长沙市一次重霾污染条件下环境空气质量预报研究

张琴+彭庆庆+罗岳平+杨云芸+刘妍妍+曾钰

摘要：以2014年6月12～17日在长沙市发生的一次空气重污染过程为例，对长沙市大气污染整体水平、周重点城市空气质量变化情况、污染物浓度变化走向及趋势、污染特征进行了分析，并结合风、湿度、气压等气象参数对未来72 h城市空气质量进行了预报。结果表明：外源输入性污染是导致此次灰霾发生的不可控原因，在当地污染源排放基本稳定的前提下，均压场、静风、逆温、暖湿气流、降水等气象条件的准确判断是开展空气质量预报的关键。15日，长沙市高空为高压环流形势，无明显降水，均压场形势，近地面静风或微风，大气稳定度较高，不利于污染物的扩散和清除；16日，受高空槽和地面气旋波影响，偏南风加强，并迎来一段阴雨天气，大气污染扩散条件有所改善，污染天气有所缓和；17日，西南暖湿气流旺盛，中低层有切变，长沙市区阴天，并有中等阵雨或雷阵雨。降雨发生后，污染物浓度迅速降低，污染过程结束。

关键词：霾；重污染；气象条件；空气质量预报；外源输入

中图分类号：P458

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）20-0020-05

1 引言

我国城市灰霾天气频发，并呈现影响范围广 、持续时间长、污染物浓度高等特征（唐宜西等，2013），受到社会广泛关注。灰霾天气出现时，室外能见度降低，容易引发交通事故，诱发各种疾病，严重干扰城市正常运转（白志鹏等，2006；程从兰等，2003；刘玉兰等，2012；宋宇等，2003；吴珂等，2013）。2014年，在湖南省境内发生多次大范围、 长时间的灰霾天气，空气污染严重影响人们的生产生活和身体健康。准确研判污染现状及走势，开展有效空气质量预报工作对减少灾害损失，科学降霾至关重要。以2014年6月12～17日在长沙市发生的一次重污染天气为例，对其污染特征和气象条件等进行综合分析，并通过部门会商，对未来72 h城市环境空气质量进行预报。同时，探讨灰霾成因，以及其持续时间与气象条件的关系，从而深化对灰霾现象的认识。

2 研究背景

2014年6月，长沙市进入初夏，城区环境空气质量较好。12日12：00，位于湖南省北部的湖北省武汉市实时AQI迅速升高，18：00左右达到最高值500，污染等级为严重污染。22：00，AQI又快速回落至200左右，并维持相对稳定，详见图1。13日清晨起，我省长沙市的环境空气质量开始明显下降，并达到严重污染等级，周边的岳阳、湘潭、株洲均出现中度污染以上天气。14日开始各地空气质量均恢复平稳，15～17日小幅波动后空气质量恢复良好，研究锁定在6月12～17日这个变化周期。

3 资料和方法

根据PM2.5浓度变化特征，结合综合的高低空气象资料和天气形势资料，解释此次重污染天气形成、持续直至结束的原因，为霾天气的预报、预警提供依据。本文选取资料时间长度为2014年6月12日0：00至17日23：00；空气质量监测资料来源于湖南省长沙市、株洲市、湘潭市、岳阳市、常德市和张家界市已建成的空气自动监测站点。长沙市空气自动监测点位如图2。

4 结果与讨论

4.1 长沙市环境空气质量的变化情况和原因分析

长沙市PM2.5质量浓度随时间的推移呈现明显的“山”字型变化特征（详见图3）。12日晚间，受污染气团影响，PM2.5质量浓度出现快速上升趋势，于12日22：00开始激增，至13日2：00达到第一个峰值（352 μg/m3），之后略有回落；随后，可能又受到小股污染气团的影响，13日清晨PM2.5的质量浓度再次上升，于13日7：00达到最高峰（549 μg/m3）；峰值过后PM2.5质量浓度呈显著

