湘潭市秋季一次大氣污染過程分析*

何 寧，張 悅，林明麗，鄧潔瓊

(湖南省湘潭市氣象科技服務中心，湖南 湘潭 411100)

0 引言

我國中東部在秋冬季經常發生區域大氣污染過程，區域持續性霾的形成機理以及城市間霾的關系一直是我國大氣污染研究的重點關注問題。污染物的過量排放是造成污染的根本原因，但是氣象條件對于污染物的輸送、累積、清除有著重要影響[1]。自2013年“大氣十條”實施以來，藍天保衛戰持續推進。各地為大氣環境和生態系統采取了重要措施，初見成效?！熬G水青山就是金山銀山”，在此期間，科學家們為實現長久的“APEC藍”進行了大量的科學研究工作,如盧苗苗等[2]揭秘了中部地區霾污染過程的形成受城市群內和跨城市群污染輸送的雙重影響，跨城市群傳輸特別是華北平原高濃度污染物傳輸是重污染事件形成的關鍵驅動因子。李瑞等[3]對長三角北部地區秋冬季的典型污染過程進行分析,利用PSCF和CWT對PM2.5潛在源定性和定量分析,揭示了不同污染過程受區域傳輸的影響存在顯著差異；易明建等[4]對2016年全年顆粒物監測濃度數據進行統計分析，結果表明淮河以北、沿江和江淮之間、長江以南和皖南山區城市顆粒物污染隨地理位置不同表現出明顯的區域化特征,污染程度由北向南減輕,污染過程明顯表現出由北向南逐步擴散傳輸的規律。

2020年10月28—31日，湘潭經歷了入秋以來首次持續4 d的污染過程，本次污染過程出現了3個輕度污染日，1個中度污染日(30日)，首要污染物均為PM2.5，使得湘潭市PM2.5年累積濃度值由32 μg·m-3升高至33 μg·m-3，拉高了全年平均濃度1 μg·m-3；PM2.5年改善率由25.6%下降至23.3%，排名從全省第4位下滑至第7位。進入秋冬季后，大氣擴散條件轉差，不利氣象條件出現頻次增多，同時區域內部與外部污染傳輸情況概率增大，需總結本地污染過程經驗，制定應對措施。因此，本文對此次污染過程形成的氣象特征、污染物來源及輸送路徑進行分析，為中部城市秋冬季大氣污染的預警、防治和應急處理提供技術參考。

1 資料和方法

本文所用資料為2020年10月28—31日湖南省湘潭市環境監測中心國控站環境空氣質量監測的常規六參數據、真氣網PM2.5全國分布圖(https://www.aqistudy.cn/)、中國環科院和中國科學院合作開發的環境大數據實時分析平臺中獲取的湖南省PM2.5濃度等級實況圖和衛星火點圖。氣象數據采用MICAPS資料和CIMIS S數據庫中湘潭站點相對濕度、降水量、平均風速等逐時觀測數據。美國HYSPLIT4軌跡模式可處理不同種類氣象場，目前廣泛應用于大氣污染物輸送研究[5]，此次應用該模式對湘潭上空污染源的運動軌跡進行模擬分析，軌跡設了3個終點高度：500 m、1 000 m和1 500 m，分別代表高空氣團來源。根據HJ/T 393—2007的要求開展道路積塵負荷走航監測，采樣時間為10月27—31日，轄區道路積塵負荷計算方法為：

轄區道路積塵負荷值

(1)

2 污染特征分析

湘潭市環境監測中心國控站環境空氣質量監測結果顯示2020年10月28—31日污染過程期間的首要污染物為PM2.5，根據其逐時變化分析將此次污染過程分為3個階段(圖1)。第1階段為10月28日01時—29日20時，湘潭PM2.5濃度上升，28日15時出現第1個峰值為102 μg·m-3,中度污染時間持續2 h，隨后PM2.5濃度出現小幅下降但維持在80 μg·m-3以上。第2階段為29日21時—31日09時，湘潭PM2.5濃度快速增加了2倍，30日10時達到本階段第1個峰值為133 μg·m-3，午后PM2.5濃度下降至輕度污染，晚高峰來臨再次回升至中度污染，達到另一個新高，31日06時出現此次污染過程的最高濃度148 μg·m-3。第3階段31日10時開始PM2.5濃度下降至120 μg·m-3以下，12 h后空氣質量轉良好，此次污染過程結束。

