兰州市两次污染天气过程的对比分析

兰州市两次污染天气过程的对比分析

张生财， 茹建波，任淑媛，陈自艳，石永玮

兰州市气象局 兰州 730020

摘要：2019年12月10日至14日（简称2019年过程，下同）兰州市发生了一次污染天气过程，静稳天气形势维持5天。选取2014年12月25日至29日（简称2014年过程，下同）发生的污染过程作为比照对象，与2019年过程进行对比分析，结果发现：两次过程在天气形势上基本相似，都是高空纬向环流配合地面均压场造成的污染天气过程。两次过程在具体气象条件上也比较相似，均具有近地面水平风速小、湿度大、逆温强的天气特点，而且2019年过程比2014年过程的气温高、风速小、逆温值大、逆温层更厚、逆温强度更强，气象条件更不利于污染物扩散。针对两次过程的PM_2.5小时浓度进行分析，结果却发现2019年过程的污染程度较2014年过程明显减轻。主要体现在：PM_2.5峰值浓度显著下降，平均浓度明显降低，PM_2.5小时浓度的增长趋势相对平缓，重污染持续时间大幅缩短。两次过程的污染程度与扩散条件形成了鲜明对比，这充分说明近年来兰州市的人为减排限排工作已经取得显著成效。

关键词：大气污染 静稳形势 人为减排^
引言

二十世纪九十年代以来，受诸多因素叠加影响，兰州市深受大气污染困扰，一度曾是全球大气污染最严重的城市之一^[1–5]。为了彻底摘掉“重污染”的帽子，近些年来，兰州市政府积极启动大气污染治理整体战攻坚战治污风暴行动，集中全市之力向天空“宣战”。在市委市政府的有力领导下，相关单位多项并举、强力治污，兰州市年均空气质量指数（AQI）呈现整体下降趋势，且优良天数占比呈现增加趋势，空气质量得以明显改善，“兰州蓝”已肉眼可见成为兰州市的全新“名片”^[6–8]。但究竟治理成果如何，需要科学的数据分析来给出定量化的评判结论。

2019年12月10至14日，兰州市发生了一次高空纬向环流配合地面均压场造成的污染天气过程。受静稳天气形势影响，兰州市污染物浓度持续升高，15日凌晨受冷空气影响，本次污染天气过程结束。这次过程具有持续时间长、影响范围广等特点。尤其是在底层明显回暖背景下，地面出现了较强逆温。近地层湿度较高以及700hPa偏南风导致的污染物区域聚集累积也说明兰州市扩散条件极为不利。在逆温、静稳、高湿等不利的气象条件下，兰州市的PM_2.5日均浓度并未达到重污染程度，而且没有出现PM_2.5小时浓度爆发性增长现象。假如同等或相似气象条件发生在未有效执行减排限排措施的五年以前（2014年），兰州市的污染程度与现在相比是否会存在明显差异这个问题，不仅对提高环境气象预报准确率具有重要意义，同时也能为相关部门提供决策依据。基于上述考虑，从大气环流形势相似角度出发，遴选2014年12月25至29日兰州市发生的一次污染天气过程作为比照对象，与本次污染天气过程开展对比分析。

1. 资料与方法

1. 1. 研究数据

环流形势分析采用第五代ECMWF大气再分析全球气候数据（ERA5）中2014年12月25-29日和2019年12月10-14日的0.25°×0.25°再分析资料；污染物浓度资料来源于兰州市环境监测站发布的PM_2.5小时浓度资料及日平均空气质量指数（AQI）；地面气象要素资料分析采用常规气象站观测资料；EMI数据来源于中国气象局EMI评估业务服务器，本文采用EMI_station中兰州市4个环境监测站点数据，时间分辨率为24h。

1. 2. 研究方法

1.2.1 气象条件评估

EMI（PM_2.5气象条件评估指数）是表征PM_2.5浓度变化中气象条件贡献的无量纲指标。因此不同时段相互比较时，EMI的差异就是排放不变条件下气象条件所导致的边界层气溶胶平均浓度变化率。利用2019年过程EMI_station中兰州市区4个国控环境监测站自然日值EMI数据，遵循“先空间、再时间”统计原则，得到2019年过程的EMI数据，利用《PM_2.5气象条件评估指数（EMI）》行标规范中“气象条件变化率（RW）”的定义，再以2014年过程为基准，定量评估两次污染过程间EMI变率，即为气象条件变率。

