衡阳冬季空气重污染过程特征及气象条件分析

周益平，杨云芸，何炜炜，贺 科，李 辉

(1.湖南省衡阳市气象局，湖南 衡阳 421001；2.湖南省气象台，湖南 长沙 410118)

0 引言

随着经济高速发展和城镇化进程加快，机动车保有量增多，大气中污染物浓度逐年攀升，污染性质也逐渐向复合型污染转变[1]，防霾治霾已成为全社会高度关注的问题之一。研究表明，从大气细颗粒物污染的短期或实时状态而言，城市污染程度主要与地形和气象条件有关[2-3]。大尺度环流形势和局地气象条件不仅影响污染物的生成、积累和清除[4]，同时也是影响区域输送的重要外部条件[5-7]。当污染源排放相对固定时，天气形势的演变直接影响着污染过程的持续时间和严重程度[8]，大气稳定度、风向、风速以及降水等局地气象条件决定着污染物浓度的变化[9-13]。唐宜西等[14]、蒲维维等[15]对华北污染天气进行研究发现，除本地污染源外，特殊地形和外来输送是大气污染的重要因子，天气系统尺度和细颗粒物富集趋势决定污染区域性特征。杨云芸等[16]分析指出长沙市空气污染指数与日平均气压呈显著正相关，与日平均、日最高、日最低气温及日平均风速均呈显著负相关。目前，我国对大气污染的研究多集中于京津冀为主的华北地区和沿海经济发达地区，对于中部地区相关研究较少且研究区较分散，对持续性重污染天气的气象学成因的研究不够全面深入。

2017年1月1～5日湖南各地出现了不同程度的污染天气。在这次重度污染过程中，本地污染排放较为稳定，气象条件的作用被突出，诊断分析有关气象条件有利于更清晰地认识不利气象条件的影响机制。因此，本文以2017年1月1～5日衡阳市重污染天气过程为例，基于HYSPLIT后向轨迹模式，通过环流背景、动力条件和地面气象要素特征分析及污染物溯源分析，探求气象条件对空气质量变化的具体影响机制和外来污染物输送的气流轨迹，以期为衡阳地区重污染过程预警预测及与环保部门开展区域联防联控提供科学的依据和方法。

1 资料与方法

空气污染资料为2017年1月1～5日衡阳市6个环境监测站(化工总厂、真空机电公司、市监测站、珠晖区环保局、市委党校、原一六九医院)的AQI、PM2.5、PM10、NO2等主要空气污染物的日平均和逐时质量浓度数据，来源于国家环境监测总站网。基本气象要素数据为相应时段的衡阳市国家基本气象观测站的观测资料。利用美国大气环境研究中心的NCEP/NCAR再分析资料对同期环流形势进行分析，并对物理场和温、湿、风廓线进行诊断分析，其空间分辨率为1°×1°，垂直分辨率17层。

图1 2017年1月1～5日衡阳市污染物质量浓度变化曲线Fig.1 The mass concentration curve of pollutants in Hengyang City from Jan.1 to Jan.5，2017

根据2012年发布的《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2012)，将AQI日均值在200～300定为5级空气重度污染日，超过300定为6级空气严重污染日，5级和6级空气污染日均称为重污染天气日，并将连续3d及以上的空气重污染天气定义为连续重污染天气过程。

利用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)开发的混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式(HYSPLITE)分析持续重污染期间气流的后向轨迹，得出气流输送路径，研究污染物来源。HYSPLITE模式是一种欧拉-拉格朗日型混合计算模式，其平流和扩散的计算采用拉格朗日方法，浓度计算采用欧拉方法，本文结合0.5×0.5GDAS资料，时间为UTC，模拟以衡阳为中心气流的72h后向轨迹。

2 结果与分析

2.1 污染过程分析

分析AQI、PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3等质量浓度逐时变化情况(图1)，可知1月1日00∶00～2日06∶00(北京时间，下同)衡阳为轻到中度污染天气，2日07∶00～5日16∶00为重度污染天气，首要污染物均为PM2.5。污染期间NO2、PM10和PM2.5呈现相似的单峰型日变化分布型态。分析衡阳市6个监测点污染期间污染物浓度变化可知，各站点PM2.5和PM10的浓度峰值均出现在4日22∶00，其中，珠晖区环保检测站点PM2.5小时区域均值最高浓度为320μg/m3，PM10小时区域均值最高浓度为523μg/m3。O3峰值均出现在16∶00左右，这可能是区域输送和午后局地光化学过程共同作用的结果，与马艳等[17]对青岛观测资料的分析结果相似。在气象条件控制下，6个监测站点的污染物浓度变化具有明显同步变化特征，但衡阳东部原一六九医院站点监测的PM2.5、PM10和NO2浓度整体上低于其它站点，主要原因是此站点位于郊区，无显著的工业排放源，且站点附近没有较多的机动车源。

