2019年初长沙市一次典型重污染天气过程成因分析

胡 燕，杨云芸，刘焕乾，尹忠海，周 慧，王晓雷

（1.湖南省气象台，长沙 410118；2.湖南省气象技术装备中心，长沙 410118）

长株潭城市群是湖南省经济发展的核心增长极和长江中游城市群的重要组成部分。随着长株潭融城建设的加快，伴随着经济飞速发展带来了一系列环境污染问题。湖南省地形特点为东南西三面环山、北部开口的喇叭口形，长株潭城市群位于喇叭口处的洞庭湖平原地带，是北方污染物向南传输的主要通道之一，其空气质量受工业产业快速发展、机动车排放源的影响，导致污染物浓度增加［1］，使重污染天气明显增多。

近年对中国中部城市和城市群空气污染的气象条件方面研究较多，发现区域大气污染与局地下垫面特征、输送通道、静稳气象条件密切相关［2］。大气环境已经成为影响人们生活质量的重要因子［3］，其中细颗粒物污染又是影响区域大气环境的首要因素，受人类活动、地理条件、外源传输、气象条件等共同影响［4］。细颗粒物污染常通过长距离传输影响中国中部地区［5］，在一定条件下以垂直扩散或南北输送方式直接加重本地污染程度［6］，导致区域重污染天气发生。气象因子对污染物的跨地区输送也有重要作用［7，8］，如水平风的风向风力、局地风的垂直变化都能反映污染物传输通道及所在层次。风廓线资料因其能反映某地风场转换特征，并能有效监测冷暖平流、计算边界层通风量指标，常用来定量分析污染物扩散条件［9，10］。通过风廓线研究发现，对流层底层盛行偏南气流时气溶胶污染加重［11，12］，静稳大气下近地层小风速能很大程度抑制污染物的扩散［13］。同时，具有逆温层结或多层逆温的大气使污染物聚集在云底以下，扩散减缓［14，15］，持续稳定的边界层内垂直速度更小［16，17］，这些都是污染物浓度增加的影响因素。

大范围的区域污染除了研究本地气象条件，还有云覆盖的演变也是近年空气污染分析的热点领域。卫星遥感数据因其具有覆盖范围广、连续监测、高时效等特征在区域大气污染监测中的应用也越来越广泛［18-22］，风云4号静止卫星搭载的多通道成像辐射计获得的云图可监测大范围的云系变化，结构和地物特征清晰，纹理清晰，并可通过云顶黑体亮温（TBB）读取判断污染区域上空所覆盖云的种类及高度。本研究选取2019年1月5—8日长沙市重污染过程作为研究对象，对污染物变化与气象因子相关特征、扩散条件和外来源轨迹进行了分析，并利用新型探测资料FY-4A红外卫星云图、垂直风廓线等探讨大气污染物的扩散能力，以期为长沙市重污染天气预报和提前发布预警寻求科学支持。

1 资料与方法

空气污染物浓度资料来自湖南省生态环境监测中心提供的14个国控站2019年1月5—8日的逐小时空气质量指数（Air quality index，AQI）和6种主要污染物监测数据；气象资料来自湖南省长沙市气象观测站提供的长沙站各类常规及加密气象观测数据；卫星资料来自国家卫星气象中心提供的FY-4卫星数据；风廓线资料来自长沙国家气候观象台L波段边界层风廓线雷达6 min一组数据资料；后向轨迹的计算数据采用NOAA全球同化系统气象场资料。轨迹计算方法主要采用HYSPLIT4轨迹模式，该模式是利用欧拉和拉格朗日混合计算模式，可描述多种物理过程，处理不同类型气象场，因其能有效模拟多种排放源的传输、扩散及沉降过程，因此普遍用于污染物的来源分析。驱动HYSPLIT4模式的输入气象场为美国NOAA全球资料同化系统（GDAS）数据，分辨率为1°×1°。

综合利用空气污染数据、气象数据和卫星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，深入探究本次影响长沙市的重污染天气过程发生、发展的成因，并通过轨迹分析来探讨本次重污染天气的来源及其影响。

2 污染特征和各污染物浓度变化

2019年1月5—8日受外源输入叠加本地不利气象条件影响，湖南省大部分城市出现了一次明显的重污染过程。本次过程有影响范围大、程度重、连续时间长等特点。除郴州市外，其他城市在不同时段均出现了重度以上污染，其中长株潭地区作为湖南省经济、人口的集中区尤为明显，长沙市、株洲市和湘潭市AQI大于200间歇式持续时长分别为63、56、70 h，本次过程选取长沙市为代表站点进行分析研究。

