2020年春节期间京津冀及周边地区2次大气重污染过程分析

高庆先，王宁，高文康，高文欧，李迎新，付加锋，代佳庆

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院 2.吉林省气象局 3.大气边界层物理与大气化学国家重点实验室，中国科学院大气物理研究所 4.北京中创碳投科技有限公司

2020年1月下旬—2月中旬，因抗击新型冠状病毒肺炎，全国许多工业企业停产，多数行业人员基本居家办公，居民出行大大减少，各类餐饮、娱乐行业和活动基本停止，大气污染物排放量明显下降。但在此情况下，我国华北南部、中原地区和汾渭平原地区仍接连出现了大范围的重度污染现象，引起了业界和公众的普遍关注。我国大气环境及气象等领域的专家学者分别从大气环境容量、交通流量、污染物排放、污染源解析、污染物成分、气象条件，以及春节和元宵节期间燃放烟花爆竹等方面进行了详细的阐述[1-3]。

大气污染是污染物排放和不利气象条件共同作用的结果，空气质量严重依赖天气形势和状况，对气候变化也非常敏感[4-6]。研究表明，大气环流形势可为大气污染物的控制和分配提供科学分析和计算的依据，如任阵海等[7]早在1998年就指出，自然条件下的大气输送是由多种通道组成的网络状输送，大气环流形势可用于确定输送类型控制地区中所含物质的输送。我国存在季节性输送、常驻性输送、地方性输送和各类网络型输送通道。在不利天气背景下，即使实施了强化减排措施，大气污染物浓度也会累积升高。因此，天气气候背景对空气质量的影响不容忽视[8-13]。

天气气候背景是形成局地和区域重度污染过程的主要因子，其中包括均压场、静风区、小尺度系统群等。任阵海等[5]针对京津冀及周边地区硫酸型严重污染过程的天气形势进行分析，指出在受到局地尺度主导风控制时，边界层结构及环境质量同步演变的特征不明显；地区尺度主导风中的静风区和输送汇的城市尺度摆动是影响浓度分布的主要原因；稳定的大陆高压脊影响下的持续背风坡下沉气流，持续的逆温层是造成重污染过程的大尺度气象背景场；燕山和太行山前局地风场辐合和局地气压场适应结构是华北平原山前小尺度气压场风场适应的重污染汇聚系统；重污染期间污染物浓度在不同时刻有明显的变化，持续时间也有明显差别。我国华北和中原地区存在常驻性输送通道汇区、多种常驻性静风区、输送通道相交形成的辐合带区。常驻性输送通道汇区为污染物汇集区，静风区的输送很弱，局地大气污染主要是局地排放的污染物积累造成的；辐合带区则会在1 500或3 000 m高空出现污染物输送带，在有明显输送系统影响时，则会造成低空污染物的汇聚和高空污染物的输出[5,7,14-15]。在重污染过程的初始阶段，均压场和小尺度系统群是形成地区重污染过程的主要因子。在持续稳定的均压场控制下，近地层出现各种类型的小尺度环流群体，从而使大气污染物不宜输送、扩散和稀释。当稳定的均压系统出现明显的移动，在近地层常形成中尺度系统间的风场汇聚现象，形成污染物汇聚带[16-20]。影响北京地区的边界层输送带可分为静风尺度、城市尺度、平原尺度和输送尺度，在均压场背景下多出现城市尺度和静风尺度；在弱气压场背景下多出现平原尺度和输送尺度，且受天气尺度系统影响明显[21]。

