2019年湖南一次重污染天氣過程成因分析

唐杰 楊云蕓* 李蔚 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)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的騰飛，工業(yè)化進(jìn)程加快，導(dǎo)致了各類空氣污染天氣頻發(fā)[1-3]，不但對居住環(huán)境、能見度造成影響，而且成為引發(fā)肺炎、支氣管炎等呼吸道疾病的誘因[4-5]，對國民身體健康造成潛在威脅。空氣污染過程城市較多，主要由氣象條件及排放源兩部分組成[6-7]。

許多學(xué)者進(jìn)行了關(guān)于污染天氣過程的天氣成因和來源分析的研究，為空氣污染的提前防治和預(yù)報(bào)預(yù)警提供了理論依據(jù)[8-10]。研究結(jié)果顯示造成污染的來源主要為本地排放和外區(qū)域輸送[11-12]，氣象條件(風(fēng)速、降水、溫度、濕度等)在很大程度上決定了污染物的擴(kuò)散、傳輸和沉降的速度，污染的維持和加強(qiáng)往往得益于適當(dāng)?shù)沫h(huán)流形勢和穩(wěn)定的大氣層結(jié)相配合，特別是大范圍均壓場易造成大氣污染物的匯聚[13-15]。在水平和垂直方向上，持續(xù)的貼地、懸浮多層逆溫和低混合層高度抑制了污染物的擴(kuò)散，讓PM2.5質(zhì)量濃度持續(xù)累積增長[16-18]。周益平[19]等分析研究了影響湘南一次重污染過程，指出低層?xùn)|北風(fēng)和近地面至中高層高于70%的相對濕度有利于污染爆發(fā)。張琴[20]等指出湖南整體大氣層結(jié)穩(wěn)定、近地面風(fēng)速小、相對濕度大等有利于外源性輸入為主的重污染天氣發(fā)生。2019年12月12—16日長沙及附近地區(qū)發(fā)生了一次持續(xù)性污染天氣過程，長沙地區(qū)AQI(空氣質(zhì)量指數(shù))持續(xù)上升，16日03:00(北京時(shí))AQI達(dá)285，接近嚴(yán)重污染水平，污染狀況嚴(yán)峻。本文利用顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測資料、NECP再分析資料和地面氣象要素觀測資料，結(jié)合衛(wèi)星資料以及后向軌跡模擬，對此次持續(xù)性污染天氣過程進(jìn)行分析，深入探究污染的形成及消散機(jī)制，為更好地開展重污染天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)提供理論依據(jù)。

1 重污染天氣過程及成因分析

本文所用資料為湖南省長沙國控站環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測的6項(xiàng)大氣污染物(PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO)監(jiān)測數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)采用湖南省氣象局日常觀測數(shù)據(jù)，美國NCEP再分析資料、MODIS氣溶膠光學(xué)厚度資料，并利用HYSPLIT后向軌跡模型對長沙上空污染源運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬分析。

1.1 污染實(shí)況分析

2019年12月12—16日湖南出現(xiàn)一次持續(xù)性重污染天氣過程(圖1)，過程首要污染物為PM2.5，全省14個(gè)城市均受到不同程度影響。此次過程重污染天氣從湘中地區(qū)開始并發(fā)展擴(kuò)大至湖南大部分地區(qū)。從我國東部各市污染演變圖可以看出，12日開始污染主體主要在湖北中部、河南南部地區(qū)。 12月12日夜間起，受大氣靜穩(wěn)、區(qū)域高濕等不利氣象條件影響，污染物濃度開始上升，逐漸向湖南傳輸，13日湘中地區(qū)出現(xiàn)3個(gè)城市中度污染。14日受上游污染物持續(xù)輸入，湖南位于高壓底部受北部高壓和南部低壓的共同作用，偏南風(fēng)和偏北風(fēng)在湘中匯合，形成準(zhǔn)靜止結(jié)構(gòu)，污染物在湘中區(qū)域持續(xù)累積，出現(xiàn)4個(gè)城市重度污染，4個(gè)城市中度污染；15日不利擴(kuò)散條件維持，全省共6個(gè)城市重度污染，6個(gè)城市中度污染；16日，污染程度稍有減輕，但湘中地區(qū)仍有3個(gè)城市持續(xù)重度污染；17日，地面北風(fēng)風(fēng)速逐漸增大，擴(kuò)散條件逐漸轉(zhuǎn)好，4個(gè)城市輕度污染，其他為良；18日，受冷空氣主體南下和有效降水共同清除影響，全省空氣質(zhì)量恢復(fù)優(yōu)良。