分析衡阳周边地区污染物浓度变化可知，衡阳与湘潭、株洲、邵阳等毗邻地区共同表现为颗粒物浓度稳步累积增长，污染持续多天的形式。这种区域多站点在同一时段表现出的同步特征，与气象过程密切相关。因此，本文依据PM2.5的变化趋势将衡阳此次重度污染时段分为1月2日07∶00～5日12∶00逐渐累积增长(1.9μg/m-3h-1)和5日13∶00～18∶00快速消除(32.2μg/m-3h-1)两个阶段，重点分析这个两个时段的气象要素特征及影响机制。

图2 2017年1月5日20∶00海平面气压场(单位：hPa)Fig.2 The sea level pressure field at 20∶00 on Jan.5,2017 (unit: hPa)

2.2 气象条件分析

2.2.1 大尺度环流背景和局地环流特征

从此次污染过程大尺度环流形势演变可知，污染物逐渐累积增长时段，500hPa无明显槽脊活动，不利于冷空气南下，地面衡阳处于均压场，空气水平运动弱。在这样的静稳形势下，不利于污染物的扩散和稀释。5日环流形势发生调整，受冷空气南下影响(图2)，地面平均风速加大，推动空气水平运动，18：00衡阳地区的污染物疏散清除。

图3 2017年4日20∶00(a)和5日20∶00(b)衡阳地面流场Fig.3 The surface stream in Hengyang at 20∶00 p.m. on Jan 4,2017 (a) and at 20∶00 p.m. on Jan.5,2017(b)

分析污染期间衡阳地面流场可知，污染物逐渐累积增长时段，衡阳地区地面风场静风频率大，其中2日07∶00～4日14∶00衡阳北部主要为弱的东北风输送，南部为弱的西南风输送。东北风和西南风沿着湘江河谷将区域污染物向衡阳地区输送，由于衡阳地处盆地，受四周山体阻挡，使得污染物无法疏散。且弱的西南风不仅不会对污染物有稀释作用，反而带来了充足的水汽，为污染物吸湿增长提供了有利条件。4日下午至夜间，衡阳市区持续6h近乎静风，其周边地面流场呈辐合状态，造成周边污染物向衡阳市区汇聚(图3a)。分析衡阳北部南岳高山站(海拔1265.9m)的观测资料可知，重污染期间为持续西南风，较强西南暖湿气流使得相对湿度持续增高，上下一致西南风暖湿气流形成深厚的湿层，使得衡阳上空相对湿度增至80%以上。可见，地面静风和低层大气层结稳定不利于污染物的扩散和稀释，高湿环境加速了污染物的累积增长，促成了4日22：00污染物爆发性增长至峰值。污染物快速消散过程，自5日14：00开始，衡阳地面流场整体转为偏北风控制(图3b)，且风速增强，达4m/s以上。南岳高山站西南风逐渐减弱，至20∶00由西南风切变成偏北风，说明中低层垂直运动增强。可见，随着较强冷空气南下影响，强劲的偏北风对衡阳的细颗粒物浓度有所稀释，加之此时段衡阳地区中低层出现垂直运动和降水，使得细颗粒物浓度快速下降。

图4 2017年1月1日08∶00—6日08∶00衡阳上空物理量场分布Fig.4 The physical quantity field over Hengyang from 8∶00 a.m. on Jan.1 to 8∶00 a.m. on Jan.6 in 2017

2.2.2 动力条件分析

图5 2017年1月2～5日气象要素和气态污染的日变化曲线Fig.5 Daily variation curve of the meteorological element and gaseous pollutant from Jan.2 to Jan.5,2017

分析1月1日08∶00～6日08∶00衡阳上空气象要素时间-空间演变特征，由图4a可见，污染逐渐累积增长阶段，700hPa以下相对湿度维持80%以上，850hPa以下大部分时段风速小于2m/s。4日污染最严重时段，自500hPa整层大气风向由偏西风转为一致暖湿的西南风，且风速较前期加大。污染快速消除阶段，600hPa以下明显出现风切变，上层转为偏西风控制，下层转为偏南风控制，且相对湿度呈现上干下湿的分布特征，这样的垂直风场和湿度分布特征，有利于高低空气流的混合，加速污染物在垂直方向的扩散和稀释。由图4b可见，对应相对湿度大值时段，存在西南或偏南方向的水汽输送，与夏季方向相同，这与文献[18]的结论不同，可能原因是衡阳和西安的地理位置不同，夏冬季的主要水汽来源不同。水汽通量散度在污染逐渐累积时段中低层(900～700hPa)为小于0.5×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽弱辐散或辐合区；污染快速消散时段，低层存在大于2×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽辐散区，高层存在小于2×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽辐合区。由图4c可知，污染物逐渐累积前中低层以上升运动为主，中心大于0.3m/s；污染逐渐累积时段，500hPa以下整层大气以下沉气流为主；5日00∶00开始，整层大气转为上升运动，08∶00在600hPa左右上升运动增强，中心强度为0.7m/s，午后700hPa附近出现0.3m/s的下沉运动，伴随地面冷空气南下影响，衡阳上空低层垂直上升运动增强，对应低层辐合，高层辐散，上升运动促使近地层污染物垂直扩散稀释增强，地面污染物浓度迅速下降。综上可知，中低层小风速、高湿气流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，中低层的下沉气流导致污染物在近地面不断累积，重度污染天气发展维持。