决定一个区域空气质量的另一个重要因子是该区域的大气环境容量。大气环境容量是指某一时间、空间范围的大气环境系统在一定的环境目标下对污染物的最大允许承受量或负荷量。大气环境容量除受气象条件、地形地貌和大气背景浓度等自然因素影响外，还与各类污染物的人为排放和自然排放有关，同时也与周边污染物的输送、污染物形成的理化特征等因素有着密切的关系。此外，大气环境容量还与所选定的环境空气质量标准和污染物种类有关。大气环境容量的研究成果可以为区域优化产业结构和布局以及大气环境规划提供支持，从而促进社会经济和环境的协调发展。国内已有不少针对全国和区域的环境容量的研究[22-25]，大部分研究结果显示，我国很多地区大气环境容量较小，区域空气质量改善难度较大。京津冀及周边地区大气环境容量小是秋冬季频发重度污染的重要原因之一。薛文博等[26]模拟了我国333个地级市主要污染物的环境容量，指出空气污染较严重的华北南部、中原地区和汾渭平原主要污染物排放量均超过环境容量1倍以上，环境容量严重超载区域与PM2.5高浓度地区具有显著的空间一致性。

利用中国环境监测总站公布的全国大气环境质量实时监测数据和中央气象台发布的天气实况资料，以及我国大气污染物排放量的统计数据，从污染过程的演变、污染物时空排放特征和典型污染过程的天气形势3个方面，对2020年春节期间京津冀及周边地区的2次重度污染过程进行综合分析，阐述大气污染排放和天气环境背景场对重度污染过程形成的影响，以期更好地理解2020年春节期间京津冀及周边地区大气重度污染过程及预测未来重污染天气。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域和时段

研究区域为京津冀及周边地区(110°E～123°E，31°N～43°N)，包括北京市、天津市、河北省、河南省、山东省、陕西省东部、内蒙古自治区南部、辽宁省南部、武汉市北部、江苏省北部、安徽省北部地区。在研究区域中选择北京、天津、呼和浩特、包头、巴彦淖尔、乌海、鄂尔多斯、石家庄、保定、唐山、廊坊、沧州、承德、邢台、邯郸、太原、阳泉、大同、郑州、安阳、新乡、焦作、开封、洛阳、许昌、铁岭、抚顺、本溪、榆林共29个城市，研究时段为2020年1月21日—2月15日。图1为研究区域部分监测站点位置。

图1 研究区域部分监测站点分布Fig.1 Distribution map of some monitoring sites in research region

1.2 数据来源

逐小时PM2.5浓度采用中国环境监测总站发布的全国实时空气质量监测数据(http:www.cnemc.cn)；天气分析资料来自中央气象台(http:www.nmc.cnpublishobservationschinadmweatherchart-h000.htm)，包括每天逐3 h的地面天气图、每天08:00和20:00的500、850、925 hPa天气图。能源消费量和主要大气污染物排放量数据来自《中国统计年鉴2019》[27]，企业信息及污染物许可排放数据来自《固定污染源排污许可分类管理名录(2019版)》[28]。

2 结果与分析

2.1 2020年春节期间典型大气污染过程回顾

2020年1月21日—2月15日研究区域部分监测站点逐日和逐小时PM2.5浓度演变如图2所示。由图2(a)可知，研究区域内出现了2次明显的重度污染过程，分别是1月22日—2月1日和2月8—13日；2次重度污染过程的影响范围明显不同，第一次的范围远大于第二次；第一次重度污染过程中，内蒙古自治区中部(呼和浩特、包头、巴彦淖尔)污染持续的时间最长(1月21—31日)，而中原地区和河北南部的污染发生在1月22—24日，北京及近周边地区则出现在1月25—28日；第二次重度污染过程主要发生在北京及近周边地区，范围明显缩小，重度污染持续了4～5 d。

图2 2020年1月21日—2月15日研究区域部分监测站点逐日和逐小时PM2.5浓度演变Fig.2 PM2.5 concentration evolution of some monitoring sites in the study area on a daily and hourly basis from Jan. 21 to Feb. 15, 2020

注：除特别说明外，文中所有图均基于国家地理信息公共服务平台下载的审图号为GS(2019)1697号的标准地图制作，底图无修改。图3 2020年1月21日—2月14日08:00京津冀及周边地区PM2.5浓度分布Fig.3 PM2.5 concentrations distribution in the Beijing-Tianjin-Hebei region and surrounding areas at 08:00 from Jan. 21 to Feb. 14, 2020

