攀西地区空气质量等级时空分布及典型污染过程气象因素研究

Study on the Temporal and Spatial Distribution of Air Quality Grade and Meteorological Factors of Typical Pollution Processes in Panxi Area

摘要: 本文基于攀西地区各县市区2017~2021年气象要素与本地空气质量(AQI)，研究空气质量等级时空分布及变化特征，典型污染过程AQI与温度、平均风速、天气形势关系。得出以下结论：1) 空气质量整体较好；2) 近5年空气质量变化分三种类型。I) 前期变好，近年变差。II) “U”形结构变化。III) 无明显变化；3) 空气质量冬季最好，春季最差。4) 攀西地区空气质量逐月变化“U”形结构明显，凉山波动较小。5) 典型污染过程AQI升高比降温滞后1日，AQI高值时段平均风速较小；6) 攀西地区污染过程500 pha高度场平直，西风增大，为弱脊控制，700 pha暖区控制，探空均有逆温层，暖区控制与逆温层增厚期间，空气质量明显变差。地面气压梯度增大，空气质量转好。

Abstract: Based on the meteorological elements and local air quality (AQI) in the counties and cities of Pan-zhihua Xichang region from 2017 to 2021, this paper studies the spatial and temporal distribution and change characteristics of air quality levels, and the relationship between AQI and temperature, average wind speed, and weather situation in typical pollution processes. The following conclusions are drawn: 1) The air quality is generally good; 2) There are three types of air quality changes in recent five years. I) It has become better in the early stage and worse in recent years. II) Change of “U” shape structure. III) No obvious change; 3) The air quality is the best in winter and the worst in spring. 4) The U-shaped structure of monthly air quality change in Panzhihua Xichang area is obvious, and the fluctuation in Liangshan is small. 5) The rise of AQI in typical pollution process lags behind the temperature drop by 1 day, and the average wind speed during the high value period of AQI is small; 6) During the pollution process in Panzhihua Xichang area, the 500 pha height field is flat, the westerly wind increases, which is controlled by weak ridge. The 700 pha warm zone is controlled, and there is inversion layer in the sounding. During the warm zone control and the thickening of inversion layer, the air quality becomes significantly worse. The ground pressure gradient increases, and the air quality improves.

1. 引言

随着我国综合国力不断增加，越来越多的环境污染问题摆在我们面前。因此对空气质量进行全面、客观的认识和评价，十分有意义。国内一些学者对长江三角等地污染天气特征进行了分析 [1] [2] [3] [4] [5] 。李展，陈建等人对四川盆地的空气污染特征进行分析 [6] [7] 。

气象条件与空气污染变化密切相关。本文基于2017~2021年攀西地区各县市区逐日气象要素与本地空气质量(AQI) [8] 数据，研究空气质量时空分布及变化特征，典型污染过程AQI与气象要素、天气形势的关系。

2. 资料与方法

2.1. 资料

研究范围为100˚~105˚E，25.8˚~29˚N，四川省凉山州、攀枝花市各县市区。研究数据来源于环保部门2017~2021年省控观测站逐日空气质量监测数据，以及同一时期气象观测逐日数据。空气污染等级划分参照环境部2012年发布技术规范《环境空气质量指数(AQI)技术规定》。

2.2. 方法

采用统计分析方法，研究攀西地区空气质量等级时空分布及变化特征，典型污染过程空气质量与气象要素关系。

因攀西地区污染日数较少，故作者创立比值变化公式模型(1)、(2)：

$W_n=\left[\frac{n_{\text{II}}}{n_{\text{I}}}\right]\times 100$ (1)

