湖南一次重污染天氣過程氣象條件及傳輸路徑分析

李 蔚,周益平,楊云蕓,王曉雷

(1.湖南省氣象臺(tái)，長沙 410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長沙 410118； 3.衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421000)

引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和各類資源能源的加速消耗，中國各地特別是人口密集的城市，都遭遇了不同程度的污染天氣問題[1～3]，給人們的生產(chǎn)生活和健康帶來了許多不利的影響[4～6]，伴隨社會(huì)公眾對(duì)美好生活要求的不斷提高，對(duì)大氣污染問題的關(guān)注也日益加強(qiáng)。研究表明，污染物的排放、擴(kuò)散、傳輸、轉(zhuǎn)化和沉降與天氣形勢(shì)及氣象要素等有著非常密切的關(guān)系[7～9]。受氣候背景條件及生活需要等的共同影響，我國北方在秋冬季特別是供暖期的污染明顯高于南方地區(qū)，污染物以顆粒物為主[10～12]。對(duì)當(dāng)?shù)匚廴径?，區(qū)域輸送的貢獻(xiàn)也越來越大[13]。因人口密集程度及影響范圍等因素，學(xué)者對(duì)南方的污染研究也日益深入和廣泛開展[14～17]。當(dāng)下后向軌跡模式被認(rèn)為是在判斷上風(fēng)向源區(qū)對(duì)目標(biāo)地區(qū)是否存在影響的一種行之有效的手段[18]。為了提高重污染天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和預(yù)警提前量，這些基礎(chǔ)研究綜合分析了有利于重污染天氣發(fā)生發(fā)展的天氣形勢(shì)及關(guān)鍵氣象因子，為重污染天氣的防治及應(yīng)急處理提供了理論依據(jù)。由于我國幅員遼闊，地形地貌和氣候的差異，造成了大氣環(huán)流場(chǎng)背景的各不相同，致使影響重污染天氣的時(shí)空分布和污染程度的因子有所不同。

目前針對(duì)湖南地區(qū)的相關(guān)研究也日漸增多，楊云蕓等[19]分析對(duì)比京津冀和長株潭城市群污染的氣象條件異同，周莉等[20]深入分析了長沙一次重污染過程的有利氣象條件及受地形影響容易造成水平擴(kuò)散條件不佳。目前針對(duì)湖南污染研究多集中在單點(diǎn)上，對(duì)同一過程多點(diǎn)研究的較少，在實(shí)際工作中重污染天氣過程的預(yù)報(bào)預(yù)警是氣象工作的難點(diǎn)之一，需不斷進(jìn)行分析研究。因此本文綜合考慮污染程度及影響范圍，選取發(fā)生于2017年2月17～19日，自北向南影響湖南省的一次重污染天氣過程為個(gè)例，分別選取長沙站、衡陽站為湘北、湘南的代表站，通過分析研究代表站點(diǎn)重污染期間的高低層環(huán)流配置情況、動(dòng)力熱力背景條件、各類氣象因子對(duì)污染的影響以及后向軌跡對(duì)污染物進(jìn)行溯源分析及數(shù)值模式檢驗(yàn)分析，探究關(guān)鍵氣象因子及污染物來源對(duì)重污染天氣的具體影響機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料

本文所用環(huán)境資料為湖南省長沙、衡陽國控站和環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的5項(xiàng)大氣污染物(PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2)及AQI監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)采用湖南省氣象局提供的溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等觀測(cè)數(shù)據(jù)，綜合利用上述數(shù)據(jù)等來分析重污染天氣過程期間的大氣邊界層結(jié)構(gòu)、各個(gè)氣象因子以及 AQI的變化特征，深入探究本次影響湖南地區(qū)的重污染天氣過程發(fā)生、發(fā)展的成因。其中氣象數(shù)據(jù)來自湖南省氣象臺(tái)提供的氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來自湖南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的國控站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。湖南的地形地貌的基本輪廓是東、南、西三面環(huán)山，中部山丘隆起，崗、盆珠串，北部平原、湖泊展布，呈朝北開口的不對(duì)稱馬蹄形盆地，有利于污染氣體伴隨冷空氣的輸入。長沙位于中國的中南部的長江以南地區(qū)，湖南的東部偏北，地處洞庭湖平原的南端向湘中丘陵盆地過渡地帶。而衡陽市盆地是湘中盆地群的偏南地帶。

