長沙市一次重霾污染條件下環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報研究

張琴+彭慶慶+羅岳平+楊云蕓+劉妍妍+曾鈺

摘要：以2014年6月12～17日在長沙市發(fā)生的一次空氣重污染過程為例，對長沙市大氣污染整體水平、周重點城市空氣質(zhì)量變化情況、污染物濃度變化走向及趨勢、污染特征進行了分析，并結(jié)合風、濕度、氣壓等氣象參數(shù)對未來72 h城市空氣質(zhì)量進行了預(yù)報。結(jié)果表明：外源輸入性污染是導(dǎo)致此次灰霾發(fā)生的不可控原因，在當?shù)匚廴驹磁欧呕痉€(wěn)定的前提下，均壓場、靜風、逆溫、暖濕氣流、降水等氣象條件的準確判斷是開展空氣質(zhì)量預(yù)報的關(guān)鍵。15日，長沙市高空為高壓環(huán)流形勢，無明顯降水，均壓場形勢，近地面靜風或微風，大氣穩(wěn)定度較高，不利于污染物的擴散和清除；16日，受高空槽和地面氣旋波影響，偏南風加強，并迎來一段陰雨天氣，大氣污染擴散條件有所改善，污染天氣有所緩和；17日，西南暖濕氣流旺盛，中低層有切變，長沙市區(qū)陰天，并有中等陣雨或雷陣雨。降雨發(fā)生后，污染物濃度迅速降低，污染過程結(jié)束。

關(guān)鍵詞：霾；重污染；氣象條件；空氣質(zhì)量預(yù)報；外源輸入

中圖分類號：P458

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）20-0020-05

1 引言

我國城市灰霾天氣頻發(fā)，并呈現(xiàn)影響范圍廣 、持續(xù)時間長、污染物濃度高等特征（唐宜西等，2013），受到社會廣泛關(guān)注?；姻蔡鞖獬霈F(xiàn)時，室外能見度降低，容易引發(fā)交通事故，誘發(fā)各種疾病，嚴重干擾城市正常運轉(zhuǎn)（白志鵬等，2006；程從蘭等，2003；劉玉蘭等，2012；宋宇等，2003；吳珂等，2013）。2014年，在湖南省境內(nèi)發(fā)生多次大范圍、 長時間的灰霾天氣，空氣污染嚴重影響人們的生產(chǎn)生活和身體健康。準確研判污染現(xiàn)狀及走勢，開展有效空氣質(zhì)量預(yù)報工作對減少災(zāi)害損失，科學(xué)降霾至關(guān)重要。以2014年6月12～17日在長沙市發(fā)生的一次重污染天氣為例，對其污染特征和氣象條件等進行綜合分析，并通過部門會商，對未來72 h城市環(huán)境空氣質(zhì)量進行預(yù)報。同時，探討灰霾成因，以及其持續(xù)時間與氣象條件的關(guān)系，從而深化對灰霾現(xiàn)象的認識。

2 研究背景

2014年6月，長沙市進入初夏，城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量較好。12日12：00，位于湖南省北部的湖北省武漢市實時AQI迅速升高，18：00左右達到最高值500，污染等級為嚴重污染。22：00，AQI又快速回落至200左右，并維持相對穩(wěn)定，詳見圖1。13日清晨起，我省長沙市的環(huán)境空氣質(zhì)量開始明顯下降，并達到嚴重污染等級，周邊的岳陽、湘潭、株洲均出現(xiàn)中度污染以上天氣。14日開始各地空氣質(zhì)量均恢復(fù)平穩(wěn)，15～17日小幅波動后空氣質(zhì)量恢復(fù)良好，研究鎖定在6月12～17日這個變化周期。

3 資料和方法

根據(jù)PM2.5濃度變化特征，結(jié)合綜合的高低空氣象資料和天氣形勢資料，解釋此次重污染天氣形成、持續(xù)直至結(jié)束的原因，為霾天氣的預(yù)報、預(yù)警提供依據(jù)。本文選取資料時間長度為2014年6月12日0：00至17日23：00；空氣質(zhì)量監(jiān)測資料來源于湖南省長沙市、株洲市、湘潭市、岳陽市、常德市和張家界市已建成的空氣自動監(jiān)測站點。長沙市空氣自動監(jiān)測點位如圖2。

4 結(jié)果與討論

4.1 長沙市環(huán)境空氣質(zhì)量的變化情況和原因分析

長沙市PM2.5質(zhì)量濃度隨時間的推移呈現(xiàn)明顯的“山”字型變化特征（詳見圖3）。12日晚間，受污染氣團影響，PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)快速上升趨勢，于12日22：00開始激增，至13日2：00達到第一個峰值（352 μg/m3），之后略有回落；隨后，可能又受到小股污染氣團的影響，13日清晨PM2.5的質(zhì)量濃度再次上升，于13日7：00達到最高峰（549 μg/m3）；峰值過后PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著

