張朝昌

(菏澤市氣象局，山東 菏澤 274000)

引 言

當(dāng)前我國大氣污染形勢嚴(yán)峻，以可吸入顆粒物(PM10) 、細(xì)顆粒物(PM2.5)為特征污染物的區(qū)域性大氣環(huán)境問題日益突出，嚴(yán)重?fù)p害人民群眾身體健康，影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會和諧穩(wěn)定[1～3]，大氣污染問題已成為近年來學(xué)術(shù)界研究的熱點，分析大氣污染特征及其氣象因子相關(guān)關(guān)系的研究成果不斷出現(xiàn)，張寶貴[4]等研究分析得出秦皇島市城市空氣污染物濃度變化與氣象條件的關(guān)系，李文杰[5]等分析了京津石三市空氣污染指數(shù)(API)的時空分布特征及其與氣象要素的關(guān)系，湯海波[6]等對菏澤市氣象因子與空氣質(zhì)量相關(guān)性研究與應(yīng)用，張尚鵬[7]等分析了日照市空氣質(zhì)量變化特征及其與氣象條件的關(guān)系。

菏澤市地處中緯度地區(qū)，屬溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，有著明顯的季節(jié)變化特征，空氣質(zhì)量隨季節(jié)變化有著明顯的不同，污染物高濃度值出現(xiàn)時間越來越向秋、冬季集中[8]，夏季空氣污染天氣較輕，嚴(yán)重污染天氣更是很少出現(xiàn)在夏季，菏澤市2017年5月初發(fā)生了一次嚴(yán)重污染天氣過程，有必要分析其空氣質(zhì)量AQI特征及空氣質(zhì)量AQI與氣象要素相關(guān)關(guān)系，研究影響嚴(yán)重污染天氣過程氣象要素及天氣形勢發(fā)生發(fā)展變化趨勢，為初夏季節(jié)視程障礙天氣現(xiàn)象預(yù)測打下基礎(chǔ)，以求提高氣象服務(wù)質(zhì)量，利于做好本地生態(tài)文明建設(shè)，提高本地人民生活質(zhì)量水平。

1 數(shù)據(jù)來源與2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程空氣質(zhì)量特征

1.1 數(shù)據(jù)來源

菏澤市2017年5月4日起嚴(yán)重污染天氣過程發(fā)生在春夏交替之際，空氣質(zhì)量AQI達(dá)到500指數(shù)爆表。嚴(yán)重污染天氣過程資料數(shù)據(jù)來源于山東環(huán)境氣象業(yè)務(wù)平臺數(shù)據(jù)中心，采用菏澤市空氣質(zhì)量小時報中逐時空氣質(zhì)量指數(shù)，氣象資料取自菏澤國家氣象觀測站地面觀測資料及周邊臨近臺站高空觀測資料、MICAPS4系統(tǒng)資料等。

1.2 2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程AQI特征

2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程空氣質(zhì)量AQI變化趨勢(圖1)，2017年5月4日14時空氣質(zhì)量AQI超過100由二級升為四級開始，一直持續(xù)到2017年5月8日09時空氣質(zhì)量AQI低于100,降為二級結(jié)束, AQI達(dá)到三級輕度污染以上持續(xù)88h(表1), AQI達(dá)到五級重度污染以上持續(xù)56h，AQI達(dá)到六級嚴(yán)重污染以上持續(xù)39h,首要污染物以可吸入顆粒物PM10為主, 首要污染物PM10在整個污染過程中出現(xiàn)頻率占比91%，說明該污染天氣過程污染物主要來源于裸露地面的揚塵或客源污染，PM10_IAQI與PM2.5_IAQI變化趨勢(圖2)，PM10_IAQI、PM2.5_IAQI與首要污染物AQI變化趨勢基本一致，首要污染物AQI最大值500，指數(shù)爆表達(dá)23h，SO2_IAQI指數(shù)均值7.9，NO2_IAQI均值17.0，CO_IAQI均值9.0，O3_IAQI均值26.5，PM10_IAQI均值311.3，PM2.5_IAQI均值196.9。

圖1 2017年5月初嚴(yán)重污染過程AQI變化趨勢Fig.1 Variation trend of AQI in severe pollution process in early May 2017

表1 2017年5月初污染過程空氣質(zhì)量分指數(shù)等統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of air quality sub index of pollution process in early summer 2017