圖1 2019年12月12日(a)、13日(b)、14日(c)、15日(d)、16日(e)、17日(f)我國東部地區(qū)污染演變

從MODIS衛(wèi)星遙感影像圖中可以相應(yīng)看出(圖2)，13日湘東北地區(qū)開始出現(xiàn)灰色的云或霾混合形態(tài)，與四川上空干凈大氣呈現(xiàn)白色的云有明顯區(qū)別；14日污染主要在湘中、湘東地區(qū)，15—16日污染維持并稍有南壓，灰色的云霧或霾混合態(tài)主要出現(xiàn)在湘中及偏南地區(qū)，且灰度隨著污染的加重逐漸增加，灰色調(diào)的混合物的出現(xiàn)及移動(dòng)與湖南污染情況對應(yīng)較好。

圖2 2019年12月13日(a)、14日(b)、15日(c)、16日(d)MODIS遙感衛(wèi)星影像

1.2 環(huán)流背景

從圖3環(huán)流形勢演變分析得知積累期間，12月12—13日，500 hPa歐亞大陸中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”型，即位于烏拉爾山脈東部和貝加爾湖南部的槽，兩槽之間為高壓脊。我國長江中下游地區(qū)( 包括湖南地區(qū))有一次短波槽過境；海平面氣壓場上(圖4)，11日20:00湖南位于高壓底部后方，均壓形勢在發(fā)展；12日20:00地面形勢，湖南位于高壓后與低壓前，地面為偏東風(fēng)；13日20:00，地面仍為地面均勻場控制，地面風(fēng)場表現(xiàn)為弱輻合區(qū)，長沙站探空圖顯示(圖5a)，地面有較強(qiáng)貼地逆溫，925～850 hPa濕度也有所增大，有利于污染物積累。爆發(fā)階段，14日20:00，500 hPa湖南上空為槽前偏南氣流，850 hPa和700 hPa均存在西南急流，一致的西風(fēng)氣流為水汽的輸送建立了通道，有利于污染物的吸濕增長；地面暖低壓倒槽增強(qiáng)，均壓場形勢，云系增多氣溫下降；長沙站探空圖顯示(圖5b)，地面貼地逆溫減弱，地面增濕，湘北轉(zhuǎn)北風(fēng)；15日20:00，地面暖低壓倒槽繼續(xù)增強(qiáng)，均壓形勢維持，云系繼續(xù)增多，氣溫有所下降。清除階段，中低層風(fēng)向從西南風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)且風(fēng)速不斷加大，暖濕氣流配合高空弱冷空氣南下，上冷下暖有利于空氣對流和長沙污染物的稀釋擴(kuò)散，使得持續(xù)3天較為嚴(yán)重的污染狀況逐漸轉(zhuǎn)好；16日20:00，地面暖低壓開始減弱，湘北逐漸轉(zhuǎn)北風(fēng)；長沙站探空圖顯示(圖5c)，地面逆溫層抬升，地面濕度繼續(xù)增濕；17日20：00，冷空氣南下，北風(fēng)加大(3級(jí)以上)，17日晚至18日省內(nèi)平均降雨8.1 mm，全省空氣質(zhì)量由輕度轉(zhuǎn)為優(yōu)良。

圖3 2019年12月12日08:00(a)、14日20:00(b)、16日08:00(c)500 hPa高度場(黑線，單位：dagpm)、風(fēng)場和相對濕度(色斑)

圖4 2019年12月12日08:00(a)、14日20:00(b)、16日08:00(c)地面氣壓(黑線)、風(fēng)場和相對濕度(色斑)

圖5 2019年1月13日20:00(a)，14日20:00(b)，16日20:00(c)長沙站溫度(紅色實(shí)線)、露點(diǎn)溫度(綠色實(shí)線)隨高度變化

1.3 長沙市PM2.5變化與各氣象要素的關(guān)系

此次過程中PM2.5為首要污染物，從長沙站PM2.5與各要素隨時(shí)間演變分析可知(圖6)，將此次污染過程分成3個(gè)階段，12月12日00:00至14日04:00為污染積累階段，14日05:00至16日13:00為污染爆發(fā)階段，16日14:00進(jìn)入污染清除階段。14日00:00 AQI值為156，長沙地區(qū)進(jìn)入中度污染狀態(tài)，5 h后迅速上升至209，從14日05:00開始持續(xù)出現(xiàn)50 h重度污染，并開始出現(xiàn)正弦曲線波動(dòng)，污染物積累呈現(xiàn)波浪式增長特點(diǎn)。15日03:00 AQI出現(xiàn)爆發(fā)階段峰值為285，接近嚴(yán)重污染級(jí)別，PM2.5同步達(dá)到該階段峰值235 μg·m-3，濃度高于國標(biāo)四級(jí)限定值，是首要的超標(biāo)污染物。16日20:00開始進(jìn)入清除階段，AQI在20:00降至150以下，僅5 h 后達(dá)到良好級(jí)別，污染過程快速結(jié)束。

