近年来，城市化的迅猛发展已经成为城市环境恶化的重要影响因子之一，引起世界科学家和国际组织的高度关注，世界气象组织(WMO)早在2001年就开展了城市气象和环境研究计划(GURME)^[1]. 城市空气质量的改善已经成为目前人们普遍关注的热点问题^{[2, 3, 4, 5]}. 2013年1月我国发生了多起强度强、 持续时间长、 污染程度高的雾霾天气过程，我国科学家们围绕这一过程从各个方面进行阐述. 张人禾等^[6]从大气环流背景场和雾霾天气演变过程两个方面进行诊断分析，指出东亚冬季风异常偏弱为2013年1月我国大面积强雾霾天气的维持和发展提供了有利的气象条件. 穆穆等^[7]指出气象科学与技术在雾霾的观测、 形成机制、 数值模拟以及预测与防控中发挥着重要的作用. 廖晓农等^[8]研究表明，冬夏两季雾霾天气过程的形成和维持机制不同，冬季过程出现在高空西北气流、 低层多短波活动的背景下，而气溶胶的区域输送，大气保持对流性稳定和空气的高饱和度是夏季持续性雾霾天气发生的重要条件. 吴庆梅等^[9]分析了2005年11月25日发生在北京的一次持续4 d的雾霾天气过程中低空扰动、 山谷风以及城市热岛对PM₁₀浓度的影响，指出PM₁₀对中低空的扰动很敏感.

在特大城市举行大型活动时，为了保障空气质量，相关部门会采取紧急的污染防治措施，保障活动的顺利进行，此举措也为环境保护工作者开展大气污染控制效果研究提供了难得的实验机会. 针对2008年北京奥运会，2010年的上海世博会和广州亚运会，以及2014年的南京青奥会期间污染控制措施的实施及其环境改善状况，国内外学者广泛地就空气质量保障、 空气质量的演变和不同控制措施下污染形成机制等展开了大量的研究^{[10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28]}. 2014年11月7日至12日，北京举办了亚太经合组织(Asia-Pacific Economic Cooperation,APEC)会议. 为保障APEC峰会期间北京空气质量，北京市及周边地区政府在2014年11月3日至12日期间采取了一系列的空气污染强化控制措施. 分析APEC期间北京及周边地区(包括秦皇岛、 唐山、 北京、 天津、 保定、 石家庄、 邢台和邯郸)空气污染的区域特征，研究天气背景对北京APEC期间空气质量改善的贡献，探讨污染减排措施和空气质量保障措施的效果，具有重要的科学意义和实用价值，可为改善北京空气质量提供科学的技术支持.

(1)空气污染数据来自环境保护部中国环境监测总站“全国城市空气质量实时发布平台(http://113.108.142.147: 20035/emcpublish/)”发布的各类污染数据，包括各类污染物小时浓度值、 日均浓度值以及空气质量指数(AQI)等. 选择北京APEC主要活动场所的奥体中心监测点作为研究对象，收集该站逐小时PM_2.5、 PM₁₀、 SO₂、 NO₂等浓度值，同时，为了分析探讨污染物的区域演变特征，还收集了北京及其周边7个城市逐日平均AQI数据及首要污染物情况，即北京、 天津、 唐山、 秦皇岛、 保定、 石家庄、 邢台和邯郸.

(2)气象要素资料取自中国气象局官方发布的气象服务客户端“中国天气通”(http://3g.weather.com.cn/)给出的每日逐时气象要素，包括小时温度、 风向风速、 相对湿度和小时平均AQI； 每日4次的天气形势场取自中央气象台天气实况(http://www.nmc.gov.cn/publish/observations/weatherchart-h000.htm)，包括亚欧地面形势分析，高空850 hPa、 700 hPa和500 hPa形势图，同时还收集了全国逐小时地面自动站观测的风向风速资料.