圖2 2017年5月初嚴(yán)重污染過程PM10與PM2.5變化趨勢Fig.2 Change trend of PM10 and PM2.5 during severe pollution in early May 2017

2 2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程空氣質(zhì)量AQI與氣象要素相關(guān)分析

2.1 2017年5月初嚴(yán)重污染過程空氣質(zhì)量AQI與氣象要素相關(guān)分析

通過分析2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程每小時空氣質(zhì)量指數(shù)AQI與其相對應(yīng)期間的各氣象要素相關(guān)系數(shù)(表2)，總結(jié)如下：

表2 2017年5月初嚴(yán)重污染過程空氣質(zhì)量AQI與氣象要素相關(guān)系數(shù)Tab.2 In early May 2017,correlation coefficient between AQI and meteorological factors in severe pollution process

2017年5月初嚴(yán)重污染過程空氣質(zhì)量指數(shù)AQI與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.342 263 935，通過了 0.01 的顯著性檢驗。當(dāng)氣溫升高時，大氣狀態(tài)不穩(wěn)定性加強，在熱力對流的作用下污染物向上擴散[9]，AQI 指數(shù)就會降低; 當(dāng)氣溫降低時，大氣狀態(tài)穩(wěn)定，污染物的擴散受阻，AQI 指數(shù)升高。

2017年5月初嚴(yán)重污染過程空氣質(zhì)量指數(shù)AQI與10分種平均風(fēng)速大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.399 119 921，通過了 0.01 的顯著性檢驗。當(dāng)風(fēng)速增大時，污染物被迅速吹到下風(fēng)向的地方[10]，濃度降低，AQI 指數(shù)下降; 相反，當(dāng)風(fēng)速小或無風(fēng)狀態(tài)時，空氣的水平輸送能力差，造成污染物局地堆積，因此風(fēng)速的大小對于污染物擴散有著明顯的影響力，尤其對PM10影響較大。

2017年5月初嚴(yán)重污染過程空氣質(zhì)量指數(shù)AQI與10min平均能見度大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.617 388 737，通過了 0.01 的顯著性檢驗。當(dāng)污染物疏散，空氣質(zhì)量濃度降低，水平能見度增大； 相反當(dāng)污染物聚集，空氣質(zhì)量濃度升高，水平能見度減小。同時水平能見度減低時往往是空氣相對濕度增大，空氣水分增多也利于污染物的吸附下沉，空氣質(zhì)量AQI指數(shù)升高，反之水平能見度轉(zhuǎn)好時空氣相對濕度減小，空氣水分變少不利于污染物的吸附下沉，空氣質(zhì)量AQI指數(shù)降低，空氣質(zhì)量AQI指數(shù)大小與水平能見度好壞有相互影響關(guān)系。

2017年5月初嚴(yán)重污染過程空氣質(zhì)量指數(shù)AQI與本站氣壓呈正相關(guān)的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.639 004 255，通過了 0.01 的顯著性檢驗。當(dāng)大氣處于低壓控制時，空氣輻合上升，污染物隨氣流疏散到高空，有利于近地面污染物的稀釋，污染指數(shù) AQI降低; 當(dāng)大氣處于高壓控制時，空氣輻散下沉，污染物將聚集在地面，空氣質(zhì)量 AQI升高。

2017年5月初嚴(yán)重污染過程空氣質(zhì)量指數(shù)AQI與水汽壓、露點呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與水汽壓相關(guān)系數(shù)-0.465 692 505，與露點相關(guān)系數(shù)-0.472 739 112，均通過了 0.01 的顯著性檢驗；初夏季節(jié)氣溫較高空氣干燥，當(dāng)水汽壓較大、露點溫度較高時空氣中的水分不利于凝結(jié)，不利于污染物的吸附下沉，污染物濃度、AQI就會降低，當(dāng)水汽壓、露點溫度較低時，空氣中的水分易凝結(jié)，利于污染物的吸附下沉，污染物濃度、AQI就會升高。