下降趨勢，在13日15：00出現(xiàn)最后第三個峰值（264 μg/m3），16時后，PM2.5質(zhì)量濃度逐步下降，并趨于穩(wěn)定。此次污染過程總體概括共歷經(jīng)四個階段：污染前平穩(wěn)期為12日1：00～22：00，長沙市PM2.5濃度基本保持穩(wěn)定，維持在150 μg/m3上下；污染物累計期為12日22：00～13日7：00，長沙市PM2.5濃度由138 μg/m3迅速上升至549 μg/m3，升幅達259%；污染消退期為13日7：00～14日1：00，PM2.5濃度由496 μg/m3下降至100 μg/m3，降幅達到396%；污染后平穩(wěn)期為14日1：00～15日0：00，PM2.5濃度基本維持在100 μg/m3上下。詳見圖3。

選取長沙市10個城市環(huán)境空氣監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度進行分析。結(jié)果表明，12～14日的72 h內(nèi)，10個監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢具有較好的相似性，即在12日1：00～22：00基本保持穩(wěn)定，濃度在200 μg/m3以下；12日深夜，各點位的PM2.5質(zhì)量濃度開始加快升高，12日23：00～13日6：00為污染物累積階段，PM2.5質(zhì)量濃度波動式上升且均維持在較高水平；到13日晨6：00～7：00，10個監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度均達到峰值。其中，長沙市最北端的沙坪（對照點）位于污染物向南傳輸通道上，首先于13日6：00出現(xiàn)最大峰值392 μg/m3；而位于中南部的其他9個監(jiān)測站點也分別于13日7：00左右達到峰值，濃度范圍在386～602 μg/m3之間。

總體來看，本次長沙市10個空氣質(zhì)量監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度幾乎在同一時間發(fā)生突變（圖4），而本地大氣污染物排放沒有突發(fā)事件發(fā)生足以使全城環(huán)境空氣質(zhì)量嚴重惡化。此外，位于最北端的沙坪站點相對其余9個站點提前了1個 h達到污染峰值，表明了此次大氣污染可能是輸入性的，且具有自北向南的污染傳輸特征。

4.2 周邊城市環(huán)境空氣質(zhì)量的變化情況和原因分析

從長沙市周邊5個城市的PM2.5的質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果看，12日1：00～19：00，都相對平穩(wěn)的變化。但從20：00開始，位于最北部的岳陽市的城市環(huán)境空氣質(zhì)量開始變差，PM2.5質(zhì)量濃度迅速攀升，到13日0：00達到峰值352 μg/m3，且較長沙市出現(xiàn)峰值的時間早了7 h；毗鄰長沙市且位于我市南部的湘潭市與長沙市PM2.5質(zhì)量濃度的變化趨勢基本一致，但由于污染氣團向南推進需要時間，因此PM2.5峰值出現(xiàn)的時間較長沙晚了1 h，于13日8：00達到434 μg/m3的最高值。株洲市整體受此次污染影響較小，12日1：00～13日16：00 PM2.5質(zhì)量濃度一直在100 μg/m3上下小幅波動，13日18：00上升至最大值240 μg/m3，峰值出現(xiàn)的時間較長沙推遲了11 h，且峰值濃度有大幅下降，可能是污染氣團向南推進，速度快，且卷掃范圍比較狹小，向東擴散效果不明顯所致，位于長沙市西部的常德和張家界市由于相同的原因，受影響小，污染相對較輕，詳見圖5。

4.3 污染過程氣象條件分析

根據(jù)衛(wèi)星遙感大氣氣溶膠監(jiān)測產(chǎn)品做出的后向軌跡圖7可知，6月12～13日，污染氣團主要來自北方城市，經(jīng)湖北省傳輸至位于湖南省最北部的岳陽市，受偏北風影響，最早出現(xiàn)PM2.5污染；長沙市和湘潭市境內(nèi)的主導(dǎo)風向仍為偏北風，PM2.5污染趨勢基本同步；而株洲市境內(nèi)呈現(xiàn)南風和北風盤旋對峙局面，南風帶來的清潔氣團與北風攜帶的污染氣團互消互制，因此污染情況較長沙和湘潭市輕，且峰值滯后出現(xiàn)；常德市和張家界市境內(nèi)的主導(dǎo)風向為西風，受污染氣團影響相對較輕（詳見圖6和圖7）。

從13日20：00和14日8：00ECWRF_海平面氣壓圖可以看出（圖8），6月13～14日期間，長沙市高空等壓線稀疏，處在均壓場控制之下，地面和低空風速較小，低層大氣層結(jié)穩(wěn)定，氣象條件不利于污染物的擴散。

