贵阳市冬季一次典型PM2.5污染过程分析

刘 群 张春辉 石 宇 王 琴 徐 徐

(1．贵阳市环境信息中心；2.贵阳市环境空气质量预测预报中心，贵阳 550000)

随着城市化和工业化进程的加快，以PM2.5为首的污染物成为影响我国冬季空气质量的关键因素。针对PM2.5重污染过程，已有众多学者在京津冀地区[1-6]、上海市[7]、广州市[8]、成都市[9-10]等城市开展了大量研究。在污染源排放变化不大的情况下，气象条件变化是影响大气污染过程的主要原因[11]。吴战平等[12]从天气形势和污染物演变角度综合分析2013年贵阳市2次空气污染过程。众多研究表明，大气污染过程发生时的气象条件一般表现为天气形势静稳、边界层高度低、近地层存在逆温、湿度高、风速弱等特征。

贵阳市是西南地区重要的中心城市之一，地处贵州省中部。2013年9月13日，国务院颁布了《大气污染防治行动计划》(简称“大气国十条”)，贵阳市相继出台了“蓝天保护”等行动计划，着力解决贵阳市扬尘、机动车尾气和煤烟混合型污染，空气质量改善效果显著，优良率逐年提高，从2014年的86%提高到2019的98.1%[13-14]。然而受地理和气象条件等因素的影响，贵阳市冬季颗粒物污染天气时有发生。为研究贵阳市冬季污染过程气象条件的演变，对2020年12月20-29日这一污染过程，本文从PM2.5浓度变化、气象条件演变及对PM2.5浓度的影响、秸秆焚烧和区域性污染传输等方面进行分析，以期提高对贵阳市空气污染过程特征的认识和可预报性，为贵阳市污染天气预警预报提供参考。

1 资料

2020年12月20-29日贵阳市AQI、PM2.5、SO2、NO2等日均及小时数据来源于贵阳市10个空气质量自动监测国控站；12月20-29日贵州省其他地州市AQI数据来源于中国环境监测总站数据公开发布平台。常规气象参数观测数据来源于贵阳国家基本气象站(57816)地面观测和高空观测数据。

2 污染过程概况

2.1 空气质量整体演变情况

污染过程期间，PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO等污染物AQI变化曲线一致，首要污染物均为PM2.5，见表1。

表1 污染过程期间全市平均主要污染物浓度及空气质量级别统计表

此次污染过程可分为三个阶段(图1)。第一阶段(20-22日)：污染物累积阶段；第二阶段(23-25日)：污染状况加剧，PM2.5浓度升高，至25日达到峰值(AQI为102)；第三阶段(26-29日)；污染状况逐渐缓解，PM2.5浓度整体下降，29日AQI降为优，污染过程结束。污染过程期间每日污染时数如图1所示，第一阶段，空气质量小时AQI整体为良；第二阶段轻度污染时数占比明显升高，25日出现13时次轻度污染，占比54.2%，日均AQI出现轻度污染；第三阶段污染时数减少，优良时数增多，空气质量转好。

图1 贵阳市2020年12月20-29日空气质量污染时次的逐日分布图

2.2 污染过程期间污染物小时浓度演变

图2反映了此次污染过程期间NO2和SO2与PM2.5小时浓度日夜变化。NO2小时浓度在一定程度上能够反映机动车尾气的污染情况，NO2浓度在每日早、晚高峰后上升反映了机动车尾气排放对贵阳市的影响，而过程期间PM2.5的峰值浓度晚于NO2的峰值浓度，体现了NO2向二次粒子转化的化学反应。SO2浓度主要反映了燃煤的排放情况，与NO2相同，PM2.5的峰值浓度基本晚于SO2的峰值浓度，这也体现了SO2向二次粒子转化的化学反应；SO2夜间时段保持较高浓度，尤其从19-23时呈快速增长趋势，分析主要由于本地燃煤散烧排放累积，在夜间19时后相对湿度升高，SO2向硫酸盐转化的速率增加，其转化生成的二次粒子对PM2.5的贡献增大，而SO2自身的浓度水平得到明显降低。

图2 污染过程期间贵阳市NO2、SO2和PM2.5小时浓度变化图

3 污染过程天气形势及气象要素分析

3.1 天气形势分析

此次污染过程期间，贵阳市受入海高压后部流场影响，500 hPa环流平直，700 hPa气流主要为西南风向(如图3所示)，温度场显示存在明显增温回暖过程，850 hPa主要为偏东风转偏南风，850 hPa温度场显示，贵阳地区受到暖脊影响，为大气产生稳定层结创造了良好的条件，不利于污染物在垂直方向上的扩散。地面从高压控制转为高低压过渡带，水平风速很弱，早晚湿度大有轻雾，天气形势处于静稳状态。垂直方向中高层大气系统较强，却很难扰动近地层，稳定的地面系统不利于贵阳市内大气污染物的扩散和清除。

图3 12月25日中高层和地面天气实况图(08时和20时)