本研究的方法主要是利用统计学中的时间序列分析方法； 此外为了分析北京及周边地区在强化措施实施期间的区域性特征，本研究选择了北京周边7个城市作为比较研究点(见图 1)，收集了2014年11月逐日平均空气质量指数(AQI)，沿秦皇岛、 唐山、 北京、 天津、 保定、 石家庄、 邢台和邯郸一线给出AQI的演变，用来比较强化控制措施对区域大气质量改善情况.

图 1

Fig. 1

图 1 北京及周边城市站点分布示意 Fig. 1 Map of monitoring stations in Beijing and its surrounding cities

文中逆温判断是根据地面气温(T_地面)与925 hPa高度气温(T₉₂₅)之差判定，当T₉₂₅-T_地面>0,则表示有逆温存在，且温差越大表示逆温越强.

从沿秦皇岛-唐山-北京-天津-保定-石家庄-邢台-邯郸一线，2014年11月逐日AQI分布(表 1)可以看出，在开始强化控制措施实施前的11月2日，受到强冷空气的影响，北京空气质量得到明显改善，日均值达到优(AQI=34)，奥体中心监测站日均PM_2.5和PM₁₀的浓度分别为6.52 μg ·m^-3和19.26 μg ·m^-3，当日北京周边城市空气质量也相对较好，日均浓度均为良好. 11月3日强化控制措施开始实施，但是由于受不利的天气形势影响AQI开始抬升，到11月4日达到最高，北京、 保定和邯郸出现日均中度污染(AQI分别为150、 166和165)，11月6日北京及周边地区空气质量大范围改善，北京为优(日均AQI=32)，其他城市均为良好(AQI ＜ 100)； 随后北京空气质量出现缓慢增长的过程(AQI ＜ 100)，但是周边城市从11月8日开始又进入一次较为严重的污染过程，11月10日达到峰值，北京空气质量接近中度污染(AQI=95)，而天津、 唐山、 保定和邢台均出现重度污染(AQI>201)，石家庄、 邯郸和秦皇岛均为中度污染(151 ＜ AQI ＜ 200)，这充分说明强化控制措施对改善北京空气质量有一定的作用. 从11月12日强化控制措施结束后北京及周边空气质量指数分布情况来看，也可以进一步证明强化控制措施对北京空气质量的作用. 强化控制措施结束后的11月19~21日北京及周边又出现了连续多日的大范围污染过程，北京11月20日出现日均严重污染的情况(AQI>300)，保定、 邢台和邯郸11月21日出现日均浓度爆表现象，这从另外一个角度反映了强化控制措施结束后的污染反弹现象.

表 1(Table 1)

表 1 北京及周边城市2014年11月逐日空气质量指数 1)Table 1 AQI of Beijing and its surrounding cities in November 2014 1)绿色表示空气质量优(0～50)，黄色表示良(51～100)，橙色表示轻度污染(101～150)，红色表示中度污染(151～200)，紫色表示重度污染(201～300)，禇红表示严重污染(＞300)

表 1 北京及周边城市2014年11月逐日空气质量指数 1)Table 1 AQI of Beijing and its surrounding cities in November 2014

为了比较北京及周边城市空气质量指数的变化情况，表 1中用不同的颜色表示污染等级逐日平均情况，其中污染等级划分的色彩与国家环境保护部环境监测总站发布的“全国城市空气质量实时发布平台”的一致，同时将11月划分为3个阶段，即强化控制措施实施前(会前)、 实施中(会期间)和实施结束后(会后). 可以看出在APEC强化措施实施前，由于受到强冷空气的影响，会前北京及周边地区空气质量得到明显的改善，空气质量保持优良； 会议期间北京及周边地区良好和轻度污染的天数相对比较多，空气质量基本维持优良； 但当强化减排措施结束后，特别是强化控制措施停止一周之后，北京及周边城市空气质量出现重度和严重污染的天数明显增多. 这也说明强化减排措施对北京周边城市局地空气质量的改善贡献是明显的，对北京市空气质量的改善有一定的贡献.