1.2.2 减排效果评估

EMI用以表征气象条件的定量贡献，再根据实际大气污染物浓度变化与气象条件的差异，即可分析减排措施对大气污染物浓度下降的贡献幅度。利用《PM_2.5气象条件评估指数（EMI）》行标规范中“排放变化率（RE）”的定义，再以2014年过程为基准，定量评估两次污染过程间排放变化率，即为减排率。

2. 结果分析

2.1 环流形势

对



兰州市两次污染过程的大尺度环流形势（图1）进行对比分析，从500hPa高度场（图1a、1b）可以看出，2014年过程期间兰州市上空为高空槽后脊前，主导气流为西北气流；2019年过程期间高空环流形势为高空槽后弱脊区控制，主导气流为偏西气流。从低层700hPa高度场（图1c、1d）可以看出，2014年过程期间兰州市上空整体为偏西气流，同时有弱的西南气流；2019年过程兰州市上空一致为西南气流，且西南气流较为强盛。从地面形势场（图1e、1f）可以看出，2014年过程期间南疆地区有一冷高压，中心强度为1035hPa，冷空气前沿位于河西走廊西部至祁连山一带，兰州市处于高压前部的均压场中；2019年过程期

图

1 2014过程500hPa高度场（a）、700hPa流场（c）、海平面气压场（e）和

2019过程500hPa高度场（b）、700hPa流场（d）、海平面气压场（f）

间，弱的冷高压主体位于蒙古国境内至我国内蒙地区，中心强度为1027.5hPa，弱的冷空气前沿位于关中平原至华北地区，兰州市处于高压西南部的均压场中。两次污染过程的环流形

势综合表明，高空基本为西北或偏西气流影响，低层受西南气流影响，有利于增湿、云量增多，但是冷暖气流交汇位置距离兰州市较远，不利于本地降水发生；地面为均压场，兰州地区等压线稀疏、风速小，不利于污染物扩散。

2.2 逆温和近地层气象条件

两次污染天气过程均出现逆温层，平均逆温分别为6.5℃和9.3℃，逆温厚度分别为610m和737m，逆温强度分别为1.1℃/100m和1.4℃/100m。从平均逆温、逆温厚度和逆温强度三个指标来看，2019年过程的垂直扩散条件较2014年过程更为不利。

表1 两次污染过程逆温状况

表2 两次污染过程近地层气象条件

将两次污染天气过程近地层气象条件要素做一统计分析，结果显示平均气温分别为-2.9℃和-1.5℃，相对湿度分别为56%和55%，10m风速分别为0.9m/s和0.7m/s。从平均气温、相对湿度和10m风速三个指标来看，两次污染过程除了相对湿度差别不大以外，2019年过程的平均气温高于2014年过程，10m风速则相反，表明2019年过程的水平扩散条件较2014年过程更为不利。

2.3 两次过程的空气污染情况对比

对比两次污染天气过程，从综合环流形势来看，无论高低空还是地面，两次过程形势较为相似。从逆温和近地层气象条件来看，2019年过程的垂直和水平扩散条件较2014年过程更为不利。由此推测，空气污染物排放量不变的情况下，2019年过程的污染程度应该比2014年过程更重。结果究竟如何，本文对两次污染过程中兰州市PM_2.5小时浓度变化趋势进行分析（图2），结果发现存在如下四个主要特征：

图2 两次污染天气过程兰州市PM_2.5小时浓度变化

（1）2019年过程的PM_2.5峰值浓度较2014年过程显著下降。2014年过程PM_2.5峰值浓度出现在12月28日14时，浓度值高达238ug/m³。2019年过程PM_2.5峰值浓度出现12月14日21时，浓度值140ug/m³。2019年过程的峰值浓度较2014年过程降低131ug/m³，下降幅度为42.2%。

（2）2019年过程的PM_2.5平均浓度较2014年过程明显降低。2014年过程的PM_2.5平均浓度为130.1ug/m³，2019年过程的PM_2.5平均浓度为90.8ug/m³。2019年过程的平均浓度较2014年过程降低39.8ug/m³，下降幅度为30.2%。

