2021年冬季商丘一次重污染天气过程

2021年冬季商丘一次重污染天气过程

气象成因分析

朱蒙，张艳玲*

（1.商丘市气象局，商丘 476000）

摘要：利用常规气象观测资料、NCEP再分析资料、环保部门提供的大气环境监测资料，对2021年1月20-30日商丘地区重污染天气过程进行了综合分析，分别从环流形势、大气稳定度条件、动力条件、水汽条件、近地层风场输送等几个方面对重污染天气的形成机制展开分析，结果表明：此次重污染天气过程影响时间长、范围广、强度大，高空受槽前西南气流影响，近地面风速较小，气温较高，相对湿度较大，天气静稳，

随着冷空气南下，重污染天气过程结束。本次重污染过程，从外界输送方面来讲，主要存在西部和东北条输送路径，其中从山东南部输送至商丘是贡献最大的一条输送路径，其次则是经河南中部输送至商丘的西部路径。也可以看出本次重污染过程中，偏东风的输送对外界传输贡献很大，也是预报过程中非常值得重视的气象因素。

关键词：重污染；静稳天气；天气形势；物理量场

中图分类号：

引言

随着经济的高速发展，我国的大气污染日趋严重，污染特征也逐渐从上世纪90年代的城市性污染转变为复合性和区域性污染[1]。因而，针对一个污染区域的灰霾成因、污染物输送通道和输送量、数值模拟等方面的研究成为当前环境科学、大气科学等多个学科的研究热点。目前，对京津冀、长三角和珠三角等重污染区域的研究已有较多成果见诸报道。自从2013年河南省启动“河南省大气灰霾污染专项研究”后，对中原地区的大气污染研究进程得到了加快，近两年也出现了一些污染传输和数值模拟方面的报道[2-5]。但总体来讲，对中原地区大气污染特征的研究仍需得到加强。重污染天气不仅使大气能见度下降，影响交通安全，而且对人体健康也有很大的影响，因此社会对重污染天气越来越关注，对监测、预报服务需求也日趋强烈。随着观测手段的丰富和观测技术的提高，许多学者通过不同的途径对重污染天气做了大量的分析研究，杨旭等[6]统计了京津冀地区典型重污染个例，将该地区冬半年空气污染过程分为高压场、高压后部、鞍型场和冷锋前部等天气类型。蔡坤等[7]利用遥感解析法研究了河南省污染物时空分布特征。武威等[8]对河南漯河一次连续重污染天气过程成因与污染物传输特征进行了分析。董贞花等[9]分析了河南三次重污染天气过程的气象要素与污染物的相关性，发现风小、高湿、增温及减压有利于污染物发展。李改琴等[10]分析了濮阳一次持续性雾霾天气的阶段性特征和维持机制。

商丘是农业大市，随着工业化进程的快速发展，大气污染物不仅危害人体健康，而且对农业生产赖以生存的大气环境造成了一定的危害。大气污染的加剧使地面接收到的太阳辐射减少，从而改变植物的光合有效辐射的数量、质量，造成作物生长受阻，影响植物的生长发育。大气污染和气象条件密切相关，大量研究表明，在污染源基本不变的条件下，污染物浓度的大小主要取决于气象条件[11-12]。本文通过对2021年1月20-30日商丘重污染过程的大尺度环流形势、大气温湿条件、边界层物理量特征等影响污染累积、扩散、输送的重要气象因素进行分析，研究两次污染过程特征量的异同及成因，为空气重污染预报提供依据和参考。

1 资料与方法

1.1资料说明

地面气象要素资料来源于中国气象局地面气象要素小时平均观测资料，包括温度、气压、湿度、风向、风速、能见度等，高空数据为NCEP空间分辨率1°×1°，时间分辨率6h的FNL再分析资料，大气环境监测资料来源于商丘市环境监测中心自动监测站。

1.2 空气质量指数等级划分

  空气质量指数（AQI）等级划分是定量描述空气质量状况的无量纲指数，用来评价空气质量状况，并以PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO作为分级污染物。根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（JH633-2012），将AQI分为6级：优（0-50）、良（51-100）、轻度污染（101-150）、中度污染（151-200）、重度污染（201-300）、严重污染（>300）。

2 污染气象成因分析

2.1 环流特征

对2021年1月20-30日重污染天气过程高空环流形势进行分析，500hPa天气图上，我省在西南气流中，四川盆地到云南西部有一低槽自西向东移动，商丘位于低槽槽前的西南气流中，有明显的风速辐合，700hPa上四川盆地有一低涡，低涡伸展出人字形切变线，我市位于东西走向的切变线北侧，处于东南气流中，850hPa我市处于偏东气流中，风速较弱。商丘上空三层的风速较小，不利于剧烈垂直运动的产生。地面天气图中，内蒙古北部有冷高压存在，北方冷空气扩散南下，我市处于入海高压后部的东北气流中。

图1 2021年1月20-30日重污染天气过程平均环流形势（500hPa、700hPa、850hPa、地面）

2.2 稳定性条件

混合层高度表征了污染物在垂直方向被热力对流和动力湍流输送所能达到的高度，是影响污染物扩散的重要参数[]。混合层高度越高，越有利于污染物在垂直方向的扩散，反之，混合层高度月底，越不利于污染物扩散，易发生重污染天气。从图2，重污染过程的气象要素特征图中可以看出，严重污染日22、24、25日，风速较小，气压较高，气温起伏小。2021年1月商丘平均风速为2.25m/s ，较历史同期气候值略偏低，平均风速小导致商丘水平方向的扩散条件变差，易造成污染物在近地面层积聚。

