吉林省長(zhǎng)春市2019年12月22日—29日一次重污染過程的成因分析

姚令瑋，李 昂，高福新

1.乾安縣氣象局，吉林乾安 131400；2.松原市氣象，吉林松原 138000

1 數(shù)據(jù)來源

研究所采用的2014—2019年的AQI數(shù)據(jù)和相關(guān)的污染物數(shù)據(jù)均來自中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)（https://www.aqistudy.cn/historydata/）。該平臺(tái)是可獲取自2013年以來AQI數(shù)據(jù)的公益性質(zhì)軟件平臺(tái)，該平臺(tái)共收錄了我國(guó)367個(gè)主要城市的PM2.5和天氣信息相關(guān)數(shù)據(jù)，具體天氣類數(shù)據(jù)主要有12種，包括空氣質(zhì)量方面的AQI、 PM2.5、PM10，燃燒中產(chǎn)生的S02、N02，破壞大氣層的O3和CO，基礎(chǔ)氣象要素方面的溫度、濕度、風(fēng)級(jí)、風(fēng)向，以及衛(wèi)星云圖。其中，O3的指標(biāo)O3-8 h為8 h平滑的結(jié)果，除此以外的5種均為日數(shù)據(jù)。氣象要素?cái)?shù)據(jù)為長(zhǎng)春站（54161）相關(guān)氣象要素，包括氣壓、溫度、降水量、云量、風(fēng)向、風(fēng)速、混合層高度，逆溫層數(shù)據(jù)包括逆溫層數(shù)、逆溫底高、逆溫強(qiáng)度、逆溫厚度。其中，關(guān)于空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）的研究，采用國(guó)家生態(tài)環(huán)境部的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，按照0～50、51～100、101～150、151～200、201～300、＞300，劃 分 為6個(gè) 等級(jí)，分別用綠、黃、橙、紅、紫、褐紅色表示，代表空氣質(zhì)量的6個(gè)等級(jí)（表1）。

2 2019年12月22日—29日 一次 重污染過程分析

2.1 重污染過程實(shí)況分析

每年冬季東北地區(qū)都有4個(gè)月的供暖期，即使是在國(guó)家的管控下，煤炭取暖的弊端依舊存在，因此秋冬季節(jié)也是空氣污染出現(xiàn)的多發(fā)期。根據(jù)表1空氣污染指數(shù)(Air Quality index， AQI)分級(jí)，可知AQI的值越大，說明空氣污染程度越重，級(jí)別越高，污染程度越嚴(yán)重，對(duì)人體健康產(chǎn)生的危害就越大，反之，危害越小[1]。在此次過程中，AQI指數(shù)超過151的時(shí)間為 2019 年 12月23—28日，但從22日開始，污染物就迅速堆積，達(dá)到峰值。在地面各類氣象要素的共同影響下，29日開始才逐漸消散[2]。此次重污染過程歷時(shí)8 d，此次空氣污染過程的主要特點(diǎn)是：程度重、污染物濃度上升速度快、恢復(fù)迅速。

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

圖1為12月20—31日AQI的時(shí)間序列，從圖中可以看出12月20、21日AQI分別為58、67，空氣質(zhì)量為良，處在一個(gè)較好的水平；22日空氣質(zhì)量為輕度污染，污染物開始累積；23日空氣質(zhì)量達(dá)到重度污染，24—25日空氣質(zhì)量有減輕但也為中度污染；26日空氣質(zhì)量再次達(dá)到了重度污染，AQI值也達(dá)到了此次重污染過程的最大值279；隨后開始下降，在28日出現(xiàn)一個(gè)小高峰后繼續(xù)下降，29日AQI指數(shù)下降到150以下，污染物基本消散，空氣質(zhì)量恢復(fù)，重污染過程基本結(jié)束[3～4]。根據(jù)此次過程的發(fā)展情況可知，重污染過程具有較明顯的特點(diǎn)，污染在初期迅速積累，后期消散速度快，嚴(yán)重污染級(jí)別天數(shù)較多，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，污染強(qiáng)度影響范圍大。

圖1 2019年12月20—31日AQI變化

AQI由6種污染因子組成，分別為PM2.5、PM10、CO、SO2、O3和NO2。根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部不同污染物濃度限制的 規(guī) 定，當(dāng)PM2.5或 PM10的24 h均 值超過75或150 μg/m3時(shí)即到達(dá)污染標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5或PM10的24 h均 值 超 過150或350 μg/m3即達(dá)到重度污染（根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)AQI標(biāo)準(zhǔn)）。通過表2發(fā)現(xiàn)，在23和26日環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)AQI達(dá)到最大時(shí)候，對(duì)應(yīng)的PM2.5、PM10和NO2濃度也達(dá)到污染標(biāo)準(zhǔn)并且為整個(gè)污染期間的最大值。其中，PM2.5的濃度更是達(dá)到了中度空氣污染的濃度限值[5～7]。26日是此次污染最為嚴(yán)重的一天。