1.2 方法

本文通過軌跡分析及模式檢驗(yàn)，探討本次重污染天氣的來源及預(yù)報(bào)效果。軌跡模式HYSPLIT4是美國NOAA的ARL開發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模式。它不僅能計(jì)算空氣團(tuán)的軌跡，同時(shí)還能模擬各種污染物的擴(kuò)散和沉降。其所用資料是NCAR/NCEP的6 h一次的，水平分辨率為2.5°×2.5°的全球分析資料，其中位勢(shì)高度、溫度、緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)為17 層，垂直速度為12 層，比濕為8 層。由于模擬輸出的軌跡數(shù)量較大，為方便分析從而采用合并彼此靠近的軌跡的方法對(duì)所有軌跡進(jìn)行聚類，每一類作為一簇，并用平均軌跡代表該簇。這種方法稱為聚類分析方法可以確定氣團(tuán)的來源方向、路徑及氣團(tuán)的傳播速度。但為了進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析從而定位出氣團(tuán)的潛在源地，需使用潛在源貢獻(xiàn)因子法(potential source contribution factor analysisis,簡稱PSCF)。該方法假設(shè)若氣團(tuán)后向軌跡在某個(gè)網(wǎng)格中有停留，則該氣團(tuán)會(huì)接收到來自這個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的排放，隨后經(jīng)過氣流的傳輸，貢獻(xiàn)給接受點(diǎn)，從而可以通過氣流軌跡分析來初步識(shí)別接受點(diǎn)空氣污染的源區(qū)[21]。具體計(jì)算公式如下：

其中ni是第i個(gè)網(wǎng)格中所有軌跡的累計(jì)停留時(shí)間；mi是第i個(gè)網(wǎng)格中濃度超過閾值的所有軌跡累計(jì)停留時(shí)間。本文中按《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)中PM2.5達(dá)到重污染級(jí)別的濃度為150μg/m3為閾值。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染實(shí)況分析

統(tǒng)計(jì)分析湖南省2017年2月逐日AQI污染實(shí)況數(shù)據(jù)可知(圖1)，自2月11日開始，湖南省部分地區(qū)出現(xiàn)輕度污染天氣，其中17日湘北地區(qū)較之湘南地區(qū)嚴(yán)重，18日湘中及以南地區(qū)出現(xiàn)重度污染天氣，而湘北地區(qū)為輕到中度污染，可以看出污染發(fā)展從湘北開始并向南移動(dòng)和累積的趨勢(shì)，且在湘中以南區(qū)域累積程度較嚴(yán)重，19日之后全省污染天氣逐漸緩解。對(duì)比分析長沙、衡陽2月11日至19日各污染物的逐小時(shí)變化顯示(圖2、圖3)，長沙自2月11日21:00始，出現(xiàn)輕度—中度污染天氣；16日白天至17日早晨，污染物濃度開始下降，PM2.5最小值為44.2μg/m3；17日10:00開始，污染物濃度開始迅速增加，14:00達(dá)最高值285 μg/m3，重度污染天氣維持至當(dāng)日18:00。從AQI、PM10和PM2.5的日變化來看，11至16日峰值均出現(xiàn)在00:00前后，而17日的峰值在午后。衡陽2月11日20:00始，維持輕度—重度污染天氣。12日衡陽出現(xiàn)了短時(shí)重度污染，這可能與湘南地區(qū)存在地面風(fēng)速輻合線，有利于污染物的向南輸送及在南部積累有關(guān)。17日傍晚至夜間污染濃度出現(xiàn)爆發(fā)性增長(PM2.5濃度為57.5μg/m3)，21:00 PM2.5濃度達(dá)到峰值292μg/m3，重度污染天氣維持至18日00:00，直至19日19:00重污染天氣消除。

圖1 2017年2月15～20日全省空氣質(zhì)量等級(jí)與PM2.5濃度城市均值站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of urban mean stations of air quality grade and PM2.5 concentration in the Hunan province from February 15 to 20 in 2017

圖2 2017年2月11～19日長沙市AQI、PM2.5、PM10(a)和O3、SO2、NO2(b)質(zhì)量濃度變化曲線Fig.2 Variation curve of mass concentrations of AQI、PM2.5、PM10(a)and O3、SO2、 NO2(b) in Changsha from February 11 to 19 in 2017

