李 蔚,周益平,杨云芸,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；
3.衡阳市气象局，湖南 衡阳 421000)
进入21世纪以来，随着城市社会经济的飞速发展和各类资源能源的加速消耗，中国各地特别是人口密集的城市，都遭遇了不同程度的污染天气问题[1～3]，给人们的生产生活和健康带来了许多不利的影响[4～6]，伴随社会公众对美好生活要求的不断提高，对大气污染问题的关注也日益加强。研究表明，污染物的排放、扩散、传输、转化和沉降与天气形势及气象要素等有着非常密切的关系[7～9]。受气候背景条件及生活需要等的共同影响，我国北方在秋冬季特别是供暖期的污染明显高于南方地区，污染物以颗粒物为主[10～12]。对当地污染而言，区域输送的贡献也越来越大[13]。因人口密集程度及影响范围等因素，学者对南方的污染研究也日益深入和广泛开展[14～17]。当下后向轨迹模式被认为是在判断上风向源区对目标地区是否存在影响的一种行之有效的手段[18]。为了提高重污染天气的预报准确率和预警提前量，这些基础研究综合分析了有利于重污染天气发生发展的天气形势及关键气象因子，为重污染天气的防治及应急处理提供了理论依据。由于我国幅员辽阔，地形地貌和气候的差异，造成了大气环流场背景的各不相同，致使影响重污染天气的时空分布和污染程度的因子有所不同。
目前针对湖南地区的相关研究也日渐增多，杨云芸等[19]分析对比京津冀和长株潭城市群污染的气象条件异同，周莉等[20]深入分析了长沙一次重污染过程的有利气象条件及受地形影响容易造成水平扩散条件不佳。目前针对湖南污染研究多集中在单点上，对同一过程多点研究的较少，在实际工作中重污染天气过程的预报预警是气象工作的难点之一，需不断进行分析研究。因此本文综合考虑污染程度及影响范围，选取发生于2017年2月17～19日，自北向南影响湖南省的一次重污染天气过程为个例，分别选取长沙站、衡阳站为湘北、湘南的代表站，通过分析研究代表站点重污染期间的高低层环流配置情况、动力热力背景条件、各类气象因子对污染的影响以及后向轨迹对污染物进行溯源分析及数值模式检验分析，探究关键气象因子及污染物来源对重污染天气的具体影响机制。
1.1 材料
本文所用环境资料为湖南省长沙、衡阳国控站和环境空气质量监测的5项大气污染物(PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2)及AQI监测数据，气象数据采用湖南省气象局提供的温度、湿度、风向风速等观测数据，综合利用上述数据等来分析重污染天气过程期间的大气边界层结构、各个气象因子以及 AQI的变化特征，深入探究本次影响湖南地区的重污染天气过程发生、发展的成因。其中气象数据来自湖南省气象台提供的气象站点观测数据，空气质量数据来自湖南省环境监测中心提供的国控站监测数据。湖南的地形地貌的基本轮廓是东、南、西三面环山，中部山丘隆起，岗、盆珠串，北部平原、湖泊展布，呈朝北开口的不对称马蹄形盆地，有利于污染气体伴随冷空气的输入。长沙位于中国的中南部的长江以南地区，湖南的东部偏北，地处洞庭湖平原的南端向湘中丘陵盆地过渡地带。而衡阳市盆地是湘中盆地群的偏南地带。
1.2 方法
本文通过轨迹分析及模式检验，探讨本次重污染天气的来源及预报效果。轨迹模式HYSPLIT4是美国NOAA的ARL开发的一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模式。它不仅能计算空气团的轨迹，同时还能模拟各种污染物的扩散和沉降。其所用资料是NCAR/NCEP的6 h一次的，水平分辨率为2.5°×2.5°的全球分析资料，其中位势高度、温度、纬向风和经向风为17 层，垂直速度为12 层，比湿为8 层。由于模拟输出的轨迹数量较大，为方便分析从而采用合并彼此靠近的轨迹的方法对所有轨迹进行聚类，每一类作为一簇，并用平均轨迹代表该簇。这种方法称为聚类分析方法可以确定气团的来源方向、路径及气团的传播速度。但为了进一步的统计分析从而定位出气团的潜在源地，需使用潜在源贡献因子法(potential source contribution factor analysisis,简称PSCF)。该方法假设若气团后向轨迹在某个网格中有停留，则该气团会接收到来自这个网格区域的排放，随后经过气流的传输，贡献给接受点，从而可以通过气流轨迹分析来初步识别接受点空气污染的源区[21]。具体计算公式如下：
