孫鳳娟，田勇，張文娟，付華軒*，呂波，許宏宇，邊萌

山東省濟南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 濟南 250101

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進程加快，工業(yè)規(guī)模不斷擴大，大氣污染問題日益突出，尤其是進入采暖季后，污染排放增加，疊加不利氣象條件，中國中東部地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)大范圍、長時間的重污染過程（李敏等，2018a；李敏等，2018b），城市環(huán)境空氣質(zhì)量成為公眾普遍關注的熱點話題，環(huán)境空氣質(zhì)量預報，對人們出行、生活及對政府部門決策的指導作用意義重大。

空氣質(zhì)量預報方法分為統(tǒng)計模型和數(shù)值模式兩類（郭曉雷，2011），數(shù)值模式方法預報結(jié)果的優(yōu)劣很大程度上依賴于模型輸入的排放源清單的精度（楊棟，2020）。由于建立高精度、高分辨率排放源清單難度大、模式運行復雜且計算量龐大，數(shù)值預報方法應用難度較大（丁愫等，2018）。統(tǒng)計預報模型具有運算量少、使用方便、不需要污染源排放清單、經(jīng)濟高效等優(yōu)點（Fabio et al.，2017；Chen，2018），已成為許多研究學者普遍使用的方法（艾洪福等，2015；沈勁等，2015；任才溶，2018），在區(qū)域、地級市及區(qū)縣空氣質(zhì)量預報中得到廣泛應用（任旭敏，2017；周開鵬等，2020）。

濟南市地處山東省中西部，北臨黃河，中部為山前平原，南部為丘陵山區(qū)帶，地勢南高北低，呈淺碟狀，地形復雜，氣象條件多變，空氣質(zhì)量預報難度大。本文充分考慮空氣質(zhì)量預報人員對模式掌握程度、資金投入、污染源精細度、氣象方面可利用資料的獲取程度（聶邦勝，2008），以及數(shù)據(jù)的實際特性、模型的適應范圍等，通過研究西伯利亞高壓、阿留申低壓強度、位置，結(jié)合本地濕度、風速、邊界層等氣象因素，建立濟南市采暖季（11月至次年3月）污染指數(shù)公式，以期為提高濟南市環(huán)境空氣質(zhì)量預報準確率提供參考。

1 資料數(shù)據(jù)

環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料來源于山東省濟南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心發(fā)布的 2013—2019年采暖季 11個國控點日均AQI數(shù)據(jù)；地面氣壓場資料來源于NCEP/NCAR提供的地面氣壓場日均再分析資料，水平分辨率為 2.5°×2.5°（Kalnay et al.，1996）；高空資料及地面風、濕度、邊界層等資料來源于NCEP提供的FNL再分析資料，時間分辨率1日4次，水平分辨率為1°×1°，垂直分辨率為26層；2020年12月大氣預報場資料來源于NCEP提供的全球預報場（GFS）數(shù)據(jù)，水平分辨率0.25°×0.25°，垂直分辨率34層；濟南市降水資料來源于濟南市氣象臺；沙塵影響資料來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站。

2 2013年—2019年濟南市采暖季氣候因素及氣象條件特征

濟南地處中緯度地帶，地處華東，屬于溫帶季風氣候，冬季較高的污染物排放，一旦遇到持續(xù)不利的大氣擴散條件，華北和華東地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)持續(xù)性大面積的區(qū)域性污染帶（李厚宇，2018）。研究表明（賈蓓西，2018），中國東部地區(qū)冬季不易出現(xiàn)灰霾天氣的環(huán)流特征為西伯利亞高壓和阿留申低壓較強，東亞地區(qū)冬季偏北風較強且副熱帶西風急流較強。同時，區(qū)域氣象條件也影響了中國東部地區(qū)冬季空氣質(zhì)量，如本地水平風速大小影響局地水平方向污染物擴散，行星邊界層高度影響垂直方向污染物擴散，近地面相對濕度影響污染物二次生成。高、低層大氣的綜合作用下，容易明顯的影響污染物累積及擴散。

