湘潭市秋季一次大气污染过程分析*

何 宁，张 悦，林明丽，邓洁琼

(湖南省湘潭市气象科技服务中心，湖南 湘潭 411100)

0 引言

我国中东部在秋冬季经常发生区域大气污染过程，区域持续性霾的形成机理以及城市间霾的关系一直是我国大气污染研究的重点关注问题。污染物的过量排放是造成污染的根本原因，但是气象条件对于污染物的输送、累积、清除有着重要影响[1]。自2013年“大气十条”实施以来，蓝天保卫战持续推进。各地为大气环境和生态系统采取了重要措施，初见成效。“绿水青山就是金山银山”，在此期间，科学家们为实现长久的“APEC蓝”进行了大量的科学研究工作,如卢苗苗等[2]揭秘了中部地区霾污染过程的形成受城市群内和跨城市群污染输送的双重影响，跨城市群传输特别是华北平原高浓度污染物传输是重污染事件形成的关键驱动因子。李瑞等[3]对长三角北部地区秋冬季的典型污染过程进行分析,利用PSCF和CWT对PM2.5潜在源定性和定量分析,揭示了不同污染过程受区域传输的影响存在显著差异；易明建等[4]对2016年全年颗粒物监测浓度数据进行统计分析，结果表明淮河以北、沿江和江淮之间、长江以南和皖南山区城市颗粒物污染随地理位置不同表现出明显的区域化特征,污染程度由北向南减轻,污染过程明显表现出由北向南逐步扩散传输的规律。

2020年10月28—31日，湘潭经历了入秋以来首次持续4 d的污染过程，本次污染过程出现了3个轻度污染日，1个中度污染日(30日)，首要污染物均为PM2.5，使得湘潭市PM2.5年累积浓度值由32 μg·m-3升高至33 μg·m-3，拉高了全年平均浓度1 μg·m-3；PM2.5年改善率由25.6%下降至23.3%，排名从全省第4位下滑至第7位。进入秋冬季后，大气扩散条件转差，不利气象条件出现频次增多，同时区域内部与外部污染传输情况概率增大，需总结本地污染过程经验，制定应对措施。因此，本文对此次污染过程形成的气象特征、污染物来源及输送路径进行分析，为中部城市秋冬季大气污染的预警、防治和应急处理提供技术参考。

1 资料和方法

本文所用资料为2020年10月28—31日湖南省湘潭市环境监测中心国控站环境空气质量监测的常规六参数据、真气网PM2.5全国分布图(https://www.aqistudy.cn/)、中国环科院和中国科学院合作开发的环境大数据实时分析平台中获取的湖南省PM2.5浓度等级实况图和卫星火点图。气象数据采用MICAPS资料和CIMIS S数据库中湘潭站点相对湿度、降水量、平均风速等逐时观测数据。美国HYSPLIT4轨迹模式可处理不同种类气象场，目前广泛应用于大气污染物输送研究[5]，此次应用该模式对湘潭上空污染源的运动轨迹进行模拟分析，轨迹设了3个终点高度：500 m、1 000 m和1 500 m，分别代表高空气团来源。根据HJ/T 393—2007的要求开展道路积尘负荷走航监测，采样时间为10月27—31日，辖区道路积尘负荷计算方法为：

辖区道路积尘负荷值

(1)

2 污染特征分析

湘潭市环境监测中心国控站环境空气质量监测结果显示2020年10月28—31日污染过程期间的首要污染物为PM2.5，根据其逐时变化分析将此次污染过程分为3个阶段(图1)。第1阶段为10月28日01时—29日20时，湘潭PM2.5浓度上升，28日15时出现第1个峰值为102 μg·m-3,中度污染时间持续2 h，随后PM2.5浓度出现小幅下降但维持在80 μg·m-3以上。第2阶段为29日21时—31日09时，湘潭PM2.5浓度快速增加了2倍，30日10时达到本阶段第1个峰值为133 μg·m-3，午后PM2.5浓度下降至轻度污染，晚高峰来临再次回升至中度污染，达到另一个新高，31日06时出现此次污染过程的最高浓度148 μg·m-3。第3阶段31日10时开始PM2.5浓度下降至120 μg·m-3以下，12 h后空气质量转良好，此次污染过程结束。