圖6 2019年12月12—17日長沙市PM2.5、PM10、O3、NO2質(zhì)量濃度、AQI和能見度變化

在本次污染過程中，PM2.5從積累階段后期至清除階段，濃度在6種指標(biāo)物中都是比較高的，特別是爆發(fā)階段，濃度值是最高的，可以看出本次污染主要是以PM2.5為首要污染物。PM2.5與PM10的變化基本同步，在污染積累階段PM10的濃度大于PM2.5，從爆發(fā)開始至污染結(jié)束，PM2.5的濃度最高。顆粒物濃度與能見度呈反相關(guān)，污染積累階段能見度較好，最遠(yuǎn)可達(dá)3 km。隨著顆粒物的爆發(fā)式增長，能見度迅速下降，最低時(shí)為0.5 km左右。O3濃度和PM2.5基本是反相關(guān)變化，因?yàn)榇舜挝廴景l(fā)生在冬季，O3濃度較低，在積累和爆發(fā)前期有3個(gè)高峰，與能見度的峰值一致，表明當(dāng)能見度較好時(shí)，地面溫度較高有利于O3的生成。NO2和SO2變化趨勢基本一致且SO2濃度高于NO2，兩者與PM2.5的變化趨勢大部分時(shí)間為反相關(guān)，可能是顆粒物的濃度升高抑制了NO2和SO2的化學(xué)轉(zhuǎn)變。CO與PM2.5變化趨勢在污染積累和爆發(fā)階段基本一致，在清除階段并未有明顯減小，和能見度呈反相關(guān)變化。

由污染期間PM2.5與地面24 h變壓變化圖可以看出(圖7)，變壓與污染物濃度呈反相關(guān)。積累期間地面為均壓場較為穩(wěn)定，本地污染物開始積累；爆發(fā)階段暖倒槽在低層暖平流左右下開始形成并發(fā)展，倒槽東南風(fēng)一側(cè)為暖平流中心，暖平流導(dǎo)致暖鋒前負(fù)變壓明顯，東風(fēng)和北風(fēng)在湘北地區(qū)交匯，造成本次過程中本地污染物和外來輸送的疊加爆發(fā)；清除階段，隨著冷高壓的南下，地面風(fēng)速北風(fēng)加大，倒槽減弱消失，污染物隨之?dāng)U散。

圖7 長沙市2019年12月12—17日逐小時(shí)PM2.5與24 h變壓隨時(shí)間演變

大氣混合層高度是影響顆粒物濃度的重要因素之一，從本次過程PM2.5與混合層高度合成圖中可以看出(圖8)，除在污染累積階段混合層高度維持較低外，后期各階段總體呈緩慢升高趨勢。在污染積累階段，在污染劇增開始階段，混合層高度降低至200 m左右，大氣垂直方向的擴(kuò)散能力減弱，大氣呈現(xiàn)靜穩(wěn)狀態(tài)，污染物濃度開始升高。本次污染為一次混合型污染，主要由本地污染物和外來輸送共同造成爆發(fā)污染，外來冷空氣不僅帶來了污染物也使得混合層高度同步增加達(dá)到2000 m左右。隨后冷空氣主體南下，風(fēng)速明顯加大，混合層高度持續(xù)增加，PM2.5在垂直方向得以稀釋擴(kuò)散，污染迅速消散。

圖8 長沙市2019年12月12—17日逐小時(shí)PM2.5與混合層高度隨時(shí)間演變

長沙位于湖南中北部喇叭口地形處，為污染物主要傳輸通道城市之一，因此風(fēng)速和風(fēng)向與PM2.5的關(guān)系更為密切。整體看來(圖9a)，污染物的積累階段基本以弱風(fēng)或靜風(fēng)為主，大氣擴(kuò)散條件差，有利于污染物的本地積累，PM2.5濃度逐漸升高。從14日05:00開始污染物濃度暴增階段與受地面冷空氣影響風(fēng)速開始加大、風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)變化一致，說明了風(fēng)場的作用對污染物的劇增非常重要。14日開始持續(xù)的偏北風(fēng)將上游的污染物源源不斷向長沙地區(qū)輸送，合并前期靜穩(wěn)天氣累積的本地污染物，使得污染15日03:00達(dá)到峰值時(shí)，風(fēng)速也相應(yīng)超過3 m/s。綜上所述，除了受地形影響外，14日開始持續(xù)較強(qiáng)的偏北風(fēng)帶來的遠(yuǎn)距離污染物輸送是本次污染爆發(fā)階段的主要原因。15日18:00后，北風(fēng)持續(xù)加大，且維持在5 m/s以上，將污染物向南輸送，使得長沙PM2.5濃度開始下降，并在17日達(dá)到良好級(jí)別。