由图2(b)可知，1月24日(除夕)和25日(正月初一)几乎所有监测站点都出现PM2.5浓度突然升高的现象，其中25日的02:00—03:00，呼和浩特市化肥厂生活区监测站点PM2.5浓度高达1 804 μgm3，包头市东河区环境保护局监测站点PM2.5浓度达2 246 μgm3，北京市定陵监测站点PM2.5浓度达361 μgm3。对比1月24日、1月29日(正月初五)和2月8日(正月十五)PM2.5浓度演变情况，发现春节燃放烟花爆竹对空气质量的影响在不同的城市表现不尽相同。对比这些时间节点前后PM2.5浓度的平均状况可以看出，燃放烟花爆竹产生的影响主要集中在燃放时段之后5～10 h，仅对个别监测站点的影响超过24 h(如包头市惠龙物流和东河鸿龙湾)，这反映出燃放烟花爆竹仅在一定时间内对空气质量产生影响。

2020年1月21日—2月14日08:00京津冀及周边地区PM2.5浓度分布如图3所示。由图3可知，1月21日08:00，重度污染起源于郑州、安阳、开封和许昌等地，并迅速扩展至华北南部、唐山至郑州一线，PM2.5浓度在1月24日08:00达到最高，此时重度污染位于华北南部、石家庄以南和郑州周边，北京及近周边地区(廊坊、天津、唐山、沧州、保定)空气质量相对较好。1月25日08:00的污染空间分布有了明显的不同，北京及近周边地区重度污染，个别城市如保定出现严重污染，而中原地区则出现轻度和中度污染，该污染状况与除夕夜和正月初一燃放烟花爆竹有一定的关系。有研究指出，除夕夜间至初一凌晨，各地烟花爆竹集中燃放导致空气质量快速转差，京津冀及周边地区典型城市的PM2.5组分中，与烟花爆竹燃放有较大关系的氯离子、钾离子和镁离子等组分浓度迅速上升，其中钾离子和镁离子浓度比非燃放时段分别上升约50和100倍，如北京市上述离子组分浓度占PM2.5的55%～75%。部分城市在PM2.5浓度达到峰值期间，烟花爆竹燃放对PM2.5浓度的贡献最高可达80%[2]。1月26日—2月3日，华北地区持续维持较重污染，但污染的空间分布有明显的变化，其中1月27—29日08:00，中重度污染区位于北京及近周边地区，结合图2(a)可知，29日(初五)大范围的重度污染基本结束，只有呼和浩特、保定、石家庄、邯郸和安阳还继续维持重度污染；1月30日(初六)08:00重度污染区范围扩大，这与初五燃放烟花爆竹有着密切的关系，此时只有呼和浩特和安阳维持重度污染；1月31日08:00除了呼和浩特维持重度污染外，华北南部和中原地区出现大范围中度污染区；2月1日、2日08:00，北京及近周边地区出现大范围优良天气，而石家庄及其以南地区和山东北部又出现重度污染；2月3日北京及近周边继续维持优，华北以南和中原地区也出现大范围良好天气，仅个别监测站点为轻度污染；2月4日中原地区再次出现短暂的大范围重度污染，2月4—7日华北地区和中原地区维持了大范围优良天气。1月31日—2月7日大部分城市出现优良天气和轻度污染，从2月8日起北京及近周边地区又出现连续5 d的重度污染过程。

2月8日、9日08:00，重度污染区分布在北京及近周边、石家庄以南和山东以北地区；2月10—13日每天08:00，北京及近周边地区PM2.5浓度超过150 μgm3，而其他地区小于35 μgm3；2月14日08:00，石家庄近周边地区PM2.5浓度超过150 μgm3，而其他地区小于35 μgm3；2月15日、16日08:00，整个华北和中原地区PM2.5浓度均低于35 μgm3。上述污染过程的演变除与排放源有密切关系外，天气背景的变化也起着至关重要的作用，下面将从这2个重要的影响因素进行分析与阐述。

