黃利萍，趙 健，李佳耘，馬魁俠

（亳州市氣象局，安徽 亳州 236800）

中國的大氣污染已從20 世紀80 年代的點源污染發(fā)展到90 年代的城市污染，21 世紀開始逐漸演變?yōu)閰^(qū)域性、復合型的大氣污染［1］。學者對安徽省大氣重污染特征進行了大量研究。季冕等［2］分析了安徽省滁州市春季大氣重污染過程的成因；弓中強等［3］對合肥市PM2.5重度污染氣象條件進行了分析；石 春 娥 等［4-6］對 合 肥 市PM2.5和PM10輸 送 軌 跡 及2013—2015 年P(guān)M2.5重污染特征進行了研究；周述學等［7］對長江三角洲西部地區(qū)PM2.5輸送軌跡進行了分類研究。上述研究主要是以合肥市和長三角區(qū)域大城市為主，而針對重污染頻發(fā)的皖西北地區(qū)的研究較少。亳州市地處河南、山東、安徽三省交界地區(qū)，污染形勢極為嚴峻，大氣污染防治工作已成為當?shù)卣闹攸c工作。本研究以亳州市為例，分析亳州市大氣污染特征概況，并選取2 次連續(xù)重污染過程來分析氣象因子在重污染天氣過程中的作用。

1 資料與方法

依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ 633—2012），將環(huán)境空氣質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴重污染6 個等級，其中，AQI≤50 為優(yōu)，50＜AQI≤100 為良，100＜AQI≤150 為輕度污染，150＜AQI≤200 為中度污染，200＜AQI≤300 為重度污染，AQI＞300 為嚴重污染。本研究所用的資料來源于安徽省氣象局信息中心和歐洲中心再分析資料。采用統(tǒng)計方法對亳州市2015—2019 年AQI 的年、季變化特征和首要污染物年變化特征進行了分析，并選取了2020 年1 月亳州市2 次典型連續(xù)重污染天氣過程，將PM2.5和PM10的逐小時變化特征與地面風向風速、能見度、相對濕度、925 hPa 風向風速等氣象要素進行了對比分析，同時分析了2 次過程高低空環(huán)流形勢，探討重污染天氣發(fā)生的環(huán)流形勢及重污染天氣與氣象因子的關(guān)系，以期為皖西北地區(qū)重污天氣預(yù)報提供指導。

2 亳州市空氣污染特征概況

2.1 亳州市AQI年、季變化特征

亳州市2015—2019 年AQI平均值為149.7，達到國家二級標準（100）的1.5 倍，其中優(yōu)良日數(shù)占總?cè)諗?shù)的64%，輕度污染日數(shù)占26%，中度以上污染日數(shù)為183 d，占10%，重度污染日數(shù)為66 d。2015—2019年亳州市各等級AQI 出現(xiàn)頻率季節(jié)變化見圖1。由圖1 可知，春、夏、秋季AQI 優(yōu)良日數(shù)占比相對較多（65.54%～75.11%）；輕度污染冬季出現(xiàn)頻率最高（33.49%）、秋季次之（26.13%），春、夏季略少；冬季出現(xiàn)中度以上污染的頻率明顯增多，其余季節(jié)僅占2%～5%；重度以上污染主要出現(xiàn)在冬季（12.70%），秋季次之（3.38%），夏季未出現(xiàn)。

圖1 2015—2019 年亳州市各等級AQI出現(xiàn)頻率季節(jié)變化

2.2 亳州市首要污染物的年變化特征

2015—2019年亳州市各首要污染物出現(xiàn)頻率年變化見圖2。由圖2 可知，亳州市2015—2019 年首要污染物主要為PM2.5、O3和PM10，NO2首要污染偶有發(fā)生，SO2未出現(xiàn)過。PM2.5首要污染占比呈逐年下降趨勢，O3首要污染占比呈顯著上升趨勢，2019 年達到46.38%，超過PM2.5污染占比（38.55%）。2015 年P(guān)M10首要污染占比為20.26%，此后總體呈下降趨勢（2018 年除外）。

