张朝昌

(菏泽市气象局，山东 菏泽 274000)

引 言

当前我国大气污染形势严峻，以可吸入颗粒物(PM10) 、细颗粒物(PM2.5)为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出，严重损害人民群众身体健康，影响经济发展和社会和谐稳定[1～3]，大气污染问题已成为近年来学术界研究的热点，分析大气污染特征及其气象因子相关关系的研究成果不断出现，张宝贵[4]等研究分析得出秦皇岛市城市空气污染物浓度变化与气象条件的关系，李文杰[5]等分析了京津石三市空气污染指数(API)的时空分布特征及其与气象要素的关系，汤海波[6]等对菏泽市气象因子与空气质量相关性研究与应用，张尚鹏[7]等分析了日照市空气质量变化特征及其与气象条件的关系。

菏泽市地处中纬度地区，属温带季风型大陆性气候，有着明显的季节变化特征，空气质量随季节变化有着明显的不同，污染物高浓度值出现时间越来越向秋、冬季集中[8]，夏季空气污染天气较轻，严重污染天气更是很少出现在夏季，菏泽市2017年5月初发生了一次严重污染天气过程，有必要分析其空气质量AQI特征及空气质量AQI与气象要素相关关系，研究影响严重污染天气过程气象要素及天气形势发生发展变化趋势，为初夏季节视程障碍天气现象预测打下基础，以求提高气象服务质量，利于做好本地生态文明建设，提高本地人民生活质量水平。

1 数据来源与2017年5月初严重污染天气过程空气质量特征

1.1 数据来源

菏泽市2017年5月4日起严重污染天气过程发生在春夏交替之际，空气质量AQI达到500指数爆表。严重污染天气过程资料数据来源于山东环境气象业务平台数据中心，采用菏泽市空气质量小时报中逐时空气质量指数，气象资料取自菏泽国家气象观测站地面观测资料及周边临近台站高空观测资料、MICAPS4系统资料等。

1.2 2017年5月初严重污染天气过程AQI特征

2017年5月初严重污染天气过程空气质量AQI变化趋势(图1)，2017年5月4日14时空气质量AQI超过100由二级升为四级开始，一直持续到2017年5月8日09时空气质量AQI低于100,降为二级结束, AQI达到三级轻度污染以上持续88h(表1), AQI达到五级重度污染以上持续56h，AQI达到六级严重污染以上持续39h,首要污染物以可吸入颗粒物PM10为主, 首要污染物PM10在整个污染过程中出现频率占比91%，说明该污染天气过程污染物主要来源于裸露地面的扬尘或客源污染，PM10_IAQI与PM2.5_IAQI变化趋势(图2)，PM10_IAQI、PM2.5_IAQI与首要污染物AQI变化趋势基本一致，首要污染物AQI最大值500，指数爆表达23h，SO2_IAQI指数均值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。

图1 2017年5月初严重污染过程AQI变化趋势Fig.1 Variation trend of AQI in severe pollution process in early May 2017

表1 2017年5月初污染过程空气质量分指数等统计表Tab.1 Statistical table of air quality sub index of pollution process in early summer 2017

图2 2017年5月初严重污染过程PM10与PM2.5变化趋势Fig.2 Change trend of PM10 and PM2.5 during severe pollution in early May 2017

2 2017年5月初严重污染天气过程空气质量AQI与气象要素相关分析

2.1 2017年5月初严重污染过程空气质量AQI与气象要素相关分析

通过分析2017年5月初严重污染天气过程每小时空气质量指数AQI与其相对应期间的各气象要素相关系数(表2)，总结如下：

表2 2017年5月初严重污染过程空气质量AQI与气象要素相关系数Tab.2 In early May 2017,correlation coefficient between AQI and meteorological factors in severe pollution process

2017年5月初严重污染过程空气质量指数AQI与气温呈负相关关系，相关系数为-0.342 263 935，通过了 0.01 的显著性检验。当气温升高时，大气状态不稳定性加强，在热力对流的作用下污染物向上扩散[9]，AQI 指数就会降低; 当气温降低时，大气状态稳定，污染物的扩散受阻，AQI 指数升高。