其中ni是第i个网格中所有轨迹的累计停留时间；
mi是第i个网格中浓度超过阈值的所有轨迹累计停留时间。本文中按《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2012)中PM2.5达到重污染级别的浓度为150μg/m3为阈值。
2.1 污染实况分析
统计分析湖南省2017年2月逐日AQI污染实况数据可知(图1)，自2月11日开始，湖南省部分地区出现轻度污染天气，其中17日湘北地区较之湘南地区严重，18日湘中及以南地区出现重度污染天气，而湘北地区为轻到中度污染，可以看出污染发展从湘北开始并向南移动和累积的趋势，且在湘中以南区域累积程度较严重，19日之后全省污染天气逐渐缓解。对比分析长沙、衡阳2月11日至19日各污染物的逐小时变化显示(图2、图3)，长沙自2月11日21:00始，出现轻度—中度污染天气；
16日白天至17日早晨，污染物浓度开始下降，PM2.5最小值为44.2μg/m3；
17日10:00开始，污染物浓度开始迅速增加，14:00达最高值285 μg/m3，重度污染天气维持至当日18:00。从AQI、PM10和PM2.5的日变化来看，11至16日峰值均出现在00:00前后，而17日的峰值在午后。衡阳2月11日20:00始，维持轻度—重度污染天气。12日衡阳出现了短时重度污染，这可能与湘南地区存在地面风速辐合线，有利于污染物的向南输送及在南部积累有关。17日傍晚至夜间污染浓度出现爆发性增长(PM2.5浓度为57.5μg/m3)，21:00 PM2.5浓度达到峰值292μg/m3，重度污染天气维持至18日00:00，直至19日19:00重污染天气消除。
图1 2017年2月15～20日全省空气质量等级与PM2.5浓度城市均值站点分布图Fig.1 Distribution map of urban mean stations of air quality grade and PM2.5 concentration in the Hunan province from February 15 to 20 in 2017
图2 2017年2月11～19日长沙市AQI、PM2.5、PM10(a)和O3、SO2、NO2(b)质量浓度变化曲线Fig.2 Variation curve of mass concentrations of AQI、PM2.5、PM10(a)and O3、SO2、 NO2(b) in Changsha from February 11 to 19 in 2017
2.2 气象条件分析
2.2.1 污染期间环流背景
由湖南省2017年2月污染期间500 hPa位势高度场和海平面气压场图(图4)分析可知，欧亚大陆中高纬地区呈“两槽一脊”的大气环流形势，强度较强的槽位于乌拉尔山至里海一带，强度较弱的槽位于日本以东的太平洋洋面。中纬度西风带地区的环流则较平直，经向度有所减弱，华南地区等压线稀疏，气压梯度力小，有利于湖南及上游地区大气层结保持稳定，造成污染物扩散条件差，利于污染物的积累。高压脊控制了中国的大部分区域，冷空气活动及强度均受到抑制。污染期间，中国中东部500 hPa处在西风带较为平直的纬向环流控制中，槽脊稳定少动，冷高压主体位于贝加尔湖以西地区，冷空气强度和地面风力均较弱，湖南位于地面冷高压后部的均压场中，等值线稀疏，气压梯度力小，造成近地面风速较小，这样的高低空配置不利于污染物的扩散。在水汽条件上，湖南处于孟加拉湾上空的南支槽前，中低层存在西南方向的水汽输送带，水汽源源不断的输送使得地面相对湿度不断升高，有利于污染物的吸湿增长，使得污染程度不断加强。2月16～19日白天，高空有小波动过境，由平直环流转为弱脊控制，有利于污染前期水汽的输送。2月19日20:00随着位于中国华南地区的南支槽东移南下，地面冷高压加强使得气压梯度增强，地面风速加大，污染物水平扩算能力加强，造成AQI迅速下降。
2.2.2 地面气象要素特征
