2020年初商丘地区一次连续污染天气过程分析

摘要：本文以2020年1月1-5日商丘地区的一次连续污染天气过程为研究对象，利用当地环境监测站提供的空气质量数据以及气象资料，分析了此次污染事件的特征及其成因。研究表明：近地层风速的持续减弱导致污染物水平输送效率显著降低，同时低空逆温层的形成强化了大气的热力稳定状态，抑制垂直湍流交换过程，致使污染物被局地截留于浅薄边界层内。边界层高度的急剧降低进一步压缩了污染物的垂直扩散空间；弱降水一方面促进细颗粒物的吸湿性膨胀，提升其消光效率与质量浓度，另一方面加速气态前体物向二次无机气溶胶的液相非均相转化，通过化学生成路径推高污染负荷。

关键词：空气污染；PM2.5浓度；气象成因；商丘地区

引言

随着经济的快速发展和城市化进程的加速，大气污染问题日益严重，对人类健康和生态环境造成了深远的影响。特别是在冬季，由于气象条件的变化，大气中的污染物容易积累，形成严重的空气污染事件。商丘市作为河南省东部重要工业与交通枢纽城市，其大气污染特征兼具本地排放与区域传输的双重影响。2020年1月1-5日，商丘地区经历了一次持续多日的污染天气过程，期间颗粒物浓度显著超标，能见度下降，引发社会广泛关注。此次污染过程正值河南省实施大气污染防治攻坚战的关键节点，分析其成因与机制对评估治理政策效果、优化区域污染防控策略具有重要现实意义。本文基于地面气象数据、空气质量监测数据，对该次污染事件进行了全面细致的分析。通过识别关键影响因素，提升公众对于空气污染成因的认识，也为地方政府制定更加有效的环境保护政策提供了科学依据。

1 污染天气实况回顾

2020年1月1-5日，商丘市经历了一次持续重污染天气过程，其演变可分为三阶段（图1）：1月1日20时至2日22时为污染物累积期，AQI呈波动上升态势，最高值维持200以下，空气质量以轻度至中度污染为主；2日23时起进入污染峰值期，AQI持续突破200并出现重度至严重污染，5日07时达到过程极值305；5日08时后进入消散期，AQI在10小时内骤降至100以下，污染过程终止。PM2.5作为首要污染物，浓度演变呈现典型双峰特征：1日20时起由轻度污染水平持续攀升，3日10时出现198 μg/m³次峰值，经短暂回落后于4日09时回升至192 μg/m³；5日07时达到浓度峰值255 μg/m³，较国家标准（75 μg/m³）超标3.4倍，随后10小时内快速降至64 μg/m³以下。此次过程污染强度时空分异显著，3-4日为污染最严重时段，PM2.5浓度持续高位震荡反映局地排放积累与不利扩散条件的协同作用，而消散期浓度断崖式下降则指示外来冷空气对污染物的清除效应。

图1 2020年1月1日 -6日AQI与PM2.5 浓度逐时演变

2 大气环流形势

500hPa，1-4日中高纬度欧亚大陆呈"一脊一槽"型（图2），东亚大槽持续偏东，商丘受槽后西北气流控制，该气流具有下沉分量且携带干冷空气，导致中高层大气热力稳定层结增强，抑制垂直方向的热力扰动。700 hPa持续西北偏西气流与850 hPa低压系统的配置形成垂直风切变，加剧低空动力辐合，促使近地层形成水平辐合区。这种高低空系统的垂直耦合，既削弱了大气边界层的湍流混合深度，又阻碍了污染物的垂直扩散。4日20时，500 hPa高压脊东移使商丘转为西南气流，700 hPa与850 hPa同步演变为高压后部西南风场，该环流调整带来暖湿平流，进一步强化低空逆温层强度，形成"上暖下冷"的稳定热力结构。地面气压场演变显示，1日08时起商丘受弱高压控制，随后进入均压场阶段，气压梯度小，导致近地层水平风速持续低于2 m/s，地表湍流动能显著衰减。静稳条件下，污染物水平平流输送效率显著下降，形成局地滞留效应。同时，弱气压梯度伴随的辐射冷却过程促进贴地逆温层发展，边界层高度被压缩至300米以下，污染物被限制在极浅薄的大气柱内。造成大气污染过程。

