湖南省大氣污染特征及氣象影響分析

楊云蕓,唐 杰,王 璐,王曉雷,李 蔚

1.湖南省氣象臺(tái),湖南 長(zhǎng)沙 410118

2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410118

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,以細(xì)顆粒物(PM2.5)[1-2]和臭氧(O3)[3-4]為首要污染物的區(qū)域性復(fù)合型大氣污染過(guò)程頻發(fā)[5],對(duì)區(qū)域氣候、人類生產(chǎn)生活和生命健康等均產(chǎn)生重大影響,逐步成為近期諸多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)[6]。現(xiàn)有相關(guān)研究多集中在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等城市群或污染較重的北方地區(qū)[7-8]。例如：劉麗等[9]研究了2013—2019年青島市空氣質(zhì)量時(shí)空變化特征,發(fā)現(xiàn)O3濃度整體呈上升趨勢(shì),采暖期及春節(jié)期間人為活動(dòng)會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。孟麗紅等[10]應(yīng)用模型模擬發(fā)現(xiàn),氣溶膠輻射效應(yīng)對(duì)顆粒物濃度升高有正反饋?zhàn)饔?特別是對(duì)近地層的降溫增濕作用明顯。張宸赫等[11]分析發(fā)現(xiàn),沈陽(yáng)市顆粒物污染高峰出現(xiàn)在秋冬季,且與風(fēng)速、相對(duì)濕度密切相關(guān),而溫度和日照時(shí)數(shù)則對(duì)春夏季高發(fā)的O3污染影響較大。高振翔等[12]對(duì)江蘇省2015—2018年顆粒物時(shí)空格局變化進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)顆粒物濃度呈逐年下降趨勢(shì),且與濕度、風(fēng)速、氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

湖南位于長(zhǎng)江中下游平原,地處我國(guó)中南腹地,呈三面環(huán)山、北面開(kāi)口的馬蹄形地形。當(dāng)前,大氣污染持續(xù)加重造成的區(qū)域污染防治壓力不斷加大已然成為影響湖南地區(qū)快速、健康、可持續(xù)發(fā)展的重要因素,特別是長(zhǎng)株潭城市群作為全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心增長(zhǎng)極,在大氣污染防治方面壓力更大。目前,湖南省大氣污染治理仍處于負(fù)重前行的關(guān)鍵期,面臨著許多新的挑戰(zhàn)。相關(guān)研究大多針對(duì)湖南省部分城市或單次污染過(guò)程開(kāi)展個(gè)例分析[13-15],對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間序列污染過(guò)程的分析較少,對(duì)全省大氣污染特征變化以及氣象要素影響等問(wèn)題的研究同樣匱乏。因此,本文以湖南為研究對(duì)象,分析2015—2021年污染過(guò)程變化特征、污染來(lái)源等,并提煉出影響污染過(guò)程的主要?dú)庀笾笜?biāo),有助于更好地開(kāi)展空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警,為中部城市推進(jìn)治理體系與治理能力現(xiàn)代化提供科學(xué)依據(jù)[16-17]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

本研究使用的環(huán)境數(shù)據(jù)來(lái)自湖南省14個(gè)國(guó)控城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn),包括空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)及6種主要大氣污染物(PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO)的監(jiān)測(cè)結(jié)果;氣象數(shù)據(jù)采用全國(guó)綜合氣象信息共享平臺(tái)(CIMISS)數(shù)據(jù)庫(kù)中的各站點(diǎn)500、700、850、925 hPa高度和海平面氣壓場(chǎng)的大氣環(huán)流要素?cái)?shù)據(jù),如相對(duì)濕度、風(fēng)場(chǎng)信息、氣壓、氣溫等。相關(guān)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為2015年1月1日至2021年12月31日。

1.2 研究方法

空氣質(zhì)量等級(jí)劃定參考《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)、《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)以及《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)。當(dāng)空氣質(zhì)量等級(jí)達(dá)到中度及以上(AQI>150)污染水平的國(guó)控城市站點(diǎn)數(shù)量超過(guò)3個(gè)、持續(xù)時(shí)間超過(guò)24 h時(shí),將該次污染過(guò)程定義為一次區(qū)域污染過(guò)程,并以污染后期無(wú)輕度及以上污染等級(jí)站點(diǎn)作為污染過(guò)程結(jié)束的標(biāo)志。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染特征分析

