2023 年一季度衡阳市空气质量形势及沙尘影响分析

刘卫 曹微 李瑾 蒋雨 殷亚光

（1.湖南省衡阳生态环境监测中心，湖南 衡阳 421000；2.湖南省环境保护科学研究院，湖南 长沙 410000；3.永州市农业环境监测管理站，湖南 永州 425000）

1 引言

大气颗粒物污染影响人体健康，同时对交通安全、居民生活和工业生产也有负面影响［1］。沙尘天气是风将地面尘土、沙粒卷入空中，使空气浑浊的一种天气现象的统称［2］。

近几年，国内学者对空气质量、沙尘天气进行了大量研究。杨雪等［3］研究发现，沙尘天气过程对PM10质量浓度的影响大于对PM2.5质量浓度的影响。雷蕾等［4］研究发现，沙尘期间大气颗粒物中Si，Fe，Ca，Pb，Al，Cu，K 浓度显著升高。张娟等［5］研究发现，空气质量的变化是多种气象因素综合作用的结果。刘昌文等［6］研究发现，不利地形与气象条件、工业污染源排放、道路交通汽车尾气等是环境空气质量下滑的主要原因。陈娇娇等［7］研究发现，空气质量和气象要素有很好的相关性。姜洪进等［8］研究表明，空气质量与气象因素关系密切。刘卫等［9］研究认为，重污染天气是外源污染物输入、本地污染贡献叠加不利气象条件导致，外源污染物输入为主，不利气象条件延长了污染持续时间，本地污染贡献叠加推动重污染天气的产生。

近年来研究表明，北方沙尘对南方城市空气质量的影响是不可忽视的，如2021 年3 月北方地区发生沙尘天气，广州市连续3 d 首要污染物为PM10［4］。2020 年11 月至2021 年5 月泰州市受沙尘天气影响12 次，影响天数21 d，污染天数占比42.9%［10］。2019 年10 月28 日至11 月2 日滁州市沙尘天气过程特点明显，PM10浓度快速上升，接近“爆表”［11］。2017 年4 月21—23 日，广州市经历了一次远距离传输的沙尘天气过程，沙尘源自中国西北地区［12］。本文以2023 年一季度衡阳市空气质量为研究对象，分析一季度PM2.5污染物传输特征，探究沙尘天气影响空气质量的规律，为减少污染天气提供参考，并为以后再次遇到沙尘天气影响到空气质量时，申请扣除相关天数打好基础。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

衡阳市是湖南省所辖地级市，位于湖南省中南部，地处南岳衡山之南、中南地区凹形面轴带部分，周围环绕着古老宕层形成的断续环带的岭脊山地，属典型的盆地形势，为亚热带季风湿润气候区，既具季风性，又兼具大陆性，全年主导方向为偏北风。衡阳市有色金属资源丰富，有色金属冶炼产业发达，是“有色金属之乡”，是中南地区重要工业城市、国家承接产业转移示范区以及全国加工贸易重点承接地。衡阳市周边主要城市相对位置见图1。

图1 衡阳市周边主要城市相对位置示意

2.2 数据来源

空气质量数据来源衡阳市大气颗粒物组分监测站、衡阳市6 个国控空气考核站。衡阳市大气颗粒物组分监测站位于衡阳市邮政公司楼顶，距离地面约20 m，其PM2.5分析仪器型号为赛默飞公司5014i，水溶性离子分析仪仪器型号为力合公司LFAMS－2010，激光雷达仪器型号为中科光电公司AGHJ－ILIDAR（MPL）。衡阳市6 个国控空气考核站分别为市监测站、真空机电公司、衡化总厂、市委党校、珠晖区生态环境局、衡阳师范学院空气站。气象数据来自地面实测。

3 空气质量概况

2023 年一季度，从空气质量优良率、综合指数、6 项常规污染物浓度、重度及以上污染天数来看，大多指标显示衡阳市空气质量同比下降，在湖南省14个市州中排名靠后。

3.1 一季度空气质量优良率情况

2023 年一季度衡阳市90 个考核天数中，16 d空气质量为优，46 d 空气质量为良，23 d 空气质量为轻度污染，4 d 中度污染，1 d 重污染，首要污染物为PM2.5。空气质量优良率为68.9%，同比下降21.1%，优良率全省排名第12 位，同比下降5 位。

