長沙一次重污染天氣過程成因分析

潘江萍，丁 玄，王米吉，朱家亮，李 靜

（1. 長沙市氣象局，湖南 長沙 410205；2. 衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421001；3. 瀏陽市氣象局，湖南 瀏陽 410300）

近年來，隨著人們生活質(zhì)量的提高，民眾對“PM 2.5”、“霧霾”等空氣質(zhì)量問題的關(guān)注度日益上升，每次大范圍的重污染天氣過程都能產(chǎn)生較大的輿論影響[1-4]。大氣現(xiàn)象理論研究和實踐表明[5]，同一污染源所造成的空氣污染物濃度，在不同氣象條件的影響下差別可達(dá)幾個量級，這說明大氣擴散條件是污染天氣能否形成的一個重要因素。任陣海等[6-8]利用大氣環(huán)境過程的概念，分析造成重污染天氣的中、小尺度天氣系統(tǒng)及邊界層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)污染物的匯聚帶多來源于穩(wěn)定的均壓場。同時，均壓場還會觸發(fā)近地層產(chǎn)生局地環(huán)流群體，造成局地的嚴(yán)重污染[9-10]。2014年6月13日，長沙出現(xiàn)了入夏以來最嚴(yán)重空氣污染，市區(qū)AQI 指數(shù)達(dá)306，筆者通過分析環(huán)保部門的污染物指數(shù)資料及地面、高空氣象資料，解釋此次重污染天氣的成因、發(fā)展及對長沙的影響，從而為今后重污染天氣的預(yù)報、預(yù)警和相關(guān)研究提供參考。

1 資料來源

（1）污染物指數(shù)資料為空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index，簡稱AQI）和主要污染物污染分指數(shù)，來源于長沙市環(huán)保部門的9個國控環(huán)境空氣質(zhì)量評價點和1個國控清潔對照點共10個站點的空氣質(zhì)量指數(shù)日報。（2）氣象資料為此次重污染天氣過程中的地面氣象資料和高空氣象資料，來源于長沙市氣象局。關(guān)于AQI 和污染物污染分指數(shù)的定義及計算方法可參見《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ 633-2012）。

2 空氣污染實況及特點

2.1 空氣污染實況

根據(jù)長沙市環(huán)境監(jiān)測站主城區(qū)10個站點監(jiān)測到的6月份空氣質(zhì)量指數(shù)趨勢（圖1），2014年6月7～16日，長沙市及株洲、湘潭等周邊地區(qū)出現(xiàn)了污染天氣。其中6月13日平均AQI 達(dá)到306，屬嚴(yán)重污染，首要污染物為PM 2.5，為2014年夏季空氣質(zhì)量最差的一天。小時空氣質(zhì)量實況數(shù)據(jù)顯示，12日17 時前后開始，長沙城區(qū)的空氣質(zhì)量開始急劇下降，17 時市區(qū)有2 站已達(dá)重度污染，首要污染物為PM 10。從圖2 可以看出，自12日21 時起空氣質(zhì)量指數(shù)持續(xù)上升，23時AQI 升至266，為重度污染，首要污染物為PM 2.5；13日0 時AQI 迅速升至328，首要污染物為PM 2.5，為嚴(yán)重污染?？諝赓|(zhì)量狀況嚴(yán)重下降的同時，馬坡嶺國家氣象觀測站的自動觀測能見度從12日17 時起迅速下降。從圖3 也可以看出，在空氣污染最嚴(yán)重的12日23 時～13日16 時，能見度均在1 000 m 以下。

圖1 長沙2014年6月份空氣質(zhì)量指數(shù)趨勢

圖2 長沙2014年6月12日21 時至13日20 時小時空氣質(zhì)量指數(shù)

圖3 馬坡嶺站2014年6月12日21 時至13日20 時小時能見度

2.2 污染特點

此次重污染天氣過程的特點是：一是范圍廣，長沙及株洲、湘潭等周邊地區(qū)的空氣質(zhì)量均出現(xiàn)了嚴(yán)重污染；二是強度大，13日0 時空氣質(zhì)量指數(shù)迅速飆升至328，馬坡嶺站自動觀測能見度5 時僅為667 m，最小值為634 m，出現(xiàn)在4 時39 分；三是持續(xù)時間長，空氣嚴(yán)重污染的狀況從13日0 時一直持續(xù)至16 時，1～8 時馬坡嶺站能見度均維持在1 000 m 以下。

3 成因分析

3.1 人為因素

每年的5月和6月份正值初夏時期，冷暖空氣活躍，長沙進(jìn)入主汛期，大量級降水對空氣凈化作用明顯，是長沙空氣質(zhì)量較好的時段。2014年6月12日，國家環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心發(fā)布的秸稈焚燒遙感監(jiān)測日報（圖4）顯示，監(jiān)測到河南、河北、江蘇、安徽、山東的秸稈焚燒火點共162個。6月12～13日華中地區(qū)中低層為東北氣流控制，安徽等地的濃煙在東北氣流的引導(dǎo)下影響湖南。長沙市環(huán)境監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，重污染過程中空氣中的碳元素、鉀離子監(jiān)測值上升了8 倍，這兩種元素正是秸稈焚燒后產(chǎn)生的主要元素。