通過(guò)對(duì)湖南省2015年1月1日至2021年12月31日期間出現(xiàn)的68次污染過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知,各年度出現(xiàn)中度及以上空氣污染過(guò)程的次數(shù)分別為2015年10次、2016年4次、2017年14次、2018年12次、2019年14次、2020年7次、2021年7次,總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖1)。在月度分布上,污染過(guò)程主要集中出現(xiàn)在10—12月及1—2月,峰值出現(xiàn)在1月,6月和7月未出現(xiàn)區(qū)域污染過(guò)程(圖2)。從首要污染物來(lái)看,5次O3污染集中出現(xiàn)在8—9月,其他月份出現(xiàn)的63次污染過(guò)程均為顆粒物污染。

圖1 2015—2021年湖南省中度及以上污染過(guò)程發(fā)生頻次年度分布

圖2 2015—2021年湖南省中度及以上污染過(guò)程發(fā)生頻次月度分布

在空間分布上,以2015—2021年湖南14個(gè)重點(diǎn)城市的日均值數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析,污染日的發(fā)生頻次呈現(xiàn)出區(qū)域性特點(diǎn)(圖3)：一是長(zhǎng)株潭地區(qū)。該地區(qū)城市的中度污染日發(fā)生頻次為41～50次,重度污染日發(fā)生頻次為18～27次,并且均為長(zhǎng)沙最多、株洲最少;嚴(yán)重污染日發(fā)生頻次為1～2次。二是常德、益陽(yáng)、衡陽(yáng)、邵陽(yáng)。此類城市的中度污染日發(fā)生頻次為32～35次,常德最多、邵陽(yáng)次之;重度污染日發(fā)生頻次為10～17次,衡陽(yáng)最多、邵陽(yáng)次之、益陽(yáng)最少;嚴(yán)重污染日僅常德發(fā)生2次,邵陽(yáng)發(fā)生1次。三是張家界、岳陽(yáng)、婁底、永州。上述城市的中度污染日發(fā)生頻次為17～25次,永州最多、張家界最少;重度污染日發(fā)生頻次為3～7次,永州最多、婁底最少;岳陽(yáng)、婁底各出現(xiàn)過(guò)1次嚴(yán)重污染日,永州、張家界未出現(xiàn)嚴(yán)重污染日。在持續(xù)時(shí)長(zhǎng)上,污染過(guò)程最短1 d,最長(zhǎng)可達(dá)10 d(圖4)。其中：1 d的出現(xiàn)頻次最多,為21次,占比30.9%;2～3 d的出現(xiàn)頻次為24次,占比35.2%;4～5 d的出現(xiàn)頻次為17次,占比25%;5 d以上的出現(xiàn)頻次僅為6次,占比8.8%。

圖3 2015—2021年湖南14個(gè)重點(diǎn)城市中度及以上污染日的發(fā)生頻次

圖4 2015—2021年湖南14個(gè)重點(diǎn)城市中度及以上污染過(guò)程持續(xù)日數(shù)

2.2 主要污染過(guò)程分型研究

2.2.1 污染來(lái)源分型特征

通過(guò)對(duì)68次區(qū)域污染過(guò)程的環(huán)境空氣質(zhì)量日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),以及近地面風(fēng)場(chǎng)小時(shí)觀測(cè)資料進(jìn)行分析,根據(jù)城市環(huán)境空氣質(zhì)量演變特征,將污染過(guò)程劃分為本地型(近地面風(fēng)速較小或?yàn)殪o風(fēng),主要污染城市的AQI上升趨勢(shì)明顯先于周邊其他城市,污染成因主要是本地污染物聚集)、輸入型(近地面存在風(fēng)場(chǎng)持續(xù)輸送,主要污染城市的AQI上升趨勢(shì)明顯落后于污染上游城市,污染成因主要是上游空氣質(zhì)量惡化且存在明顯的向湖南省內(nèi)的擴(kuò)散輸入)和混合型(近地面風(fēng)速較小,但隨著污染過(guò)程的發(fā)展,風(fēng)場(chǎng)傳輸通道打通,主要污染城市的AQI變化趨勢(shì)與周邊城市相差不大,污染成因兼具本地污染物聚集和外源輸入)3種類型[18-19]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：本地型最多,有29次;混合型次之,有25次;輸入型最少,為14次?？梢?jiàn),湖南省大氣污染成因以短距離輸送及本地污染排放為主。此外,湖南省持續(xù)性污染過(guò)程以混合型為主。在持續(xù)4 d以上的污染過(guò)程中,混合型占61%,本地型占22%,輸入型占17%。