2.2.3 近地面气象要素特征

统计污染期间衡阳近地面风速和相对湿度与细颗粒物浓度，当污染物浓度小于75μg/m3时，风速平均为4.2m/s，相对湿度为58%；当污染物浓度在75～150μg/m3时，风速平均为1.1m/s，相对湿度为65%；当污染物浓度大于150μg/m3时，风速平均为1.4m/s，相对湿度为73%。可见，持续的小风速(1m/s左右)不利于污染物在水平方向上的扩散，相对丰富的水汽含量易于空气中形成污染物凝结核，往往会形成细颗粒物的重污染天气。而较大风速和低湿度对应着空气质量良好天气。

分析严重污染期间地面气象要素和气态污染物浓度的日变化可知(图5)，SO2和NO2的日变辐不明显。SO2自00∶00至8∶00呈下降趋势，日出后气温逐渐上升，浓度也不断攀升，在11∶00左右达到第一次高峰。气温在午后升至最高，局部温差的增大导致空气流动性增强，有利于SO2的稀释和扩散，使其浓度降低；18∶00左右，工厂和企业停止生产，排放源减少，SO2浓度出现低值。夜间，排放源虽少，但气温下降湿度上升，大气边界层趋于稳定，SO2浓度扩散受到抑制，再次出现回升。NO2在日出后浓度略有升高，11∶00至午后，随着车流量减少和午后气温升高，空气局地运动增强，利于NO2扩散，浓度有所下降。16∶00后，随着气温的下降和相对湿度升高，且大气边界层渐入稳定，加之下班高峰产生大量汽车尾气，NO2浓度再次升高至最高值。O3呈“单峰型”日变化特征，受光照的影响较大。白天随着光化学反应不断增强，O3浓度不断攀升，在16∶00达到峰值。日落后，大气边界层逐渐稳定和逆温层的作用，O3浓度不断降低。综上可知，气温变化、风速大小及边界层稳定状态等与气态污染物浓度变化有着直接影响，同时人类活动对气态污染物特征也有着一定的影响。

图6 2017年1月1～5日PM2.5、相对湿度、气温、能见度的变化曲线Fig.6 Variations of the PM2.5, relative humidity, temperature and visibility from Jan.1 to Jan.5,2017

从PM2.5、气温、相对湿度、能见度和风速的逐小时变化趋势图可知(图6、图7)，2～3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1.4m/s，相对湿度日变化振幅较小，维持在70%左右，能见度持续下降。且每日PM2.5峰值时段与相对湿度的峰值，及气温、能见度的谷值对应，这种关系表现与有关文献研究结果相似[19-21]。4日PM2.5峰值时段与能见度谷值对应，却与相对湿度的峰值和气温的谷值不对应。其原因可能是，4日夜间降温不明显，湿度增加却未达到当日峰值。4日风速普遍小于1m/s，甚至为静风，加之高达10.2℃的温度日较差易形成稳定的边界层结构，有利于夜间污染物逐渐聚集[22]，PM10和PM2.5出现爆发性增长，在22∶00 达到峰值。4日22∶00～5日14∶00重污染维持时段，相对湿度持续上升，大于90%，能见度持续下降，并降至本次过程的最低值。这是因为在高湿环境下，部分大气颗粒物会吸湿增长，消光作用增强，即在相同的颗粒物浓度下，相对湿度上升对应着能见度的下降。污染物快速消散时段，相对湿度维持90%以上，这是由于衡阳出现微量降雨，但总降雨量仅有2.4mm。降雨对大气污染物有清除作用，但有研究指出只有在雨量较大，一般是中到大雨的情况下，才能通过湿清除及湿沉降的方式降低空气中污染物的浓度。陆甲[23]分析南宁市空气污染的主要气象因子时，指出强降水和较大的风速对南宁市的主要空气污染浓度有较大的清除作用，风速的作用大于雨量的作用。分析此时段的风速可知，5日14∶00开始风速逐渐增大，至18∶00达到5.3m/s，可见随着北方冷空气南下，地面风速加大成为污染物消散的关键原因。

图7 2017年2日08∶00～5日20∶00衡阳地面风场的日变化Fig.7 Diurnal variation of wind field at Hengyang from 8∶00 a.m. on Jan.2 to 8∶00 a.m. on Jan.5 in 2017

2.2.4 气象要素垂直分析

图8 2017年1月1～5日衡阳上空气象要素廓线图Fig.8 Vertical distribution for meteorological elements over Hengyang from Jan.1 to Jan.5, 2017.