通过计算长沙市逐小时各污染物与AQI的相关性，结果显示PM2.5、PM10与AQI的相关系数均达0.9以上，均呈高度正相关（表1）。从长沙站各污染要素随时间演变分析（图1）可知，本次过程中PM2.5、PM10浓度曲线相似，呈同位相上升、下降趋势。由AQI和PM2.5的变化特征将此次污染过程分成3个阶段，1月5日8：00至7日10：00为污染积累阶段，7日11：00至8日14：00为污染暴发阶段，8日15：00进入污染清除阶段。积累阶段5日8：00的AQI为172，长沙市进入中度污染状态，5 h后迅速上升至212，13：00开始持续出现28 h重度污染，6日11：00的AQI出现积累阶段峰值，为231，PM2.5和PM10同步达到该阶段峰值，分别为181、123μg/m3，其中PM2.5浓度高于国标四级限定值，是首要的超标污染物。6日12：00开始出现正弦曲线波动，到7日10：00 PM2.5两次出现连续4 h小于150μg/m3浓度值，污染物积累呈波浪式增长特点。暴发阶段从7日11：00 AQI达200开始，连续28 h的重度污染，7日23：00—24：00 AQI为292，接近严重污染级别，PM2.5达242μg/m3，与PM10、AQI同步达到第二个峰值。8日15：00开始进入清除阶段，PM2.5在20：00降至150μg/m3以下，仅6 h下降达65μg/m3，污染过程快速结束。

表1 1月5日8：00至8日20：00长沙市AQI与PM 2.5、PM 10等污染物相关系数

图1 长沙市1月5日8：00至8日20：00 PM 2.5、PM 10等污染物要素随时间的变化趋势

O3、NO2、SO2这3种污染物浓度均较低，NO2、SO2大部分产生自高温燃烧时的气体释放，常见于车辆排放的尾气和锅炉燃烧废气，在本次污染过程中与AQI相关性较低。CO则是大气中分布最广和数目最多的污染物，CO浓度与AQI相关系数为0.429 2，积累阶段基本与PM2.5浓度变化曲线平行，暴发阶段7日10：00为1.8 mg/m3，早于PM2.5浓度13 h达到峰值，CO通过本地累积与上游传输影响，对本次过程暴发阶段AQI迅速上升至峰值起到重要作用。

3 污染过程形成机理分析

3.1 环流背景

环流背景分析（图2）表明，2019年1月5日8：00至7日8：00为此次重污染的积累阶段，5日夜间至6日凌晨湖南省上空500 hPa有一次浅槽快速移动影响，其他时段中高纬地区为两槽一脊型，中低纬受南支槽影响，省内处于槽前西南气流中，低层有切变辐合在湘西南，且存在一支12 m/s以上的低空急流，地面冷高压中心达1 050 hPa。5日8：00在1 030 hPa的冷空气前锋已南下至长江流域一带，冷空气首先从东路扩散南下，至6日转为偏北路径加速南下。925 hPa风向6日转为偏北风，低层北方污染物向南的传输通道初步建立。7日10：00进入暴发阶段，从7日20：00高低空环流配置分析，中低层西南暖湿气流逐渐加强且850 hPa风速存在切变辐合，地面受均压场控制，10 m风场在湘东北存在风向辐合，有利于污染物的吸湿增长和北方的污染物沉积，造成了此次污染过程中PM2.5的暴涨。8日开始随着南支槽加深，辐合切变加强，降水增大，冷空气主体南下，风力加大，污染物得到有力扩散，同时受湿沉降清除，污染过程结束。

图2 2019年1月6日20：00（a）和1月7日20：00（b）500 hPa形势场（红色等值线）、10 m风场（黑色风向杆）和海平面气压场（黑色等值线）

3.2 污染扩散条件分析

3.2.1 FY-4卫星资料分析 卫星因具有大范围连续性等优势，可获得高时空分辨率光谱信息，不仅能反演云的微物理特征及云降水监测［23］，最新的气象卫星还具备大气成分的观测能力，可监测全球的臭氧和气溶胶。云顶温度越低表明云顶发展越高，利用卫星对云探测敏感的优势，将TBB与上升气流强弱联系起来，可反映垂直运动的情况。利用FY-4A红外（10.8μm）通道云顶亮温资料与污染物浓度关系进行初步分析，结果见图3。积累阶段PM2.5上升时TBB同位相上升，二者呈正相关，且维持高于-10℃的相对高值区域。该阶段TBB先升后略有下降，6日9：00达第一个波峰3.67℃，11：00 PM2.5出现第一个波峰。TBB对应云层高度低。对比6日20：00、7日8：00长沙探空站分析可知（图略），0℃层高度对应在3 km左右，可见云主要以中云和低云为主，有利于暖干盖的形成，但不利于污染物的垂直扩散，从而导致浓度上升。暴发阶段TBB小于0℃，平均为-5.2℃，在-10～1℃摆动，振幅加大，当PM2.5出现第二个波峰时，TBB表现出从波峰到波谷的显著变化。结合8日8：00温度对数压力图（图略）可知，云顶温度在-10～0℃对应1.5～6.0 km高度，说明该阶段仍以大范围稳定性中低云系为主。清除阶段TBB明显下降，最低达-33℃，大多时次低于-15℃，云系发展至8 km以上，有处于污染物垂直扩散。