2.2.2 污染過(guò)程區(qū)劃特征

基于68次污染過(guò)程的發(fā)生頻次、污染傳輸情況、氣候及地形分區(qū)等因素,可將湖南劃分為4類大氣污染分區(qū)[20-21](圖5)。

注：底圖下載自天地圖·湖南標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)欄目(https：//hunan.tianditu.gov.cn/TDTHN/tjxz/detail.html),審圖號(hào)為湘S(2022)034號(hào),下載日期為2022-05-08。圖5 湖南空氣污染過(guò)程頻次區(qū)劃

一是長(zhǎng)株潭城市群高頻區(qū)(Ⅰ類)。該區(qū)域是湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域。三市沿湘江呈“品”字形分布,兩兩間距不足40 km,污染演變時(shí)間差不足1 h。

二是環(huán)西洞庭湖-衡邵盆地次高頻區(qū)(Ⅱ類)。該類型區(qū)域位于長(zhǎng)株潭主要污染物傳輸通道的上/下游,受外源輸入影響較大。其中,常德、益陽(yáng)的污染演變時(shí)間差為1.5 h,益陽(yáng)、長(zhǎng)沙的污染演變時(shí)間差也為1.5 h。衡邵盆地位于湘江中游、資水下游,地勢(shì)平坦,工農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá),有利于長(zhǎng)株潭污染物的輸出和聚集。

三是張家界-岳陽(yáng)-婁底-永州次低頻區(qū)(Ⅲ類)。岳陽(yáng)雖然也處在長(zhǎng)株潭主要污染物傳輸通道上游,但因其緊鄰地形寬闊且下墊面平坦的東洞庭湖,污染物在此處難以聚集。此外,張家界為武陵山脈所護(hù),永州位于湖南省最南端,婁底位于雪峰山脈附近。因此,除非是在污染背景值極高的情況下,上述4市才會(huì)受到影響。

四是湘西-湘東南山區(qū)低頻區(qū)(Ⅳ類)。湘西、懷化本地高耗能、高排放污染源較少,經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式以旅游業(yè)、農(nóng)林業(yè)為主,本地污染物排放量小。同時(shí),受武陵山脈和雪峰山脈阻擋,外源污染物不易輸入。郴州位于湖南東南角,地勢(shì)東高西低、南高北低,本地污染源較少,且冷空氣難以抵達(dá)。

2.2.3 污染傳輸路徑特征

以污染最為嚴(yán)重的長(zhǎng)株潭城市群為例,根據(jù)長(zhǎng)株潭城市群歷次污染過(guò)程AQI、主要污染物濃度、近地面風(fēng)向數(shù)據(jù)[22-23],結(jié)合周邊重點(diǎn)城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地面逐小時(shí)2 m風(fēng)場(chǎng)流線實(shí)況資料以及地形地貌特征,確定了3條外源輸入路徑(圖6)：一是河南—襄陽(yáng)/隨州—荊門—荊州—常德—益陽(yáng)—長(zhǎng)株潭路徑(紅色),在輸入型污染中占比71%;二是安徽北部—信陽(yáng)—孝感—武漢—岳陽(yáng)—長(zhǎng)株潭路徑(黃色),占比26%;三是南昌—新余—宜春—萍鄉(xiāng)—長(zhǎng)株潭路徑(白色),占比僅2%。經(jīng)檢驗(yàn),研究結(jié)果與2021年11月下旬一次全省污染過(guò)程的近地面流場(chǎng)(2021年11月27日09時(shí),圖7)基本吻合。

注：底圖下載自自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)欄目(http：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/download.html?superclassName=%25E4%25B8%25AD%25E5%259B%25BD%25E5%2585%25A8%25E5%259B%25BE),審圖號(hào)為GS(2022)4037號(hào),下載日期為2022-12-08。圖6 長(zhǎng)株潭城市群污染輸入路徑

注：該圖截取自湖南省環(huán)境氣象一體化平臺(tái)(http：//10.111.100.184/#/home)。圖7 2021年11月27日空氣質(zhì)量實(shí)況圖

2.3 污染過(guò)程天氣學(xué)因子分析

2.3.1 顆粒物污染過(guò)程天氣學(xué)因子提煉和污染過(guò)程指標(biāo)分析

基于63次顆粒物(PM2.5、PM10)污染過(guò)程,開(kāi)展了對(duì)相應(yīng)污染時(shí)段環(huán)流形勢(shì)、特征層風(fēng)況和濕度、地面風(fēng)況和氣壓、大氣層結(jié)等氣象條件的普查統(tǒng)計(jì)分析[24-25]。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析主要發(fā)現(xiàn)了以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