2017年5月初严重污染过程空气质量指数AQI与10分种平均风速大小呈负相关关系，相关系数为-0.399 119 921，通过了 0.01 的显著性检验。当风速增大时，污染物被迅速吹到下风向的地方[10]，浓度降低，AQI 指数下降; 相反，当风速小或无风状态时，空气的水平输送能力差，造成污染物局地堆积，因此风速的大小对于污染物扩散有着明显的影响力，尤其对PM10影响较大。

2017年5月初严重污染过程空气质量指数AQI与10min平均能见度大小呈负相关关系，相关系数为-0.617 388 737，通过了 0.01 的显著性检验。当污染物疏散，空气质量浓度降低，水平能见度增大； 相反当污染物聚集，空气质量浓度升高，水平能见度减小。同时水平能见度减低时往往是空气相对湿度增大，空气水分增多也利于污染物的吸附下沉，空气质量AQI指数升高，反之水平能见度转好时空气相对湿度减小，空气水分变少不利于污染物的吸附下沉，空气质量AQI指数降低，空气质量AQI指数大小与水平能见度好坏有相互影响关系。

2017年5月初严重污染过程空气质量指数AQI与本站气压呈正相关的关系，相关系数为0.639 004 255，通过了 0.01 的显著性检验。当大气处于低压控制时，空气辐合上升，污染物随气流疏散到高空，有利于近地面污染物的稀释，污染指数 AQI降低; 当大气处于高压控制时，空气辐散下沉，污染物将聚集在地面，空气质量 AQI升高。

2017年5月初严重污染过程空气质量指数AQI与水汽压、露点呈负相关关系，与水汽压相关系数-0.465 692 505，与露点相关系数-0.472 739 112，均通过了 0.01 的显著性检验；初夏季节气温较高空气干燥，当水汽压较大、露点温度较高时空气中的水分不利于凝结，不利于污染物的吸附下沉，污染物浓度、AQI就会降低，当水汽压、露点温度较低时，空气中的水分易凝结，利于污染物的吸附下沉，污染物浓度、AQI就会升高。

2017年5月初严重污染过程空气质量指数AQI与相对湿度、地面温度相关系数不显著。

2.2 2017年5月初严重污染过程天气形势分析

据统计分析2017年5月初严重污染过程前后有关资料得知：菏泽市2017年4月下旬到5月4日出现严重污染天气过程前气温偏高，日照偏多，多为晴好天气，空气湿度偏小，地面干燥、土壤干旱；2017年3月13日至5月4日前空气质量AQI指数一直未出现大于250的天气，空气污染较轻；统计2017年5月1～6日平均气温、10min平均风速、本站气压、水汽压(表3)，依据表2中2017年5月初严重污染过程空气质量AQI与气象要素相关系数分析，可见各气象要素变化趋势是：1～6日本站气压持续升高，水汽压基本持续降低，4日前气温降低，均有利于污染物聚集，空气质量AQI升高； 5月4日前风速加大，虽然刚刚降水过后，但前期地面过于干燥，利于PM10为主的污染物形成与客源污染物输入，4日后风速减小，又有利于污染物聚集，从而形成较罕见的初夏季节严重空气污染天气过程。

表3 2017年5月1～6日平均气温、风速、本站气压、水汽压统计Tab.3 Statistics of average temperature, wind speed, air pressure and water vapor pressure of the station from May 1 to 6, 2017

进一步分析可见：2017年5月3日本地500hPa高空图(图3a)受槽前西南气流影响，700hPa高空图(图4a)受东移低槽影响，预示将有一次降水降温过程，实况5月3日13时至4日凌晨有一次中到大雨降水过程，4日11～15时有5～6级较大阵风， 4日14时空气质量AQI超过100由二级快速升为四级， 17时空气质量AQI达到500爆表，首要污染物以PM10颗粒物为主，可见污染物多来源于裸露地面的扬尘或客源污染；5月4～6日500hPa高空图(图3b、3c、3d)与700hPa高空图(图4b、4c、4d)受槽后偏西气流的控制，天气多云到晴，大气状态稳定，污染物扩散受阻，利于较高AQI指数持续；5月4日～5日临近高空站温度对数压力图(图5a、5b)2公里下风速较小，有逆温层，利于污染物聚集，空气污染持续，6日20时逆温层(图5c)减弱消失；实况是6日下午空气质量AQI开始逐渐减小，7日500hPa高空图(图3e)环流平直，河套有低槽发展东移，700hPa高空图(图4e)：地处江淮切变线北侧，将影响本市，8日500hPa高空图(图3f)：低涡中心位于山西南部，夜间东移出本市，700hPa高空图(图4f)：受低涡中心控制，夜间东移出本市，预示将有降水过程，实况是8日05时开始有小雨过程，对污染物的驱散有利，空气质量AQI进一步减小， 09时空气质量AQI低于100,降为二级，污染天气结束。