2.2 重污染過程氣象條件分析

2.2.1 地面降水量 降水的過程可以使空氣中的粒子隨著雨滴的降落而達(dá)到地面，減輕空氣中的污染粒子密度，從而減輕污染程度[8]。從圖2可知，雖然有多日降水?dāng)?shù)據(jù)缺測(cè)，但仍可以看出降水減輕了一定的空氣污染。23日空氣污染達(dá)到此次重污染過程的峰值，24—25日都有降水，雖然降水量不多，但AQI都是降低的，到了29日降水量為5 mm，對(duì)應(yīng)的AQI值也下降到145，此次重污染過程逐漸減弱結(jié)束（其中22、23、26、28日的降水量缺測(cè)）。

圖2 2019年12月22—29日逐日降水量及AQI變化趨勢(shì)

2.2.2 地面風(fēng)速 風(fēng)對(duì)大氣污染物的稀釋擴(kuò)散和三維輸送起著重要作用，風(fēng)的方向?qū)ξ廴疚锏臄U(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向至關(guān)重要，風(fēng)速?zèng)Q定著污染物粒子的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)表2可知，在23和26日AQI值在2個(gè)小高峰時(shí)溫度出現(xiàn)2個(gè)最低值，風(fēng)速出現(xiàn)2個(gè)最低值，在最低值后都隨著AQI值的降低有一定程度的增高，隨著AQI值的變化而變化，隨著AQI變正常而回歸正常。

表2 12月22—30日AQI各污染因子的變化

圖3為2019年12月23—28日 污 染天氣期間的風(fēng)速數(shù)據(jù)。設(shè)定風(fēng)速≤1 m/s為靜風(fēng)狀態(tài)，在6 d的重污染期間最大風(fēng)速只有3 m/s，最小風(fēng)速為0 m/s，期間的靜風(fēng)頻率達(dá)到34.5%，風(fēng)速在2 m/s以下的頻率達(dá)到66%，并且在12月23日和26日AQI值最大的2天，0 m/s的風(fēng)速均出現(xiàn)在這2天內(nèi)，這2天的風(fēng)速也是污染期間最低的。根據(jù)研究污染物濃度與地面風(fēng)速（u）的關(guān)系：當(dāng)u＞2 m/s時(shí)，污染物濃度隨風(fēng)速的增加迅速減小；u＜2 m/s 時(shí)，此時(shí)風(fēng)速對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋影響甚微。但是29日開始風(fēng)速達(dá)到3.2 m/s，隨后的2天超過2 m/s，風(fēng)速的增加，加速了污染物的稀釋、擴(kuò)散和清除。30日，正常重污染過程結(jié)束，AQI值降到69，空氣質(zhì)量為良[9]。圖3表明風(fēng)速對(duì)大氣污染物的擴(kuò)散稀釋有一定程度的影響，此次污染期間，地面風(fēng)速小，大氣水平擴(kuò)散能力弱，不利于污染物的稀釋、擴(kuò)散和清除。

圖3 2019年12月20—31日風(fēng)速與AQI的變化

2.2.3 逆溫層 統(tǒng)計(jì)重污染期間的逆溫層數(shù)、逆溫底高、逆溫強(qiáng)度、逆溫厚度等逆溫要素（表3），發(fā)現(xiàn)每天2個(gè)時(shí)次的逆溫?cái)?shù)據(jù)，逆溫層數(shù)最少的時(shí)次是3層，其余時(shí)次均達(dá)到5層及5層以上。逆溫層數(shù)越多，污染物的垂直擴(kuò)散就越不容易，越會(huì)加重污染[10]。在整個(gè)污染過程中，多個(gè)時(shí)次的逆溫層底的高度都是0 m，這說明逆溫層從地面開始存在。逆溫層底越低，污染物的垂直擴(kuò)散空間就越小，污染越嚴(yán)重。在整個(gè)污染過程期間，有4 d的逆溫強(qiáng)度達(dá)到0.6 ℃/100 m及以下，最強(qiáng)達(dá)到2.4 ℃/100 m，在污染最嚴(yán)重的23日和26日逆溫強(qiáng)度分別低至0.2和0.4 ℃/100 m，說明逆溫層內(nèi)高度每升高100 m時(shí)的溫度逆增值越大，大氣層結(jié)越穩(wěn)定，越不利于污染物的擴(kuò)散；逆溫厚度在污染最重的兩天也是高值。因此，逆條件都是不利于污染物稀釋、擴(kuò)散和清除的。

表3 2019年12月22日—29日逆溫?cái)?shù)據(jù)情況統(tǒng)計(jì)