2.2 研究区域大气污染物排放空间分布特征

2.2.1污染排放现状与演变

2000—2016年我国主要大气污染物排放量和治理投资演变如图4所示。由图4可知，2000年以来，我国主要大气污染物排放量呈明显下降趋势，特别是2012年以后，下降速度非常显著；2016年我国SO2、NOx和颗粒物的排放量分别为1 103万、1 394万和1 011万t，分别比2011年下降50%、42%和21%。与此相对应，我国环境污染治理总投资和工业污染治理投资呈增长趋势，尤其是工业污染治理投资在2012—2016年为7 880.92亿元/a，比2000—2009年(3 067.41亿元/a)增加了1.6倍，这种大力度投入的结果使我国空气质量不断改善。《2017中国生态环境状况公报》[30]和中国工程院在2018年发布的《〈大气污染防治行动计划〉实施情况终期评估报告》[31]指出，2013—2017年我国重点地区气象条件处于历史上对空气质量改善相对不利的时期，但全国74个重点城市PM2.5浓度总体仍呈下降趋势，全国重点城市群PM2.5浓度下降35%，珠三角区域PM2.5平均浓度连续3年达标。全国74个重点城市发生重污染天数由2013年的平均32 d降至2017年的10 d，下降了68.8%。虽然我国各地区的空气质量明显改善，但仍未达到明显好转的目标，这与我国的能源结构、能源消费量有着明显的关系。

图4 2000—2016年我国主要大气污染物平均排放量、年排放量和治理投资趋势Fig.4 Average and annual emissions of main atmospheric pollutants and the trend of investment in treatment in China during 2000-2016

通过收集和整理国家排污许可信息公开系统发布的我国企业申报的排放许可限值资料，选择排放量较大的若干行业，分析其主要大气污染物最大允许排放量的全国分布，结果如图5所示。同时，对京津冀及周边地区的排放情况进行对比分析，以期揭示局地污染物排放对区域污染过程形成的影响。

由图5可知，我国主要大气污染物的排放企业绝大部分位于社会经济最为活跃，遭受空气污染困扰较大的东部地区。截至2019年底，申报排放颗粒物(烟/粉尘)排污许可证的企业有15 083家，共允许排放214.61万t/a；申报排放SO2的有14 983家，共允许排放461.15万t/a；申报排放NOx的有15 006家，共允许排放636.18万t/a；申报排放挥发性有机化合物(VOCs)的有14 496家，共允许排放23.55万t/a。与2016年主要污染物实际排放量相比，申报企业SO2、NOx和颗粒物的允许排放量分别占2016年实际排放量的19.5%、33.1%和62.9%。取得排污许可证的企业中，73%的VOCs排放企业、62%的NOx排放企业、48%的颗粒物排放企业集中在京津冀及周边地区，这些密集的排放源为京津冀及周边地区频繁形成重污染提供了充分的污染物和前体物，同时也揭示了该地区改善大气环境质量的艰巨性。

注：本图基于国家地理信息公共服务平台下载的审图号为GS(2019)1697号的标准地图制作。图5 全国申报排污许可企业的主要大气污染物最大允许排放量空间分布Fig.5 Spatial distribution of the maximum allowable emissions of main atmospheric pollutants from the enterprises applying for pollutant permits in China

在全部申报排污许可的企业中，统计了污染物排放量较高的火电、水泥、电力与热力和冶炼行业。分析显示，2019年，火电行业包括1 969家火力发电企业，其中有1 965家排放46.45万t颗粒物，1 969家排放228.06万t SO2和224.09万t NOx；水泥行业中，有1 649家企业排放29.70万t颗粒物，1 239家排放34.45万t SO2，1 234家排放134.4万t NOx；电力和热力行业中，有98家企业排放0.74万t颗粒物，100家排放3.14万t SO2，101家排放4.15万t NOx；冶炼行业中，有1 733家企业排放20.71万t颗粒物，1 704家排放46.74万t SO2，1 654家排放55.23万t NOx。全国申报排污许可企业中，2019年共有1 887家企业排放23.54万t VOCs，其中仅京津冀及周边地区就有1 682家企业排放17.11万t VOCs。