为了分析天气背景对APEC期间空气质量改善的贡献，对2014年11月1日至15日每日4次(02:00、 08:00、 14:00和20:00)的天气形势图进行了分析.

2014年11月1日08:00，地面形势图显示，北京处在锋面过境后的低压后部和高压前部，受西北气流影响； 850 hPa高度形势上北京位于冷槽后部，有强劲的西北风，风速达到7级； 500 hPa高空整个中国北部受深厚的冷槽控制，北京位于低槽前西南气流，风速达7~8级，北京空气质量为良好(AQI=65). 保定和邯郸出现重度污染，(AQI分别为200和207)，唐山为中度污染(AQI=160)，天津、 石家庄、 邢台和秦皇岛均为轻度污染.

2014年11月2日08:00(图 2)，地面形势仍然受强劲的高压控制，北京位于高压中心的前部，地面受北风气流影响，地面风速6 m ·s^-1； 850 hPa高度场显示北京位于高压前部，低压槽后部，受偏北气流影响，风速达到18 m ·s^-1； 500 hPa高度场显示中国大陆东部地区主要受冷槽后偏西气流的影响，北京位于槽后，风速达到12级以上. 在强劲的偏北气流影响下，空气中累积的颗粒物得以清除，PM_2.5的浓度从11月1日的47.82 μg ·m^-3陡降至6.52 μg ·m^-3，下降幅度高达86%，空气质量指数(AQI)也由轻度污染(65)转为优(34)，下降幅度为48%. 北京周边地区的空气质量也得到明显的改善，平均下降了60%多，下降最为明显的是保定(-70%)和邯郸(-66%)，由重度污染(AQI为207和200)下降为良好(AQI为71和61). 唐山也由重度污染(AQI=160)下降至良好(AQI=61)，下降幅度为62%. 这一结果显示，在强化措施实施的前一天，由于受到强劲的偏北气流影响下，整个华北地区空气质量得到显著的改善，也为随后APEC期间空气质量的保障奠定了基础.

图 2

Fig. 2

图 2 2014年11月2日08:00天气形势及AQI分布 Fig. 2 Map of weather and AQI situation at 08:00 on 2nd November 2014

2014年11月3日开始实施污染强化控制措施，08:00地面形势(图 3)显示中国大陆在高压控制下，北京位于高压中心附近，地面风速相对较小(2~4 m ·s^-1)，有弱的逆温存在，925 hPa气温与地面气温之差为1℃； 850 hPa形势图显示，华北地区为一暖脊，北京受暖高压前部偏北气流影响，风速减弱为6级以下； 500 hPa高空整个中国大陆受冷槽后部西北气流影响，北京的风速减弱为7级左右(14 m ·s^-1). 虽然有强化控制措施实施，但是由于有弱的逆温层存在，不利于污染物的扩散，北京及周边城市的空气质量指数均有不同程度的增加，北京由优(AQI=34)转为良(AQI=59)，其他城市除邯郸外均维持良好，略微增加一些(14%~44%)，邯郸则从良好(AQI=71)迅速增加到中度污染(AQI=165)，增加了132%.

图 3

Fig. 3

图 3 2014年11月3日08:00天气形势及AQI分布Fig. 3 Weather situation map at 08： 00 on 3rd November 2014

2014年11月4日08:00，逆温明显加强，925 hPa气温与地面气温之差为4℃，地面形势图显示北京位于高压北部，受弱的东北风影响(2 m ·s^-1)； 850 hPa高度中国北部有小股的冷气团移过，北京处在高空槽前暖区，受6级西南风影响(12 m ·s^-1)； 500 hPa高空整个中国大陆位于冷槽后，以偏西气流为主，有弱的暖平流东移，北京受西南气流影响，风速减弱为6级以下. 由于有逆温层，污染扩散条件差，宜于污染物累积，虽然3日开始实施强化减排措施，但是空气中的污染物浓度还是受逆温的影响出现累积，导致空气质量指数由良好(AQI=59)迅速上升为中度污染(AQI=150)，PM_2.5的浓度则从11月2日的6.52 μg ·m^-3上升至115.14 μg ·m^-3，增长幅度达154%. 离北京最近的保定也由良好(AQI=76)迅速增加到中度污染(AQI=166). 天津、 唐山和邢台的空气质量指数也都上升一个级别，由良好上升为轻度污染. 秦皇岛、 石家庄和邯郸的空气质量指数没有变化，继续维持其原来的污染状态.