图1 湘潭市2020年10月28日—11月1日PM2.5小时浓度变化Fig.1 Temporal variation of the mass concentrationof PM2.5 in Xiangtan from 28 October to 1 November in 2020

污染过程第1阶段受冷空气影响，北风风力增大，引导上游污染传输，由于外来污染源的输送湘潭PM10和PM2.5浓度增加，值得一提的是PM10浓度增加较PM2.5浓度要大(图2)，可能说明此次外来型污染物主要是PM10。从图2可以看出，在第1阶段CO与PM2.5浓度曲线变化相似，但在第2阶段，CO浓度先与PM2.5上升且达到峰值，早于PM2.5浓度峰值11 h，CO是燃烧过程中生成的重要污染物之一，大气中的CO主要来源是内燃机排气，其次是锅炉中化石燃料的燃烧。29—31日湘潭天气转阴沉，并伴有弱降水，加之本地静稳高湿等不利气象条件，促使气溶胶粒子吸湿增长发生二次转化致使PM2.5浓度增高。另外O3浓度一般会随着太阳辐射的增强和气温的升高而增大，因此在28日14时达到最大。

图2 湘潭市2020年10月28日—11月1日PM2.5、CO等常规六参监测数据小时浓度变化Fig.2 Temporal variation of the mass concentration of PM2.5 and CO in Xiangtan from 28 October to 1 November in 2020

2.1 北方污染传输阶段

2020年10月27日晚间—28日湘潭市受到明显污染传输影响，从真气网上提取的10月26—28日全国PM2.5空间分布可知(图3)，此次PM2.5污染呈现向南传输的现象，且在华中地区停留相对较长时间。由于污染物浓度变化和不同污染物的浓度值在数值上存在数量级的变化，导致直接利用这些数据进行分析时微小的特征变化被掩盖于巨大数量级的浓度变化之下，无法分辨污染特征在时间序列或空间上的差异性，引用特征雷达图的方式直接表现大气污染在时间序列或空间上发生的变化特征。因此结合本地污染物特征雷达图(图4)发现，本次北方地区污染类型主要为偏二次型污染。27日开始，污染气团进入湖南省内，省内多数城市受到传输污染影响，结合48 h后向轨迹分析(图5)，岳阳、益阳、长沙、湘潭的气团传输来源方向基本一致，判断湘潭在污染阶段前期受到偏二次型传输，与此前北方污染传输特征一致。

图3 2020年10月26—28日全国PM2.5的空间分布Fig.3 The spatial distribution of PM2.5 in the whole country from 26—28 October 2020

图4 2020年10月27—29日特征雷达图时间序列Fig.4 Time series of radar from 27—29 October in 2020

图5 2020年10月23日08时岳阳、益阳、长沙、湘潭500 m(红线)、1 000 m(蓝线)、1 500 m(绿线)高度的48 h后向轨迹Fig.5 The 48-hour backward trajectory of air mass at the height of 500 m (red lines), 1 000 m (blue lines) and 1 500 m (green lines) in Yueyang and Yiyang and Changsha and Xiangtan e at 08∶00 BT 23 October 2020

从中国环科院和中国科学院合作开发的环境大数据实时分析平台中获取的湖南省PM2.5浓度等级时空图来看(图6)，污染气团进入省内后，北部的常德市、益阳市、岳阳市首先受到传输影响，益阳市、常德市均出现明显浓度峰值，益阳市有1 h达到中度污染，常德市保持在轻度污染。此次省内污染传输主要沿西北方向传输通道输送，随后长株潭受到传输影响，28日均出现短时中度污染，污染气团继续南下，省内最南面的永州市、郴州市也受到污染传输影响，日均值浓度达到轻度污染。本次污染传输来势较猛，省内多数城市受到较大传输影响(图7)；至29日传输影响逐渐减弱，但湘潭市大气扩散条件较差，加之本地源排放贡献，仍然持续轻度污染状态。

图6 2020年10月28日08时、15时、21时、29日13时湖南省PM2.5浓度等级实况Fig.6 Spatiotemporal distribution of the mass concentration of PM2.5 in Hunan at 08:00BT, 15:00BT, 21:00BT, and 13:00BT 28 October 2020