京津冀及周边地区申报排污许可重点企业主要大气污染物最大允许排放量分布如图6所示。在京津冀及周边地区，火电行业中，每年有1 041家企业排放18.55万t颗粒物，1 045家企业排放82.57万t SO2，1 059家企业排放97.88万t NOx，占全国火电行业污染物排放总量的36%～44%；水泥行业中，每年有528家企业排放8.22万t颗粒物，402家企业排放8.63万t SO2，399家企业排放3.99万t NOx，占全国水泥行业污染物排放总量的25%～30%；电力和热力行业中，每年有55家企业排放0.34万t颗粒物，56家企业排放1.57万t SO2，57家企业排放2.15万t NOx，占全国电力和热力行业污染物排放总量的47%～52%；冶炼行业中，每年有1 202家企业排放17.19万t颗粒物，1 180家企业排放39.90万t SO2，1 137家企业排放45.12万t NOx，占全国冶炼行业污染物排放总量的82%～84%。此外，京津冀及周边地区排放VOCs的企业数量占全国的89.14%，其VOCs最大允许排放量占全国VOCs最大允许排放总量的72.68%(图7)。

图6 京津冀及周边地区部分行业主要大气污染物最大允许排放量空间分布Fig.6 Spatial distribution of maximum allowable emissions of main atmospheric pollutants from some industries in Beijing-Tianjin-Hebei region and the surrounding areas

图7 京津冀及周边地区主要行业VOCs最大允许排放量的空间分布Fig.7 Spatial distribution of VOCs maximum allowable emissions from major industries in the Beijing-Tianjin- Hebei region and the surrounding areas

综上，目前京津冀及周边地区各类污染物的排放量依然很大，排放企业数量庞大且分布比较集中。京津冀及周边地区污染物的排放现状决定了该区域在不利气象条件下会形成大范围的重度污染过程，尤其是在秋冬季。

2.2.2能源结构

我国是一个以煤炭资源为主的发展中大国，社会经济的发展对能源的需求持续增高，我国污染物的排放现状与能源结构布局有着明显的关系。1980年以来我国能源结构情况如图8所示。由图8(a)可知，1999—2016年我国年平均能源消费总量为30.1亿t/a(以标准煤计，全文同)，其中煤炭消费量为20.7亿t/a，石油为5.4亿t/a，天然气为1.2亿t/a，一次电力和其他为2.8亿t/a。由图8(b)可知，近几年我国煤炭消费量呈明显下降趋势，但2016年煤炭消费量占总能源消费量的比例仍很高(50%以上)，其中石油消费量占31%，位居第二；其他能源消费量呈缓慢增加趋势，特别是一次电力、风能和太阳能等，表明我国可再生能源得到了大力的发展，但其在我国总能源消费量的占比仅为7%。这种能源消费结构的格局决定了我国污染物和温室气体的减排与控制仍将面临巨大的挑战，进一步改善空气质量任重道远。

图8 我国能源结构的平均状况和演变趋势Fig.8 Average situation and evolution trend of China’s energy structure

2000—2016年我国工业企业数量变化如图9所示。由图9可知，随着我国国民经济的发展，工业企业数量呈明显增长趋势，虽然2010年以后，随着我国环境保护工作力度的加大和应对气候变化工作的进展，采取了结构调整、关停并转，取缔“散乱污”企业等措施，工业企业数量明显下降，但2011年之后依然呈逐步增长趋势，尤其是大型工业企业和重工业企业数量增长较明显，这一事实也再次说明我国改善环境质量和打好污染防治攻坚战依然面临着巨大的挑战。虽然煤炭的消费量从2014年后呈现下降趋势，但是降幅并不能满足改善空气质量的需要，同时我国天然气和电力消费量继续保持上升趋势，对我国环境质量改善提出新挑战。

图9 2000—2016年我国工业企业数量变化Fig.9 Change of the number of industrial enterprises in China from 2000 to 2016

