長(zhǎng)株潭大氣重污染的成因分型和冷空氣侵入型路徑

李細(xì)生 ，陳 媛，張克非，易 飛，張 華，鄧新林

(1.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410118；2.株洲市氣象局，湖南 株洲 412003)

引 言

大氣重污染是指AQI(Air Quality Index)指數(shù)達(dá)200以上的天氣[1]，研究表明[2]重污染天氣嚴(yán)重影響人體健康和動(dòng)植物生長(zhǎng)，引發(fā)人類各種呼吸道疾病與生理機(jī)能障礙。黨的十九屆五中全會(huì)審議通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》提出基本消除重污染天氣。為達(dá)此目標(biāo)，研究重污染天氣的成因并掌握其規(guī)律十分關(guān)鍵。2+26城的集中攻關(guān)研究結(jié)果表明重污染天氣的形成跟排放、不利的氣象條件和區(qū)域傳輸?shù)热齻€(gè)方面有關(guān)[3～6]，其中超環(huán)境容量的排放是主因和內(nèi)因，不利的氣象條件是誘因[7]。形成重污染的這三個(gè)因素中，排放因素通常是可預(yù)測(cè)或人為控制的，如節(jié)日焰火等，而區(qū)域傳輸也是需要合適的氣象條件，比如一致性的輸送氣流，因此，只要準(zhǔn)確掌握形成大氣重污染的氣象條件和傳輸條件，大多數(shù)重污染事件就具有可預(yù)報(bào)性。西安重污染氣象條件的分析[8]表明：嚴(yán)重污染與非污染時(shí)段氣象條件差異明顯。北京區(qū)域重污染與天氣形勢(shì)之間的關(guān)系研究[9]顯示，根據(jù)地面天氣形勢(shì)差異，對(duì)北京地區(qū)持續(xù)重污染過程分類，結(jié)果為：3類，分別是被高壓、低壓、均壓控制，各類型發(fā)生的頻次分別占總類型的47.3%、18.2%、34.5%。長(zhǎng)江中游城市武漢的重污染天氣形勢(shì)與北方城市相比差別較大，李明[10]的研究發(fā)現(xiàn)：武漢的重污染天氣形勢(shì)分為冷空氣入侵、靜穩(wěn)天氣兩種類型。長(zhǎng)株潭作為長(zhǎng)江以南中國中部地區(qū)重要的城市群，每年特護(hù)期(10月16日至次年3月15日)的空氣污染防治形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻[11～13]，重污染頻率仍有5.83次/年，盡管經(jīng)過多年治理，取得一些改善，但目前也進(jìn)入了深水區(qū)，各項(xiàng)工作向前推進(jìn)的難度在加大[14-15]?；诖?，研究并弄清長(zhǎng)株潭大氣重污染的成因并掌握其特點(diǎn)，可顯著提高該地環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警水平和準(zhǔn)確率，為進(jìn)一步做好湖南重污染應(yīng)對(duì)工作、盡可能消除重污染天氣提供科學(xué)依據(jù)。

本文統(tǒng)計(jì)了2014～2019年長(zhǎng)株潭三市的環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)日數(shù)據(jù)和小時(shí)數(shù)據(jù)，定義三市中任意一市或以上有1 d或以上AQI指數(shù)大于200即為一次重污染過程，在連續(xù)性過程中如果三市全部轉(zhuǎn)為中度或以下有1 d或以上，即分算兩次過程。如此六年中總共有重污染過程35次。根據(jù)這些重污染天氣的形成原因，將其分為冷空氣侵入型(74.3%)、節(jié)日鞭炮燃放型(17.1%)、高空干槽型(5.7%)和靜穩(wěn)型(2.9%)等四個(gè)類型。分析表明長(zhǎng)株潭絕大部分重污染過程因冷空氣入侵所致(74.3%)，本文針對(duì)典型冷空氣個(gè)例討論重污染天氣形成的氣象機(jī)理，探討空氣的動(dòng)力、熱力及水汽變化在重污染形成中的作用，分析不同冷空氣路徑下空氣污染的特征，指出重污染形成的四類典型路徑即西路、北路、東路和復(fù)合路，最后利用Meteoinfo計(jì)算了2014～2019年12月和1月長(zhǎng)沙站的后向軌跡并聚類，輸入同時(shí)期的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行濃度權(quán)重軌跡(CWT)分析，證實(shí)前文將湖南因冷空氣導(dǎo)致的重污染路徑分為西路、北路、東路和復(fù)合路徑是合理的。