圖2 2015—2019 年亳州市各首要污染物出現(xiàn)頻率年變化

3 亳州市2020 年2 次連續(xù)重污染天氣過程分析

3.1 2020 年1 月11—15 日 和1 月24—25 日2 次連續(xù)重污染天氣過程概況

3.1.1 第一次重污染天氣過程 2020 年1 月10 日，受區(qū)域靜穩(wěn)、逆溫、高濕等不利氣象條件影響，河南省北部、河北省中南部和山東省西部等地出現(xiàn)重度及以上污染。11 日凌晨起，受弱偏北氣流影響，京津冀及周邊地區(qū)污染氣團逐漸向南輸送；11 日08：00，亳州市PM2.5濃度達到小時重度污染；隨后，受靜穩(wěn)、高濕天氣影響，污染氣團在亳州市滯留，污染繼續(xù)加重，11 日23：00 PM2.5濃度達到308 μg/m3，此后緩慢下降，12 日18：00 至13 日18：00 PM2.5濃度維持在150 μg/m3。13 日夜間，受弱冷空氣南下影響，京津冀及周邊地區(qū)污染氣團再次南下，亳州市再次經(jīng)歷了PM2.5濃度升高過程（PM2.5峰值增至185 μg/m3）。14 日午后，偏北風逐漸增大，區(qū)域大氣擴散條件轉(zhuǎn)好，本次污染過程緩解（圖3）。

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

3.1.2 第二次重污染天氣過程 2020 年1 月23 日，河北省中南部、山東、河南、關(guān)中地區(qū)PM2.5均達重度污染。24 日凌晨起亳州市PM2.5達到重度污染，24日傍晚受冷空氣影響，河北省中南部污染帶開始逐漸向南移動；24日夜間，河北省大部和山東半島空氣質(zhì)量已經(jīng)轉(zhuǎn)為輕度污染，河北省南部、山東省西部、河南省大部和安徽省北部受區(qū)域傳輸影響，依然維持重度污染，24日23：00前后PM2.5達到354 μg/m3，此后污染迅速緩解，25 日05：00 PM2.5降至78 μg/m3。25 日11：00再度轉(zhuǎn)為重度污染，26日10：00污染清除（圖4）。

圖4 2020 年1 月23 日20：00 至1 月26 日20：00 亳州市PM2.5和PM10濃度時序

3.2 環(huán)流形勢分析

3.2.1 第一次重污染天氣過程 2020 年1 月11 日08：00，500 hPa 在河套西部有1 個弱的低壓槽，亳州市處在低壓槽底部偏西氣流中，17：00 低壓槽快速東移，亳州市轉(zhuǎn)受槽后西北氣流控制，12 日02：00 至20：00 925 hPa 亳州市至河南省中部東南風和東北偏東風的輻合持續(xù)存在，13 日17：00 受弱冷空氣影響，925 hPa 偏北風加大，14 日17：00 轉(zhuǎn)為偏東氣流，15 日02：00 500 hPa 轉(zhuǎn)為脊控制，925 hPa 偏東風增大（圖5）。

圖5 2020 年1 月12 日02：00 925 hPa 風場

3.2.2 第二次重污染天氣過程 2020 年1 月24 日08：00，500 hPa 上在內(nèi)蒙古西部為高壓脊，南支槽位于高原南部，亳州市處在偏西氣流中，脊前弱冷空氣不斷擴散南下，亳州市污染逐步加重，24 日夜間低槽東移，925 hPa 亳州市處在反氣旋環(huán)流底部東北偏東風氣流中，地面上表現(xiàn)為冷高壓南下，為典型的冷鋒過境影響（圖6）。

3.3 氣象因子分析

3.3.1 地面風向風速 第一次重污染天氣過程。從地面逐小時風向、風速變化（圖7）可知，1 月10 日上午亳州國家站地面為東北風，風速2 m/s 左右，10 日12：00 前后轉(zhuǎn)西北風，直至11 日20：00 西北風持續(xù)，風速2～3 m/s，表明受弱冷空氣影響，上游污染持續(xù)向亳州市輸送，PM2.5濃度持續(xù)上升；1 月11 日21：00至13 日03：00 以小風為主，風速1 m/s，風向多變，不利于污染物的清除，PM2.5濃度達到峰值；13 日04：00 以后偏西風轉(zhuǎn)西北風，07：00 風速增至4 m/s左右，17：00 風速減小至2 m/s 左右，14 日07：00 偏北風轉(zhuǎn)偏東風，風速2 m/s 左右，表明亳州市再次受弱冷空氣影響，PM2.5濃度再次上升，并繼續(xù)累積；14 日17：00 之后東北風逐漸增至3～4 m/s，重度污染緩解。

第二次重污染天氣過程。從地面逐小時風向、風速變化（圖7）可知，受冷空氣影響，1 月23 日夜間到24 日04：00 亳州站地面以東北風為主，風速迅速增至3～5 m/s，05：00 起東北風逐漸轉(zhuǎn)偏北風，風速減至2 m/s 左右，受上游傳輸影響亳州市PM2.5濃度達到重度污染，24日18：00至20：00偏北風增至4 m/s，上游污染再次傳輸，亳州市PM2.5濃度達到峰值，此后迅速清除。25 日白天偏北風轉(zhuǎn)東北風，風速降至2 m/s 左右，PM2.5濃度再度上升，25 日夜間東北風增至4 m/s 左右，受傳輸影響，PM2.5濃度第二次達到峰值，此后東北風迅速減小至1～2 m/s，26 日上午污染徹底清除。