2.1 濟南市采暖季重污染過程氣候異常特征

作為大尺度環(huán)流系統(tǒng)，冬季風帶來的寒冷干燥氣流，能夠影響中國北方大部分地區(qū)，其對冬季環(huán)境空氣質(zhì)量影響顯著（梁蘇潔，2014），作為東亞冬季氣候系統(tǒng)的重要組成部分，西伯利亞高壓的存在強烈的影響亞洲東部地區(qū)天氣系統(tǒng)的變化，阿留申低壓的強度和位置異常對北半球的天氣、氣候異常有重要的影響，它們的強度和位置影響著中國東部地區(qū)的氣溫、降水、相對濕度以及風向風速，進而影響著中國東部地區(qū)污染物的生成、傳輸和沉降等過程，是影響中國東部地區(qū)空氣質(zhì)量的重要的大尺度天氣系統(tǒng)和氣象因子（Chang et al.，2012；Chen et al.，2015；丁一匯等，2014；王遵婭等，2006）。通過研究高空東亞大槽的強度、位置及地面西伯利亞高壓、阿留申低壓的強度、位置等信息，可反映出東亞冬季風的建立、消亡等過程，進而分析造成中國東部地區(qū)區(qū)域重污染的氣候因素。

濟南市2013—2019年采暖季重污染期間，高空500 hPa東亞大槽強度明顯減弱（圖1a，實線為采暖季平均值，虛線為采暖季重污染期間平均值），槽線位置異常偏東 10個經(jīng)度，東亞大槽處于衰老再生間隙，中國東部地區(qū)高空大氣環(huán)流平直，無明顯天氣系統(tǒng)，缺少高空氣流引導，西伯利亞高壓難以侵入中國，冷空氣活動減弱，大氣靜穩(wěn)形勢建立；地面西伯利亞高壓中心位置偏南2—3個緯度（圖1b、c，實線正距平，虛線負距平），高壓中心強度明顯減弱，影響范圍減小，阿留申低壓中心東撤減弱，中國東部地區(qū)氣壓梯度明顯減小，亞洲冬季風活動減弱甚至中斷，東部地區(qū)氣溫升高、風速減小、垂直方向大氣靜穩(wěn)，區(qū)域擴散條件轉(zhuǎn)差，容易形成大范圍污染；地面氣壓場存在3個距平中心（圖1d），其中與西伯利亞高壓相對應的位置附近存在一個負距平中心，與阿留申低壓中心對應的位置附近存在一個正距平中心，安徽、河南交界處存在一個負距平中心，這種形勢容易形成大范圍靜穩(wěn)天氣，同時以山東省中部地區(qū)為中心存在一個明顯的相對濕度正距平中心，區(qū)域顆粒物吸濕增長和二次轉(zhuǎn)化增強。

圖1 2013—2019年采暖季及采暖季重污染期間東亞大槽（a）、采暖季（b）及采暖季重污染期間（c）地面平均氣壓場、地面氣壓場距平及相對濕度距平（d）Fig. 1 East Asian trough during heating season (a) and heavy pollution in heating season (b) from 2013 to 2019 , the average surface pressure field during heating season (b) and during heavy pollution in heating season (c), ground pressure field anomaly and relative humidity anomaly (d)

2.2 濟南市采暖季氣象條件與空氣質(zhì)量關系

氣象要素是影響污染物在大氣中稀釋、擴散、遷移和轉(zhuǎn)化的重要因子，包括氣壓、氣溫、相對濕度、風向、風速、降水量等?？諝庀鄬穸仍黾訒龠M氣態(tài)污染物向顆粒態(tài)轉(zhuǎn)化，同時空氣中的水汽能吸附更多的污染物，促進水汽凝結(jié)懸浮在空中從而影響AQI（弓輝等，2020）；大氣中污染物的擴散和輸送很大程度上依賴邊界層的結(jié)構(gòu)，邊界層升高或降低直接影響著環(huán)境空氣質(zhì)量狀況；水平風速的大小決定了大氣中污染物的稀釋程度和擴散范圍。通過分析剔除沙塵及降水后濟南市近地面相對濕度、邊界層高度、風速、風向與AQI的關系，可反映出局地氣象條件對空氣質(zhì)量狀況的影響。