由2017年2月17～19日长沙和衡阳PM2.5浓度、地面能见度、风速、气温和相对湿度等的逐小时变化趋势图可知(图5)，2月17日PM2.5峰值时段与地面能见度、气温的谷值对应，但与相对湿度的峰值不对应。PM2.5峰值与相对湿度峰值的不对应，说明污染物的吸湿增长是一个持续累积的过程。18日温度日较差(一天中气温最高值与最低值之差)较小，平均风速为1.7m/s，地面相对湿度日变化振幅较小，但也一直大于60%，高湿的环境促进了颗粒物吸湿增长，导致能见度维持在5 km以内。19日湖南省处于高压后部，受西南暖低压的影响，地面转南风控制，气温快速上升，最高气温达31.5℃，相对湿度下降至50%左右，同时风速较18日增强。可见湿度的降低一定程度上抑制了细颗粒物吸湿增长，风速加大和气温快速升高促使空气水平运动增强和空气上升运动加速，加速了污染物的迅速消散，使得地面能见度增大。从长沙和衡阳的气象要素对比分析可知，两地的相对湿度和气温具有同步变化特征，且数值相差不明显。长沙的能见度在17日早于衡阳4h出现下降，自17日12：00至19日10:00衡阳能见度略低于长沙，这与PM2.5的浓度衡阳高于长沙相对应，与衡阳风速低于长沙时段一致。可见，风速是此次污染物浓度变化的关键气象因子之一。结合污染物、风速和地形综合分析来看，PM2.5浓度的峰值17日长沙首先出现污染物陡增的情况较衡阳提前8小时，且在湘中一带有地面风速辐合线的存在，不利于污染物的水平扩散。结合地形分析，此次过程有较明显的传输特征。
图5 2017年2月17～19日长沙(实线)和衡阳(虚线)PM2.5浓度(a)、 相对湿度(b)、气温(c)、能见度(d)、风速(e)时序图Fig.5 The hourly variation of PM2.5 (a)、relative humidity(b)、temperature(c)、visibility(d) and wind speed(e) in Changsha(the black solid line) and Hengyang(the blue dashed line) from 17 to 19 in February 2017
2.2.3 动力条件分析
从污染发展的初始至结束时期长沙市和衡阳市上空气象要素时间-空间演变特征可知，重污染发生时期(17日20：00至19日20:00)，长沙和衡阳上空相对湿度呈上干下湿分布，800hPa以下相对湿度均在80%以上。衡阳上空800 hPa以下为风速<2m/s偏北风，与之不同的是长沙900 hPa以下风速大于衡阳，且风速大部分>8m/s，18日20:00开始，长沙低层大气出现由北风切变成南风，且南风风速显著增强达16m/s，而衡阳低层大气切变自19日08:00开始，这与污染消散时段相吻合。由图6可知长沙重污染前期，700hPa以上为弱下沉气流，以下主要为上升运动，中心大于0.7m/s，17日20:00开始，呈现相反的特征，700hPa以下以下沉气流为主，上层为上升气流为主，这有利于上下层气流交换，不利于污染物在低层的累积。与之不同的是，衡阳污染前后，整层大气均为弱下沉气流为主，有利于污染物在近地层集聚。
综上可知，衡阳市气象环境场中存在的中低层小风速、高湿气流等条件有利于污染物吸湿增长和气溶胶二次反应，提高了污染物凝结核的浓度，并且配合中低层的下沉气流导致污染物在近地面不断累积，造成了污染天气较之长沙严重，持续时间较长(见图6)。
图6 2017年2月15日08:00(北京时)至19日20:00(北京时)长沙(a)和 衡阳(b)上空垂直速度时间剖面图(单位：10-1Pa/s)Fig.6 Time-height section of vertical velocity (Unit: 10-1Pa/s) in Changsha(a) and Hengyang(b) from 15 February 2017 08:00 to 19 February 2017 20:00(CST)
从污染发展的初始至结束前期的湖南地区近地面相对湿度变化图(图7)可以得知，17日至19日近地面湿度变主要是白天增大，夜间减小。污染大值区主要位于湘东、湘南地区，相对湿度变化区间为50%～70%之间。17日湘东出现污染时(图7a、图7b)，相对湿度约为80%左右，当18日湘南污染加重的时期(图7c、图7d)对应相对湿度的增加，达到85%左右。19日污染白天维持夜晚开始下降时，相对湿度迅速减小(图7e、图7f)，不利于污染物的吸湿增长和二次生成，使得AQI明显下降。