2014年11月5日08:00，地面形势显示北京位于冷锋后部西北气流影响，风速为2~4 m ·s^-1； 850 hPa高度北方受冷槽影响，南部地区受弱的暖高压控制，北京位于冷槽后部，受西北气流控制，风速达到20 m ·s^-1； 500 hPa高度受冷槽后偏西气流的影响，北京位于槽后，风速达到18 m ·s^-1以上，空气质量得到改善，AQI回归轻度污染(79)，PM_2.5浓度下降为68.95 μg ·m^-3.

2014年11月6日08:00，北京位于高压底部，受东北风控制，风速为5 m ·s^-1. 850 hPa形势图显示，整个中国大陆受冷锋后部弱的暖高压控制，北京位于高压中心前部，受偏北气流影响，风速为12 m ·s^-1； 500 hPa高空整个中国大陆受冷槽后部偏西气流影响，北京的风速高达24 m ·s^-1，空气质量进一步得到改善，AQI日均值为32，为优，PM_2.5浓度迅速下降为10.43 μg ·m^-3.

2014年11月7日08:00，北京位于高压底部，受东南风影响，风速维持在4~6 m ·s^-1，北京位于850 hPa暖脊前部； 2014年11月8日08:00，高压继续东移逐渐减弱，北京处于高压前部，风速为2 m ·s^-1,不利于污染的扩散. 从11月5日至8日，北京及周边地区空气质量明显好转，维持在良好和轻度污染之间(保定11月5日除外). 2014年11月9日08:00[图 4(a)]，近地面出现逆温，925 hPa气温与地面气温之差为3℃，华北地区仍处于高压前部，风速较小(2~4 m ·s^-1). 上游贝加尔湖有一股冷空气形成，850 hPa北京位于暖脊北部，受西北气流影响，风速48 m ·s^-1； 500 hPa受槽后西北气流影响，北京风速6 m ·s^-1. 2014年11月10日08:00[图 4(b)]，逆温继续加强，925 hPa气温与地面气温之差为6℃，地面形势显示，冷锋已移至河套地区北部，北京位于高压前部，风速较小(4~6 m ·s^-1)，850 hPa北京处于槽后脊前的暖区中，受低压槽前部西南气流控制，500 hPa受偏西气流影响，北京风速18 m ·s^-1. 虽然11月9日和11月10日均出现逆温，且逆温强度明显高于11月3日和11月4日，污染物的浓度并没有累积到很高的程度，分别为59.45 μg ·m^-3和73.65 μg ·m^-3，维持在轻度污染的水平，AQI保持轻度污染(AQI=80和AQI=95)，反映出强化减排措施的实施对改善北京空气质量的贡献.反观周边城市，11月10日天津、 唐山、 保定和邢台均出现中度和重度污染，特别是保定中度和重度污染维持了3 d.

图 4

Fig. 4

图 4 2014年的11月9日08:00和11月10日08:00地面形势及AQI分布 Fig. 4 Surface weather and AQI situation map at 08:00 during 9th-10th November 2014

2014年11月11日08:00，北京位于冷锋后部高压前部，受西北气流影响，风速2级左右(4~6 m ·s^-1)； 850 hPa高空北京位于槽后，受较强西北风影响，风速达6~7级(12 m ·s^-1)，整个华北地区均受槽后大风影响. 500 hPa整个中国大陆受强西风气流影响，风速达18 m ·s^-1. 2014年11月12日08:00，地面形势场显示，北京位于冷高压前部，受冷锋后部西北气流影响，风速4 m ·s^-1，850~500 hPa高空，北方地区受高空槽后部强西北气流影响，风速达8级以上，500 hPa风速达28 m ·s^-1. 在西北气流的影响下，空气质量得到明显的好转，11月12日空气中PM_2.5的浓度回落5.59 μg ·m^-3，为上半月的最低，AQI为优(40).

