2019年初長沙市一次典型重污染天氣過程成因分析

胡 燕，楊云蕓，劉煥乾，尹忠海，周 慧，王曉雷

（1.湖南省氣象臺，長沙 410118；2.湖南省氣象技術裝備中心，長沙 410118）

長株潭城市群是湖南省經濟發(fā)展的核心增長極和長江中游城市群的重要組成部分。隨著長株潭融城建設的加快，伴隨著經濟飛速發(fā)展帶來了一系列環(huán)境污染問題。湖南省地形特點為東南西三面環(huán)山、北部開口的喇叭口形，長株潭城市群位于喇叭口處的洞庭湖平原地帶，是北方污染物向南傳輸的主要通道之一，其空氣質量受工業(yè)產業(yè)快速發(fā)展、機動車排放源的影響，導致污染物濃度增加［1］，使重污染天氣明顯增多。

近年對中國中部城市和城市群空氣污染的氣象條件方面研究較多，發(fā)現區(qū)域大氣污染與局地下墊面特征、輸送通道、靜穩(wěn)氣象條件密切相關［2］。大氣環(huán)境已經成為影響人們生活質量的重要因子［3］，其中細顆粒物污染又是影響區(qū)域大氣環(huán)境的首要因素，受人類活動、地理條件、外源傳輸、氣象條件等共同影響［4］。細顆粒物污染常通過長距離傳輸影響中國中部地區(qū)［5］，在一定條件下以垂直擴散或南北輸送方式直接加重本地污染程度［6］，導致區(qū)域重污染天氣發(fā)生。氣象因子對污染物的跨地區(qū)輸送也有重要作用［7，8］，如水平風的風向風力、局地風的垂直變化都能反映污染物傳輸通道及所在層次。風廓線資料因其能反映某地風場轉換特征，并能有效監(jiān)測冷暖平流、計算邊界層通風量指標，常用來定量分析污染物擴散條件［9，10］。通過風廓線研究發(fā)現，對流層底層盛行偏南氣流時氣溶膠污染加重［11，12］，靜穩(wěn)大氣下近地層小風速能很大程度抑制污染物的擴散［13］。同時，具有逆溫層結或多層逆溫的大氣使污染物聚集在云底以下，擴散減緩［14，15］，持續(xù)穩(wěn)定的邊界層內垂直速度更?。?6，17］，這些都是污染物濃度增加的影響因素。

大范圍的區(qū)域污染除了研究本地氣象條件，還有云覆蓋的演變也是近年空氣污染分析的熱點領域。衛(wèi)星遙感數據因其具有覆蓋范圍廣、連續(xù)監(jiān)測、高時效等特征在區(qū)域大氣污染監(jiān)測中的應用也越來越廣泛［18-22］，風云4號靜止衛(wèi)星搭載的多通道成像輻射計獲得的云圖可監(jiān)測大范圍的云系變化，結構和地物特征清晰，紋理清晰，并可通過云頂黑體亮溫（TBB）讀取判斷污染區(qū)域上空所覆蓋云的種類及高度。本研究選取2019年1月5—8日長沙市重污染過程作為研究對象，對污染物變化與氣象因子相關特征、擴散條件和外來源軌跡進行了分析，并利用新型探測資料FY-4A紅外衛(wèi)星云圖、垂直風廓線等探討大氣污染物的擴散能力，以期為長沙市重污染天氣預報和提前發(fā)布預警尋求科學支持。

1 資料與方法

空氣污染物濃度資料來自湖南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心提供的14個國控站2019年1月5—8日的逐小時空氣質量指數（Air quality index，AQI）和6種主要污染物監(jiān)測數據；氣象資料來自湖南省長沙市氣象觀測站提供的長沙站各類常規(guī)及加密氣象觀測數據；衛(wèi)星資料來自國家衛(wèi)星氣象中心提供的FY-4衛(wèi)星數據；風廓線資料來自長沙國家氣候觀象臺L波段邊界層風廓線雷達6 min一組數據資料；后向軌跡的計算數據采用NOAA全球同化系統(tǒng)氣象場資料。軌跡計算方法主要采用HYSPLIT4軌跡模式，該模式是利用歐拉和拉格朗日混合計算模式，可描述多種物理過程，處理不同類型氣象場，因其能有效模擬多種排放源的傳輸、擴散及沉降過程，因此普遍用于污染物的來源分析。驅動HYSPLIT4模式的輸入氣象場為美國NOAA全球資料同化系統(tǒng)（GDAS）數據，分辨率為1°×1°。