1 資料與方法

本文所用氣象資料來源于氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)MICAPS4，環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源于長(zhǎng)株潭環(huán)境監(jiān)測(cè)國控站點(diǎn)，部分濃度數(shù)據(jù)來源于PM2.5真氣網(wǎng)(https：//www.aqistudy.cn/)即空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)，后向軌跡模式采用由NCEP為研究空氣軌跡和大氣擴(kuò)散而同化模擬的GDAS氣象資料，下載地址：ftp：//arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1，后向軌跡聚類、濃度權(quán)重軌跡分析法(CWT)來自于氣科院MeteoinfoMap軟件中的TrajStat模塊。

2 結(jié)果分析

長(zhǎng)株潭的重污染過程，除每年春節(jié)出現(xiàn)的重污染與本地?zé)熁ū夼诩信欧胖苯酉嚓P(guān)外，其余大部分過程與氣象因素的變化有關(guān)，如濕度增加、風(fēng)向的改變(南風(fēng)轉(zhuǎn)北風(fēng))均可能誘發(fā)重污染天氣。從導(dǎo)致這些氣象要素改變的影響天氣系統(tǒng)來看，冷空氣排首位，其次是高空干槽，靜穩(wěn)型出現(xiàn)次數(shù)較少。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表1)。

表1 長(zhǎng)株潭重污染天氣成因分型Tab.1 Classification of causes of heavy pollution weather in Chang Zhu Tan

總共35次(50 d)重污染過程中，有6次為集中排放(春節(jié)因素)，占17.1%，每年春節(jié)皆因初一前后集中燃放煙花鞭炮，造成重污染，平均最高日AQI指數(shù)達(dá)276，小時(shí)AQI指數(shù)可達(dá)500；有26次為冷空氣影響，占74.3%；有2次為高空干槽影響，占5.7%；1次為靜穩(wěn)天氣型，占2.9%。從出現(xiàn)頻次來看，冷空氣侵入型>節(jié)日鞭炮燃放型 >高空干槽型>靜穩(wěn)型，如以最高平均AQI指數(shù)大小來判斷污染程度，則是節(jié)日鞭炮燃放型>冷空氣侵入型>高空干槽型>靜穩(wěn)型。下面就以出現(xiàn)頻次為順序?qū)@四個(gè)類型逐一分析：

2.1 冷空氣導(dǎo)致型(74.3%)

據(jù)統(tǒng)計(jì)[16]，影響湖南的冷空氣頻率約為15.5次/年(232/15)，而長(zhǎng)株潭重污染的頻率約為5.8次/年(35/6)，由冷空氣導(dǎo)致的重污染4.3次/年(26/6)，即大部分冷空氣過程不會(huì)導(dǎo)致重污染，但絕大多數(shù)重污染過程與冷空氣活動(dòng)有關(guān)(74.1%)，這些冷空氣有強(qiáng)有弱，有些弱的冷空氣在氣壓場(chǎng)上看不到升壓，甚至3h變壓或24h變壓為負(fù)，只在地面風(fēng)場(chǎng)上由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，但往往就是這種不受天氣預(yù)報(bào)重視的弱的冷空氣，常常能導(dǎo)致非常嚴(yán)重的空氣污染過程；冷空氣有干也有濕，大部分為干冷空氣(無有效降雨)，其中有少數(shù)(2～3次)為濕冷空氣影響，有降雨(大于0.5mm/d)同時(shí)也有重污染。據(jù)分析，冷空氣誘發(fā)重污染的物理機(jī)制主要有三個(gè)方面：一、動(dòng)力作用：因風(fēng)力增大，沉落在地表的塵土在誘導(dǎo)空氣流的帶動(dòng)下進(jìn)入大氣，造成環(huán)境空氣中懸浮顆粒物增多，此外，一致性的風(fēng)力可將高污染區(qū)域的顆粒物向下游輸送，在重污染過程中，上游輸入是造成本地顆粒物增加的主要原因，其貢獻(xiàn)有時(shí)可占70%以上[17]；二、熱力作用：淺薄弱冷空氣氣層的入侵可改變近地面大氣層結(jié)特性，使接近地面的下層降溫，而上層升溫或不變，形成氣溫下低上高的逆溫結(jié)構(gòu)，增加大氣垂直方向的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致氣流垂直交換減少，下層污染物不易往上擴(kuò)散；三、增加相對(duì)濕度：當(dāng)空氣中的絕對(duì)水汽含量不變時(shí)，溫度下降可導(dǎo)致相對(duì)濕度的增加，已有研究表明[18～20]，相對(duì)濕度增加會(huì)促進(jìn)氣溶膠非均相反應(yīng)，加速氣態(tài)前體物向顆粒物轉(zhuǎn)化，形成更多的二次氣溶膠。