图3 长沙市1月5日8：00至9日8：00 TBB与PM 2.5的变化趋势

从污染过程的积累和暴发两个阶段PM2.5浓度波峰时段10.8μm长波红外云图（图4）的云型结构、色调、纹理特点进行分析，可以看出积累阶段6日8：30（图4a）长沙市TBB达最大，为3.67℃，云的色调偏暗，呈灰色，云层较厚，高原上空有较整齐的云边界，低云覆盖高原及长江流域大部分地区；11：30（图4b）长沙上空絮状云系颜色更暗，呈灰黑色，云边界模糊，说明该阶段云的发展高度逐步降低，暴发阶段河套以南大部分地区为边界清晰、呈盾状的槽线云系，云区宽广、色调白亮，湖南省距离低槽较远，云系较松散，中云和低云不均匀覆盖；从7日22：30（图4c）至8日0：30（图4d）云的变化来看，随着低槽的移近、盾状云系的边界更加清楚，云系覆盖范围更广，湖南省上空基本为灰白色降雨云团，结合降雨量时序图分析，8日14：00之后出现有效降雨，对污染物有冲刷作用使得浓度迅速下降，过程结束。

图4 污染积累阶段（a.6日8：30，b.6日11：30）、污染暴发阶段（c.7日22：30，d.8日0：30）卫星云图

3.2.2 垂直风廓线与水平风 大气中湍流扩散能力在垂直风廓线中有所反映，尤其是地面辐合线对污染物浓度出现暴发性增长有重要作用［24］。分析两个阶段污染波峰时段垂直风廓线分布可知，积累阶段（图5a）初期（5日16：00至6日2：00）3 000 m以下均为偏北风，且风速自3 000 m下传使地面风速从0～2 m/s加大至4～6 m/s，说明中层有冷平流下传，地面受冷空气侵入，污染物浓度增加。到6日8：00地面风速为1～2 m/s，北风层次降低，700 m以下为偏北风，700 m以上从偏东风转为西南风，风向随高度顺转，有暖平流。边界层至3 000 m存在暖干盖覆盖且贴地层为微风的稳定大气层结，有利于污染物在边界层以下集聚，6日11：00 PM2.5和PM10达积累阶段峰值。暴发阶段7日18：00（图5b）北风层次向上扩展至2 000 m，冷空气厚度加大，冷平流加强，风速加大，1 500 m以下风速大多在4～8 m/s，近地层风速大多为2～6 m/s，到7日23：00—24：00间1.5 km以下北风风速出现过程最大值，达8～10 m/s，说明传输作用占该阶段主导地位，上游地区污染物以偏东路径随东北气流向长沙市传输。结合前述轨迹分析，此次外来源输入对长沙市重污染天气起到加剧作用。8日15：00之后，100 m以下地面风速开始明显增大至6～8 m/s，有利于污染物在近地层水平扩散，浓度下降。

图5 长沙市污染积累阶段（a.1月5日16：00至6日15：00）、暴发和清除阶段（b.1月7日18：00至8日20：00）0～3 km垂直风廓线

近地面风速大小是边界层内污染物水平扩散的重要条件，而该地污染物的传输方向与扩散通道则取决于风向与风频。本次污染过程中地面风速最大为3级风，风速在1.6～3.3 m/s的占85.4%，0.3～1.5 m/s（1级风）和3.4～5.4 m/s（3级风）的各占7.3%。污染过程中最大10 min平均风速仅为4.0 m/s，当污染物浓度达峰值时，风速大部分在1.5～3.0 m/s（图6），说明近地层一定强度的风力可加强污染物水平湍流，使其在一定区域浓度上升。