2014年11月13日强化污染控制措施结束，08:00时地面形势显示北京处于弱高压前部，风速较小(2~4 m ·s^-1)，850 hPa上空，北京位于低槽后高压脊前部，受西北气流控制，风速6~7级(14 m ·s^-1). 2014年11月14日08:00，北京仍处于高压前部，风力减弱为1~2级，850 hPa上空西北风气流也有所减弱，地面污染物开始累积，AQI上升为轻度污染，PM_2.5浓度上升至35.75 μg ·m^-3. 受西北气流的影响，北京及周边地区的空气质量保持良好，是一次大尺度的过程.

2014年11月15日08:00，低层有弱的逆温存在，925 hPa气温与地面气温之差为1℃，北京受弱高压控制，风速较小，1~2 m ·s^-1，在850 hPa上空北京处于弱的低槽前部，北京受西南风影响，风速8 m ·s^-1，500 hPa西风气流维持，风速6~7级(14 m ·s^-1)，由于有弱的逆温层，污染物的累积迅速，AQI上升为中度污染，PM_2.5浓度累积至112.89 μg ·m^-3，这种迅速累积，除了受弱的逆温影响外，强化措施结束各类污染源排放恢复常态也是导致污染迅速上升的主要原因. 表 2总结出了2014年上半月每日08:00天气形势和逐日污染状况演变.

表 2(Table 2)