图7 2020年10月27—29日湖南省多城市PM2.5浓度逐时变化Fig.7 Temporal variation of the mass concentration of PM2.5 in multiple cities in Hunan from 27 to 29 October in 2020

从近地面风污染玫瑰图(以科大站点为例)来看(图8)，PM2.5浓度高值区域(红色区域)主要分布于站点西北方向4 m·s-1风速区域和小风区域，结合该时段特征雷达图时间序列，随着28日湘潭受到传输影响，偏二次型时间序列明显增加，后期风速减弱，污染气团从高空向下沉淀叠加本地源污染累积对PM2.5浓度升高产生贡献。

图8 2020年10月28—30日湘潭市科大站点污染过程地面风速与PM2.5(色斑)分布Fig.8 Distribution of surface wind speedand PM2.5(shaded areas) during the pollution event in Xiangtan University of Science and Technology station from October 28 to 30 in 2020

2.2 本地源排放累积阶段

10月29日午后，污染传输对湘潭的影响逐渐减弱，PM2.5浓度出现小幅回落，夜间湿度增加，扩散条件转差，污染物浓度再度开始缓慢升高，30日06时湿度接近饱和并出现弱降水，空气质量等级达到中度污染，部分站点达重度污染，持续8 h后下降至轻度污染，晚高峰来临后迅速回升为中度污染，并持续17 h。因此从30日06时起，湘潭市中度污染过程一共持续了25 h。

从30日湘潭市颗粒物激光雷达监测结果可以看到(图9)，30日03时起，近地面500 m附近持续存在高消光值区域，高空除滞留云层外，未发现大范围高污染带，受传输影响不明显。推测主要受不利气象条件影响，扩散条件变差，本地污染排放大量累积滞留，造成颗粒物浓度上升明显。

图9 2020年10月30日湘潭市激光雷达消光系数(单位：km-1)时空变化Fig.9 Spatiotemporal distribution of extinction coefficient (unit∶ km-1) in Xiangtan on October 30 ,2020.

另一方面，本地污染排放活动持续，导致近地面环境污染物持续累积，空气质量进一步恶化，主要表现如下：①道路扬尘：污染期间，对湘潭城区主干道路开展尘负荷走航监测作业显示(图10和表1)：板竹路、北二环、潭州大道等重点路段路面积尘负荷≥1.0 g·m-2，属于路面积尘负荷明显高于平均值的道路；②秸秆焚烧：27日卫星火点图显示(图11)，湖南省境内多个地市出现明显燃烧火点，正值秋收收尾阶段，耕地区域秸秆焚烧问题频发，成为空气污染的重要源头。

表1 积尘负荷道路走航监测结果Tab.1 The results of monitoring point of road dust

图10 湘潭城区主干道路积尘负荷走航采样点Fig.10 Sampling point for navigation of dust load on main roads in Xiangtan

2.3 污染物清除阶段

10月31日湘潭扩散条件有所改善，01—10时污染物浓度仍然保持在中度污染，但整体呈下降趋势，11时开始全市污染物浓度降至轻度污染，31日晚间冷空气开始影响湘潭地区，北风加大，扩散条件逐步改善；31日22时全市污染物浓度降至良，11月1日凌晨污染物浓度有一定回升。随后继续下降，07时后重新降至良，10时后转优，本次污染过程结束。

图11 2020年10月27日卫星火点图Fig.11 Burning points distribution on 27 October 2020

3 污染过程气象特征分析

3.1 环流背景

从大尺度环流形势看(图略)2020年10月28—29日500 hPa副高增强，有辐散下沉气流，中低层受偏东气流影响，湘潭处于地面冷高压底部,在强北风的推动下华北地区污染物向南输送；30日500 hPa有暖脊，中低层为副高控制下的偏北风，地面为均压场控制，水平扩散条件转差，这一阶段本地污染物排放成为首要来源。