圖1 株洲站2017年2月16～20日AQI與相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速的變化Fig.1 Changes of AQI，relative humidity，wind direction and wind speed in Zhuzhou Railway Station from February 16 to 20，2017

冷空氣影響個(gè)例：2017年2月17～19日的重污染過程，本次過程中，重污染的形成明顯與冷空氣活動(dòng)有關(guān)，單站風(fēng)向的變化與AQI重污染時(shí)段吻合較好(圖1)，而且有3h的提前量。17日14時(shí)冷鋒過境株洲站，地面由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，2h后AQI達(dá)峰值330，至18日20時(shí)一直由偏北風(fēng)控制(圖1中紅框內(nèi))，AQI維持在200左右，可見在冷鋒過境后，氣團(tuán)性質(zhì)由暖氣團(tuán)轉(zhuǎn)為冷氣團(tuán)是誘發(fā)AQI指數(shù)上升的可能原因。為便于分析冷空氣入侵導(dǎo)致的PM2.5濃度增量，繪出本次過程中岳陽-長(zhǎng)沙-株洲三城市的PM2.5濃度隨時(shí)間變化曲線(圖2)。三城市地理位置自北向南分布，冷空氣首先影響岳陽，然后到達(dá)長(zhǎng)沙，最后影響株洲。PM2.5濃度時(shí)序圖上，三城市的濃度變化曲線出現(xiàn)較明顯的時(shí)序性，岳陽的PM2.5濃度17日13時(shí)到達(dá)峰值189μg/m3，6h增量134μg/m3；長(zhǎng)沙濃度的達(dá)峰時(shí)間為14時(shí)，延時(shí)1h，最大濃度為280μg/m3，6h增量222μg/m3；株洲的達(dá)峰時(shí)間為16時(shí)，延后2h，峰值282μg/m3，6h增量172μg/m3。這種明顯的時(shí)序性表明污染物濃度的上升與冷空氣活動(dòng)高度相關(guān)，而且冷鋒過境后PM2.5濃度增加明顯，長(zhǎng)株潭地區(qū)因?yàn)榛A(chǔ)數(shù)據(jù)較高，增量比上游城市岳陽更顯著。

圖2 岳陽、長(zhǎng)沙、株洲三城市PM2.5濃度隨時(shí)間變化Fig.2 PM2.5 concentration variation with time in Yueyang，Changsha and Zhuzhou

圖3 地面冷鋒與重污染區(qū)Fig.3 Surface cold front and heavily polluted area

水平空間上，在地面天氣圖上疊加同時(shí)間的重污染區(qū)(圖3)，圖中橘黃色重污染區(qū)跟隨冷鋒往南運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槭歉衫淇諝?，無降雨沉降，17日08時(shí)，鋒后的重污染區(qū)范圍較大，形狀上呈東西向鍥形，西邊華中部分較為寬廣，東部的華東部分較為狹長(zhǎng)，此時(shí)冷鋒已越過長(zhǎng)江，而重污染區(qū)仍在江北。至20時(shí)，隨著冷空氣進(jìn)一步向南擴(kuò)散，冷鋒繼續(xù)往南發(fā)展，冷鋒的西邊部分已到達(dá)湘南，而重污染區(qū)隨之控制長(zhǎng)株潭地區(qū)，冷鋒東部也繼續(xù)向南影響浙南和贛北，因長(zhǎng)江口附近出現(xiàn)降雨，東部的重污染區(qū)開始向西收縮存在于贛北。本次過程中重污染生成階段其區(qū)域出現(xiàn)于鋒后，隨著冷高壓主體進(jìn)一步南下而消失，表明它的形成跟冷空氣活動(dòng)關(guān)系密切。2月18日08時(shí)，重污染維持階段，垂直方向分析長(zhǎng)沙黃花站氣象探空?qǐng)D(圖4)，925百帕以下有淺薄冷空氣南下入侵，此高度附近逆溫特征明顯，逆溫層離地高度0.6～1.4km，厚度為0.8km，強(qiáng)度為0.75℃/100m，此逆溫層的存在不利于污染物的垂直擴(kuò)散，易導(dǎo)致重污染天氣。