從溫度場的變化可以得知(圖9b)，14日前無冷空氣影響，最高溫度出現(xiàn)在14日下午達(dá)15 ℃,最低溫度在凌晨約為9 ℃，溫差不大，層結(jié)靜穩(wěn)，不利于污染物的擴(kuò)散并造成本地積累使得AQI緩慢上升。隨著14日冷空氣逐漸南下，暖中心逐漸抬高并消失，地面氣溫降低，15日最高氣溫為9 ℃至18日下降至6 ℃以下。17日后冷空氣的主體使得穩(wěn)定層結(jié)破壞，有利于污染物的水平擴(kuò)散，污染狀況得以改善。

圖9 長沙市2019年12月12—17日逐小時(shí)PM2.5與低層風(fēng)向風(fēng)速隨時(shí)間演變(a)及溫度(陰影)、風(fēng)向風(fēng)速隨高度和時(shí)間剖面(b)

2 氣團(tuán)后向軌跡路徑

利用HYSPLIT Trajectory Model對長沙市12月12日00:00開始逐24 h后推72 h氣團(tuán)來向進(jìn)行模擬(圖10)可以看出：12日至14日凌晨為累積階段，氣團(tuán)主要來自偏東或東北方向，其中12日為氣團(tuán)主要在長沙東部至湘贛交界區(qū)域，且移速很低，有利于污染物在本地堆積；13日開始來自江西北部、湖北東部和安徽西南部的氣團(tuán)影響有所增大，但此區(qū)域整體污染情況以輕度污染為主，考慮對長沙影響較小，且氣團(tuán)到達(dá)城市后減速明顯，考慮仍以本地累積為主。14日凌晨的軌跡可以看出，從安徽南部南移的污染氣團(tuán)南移速度明顯增加，但靠近湖南區(qū)域后明顯減速，且越過湘贛邊境山脈后下沉至近地層堆積并緩慢向長沙移動(dòng)，污染傳輸影響有所增大。12—14日從氣團(tuán)高度軌跡線上看，在長沙區(qū)域均處于低層，且垂直方向氣團(tuán)交換不明顯，有利于污染物地面堆積。15日凌晨近地層的軌跡表明長沙區(qū)域轉(zhuǎn)為偏北氣流影響，且風(fēng)力有所增大，在河南南部累積的污染氣團(tuán)，隨著冷空氣南下影響長沙區(qū)域，并與本地累積污染氣團(tuán)造成污染物暴漲，并于15日04：00 達(dá)到此次過程的峰值。從氣團(tuán)高度軌跡線上看，長沙區(qū)域處于低層，且垂直方向氣團(tuán)交換不明顯，污染物傳輸以近地面?zhèn)鬏敒橹鳎?6日凌晨軌跡可以看出，長沙區(qū)域北風(fēng)逐漸增大，且污染氣團(tuán)主體以處于長沙區(qū)域，北方污染氣團(tuán)輸入影響減弱，污染物濃度有所降低。17日受東北路強(qiáng)冷空氣影響，本次污染過程結(jié)束。

圖10 2019年12月12—17日長沙48 h氣團(tuán)后向軌跡

3 結(jié)論

與單一外來輸送或本地污染造成的污染相比，本次污染過程具有復(fù)雜性和特殊性。一般說來，北風(fēng)加大有利于污染物的水平擴(kuò)散，但是在本次過程中，北方冷空氣主體南下前的北風(fēng)和降溫反而有利于污染物的向南輸送，疊加前期的本地積累造成長沙污染的爆發(fā)。通過對本次過程的深入研究，得出以下結(jié)論：

(1)此過程的首要污染物為PM2.5，高空有弱短波槽活動(dòng)，地面為均壓場。

(2)從氣象要素和PM2.5濃度變化分析可知，本次過程為本地污染積累和外來輸送的復(fù)合型污染，積累階段為均壓場控制，地面小風(fēng)速和較低的混合層高度造成污染物的本地積累，爆發(fā)階段是負(fù)變壓和風(fēng)速逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)并加大的時(shí)期，說明主要是由地面冷空氣的過境，帶來的污染物遠(yuǎn)距離輸送造成了污染物的爆發(fā)式增長，隨后冷高壓主體控制及混合層高度增加使得污染進(jìn)入清除階段。

(3)后向軌跡表明，此次過程是本地靜穩(wěn)天氣疊加上游外來源造成的重污染天氣過程。冷空氣初期使外來源和本地源在長沙積累，隨后北風(fēng)持續(xù)增大擴(kuò)散條件較好，污染清除。