逐日統(tǒng)計結(jié)果顯示，2 m相對濕度與AQI間有較好的相關性（圖2a），隨著相對濕度的增大，顆粒物吸濕增長及二次轉(zhuǎn)化增強，AQI整體呈上升趨勢，研究時段內(nèi)濟南市有 90%的時間相對濕度在60%以下，相對濕度高于60%以上的天數(shù)僅占總天數(shù)的10%，但集中了67%的重污染天氣；行星邊界層高度同AQI間存在較好的負相關關系（圖2b），行星邊界層高度下降時，垂直方向擴散條件差，AQI整體呈上升趨勢，濟南市采暖季行星邊界層高度普遍較低，邊界層在200 m以下的天數(shù)占總研究天數(shù)的62%，但集中了90%的重污染天氣；采暖季濟南市近地面風速普遍較低，10 m風速在 2.5 m·s?1以下的天數(shù)占總研究天數(shù)的65%，集中了70%的重污染天氣。

圖2 剔除沙塵及降水后濟南市2 m相對濕度（a）、行星邊界層高度（b）、風速（c）與AQI關系圖Fig. 2 The relationship between AQI and RH(2 m) (a), PBL (b) and WS (c) in Ji’nan after removing dust and precipitation

3 濟南市采暖季污染指數(shù)構(gòu)建及應用

3.1 污染指數(shù)構(gòu)建

空氣污染是在高、低層大氣的綜合作用下形成的，高層大氣環(huán)流形勢以及近地面氣象因子直接影響著空氣中污染物的生成、累積、傳輸、擴散、沉降等過程。在空氣質(zhì)量預報預警實踐中，通過相關氣象條件疊加得到污染指數(shù)，具體方法是：

（1）利用NCEP的FNL再分析資料和濟南市日均 AQI數(shù)據(jù)，通過文獻調(diào)研及預報經(jīng)驗，選取2013—2019年采暖季西伯利亞高壓、阿留申低壓、南部氣壓距平中心氣壓值、濟南市本地2 m相對濕度、10 m水平風速、行星邊界層高度等氣象因子；

（2）結(jié)合剔除沙塵和降水后 AQI，確定各氣象因子閾值范圍，并對各因子不同的閾值范圍分配不同的權重值（表1），權重值越大表示對污染形成的貢獻越大；

表1 各氣象因子閾值范圍及權重Table 1 Threshold value and weight for each meteorological factor

（3）將所有落在閾值范圍內(nèi)的各因子進行求和，得到基于經(jīng)驗預報的濟南市污染指數(shù) PI（公式 (1)）。

式中：

IRH——2 m相對濕度；

IV——10 m風速；

IH——行星邊界層高度；

IPh——西伯利亞高壓距平中心氣壓；

IP1——阿留申低壓距平中心氣壓；

IPs——南部氣壓距平中心氣壓。

3.2 污染指數(shù)效果

用污染指數(shù)與濟南市采暖季AQI的相關系數(shù)評價污染指數(shù)的優(yōu)劣，以2013—2019年采暖季共919組數(shù)據(jù)為例，AQI和污染指數(shù)之間相關系數(shù)達到0.579，為顯著相關（表2），隨著污染加重，污染指數(shù)相應增大（圖3），空氣質(zhì)量為優(yōu)良時，污染指數(shù)中位數(shù)為5，空氣質(zhì)量為重度污染時，污染指數(shù)上、下四分位數(shù)分別為 9、21，中位數(shù)為13，空氣質(zhì)量達到嚴重污染時，污染指數(shù)上、下四分位數(shù)分別為14.25、23，中位數(shù)為18，且中度污染及以上時，污染指數(shù)不存在數(shù)據(jù)異常值，污染指數(shù)與空氣質(zhì)量等級有較好的一致性，能夠反映空氣質(zhì)量狀況，對空氣質(zhì)量預報尤其是重污染期間預報具有較好的指導意義。