2.2 氣象條件分析

2.2.1 污染期間環(huán)流背景

由湖南省2017年2月污染期間500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)圖(圖4)分析可知，歐亞大陸中高緯地區(qū)呈“兩槽一脊”的大氣環(huán)流形勢(shì)，強(qiáng)度較強(qiáng)的槽位于烏拉爾山至里海一帶，強(qiáng)度較弱的槽位于日本以東的太平洋洋面。中緯度西風(fēng)帶地區(qū)的環(huán)流則較平直，經(jīng)向度有所減弱，華南地區(qū)等壓線稀疏，氣壓梯度力小，有利于湖南及上游地區(qū)大氣層結(jié)保持穩(wěn)定，造成污染物擴(kuò)散條件差，利于污染物的積累。高壓脊控制了中國的大部分區(qū)域，冷空氣活動(dòng)及強(qiáng)度均受到抑制。污染期間，中國中東部500 hPa處在西風(fēng)帶較為平直的緯向環(huán)流控制中，槽脊穩(wěn)定少動(dòng)，冷高壓主體位于貝加爾湖以西地區(qū)，冷空氣強(qiáng)度和地面風(fēng)力均較弱，湖南位于地面冷高壓后部的均壓場(chǎng)中，等值線稀疏，氣壓梯度力小，造成近地面風(fēng)速較小，這樣的高低空配置不利于污染物的擴(kuò)散。在水汽條件上，湖南處于孟加拉灣上空的南支槽前，中低層存在西南方向的水汽輸送帶，水汽源源不斷的輸送使得地面相對(duì)濕度不斷升高，有利于污染物的吸濕增長，使得污染程度不斷加強(qiáng)。2月16～19日白天，高空有小波動(dòng)過境，由平直環(huán)流轉(zhuǎn)為弱脊控制，有利于污染前期水汽的輸送。2月19日20:00隨著位于中國華南地區(qū)的南支槽東移南下，地面冷高壓加強(qiáng)使得氣壓梯度增強(qiáng)，地面風(fēng)速加大，污染物水平擴(kuò)算能力加強(qiáng)，造成AQI迅速下降。

2.2.2 地面氣象要素特征

由2017年2月17～19日長沙和衡陽PM2.5濃度、地面能見度、風(fēng)速、氣溫和相對(duì)濕度等的逐小時(shí)變化趨勢(shì)圖可知(圖5)，2月17日PM2.5峰值時(shí)段與地面能見度、氣溫的谷值對(duì)應(yīng)，但與相對(duì)濕度的峰值不對(duì)應(yīng)。PM2.5峰值與相對(duì)濕度峰值的不對(duì)應(yīng)，說明污染物的吸濕增長是一個(gè)持續(xù)累積的過程。18日溫度日較差(一天中氣溫最高值與最低值之差)較小，平均風(fēng)速為1.7m/s，地面相對(duì)濕度日變化振幅較小，但也一直大于60%，高濕的環(huán)境促進(jìn)了顆粒物吸濕增長，導(dǎo)致能見度維持在5 km以內(nèi)。19日湖南省處于高壓后部，受西南暖低壓的影響，地面轉(zhuǎn)南風(fēng)控制，氣溫快速上升，最高氣溫達(dá)31.5℃，相對(duì)濕度下降至50%左右，同時(shí)風(fēng)速較18日增強(qiáng)?？梢姖穸鹊慕档鸵欢ǔ潭壬弦种屏思?xì)顆粒物吸濕增長，風(fēng)速加大和氣溫快速升高促使空氣水平運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)和空氣上升運(yùn)動(dòng)加速，加速了污染物的迅速消散，使得地面能見度增大。從長沙和衡陽的氣象要素對(duì)比分析可知，兩地的相對(duì)濕度和氣溫具有同步變化特征，且數(shù)值相差不明顯。長沙的能見度在17日早于衡陽4h出現(xiàn)下降，自17日12：00至19日10:00衡陽能見度略低于長沙，這與PM2.5的濃度衡陽高于長沙相對(duì)應(yīng)，與衡陽風(fēng)速低于長沙時(shí)段一致?？梢?，風(fēng)速是此次污染物濃度變化的關(guān)鍵氣象因子之一。結(jié)合污染物、風(fēng)速和地形綜合分析來看，PM2.5濃度的峰值17日長沙首先出現(xiàn)污染物陡增的情況較衡陽提前8小時(shí)，且在湘中一帶有地面風(fēng)速輻合線的存在，不利于污染物的水平擴(kuò)散。結(jié)合地形分析，此次過程有較明顯的傳輸特征。