2.3 京津冀及周边地区天气形势及大气层结分析

大气污染过程的形成、污染物输送、汇聚和沉降是一个复杂的物理、化学过程，除了受能源消费及其结构、污染物排放源特征、大气化学演变过程等因素影响外，还与天气形势、地形地貌特点等有密切的关系。大范围东南风带具有携载大气污染物及我国东南部暖湿空气的作用，前锋入侵山前平原及北京半盆地地形区，由于受山体及山风影响，造成污染物汇聚，形成山前区域性汇聚带，以及边界层上层稳定的逆温层结的阻挡，从而导致京津冀及周边地区出现污染过程的频率明显升高[19]。选取春节期间出现的重度污染过程中的2个时间段，对京津冀及周边地区典型的天气形势及其对重污染过程形成的影响进行详细分析。

2.3.1案例1：2020年1月25—28日

1月24日重度污染区位于华北南部、中原地区和汾渭平原，25—28日京津冀及周边地区日均空气质量指数(AQI)持续较高，为178～227，其中北京日均AQI升至110，PM2.5小时浓度最高出现在25日02:00(361 μg/m3)。区域重度污染位于华北大部、中原地区、汾渭平原和东北南部，29日随着强冷空气过境，北京日均AQI降至114，之后维持在相对较低水平，华北南部、中原地区和汾渭平原继续维持中重度污染。

从天气形势分析，500 hPa高空环流形势显示，1月下旬，东亚地区环流平直，中纬度锋区位于40°N附近，以偏西风为主，多短波槽东移入海。1月24—26日，华北地区处于槽后偏西或西北气流控制之中〔图10(a)〕，27日短波槽缓慢东移至河套以东；28日发展成闭合低涡，北京及周边地区由偏西风逐渐转为西南或东南风；29日低涡东移入海，北京处于低涡后部，转为西北风。

注：图来自中央气象台官方网站。图10 2020年1月25日08：00 500、850 hPa和地面形势Fig.10 500 and 850 hPa and ground situation at 08:00 on Jan. 25, 2020

850 hPa高空环流形势显示，1月下旬，中纬度锋区上不断有短波槽东移入海，华北地区处于槽后西北气流控制之中。1月24—25日，大陆高压与海上高压不断靠近，大陆高压移至华北上空，北京处于闭合高压顶部，以偏西风为主〔图10(b)〕；26日大陆高压与海上高压合并，控制华北地区，北京处于高压底部，逐渐转为偏东风，风力较小；24—28日，华北地区气温持续偏高，致使北京AQI不断升高，25日达到最大(227)，26日有弱冷空气入侵，AQI降至118，27—28日北京处于入海低涡北侧，近地面气温略有回升，AQI再次回升；29日低涡继续东移，大陆高压从华北一直伸向东北西部，北京处于高压脊前偏北风控制，同时气温下降，AQI下降。

地面天气图显示，1月23日有一条冷锋过境，一直有闭合高压稳定维持在蒙古国，最强可达1 052.5 hPa；24—26日，蒙古国高压中心有分裂的闭合小高压缓慢东移南压，北京处于高压底部的偏北或偏东气流控制〔图10(c)〕，风力较小，华北南部、中原地区和汾渭平原处于弱的高压均压场控制；27—28日，南方倒槽入海加强成气旋，不断北上东移，北京处于气旋顶端、高压底部的偏东风气流之中，风速仅为2～4 m/s，AQI持续较高；29日逐渐转为气旋后部、高压底部的偏北风控制，风力开始加大，AQI下降，华北南部、中原地区和汾渭平原受低压均压场影响，继续维持重度污染。2月6日，受强冷空气南下的影响，京津冀及周边地区空气质量大大改善，整个区域空气质量维持优良状态。

分析北京探空曲线可知，AQI较高时，低空(925或1 000 hPa以下)一般存在逆温，统计08:00地面与925或1 000 hPa温差(ΔT)，在AQI高值期间，ΔT一般为3～9 ℃。1月24日08:00〔图11(a)〕，ΔT925—地面为9 ℃，大气层结异常稳定，925 hPa以下风速低于4 m/s，有利于污染物堆积，AQI不断升高；25日08:00〔图11(b)〕，ΔT925—地面为6 ℃，低空以西南风为主，气温回升，近地面层风力较小，925 hPa西南风速为6 m/s，1 000 hPa偏东风速为4 m/s，污染物浓度持续增加，AQI达227；26日有弱冷空气入侵，AQI稍有下降；27—28日，近地面层持续回暖，850～1 000 hPa风速低于4 m/s，地面风速低于2 m/s或静风，AQI迅速升至178～190；29日随着西北风加大，水平扩散增强，逆温层消失或强度减弱，AQI迅速下降。