表2 AQI與污染指數(shù)相關性分析Table 2 Correlation analysis of AOI and pollution index

圖3 空氣質(zhì)量等級和污染指數(shù)箱線圖Fig. 3 Box plot of air quality level and pollution index

3.3 污染指數(shù)應用

3.3.1 2020年12月濟南市兩次重污染過程環(huán)流形勢及氣象條件分析

12月 9—12日，中國東部地區(qū)出現(xiàn)一次以PM2.5為首要污染物的重污染過程，由湖北開始逐漸向河南、山東、河北、江蘇、安徽、上海多個連片省市蔓延。此次重污染期間，高空 500 hPa無明顯天氣系統(tǒng)（圖4a），整體環(huán)流較為平直，形勢穩(wěn)定；地面形勢場，7日阿留申低壓中心位于（155°W，57°N），中心位置偏東，西伯利亞高壓中心南下，中國東部地區(qū)經(jīng)歷一次冷空氣過程影響，整體空氣質(zhì)量狀況較好，8—12日，阿留申低壓強度逐漸增強，中心位置開始西進，新的西伯利亞高壓處于建立階段，期間中國東部地區(qū)無冷空氣活動。濟南市受均壓場控制，氣壓梯度小，以弱南風為主，風速小，維持著2 m·s?1以下，相對濕度較大（圖4c），10日相對濕度達到90%，有霧，邊界層高度8日迅速下降，之后維持著200 m以下，污染物擴散條件不利，污染持續(xù)加重，11—12日空氣質(zhì)量達到重度污染。13日凌晨開始，新的西伯利亞高壓中心南下，強冷空氣影響，風速增大，相對濕度減小，邊界層高度明顯升高，空氣質(zhì)量改善，此次污染過程結(jié)束。

圖4 2020年12月10日、28日500 hPa環(huán)流形勢+1 000 hPa位勢高度（a、b）及2020年12月7—13日、25—31日風速、2 m相對濕度、邊界層高度與AQI曲線圖（c、d）Fig. 4 500 hPa circulation situation and 1 000 hPa HGT on December 10 (a) and 28 (b), WS, RH (2 m), PBL and AQI on December 7–13 (c) and 25–31 (d), 2020

12月中下旬寒潮來臨前，影響中國的冷空氣勢力偏弱，中東部大部地區(qū)平均氣溫都將較常年同期明顯偏高，污染氣團在東部持續(xù)存在，12月24—25日，長江三角洲、長江中游地區(qū)出現(xiàn)輕度至中度污染，隨后全國整體氣象條件轉(zhuǎn)差，北至京津冀、南至兩廣、西至川渝、東至山東大面積連片區(qū)域和新疆中西部出現(xiàn)中度至重度污染，此次重污染過程是2020秋冬季全國污染程度重、范圍最廣的一次污染過程，且對山東省和河南省影響最大，山東省有13個地市出現(xiàn)重度污染天氣。此次重污染期間，高空500 hPa中國東部地區(qū)處于橫槽前（圖4b），偏西氣流為主，形勢穩(wěn)定；地面形勢場，25日近地面冷空氣影響結(jié)束，新的西伯利亞高壓處于建立階段，無冷空氣活動。濟南市受均壓場控制，氣壓梯度小，以弱南風為主，風速小，相對濕度迅速增大，28日相對濕度達到98%，有大霧，邊界層高度極低（圖4d），天氣靜穩(wěn)，擴散條件持續(xù)差，污染物累積和二次轉(zhuǎn)化增強，28日達到重度污染。29日，高空橫槽轉(zhuǎn)豎，西伯利亞高壓中心南下，強冷空氣主體影響，風速增大，相對濕度降低，邊界層迅速升高，擴散條件好轉(zhuǎn)，空氣質(zhì)量改善，此次污染過程結(jié)束。