4.4 6月15～17日長沙市城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報

4.4.1 預(yù)報研判

在對6月15～17日實況資料分析的基礎(chǔ)上，以14日為基準日，對長沙市未來72 h城市空氣質(zhì)量變化的趨勢進行預(yù)報（圖9）。15日，高空仍為高壓環(huán)流形勢，無明顯降水發(fā)生，地面為均壓場形勢，中高空主導(dǎo)風向為西風，近地面靜風或微風，大氣穩(wěn)定度較高，總體氣象條件較差，不利于污染物的擴散和清除，PM2.5將維持較高水平，長沙市的環(huán)境空氣質(zhì)量以輕至中度污染為主；16日，受高空槽和地面氣旋波影響，偏南風加強，并將迎來一段陰雨天氣，大氣污染擴散條件有所改善，長沙市的環(huán)境空氣質(zhì)量以良至輕度污染為主；17日，高空處于副高邊緣，西南暖濕氣流旺盛，中低層有切變，且有中等陣雨或雷陣雨發(fā)生；地面低壓有所發(fā)展，低層濕度明顯加大，垂直擴散對流加強。因此，從16日起，長沙市的PM2.5質(zhì)量濃度開始逐漸下降；17日，由于出現(xiàn)降雨，PM2.5質(zhì)量濃度迅速降低，污染過程結(jié)束。

4.4.2 預(yù)報結(jié)果的準確性檢驗

根據(jù)對未來3 d的預(yù)報結(jié)果，15～17日長沙市的城市環(huán)境空氣質(zhì)量將逐步改善。預(yù)測15、16和17日3 dAQI等級分別為中度污染、輕度污染和良，中值分別為155、108和87，首要污染物均為PM2.5。實測結(jié)果表明，15、16和17日3天的AQI等級分別為中度污染、輕度污染和良，中值分別為165、110和70，首要污染物均為PM2.5，詳見表1。實測值與預(yù)測值保持較好的一致性，預(yù)報準確率較高。

4.5 本輪大氣重污染特征分析

這次發(fā)生在長沙市的大氣重污染天氣，各方面的證據(jù)表明，是一次典型的自北向南的外源性輸入過程，首要污染物為PM2.5。6月12日夜間，污染氣團抵達湖南省境內(nèi)后，位于最北部的岳陽市的AQI指數(shù)迅速升高，隨后，長沙市的AQI指數(shù)相應(yīng)增高，并達到嚴重污染等級。而污染氣團過境后，AQI指數(shù)應(yīng)聲下降，14日為輕度污染等級。由于后續(xù)的氣象條件比較不利于污染物擴散，15日又經(jīng)過了一個弱升高波動，之后AQI穩(wěn)步下降，到16～17日，長沙市出現(xiàn)大范圍降水，污染過程結(jié)束。本次大氣污染從發(fā)生到結(jié)束共歷時6天。最初來得急、并且污染強度很大，最重污染日空氣質(zhì)量級別達到六級。但污染持續(xù)的時間并不長，污染氣團過境后，空氣質(zhì)量立即回復(fù)到正常水平。長沙市AQI在大氣污染期間的變化情況詳見表2。在污染后期，結(jié)合數(shù)值模型預(yù)報未來72 h的城市環(huán)境空氣質(zhì)量，準確率比較高。判斷大大提高了此次空氣質(zhì)量預(yù)報的準確率，使預(yù)測值更加接近真實值。詳見表2。

5 結(jié)論

（1）6月12～14日，受偏北氣流影響，外源性污染氣團由北向南輸送至長沙市境內(nèi)，導(dǎo)致該市的城市環(huán)境空氣質(zhì)量迅速下降，達到嚴重污染級別。污染前后持續(xù)了6 d。

（2）大氣污染期間，長沙市受較強的海平面高壓和均壓場控制，垂直大氣層結(jié)穩(wěn)定，無風，加上逆溫的出現(xiàn)，不利于污染物的擴散、沉降和消除。在污染過程后期，較強的西南暖濕氣流和降水的出現(xiàn) 使大氣污染得到控制。由此可見，在外源輸入和較強靜穩(wěn)天氣形勢下極易出現(xiàn)重污染天氣，但是強對流和降水的發(fā)生，能有效改善城市的環(huán)境空氣質(zhì)量，起到積極的改善作用。

（3）在污染源排放數(shù)量、位置和強度沒有變化或變化不大的前提下，空氣污染潛勢預(yù)報主要由天氣形勢和氣象參數(shù)決定，預(yù)報準確與否的關(guān)鍵是確定合適的氣象因子。本次污染過程污染源排放基本保持穩(wěn)定，在外源輸入的前提下，高壓、均壓場、逆溫等靜穩(wěn)天氣的準確判斷對未來符合造成強污染的判據(jù)具有重要指示作用，而暖濕氣流、對流及強降水等氣象形勢的準備判斷則對重污染的緩解直至消除起到重要指示作用。

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