2019年湖南一次重污染天气过程成因分析

唐杰 杨云芸* 李蔚 王晓雷

(1 湖南省气象台,长沙 410118; 2 气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118)

引言

随着我国经济和科技的腾飞，工业化进程加快，导致了各类空气污染天气频发[1-3]，不但对居住环境、能见度造成影响，而且成为引发肺炎、支气管炎等呼吸道疾病的诱因[4-5]，对国民身体健康造成潜在威胁。空气污染过程城市较多，主要由气象条件及排放源两部分组成[6-7]。

许多学者进行了关于污染天气过程的天气成因和来源分析的研究，为空气污染的提前防治和预报预警提供了理论依据[8-10]。研究结果显示造成污染的来源主要为本地排放和外区域输送[11-12]，气象条件(风速、降水、温度、湿度等)在很大程度上决定了污染物的扩散、传输和沉降的速度，污染的维持和加强往往得益于适当的环流形势和稳定的大气层结相配合，特别是大范围均压场易造成大气污染物的汇聚[13-15]。在水平和垂直方向上，持续的贴地、悬浮多层逆温和低混合层高度抑制了污染物的扩散，让PM2.5质量浓度持续累积增长[16-18]。周益平[19]等分析研究了影响湘南一次重污染过程，指出低层东北风和近地面至中高层高于70%的相对湿度有利于污染爆发。张琴[20]等指出湖南整体大气层结稳定、近地面风速小、相对湿度大等有利于外源性输入为主的重污染天气发生。2019年12月12—16日长沙及附近地区发生了一次持续性污染天气过程，长沙地区AQI(空气质量指数)持续上升，16日03:00(北京时)AQI达285，接近严重污染水平，污染状况严峻。本文利用颗粒物质量浓度监测资料、NECP再分析资料和地面气象要素观测资料，结合卫星资料以及后向轨迹模拟，对此次持续性污染天气过程进行分析，深入探究污染的形成及消散机制，为更好地开展重污染天气的预报预警服务提供理论依据。

1 重污染天气过程及成因分析

本文所用资料为湖南省长沙国控站环境空气质量监测的6项大气污染物(PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO)监测数据，气象数据采用湖南省气象局日常观测数据，美国NCEP再分析资料、MODIS气溶胶光学厚度资料，并利用HYSPLIT后向轨迹模型对长沙上空污染源运动轨迹进行模拟分析。

1.1 污染实况分析

2019年12月12—16日湖南出现一次持续性重污染天气过程(图1)，过程首要污染物为PM2.5，全省14个城市均受到不同程度影响。此次过程重污染天气从湘中地区开始并发展扩大至湖南大部分地区。从我国东部各市污染演变图可以看出，12日开始污染主体主要在湖北中部、河南南部地区。 12月12日夜间起，受大气静稳、区域高湿等不利气象条件影响，污染物浓度开始上升，逐渐向湖南传输，13日湘中地区出现3个城市中度污染。14日受上游污染物持续输入，湖南位于高压底部受北部高压和南部低压的共同作用，偏南风和偏北风在湘中汇合，形成准静止结构，污染物在湘中区域持续累积，出现4个城市重度污染，4个城市中度污染；15日不利扩散条件维持，全省共6个城市重度污染，6个城市中度污染；16日，污染程度稍有减轻，但湘中地区仍有3个城市持续重度污染；17日，地面北风风速逐渐增大，扩散条件逐渐转好，4个城市轻度污染，其他为良；18日，受冷空气主体南下和有效降水共同清除影响，全省空气质量恢复优良。

图1 2019年12月12日(a)、13日(b)、14日(c)、15日(d)、16日(e)、17日(f)我国东部地区污染演变

从MODIS卫星遥感影像图中可以相应看出(图2)，13日湘东北地区开始出现灰色的云或霾混合形态，与四川上空干净大气呈现白色的云有明显区别；14日污染主要在湘中、湘东地区，15—16日污染维持并稍有南压，灰色的云雾或霾混合态主要出现在湘中及偏南地区，且灰度随着污染的加重逐渐增加，灰色调的混合物的出现及移动与湖南污染情况对应较好。