圖1 湘潭市2020年10月28日—11月1日PM2.5小時濃度變化Fig.1 Temporal variation of the mass concentrationof PM2.5 in Xiangtan from 28 October to 1 November in 2020

污染過程第1階段受冷空氣影響，北風風力增大，引導上游污染傳輸，由于外來污染源的輸送湘潭PM10和PM2.5濃度增加，值得一提的是PM10濃度增加較PM2.5濃度要大(圖2)，可能說明此次外來型污染物主要是PM10。從圖2可以看出，在第1階段CO與PM2.5濃度曲線變化相似，但在第2階段，CO濃度先與PM2.5上升且達到峰值，早于PM2.5濃度峰值11 h，CO是燃燒過程中生成的重要污染物之一，大氣中的CO主要來源是內燃機排氣，其次是鍋爐中化石燃料的燃燒。29—31日湘潭天氣轉陰沉，并伴有弱降水，加之本地靜穩高濕等不利氣象條件，促使氣溶膠粒子吸濕增長發生二次轉化致使PM2.5濃度增高。另外O3濃度一般會隨著太陽輻射的增強和氣溫的升高而增大，因此在28日14時達到最大。

圖2 湘潭市2020年10月28日—11月1日PM2.5、CO等常規六參監測數據小時濃度變化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 北方污染傳輸階段

2020年10月27日晚間—28日湘潭市受到明顯污染傳輸影響，從真氣網上提取的10月26—28日全國PM2.5空間分布可知(圖3)，此次PM2.5污染呈現向南傳輸的現象，且在華中地區停留相對較長時間。由于污染物濃度變化和不同污染物的濃度值在數值上存在數量級的變化，導致直接利用這些數據進行分析時微小的特征變化被掩蓋于巨大數量級的濃度變化之下，無法分辨污染特征在時間序列或空間上的差異性，引用特征雷達圖的方式直接表現大氣污染在時間序列或空間上發生的變化特征。因此結合本地污染物特征雷達圖(圖4)發現，本次北方地區污染類型主要為偏二次型污染。27日開始，污染氣團進入湖南省內，省內多數城市受到傳輸污染影響，結合48 h后向軌跡分析(圖5)，岳陽、益陽、長沙、湘潭的氣團傳輸來源方向基本一致，判斷湘潭在污染階段前期受到偏二次型傳輸，與此前北方污染傳輸特征一致。

圖3 2020年10月26—28日全國PM2.5的空間分布Fig.3 The spatial distribution of PM2.5 in the whole country from 26—28 October 2020

圖4 2020年10月27—29日特征雷達圖時間序列Fig.4 Time series of radar from 27—29 October in 2020

圖5 2020年10月23日08時岳陽、益陽、長沙、湘潭500 m(紅線)、1 000 m(藍線)、1 500 m(綠線)高度的48 h后向軌跡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

從中國環科院和中國科學院合作開發的環境大數據實時分析平臺中獲取的湖南省PM2.5濃度等級時空圖來看(圖6)，污染氣團進入省內后，北部的常德市、益陽市、岳陽市首先受到傳輸影響，益陽市、常德市均出現明顯濃度峰值，益陽市有1 h達到中度污染，常德市保持在輕度污染。此次省內污染傳輸主要沿西北方向傳輸通道輸送，隨后長株潭受到傳輸影響，28日均出現短時中度污染，污染氣團繼續南下，省內最南面的永州市、郴州市也受到污染傳輸影響，日均值濃度達到輕度污染。本次污染傳輸來勢較猛，省內多數城市受到較大傳輸影響(圖7)；至29日傳輸影響逐漸減弱，但湘潭市大氣擴散條件較差，加之本地源排放貢獻，仍然持續輕度污染狀態。

圖6 2020年10月28日08時、15時、21時、29日13時湖南省PM2.5濃度等級實況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