圖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）亳州站地面風向、風速變化時序

3.3.2 能見度 第一次重污染天氣過程。從地面逐小時最小能見度和PM2.5時序變化（圖8）可知，能見度和PM2.5濃度變化基本上表現(xiàn)為負相關(guān)。1 月10 日10：00 亳州站能見度10 km 左右，此后呈直線下降趨勢，PM2.5濃度呈緩慢上升趨勢，11 日20：00至12 日03：00 出現(xiàn)小 于1 km 的霧，最小能見 度113 m，此時PM2.5也出現(xiàn)了濃度峰值，此后能見度回升，12 日白天至13 日白天能見度維持在2～4 km，13日夜間能見度下降至1～2 km，與13 日夜間PM2.5濃度升高正好對應(yīng)，14 日白天能見度迅速回升，PM2.5濃度開始逐漸下降。

第二次重污染天氣過程。從地面逐小時最小能見度和PM2.5時序變化（圖8）可知，能見度和PM2.5濃度變化的相關(guān)性不明顯。1 月23 日夜間到24 日白天，亳州站能見度維持在2 km 左右，PM2.5濃度緩慢增大；24 日夜間受冷空氣影響，能見度迅速升至5 km 以上，受傳輸影響PM2.5濃度達到峰值，此后兩者變化基本一致。

3.3.3 相對濕度 第一次重污染天氣過程。從地面逐小時相對濕度和PM2.5時序變化（圖9）可知，相對濕度和PM2.5濃度變化基本上表現(xiàn)為正相關(guān)。PM2.5重污染期間，亳州站相對濕度均在70%～90%，其中11 日夜間相對濕度90%～98%，與PM2.5濃度峰值相對應(yīng)。13 日夜間受干冷空氣影響，相對濕度迅速降至40%～60%，但是受傳輸影響PM2.5濃度仍然明顯上升，14 日下午污染逐漸緩解。

第二次重污染天氣過程。從地面逐小時相對濕度和PM2.5時序變化（圖9）可知，相對濕度和PM2.5濃度變化有正相關(guān)關(guān)系。在24 日凌晨PM2.5達到重度污染到25 日凌晨達到峰值期間，亳州站相對濕度為60%～85%，其中受干冷空氣影響，25 日早晨相對濕度降至50%左右，PM2.5重污染清除。25 日白天到夜間相對濕度維持60%～70%，PM2.5濃度再度上升。26 日白天相對濕度增至90%以上，PM2.5濃度卻迅速下降。

圖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風向、風速3 h 變化時序

3.3.4 1 000、925 hPa 風向風速 第一次重污染天氣過程。從1 000 hPa 和925 hPa 逐3 h 風向、風速變化（圖10）可知，受冷空氣影響，11 日白天925 hPa 以偏北風為主，風速9～13 m/s，11 日夜間到13 日8：00 偏北風轉(zhuǎn)偏南風，風速降至7～8 m/s。13 日下午起亳州市次受冷空氣影響，偏北風增至12～13 m/s，此后偏北風轉(zhuǎn)偏南風，風力11 m/s 左右，14 日午后偏南風逐漸減小至4～8 m/s。1 000 hPa 風向風速的變化與925 hPa 基本一致，也表現(xiàn)為2 次冷空氣過程，偏北風增至4～6 m/s，11 日夜間、14 日白天風速不足2 m/s。

圖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濃度和地面相對濕度變化時序

第二次重污染天氣過程。從1 000 hPa 和925 hPa 逐3 h 風向、風速變化（圖10）可知，受冷空氣影響，23 日夜間到24 日白天925 hPa 以偏北風為主，風速10～12 m/s，24 日夜間偏北風速降至4～6 m/s。25 日白天偏北風增至12m/s 左右，夜間減小至8 m/s左右。1 000 hPa 風向為偏北風，23 日夜間起風速增至5～6 m/s。925 hPa 風向風速的變化能明顯指示冷空氣活動過程。

3.3.5 海平面氣壓、24 h 變壓 第一次重污染天氣過程。從海平面氣壓、24 h 變壓時序變化（圖11）可知，1 月11—12 日基本維持均壓場（1 025 hPa 左右），13日午后起氣壓迅速增大（1 030 hPa左右）。從24 h變壓可知，13 日午后起正變壓明顯，最大可達6.9 hPa，11—12 日白天正變壓較?。ㄐ∮? hPa），12 日夜間為負變壓（-2 hPa 左右）?？梢?，11 日冷空氣較弱，13 日的冷空氣強度較強。