綜合利用空氣污染數據、氣象數據和衛(wèi)星數據等來分析重污染天氣過程期間的大氣邊界層結構、各個氣象因子以及AQI的變化特征，深入探究本次影響長沙市的重污染天氣過程發(fā)生、發(fā)展的成因，并通過軌跡分析來探討本次重污染天氣的來源及其影響。

2 污染特征和各污染物濃度變化

2019年1月5—8日受外源輸入疊加本地不利氣象條件影響，湖南省大部分城市出現了一次明顯的重污染過程。本次過程有影響范圍大、程度重、連續(xù)時間長等特點。除郴州市外，其他城市在不同時段均出現了重度以上污染，其中長株潭地區(qū)作為湖南省經濟、人口的集中區(qū)尤為明顯，長沙市、株洲市和湘潭市AQI大于200間歇式持續(xù)時長分別為63、56、70 h，本次過程選取長沙市為代表站點進行分析研究。

通過計算長沙市逐小時各污染物與AQI的相關性，結果顯示PM2.5、PM10與AQI的相關系數均達0.9以上，均呈高度正相關（表1）。從長沙站各污染要素隨時間演變分析（圖1）可知，本次過程中PM2.5、PM10濃度曲線相似，呈同位相上升、下降趨勢。由AQI和PM2.5的變化特征將此次污染過程分成3個階段，1月5日8：00至7日10：00為污染積累階段，7日11：00至8日14：00為污染暴發(fā)階段，8日15：00進入污染清除階段。積累階段5日8：00的AQI為172，長沙市進入中度污染狀態(tài)，5 h后迅速上升至212，13：00開始持續(xù)出現28 h重度污染，6日11：00的AQI出現積累階段峰值，為231，PM2.5和PM10同步達到該階段峰值，分別為181、123μg/m3，其中PM2.5濃度高于國標四級限定值，是首要的超標污染物。6日12：00開始出現正弦曲線波動，到7日10：00 PM2.5兩次出現連續(xù)4 h小于150μg/m3濃度值，污染物積累呈波浪式增長特點。暴發(fā)階段從7日11：00 AQI達200開始，連續(xù)28 h的重度污染，7日23：00—24：00 AQI為292，接近嚴重污染級別，PM2.5達242μg/m3，與PM10、AQI同步達到第二個峰值。8日15：00開始進入清除階段，PM2.5在20：00降至150μg/m3以下，僅6 h下降達65μg/m3，污染過程快速結束。

表1 1月5日8：00至8日20：00長沙市AQI與PM 2.5、PM 10等污染物相關系數

圖1 長沙市1月5日8：00至8日20：00 PM 2.5、PM 10等污染物要素隨時間的變化趨勢

O3、NO2、SO2這3種污染物濃度均較低，NO2、SO2大部分產生自高溫燃燒時的氣體釋放，常見于車輛排放的尾氣和鍋爐燃燒廢氣，在本次污染過程中與AQI相關性較低。CO則是大氣中分布最廣和數目最多的污染物，CO濃度與AQI相關系數為0.429 2，積累階段基本與PM2.5濃度變化曲線平行，暴發(fā)階段7日10：00為1.8 mg/m3，早于PM2.5濃度13 h達到峰值，CO通過本地累積與上游傳輸影響，對本次過程暴發(fā)階段AQI迅速上升至峰值起到重要作用。

3 污染過程形成機理分析

3.1 環(huán)流背景

環(huán)流背景分析（圖2）表明，2019年1月5日8：00至7日8：00為此次重污染的積累階段，5日夜間至6日凌晨湖南省上空500 hPa有一次淺槽快速移動影響，其他時段中高緯地區(qū)為兩槽一脊型，中低緯受南支槽影響，省內處于槽前西南氣流中，低層有切變輻合在湘西南，且存在一支12 m/s以上的低空急流，地面冷高壓中心達1 050 hPa。5日8：00在1 030 hPa的冷空氣前鋒已南下至長江流域一帶，冷空氣首先從東路擴散南下，至6日轉為偏北路徑加速南下。925 hPa風向6日轉為偏北風，低層北方污染物向南的傳輸通道初步建立。7日10：00進入暴發(fā)階段，從7日20：00高低空環(huán)流配置分析，中低層西南暖濕氣流逐漸加強且850 hPa風速存在切變輻合，地面受均壓場控制，10 m風場在湘東北存在風向輻合，有利于污染物的吸濕增長和北方的污染物沉積，造成了此次污染過程中PM2.5的暴漲。8日開始隨著南支槽加深，輻合切變加強，降水增大，冷空氣主體南下，風力加大，污染物得到有力擴散，同時受濕沉降清除，污染過程結束。