下降趋势，在13日15：00出现最后第三个峰值（264 μg/m3），16时后，PM2.5质量浓度逐步下降，并趋于稳定。此次污染过程总体概括共历经四个阶段：污染前平稳期为12日1：00～22：00，长沙市PM2.5浓度基本保持稳定，维持在150 μg/m3上下；污染物累计期为12日22：00～13日7：00，长沙市PM2.5浓度由138 μg/m3迅速上升至549 μg/m3，升幅达259%；污染消退期为13日7：00～14日1：00，PM2.5浓度由496 μg/m3下降至100 μg/m3，降幅达到396%；污染后平稳期为14日1：00～15日0：00，PM2.5浓度基本维持在100 μg/m3上下。详见图3。

选取长沙市10个城市环境空气监测点位的PM2.5质量浓度进行分析。结果表明，12～14日的72 h内，10个监测点位的PM2.5质量浓度变化趋势具有较好的相似性，即在12日1：00～22：00基本保持稳定，浓度在200 μg/m3以下；12日深夜，各点位的PM2.5质量浓度开始加快升高，12日23：00～13日6：00为污染物累积阶段，PM2.5质量浓度波动式上升且均维持在较高水平；到13日晨6：00～7：00，10个监测点位的PM2.5质量浓度均达到峰值。其中，长沙市最北端的沙坪（对照点）位于污染物向南传输通道上，首先于13日6：00出现最大峰值392 μg/m3；而位于中南部的其他9个监测站点也分别于13日7：00左右达到峰值，浓度范围在386～602 μg/m3之间。

总体来看，本次长沙市10个空气质量监测点位的PM2.5质量浓度几乎在同一时间发生突变（图4），而本地大气污染物排放没有突发事件发生足以使全城环境空气质量严重恶化。此外，位于最北端的沙坪站点相对其余9个站点提前了1个 h达到污染峰值，表明了此次大气污染可能是输入性的，且具有自北向南的污染传输特征。

4.2 周边城市环境空气质量的变化情况和原因分析

从长沙市周边5个城市的PM2.5的质量浓度监测结果看，12日1：00～19：00，都相对平稳的变化。但从20：00开始，位于最北部的岳阳市的城市环境空气质量开始变差，PM2.5质量浓度迅速攀升，到13日0：00达到峰值352 μg/m3，且较长沙市出现峰值的时间早了7 h；毗邻长沙市且位于我市南部的湘潭市与长沙市PM2.5质量浓度的变化趋势基本一致，但由于污染气团向南推进需要时间，因此PM2.5峰值出现的时间较长沙晚了1 h，于13日8：00达到434 μg/m3的最高值。株洲市整体受此次污染影响较小，12日1：00～13日16：00 PM2.5质量浓度一直在100 μg/m3上下小幅波动，13日18：00上升至最大值240 μg/m3，峰值出现的时间较长沙推迟了11 h，且峰值浓度有大幅下降，可能是污染气团向南推进，速度快，且卷扫范围比较狭小，向东扩散效果不明显所致，位于长沙市西部的常德和张家界市由于相同的原因，受影响小，污染相对较轻，详见图5。

4.3 污染过程气象条件分析

根据卫星遥感大气气溶胶监测产品做出的后向轨迹图7可知，6月12～13日，污染气团主要来自北方城市，经湖北省传输至位于湖南省最北部的岳阳市，受偏北风影响，最早出现PM2.5污染；长沙市和湘潭市境内的主导风向仍为偏北风，PM2.5污染趋势基本同步；而株洲市境内呈现南风和北风盘旋对峙局面，南风带来的清洁气团与北风携带的污染气团互消互制，因此污染情况较长沙和湘潭市轻，且峰值滞后出现；常德市和张家界市境内的主导风向为西风，受污染气团影响相对较轻（详见图6和图7）。

从13日20：00和14日8：00ECWRF_海平面气压图可以看出（图8），6月13～14日期间，长沙市高空等压线稀疏，处在均压场控制之下，地面和低空风速较小，低层大气层结稳定，气象条件不利于污染物的扩散。