圖7 2020年10月27—29日湖南省多城市PM2.5濃度逐時變化Fig.7 Temporal variation of the mass concentration of PM2.5 in multiple cities in Hunan from 27 to 29 October in 2020

從近地面風污染玫瑰圖(以科大站點為例)來看(圖8)，PM2.5濃度高值區域(紅色區域)主要分布于站點西北方向4 m·s-1風速區域和小風區域，結合該時段特征雷達圖時間序列，隨著28日湘潭受到傳輸影響，偏二次型時間序列明顯增加，后期風速減弱，污染氣團從高空向下沉淀疊加本地源污染累積對PM2.5濃度升高產生貢獻。

圖8 2020年10月28—30日湘潭市科大站點污染過程地面風速與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 本地源排放累積階段

10月29日午后，污染傳輸對湘潭的影響逐漸減弱，PM2.5濃度出現小幅回落，夜間濕度增加，擴散條件轉差，污染物濃度再度開始緩慢升高，30日06時濕度接近飽和并出現弱降水，空氣質量等級達到中度污染，部分站點達重度污染，持續8 h后下降至輕度污染，晚高峰來臨后迅速回升為中度污染，并持續17 h。因此從30日06時起，湘潭市中度污染過程一共持續了25 h。

從30日湘潭市顆粒物激光雷達監測結果可以看到(圖9)，30日03時起，近地面500 m附近持續存在高消光值區域，高空除滯留云層外，未發現大范圍高污染帶，受傳輸影響不明顯。推測主要受不利氣象條件影響，擴散條件變差，本地污染排放大量累積滯留，造成顆粒物濃度上升明顯。

圖9 2020年10月30日湘潭市激光雷達消光系數(單位：km-1)時空變化Fig.9 Spatiotemporal distribution of extinction coefficient (unit∶ km-1) in Xiangtan on October 30 ,2020.

另一方面，本地污染排放活動持續，導致近地面環境污染物持續累積，空氣質量進一步惡化，主要表現如下：①道路揚塵：污染期間，對湘潭城區主干道路開展塵負荷走航監測作業顯示(圖10和表1)：板竹路、北二環、潭州大道等重點路段路面積塵負荷≥1.0 g·m-2，屬于路面積塵負荷明顯高于平均值的道路；②秸稈焚燒：27日衛星火點圖顯示(圖11)，湖南省境內多個地市出現明顯燃燒火點，正值秋收收尾階段，耕地區域秸稈焚燒問題頻發，成為空氣污染的重要源頭。

表1 積塵負荷道路走航監測結果Tab.1 The results of monitoring point of road dust

圖10 湘潭城區主干道路積塵負荷走航采樣點Fig.10 Sampling point for navigation of dust load on main roads in Xiangtan

2.3 污染物清除階段

10月31日湘潭擴散條件有所改善，01—10時污染物濃度仍然保持在中度污染，但整體呈下降趨勢，11時開始全市污染物濃度降至輕度污染，31日晚間冷空氣開始影響湘潭地區，北風加大，擴散條件逐步改善；31日22時全市污染物濃度降至良，11月1日凌晨污染物濃度有一定回升。隨后繼續下降，07時后重新降至良，10時后轉優，本次污染過程結束。

圖11 2020年10月27日衛星火點圖Fig.11 Burning points distribution on 27 October 2020

3 污染過程氣象特征分析

3.1 環流背景

從大尺度環流形勢看(圖略)2020年10月28—29日500 hPa副高增強，有輻散下沉氣流，中低層受偏東氣流影響，湘潭處于地面冷高壓底部,在強北風的推動下華北地區污染物向南輸送；30日500 hPa有暖脊，中低層為副高控制下的偏北風，地面為均壓場控制，水平擴散條件轉差，這一階段本地污染物排放成為首要來源。

3.2 污染過程氣象要素分析

3.2.1 風 根據湘潭地區污染時段PM2.5和風速變化特征(圖12)，本次污染傳輸影響階段平均風速4 m·s-1，最大風速達到6.4 m·s-1，有利于污染物的遠距離輸送，從污染系數玫瑰圖上(圖13)可以直觀地看出NNE和N方向污染源排放的污染物對湘潭市影響趨勢較大[5]；本地源排放階段平均風速2 m·s-1，最小風速僅0.4 m·s-1，污染濃度最大時段風速在1.6～2 m·s-1，大氣水平擴散條件較差；污染清除階段，受地面冷空氣影響，北風風力加大，最大風速5.2 m·s-1，且上游空氣質量優良，本地污染物得到有利擴散，此次污染過程結束，因此密切關注華北地區重污染天氣的發展對湘潭市污染物濃度變化有重要預報預警意義[6]。

