及以上的污染時數則維持在25%左右. 但是嚴重污染事件〔ρ(PM2.5)≥250 μgm3〕的有效時數則有明顯變化，2013年和2016年約占5%，2014年和2015年則達9%左右，這種年際間的差異與當年的天氣背景有密切關系.

f) 2013—2016年最早出現持續(xù)時間超過48 h的空氣重污染過程均出現在西伯利亞高壓指數明顯偏低氣候態(tài)的時段，西伯利亞高壓指數的異常偏低往往會導致我國北方地區(qū)出現持續(xù)時間長、影響范圍廣和污染強度強的重度污染事件，反映了天氣與氣候背景對空氣重污染過程的影響.

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The Impacts of Synoptic Situation on Heavy Pollution Process in Autumn in Beijing during 2013- 2016

GAO Qingxian1, LI Liang2, MA Zhanyun1, HUANG Bingbo3

1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.China National Environmental Monitoring Center, Beijing 100012, China 3.Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China

Heavy pollution has become a major environmental event affecting people′s lives in North China during autumn and winter. Not only an increasing number of the public and research workers but also all localities and departments pay attention to heavy pollution. According to the heavy pollution public opinions are divergent. formation mechanism, control scheme, control measures, air quality monitoring data released by Chinese Environmental Monitoring Center between 2013 and 2016 in autumn was analyzed, which focus on the evolution of heavy pollution in Beijing Olympic Sports Center station. Combined with the synoptic situation released by China Meteorological Administration, we carried out systematic analysis of the 4 years autumn season east wide range of heavy pollution process in our country′s weather and climate background, pointed out that the heavy pollution process lasted for a long time, the impact of a wide range of autumn in Northeast and North China, in addition to the impact of emission sources, the weather situation also plays an important role. PM2.5pollution situation of Beijing Olympic Sports Center is still in good weather, but the duration of moderate pollution although not long, but its influence (highρ(PM2.5)) could not be ignored. 2013- 2016 in the autumn of Beijing Olympic Sports Center (PM2.5) the average daily values exceed the standard (level two), the proportion was 25.8%, 2014 was the most serious, exceed the standard number of days up to 44 days, exceed the standard rate of 37.4%. By comparison of the heavy pollution process and China′s traditional solar term analysis, after the fall of North China for the first time more than 48 hours of heavy pollution in autumnal equinox and cold dew two solar term, and heavy pollution in the most serious appear in the cold dew and first frost two solar term. From the time series, the 4 year of the Beijing Olympic Sports Centerρ(PM2.5) did not change dramatically so excellent, when the ratio of the number of around 60%, and moderate pollution when the number is maintained at about 25%. But the serious pollution incidents (≥250 μgm3) the effective hours are obvious changes. In addition, daytime pollutant concentrations were significantly lower than night. The study also pointed out that abnormally low Siberia high pressure index often leads to serious pollution events with long duration, wide influence and strong pollution intensity.

Beijing; autumn; heavy pollution; synoptic situation

2016- 12- 14

2016- 12- 29

北京市自然科學基金項目(8161004)

高慶先(1962-)，男，山西太原人，研究員，博士，主要從事氣候變化及大氣環(huán)境研究，gaoqx@craes.org.cn.

X513

1001- 6929(2017)02- 0173- 11

A

10．13198j．issn．1001- 6929．2017．01．71

高慶先,李亮,馬占云,等.2013—2016年天氣形勢對北京秋季空氣重污染過程的影響[J].環(huán)境科學研究,2017,30(2):173- 183

GAO Qingxian,LI Liang,MA Zhanyun,etal.The impacts of synoptic situation on heavy pollution process in autumn in Beijing during 2013- 2016[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(2):173- 183