表 2 2014年11月1日至15日08:00天气形势和污染状况日变化Table 2 Weather and pollution situation at 08： 00 am during 1st-15th November 2014 日期 (年-月-日) PM2.5 /μg·m-3 AQI 地面形势 850 hPa 700 hPa 500 hPa 有无逆温 形势特征 风向风速/m·s-1 环流形势 风向风速 /m·s-1 环流形势 风向风速 /m·s-1 环流形势 风向风速 /m·s-1 2014-11-01 47.8 65 无 处于低压后部、 高压前部 WSW2)2→NW 4 冷槽后部 NW 16 冷槽后部 NW 10 低槽前部 SW 20 2014-11-02 6.52 34 无 高压前部ΔT=-2 NW 4→6 冷槽后部 NW 18ΔT=-7 冷槽后部 NW 24ΔT=-11 冷槽后部 NW 30ΔT=-4 2014-11-03 21.86 59 T925-T地面=1 高压前部 SW 2→4ΔT3)=-3 暖高压前部 NW 10→6ΔT=6 冷槽后部 NW 14→8ΔT=6 冷槽后部 NW 12→12ΔT=2 2014-11-04 115.14 150 T925-T地面=4 高压顶(北)部 NE 0→2ΔT=0 槽前暖区 SW 12→8ΔT=5 槽前暖区 SW 12→W 16ΔT=2 弱的暖平流 WSW 10 →W 20ΔT=1 2014-11-05 68.95 79 无 冷锋后部 NW 2→4ΔT=7 冷槽后部 NW 20→12ΔT=-3 冷槽后部 NW 8→ 14ΔT=-4 冷槽后部 WNW 18→18ΔT=-1 2014-11-06 10.43 32 无 高压底部 NE 4→6ΔT=-5 高压脊前部 NW 12→4ΔT=-7 槽后脊前 NW 14→14ΔT=-4 冷槽后部西北气流 WNW 24→W 26ΔT=1 2014-11-07 45.78 63 无 高压底部 SE 2→4ΔT=-3 暖脊前部 WSW 8→WNW 2ΔT=-1 弱槽前部 W 8 →W 10ΔT=-2 弱槽前部 W20 →SW 28ΔT=-4 2014-11-08 73.55 93 无 高压前部 SW 2ΔT=-3 弱槽后部 NW 2→8ΔT=1 弱槽后部 NW 8→8ΔT=-2 弱槽前部后部 W16 N 10ΔT=-2 2014-11-09 59.45 80 T925-T地面=3 高压前部 SW 2→4ΔT=1 暖脊顶(北)部 NW 4→4ΔT=4 槽后脊前 NW 8→8ΔT=7 槽后脊前 NW 6→4ΔT=2 2014-11-10 73.65 95 T925-T地面=6 高压前部 NW 4→6ΔT=8 槽后脊前 NW 12→20 冷槽尾部 W 8→NW 26ΔT=-8 (20：00) 冷槽前部后部 SW 18→NW 18ΔT=-8 (20：00) 2014-11-11 40.42 59 无 冷锋后部高压前部 NW 4→6ΔT=8 槽后脊前 NW 12→20(20：00) 冷槽尾部 W 8→NW 26ΔT=-8 (20：00) 冷槽前部后部 SW 18→NW 18ΔT=-8 (20：00) 2014-11-12 5.59 40 无 冷锋后部高压前部 NW 4→6ΔT=-6 冷槽后部 NW 16→18ΔT=-12 冷槽后部 NW 26→ 28ΔT=-8 冷槽后部 NW 28→ 20ΔT=-2 2014-11-13 20.27 65 无 高压前部 SE or SW 2→4ΔT=-3 槽后脊前 NW 14→12 (20：00) 槽后脊前 NW 12→W 4ΔT=6 槽后脊前 NW 12→8ΔT=0 2014-11-14 35.75 65 无 高压前部 E or SW 2ΔT=1 槽后脊前 NW 10→6ΔT=2 槽后脊前 NW 10→W 6ΔT=3 (20：00) 槽后脊前 NW 12→18ΔT=2 (20：00) 2014-11-15 112.89 143 T925-T地面=1 弱高压控制 E 0→2ΔT=0 弱槽前部 (08：00)ΔT=3(08：00) 弱槽前部 SW 4→W 10ΔT=-6(20：00) 弱槽前部 SW 14 →18ΔT=-6(20：00)

表 2 2014年11月1日至15日08:00天气形势和污染状况日变化Table 2 Weather and pollution situation at 08： 00 am during 1st-15th November 2014

(1)APEC强化减排措施实施期间，北京及周边地区良好和轻度污染的天数相对较多； 强化减排措施结束后，重度和严重污染的天数明显增多，说明强化减排措施对北京周边城市局地空气质量的改善贡献明显.

(2)在强化措施实施前期，由于受到强劲的偏北气流影响，整个华北地区空气质量得到显著改善，也为随后APEC期间空气质量的保障奠定了良好的基础.

(3)在强化措施开始实施初期，由于逆温层的存在，北京空气质量指数由良好迅速上升为中度污染，PM_2.5的浓度则从11月2日的6.52 μg ·m^-3上升至115.14 μg ·m^-3，增长幅度达154%. 与此同时，保定、 天津、 唐山和邢台的空气质量指数也由良好上升为轻度污染，说明空气中的污染物浓度受逆温的影响而不容易扩散，出现累积，是一个区域现象； 11月6日，受西北气流影响，北京的空气质量得到大幅度改善，AQI日均值为32，PM_2.5浓度迅速下降为10.43 μg ·m^-3，由此可见，天气形势对空气质量的改善影响明显.

(4)在强化措施实施结束后，出现逆温且逆温强度明显高于11月3日和11月4日，在这种天气形势下，与天津、 唐山、 保定和邢台相比，北京的污染物的浓度并没有累积到很高的程度，进一步说明，强化减排措施的实施对改善北京空气质量的贡献明显.