图11 2020年1月24、25日08：00 北京探空曲线Fig.11 Beijing sounding curve at 08:00 on Jan. 24 and 25, 2020

综上，2020年1月25—28日属于高压主导型的污染过程。重污染期间，500 hPa处于高空槽后弱脊控制，850 hPa高压控制华北地区，气温持续缓慢回升，北京处于高压中心附近或高压底部、倒槽顶部，风力较小。大气层结比较稳定，低空(850或925 hPa以下)存在逆温，08:00地面与850或925 hPa温差最强可达9 ℃，风力较小，850或925 hPa以下风速低于4 m/s，近地面层气温持续回升。从1月24日夜间起，京津冀及周边地区和东北地区近地面风速总体降至2 m/s以下，相对湿度整体高于60%，京津冀中北部、河南中部、山东西部等地出现大雾天气。高湿度促进了气态污染物向颗粒物转化。当北方冷空气大举南下，华北地面处于低压后部、高压前部的偏北气流控制，风力加大，水平扩散增强，逆温层结消失，AQI迅速降低。

2.3.2案例2(2020年2月9—13日)

2月9日北京AQI升至112，10—13日AQI持续较高，一般为162～270，14日AQI迅速降至69，之后AQI维持在较低水平。从天气形势分析，500 hPa高空环流形势显示，2月上旬，随着偏北低涡东移入海，东亚大槽稳定维持在135°E～140°E，华北处于槽后西北气流控制之中。10日南支锋区上不断有短波槽东移；11—13日形成阶梯槽，由河套地区伸向我国西南部，北京上空由西北风逐渐转为槽前偏西或西南风控制〔图12(a)〕；14日由于北方冷空气入侵，短波槽东移入海。

850 hPa高空环流形势显示，2月上旬，随着偏北低涡东移入海，中国大陆受一暖高压控制，气温缓慢回升，华北上空处于槽后弱脊控制，以偏西或西北风为主。10日我国西南部开始有低涡扰动，形成阶梯槽从西南伸向华北地区，北京处于槽前西南气流控制之中，并一直维持至13日〔图12(b)〕；14日冷槽移过华北，北京上空转为西北风控制，同时气温下降。

地面形势显示，2月4日有一条冷锋过境以后，蒙古地区一直有闭合高压稳定维持，中心值最强可达1 055 hPa，北京处于高压底部的偏北或偏东风控制，风力较小；10—11日，有闭合低压移至华北地区，北京处于其北部的偏东风控制之中；12日闭合低压东移入海，北京处于华北小高压前部，此时东北北部又出现一个闭合低压；13日东北低压南移，北京处于该低压后部，风场较弱〔图12(c)〕；14日由于北方冷空气入侵，蒙古国冷高压进一步加强，中心强度增强至1 070 hPa且不断向南伸展，同时南方倒槽东移入海加强成气旋，北京处于气旋后部、高压前部的南北向等压线密集带中，以偏北风为主，风力加大，气温明显下降，AQI迅速降低。

分析北京探空曲线可知，2月9—13日AQI高值期间，低空(925或1 000 hPa以下)逆温强度更强，逆温层厚度也有所增加，12—13日污染最严重，逆温层厚度可向上伸展到850 hPa，统计08:00地面与850、925或1 000 hPa的ΔT，AQI高值期间，ΔT一般为5～12 ℃。9—13日北京AQI从112持续增至270，期间地面温度从-7 ℃持续增至2 ℃，850～1 000 hPa受暖平流影响，由西北风逐渐转为西南或偏南风，气温小幅回升；10日08:00逆温强度最强〔图13(a)〕，ΔT925—地面为12 ℃，大气层结异常稳定，925 hPa以下风速低于4 m/s，850～925 hPa由西北风转为西南风，低层回暖明显，850和925 hPa分别较前一日升温5和3 ℃，使得AQI由前一日的112迅速增至162，日增幅达50；12日08:00〔图13(b)〕，ΔT850—地面为7 ℃，逆温层深厚，大气层结持续稳定，500 hPa以下各层风速均低于4m/s，地面和850、1 000 hPa气温均较前一日升温1和3、4 ℃，低层回暖明显，AQI由前一日180迅速增至263，日增幅达83；13日低层逆温和回暖持续，AQI继续增至270，达到最强；14—15日冷空气入侵，AQI迅速降低。