結(jié)合歷史天氣圖和空氣質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)株潭的26次冷空氣導(dǎo)致型重污染分析：

(1)與冷空氣的路徑、強(qiáng)度和干濕狀況密切相關(guān)

據(jù)1966年以來的氣象資料，專家總結(jié)[16]進(jìn)入湖南的冷空氣路徑通常有三條：西路(頻率15.2%)、北路(頻率60.2%)和東路(24.6%)。西路冷鋒坡度大，移速快，在河套及河套西部堆積，越過秦嶺后呈東北-西南向往東南方移動(dòng)，由湘西北的桑植、保靖、石門進(jìn)入湖南省，天氣特點(diǎn)是鋒后雨區(qū)狹窄，西北風(fēng)風(fēng)力較大而風(fēng)雨影響時(shí)間較短，一般10h左右天氣轉(zhuǎn)晴。由于西路冷空氣來去快、風(fēng)力大的特點(diǎn)，通常不易產(chǎn)生重污染天氣，但并非完全沒有，統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)有2次重污染即由西路弱冷空氣所致，占7.7%(2/26)；北路冷空氣出現(xiàn)頻率高，常在河套東部堆積停留，此處有高污染城市如西安、太原、石家莊、鄭州等，堆積到達(dá)一定強(qiáng)度后冷鋒呈東西向往南移動(dòng)，從長(zhǎng)江中游由湘北的澧縣、津市進(jìn)入湖南。北路冷空氣出現(xiàn)次數(shù)多，頻率高，強(qiáng)度上有強(qiáng)有弱，伴隨天氣復(fù)雜，較強(qiáng)的冷空氣常帶來大風(fēng)、降溫、寒潮、暴雪和雨凇等災(zāi)害性天氣。就重污染預(yù)警而言，此路徑下的重污染過程次數(shù)最多，達(dá)16次，占61.5%，需特別關(guān)注強(qiáng)度中等偏弱(冷高壓中心強(qiáng)度1030～1045hPa)、鋒后無雨區(qū)伴隨的干冷空氣；東路冷空氣路徑偏東(比如前文分析的2017年2月17日過程)，越過40oN后，在黃河下游停留堆積，此處高污染城市眾多，污染風(fēng)險(xiǎn)較大，然后侵入江淮地區(qū)，再向西南方向移動(dòng)，先影響合肥、南京，然后由長(zhǎng)江河谷倒灌武漢，經(jīng)由湘東北的岳陽進(jìn)入湖南，少數(shù)時(shí)候也可由鄱陽湖平原經(jīng)南昌由萍鄉(xiāng)進(jìn)入湖南。此路徑下的冷空氣特點(diǎn)是：強(qiáng)度較弱，移速較慢，影響時(shí)間長(zhǎng)，常在南嶺準(zhǔn)靜止而造成湖南持續(xù)性低溫陰雨和雨凇天氣。統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，東路冷空氣帶來的重污染過程有5次，占19.2%，因東路冷空氣移動(dòng)路徑的反“L”型特征(圖5c)，常將華北和華東的污染物向南、向西輸送影響華中地區(qū)，預(yù)報(bào)時(shí)需注意華東和華中有無雨區(qū)伴隨，雨區(qū)的強(qiáng)度與范圍大小，以及數(shù)值模式對(duì)本地未來的降雨量預(yù)報(bào)。

圖4 2017年2月18日08時(shí)長(zhǎng)沙黃花站氣象探空曲線Fig.4 Meteorological sounding curve of Changsha Huanghua Station at 08：00 on February 18，2017

此外，連續(xù)數(shù)日的持續(xù)性重污染過程通常是由多股弱冷空氣補(bǔ)充南下所造成的，這些后期補(bǔ)充下來的冷空氣路徑有時(shí)與開始時(shí)的路徑一致，有時(shí)，隨著中高緯冷高壓中心主體的東移，冷空氣南下的路徑也隨之東移，由北路轉(zhuǎn)為東路。統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)最嚴(yán)重、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的3次重污染過程即由復(fù)合路徑(北路和東路)下冷空氣影響所致。