$Z_n=\left[\frac{n_{\text{II}}}{n_{\text{I}}}-\frac{{\left(n-1\right)}_{\text{II}}}{{\left(n-1\right)}_{\text{I}}}\right]\times 100$ (2)

n_II、n_I为第n时段空气质量II级、I级日数，W_n越小，空气质量越好。Z_n为负空气质量变好，为正空气质量变差，Z_n绝对值越大，变化越明显。

3. 空气质量等级特征

3.1. 空气质量等级空间整体分布特征

由表1分析，攀西地区空气质量以I级优为主，约占78%，其次是II级良，约占21%，III级轻度污染约占1%，IV级中度污染和V 级重污染占比很小。凉山地区好于攀枝花地区，其中凉山I级占88%，II级占12%，攀枝花地区I级占46%，II级占52%，III级占2%。

Table 1. Proportion of air quality grade days in Panxi region (Unit: %)

表1. 攀西地区空气质量等级天数占比表(单位：%)

3.2. 污染日分布特征

3.2.1. 污染日年分布特征

Table 2. Table of average annual pollution days in Panxi Region (Unit: d)

表2. 攀西地区年污染日数均值表(单位：d)

由表2，攀西地区近5年各县市区污染日(III级轻度污染及以上)较少，平均为4日。其中凉山为2.1日，攀枝花为8.2日。年均污染日数最多为攀枝花盐边，为11.2日，其次为攀枝花市东区，10.3日，攀枝花仁和区、西区、米易，凉山州甘洛、雷波为5~9日，其余地区不足5日，凉山会东、木里未出现污染日。

3.2.2. 污染日季分布特征

Table 3. Occurrence frequency of polluted weather in different seasons in Panxi region (Unit: %)

表3. 攀西地区各季污染天气出现频率(单位：%)

注：其余县市区不足1%。

由表3，各季污染日占比均小，凉山各县市区均不足1%。春季，攀枝花东区、仁和为2%，其余各县为1%。夏季，攀枝花各县均为1%。秋季、冬季，攀枝花西区为1%，其余均不足1%。

3.3. 空气质量优、良等级空间分布特征

3.3.1. 空气质量优、良等级年变化特征

(a) (b) (c) (d)

Figure 1. Inter-annual variation curve of Z_n air quality in Panxi region

图1. 攀西地区空气质量Z_n年际变化曲线

利用公式(1)计算各地Z_n年值，分析图1可知，攀西地区年均空气质量变化基本分三个类型，图1(a)、图1(b)，攀西地区除仁和、木里、米易、会理外，均为前期空气质量变好，近年变差。

由图1(c)可知，仁和年空气质量变化趋势U形结构明显，2018、2021年变差，2019~2020年变好。由图1(d)可知，木里、米易、会理年空气质量波动明显。整体而言攀枝花地区空气质量变化幅度大于凉山地区。

3.3.2. 空气质量等级季节空间分布变化特征

Table 4. Seasonal statistics of Wn in Panxi Region

表4. 攀西地区季节W_n统计表

由表4，凉山地区空气质量各季均好于攀枝花地区，攀西地区冬季空气质量最好，其次是秋季，再次为夏季，春季空气质量最差，其中凉山州会理，攀枝花各县区市春–夏、夏–秋季空气质量变化明显，秋–冬季空气质量变化较其余季节小。

3.3.3. 空气质量等级月空间分布变化特征

(a) (b) (c)

Figure 2. Monthly average change curve of W_n air quality in Panxi region

图2. 攀西地区空气质量W_n逐月平均变化曲线

由图2可见，攀西地区空气质量W_n逐月平均变化曲线“U”形结构明显，由图2(a)可知，除会理、米易外，其余地区1~4月有明显波动，2月空气质量好于1、3月，7~9月有小幅波动。由图2(b)知，凉山地区，时间变化成“U”形结构，波动较小。由图c可知，米易1~3月空气质量逐渐变差，3~5月空气质量逐渐变好。金阳空气质量逐月变化不大。

4. 典型空气污染过程气象要素分析

4.1. 空气污染情况

Table 5. Statistical table of worst air quality levels in Panxi Region from December 27 to 31, 2020