2017年5月初嚴(yán)重污染過程空氣質(zhì)量指數(shù)AQI與相對濕度、地面溫度相關(guān)系數(shù)不顯著。

2.2 2017年5月初嚴(yán)重污染過程天氣形勢分析

據(jù)統(tǒng)計分析2017年5月初嚴(yán)重污染過程前后有關(guān)資料得知：菏澤市2017年4月下旬到5月4日出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣過程前氣溫偏高，日照偏多，多為晴好天氣，空氣濕度偏小，地面干燥、土壤干旱；2017年3月13日至5月4日前空氣質(zhì)量AQI指數(shù)一直未出現(xiàn)大于250的天氣，空氣污染較輕；統(tǒng)計2017年5月1～6日平均氣溫、10min平均風(fēng)速、本站氣壓、水汽壓(表3)，依據(jù)表2中2017年5月初嚴(yán)重污染過程空氣質(zhì)量AQI與氣象要素相關(guān)系數(shù)分析，可見各氣象要素變化趨勢是：1～6日本站氣壓持續(xù)升高，水汽壓基本持續(xù)降低，4日前氣溫降低，均有利于污染物聚集，空氣質(zhì)量AQI升高； 5月4日前風(fēng)速加大，雖然剛剛降水過后，但前期地面過于干燥，利于PM10為主的污染物形成與客源污染物輸入，4日后風(fēng)速減小，又有利于污染物聚集，從而形成較罕見的初夏季節(jié)嚴(yán)重空氣污染天氣過程。

表3 2017年5月1～6日平均氣溫、風(fēng)速、本站氣壓、水汽壓統(tǒng)計Tab.3 Statistics of average temperature, wind speed, air pressure and water vapor pressure of the station from May 1 to 6, 2017

進(jìn)一步分析可見：2017年5月3日本地500hPa高空圖(圖3a)受槽前西南氣流影響，700hPa高空圖(圖4a)受東移低槽影響，預(yù)示將有一次降水降溫過程，實況5月3日13時至4日凌晨有一次中到大雨降水過程，4日11～15時有5～6級較大陣風(fēng)， 4日14時空氣質(zhì)量AQI超過100由二級快速升為四級， 17時空氣質(zhì)量AQI達(dá)到500爆表，首要污染物以PM10顆粒物為主，可見污染物多來源于裸露地面的揚塵或客源污染；5月4～6日500hPa高空圖(圖3b、3c、3d)與700hPa高空圖(圖4b、4c、4d)受槽后偏西氣流的控制，天氣多云到晴，大氣狀態(tài)穩(wěn)定，污染物擴散受阻，利于較高AQI指數(shù)持續(xù)；5月4日～5日臨近高空站溫度對數(shù)壓力圖(圖5a、5b)2公里下風(fēng)速較小，有逆溫層，利于污染物聚集，空氣污染持續(xù)，6日20時逆溫層(圖5c)減弱消失；實況是6日下午空氣質(zhì)量AQI開始逐漸減小，7日500hPa高空圖(圖3e)環(huán)流平直，河套有低槽發(fā)展東移，700hPa高空圖(圖4e)：地處江淮切變線北側(cè)，將影響本市，8日500hPa高空圖(圖3f)：低渦中心位于山西南部，夜間東移出本市，700hPa高空圖(圖4f)：受低渦中心控制，夜間東移出本市，預(yù)示將有降水過程，實況是8日05時開始有小雨過程，對污染物的驅(qū)散有利，空氣質(zhì)量AQI進(jìn)一步減小， 09時空氣質(zhì)量AQI低于100,降為二級，污染天氣結(jié)束。

圖3 2017 年5月3日至8日500hPa高空圖Fig.3 500hPa high-altitude view from May 3 to 8 2017

圖4 2017年5月3日至8日700hPa高空圖Fig.4 700hpa high altitude view from May 3 to 8 2017

3 2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程期間氣象服務(wù)情況分析

2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程期間本地市氣象臺5月3～8日24h天氣預(yù)報見表4：

表4 2017年5月3日至8日24h天氣預(yù)報Tab.4 24-hour weather forecast from May 3 to 8, 2017

本地市氣象臺5月5日11時26分發(fā)布大風(fēng)藍(lán)色預(yù)警信號：“預(yù)計今天白天我市將出現(xiàn)平均風(fēng)力4級左右，陣風(fēng)6～7級的偏北大風(fēng)，請注意防范?！?/p>