由于衡阳地区无实际探空资料，袁松等[24]对比分析了同期NCEP再分析与探空资料的一致性，结果验证了利用模式探空资料来分析无实际探空资料地区上空气象参量变化特征的可行性。因此本文对NCEP资料进行垂直的拉格朗日插值和水平的双线性插值后，利用模式探空资料来分析2017年1月1日08∶00～5日20∶00衡阳上空12h间隔的相对湿度、温度、风向和风速在0～5km高度范围内分布特征。有研究表明，近地面逆温不利于污染物扩散，常分为贴地逆温和悬浮逆温两种[25-26]。张雅斌等[18]分析发现严重污染期间大部分时段接地逆温大于悬浮逆温。李德平等[27]分析指出重污染日存在两重或多重逆温。与之不同的是，此次污染过程低层大气虽普遍存在逆温，但大部分时段并没有出现贴地逆温，主要表现为0.7～1.5km出现悬浮逆温，且逆温层的强度(温度差)整体与空气质量间并无较好的对应规律，甚至在污染峰值时段没有明显的逆温现象，只表现为近中性层结(图8)。其原因可能是每日08∶00和20∶00垂直温度廓线只代表这一时刻的情况。因此，分析4日温度和污染物浓度的日变化可知，白天微风少云，午后地表迅速升温使空气对流混合达到旺盛并持续，PM2.5浓度降低。日落后，地表辐射冷却，但降温不明显(当日最高气温与20∶00温度之差为2.8℃)，20∶00辐射逆温层不易形成，PM2.5浓度仍有升高。这说明在污染源相对稳定的背景下，中性的大气边界层仍不利于污染物的垂直扩散，也说明稳定的逆温层不是最终导致重污染天气的关键因素，而是连续出现重污染天气的充分不必要条件。这与郭倩等[19]、黄瑜等[28]的研究结论相似。

图9 2017年1月5日影响衡阳的气流72h后向轨迹Fig.9 HYSPLIT 72-hours back trajectories affecting Hengyang on Jan.5,2017

从相应的湿度廓线也可以看出，自污染物逐渐累积直至峰值阶段，衡阳上空2km以下整层大气维持70%以上的高湿。污染逐渐累积过程中，600m以下低层风速均较小，其中4日600m以下低层风速小于2m/s。2日08∶00在700m以上由东北风切变成了西南风控制，易带来高湿气流，加速了细颗粒物的生成，且大气层结趋向稳定，减弱了污染物扩散能力，有利于污染物逐渐累积。4日08∶00，低层为东南风，700m以上转变成较强的西南风，带来充足的水汽和高浓度的污染物，加上此时地面高压系统出现的下沉气流，将高层的污染物输送至地面，同时受到衡阳北部山脉的阻挡，使得随西南风输送的污染物停滞在衡阳城区，造成了夜间污染物浓度增至峰值。

2.3 气流后向轨迹分析

图10 2017年1月4日影响长沙的气流72h后向轨迹Fig.10 HYSPLIT 72-hours back trajectories affecting Changsha on Jan.4, 2017

3 结论

通过对2017年1月1～5日衡阳地区重污染过程细颗粒物浓度、气象要素特征变化及污染来源的分析研究，得出如下结论：

(1)此过程的首要污染物为PM2.5，各站点PM2.5、PM10浓度在4日22∶00左右达到峰值。高空无明显槽脊活动，地面为均压场，衡阳市区近乎静风，其周边地面流场呈辐合状态，是此次污染物累积增长阶段的环流背景。地面冷空气南下，较强的偏北风成为重度污染天气快速消散的关键。

(2)衡阳近地面70%以的上高湿度、小于2m/s的低风速和大于10℃的强温度日较差及衡阳所处的盆地地形会造成细颗粒物累积增长。低层存在弱辐合区，中低层的下沉气流导致大气垂直交换差，是造成空气污染物累积的直接边界层动力条件。

(3)逆温层不是最终导致此次重污染天气的关键因素。低层由东北风或东南风切变成西南风控制，带来充足的水汽和高浓度的污染物，加之下沉气流，导致污染物垂直扩散被限制，是细颗粒物爆发性增长的有利条件。风是导致此次重污染天气的重要因素。

(4)后向轨迹表明，造成此次严重空气污染的来源主要来自湖南北部，追踪其最终来源地是我国北方地区。