3.2 6 项监测指标浓度及综合指数同比情况

2023 年一季度衡阳市综合指数为4.84，同比上升33.7%，改善幅度排名全省倒数第2 位。PM2.5浓度为62 μg/m3，同比上升51.2%，改善幅度排名倒数第3 位；PM10浓度为81 μg/m3，同比上升47.3%，改善幅度排名第7 位；SO2浓度为12 μg/m3，同比上升33.3%，改善幅度排名第8 位；NO2浓度为24 μg/m3，同比上升9.1%，改善幅度排名倒数第4 位；CO 浓度为1.3 mg/m3，同比保持不变，改善幅度排名倒数第5位；O3浓度为126 μg/m3，同比上升23.5%，改善幅度排名倒数第1 位。

3.3 空气质量日历

2023 年衡阳市一季度共有重污染天1 d、中度污染4 d、轻度污染23 d，超标污染天首要污染物均为PM2.5。相比2022 年同期，重污染天增加1 d，轻中度污染天增加18 d。

4 颗粒物污染过程分析

4.1 2023 年一季度PM2.5 污染过程逐月分析

2023 年一季度衡阳市PM2.5污染过程合计9 次，每月情况统计分析如下：

2023 年1 月衡阳市共经历4 次PM2.5污染过程，第1 次污染过程为1 月1—8 日，PM2.5浓度在1 月2 日、6 日、7 日较高，PM2.5日均值分别为121，138，120 μg/m3，均达中度污染；第2 次污染过程为1 月10—12 日，10日PM2.5日均值为144 μg/m3，达中度污染，11 日PM2.5日均值为216 μg/m3，达重度污染，12 日PM2.5日均值为108 μg/m3，达轻度污染；第3 次污染过程为1月21—23 日，PM2.5日均值分别为91，112，109 μg/m3，均达轻度污染；第4 次污染过程为1 月29—30 日，PM2.5日均值均为90 μg/m3，均达轻度污染。

2023 年2 月衡阳市共经历3 次PM2.5污染过程，第1 次污染过程为2 月1—2 日，PM2.5日均值分别为85，92 μg/m3，均达轻度污染；第2 次污染过程为2 月5—6 日，PM2.5日均值分别为95，77 μg/m3，均达轻度污染；第3 次污染过程为2 月18—20 日，PM2.5日均值分别为87，83，79 μg/m3，均达轻度污染。

2023 年3 月衡阳市共经历2 次PM2.5污染过程，第1 次污染过程为3 月2—4 日，PM2.5日均值分别为107，90，79 μg/m3，均达轻度污染；第2 次污染过程为3 月12—16 日，受蒙古国沙源影响，沙尘天气按程序申报扣除［13］。

实际上，衡阳市在2023 年一季度频繁出现风场辐合气象条件情况，即在受外源性污染输入影响时，上游传输通道城市污染物由主导风北风输入衡阳，污染团到达衡阳上空时，主导风向转变，由北风转南风，在南面形成风场辐合带，风速较弱，造成传输滞留，导致衡阳市在全省市州中多次出现空气质量日均值最差现象。

4.2 2023 年3 月沙尘影响污染过程及成因分析

4.2.1 沙尘影响过程分析

2023 年3 月12—13 日，受到北方沙尘传输影响，衡阳市经历了一次污染过程，本次污染过程造成衡阳市PM10超标2 d，12—13 日PM10日均值分别为162，160 μg/m3，均达轻度污染；衡阳市各站点连同上游城市组分中可表征沙尘影响的钙离子、硅元素浓度及其占比升高明显，其中钙离子占比由沙尘传输影响前的2.17%增长至峰值17.09%，占比增幅超过7 倍；硅元素占比由沙尘传输影响前的3.07%增长至峰值42.24%，占比增幅超过13 倍；且各站点之间浓度上涨存在良好时序性，沙尘传输影响显著，给湖南省内共11 个市州带来1～2 个轻度污染日。