图13 2020年2月10日、12日08:00北京探空曲线Fig.13 Beijing sounding curve at 08:00 on Feb. 10 and 12, 2020

综上，2020年2月9—13日属于低压前部型的污染过程。重污染期间，500～850 hPa形成阶梯槽，北京处于槽前西南急流暖区控制之中，低层气温持续回升，地面有弱低压移至华北地区，风场较弱，925 hPa以下风速低于4 m/s。低空(850或925 hPa以下)逆温强度较强，08:00时地面与850或925 hPa温差最强可达12 ℃，逆温层厚度也有所增加，大气层结异常稳定。当冷槽过境，北京上空转为西北风控制，风力加大，气温明显下降，逆温层结消失，AQI迅速降低。

3 结论与建议

(1)2020年春节期间，京津冀及周边地区出现2次大气重度污染过程，分别是1月22日—2月1日、2月8—13日。其中第一次污染过程所覆盖的范围、污染程度和影响区域远大于第二次；第一次重点区域为内蒙古自治区中部，第二次主要发生在北京及周边地区；重度污染过程的出现除与排放源有密切关系外，天气背景的变化也有着至关重要的作用。

(2)目前，京津冀及周边地区各类污染物的排放量依然很大，排放企业数量庞大且分布比较集中。全国取得排污许可证的企业中，73%的VOCs排放企业、62%的NOx排放企业、48%的颗粒物排放企业聚集在本地区。密集的排放源为京津冀及周边地区频繁形成重污染提供了充分的污染物和前体物，使该区域在不利的气象条件下会形成大范围的重度污染事件，尤其是在秋冬季。

(3)我国煤炭消费量在近几年出现明显的下降趋势，但2016年煤炭消费量占总能源消费量的比例仍很高(50%以上)，石油消费量占31%，这种能源消费结构的格局决定了我国污染物和温室气体的减排与控制面临巨大的挑战。

(4)气象条件对京津冀及周边地区2次大气重度污染过程起着至关重要的作用。2020年1月25—28日属于高压主导型的污染过程，高压抑制了污染物水平扩散，同时大气低层有逆温，垂直结构较稳定，抑制了污染物垂直扩散；2020年2月9—13日属于低压前部型污染过程，由于地面伴有弱低压，风速普遍降至2 m/s以下，并有较强逆温，抑制了污染物扩散，加之相对湿度整体高于60%，加剧了气态污染物向颗粒物的转化。

(5)2020年春节期间，受烟花爆竹燃放的影响，几乎所有监测站点都出现PM2.5浓度突然增加的现象，烟花爆竹燃放对PM2.5小时峰值的贡献率最高达80%，但其影响基本只有5～10 h，个别监测站点超过24 h，因此其对2次重度污染过程空气质量的影响有限。

提出科学合理、因地制宜的大气污染防治政策，研发和推广效果显著、性价比高的污染防治技术，采取切实可行、可持续的措施与行动，完善和提高相关标准体系等是真正实现大气环境质量改善的关键。京津冀及周边地区拥有不利于污染扩散的地形地貌等自然条件，污染汇聚带四季均可能出现，秋冬季经常出现不利于污染扩散，有利于二次污染形成转化的条件。此外，工业布局密度高，产业类型多，排污大户集中，污染物的排放量远高于其他地区，是形成该地区重度污染事件的重要物质基础。同时，在污染物汇聚带和输送通道上还有大量的污染物排放源。可见，进一步改善京津冀及周边地区空气质量依然任重道远。