3.2 天氣條件

天氣條件決定了大氣的擴散能力與穩(wěn)定程度，從而影響污染物濃度的高低變化。為探究天氣條件對此次空氣重污染過程的影響，對重污染期間（2014年6月13日8 時）的地面形勢（地面風(fēng)場+氣壓場）、高空形勢（高度場+風(fēng)場）和探空資料進(jìn)行了分析。

圖4 2014年6月12日全國秸稈焚燒衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖（圖中白色點處為長沙的位置）

3.2.1 地面實況（形勢）分析 從圖5 可以看出，江南東部的湖北、江西等地多為偏北風(fēng)或東北風(fēng)，且伴有霾——視程障礙現(xiàn)象的出現(xiàn)，近地面較弱的偏北或偏東北風(fēng)將安徽、江蘇、河北等地的大量污染物輸送至長沙地區(qū)。長沙地區(qū)處于均壓場中，穩(wěn)定的氣壓場不利于近地面層污染物的垂直擴散，地面為2 m/s 的西北風(fēng)，較弱的風(fēng)速制約了污染物的水平擴散。分析前期的地面實況發(fā)現(xiàn)，2014年6月10～13日，長沙地區(qū)維持多云到陰天的天氣，不利于對污染物的稀釋和擴散。從地形上看，湖南為向東北開口的馬蹄形地形，有利于北方污染源的進(jìn)入，長、株、潭地區(qū)的南面有南岳衡山的阻擋，特殊的地形結(jié)構(gòu)有利于污染物在此聚集，使得該區(qū)域污染物濃度迅速升高，空氣質(zhì)量不斷惡化，所以污染天氣維持，直到6月17日長沙地區(qū)出現(xiàn)降雨，在雨水的沖刷作用下，空氣質(zhì)量才轉(zhuǎn)為良。

圖5 2014年6月13日8 時地面風(fēng)場和氣壓場疊加（圖中圓點處為長沙的位置）

3.2.2 高空實況（形勢）分析 2014年6月12日20時，500 hPa 中心位于日本海上的東北低渦發(fā)展旺盛，其后部的低槽西北氣流引導(dǎo)中低層氣流南下影響長沙，在925～850 hPa 中低層建立起東北氣流輸送通道，華南地區(qū)副熱帶高壓環(huán)流控制當(dāng)中。13日8 時（圖6），500 hPa 東北低渦略有北抬, 中低層?xùn)|北氣流輸送通道繼續(xù)維持，副熱帶高壓加強，584 等位勢高度線伸至湘北地區(qū)，長沙處于熱帶高壓環(huán)流控制之下，長沙地區(qū)盛行下沉氣流，天氣晴朗，垂直方向上風(fēng)速較小，利于低層穩(wěn)定層結(jié)的形成、發(fā)展和維持，為霧、霾發(fā)生創(chuàng)造了有利條件。

3.2.3 探空資料分析 對探空圖（圖7）進(jìn)行分析的結(jié)果表明，溫度露點差較大，濕度條件較差；高層有暖平流，而中層有冷平流輸入，850 hPa 附近有一定的等溫層，大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于形成霧霾污染物顆粒的擴散和輸出，所以霧霾維持時間較長。

綜上所述，長沙此次重污染天氣的形成過程是：安徽、河北、河南、江蘇、山東等地大量秸稈焚燒的高濃度煙霧顆粒物進(jìn)入大氣后，與近地層空氣混合，充斥到大氣混合層甚至更高高度，然后隨中低層反環(huán)流前部東北氣流或偏東氣流擴散、輸送至湖南、湖北等地，長沙受副熱帶高壓脊的控制，無降水發(fā)展，靜穩(wěn)天氣維持，大氣污染物氣象擴散條件差，污染物在此聚集、沉積，造成長沙等地能見度降低，污染物濃度陡升，導(dǎo)致13日7 時AQI 指數(shù)達(dá)到了498，為嚴(yán)重污染。

4 結(jié)論

圖7 2014年6月13日8 時長沙探空站探空分析圖

此次重污染天氣過程是人為與氣象兩方面因素共同作用的結(jié)果，其中人為因素是地面秸稈焚燒產(chǎn)生大量煙霧和顆粒物集中進(jìn)入大氣中低層，偏東北氣流導(dǎo)致北方地區(qū)的污染物向長沙等地輸送、沉積；氣象因素是高空天氣形勢配置有利于在中低層形成污染物輸送通道，長沙地區(qū)受副熱帶高壓控制，配合大氣低層等溫的穩(wěn)定層結(jié)，以及在地面均壓場等氣象因素的共同影響下，致使輸入型的污染物不能得到稀釋、擴散和清除，導(dǎo)致了重污染天氣的維持。

通過對此次重污染天氣的分析，總結(jié)輸入型污染源對長沙地區(qū)空氣質(zhì)量的影響，便于以后預(yù)報員在再次遇到氣流主導(dǎo)方向的空氣質(zhì)量狀況較差時，能夠通過合理判斷，準(zhǔn)確及時的做出空氣質(zhì)量潛勢預(yù)報，適時發(fā)布預(yù)警信號。

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