4.4 6月15～17日长沙市城市环境空气质量预报

4.4.1 预报研判

在对6月15～17日实况资料分析的基础上，以14日为基准日，对长沙市未来72 h城市空气质量变化的趋势进行预报（图9）。15日，高空仍为高压环流形势，无明显降水发生，地面为均压场形势，中高空主导风向为西风，近地面静风或微风，大气稳定度较高，总体气象条件较差，不利于污染物的扩散和清除，PM2.5将维持较高水平，长沙市的环境空气质量以轻至中度污染为主；16日，受高空槽和地面气旋波影响，偏南风加强，并将迎来一段阴雨天气，大气污染扩散条件有所改善，长沙市的环境空气质量以良至轻度污染为主；17日，高空处于副高边缘，西南暖湿气流旺盛，中低层有切变，且有中等阵雨或雷阵雨发生；地面低压有所发展，低层湿度明显加大，垂直扩散对流加强。因此，从16日起，长沙市的PM2.5质量浓度开始逐渐下降；17日，由于出现降雨，PM2.5质量浓度迅速降低，污染过程结束。

4.4.2 预报结果的准确性检验

根据对未来3 d的预报结果，15～17日长沙市的城市环境空气质量将逐步改善。预测15、16和17日3 dAQI等级分别为中度污染、轻度污染和良，中值分别为155、108和87，首要污染物均为PM2.5。实测结果表明，15、16和17日3天的AQI等级分别为中度污染、轻度污染和良，中值分别为165、110和70，首要污染物均为PM2.5，详见表1。实测值与预测值保持较好的一致性，预报准确率较高。

4.5 本轮大气重污染特征分析

这次发生在长沙市的大气重污染天气，各方面的证据表明，是一次典型的自北向南的外源性输入过程，首要污染物为PM2.5。6月12日夜间，污染气团抵达湖南省境内后，位于最北部的岳阳市的AQI指数迅速升高，随后，长沙市的AQI指数相应增高，并达到严重污染等级。而污染气团过境后，AQI指数应声下降，14日为轻度污染等级。由于后续的气象条件比较不利于污染物扩散，15日又经过了一个弱升高波动，之后AQI稳步下降，到16～17日，长沙市出现大范围降水，污染过程结束。本次大气污染从发生到结束共历时6天。最初来得急、并且污染强度很大，最重污染日空气质量级别达到六级。但污染持续的时间并不长，污染气团过境后，空气质量立即回复到正常水平。长沙市AQI在大气污染期间的变化情况详见表2。在污染后期，结合数值模型预报未来72 h的城市环境空气质量，准确率比较高。判断大大提高了此次空气质量预报的准确率，使预测值更加接近真实值。详见表2。

5 结论

（1）6月12～14日，受偏北气流影响，外源性污染气团由北向南输送至长沙市境内，导致该市的城市环境空气质量迅速下降，达到严重污染级别。污染前后持续了6 d。

（2）大气污染期间，长沙市受较强的海平面高压和均压场控制，垂直大气层结稳定，无风，加上逆温的出现，不利于污染物的扩散、沉降和消除。在污染过程后期，较强的西南暖湿气流和降水的出现 使大气污染得到控制。由此可见，在外源输入和较强静稳天气形势下极易出现重污染天气，但是强对流和降水的发生，能有效改善城市的环境空气质量，起到积极的改善作用。

（3）在污染源排放数量、位置和强度没有变化或变化不大的前提下，空气污染潜势预报主要由天气形势和气象参数决定，预报准确与否的关键是确定合适的气象因子。本次污染过程污染源排放基本保持稳定，在外源输入的前提下，高压、均压场、逆温等静稳天气的准确判断对未来符合造成强污染的判据具有重要指示作用，而暖湿气流、对流及强降水等气象形势的准备判断则对重污染的缓解直至消除起到重要指示作用。

参考文献：

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