表5. 2020年12月27~31日攀西地区空气质量最差等级统计表

由表5，2020年12月27~31日，攀西地区出现了典型污染天气过程，其中空气质量严重污染6县市，重度污染1县、中度污染5县市区、轻度污染7县市区、良3县。

4.2. 气象要素相关性分析

4.2.1. 空气质量等级月空间分布变化特征

(a1) (a2) (b1) (b2) (c1) (c2)

Figure 3. Daily AQI and average temperature change curve of air quality in Panxi region

图3. 攀西地区空气质量日AQI、平均温度变化曲线

图3(a1) 、图3(a2)中，凉山布拖、德昌、昭觉、普格、西昌、冕宁、喜德AQI日最大值均超过290，其在2020年12月25~29日为峰值区，顶点均出现在28日，变化最大在27日，以上地区除昭觉外，均在27日出现明显降温，降温比AQI最高日晚1天，与AQI大幅变化时段对应性好，昭觉在27日出现升温，28~31日出现降温，降温时段与AQI高值时段对应并不理想。

图3(b1)、图3(b2)中，凉山甘洛、会东、金阳、雷波、美姑、木里、宁南、盐源、越西AQI最大值为60~140，其平均温度、AQI 变化趋势与图3(a1)类似，均为降温时段与AQI高值时段对应，AQI变化较图3(a1)缓和，其中雷波、美姑对应性不好，平均温度在27日后持续降低，但AQI在28日达到峰值后，回落较快。

图3(c1)、图3(c2)中，攀枝花地区与凉山的会理，AQI最大值为50~185，23~31日波动上升，24~25日、28~29日、31日为高值区，平均气温在25~27日、30日下降明显，与AQI变化趋势基本对应，但晚1日。

综上可知，攀西地区AQI升高时段与平均气温降温时段基本对应，但常滞后1日。

4.2.2. 平均风速与AQI关系

(a1) (a2) (a3)

Figure 4. Change curve of average wind speed in Panxi region

图4. 攀西地区平均风速变化曲线

由图4(a1)、图4(a2)可知，凉山各县市除会理外，平均风速26~28日较小，其与AQI高值时间对应。由图4(a3)可知，攀枝花地区与会理在27~28日为平均风速较低时段，其与AQI高值时间对应，31日较30日平均风速降低明显，同时段，AQI上升明显。整体而言，AQI高值时段平均风速均较小。

5. 典型污染过程气象形势场分析

5.1. 高空场分析

(a) 27日08时 (b) 28日08时 (c) 29日08时 (d) 30日08时

Figure 5. 500 hPa high altitude situation field on December 27~30, 2020

图5. 2020年12月27~30日500 hPa高空形势场

由图5，2020年12月27~30日500 hPa高空形势场分析可知，攀西地区(蓝色箭头所指处) 500 pha高度场较为平直，为一直的偏西气流控制，高空风逐渐增大，27、28日有短波槽过境，为槽后弱脊控制，28日由500 hPa温度脊控制，其大部地区AQI升高明显。

(a) 27日08时 (b) 28日08时 (c) 29日08时 (d) 30日08时

Figure 6. 700 hPa high altitude situation field on December 27~30, 2020

图6. 2020年12月27~30日700 hPa高空形势场

由图6，2020年12月27~30日700 hPa高空形势场分析可知，在27日08时，九龙地区低涡存在，四川中部、南部为温度脊控制，暖中心位于川渝交接处。28日08时，700 hPa九龙低涡南部有切边线延伸至云南南部，偏南风吹至河西走廊南部，并形成明显切变，盆地大部地区已受偏北风所带冷平流影响，温度(t)、露点温度差(t-td)，较27日明显降低，攀西地区为冷平流前暖区控制，低空偏南急流强势。29日08时，700 hPa冷平流已完全控制四川盆地，并形成冷低涡，凉山地区已受冷平流影响。30日08时平流已控制凉山地区，在凉山与攀枝花之间有切变线存在，攀枝花地区为暖气团控制，AQI升高明显。