圖2 2019年1月6日20：00（a）和1月7日20：00（b）500 hPa形勢場（紅色等值線）、10 m風場（黑色風向桿）和海平面氣壓場（黑色等值線）

3.2 污染擴散條件分析

3.2.1 FY-4衛(wèi)星資料分析 衛(wèi)星因具有大范圍連續(xù)性等優(yōu)勢，可獲得高時空分辨率光譜信息，不僅能反演云的微物理特征及云降水監(jiān)測［23］，最新的氣象衛(wèi)星還具備大氣成分的觀測能力，可監(jiān)測全球的臭氧和氣溶膠。云頂溫度越低表明云頂發(fā)展越高，利用衛(wèi)星對云探測敏感的優(yōu)勢，將TBB與上升氣流強弱聯(lián)系起來，可反映垂直運動的情況。利用FY-4A紅外（10.8μm）通道云頂亮溫資料與污染物濃度關系進行初步分析，結果見圖3。積累階段PM2.5上升時TBB同位相上升，二者呈正相關，且維持高于-10℃的相對高值區(qū)域。該階段TBB先升后略有下降，6日9：00達第一個波峰3.67℃，11：00 PM2.5出現第一個波峰。TBB對應云層高度低。對比6日20：00、7日8：00長沙探空站分析可知（圖略），0℃層高度對應在3 km左右，可見云主要以中云和低云為主，有利于暖干蓋的形成，但不利于污染物的垂直擴散，從而導致濃度上升。暴發(fā)階段TBB小于0℃，平均為-5.2℃，在-10～1℃擺動，振幅加大，當PM2.5出現第二個波峰時，TBB表現出從波峰到波谷的顯著變化。結合8日8：00溫度對數壓力圖（圖略）可知，云頂溫度在-10～0℃對應1.5～6.0 km高度，說明該階段仍以大范圍穩(wěn)定性中低云系為主。清除階段TBB明顯下降，最低達-33℃，大多時次低于-15℃，云系發(fā)展至8 km以上，有處于污染物垂直擴散。

圖3 長沙市1月5日8：00至9日8：00 TBB與PM 2.5的變化趨勢

從污染過程的積累和暴發(fā)兩個階段PM2.5濃度波峰時段10.8μm長波紅外云圖（圖4）的云型結構、色調、紋理特點進行分析，可以看出積累階段6日8：30（圖4a）長沙市TBB達最大，為3.67℃，云的色調偏暗，呈灰色，云層較厚，高原上空有較整齊的云邊界，低云覆蓋高原及長江流域大部分地區(qū)；11：30（圖4b）長沙上空絮狀云系顏色更暗，呈灰黑色，云邊界模糊，說明該階段云的發(fā)展高度逐步降低，暴發(fā)階段河套以南大部分地區(qū)為邊界清晰、呈盾狀的槽線云系，云區(qū)寬廣、色調白亮，湖南省距離低槽較遠，云系較松散，中云和低云不均勻覆蓋；從7日22：30（圖4c）至8日0：30（圖4d）云的變化來看，隨著低槽的移近、盾狀云系的邊界更加清楚，云系覆蓋范圍更廣，湖南省上空基本為灰白色降雨云團，結合降雨量時序圖分析，8日14：00之后出現有效降雨，對污染物有沖刷作用使得濃度迅速下降，過程結束。