（a）        （b）         （c）

图 2  重污染时段 1 月 4 日 08 时 500 hPa(a)、4 日 20 时 850 hPa(b) 和地面气压场形势 (c)

3 地面气象要素分析

3.1 地面风

地面风场演变对此次污染过程具有显著调控作用。由图3可见，污染积累前期（1月1日09时前），偏南风主导下2-3 m/s风速维持了污染物基础输送能力；随着风向转为偏北风且风速降至2 m/s以下，水平扩散效率下降导致污染物持续滞留。污染发展阶段（1日20时至4日23时），持续74小时的弱偏北风（v＜2 m/s）形成稳定平流输送通道，促使北部污染源向南输送并叠加本地排放，驱动PM2.5浓度由轻度污染升至峰值。污染清除阶段（4日23时后），东北风风速增至3 m/s以上，边界层湍流增强引发双重效应：初期风速提升至2.9 m/s时，增强的传输作用短暂推高本地污染负荷；当风速突破3 m/s后，湍流扩散作用占据主导，污染物浓度呈现指数衰减。研究表明，2.9 m/s可作为该区域冬半年污染输送与扩散的临界风速，其下风向主导污染平流累积，其上湍流混合主导污染清除。

图 3  风向和风速小时变化

3.2 相对湿度和降水

污染初期（相对湿度＜70%）颗粒物浓度较低；当湿度升至80%以上时，亲水性颗粒物吸湿增长导致消光系数倍增，同时高湿环境加速气态前体物的非均相氧化反应，推动二次无机盐生成，使PM2.5浓度进入指数增长阶段。弱降水事件（降水量＜5 mm）期间，降水湿沉降效率不足10%，但近饱和湿度（＞90%）进一步强化颗粒物吸湿效应，形成"污染-高湿"正反馈。直至系统性降水（降水量＞10 mm）发生，其兼具动力清除与湿沉降双重功能：降水引发的垂直湍流扰动打破逆温层稳定结构，增强大气扩散能力；同时雨滴对颗粒物的碰撞捕获效率显著提升，促使PM2.5浓度断崖式下降。这表明高湿度环境通过吸湿增长和二次反应加剧污染，强降水可改善空气质量，弱降水则因清除效率不足加重污染。

3.3 温压等气象要素分析

2020年1月1日08时至6日08时气象要素演变显示，污染期间海平面气压场维持相对稳定状态，无明显冷空气活动，24h变压幅度小，天气形势静稳特征显著，为污染物持续累积提供有利气象条件。5日08时后，受低压系统影响，气压梯度增大，伴随东北冷空气南下，24h变温显著，气温下降明显，大气扩散条件改善，污染物浓度迅速降低，空气质量明显好转。观测表明，能见度与强降水形成的高湿度环境呈显著负相关，表明湿沉降过程对能见度有直接影响；污染物浓度与变温、变压、风速等要素呈负相关关系，反映气象条件变化对污染物扩散清除的关键作用。

结论

商丘市本次PM2.5主导的重污染过程呈现三阶段演变：污染物累积-重污染维持-污染减弱。气象成因分析表明，高湿静稳环境是核心诱因，低空逆温导致大气层结稳定，地面弱风（<2m/s）、低气压梯度与浅薄边界层共同抑制扩散能力。弱降水未改善空气质量，反而通过颗粒物吸湿增长与二次转化加剧污染；强降水则具显著沉降作用。风速超2m/s时扩散条件改善，污染程度减轻。

参考文献

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作者简介：阚叠生（1997.07），男，汉，安徽省宿州市砀山县，本科，助理工程师，从事研究：综合气象业务。