3.3.2 污染指數(shù)預報效果驗證

利用NCEP提供的GFS資料，提取每日20:00起報的濟南市未來12、36、60、84、108、132、156 hIRH、IV、IH、IPh、IP1、IPs數(shù)據(jù)，利用公式（1）計算未來 7天污染指數(shù)，分析污染指數(shù)公式對2020年12月7—13日及12月25—31日兩次重污染過程預報效果（圖5）。

圖5 2020年12月7—13日（a）及12月25—31日（b）重污染過程污染指數(shù)與AQIFig. 5 The pollution index and AQI of heavy pollution process from December 7 to 13, 2020 (a) and December 25 to 31, 2020 (b)

從污染指數(shù)與AQI變化圖可以看出，12月7—13日重污染過程中（圖5a），9—10日污染累積階段，污染指數(shù)迅速上升，AQI同步升高，12—13日污染消散階段，污染指數(shù)迅速下降，污染指數(shù)能夠較好的預測本次污染過程的累積及消散過程。其中，11日，預測污染指數(shù)出現(xiàn)下降，但AQI仍持續(xù)上升，主要是GFS資料中對11日10 m相對濕度預報偏低，7—9日起報的11日相對濕度均低于55%，而實際相對濕度高于70%，相對濕度的預報偏差導致11日污染指數(shù)與實際AQI變化出現(xiàn)偏差。25—31日污染過程中（圖5b），污染指數(shù)與AQI變化完全一致，預報效果好。

4 結(jié)論

（1）西伯利亞高壓及阿留申低壓通過強度及位置變化，影響亞洲冬季風的消亡及東亞大槽的強度，進而影響北方冷空氣南下路徑、頻次及強度，影響大尺度污染物擴散條件，而本地水平風速大小影響局地水平方向污染物擴散，行星邊界層高度影響垂直方向污染物擴散，近地面相對濕度影響污染物二次生成。高、低層大氣的綜合作用下，容易明顯的影響污染物累積及擴散。

（2）濟南市2013—2019年采暖季重污染期間，高空東亞大槽強度明顯減弱，槽線位置偏東，中國東部地區(qū)高空大氣環(huán)流平直，地面西伯利亞高壓中心位置偏南，高壓中心強度明顯減弱，阿留申低壓中心東撤減弱，中國東部地區(qū)氣壓梯度明顯減小，亞洲冬季風活動減弱甚至中斷，地面氣壓場存在3個距平中心，大氣靜穩(wěn)形勢建立，同時以山東省中部地區(qū)為中心存在一個明顯的相對濕度正距平中心，區(qū)域顆粒物吸濕增長和二次轉(zhuǎn)化增強。濟南市采暖季相對濕度 60%以上僅占10%，但集中了 67%的重污染天氣，行星邊界層高度普遍較低，62%集中在200 m以下，集中了90%的重污染天氣，10 m風速65%集中在2.5 m·s?1以下，集中了70%的重污染天氣。

（3）2020年冬季兩次污染過程，濟南市均處于前后兩次冷鋒天氣活動的間隙，高空環(huán)流平直，東亞冬季風活動中斷，新的西伯利亞高壓處于建立階段，中國東部地區(qū)無明顯冷空氣活動，地面受均壓場控制，氣壓梯度小，風速小，相對濕度增大，邊界層降低，擴散條件轉(zhuǎn)差，污染物逐漸累積且二次生成增強。

（4）兩次污染過程中污染指數(shù)與AQI呈現(xiàn)出較好的一致變化趨勢，污染累積階段污染指數(shù)呈明顯上升趨勢，污染消散階段污染指數(shù)迅速下降，污染指數(shù)能夠較好的反映污染過程的不同階段，具有較好的提前預報能力。