圖4 污染積累階段（a.6日8：30，b.6日11：30）、污染暴發(fā)階段（c.7日22：30，d.8日0：30）衛(wèi)星云圖

3.2.2 垂直風廓線與水平風 大氣中湍流擴散能力在垂直風廓線中有所反映，尤其是地面輻合線對污染物濃度出現暴發(fā)性增長有重要作用［24］。分析兩個階段污染波峰時段垂直風廓線分布可知，積累階段（圖5a）初期（5日16：00至6日2：00）3 000 m以下均為偏北風，且風速自3 000 m下傳使地面風速從0～2 m/s加大至4～6 m/s，說明中層有冷平流下傳，地面受冷空氣侵入，污染物濃度增加。到6日8：00地面風速為1～2 m/s，北風層次降低，700 m以下為偏北風，700 m以上從偏東風轉為西南風，風向隨高度順轉，有暖平流。邊界層至3 000 m存在暖干蓋覆蓋且貼地層為微風的穩(wěn)定大氣層結，有利于污染物在邊界層以下集聚，6日11：00 PM2.5和PM10達積累階段峰值。暴發(fā)階段7日18：00（圖5b）北風層次向上擴展至2 000 m，冷空氣厚度加大，冷平流加強，風速加大，1 500 m以下風速大多在4～8 m/s，近地層風速大多為2～6 m/s，到7日23：00—24：00間1.5 km以下北風風速出現過程最大值，達8～10 m/s，說明傳輸作用占該階段主導地位，上游地區(qū)污染物以偏東路徑隨東北氣流向長沙市傳輸。結合前述軌跡分析，此次外來源輸入對長沙市重污染天氣起到加劇作用。8日15：00之后，100 m以下地面風速開始明顯增大至6～8 m/s，有利于污染物在近地層水平擴散，濃度下降。

圖5 長沙市污染積累階段（a.1月5日16：00至6日15：00）、暴發(fā)和清除階段（b.1月7日18：00至8日20：00）0～3 km垂直風廓線

近地面風速大小是邊界層內污染物水平擴散的重要條件，而該地污染物的傳輸方向與擴散通道則取決于風向與風頻。本次污染過程中地面風速最大為3級風，風速在1.6～3.3 m/s的占85.4%，0.3～1.5 m/s（1級風）和3.4～5.4 m/s（3級風）的各占7.3%。污染過程中最大10 min平均風速僅為4.0 m/s，當污染物濃度達峰值時，風速大部分在1.5～3.0 m/s（圖6），說明近地層一定強度的風力可加強污染物水平湍流，使其在一定區(qū)域濃度上升。

圖6 長沙市1月5—8日PM 2.5與地面水平風速散點分布

3.2.3 溫度和濕度垂直分布 溫差是大氣熱力作用的主要驅動因素［25］，溫度隨高度增加的現象稱之為逆溫，它是重污染天氣形成和維持的重要條件。中低層逆溫使大氣層結更為穩(wěn)定，多層逆溫可加大逆溫層次厚度［26］，強逆溫使污染天氣維持并加重［27］。低層濕度高對大氣中細顆粒物吸濕增長也有重要作用，粒子直徑增大、數量增多都會使污染物的濃度升高。利用長沙站的探空資料，繪制了1月6—8日溫度和露點的垂直分布廓線（圖7）。分析表明，積累階段6日8：00（圖7a）700 hPa以下中低層溫度露點差小，高濕維持時間長，使大氣中的細顆粒污染物在低空不斷吸濕增長，逆溫在該階段最為清楚，925～700 hPa溫度從1.2℃升至5.8℃，利于污染物的堆積并導致濃度逐步上升。暴發(fā)階段7日20：00（圖7b）濕層高度升高至700 hPa，濕層更加深厚，近地面溫度露點差小、高層較大的溫度露點差造成顯著的上干下濕層結分布使水汽在邊界層積累，細顆粒物漂浮在空中吸濕增長；同時，逆溫維持在925～700 hPa高度，達3.8℃，較長時間的持續(xù)逆溫不利于污染物的垂直擴散［28］，細顆粒物在近地層積累、重污染暴發(fā)。8日20：00（圖7c）隨著北方干燥冷空氣的南下，邊界層相對濕度迅速變小，逆溫減弱消失，有利于污染物擴散、過程結束。

圖7 長沙站1月6—8日溫度、露點溫度隨高度變化曲線

3.3 污染過程氣象特征分析

3.3.1 能見度與總云量 本次污染過程能見度差，大部分時段能見度小于1 km，全過程小于3 km，出現重污染（圖8a）。吳兌等［29］研究認為，能見度小于5～7 km可用于判斷典型霾天氣過程。積累階段6日20：00至7日14：00出現小于1 km低能見度天氣，該時段細粒子污染物達150μg/m3，呈負相關。暴發(fā)階段能見度有所上升，但總體仍然維持小于2.5 km的低值。有研究表明，高污染也是導致能見度迅速降低的主要原因之一［19］。從PM2.5與總云量的變化來看（圖8b），以100%定義為滿云，PM2.5積累階段總云量在40%～60%，云系較多，結合前述云圖分析，長沙市上空覆蓋中低云系，有利于PM2.5在云底以下積累，污染逐漸加重；隨著總云量2次陡增至100%，即天空滿云覆蓋時阻止污染物垂直擴散，從而近地層大量細粒子污染物積累，污染進入暴發(fā)階段。