（3）2019年过程期间任意时刻均没有出现重污染现象。2019年过程中轻度以上污染（PM_2.5小时浓度≥75μg/m³）持续时间为91小时，较2014年过程减少15.7%；重度以上污染（PM_2.5小时浓度≥150μg/m³）持续时间为零，较2014年过程污染状况明显减轻。

（4）2019年过程的PM_2.5浓度增长趋势较2014年平缓，未出现爆发性增长现象。2014年过程出现了PM_2.5爆发性增长现象。2014年12月28日08时PM_2.5小时浓度仅为135.5μg/m³，28日14时飙升到238.3μg/m³，6个小时内增加102.8μg/m³。2019年12月12日08时PM_2.5小时浓度为74.3μg/m³，12日14时上升到115.0μg/m³，6个小时内增加40.7μg/m³，增长幅度小于2014年过程，爆发性增长不显著。

上述分析表明：在相似的气象条件下，由于人为减排等因素影响，2019年污染天气过程的PM_2.5峰值浓度显著下降、平均浓度明显降低、重污染持续时间大幅缩短。

2. 4. 2019年过程减排效果评估

为客观评价“人为减排”和“气象条件”这两个因素在空气质量改善中的贡献比例，按照中国气象局下发《气象条件对大气污染防治效果影响评估服务规范》（气减函〔2019〕68号）规定，计算出表征气象条件变化为污染物影响的环境气象指数EMI，再根据实际大气污染物浓度变化与气象条件的差异，分析减排措施对大气污染物浓度下降的贡献幅度。

表3 2019年过程较2014年过程减排贡献

利用EMI评估指数，将2019年过程与2014年过程作对比分析（表3），结果显示：2019年过程平均气象条件使PM_2.5浓度升高1.07%，而实际PM_2.5浓度降低27.8%，因此减排措施使污染物平均浓度降低了28.8%。

3. 结论和建议

（1）兰州市两次污染天气过程发生在相似的环流形势背景下，与2014年过程相比，2019年过程的气象条件更不利于污染物扩散，主要表现在气温高、风速小、逆温值大、逆温层更厚、逆温强度更强。与2014年过程相比，2019年过程的污染程度相对较轻，主要表现在PM

_2.5峰值浓度显著下降、平均浓度明显降低、重污染持续时间大幅缩短，PM_2.5增长趋势较为平缓。上述分析表明，2013年国务院组织实施《大气污染防治行动计划》以来，兰州市政府对大气污染的治理工作取得了非常显著的成效。

（2）2019年12月10至14日的污染天气过程也告诫我们，兰州市及周边区域污染物排放总量仍然超过大气环境容量，一旦遭遇不利气象条件，依然会导致污染天气的发生。环保与气象部门应进一步加强协作，共同做好空气污染潜势预测工作，为大气污染防治取得更大成效提供科学依据，为打赢蓝天保卫战提供科技支撑。

参考文献：

1. 兰州市大气污染成因分析[J]. 褚润,张国珍,谢红刚. 兰州交通大学学报. 2006(04)

2. 兰州市空气质量状况及与常规气象条件的关系[J]. 郭勇涛,佘峰,王式功,刘炳杰,李江萍,王金艳. 干旱区资源与环境. 2011(11)

3. 兰州市城区大气污染现状及防治对策分析[J]. 祝合勇,杨太保,金庆森. 环境科学导刊. 2011(02)

4. 兰州市主要大气污染物浓度季节变化时空特征分析[J]. 王希波,马安青,安兴琴,陈尚,王其翔. 中国环境监测. 2007(04)

5. 兰州市大气污染防治现状分析及对策建议[D]. 王鹏.兰州交通大学,2017

6. 陈桃桃,李忠勤,周茜,王芳龙,张昕,王飞腾.“兰州蓝”背景下空气污染特征、来源解析及成因初探[J].环境科学学报,2020,40(04):1361-1373.

7. 马敏劲,谭子渊,陈玥,丁凡.近15a兰州市空气质量变化特征及沙尘天气影响[J].兰州大学学报(自然科学版),2019,55(01):33-41.

8. 任巧丽. 兰州市大气污染分布特征及影响因素分析[D].兰州财经大学,2019.

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