图7 2017年2月17～19日全省08:00、20:00地面相对湿度变化图(a～f)Fig.7 Change chart of relative ground humidity in the Hunan province at 08:00 and 20:00 on February 17 to 19 in 2017(a-f)
2.3 污染源后向轨迹聚类分析
应用轨迹模式HYSPLIT4模拟2017年2月17日至19日本次过程中代表站点的后向轨迹，垂直方向上选取500 m高度作为模拟的初始高度，模拟的起始站点分别为长沙和衡阳站，模拟其后向追踪3 d的运动轨迹见图8。
图8 2017年2月17日至20日长沙(a)和衡阳(b)后向轨迹结果Fig.8 The backward trajectory results of Changsha(left) and Hengyang(right) from 17 to 20 February 2017
再经过聚类和PSCF分析分别得出长沙(图9 A1和表1)和衡阳(图9B1和表2)的分析结果如下。由图9A1和表1和可以看出长沙主要为本地气团轨迹1影响时，重污染出现概率达到46.15%，重污染轨迹浓度达到209.73 mg/m3，从而该气团影响时，长沙污染较重，而北方气团3和南风气团2主要以清除效果为主，未出现重污染轨迹。从整个过程来看长沙以短时重污染为主，未出现持续污染天气。而衡阳由图9B1和表2可以看出，除轨迹3以外，其他轨迹出现重污染的概率均大于70%，其中轨迹1和轨迹2达到了100%。可以得出轨迹3为冷空气风速加大以扩散为主外，其他较弱北风和本地气团都有利于污染状况的加重，此次过程衡阳是本地静稳天气叠加上游外来源造成的重污染天气过程。从潜在源PSCF分析来看，长沙(图9A2)未有高PSCF值出现，衡阳(图9B2)的高PSCF值主要分布在湘东、湘东南、湘北及河南东南部、湖北东部中部的区域为主，外来影响和本地因素程度差不多。
图9 2017年2月17日至20日后向轨迹聚类(长沙A1、衡阳B1)及污染物PSCF(长沙A2、衡阳B2)分析结果Fig.9 The backward trajectory cluster results(ChangshaA1、HengyangB1) and pollutant PSCF>((ChangshaA2、HengyangB2) of Hengyang from 17 to 20 February 2017
表1 2017年2月17日至20日长沙聚类分析结果Tab.1 The cluster analysis of Changsha from 17 to 20 February 2017
表2 2017年2月17日至20日衡阳聚类分析结果Tab.2 The cluster analysis of Hengyang from 17 to 20 February 2017
3.1 湖南地区2017年2月17～19日一次重污染天气过程的首要污染物为PM2.5，高空无明显槽脊活动，地面为均压场。长沙和衡阳两地的相对湿度和气温具有同步变化特征，且数值相差不明显。
3.2 衡阳上空800hPa以下为偏北风，且大部分时段风速<2 m/s，与之不同的是长沙900 hPa以下风速大于衡阳，且风速普遍>8 m/s。长沙和衡阳上空中低层为水汽辐散区。长沙700 hPa以下以下沉气流为主，上层以上升气流为主，有利于上下层气流交换，不利于污染在低层的累积。与之不同的是衡阳在污染前后，整层大气均以弱下沉气流为主，有利于污染在近地层集聚。
3.3 后向轨迹表明，此次过程衡阳是本地静稳天气的污染积累叠加上游外来源造成的重污染天气过程。冷空气达到湘中以南区域强度减弱，外来源和本地源在衡阳区域积累。长沙由于北风较强，扩散条件较好，未出现持续的重污染天气。
3.4 由于资料的原因，本文研究主要以天气形势分析为主，缺乏对污染物的组份监测和立体监测的分析，以及气象条件对污染物的影响的进一步分析。下一步将利用组份监测和立体监测资料结合数值模式开展气象条件对大气化学过程、吸湿增长等污染浓度上涨的关键点的研究。研究结论以期为湖南大气污染预警体系建设和大气污染防治事业提供科学参考。
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