综上可知，500 hPa高度场平直，西风气流增大，攀西地区为槽后弱脊控制，700 hPa温度脊由盆地逐渐扩大南压，攀西地区逐渐为暖区控制，暖区控制期间空气质量明显变差。

5.2. 探空资料分析

(a) 25日08时 (b) 26日08时 (c) 27日08时 (d) 28日08时

Figure 7. Sounding map of Xichang Station at 08:00 on December 25~28, 2020

图7. 2020年12月25~28日08时西昌站探空图

由图7西昌探空站2020年12月25~28日08时探空图分析可知，25日近地层风随高度顺转，有暖平流，26~28日逆转，有冷平流。25~28日均有逆温层存在，对空气扩散非常不利，27~28日逆温层较前两日明显增厚，空气质量变差。

5.3. 地面气象场分析

由图8，2020年12月26~29日08时地面填图，26日盆地至攀西地区北部为均压区，川东至凉山雷波、美姑有雾，且24 h变压小于0.5 pa，攀西地区其余地区24 h变压为负，冷锋前弱增暖效应。27日均压区扩大南压，攀西地区大部被均压区控制，盆地至攀西地区中部均有雾，攀西地区被均压区控制区域

(a) 26日08时 (b) 27日08时 (c) 28日08时 (d) 29日08时

Figure 8. Ground mapping at 08:00 on December 26~29, 2020

图8. 2020年12月26~29日08时地面填图

AQI增大明显。28日攀西地区气压梯度增大，但盆地仍为弱均压场，盆地至攀西地区气压梯度整体较小。29日盆地内均压场面积进一步减小，攀西地区地面气压梯度增大，大部地区AQI减小明显。

6. 结论

6.1. 空气质量等级特征

攀西地区空气质量以I级优为主，其次是II级良，III级轻度污染约占样本总数的1%，IV级中度污染和V级重污染占样本比例很小。凉山地区空气质量好于攀枝花地区。

6.2. 污染日分布特征

攀西地区各县市区达III级轻度污染及以上日数很少，年均为4日。其中凉山地区均为2.1日，攀枝花地区均为8.2日。均日数最多为攀枝花盐边，其次为攀枝花市东区，仁和、西区、米易，凉山州甘洛、雷波均为5~9日，其余地区县市区均不足5日，凉山会东、木里未出现达III级及以上空气污染情况。

攀西地区各季节污染日占比小，凉山地区各季县均不足1%。

6.3. 空气质量优、良等级空间分布特征

攀西地区年空气质量变化基本分三个类型。I. 前期变好，后期变差。II. “U”形变化结构。III. 无明显变化。

攀西地区冬季空气质量最好，其次是秋季，再次为夏季，春季空气质量最差。

攀西地区空气质量逐月“U”形结构明显，除会理、米易外，在1~4月有明显波动，2月好于1、3月。凉山地区，波动较小。米易县1~3月空气质量逐渐变差，3~5月逐渐变好。金阳县空气质量逐月变化不大。

6.4. 典型空气污染过程气象要素分析

攀西地区AQI升高时段与降温时段基本对应，常滞后1日。攀西地区典型污染过程AQI高值时段平均风速较小，对应性较好。

6.5. 典型污染过程气象形势场分析

6.5.1. 高空场分析

污染过程500 hPa高度场较为平直，西风气流增大，攀西地区处于槽后弱脊控制，700 hPa温度脊由盆地扩大南压，逐渐为暖区控制，暖区控制期间AQI升高明显。

6.5.2. 探空资料分析

污染过程近地层均有逆温层存在，对污染气体扩散起到非常不利的影响，逆温层增厚，空气质量明显变差。

6.5.3. 地面气象场分析

污染过程前期，盆地至攀西地区北部为大片均压区，随其扩大南压，均压区空气质量明显变差。随着地面气压梯度增大，空气质量转好。

基金项目

高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室SCQXKJYJXMS202111。

参考文献