圖5 2017年2月17～19日長沙(實(shí)線)和衡陽(虛線)PM2.5濃度(a)、 相對(duì)濕度(b)、氣溫(c)、能見度(d)、風(fēng)速(e)時(shí)序圖Fig.5 The hourly variation of PM2.5 (a)、relative humidity(b)、temperature(c)、visibility(d) and wind speed(e) in Changsha(the black solid line) and Hengyang(the blue dashed line) from 17 to 19 in February 2017

2.2.3 動(dòng)力條件分析

從污染發(fā)展的初始至結(jié)束時(shí)期長沙市和衡陽市上空氣象要素時(shí)間-空間演變特征可知，重污染發(fā)生時(shí)期(17日20：00至19日20:00)，長沙和衡陽上空相對(duì)濕度呈上干下濕分布，800hPa以下相對(duì)濕度均在80%以上。衡陽上空800 hPa以下為風(fēng)速<2m/s偏北風(fēng)，與之不同的是長沙900 hPa以下風(fēng)速大于衡陽，且風(fēng)速大部分>8m/s，18日20:00開始，長沙低層大氣出現(xiàn)由北風(fēng)切變成南風(fēng)，且南風(fēng)風(fēng)速顯著增強(qiáng)達(dá)16m/s，而衡陽低層大氣切變自19日08:00開始，這與污染消散時(shí)段相吻合。由圖6可知長沙重污染前期，700hPa以上為弱下沉氣流，以下主要為上升運(yùn)動(dòng)，中心大于0.7m/s，17日20:00開始，呈現(xiàn)相反的特征，700hPa以下以下沉氣流為主，上層為上升氣流為主，這有利于上下層氣流交換，不利于污染物在低層的累積。與之不同的是，衡陽污染前后，整層大氣均為弱下沉氣流為主，有利于污染物在近地層集聚。

綜上可知，衡陽市氣象環(huán)境場(chǎng)中存在的中低層小風(fēng)速、高濕氣流等條件有利于污染物吸濕增長和氣溶膠二次反應(yīng)，提高了污染物凝結(jié)核的濃度，并且配合中低層的下沉氣流導(dǎo)致污染物在近地面不斷累積，造成了污染天氣較之長沙嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間較長(見圖6)。

圖6 2017年2月15日08:00(北京時(shí))至19日20:00(北京時(shí))長沙(a)和 衡陽(b)上空垂直速度時(shí)間剖面圖(單位：10-1Pa/s)Fig.6 Time-height section of vertical velocity (Unit: 10-1Pa/s) in Changsha(a) and Hengyang(b) from 15 February 2017 08:00 to 19 February 2017 20:00(CST)

從污染發(fā)展的初始至結(jié)束前期的湖南地區(qū)近地面相對(duì)濕度變化圖(圖7)可以得知，17日至19日近地面濕度變主要是白天增大，夜間減小。污染大值區(qū)主要位于湘東、湘南地區(qū)，相對(duì)濕度變化區(qū)間為50%～70%之間。17日湘東出現(xiàn)污染時(shí)(圖7a、圖7b)，相對(duì)濕度約為80%左右，當(dāng)18日湘南污染加重的時(shí)期(圖7c、圖7d)對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度的增加，達(dá)到85%左右。19日污染白天維持夜晚開始下降時(shí)，相對(duì)濕度迅速減小(圖7e、圖7f)，不利于污染物的吸濕增長和二次生成，使得AQI明顯下降。

圖7 2017年2月17～19日全省08:00、20:00地面相對(duì)濕度變化圖(a～f)Fig.7 Change chart of relative ground humidity in the Hunan province at 08:00 and 20:00 on February 17 to 19 in 2017(a-f)

2.3 污染源后向軌跡聚類分析

應(yīng)用軌跡模式HYSPLIT4模擬2017年2月17日至19日本次過程中代表站點(diǎn)的后向軌跡，垂直方向上選取500 m高度作為模擬的初始高度，模擬的起始站點(diǎn)分別為長沙和衡陽站，模擬其后向追蹤3 d的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖8。