一是有利于污染發(fā)展的大尺度氣象條件(動(dòng)力、輻射)。例如,500 hPa高度環(huán)流形勢(shì)為平直或小波動(dòng),700 hPa高度風(fēng)向的偏西風(fēng)分量較大且濕度在70%以上,850 hPa高度以偏北風(fēng)或偏東風(fēng)為主。以上條件均易造成層結(jié)穩(wěn)定,有利于污染物的吸濕增長(zhǎng)和積累。

二是影響顆粒物聚集和傳輸?shù)臍庀髼l件(湍流運(yùn)動(dòng)、靜穩(wěn)形勢(shì))。例如,925 hPa高度和地面存在弱輻合,以偏北風(fēng)為主,大氣層結(jié)穩(wěn)定。以上條件有利于顆粒物的自北向南輸送、湍流混合,易導(dǎo)致污染爆發(fā)并在本地維持較長(zhǎng)時(shí)間污染狀態(tài)。

三是增強(qiáng)污染的水汽條件。例如,73%的污染過(guò)程存在日降水不足4.0 mm的情況,表明弱降水對(duì)污染有加重影響。

四是逆溫是污染過(guò)程發(fā)生的必要條件。700 hPa以下高度的多層逆溫及貼地逆溫有利于阻止城市大氣能量、物質(zhì)等的垂直交換,抑制污染物的擴(kuò)散和稀釋。

五是冷空氣與大氣污染過(guò)程有一定的相關(guān)性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,64%的污染過(guò)程發(fā)生在冷空氣南下影響湖南之前,36%發(fā)生在冷空氣變性影響湖南之后。這可能是由于冷空氣南下對(duì)北方污染物的輸送具有一定的有利影響(表1)。

2.3.2 O3污染過(guò)程天氣學(xué)因子提煉和污染過(guò)程指標(biāo)分析

基于5次O3污染過(guò)程,開(kāi)展了對(duì)應(yīng)污染時(shí)段的天空狀況、降水情況、環(huán)流形勢(shì)、特征層風(fēng)場(chǎng)和濕度、地面風(fēng)場(chǎng)和氣壓、大氣層結(jié)等氣象條件普查分析[26]。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,主要發(fā)現(xiàn)了以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

一是有利于O3污染發(fā)生的中高層氣象條件。例如,500 hPa高度環(huán)流多為副高控制,700 hPa和850 hPa高度的濕度均在70%以下。

二是有利于O3污染發(fā)生的低層氣象條件。例如,925 hPa及以下以東風(fēng)為主并有弱輻合,近地面多為靜風(fēng)或微風(fēng),大氣層結(jié)穩(wěn)定并有貼地逆溫,近地面最高氣溫達(dá)35～38 ℃,近地面最大相對(duì)濕度達(dá)70%～90%等(表2)。

表2 2015—2021年湖南省5次O3污染過(guò)程天氣學(xué)因子特征分析

3 結(jié)論

1)從年度分布來(lái)看,2015—2021年湖南省區(qū)域污染過(guò)程發(fā)生頻次基本呈現(xiàn)倒“V”形波動(dòng),在2017—2019年達(dá)到峰值后下降明顯。從月度分布來(lái)看,以顆粒物為首要污染物的區(qū)域污染過(guò)程的發(fā)生頻次最高,主要發(fā)生在1—2月和10—12月;以O(shè)3為首要污染物的區(qū)域污染過(guò)程主要發(fā)生在8—9月。

2)從污染物來(lái)源來(lái)看,以本地污染物聚集為主,占比達(dá)43%。結(jié)合污染過(guò)程發(fā)生頻次、污染傳輸情況、氣候及地形分區(qū)等因素,可將湖南劃分為4類大氣污染區(qū)域,分別為長(zhǎng)株潭城市群高頻區(qū)、環(huán)西洞庭湖-衡邵盆地次高頻區(qū)、張家界-岳陽(yáng)-婁底-永州次低頻區(qū)及湘西-湘東南山區(qū)低頻區(qū)。

3)首要污染物為顆粒物和O3時(shí)的氣象因素存在較為明顯的差異,主要是因?yàn)轭w粒物和O3的物理化學(xué)特征不同。高空環(huán)流平直、低層偏北風(fēng)及較大的濕度均有利于顆粒物污染的發(fā)展,副高控制、低層濕度較小及靜小風(fēng)等要素均有利于O3污染的發(fā)展。

4)本文主要對(duì)天氣學(xué)因子在污染過(guò)程中的影響機(jī)理進(jìn)行了探討,對(duì)污染物在傳輸、滯留、消散等過(guò)程中的二次轉(zhuǎn)化未進(jìn)行深入分析,后期將進(jìn)一步對(duì)以上方面開(kāi)展深入研究。