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@cma.gov.cn；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 X1–6.79088 X2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°E 0 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] ， 5期 张建忠等：2013 年 1-2 月北京地区空气质量指数（AQI）与气象条件分析 53
3.1 空气质量指数与PM2.5浓度 表2 空气质量分指数（IAQI）与细颗粒物浓度限值
按照环境空气质量指数（AQI）技术规定 [7] ， 颗粒物（粒径小于等于
空气质量分指数（IAQI） 2.5μm）24小时平均( μg•m
-3 )
AQI是由污染物项目中最大的分指数决定的，当
AQI大于50时，空气质量分指数（IAQI）最大的 污染物即为首要污染物。细颗粒物PM 2.5浓度限值 与IAQI对应关系见表2。
0 50 100 150 200 300 400 500 0 35 75 115 150 250 350 500
我们以1月10-14日污染过程为例，针对AQI 和主要污染物（PM 2.5）分析特征如下。 1月3-10日，大气稳定度的持续偏高为空气 中污染物的累积提供了条件，导致自10日开始， 空气质量指数AQI持续5d在250以上，空气质量 等级均为5级。宝联站观测资料显示1月10日下 海淀宝联PM 2.5小时浓度持续维持在500 μg•m-3以
上，11时前后，PM 2.5小时浓度开始下降，18时后 下降至300 μg•m-3。海淀地区日平均空气质量指数 为401。14日，PM 2.5小时浓度下降至200 μg•m-3以 下，海淀地区日平均空气质量指数降到337。这 次过程中有一个特点值得关注，10日下午和12日 中午，城区PM 2.5浓度出现了短时间激增的现象。 上甸子位于郊区，其PM 2.5浓度变化总体趋势 与城区宝联站相似，但值略低，特别是在12日至 13日的时段明显偏低。这反映了北京地区城区与
午PM 2.5浓度开始增加，从15时的88 μg•m -3 激增
到17时的340 μg•m （图2），当天海淀地区的空
-3 气质量指数24小时均值达到了258。11日，该 地区PM 2.5浓度维持在200 ～ 450μg•m -3 之间，空 气质量指数24小时均值达到了413，空气质量达
到6级。12日上午，海淀地区PM 2.5浓度出现短暂 下降，13时浓度再次突增至614 μg•m -3 ，17时左
右，市区和近郊区大部的PM 2.5小时浓度值都达到 700μg•m 以上，通州甚至达到950 μg•m
-3 -3 ，22时， 郊区的污染程度还是有着较为明显的差异。
除北部地区几个子站稍低外，其他监测站数据维 14-15日，北京地区连续两天出现日降水量
不足0.5mm的雨雪天气过程，污染过程得到缓和。 3.2 空气质量指数与紫外吸收性气溶胶指数 北京地区的污染天气不仅与本地产生的不同 大小的颗粒物有关，而且与周边地区的输送也有
持在700 μg•m -3 ，23时，西直门北、南三环、奥体
中心等监测站点PM2.5实时浓度突破900μg•m 门北高达993 μg•m
-3 ，西直
-3 。空气质量指数24小时均值
达到了498，空气质量持续6级严重污染。城区 部分地区的空气质量指数达到了500。13日01时， 关系。有研究学者利用MM5、WRF等模式进行了局
上甸子 海淀宝联
图2 2013年1月10-14日上甸子和海淀宝联监测站PM2.5小时浓度变化