(AQI)与气象条件分析转转大师

第 5卷 5期 2013年10月

天气预报技术总结专刊

WEATHER FORECAST REVIEW

Vol.5，No.5 October 2013

2013年1-2月北京地区空气质量指数（AQI ）

与气象条件分析

张建忠1 孙 瑾1 安林昌1 王维和2 王冠岚1 靳军莉3

1 国家气象中心，北京，100081，zhangjz@ ；

2 国家卫星气象中心，北京，100081；

3 气象探测中心，北京，100081

摘要：2013年1月1日开始，环保部门公开发布空气质量指数（AQI ）和PM 2.5浓度。本文分析了北京地区1-2

月大气环流背景特征、主要空气污染过程的AQI 、PM 2.5和紫外吸收性气溶胶指数（AAI ）的变化，AQI 与气象 观测要素之间的相关性以及利用总体理查森数(R B )对AQI 的可预报性等内容。得出以下结论：(1)500hPa 北 半球乌拉尔山地区至贝加尔湖地区的高压脊强弱、位置是北京地区是否导致污染物堆积并形成持续性污染 的重要天气背景。(2)AAI 指数在污染状况监测中可以作为参考。(3)AQI 指数与相对湿度、气压有着较好的 相关性，利用相对湿度和气压建立的方程 Y = 6951.32 + 3.1128 X 1–6.79088 X 2对于空气质量指数（AQI ）的 整体变化趋势和平均状态上拟合效果较好；(4)R B 对AQI 预报有着较好的研究价值，1-2月，当总体理查森数 ≥10.63时，大气稳定度高，利于污染持续或发展。

关键词：空气质量指数 气象条件 污染预报 紫外吸收性气溶胶指数 总体理查森数

者为空气质量指数。从环保部门的监测数据统计

引 言

知道，2013年1-2月，以细颗粒物（PM 2.5）为首要 污染物的天数达到了51d 。在这种情况下，大气环 境的背景场以及天气要素的相关性是否还与以前 的研究结果一样，就是本文想要探讨分析的内容。

2013年1-2月，北京地区大气环流稳定导致 雾霾天气频繁。1月共出现5次雾霾天气过程， 分 别 是4-7日、10-14日、16-19日、21-24日、 27-31日，持续时间最长的达5d 。与之相对应， [1]

1 资 料

雾霾天气导致了5次严重的污染天气。中央气象 台和北京气象台先后发布了雾霾预警，其中，13 本文采用的主要数据如下：2013年1-2月 日10时北京市气象台发布史上首个霾橙色预警。 期间NCEP/NCAR 逐日再分析资料，水平分辨率为

2月，大气环流略有调整，但也出现了4次污染过 程，但由于持续时间短、PM 2.5浓度相对较低，污 染程度明显轻于1月份。

2.5°×2.5°；北京市环保局35个观测站空气质 量日报数据；海淀宝联和密云上甸子的PM 2.5逐小 时监测数据；上甸子本站气压、风速和相对湿度

逐小时观测数据；北京南郊观象台的本站气压、 2013年1月1日之前，环保部门正式公布的

污染数据是以可吸入颗粒物（PM 10）为基础的， 风速、相对湿度逐日观测数据。 污染物与气象条件的相关研究多以PM 10为分析对

象

[2-6] 。根据以前学者的研究，PM 10浓度与能见 2 2013年1-2月北京重污染的环流 度、相对湿度、本站气压和风速相关性较好 [5] , 特征

而大气稳定度、风向风速等与雾霾的持续乃至污 染加重是密切相关的 [4,6] 。

从2013年1月 的500hPa 高 度场（图1a ） 来 看，乌拉尔山高压脊偏低偏东，贝加尔湖地区受 弱脊控制，受70 ～80°N低涡影响，高压脊伸 展到60°N附近，与常年同期相比，乌拉尔山附

按照环保部门的环境空气质量指数（AQI ）技 术规定（试行） 和环境空气质量标准 ，AQI 是 [7] [8]

从6项污染物基本项目中选择空气质量分指数最高

52 天气预报技术总结专刊5卷

80°N 70 60 50 40 30 20 10 EQ 80°N

（b）70

（a）

60

50

40

30

20

10

EQ

0 20 40 60 80 100 120 140°E0 20 40 60 80 100 120 140°E

图1 2013年1月500hPa高度场平均分布（a）2月与1月500hPa高度场差值分布（b）（单位：dagpm）

近地区的高度偏低12 ～16个dagpm。乌拉尔山地区高压脊发展偏弱时将不利于引导脊前冷空气的东移南下。与此同时，东北冷涡或低压的强度明显偏弱，这同样不利于北方东路冷空气的东移南下。正是在这种大气环流异常的情况下，冷空气的活动较常年平均偏弱，从而使得华北地区污染物无法扩散导致严重污染。2月份，乌拉尔山空在乌拉尔山地区偏东地区（70 ～90°E）之间有高压脊，形成了阻塞形势[9]

，阻挡或减弱了西北路冷空气东移南下。（2）高压脊最高伸展到60°N附近，极地冷空气无法南下。（3）贝加尔湖地区有间断性高压脊活动导致西伯利亚远东地区的冷空气路径偏东。（4）在850hPa华北西部

有高压脊维持阻挡了西北路和西路冷空气经过北

附近地区的高度场比1月份高了12 ～16dagpm，京，也是污染天气持续的重要天气背景。

贝加尔湖及其以东地区高度场较1月份偏低4～8dagpm（图1右），环流形势调整导致2月份污染天气明显减少。1月份AQI日指数大于150的天数达到了17d，大于2月份的12d。

具体分析1月份5次空气污染过程的北半球

中纬度环流演变情况（见表1），归纳北京出现污染较重的天气环流背景如下：（1）在500hPa高

中小尺度天气系统能短暂影响空气污染程度，但不能彻底结束污染。例如，1月14日夜间有短波槽经过，北京地区出现降水天气，导致北京地区污染程度从14日的5级（重度污染）回落到15-17日的3级（轻度污染），但由于亚欧中高纬度大尺度环流场并未出现调整，北京地区污染程度18日又迅速加重到5级。

表1 2013年1月北京地区5次污染过程北半球中纬度地区环流特征

日期4-7日10-14日16-19日21-24日27-31日

500hPa

两槽夹一脊

一槽一脊一涡

两槽夹一脊

西槽东涡夹一脊

两槽夹一脊

850hPa

40°N附近为平直西风

华北西部有高压脊，偏东部有涡东移

华北西部有高压脊

结束原因（500hPa）

8日横槽转竖，槽底过北京

14日夜间有短波高空槽过北京

40°N有高空槽经过北京

东北冷涡南下，槽底经过北京

贝加尔湖槽东移，槽底过北京贝加尔湖地区有切断高压，华北西部为平直西风

华北西部有高压脊

北京地区污染物主要由三部分组成，最主要的部

分是本地的排放，第二部分是周边地区污染物的

输送，第三部分是污染物的再生。通过比较2013

年1-2月35个空气质量监测站数据可以看出，这

段时间的华北地区大气污染表现出细颗粒污染占

主导的特征，以细颗粒物（PM 2.5）为首要污染物

的天数达到了51d。

3 空气质量指数与 PM2.5浓度、紫外

吸收性气溶胶指数特征

冬季历来是北京地区大雾多发、污染严重的

季节[10-11] 。随着城市化进程的加快，污染物成分

以及源地都有了变化。根据一些学者的研究[12-14] ，