(2)重污染形成有四類典型路徑

在湖南冬季，約1/3～1/4的冷空氣可導(dǎo)致重污染，能否導(dǎo)致重污染的一個(gè)重要判別指標(biāo)是看冷空氣侵入沿線城市是否有重污染現(xiàn)象與之配合，這類重污染常通常具有較顯著的上下游效應(yīng)，上游城市的空氣質(zhì)量實(shí)況變化對(duì)下游城市的重污染預(yù)報(bào)、預(yù)警至關(guān)重要。據(jù)近六年的環(huán)境觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，重污染形成通常有四類較為典型的路徑：西路、北路、東路和復(fù)合路徑(圖5)，其中西路、北路和東路與冷空氣活動(dòng)的路徑高度重合。較典型的西路重污染路徑通常是西安-漢中-達(dá)州-恩施-張家界-長(zhǎng)株潭，北路為鄭州-南陽-襄陽-荊州-常德-長(zhǎng)株潭，東路為濟(jì)南-合肥-武漢-南昌-岳陽-萍鄉(xiāng)-長(zhǎng)株潭，復(fù)合路徑較為多見的是北路與東路先后或交替出現(xiàn)，對(duì)于此復(fù)雜路徑下的重污染需根據(jù)天氣形勢(shì)的演變及時(shí)調(diào)整關(guān)注線路。

(3)本地前期污染累積是形成重污染的基礎(chǔ)

重污染天氣常常是各種因素疊加的結(jié)果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)株潭所有的過程在重污染出現(xiàn)的前一天就已經(jīng)達(dá)到輕度或中度污染(100%)，表明污染物并非全部來源于外地輸送，本地前期污染累積是形成重污染的基礎(chǔ)。此外，冬半年冷空氣入侵時(shí)常常伴隨有氣溫下降，降溫情況下各地能源使用量會(huì)明顯增加，從而造成部分大氣污染物排放量的增加。這也可能是冷空氣導(dǎo)致重污染的原因之一。

2.2 節(jié)日鞭炮燃放型(17.1%)

在長(zhǎng)株潭地區(qū)，目前基本已無大規(guī)模排放污染的企業(yè)，因此本文所述的集中排放主要指重大慶典、重要節(jié)日的煙花鞭炮燃放行為，其中春節(jié)是中國最盛大的一個(gè)古老傳統(tǒng)節(jié)日，人們過年離不開喜慶的爆竹煙花。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014～2019年每年春節(jié)都有因煙花鞭炮的燃放而導(dǎo)致重污染的現(xiàn)象，表2為這6年春節(jié)株洲AQI及各單項(xiàng)濃度峰值。

表2 株洲2014～2019年春節(jié)AQI及單項(xiàng)小時(shí)濃度峰值Tab.2 Spring festival AQI and single hourly concentration peak in Zhuzhou from 2014 to 2019

春節(jié)期間的重污染基本每年出現(xiàn)，時(shí)間長(zhǎng)短不一，究其原因，主要受鞭炮燃放影響明顯，總結(jié)一下還有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)峰值時(shí)間一般出現(xiàn)在大年初一的0～9時(shí)；

(2)首污一般為PM2.5，但PM10、SO2亦同步升高；

(3)如前期久晴無雨，且天氣靜穩(wěn)，或恰好有干冷空氣影響，則污染嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，反之則輕且時(shí)間短；

2.3 高空干槽型(5.7%)

高空干槽型過程占比較小，在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)共出現(xiàn)了2次，分別是2014年2月23日和2015年1月9日，且污染程度較輕，日AQI分別為236、216，時(shí)間較短(1d)。較典型的形勢(shì)是：前期天氣靜穩(wěn)，基礎(chǔ)AQI為輕-中度污染(100～200)，500hPa槽線位于四川南部，強(qiáng)度較弱且長(zhǎng)度較短，移速較快，700hPa槽線位置與500hPa基本重疊，但相對(duì)深且長(zhǎng)，南部槽底到達(dá)云南邊境。高空天氣形勢(shì)如下圖所示(圖6)。

圖6 干槽型高空天氣形勢(shì)(2014年2月23日08時(shí))Fig.6 Dry trough type upper air weather situation (at 08：00 on February 23，2014)

地面形勢(shì)為高壓底后部，無明顯冷空氣活動(dòng)。此類過程不似冷空氣過程，有動(dòng)力作用和熱力作用，僅僅因?yàn)楦呖沼械筒蹡|移導(dǎo)致云量增加、濕度上升等天氣要素的改變，而濕度上升在某種特定情形下可導(dǎo)致污染顆粒物的吸濕增長(zhǎng)和二次生成，造成重污染天氣。