图2 2019年12月13日(a)、14日(b)、15日(c)、16日(d)MODIS遥感卫星影像

1.2 环流背景

从图3环流形势演变分析得知积累期间，12月12—13日，500 hPa欧亚大陆中高纬地区为“两槽一脊”型，即位于乌拉尔山脉东部和贝加尔湖南部的槽，两槽之间为高压脊。我国长江中下游地区( 包括湖南地区)有一次短波槽过境；海平面气压场上(图4)，11日20:00湖南位于高压底部后方，均压形势在发展；12日20:00地面形势，湖南位于高压后与低压前，地面为偏东风；13日20:00，地面仍为地面均匀场控制，地面风场表现为弱辐合区，长沙站探空图显示(图5a)，地面有较强贴地逆温，925～850 hPa湿度也有所增大，有利于污染物积累。爆发阶段，14日20:00，500 hPa湖南上空为槽前偏南气流，850 hPa和700 hPa均存在西南急流，一致的西风气流为水汽的输送建立了通道，有利于污染物的吸湿增长；地面暖低压倒槽增强，均压场形势，云系增多气温下降；长沙站探空图显示(图5b)，地面贴地逆温减弱，地面增湿，湘北转北风；15日20:00，地面暖低压倒槽继续增强，均压形势维持，云系继续增多，气温有所下降。清除阶段，中低层风向从西南风转为南风且风速不断加大，暖湿气流配合高空弱冷空气南下，上冷下暖有利于空气对流和长沙污染物的稀释扩散，使得持续3天较为严重的污染状况逐渐转好；16日20:00，地面暖低压开始减弱，湘北逐渐转北风；长沙站探空图显示(图5c)，地面逆温层抬升，地面湿度继续增湿；17日20：00，冷空气南下，北风加大(3级以上)，17日晚至18日省内平均降雨8.1 mm，全省空气质量由轻度转为优良。

图3 2019年12月12日08:00(a)、14日20:00(b)、16日08:00(c)500 hPa高度场(黑线，单位：dagpm)、风场和相对湿度(色斑)

图4 2019年12月12日08:00(a)、14日20:00(b)、16日08:00(c)地面气压(黑线)、风场和相对湿度(色斑)

图5 2019年1月13日20:00(a)，14日20:00(b)，16日20:00(c)长沙站温度(红色实线)、露点温度(绿色实线)随高度变化

1.3 长沙市PM2.5变化与各气象要素的关系

此次过程中PM2.5为首要污染物，从长沙站PM2.5与各要素随时间演变分析可知(图6)，将此次污染过程分成3个阶段，12月12日00:00至14日04:00为污染积累阶段，14日05:00至16日13:00为污染爆发阶段，16日14:00进入污染清除阶段。14日00:00 AQI值为156，长沙地区进入中度污染状态，5 h后迅速上升至209，从14日05:00开始持续出现50 h重度污染，并开始出现正弦曲线波动，污染物积累呈现波浪式增长特点。15日03:00 AQI出现爆发阶段峰值为285，接近严重污染级别，PM2.5同步达到该阶段峰值235 μg·m-3，浓度高于国标四级限定值，是首要的超标污染物。16日20:00开始进入清除阶段，AQI在20:00降至150以下，仅5 h 后达到良好级别，污染过程快速结束。

图6 2019年12月12—17日长沙市PM2.5、PM10、O3、NO2质量浓度、AQI和能见度变化

在本次污染过程中，PM2.5从积累阶段后期至清除阶段，浓度在6种指标物中都是比较高的，特别是爆发阶段，浓度值是最高的，可以看出本次污染主要是以PM2.5为首要污染物。PM2.5与PM10的变化基本同步，在污染积累阶段PM10的浓度大于PM2.5，从爆发开始至污染结束，PM2.5的浓度最高。颗粒物浓度与能见度呈反相关，污染积累阶段能见度较好，最远可达3 km。随着颗粒物的爆发式增长，能见度迅速下降，最低时为0.5 km左右。O3浓度和PM2.5基本是反相关变化，因为此次污染发生在冬季，O3浓度较低，在积累和爆发前期有3个高峰，与能见度的峰值一致，表明当能见度较好时，地面温度较高有利于O3的生成。NO2和SO2变化趋势基本一致且SO2浓度高于NO2，两者与PM2.5的变化趋势大部分时间为反相关，可能是颗粒物的浓度升高抑制了NO2和SO2的化学转变。CO与PM2.5变化趋势在污染积累和爆发阶段基本一致，在清除阶段并未有明显减小，和能见度呈反相关变化。

由污染期间PM2.5与地面24 h变压变化图可以看出(图7)，变压与污染物浓度呈反相关。积累期间地面为均压场较为稳定，本地污染物开始积累；爆发阶段暖倒槽在低层暖平流左右下开始形成并发展，倒槽东南风一侧为暖平流中心，暖平流导致暖锋前负变压明显，东风和北风在湘北地区交汇，造成本次过程中本地污染物和外来输送的叠加爆发；清除阶段，随着冷高压的南下，地面风速北风加大，倒槽减弱消失，污染物随之扩散。

图7 长沙市2019年12月12—17日逐小时PM2.5与24 h变压随时间演变

大气混合层高度是影响颗粒物浓度的重要因素之一，从本次过程PM2.5与混合层高度合成图中可以看出(图8)，除在污染累积阶段混合层高度维持较低外，后期各阶段总体呈缓慢升高趋势。在污染积累阶段，在污染剧增开始阶段，混合层高度降低至200 m左右，大气垂直方向的扩散能力减弱，大气呈现静稳状态，污染物浓度开始升高。本次污染为一次混合型污染，主要由本地污染物和外来输送共同造成爆发污染，外来冷空气不仅带来了污染物也使得混合层高度同步增加达到2000 m左右。随后冷空气主体南下，风速明显加大，混合层高度持续增加，PM2.5在垂直方向得以稀释扩散，污染迅速消散。