可見在2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程期間，本地市氣象臺天氣預(yù)報準(zhǔn)確及時，氣象災(zāi)害防御預(yù)警只發(fā)布了大風(fēng)預(yù)警，而對可能出現(xiàn)揚沙、浮塵、霧霾等視程障礙天氣現(xiàn)象應(yīng)對氣象服務(wù)準(zhǔn)備不足，即沒有啟動重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)，也沒有發(fā)布對霧霾等視程障礙天氣的預(yù)報預(yù)警，2017年5月初嚴(yán)重污染過程中首要污染物以可吸入顆粒物PM10為主，過程期間最小有效能見度2 217m，并伴有霾視程障礙天氣現(xiàn)象，雖然有效能見度沒有低于1 000m而發(fā)布沙塵暴、大霧等預(yù)報，氣象部門也沒有權(quán)限發(fā)布空氣質(zhì)量污染預(yù)警，但霾與輕霧、霧、揚沙、浮塵、沙塵暴等都屬于視程障礙天氣現(xiàn)象，氣象部門可以根據(jù)氣象服務(wù)需要，分析本地氣溫、風(fēng)速、氣壓、水氣壓、露點等視程障礙天氣現(xiàn)象影響因子相關(guān)變化，結(jié)合天氣形勢等分析提前做出影響空氣質(zhì)量的視程障礙天氣現(xiàn)象預(yù)測；嚴(yán)重污染天氣過程一般多出現(xiàn)在秋冬季節(jié)，2017年5月初出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣過程比較罕見，認(rèn)真分析初夏季節(jié)嚴(yán)重污染天氣過程天氣形勢發(fā)生發(fā)展規(guī)律，有利于氣象部門對污染天氣過程的正確研判，氣象部門可以主動與環(huán)保部門聯(lián)合，提出可能出現(xiàn)視程障礙天氣現(xiàn)象氣象災(zāi)害防御措施，適時啟動污染天氣應(yīng)急響應(yīng)，從而提高初夏季節(jié)大氣污染天氣過程中氣象服務(wù)質(zhì)量，利于做好本地生態(tài)文明建設(shè)，提高本地人民生活質(zhì)量水平。

4 結(jié) 論

4.1 2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程特征：5月4日14時空氣質(zhì)量AQI超過100由二級快速升為四級， 17時空氣質(zhì)量AQI達(dá)到500爆表，AQI達(dá)到三級輕度污染以上持續(xù)88h, AQI達(dá)到五級重度污染以上持續(xù)56h，AQI達(dá)到六級嚴(yán)重污染以上持續(xù)39h，AQI指數(shù)爆表達(dá)23h，污染物以PM10顆粒物為主，多來源于地面揚塵或客源污染。

4.2 2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程空氣質(zhì)量AQI與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系、與10min平均風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系、與10min平均能見度大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系、與水汽壓、露點呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與本站氣壓呈正相關(guān)關(guān)系，均通過了 0.01 的顯著性檢驗。

4.3 2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程天氣形勢：污染過程發(fā)生前期，2017年4月下旬以來氣溫偏高，日照偏多，地面干燥；5月4日11～15時有5～6級偏北陣風(fēng)，利于引起揚沙浮塵與PM10客源污染物輸入；污染過程發(fā)生初期氣溫降低、氣壓升高，大氣狀態(tài)穩(wěn)定，污染物擴散受阻，利于空氣質(zhì)量AQI 指數(shù)快速升高，形成嚴(yán)重污染天氣；污染天氣過程中期高空圖為槽后偏西氣流的控制，天氣形勢穩(wěn)定，2km下有逆溫層，風(fēng)速偏小，利于污染物聚集；過程后期高空圖環(huán)流平直，河套有低槽發(fā)展東移，受江淮切變線影響，預(yù)示有小雨天氣過程，對污染物的驅(qū)散有利，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。

4.4 2017年5月初嚴(yán)重污染天氣過程本地氣象部門發(fā)布了大風(fēng)防御預(yù)警，但對可能出現(xiàn)揚沙、霧霾等視程障礙天氣現(xiàn)象氣象服務(wù)準(zhǔn)備不足，沒有啟動污染天氣應(yīng)急響應(yīng)，初夏季節(jié)出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣過程比較罕見，氣象部門應(yīng)引以為戒，根據(jù)氣象服務(wù)需要，分析本地氣溫、風(fēng)速、氣壓、水氣壓、露點等視程障礙天氣現(xiàn)象影響因子相關(guān)變化，結(jié)合天氣形勢等分析提前研判影響空氣質(zhì)量的視程障礙天氣現(xiàn)象變化趨勢，主動與環(huán)保部門聯(lián)合提出可能出現(xiàn)視程障礙天氣現(xiàn)象氣象災(zāi)害防御措施，以求提高初夏季節(jié)嚴(yán)重污染天氣過程中氣象服務(wù)質(zhì)量，利于做好本地生態(tài)文明建設(shè)，提高本地人民生活質(zhì)量水平。