2.4 靜穩(wěn)型(2.9%)

本類過程只出現(xiàn)1次(2016年12月8日)，占比非常小，污染程度較輕(AQI：213)，污染時(shí)間短(11h)，主要特點(diǎn)是：前期12月1日以來連續(xù)8d無有效降雨，空氣質(zhì)量為輕度或中度污染；地面為變性冷高壓控制，北方無冷空氣活動(dòng)，江南、華南等壓線稀疏，長(zhǎng)株潭處于均壓場(chǎng)或鞍型場(chǎng)之中；8日08～20時(shí)風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，風(fēng)力較弱(≤2m/s)，天氣為晴天，湘、贛等地有大片霾區(qū)，長(zhǎng)株潭地區(qū)水平能見度小于3km；高空500hPa為槽后西北氣流控制，無明顯槽脊活動(dòng)。靜穩(wěn)型的污染機(jī)制是均壓、小風(fēng)、無雨條件下的污染物累積，近年來隨著各類管控措施的加強(qiáng)，單純靜穩(wěn)型重污染已很少出現(xiàn)。

2.5 后向軌跡聚類和濃度權(quán)重軌跡CWT分析

12月和1月是長(zhǎng)株潭重污染的高發(fā)月份，全年中74%的過程出現(xiàn)在這兩個(gè)月。下載GDAS氣象數(shù)據(jù)，輸入2014～2019年12月和1月長(zhǎng)沙的PM2.5小時(shí)均值濃度，利用MeteoinfoMap軟件作后向軌跡聚類分析和濃度權(quán)重軌跡分析(CWT)，結(jié)果如圖(圖7)，12月長(zhǎng)沙的外源污染路徑以偏北和偏東為主，其中路徑2、3、4、5均屬于偏北路徑(圖7a)，占比共計(jì)64%，主要從河南省中部向南略偏西沿直行路線進(jìn)入湖南；路徑1屬于偏東路徑，此線路距離短，風(fēng)速小，占比36.09%，48h的后向追蹤顯示路徑起源于湖北省東南部，從湘東北進(jìn)入湖南。1月 (圖7b)與12月的不同之處在于，出現(xiàn)明顯的偏西路徑(路徑5)，占比5.34%，路徑較長(zhǎng)，表明風(fēng)速大，輸送距離遠(yuǎn)，2、3、4路徑(偏北)占比增加，有77.7%，出現(xiàn)明顯的分岔，濃度權(quán)重軌跡(CWT)也出現(xiàn)南北向條狀紋理，表示偏北路徑上外源入湘的復(fù)雜性，偏東路徑占比縮小，只有17.01%。軌跡聚類和CWT分析表明外源入湘的路徑有偏西、偏北和偏東三種路徑，與前文診斷分析得出的結(jié)果較為一致，至于是否存在復(fù)合路徑，則需要針對(duì)具體過程具體分析。

圖7 長(zhǎng)沙后向軌跡聚類和CWT分析Fig.7 Clustering and CWT analysis of Changsha backward trajectory

3 結(jié) 論

(1)本文統(tǒng)計(jì)了2014～2019年長(zhǎng)株潭三市的環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及1966年以來的氣象數(shù)據(jù)，分析這六年中出現(xiàn)的35次重污染過程，根據(jù)這些重污染天氣的形成原因，將其分為冷空氣導(dǎo)致型(74.3%)、節(jié)日鞭炮燃放型(17.1%)、高空干槽型(5.7%)和靜穩(wěn)型(2.9%)等四個(gè)類型。

(2)研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)株潭絕大部分重污染過程跟冷空氣入侵有關(guān)，針對(duì)典型冷空氣個(gè)例探討重污染天氣形成的氣象機(jī)理，研究冷空氣的動(dòng)力作用、熱力作用和水汽變化在重污染天氣形成中的作用，總結(jié)不同冷空氣路徑下空氣重污染的特征，發(fā)現(xiàn)重污染形成的四種典型路徑即西路、北路、東路和復(fù)合路，前三類與冷空氣活動(dòng)路徑重合度較高。

(3)利用Meteoinfo計(jì)算了2014～2019年12月和1月長(zhǎng)沙站的后向軌跡并聚類，利用TrajStat模塊進(jìn)行CWT分析，發(fā)現(xiàn)有冷空氣活動(dòng)時(shí)，外源入湘的路徑存在有西路、北路和東路，與診斷分析結(jié)果一致，而復(fù)合路徑則不太顯著。