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

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

3 2017年5月初严重污染天气过程期间气象服务情况分析

2017年5月初严重污染天气过程期间本地市气象台5月3～8日24h天气预报见表4：

表4 2017年5月3日至8日24h天气预报Tab.4 24-hour weather forecast from May 3 to 8, 2017

本地市气象台5月5日11时26分发布大风蓝色预警信号：“预计今天白天我市将出现平均风力4级左右，阵风6～7级的偏北大风，请注意防范。”

可见在2017年5月初严重污染天气过程期间，本地市气象台天气预报准确及时，气象灾害防御预警只发布了大风预警，而对可能出现扬沙、浮尘、雾霾等视程障碍天气现象应对气象服务准备不足，即没有启动重污染天气应急响应，也没有发布对雾霾等视程障碍天气的预报预警，2017年5月初严重污染过程中首要污染物以可吸入颗粒物PM10为主，过程期间最小有效能见度2 217m，并伴有霾视程障碍天气现象，虽然有效能见度没有低于1 000m而发布沙尘暴、大雾等预报，气象部门也没有权限发布空气质量污染预警，但霾与轻雾、雾、扬沙、浮尘、沙尘暴等都属于视程障碍天气现象，气象部门可以根据气象服务需要，分析本地气温、风速、气压、水气压、露点等视程障碍天气现象影响因子相关变化，结合天气形势等分析提前做出影响空气质量的视程障碍天气现象预测；严重污染天气过程一般多出现在秋冬季节，2017年5月初出现严重污染天气过程比较罕见，认真分析初夏季节严重污染天气过程天气形势发生发展规律，有利于气象部门对污染天气过程的正确研判，气象部门可以主动与环保部门联合，提出可能出现视程障碍天气现象气象灾害防御措施，适时启动污染天气应急响应，从而提高初夏季节大气污染天气过程中气象服务质量，利于做好本地生态文明建设，提高本地人民生活质量水平。

4 结 论

4.1 2017年5月初严重污染天气过程特征：5月4日14时空气质量AQI超过100由二级快速升为四级， 17时空气质量AQI达到500爆表，AQI达到三级轻度污染以上持续88h, AQI达到五级重度污染以上持续56h，AQI达到六级严重污染以上持续39h，AQI指数爆表达23h，污染物以PM10颗粒物为主，多来源于地面扬尘或客源污染。

4.2 2017年5月初严重污染天气过程空气质量AQI与气温呈负相关关系、与10min平均风速呈负相关关系、与10min平均能见度大小呈负相关关系、与水汽压、露点呈负相关关系，与本站气压呈正相关关系，均通过了 0.01 的显著性检验。

4.3 2017年5月初严重污染天气过程天气形势：污染过程发生前期，2017年4月下旬以来气温偏高，日照偏多，地面干燥；5月4日11～15时有5～6级偏北阵风，利于引起扬沙浮尘与PM10客源污染物输入；污染过程发生初期气温降低、气压升高，大气状态稳定，污染物扩散受阻，利于空气质量AQI 指数快速升高，形成严重污染天气；污染天气过程中期高空图为槽后偏西气流的控制，天气形势稳定，2km下有逆温层，风速偏小，利于污染物聚集；过程后期高空图环流平直，河套有低槽发展东移，受江淮切变线影响，预示有小雨天气过程，对污染物的驱散有利，空气质量转好。

4.4 2017年5月初严重污染天气过程本地气象部门发布了大风防御预警，但对可能出现扬沙、雾霾等视程障碍天气现象气象服务准备不足，没有启动污染天气应急响应，初夏季节出现严重污染天气过程比较罕见，气象部门应引以为戒，根据气象服务需要，分析本地气温、风速、气压、水气压、露点等视程障碍天气现象影响因子相关变化，结合天气形势等分析提前研判影响空气质量的视程障碍天气现象变化趋势，主动与环保部门联合提出可能出现视程障碍天气现象气象灾害防御措施，以求提高初夏季节严重污染天气过程中气象服务质量，利于做好本地生态文明建设，提高本地人民生活质量水平。