图8 长沙市2019年12月12—17日逐小时PM2.5与混合层高度随时间演变

长沙位于湖南中北部喇叭口地形处，为污染物主要传输通道城市之一，因此风速和风向与PM2.5的关系更为密切。整体看来(图9a)，污染物的积累阶段基本以弱风或静风为主，大气扩散条件差，有利于污染物的本地积累，PM2.5浓度逐渐升高。从14日05:00开始污染物浓度暴增阶段与受地面冷空气影响风速开始加大、风向转为偏北风变化一致，说明了风场的作用对污染物的剧增非常重要。14日开始持续的偏北风将上游的污染物源源不断向长沙地区输送，合并前期静稳天气累积的本地污染物，使得污染15日03:00达到峰值时，风速也相应超过3 m/s。综上所述，除了受地形影响外，14日开始持续较强的偏北风带来的远距离污染物输送是本次污染爆发阶段的主要原因。15日18:00后，北风持续加大，且维持在5 m/s以上，将污染物向南输送，使得长沙PM2.5浓度开始下降，并在17日达到良好级别。

从温度场的变化可以得知(图9b)，14日前无冷空气影响，最高温度出现在14日下午达15 ℃,最低温度在凌晨约为9 ℃，温差不大，层结静稳，不利于污染物的扩散并造成本地积累使得AQI缓慢上升。随着14日冷空气逐渐南下，暖中心逐渐抬高并消失，地面气温降低，15日最高气温为9 ℃至18日下降至6 ℃以下。17日后冷空气的主体使得稳定层结破坏，有利于污染物的水平扩散，污染状况得以改善。

图9 长沙市2019年12月12—17日逐小时PM2.5与低层风向风速随时间演变(a)及温度(阴影)、风向风速随高度和时间剖面(b)

2 气团后向轨迹路径

利用HYSPLIT Trajectory Model对长沙市12月12日00:00开始逐24 h后推72 h气团来向进行模拟(图10)可以看出：12日至14日凌晨为累积阶段，气团主要来自偏东或东北方向，其中12日为气团主要在长沙东部至湘赣交界区域，且移速很低，有利于污染物在本地堆积；13日开始来自江西北部、湖北东部和安徽西南部的气团影响有所增大，但此区域整体污染情况以轻度污染为主，考虑对长沙影响较小，且气团到达城市后减速明显，考虑仍以本地累积为主。14日凌晨的轨迹可以看出，从安徽南部南移的污染气团南移速度明显增加，但靠近湖南区域后明显减速，且越过湘赣边境山脉后下沉至近地层堆积并缓慢向长沙移动，污染传输影响有所增大。12—14日从气团高度轨迹线上看，在长沙区域均处于低层，且垂直方向气团交换不明显，有利于污染物地面堆积。15日凌晨近地层的轨迹表明长沙区域转为偏北气流影响，且风力有所增大，在河南南部累积的污染气团，随着冷空气南下影响长沙区域，并与本地累积污染气团造成污染物暴涨，并于15日04：00 达到此次过程的峰值。从气团高度轨迹线上看，长沙区域处于低层，且垂直方向气团交换不明显，污染物传输以近地面传输为主；16日凌晨轨迹可以看出，长沙区域北风逐渐增大，且污染气团主体以处于长沙区域，北方污染气团输入影响减弱，污染物浓度有所降低。17日受东北路强冷空气影响，本次污染过程结束。

图10 2019年12月12—17日长沙48 h气团后向轨迹

3 结论

与单一外来输送或本地污染造成的污染相比，本次污染过程具有复杂性和特殊性。一般说来，北风加大有利于污染物的水平扩散，但是在本次过程中，北方冷空气主体南下前的北风和降温反而有利于污染物的向南输送，叠加前期的本地积累造成长沙污染的爆发。通过对本次过程的深入研究，得出以下结论：

(1)此过程的首要污染物为PM2.5，高空有弱短波槽活动，地面为均压场。

(2)从气象要素和PM2.5浓度变化分析可知，本次过程为本地污染积累和外来输送的复合型污染，积累阶段为均压场控制，地面小风速和较低的混合层高度造成污染物的本地积累，爆发阶段是负变压和风速逐渐转为偏北风并加大的时期，说明主要是由地面冷空气的过境，带来的污染物远距离输送造成了污染物的爆发式增长，随后冷高压主体控制及混合层高度增加使得污染进入清除阶段。

(3)后向轨迹表明，此次过程是本地静稳天气叠加上游外来源造成的重污染天气过程。冷空气初期使外来源和本地源在长沙积累，随后北风持续增大扩散条件较好，污染清除。