3.2 气象要素影响分析

由图4可看出，20-22日受静稳、高湿、近地逆温等不利气象条件影响，贵阳市细颗粒物快速积累。23-24日贵阳市受弱冷空气影响，高层风场有所加强，但近地层受到影响较小，北风为主，风速很弱，气温未明显下降，湿度增大，未形成有效降水，在空气湿度大而未发生沉降的情况下，颗粒物附着在水汽中，悬浮在空气中不易扩散，从而加剧了气态污染物的二次转化(主要为硫酸盐、硝酸盐等)和颗粒物的吸湿增长，出现长时间小时污染；25日地面风场继续减弱，PM2.5浓度继续累积升高，出现轻度污染天气。26日开始，湿度继续增大，形成有效降水，PM2.5浓度有所降低，空气质量开始有所好转。

图4 污染过程期间PM2.5浓度与气象要素逐时变化图

污染过程期间，贵阳市大气相对湿度的范围在56%～99%之间，平均高达78%。由于贵阳市大气相对湿度维持较高水平，在一定的相对湿度范围内，大气颗粒物吸湿增长不易扩散。从图5可看出，在20-25日PM2.5/PM10浓度比值与相对湿度变化基本一致，夜间时段随湿度升高而升高，白天时段随湿度降低而降低，这说明在未形成有效降水时段，PM2.5与相对湿度相关性比较显著，在夜间时段高湿度条件下导致PM2.5吸湿增长浓度累积升高，PM2.5/PM10浓度比值随之升高。26日持续性降水之后，PM2.5的浓度明显降低，湿沉降对去除PM2.5的作用显著。

图5 污染过程期间PM2.5/PM10比值随湿度逐时变化图

3.3 探空图分析

根据姚源山等人[15]的研究发现，贵阳市呈现逆温次数冬半年(11-4月)多、夏半年(5-10月)少的季节特征，在垂直方向上，逆温高层多(月平均有11次)，近地层少(月平均仅有2～3次)，逆温层多出现于夜间至清晨时段。22日夜间至27日清晨，贵阳市上空600 hPa以下均存在不同程度的逆温，特别是25日(PM2.5污染日)逆温(等温)程度明显增强(见图6)，逆温层从地面一直延伸至750 hPa高度，高层下沉逆温与地面辐射逆温合成一体，不但强度大且持续时间长，逆温增强时段与污染最重时段相对应。逆温层的存在增强了大气层结稳定度，为污染过程的维持和发展提供了有利的气象条件。

图6 12月23日08时-25日20时探空图(红色：温度层结曲线，绿色：露点温度变化曲线，黑色：状态曲线)

4 区域性污染分析

细颗粒物污染过程的特点一般为持续时间长，影响范围大，贵阳市此次污染过程是区域性污染背景下形成的。有研究表明[16-17]，每年11-12月和3-4月，大量的玉米、大豆秸秆在田间就地焚烧，产生了大量浓重的烟雾，在大气流动的作用下，区域之间相互影响，成为城市空气质量的重要污染源。根据地表高温点检测系统(见图7)显示，污染过程期间，贵州省内存在较多火点，对各城市空气质量造成不利影响。

图7 污染过程期间贵州省各地州市火点分布图

Stohl等[18]运用拉格朗日粒子扩散模式(FLEXPART)验证了城市区域间的污染输送。Zhai等[19]同样利用FLEXPAPT反向追踪了北京市雁栖湖地区空气质量影响最大的敏感源区。在研究污染物输送扩散以及潜在源区识别方面，后向轨迹模型(HYSPLIT)成为研究这一问题的有效手段，王郭臣等[20]结合HYSPLIT模型，用聚类方法研究2015年北京冬季出现的一次PM2.5严重污染过程，用潜在源贡献因子分析法和浓度权重轨迹分析法分别模拟了这次过程的主要潜在源区。本文采用HYSPLIT模型模拟了此次污染过程(见图8)，72h后向轨迹图显示气团源于遵义市湄潭县，120h后向轨迹图显示气团源于铜仁市思南县。

图8 12月25日20时贵阳市72h和120h后向轨迹图(世界标准时)

污染过程期间，贵州省整个区域地面风速较弱(见图9)，整体以东北偏东风为主；铜仁、黔东南和贵阳等地依次出现污染天气(见图10)，这说明污染物通过高空和地面的气流向贵阳市输送，存在一定程度的传输效应。

图9 12月25日20时贵州省地面风场图

图10 污染过程期间贵州省各地州市AQI日变化图

5 结论

(1)贵阳市此次污染过程受南部静止锋影响，处在冷、暖气团交汇的锋面附近，地面静风，不利于近地面空气污染物向区域外水平输送；500 hPa高空环流较平直， 700 hPa存在明显增温回暖过程，850 hPa贵阳地区受到暖脊影响，存在逆温，增加了大气稳定度，加剧了污染过程；地面有轻雾，湿度持续性偏高有利于PM2.5的吸湿增长，不利于扩散。

(2)贵阳市此次污染过程除受静稳、逆温、高湿、小风等不利气象条件影响叠加本地排放外，秸秆焚烧以及来自省北部和东北部地区外来输送对本次污染也有一定程度影响。

(3)在冬季出现PM2.5高浓度维持阶段时，其扩散清除过程比较缓慢，在冷空气南下过程是否发生降水的不确定性较大，在冷空气强度偏弱、气温下降幅度不明显、湿度增大未形成有效降水情况下，PM2.5反而易吸湿增长浓度升高；冷空气强度中等及以上、形成有效降水并配合降温过程时，PM2.5浓度才会明显下降，在冬季空气质量预报时应尤其注意。