圖8 長沙市1月5—8日PM 2.5與能見度（a）、PM 2.5與總云量（b）的變化趨勢

3.3.2 相對濕度與降雨量 本次污染過程相對濕度平均達95%以上，有利于污染物吸濕增長，同時相對濕度大創(chuàng)造了利于氣態(tài)污染物向顆粒物二次轉化的環(huán)境條件［30］。細顆粒物濃度變化與相對濕度常常表現為正相關的一致趨勢變化［31］，高的相對濕度有利于二次顆粒物、亞硝酸鹽等的形成與加重［32］。5日8：00至8日14：00大多時次以0.0 mm微量降水為主，降雨量最大僅為0.2 mm，空氣中相對濕度較高，積累階段的弱降雨使云中冰核數量增加［33］，有利于污染物集聚。其中在6日20：00至7日14：00出現連續(xù)時段0.1～0.2 mm降水，緊接著出現PM2.5波峰，說明當接近飽和時，污染物吸濕增長達到最大值。正如Baik等［34］所述PM2.5中的水溶性化合物具有較強吸濕性，其含量和粒徑會隨濕度升高而增大。另外，8日14：00—16：00連續(xù)3 h出現逐小時2.0 mm以上降雨量時，PM2.5和PM10濃度下降，空氣逐漸變清潔，可見濕沉降也是導致本次污染過程快速結束的重要因素之一。

3.4 污染物來源分析

為了解本次過程中的污染來源，采用美國的后向軌跡模式HYSPLIT4選取污染積累階段（1月6日2：00）和暴發(fā)階段（1月8日20：00）2個時次進行48、72 h后向輸送軌跡模擬。軌跡的終點設為長沙站，軌跡設了3個終點高度（100、500、800 m），軌跡1（藍色）和軌跡2（綠色）分別為高空500 m和800 m高度氣塊的模擬軌跡，軌跡3（紅色）為近地層氣塊的模擬軌跡（圖9）。積累階段，從100 m近地層到800 m中層氣團均主要來自河南省一帶，以偏北路徑影響湖南省中部以北地區(qū)。由于4—8日長江流域附近基本為云系覆蓋，MODIS未監(jiān)測到有效火點信息，因此根據上游鄭州市、武漢市的AQI、PM2.5時序變化，發(fā)現鄭州市PM2.5濃度于4日0：00達275 μg/m3，武漢市PM2.5濃度于4日20：00達150μg/m3，而長沙市PM2.5濃度于5日13：00達162μg/m3，且鄭州市和武漢市達峰值后迅速開始下降，說明污染物是自北向南傳輸的。500 m和800 m高空的模擬路徑較為相似。中低層污染氣團軌跡相同，受氣團疊加影響，從河南省中部長距離傳輸影響長沙市，是導致此次重污染天氣發(fā)生的重要原因之一。

圖9 長沙站（28°12′N，113°12′E）2019年1月6日2：00（a）、1月8日20：00（b）后向軌跡模擬

4 小結

1）PM2.5是長沙市此次重污染天氣過程的主要污染物，CO在積累階段累積或通過傳輸影響至本地，對暴發(fā)階段AQI達到峰值起重要作用。

2）中低層污染氣團軌跡相同，受氣團疊加影響，污染物從河南省中部長距離傳輸影響長沙市，是導致此次重污染天氣的主要原因之一。

3）云頂溫度可以反映云層發(fā)展高度，對判斷污染物濃度垂直擴散起重要作用。積累和暴發(fā)階段以大范圍穩(wěn)定性中低云為主，TBB大于-10℃。風廓線資料分析得知，在暴發(fā)階段上游地區(qū)污染物隨東北氣流向長沙市輸送，在本次污染物傳輸作用中占主導地位。

4）850～700 hPa有明顯逆溫層或等溫層、高層空氣相對濕度小均為本次重污染天氣的有利氣象因子。在本次重污染過程中，積累和暴發(fā)階段出現間歇性微量降水使PM2.5中的水溶性化合物含量和粒徑增大而達到峰值；當出現2.0 mm以上降雨量時，污染物迅速得到清除，濕沉降是導致本次污染過程快速結束的重要因素。