图2 2021年1月20-30日重污染天气过程气象要素特征

2.3 动力条件

  分析商丘站垂直速度时序图，发现，严重污染日22、24、25日，整层为一致的上升运动。

图3 2021年1月20-30日商丘站垂直速度时序图

2.4 水汽条件

2021年1月 商丘平均相对湿度（81%）较历史同期气候值增加19% ，潮湿的空气不仅有利于颗粒物吸湿性增长，粒径变大，导致能见度降低，更有利于污染物的二次反应，使PM2.5的浓度骤升。

图4 2021年1月20-30日商丘站相对湿度时序图

2.5 层结条件

分析商丘站温度平流时序图，发现，重污染过程中以暖平流为主。

2021年1月 商丘平均相对湿度（61.3%）跟历史同期气候值持平 ，潮湿的空气不仅有利于颗粒物吸湿性增长，粒径变大，导致能见度降低，更有利于污染物的二次反应，使PM2.5的浓度骤升。

图5 2021年1月20-30日商丘站温度平流时序图

3 重污染天气过程聚类分析、PSCF分析、CWT分析

从图中可以看出，本次重污染过程的主要聚类轨迹在西部和东部，占比最大的两条轨迹分别是西部和东北，东北路径是由山东输送至商丘，西部路径是从河南中部输送至商丘。从PSCF分析也可以看出，PSCF也存在两个大值区，分别位于商丘的西部和东北方向，与聚类的路径相似，分别位于山东南部和河南中部区域。CWT分布图与聚类和PSCF分布有相似之处，依然存在西部和东北两个大值区，两个大值区相比，最大值区域出现在山东南部和河南中部。

由此可以看出，本次重污染过程，从外界输送方面来讲，主要存在西部和东北条输送路径，其中从山东南部输送至商丘是贡献最大的一条输送路径，其次则是经河南中部输送至商丘的西部路径。也可以看出本次重污染过程中，偏东风的输送对外界传输贡献很大，也是预报过程中非常值得重视的气象因素。

图6 2021年1月20-30日聚类分析、PSCF分析、CWT分析

4结论

2021年1月20-30日重污染天气过程，商丘上空三层的风速较小，不利于剧烈垂直运动的产生。地面天气图中，内蒙古北部有冷高压存在，北方冷空气扩散南下，我市处于入海高压后部的东北气流中。

本次重污染过程的主要聚类轨迹在西部和东部，占比最大的两条轨迹分别是西部和东北，东北路径是由山东输送至商丘，西部路径是从河南中部输送至商丘。从PSCF分析也可以看出，PSCF也存在两个大值区，分别位于商丘的西部和东北方向，与聚类的路径相似，分别位于山东南部和河南中部区域。CWT分布图与聚类和PSCF分布有相似之处，依然存在西部和东北两个大值区，两个大值区相比，最大值区域出现在山东南部和河南中部。

在大气污染治理方面，应考虑主导风向的变化，从外界输送方面来讲，主要存在西部和东北条输送路径，其中从山东南部输送至商丘是贡献最大的一条输送路径，其次则是经河南中部输送至商丘的西部路径。也可以看出本次重污染过程中，偏东风的输送对外界传输贡献很大，也是预报过程中非常值得重视的气象因素。

参考文献

[1] Cao C，Zheng S，Singh R P．Characteristics of aerosol opticalproperties and meteorological parameters duringthree major dust events (2005-2010) over Beijing，China［J］.Atmospheric Research，2014，150 ( 1 ) :129-142.

[2]Wang S，Xing J，Zhao B， et al．Efectiveness of national airpollution control policies on the air quality inmetropolitan areas of China［J］．Journal of EnvironmentalSciences， 2014， 26( 1) : 13-22.

[3]Zhang G，Han B，Bi X， et al．Characteristics of inpidualparticles in the atmosphere of Guangzhou by singleparticle mass spectrometry［J］．Atmospheric Research，2015， 153: 286-295.

[4]郑翔，覃军，梁胜文.偏东小风在武汉市秋冬季重污染形成过程中的作用[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2018，10(5):536－546．

[5]任阵海．大气输送的环境背影场［J］．大气科学，1998，22( 4) : 454-459.

[6]杨旭，张小玲，康延臻，等．京津冀地区冬半年空气污染天气分型研究［J］．中国环境科学，2017，37( 9) : 3201-3209

.

[7]蔡坤，郑泰皓，陈良富，等．河南省2005-2015年NO2和PM2.5时空变化遥感解析［J］．中国环境科学，2017，37( 12) :4417-4427.

[8]武威，顾佳佳，鲍玉辉．漯河一次持续性重污染过程成因及传输特征分析［J］．暴雨灾害，2020，39( 3) :259-268.

[9]董贞花，齐伊玲，孔海江．河南省三次重污染过程的对比分析［J］．气象与环境学报，2019，35(1) :18-25.

[10]李改琴，唐影，王聪，等．濮阳一次持续性雾霾天气的阶段性特征和维持机制［J］．气象与环境科学，2022，45(1) :65-72.

[11]  罗森波，罗秋红，谢炯光. 广州市大气污染与气象条件关系的统计分析[J]. 热带气象学报, 2006, 22(6): 567-573.

[12]  程兴宏，徐祥德. MM5/WRF 气象场模拟差异对CMAQ 空气质量预报效果的影响[J]. 环境科学研究, 2009, 22(12): 1411-1419.

资助项目：商丘市气象科学技术研究项目（SQ202102）

作者简介：朱蒙（1987.07）女，汉族，河南商丘人，硕士研究生学历，工程师，主要从事短期预报、环境气象及气候预测等。

通讯作者：张艳玲，高级工程师，主要从事短期预报、环境气象等。