第二次重污染天氣過程。從海平面氣壓、24 h變壓時序變化（圖11）可知，1 月23—25 日為地面冷高壓南下影響毫州市，海平面氣壓維持1 030～1 035 hPa，25 日夜減小到1 030 hPa 以下。從24 h 變壓可知，24 日正變壓明顯，最大為7.3 hPa，24 日夜間至25 日逐漸為負變壓。表明本次過程為強冷空氣過境過程，冷高壓強度和24 h 變壓較強。

圖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）亳州站海平面氣壓、24 h 變壓時序

3.4 氣團軌跡路徑分析

第一次重污染天氣過程。11—14日亳州市100 m和1 000 m 高空氣團均來自北方。11 日前以偏北方向的近地面輸送為主，12—14 日高空和地面同時向亳州市輸送，高空氣體來自西北方向，地面氣團來自偏北方向。本次污染過程區(qū)域傳輸對亳州市PM2.5濃度升高有重要影響。本次污染過程區(qū)域傳輸表現(xiàn)為前期為地面輸送，輸送路徑來自偏北方向；后期為高空、地面同時傳輸，輸送路徑來自西北偏北和偏北2 個方向。

第二次重污染天氣過程。22—24 日，亳州市100 m 和1 000 m 高空氣團均來自山東半島方向。22—24 日以高空輸送為主，高空來自偏東方向，地面來自東北方向，24—25 日以地面輸送為主，來自東北方向。本次污染過程區(qū)域傳輸表現(xiàn)為前期冷空氣高空輸送下沉，后期為地面?zhèn)鬏?，輸送路徑來自東北和偏東2 個方向。本次污染過程區(qū)域傳輸對亳州市PM2.5濃度升高有重要影響。

4 小結(jié)與討論

4.1 小結(jié)

選取2020 年1 月11 至15 日 和1 月24 至25 日 亳州市2 次連續(xù)重污染天氣過程，通過對環(huán)流形勢、氣象要素和氣團軌跡路徑3 個方面的對比分析，發(fā)現(xiàn)2次過程異同點如下。

4.1.1 2 次重污染過程相同點 2 次過程都是冷空氣活動，使上游污染傳輸導致亳州市出現(xiàn)重度污染，表明污染區(qū)域傳輸對亳州市PM2.5濃度升高有重要影響。地面上為東北風或者偏北風輸送，風速達到5 m/s 時會導致上游污染的傳輸和迅速清除，風速3～4 m/s 時傳輸效果明顯，清除效果不明顯，風速1～2 m/s時利于污染的累積。

4.1.2 2 次重污染過程不同點 冷空氣活動的強度不同。第一次過程是本地污染積累加上2 次冷空氣活動（弱冷空氣和較強冷空氣），導致污染強度逐漸遞增的過程，且清除效果不明顯，第二次過程是強冷空氣過境，將上游污染向毫州市輸送的過程，其中有2 次明顯清除過程；污染傳輸路徑不同。第一次過程氣團主要來自北方，且以前期近地面輸送為主，后期為高空、地面同時輸送，第二次過程氣團來自東北和偏東2 個方向，且前期以高空輸送為主，后期為地面輸送；環(huán)流形勢場不同。第一次過程高空為短波槽過境，925 hPa 有風場輻合，地面以均壓場為主，第二次過程高空有低槽東移，925 hPa 以東北偏北風為主，風力較大，地面為冷高壓南下，為典型的冷鋒過境影響。氣象條件不同。第一次過程能見度、相對濕度與PM2.5濃度分別呈負、正相關(guān)，第二次過程相關(guān)性不明顯。地面風速在2 次過程表現(xiàn)不同，第一次過程污染累積和增強期間風速為1～3 m/s，第二次過程風速較大，傳輸作用更明顯。

4.2 討論

統(tǒng)計分析了亳州市2015—2019 年污染天氣總體特征，亳州市重污染天氣主要出現(xiàn)在冬季，主要污染物為PM2.5，秋季和春季次之，夏季未出現(xiàn)。全年主要污染物為PM2.5和O3，PM2.5污染除夏季發(fā)生較少外，其余季節(jié)發(fā)生較多，冬季天數(shù)最多，O3污染除冬季外，其他季節(jié)均有出現(xiàn)，夏季最多。

從首要污染物年變化特征看，亳州市PM2.5首要污染占比呈下降趨勢，O3首要污染占比上升明顯，尤其是2019 年，因此需要加強對O3污染的研究。