自2023 年3 月11 日凌晨06：00 起，上游河南一带城市空气质量维持在严重污染水平，受冷空气影响，污染气团在北风作用下持续向南渗透。11 日晚间，襄阳、荆门等地颗粒物浓度同步升高。12 日凌晨起，湖南省各城市开始受污染传输影响，PM10上升速率加快，短时从良转为轻度污染，益阳于03：00 达轻度污染，长沙、株洲于凌晨04：00 达轻度污染，湘潭于凌晨05：00 达轻度污染，衡阳于早间07：00 达轻度污染，湖南省内各市PM10升高时序性凸显，呈现先后变化关系。12 日07：00 起衡阳PM10浓度由良进入轻度污染，08：00—09：00，北风加大，衡阳受沙尘传输影响增加，PM10浓度由轻度污染短时转为中度污染，10：00 起沙尘主体继续南移，对衡阳PM10浓度的影响减小，PM10浓度转为轻度污染，持续至16：00 后，13 日凌晨02：00—05：00 短时良，06：00起PM10浓度转为轻度污染。13 日凌晨湖南各市州PM10浓度逐渐开始下降，但是13 日白天衡阳主导风向由北风转南风，风速较弱，在南面形成风场辐合带，造成污染传输滞留，13 日PM10浓度仍维持在污染范围，至13 日23：00 才相继转良，PM10污染过程随之结束。之后湖南省内城市天气以晴为主，地面较为干燥，利于沙尘传输，同时风速偏弱，利于扬尘悬浮在上空不易扩散，导致PM10长久滞留衡阳上空，浓度自3 月12 日共持续36 h 轻度污染高值，至13日晚间23：00 才降至良级范围，污染气团彻底过境。2023 年3 月11—13 日衡阳市及主要周边城市PM10浓度变化趋势见图2。

图2 2023 年3 月11—13 日衡阳市及主要周边城市PM10 浓度变化趋势

4.2.2 气象条件分析

从气象条件来看，2023 年3 月12 日衡阳市风向以北风为主，12 日04：00—07：00 衡阳市风速由6.6 m/s 上升至9.3 m/s，北风增大的过程污染气团抵达衡阳市，07：00 起衡阳市PM10浓度由良转为轻度污染；08：00—20：00 北风加大，风速维持在7.1～11.0 m/s之间，衡阳市PM10浓度以持续小时轻度为主；20：00至次日02：00，风速持续下降，由7.1 m/s 降至1.8 m/s，风速减弱，传输影响减小，02：00—05：00 衡阳市PM10浓度短时高位保良；6 h 后风速小幅上升，主导风向由北风转为南风，衡阳市PM10浓度由良再次转为轻度污染；13 日晚间23：00 起污染气团过境，衡阳市PM10浓度转为良，本次污染过程结束。具体见图3。

图3 2023 年3 月12—13 日衡阳市空气污染物变化趋势

4.2.3 PM2.5组分数据分析

组分站数据显示，污染期间衡阳市PM2.5总组分浓度不高，变化趋势平缓，仅地壳元素浓度及其占比升高明显。各组分中，仅钙离子（表征扬尘源污染）占比升高明显。2023 年3 月12 日凌晨（沙尘未影响时段）颗粒物组分站钙离子在水溶性离子中的占比为2.17%，12 日19：00 钙离子占比增长至17.09%，占比增幅超过7 倍，同时段衡阳市PM10浓度由48 μg/m3增长至269 μg/m3。从无机元素占比变化来看，可表征沙尘影响的硅、钙元素浓度占比增幅明显，其中硅元素占比由沙尘传输影响前的3.07%增长至峰值42.24%，占比增幅超过13 倍，表明12—13 日的污染过程衡阳市受到沙尘传输影响较大。

4.2.4 激光雷达数据分析

颗粒物组分站的激光雷达显示，2023 年3 月12日凌晨后，贴地面消光系数增加，近地面PM10积累明显，12 日凌晨03：00 起衡阳市受上游传输影响，高空1.8 km 范围内出现明显污染带，外来输送导致颗粒物升高持续较长时间。

5 结论

总体而言，衡阳市2023 年一季度污染天气的发生是外源污染物输入、本地污染贡献叠加不利气象条件导致。不过，PM2.5浓度数据上升的同时，国控站点NO2，CO 浓度也明显上升，说明本地燃烧源、机动车尾气源、涉金属冶炼工业废气对全市空气质量的影响也不容忽视。衡阳市2023 年一季度PM2.5污染物浓度变化趋势及颗粒物组分数据显示，3 月初的污染过程主要受北方污染气团传输影响，3 月中旬的污染过程受蒙古国沙源影响，沙尘天气按程序申报扣除。衡阳市一季度频繁出现风场辐合气象条件情况，污染气团传输到衡阳后，污染物难以扩散，加上空气湿度大，较高的空气湿度促使颗粒物吸湿增长和气态污染物的二次转化，使污染加重。