圖12 2020年10月28—31日湘潭市風速逐時變化Fig.12 Temporal variation of wind speed in Xiangtan from 28—31 October in 2020

圖13 2020年10月28—31日污染系數玫瑰圖Fig.13 Rose diagram of pollution coefficient from 28—31 October in 2020

3.2.2 相對濕度和降水量 本次過程污染傳輸影響階段平均相對濕度67%，低濕環境下不利于顆粒物的沉降[7]，空氣質量以輕度污染為主；本地源排放階段平均相對濕度達96%，最小濕度也有85%，污染濃度最大時段空氣濕度處于飽和狀態，伴隨出現了0.7 mm的弱降水，即30日07—10時連續時次出現了0.1～0.3 mm降水，對應時次的污染濃度急劇上升隨之出現PM2.5波峰，在高濕和弱降水狀態下有利于氣態污染物的二次轉化和顆粒物的吸濕增長。

3.2.3 逆溫 畢瑋等[9]研究表明污染天氣過程出現時，大氣往往表現出明顯的逆溫結構特征，逆溫層的存在使得大氣污染被滯留在大氣邊界層中，不利于污染物的擴散。從長沙站T-lnp圖上也可以看到(圖15)，28—30日溫度露點差逐漸減小，700 hPa以下都出現了不同強度逆溫層，且高度逐漸下降，其中30日08時T-lnp圖上近地面有明顯逆溫，不利于垂直擴散，導致邊界層內的污染物不斷累積，空氣質量達到中度污染，部分站點達重度污染。

圖14 2020年10月28—31日湘潭站相對濕度和降水量逐時變化Fig.14 Temporal variation of relative humidity and precipitation at Xiangtan Station from 28—31 October in 2020

圖15 2020年10月28—30日08時長沙站T-lnp圖(紅色、藍色、綠色實線分別為狀態曲線、溫度、露點溫度曲線)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 結論

對2020年10月28—31日污染天氣特征及成因進行分析得出以下結論：

①本次污染過程分為3個階段，第1階段為北方偏二次型傳輸階段，在強北風的推動下華北地區污染物PM2.5向南傳輸影響湘潭；第2階段為大氣高濕靜穩條件下本地源(工業源、移動源、揚塵源、生物質燃燒源)排放累積階段，氣態污染物在污染過程中發生二次轉化，并伴隨顆粒物的吸濕增長，推高了湘潭的PM2.5濃度峰值；第3階段為污染物緩慢清除階段，隨著冷空氣開始影響湘潭地區，擴散條件逐步改善，污染過程結束。

②此次污染過程的第1階段較大的北風有利于污染物的遠距離輸送，從污染系數玫瑰圖可知偏北方向污染源排放的污染物對湘潭市影響趨勢較大；第3階段北風風力加大且上游空氣質量優良，本地污染物得到有利擴散，此次污染過程結束。因此密切關注華北地區重污染天氣的發展對湘潭市污染物濃度變化有重要預報預警意義。

③此次污染過程的第2階段地面轉均壓場，整層大氣濕度接近飽和并出現弱降水，在靜穩高濕條件下，湘潭呈現出偏二次型的污染特征，表明經過前期的跨區域污染傳輸，氣態污染物在污染過程中發生二次轉化，并伴隨顆粒物的吸濕增長，推高了湘潭的PM2.5濃度峰值。

④此次污染過程的第1、第2階段溫度露點差逐漸減小，700 hPa以下都出現了不同強度逆溫層，且高度逐漸下降，不利于垂直擴散，導致邊界層內的污染物不斷累積，污染加重。因此持續的逆溫層結是污染物累積的有利形勢背景，逆溫層的出現是預判污染天氣是否發生的一個重要氣象條件。