3.2 污染过程气象要素分析

3.2.1 风 根据湘潭地区污染时段PM2.5和风速变化特征(图12)，本次污染传输影响阶段平均风速4 m·s-1，最大风速达到6.4 m·s-1，有利于污染物的远距离输送，从污染系数玫瑰图上(图13)可以直观地看出NNE和N方向污染源排放的污染物对湘潭市影响趋势较大[5]；本地源排放阶段平均风速2 m·s-1，最小风速仅0.4 m·s-1，污染浓度最大时段风速在1.6～2 m·s-1，大气水平扩散条件较差；污染清除阶段，受地面冷空气影响，北风风力加大，最大风速5.2 m·s-1，且上游空气质量优良，本地污染物得到有利扩散，此次污染过程结束，因此密切关注华北地区重污染天气的发展对湘潭市污染物浓度变化有重要预报预警意义[6]。

图12 2020年10月28—31日湘潭市风速逐时变化Fig.12 Temporal variation of wind speed in Xiangtan from 28—31 October in 2020

图13 2020年10月28—31日污染系数玫瑰图Fig.13 Rose diagram of pollution coefficient from 28—31 October in 2020

3.2.2 相对湿度和降水量 本次过程污染传输影响阶段平均相对湿度67%，低湿环境下不利于颗粒物的沉降[7]，空气质量以轻度污染为主；本地源排放阶段平均相对湿度达96%，最小湿度也有85%，污染浓度最大时段空气湿度处于饱和状态，伴随出现了0.7 mm的弱降水，即30日07—10时连续时次出现了0.1～0.3 mm降水，对应时次的污染浓度急剧上升随之出现PM2.5波峰，在高湿和弱降水状态下有利于气态污染物的二次转化和颗粒物的吸湿增长。

3.2.3 逆温 毕玮等[9]研究表明污染天气过程出现时，大气往往表现出明显的逆温结构特征，逆温层的存在使得大气污染被滞留在大气边界层中，不利于污染物的扩散。从长沙站T-lnp图上也可以看到(图15)，28—30日温度露点差逐渐减小，700 hPa以下都出现了不同强度逆温层，且高度逐渐下降，其中30日08时T-lnp图上近地面有明显逆温，不利于垂直扩散，导致边界层内的污染物不断累积，空气质量达到中度污染，部分站点达重度污染。

图14 2020年10月28—31日湘潭站相对湿度和降水量逐时变化Fig.14 Temporal variation of relative humidity and precipitation at Xiangtan Station from 28—31 October in 2020

图15 2020年10月28—30日08时长沙站T-lnp图(红色、蓝色、绿色实线分别为状态曲线、温度、露点温度曲线)Fig.15 T-lnp chart at Changsha sounding station at 08:00 BT from 28—30 October 2020. Red lines are state curves, blue lines are temperature curves, and green lines are dew-point curves

4 结论

对2020年10月28—31日污染天气特征及成因进行分析得出以下结论：

①本次污染过程分为3个阶段，第1阶段为北方偏二次型传输阶段，在强北风的推动下华北地区污染物PM2.5向南传输影响湘潭；第2阶段为大气高湿静稳条件下本地源(工业源、移动源、扬尘源、生物质燃烧源)排放累积阶段，气态污染物在污染过程中发生二次转化，并伴随颗粒物的吸湿增长，推高了湘潭的PM2.5浓度峰值；第3阶段为污染物缓慢清除阶段，随着冷空气开始影响湘潭地区，扩散条件逐步改善，污染过程结束。

②此次污染过程的第1阶段较大的北风有利于污染物的远距离输送，从污染系数玫瑰图可知偏北方向污染源排放的污染物对湘潭市影响趋势较大；第3阶段北风风力加大且上游空气质量优良，本地污染物得到有利扩散，此次污染过程结束。因此密切关注华北地区重污染天气的发展对湘潭市污染物浓度变化有重要预报预警意义。

③此次污染过程的第2阶段地面转均压场，整层大气湿度接近饱和并出现弱降水，在静稳高湿条件下，湘潭呈现出偏二次型的污染特征，表明经过前期的跨区域污染传输，气态污染物在污染过程中发生二次转化，并伴随颗粒物的吸湿增长，推高了湘潭的PM2.5浓度峰值。

④此次污染过程的第1、第2阶段温度露点差逐渐减小，700 hPa以下都出现了不同强度逆温层，且高度逐渐下降，不利于垂直扩散，导致边界层内的污染物不断累积，污染加重。因此持续的逆温层结是污染物累积的有利形势背景，逆温层的出现是预判污染天气是否发生的一个重要气象条件。