圖8 2017年2月17日至20日長沙(a)和衡陽(b)后向軌跡結(jié)果Fig.8 The backward trajectory results of Changsha(left) and Hengyang(right) from 17 to 20 February 2017

再經(jīng)過聚類和PSCF分析分別得出長沙(圖9 A1和表1)和衡陽(圖9B1和表2)的分析結(jié)果如下。由圖9A1和表1和可以看出長沙主要為本地氣團(tuán)軌跡1影響時(shí)，重污染出現(xiàn)概率達(dá)到46.15%，重污染軌跡濃度達(dá)到209.73 mg/m3，從而該氣團(tuán)影響時(shí)，長沙污染較重，而北方氣團(tuán)3和南風(fēng)氣團(tuán)2主要以清除效果為主，未出現(xiàn)重污染軌跡。從整個(gè)過程來看長沙以短時(shí)重污染為主，未出現(xiàn)持續(xù)污染天氣。而衡陽由圖9B1和表2可以看出，除軌跡3以外，其他軌跡出現(xiàn)重污染的概率均大于70%，其中軌跡1和軌跡2達(dá)到了100%?？梢缘贸鲕壽E3為冷空氣風(fēng)速加大以擴(kuò)散為主外，其他較弱北風(fēng)和本地氣團(tuán)都有利于污染狀況的加重，此次過程衡陽是本地靜穩(wěn)天氣疊加上游外來源造成的重污染天氣過程。從潛在源PSCF分析來看，長沙(圖9A2)未有高PSCF值出現(xiàn)，衡陽(圖9B2)的高PSCF值主要分布在湘東、湘東南、湘北及河南東南部、湖北東部中部的區(qū)域?yàn)橹?，外來影響和本地因素程度差不多?/p>

圖9 2017年2月17日至20日后向軌跡聚類(長沙A1、衡陽B1)及污染物PSCF(長沙A2、衡陽B2)分析結(jié)果Fig.9 The backward trajectory cluster results(ChangshaA1、HengyangB1) and pollutant PSCF>((ChangshaA2、HengyangB2) of Hengyang from 17 to 20 February 2017

表1 2017年2月17日至20日長沙聚類分析結(jié)果Tab.1 The cluster analysis of Changsha from 17 to 20 February 2017

表2 2017年2月17日至20日衡陽聚類分析結(jié)果Tab.2 The cluster analysis of Hengyang from 17 to 20 February 2017

3 結(jié) 論

3.1 湖南地區(qū)2017年2月17～19日一次重污染天氣過程的首要污染物為PM2.5，高空無明顯槽脊活動(dòng)，地面為均壓場(chǎng)。長沙和衡陽兩地的相對(duì)濕度和氣溫具有同步變化特征，且數(shù)值相差不明顯。

3.2 衡陽上空800hPa以下為偏北風(fēng)，且大部分時(shí)段風(fēng)速<2 m/s，與之不同的是長沙900 hPa以下風(fēng)速大于衡陽，且風(fēng)速普遍>8 m/s。長沙和衡陽上空中低層為水汽輻散區(qū)。長沙700 hPa以下以下沉氣流為主，上層以上升氣流為主，有利于上下層氣流交換，不利于污染在低層的累積。與之不同的是衡陽在污染前后，整層大氣均以弱下沉氣流為主，有利于污染在近地層集聚。

3.3 后向軌跡表明，此次過程衡陽是本地靜穩(wěn)天氣的污染積累疊加上游外來源造成的重污染天氣過程。冷空氣達(dá)到湘中以南區(qū)域強(qiáng)度減弱，外來源和本地源在衡陽區(qū)域積累。長沙由于北風(fēng)較強(qiáng)，擴(kuò)散條件較好，未出現(xiàn)持續(xù)的重污染天氣。

3.4 由于資料的原因，本文研究主要以天氣形勢(shì)分析為主，缺乏對(duì)污染物的組份監(jiān)測(cè)和立體監(jiān)測(cè)的分析，以及氣象條件對(duì)污染物的影響的進(jìn)一步分析。下一步將利用組份監(jiān)測(cè)和立體監(jiān)測(cè)資料結(jié)合數(shù)值模式開展氣象條件對(duì)大氣化學(xué)過程、吸濕增長等污染濃度上漲的關(guān)鍵點(diǎn)的研究。研究結(jié)論以期為湖南大氣污染預(yù)警體系建設(shè)和大氣污染防治事業(yè)提供科學(xué)參考。