图6 长沙市1月5—8日PM 2.5与地面水平风速散点分布

3.2.3 温度和湿度垂直分布 温差是大气热力作用的主要驱动因素［25］，温度随高度增加的现象称之为逆温，它是重污染天气形成和维持的重要条件。中低层逆温使大气层结更为稳定，多层逆温可加大逆温层次厚度［26］，强逆温使污染天气维持并加重［27］。低层湿度高对大气中细颗粒物吸湿增长也有重要作用，粒子直径增大、数量增多都会使污染物的浓度升高。利用长沙站的探空资料，绘制了1月6—8日温度和露点的垂直分布廓线（图7）。分析表明，积累阶段6日8：00（图7a）700 hPa以下中低层温度露点差小，高湿维持时间长，使大气中的细颗粒污染物在低空不断吸湿增长，逆温在该阶段最为清楚，925～700 hPa温度从1.2℃升至5.8℃，利于污染物的堆积并导致浓度逐步上升。暴发阶段7日20：00（图7b）湿层高度升高至700 hPa，湿层更加深厚，近地面温度露点差小、高层较大的温度露点差造成显著的上干下湿层结分布使水汽在边界层积累，细颗粒物漂浮在空中吸湿增长；同时，逆温维持在925～700 hPa高度，达3.8℃，较长时间的持续逆温不利于污染物的垂直扩散［28］，细颗粒物在近地层积累、重污染暴发。8日20：00（图7c）随着北方干燥冷空气的南下，边界层相对湿度迅速变小，逆温减弱消失，有利于污染物扩散、过程结束。

图7 长沙站1月6—8日温度、露点温度随高度变化曲线

3.3 污染过程气象特征分析

3.3.1 能见度与总云量 本次污染过程能见度差，大部分时段能见度小于1 km，全过程小于3 km，出现重污染（图8a）。吴兑等［29］研究认为，能见度小于5～7 km可用于判断典型霾天气过程。积累阶段6日20：00至7日14：00出现小于1 km低能见度天气，该时段细粒子污染物达150μg/m3，呈负相关。暴发阶段能见度有所上升，但总体仍然维持小于2.5 km的低值。有研究表明，高污染也是导致能见度迅速降低的主要原因之一［19］。从PM2.5与总云量的变化来看（图8b），以100%定义为满云，PM2.5积累阶段总云量在40%～60%，云系较多，结合前述云图分析，长沙市上空覆盖中低云系，有利于PM2.5在云底以下积累，污染逐渐加重；随着总云量2次陡增至100%，即天空满云覆盖时阻止污染物垂直扩散，从而近地层大量细粒子污染物积累，污染进入暴发阶段。

图8 长沙市1月5—8日PM 2.5与能见度（a）、PM 2.5与总云量（b）的变化趋势

3.3.2 相对湿度与降雨量 本次污染过程相对湿度平均达95%以上，有利于污染物吸湿增长，同时相对湿度大创造了利于气态污染物向颗粒物二次转化的环境条件［30］。细颗粒物浓度变化与相对湿度常常表现为正相关的一致趋势变化［31］，高的相对湿度有利于二次颗粒物、亚硝酸盐等的形成与加重［32］。5日8：00至8日14：00大多时次以0.0 mm微量降水为主，降雨量最大仅为0.2 mm，空气中相对湿度较高，积累阶段的弱降雨使云中冰核数量增加［33］，有利于污染物集聚。其中在6日20：00至7日14：00出现连续时段0.1～0.2 mm降水，紧接着出现PM2.5波峰，说明当接近饱和时，污染物吸湿增长达到最大值。正如Baik等［34］所述PM2.5中的水溶性化合物具有较强吸湿性，其含量和粒径会随湿度升高而增大。另外，8日14：00—16：00连续3 h出现逐小时2.0 mm以上降雨量时，PM2.5和PM10浓度下降，空气逐渐变清洁，可见湿沉降也是导致本次污染过程快速结束的重要因素之一。

3.4 污染物来源分析

为了解本次过程中的污染来源，采用美国的后向轨迹模式HYSPLIT4选取污染积累阶段（1月6日2：00）和暴发阶段（1月8日20：00）2个时次进行48、72 h后向输送轨迹模拟。轨迹的终点设为长沙站，轨迹设了3个终点高度（100、500、800 m），轨迹1（蓝色）和轨迹2（绿色）分别为高空500 m和800 m高度气块的模拟轨迹，轨迹3（红色）为近地层气块的模拟轨迹（图9）。积累阶段，从100 m近地层到800 m中层气团均主要来自河南省一带，以偏北路径影响湖南省中部以北地区。由于4—8日长江流域附近基本为云系覆盖，MODIS未监测到有效火点信息，因此根据上游郑州市、武汉市的AQI、PM2.5时序变化，发现郑州市PM2.5浓度于4日0：00达275 μg/m3，武汉市PM2.5浓度于4日20：00达150μg/m3，而长沙市PM2.5浓度于5日13：00达162μg/m3，且郑州市和武汉市达峰值后迅速开始下降，说明污染物是自北向南传输的。500 m和800 m高空的模拟路径较为相似。中低层污染气团轨迹相同，受气团叠加影响，从河南省中部长距离传输影响长沙市，是导致此次重污染天气发生的重要原因之一。

图9 长沙站（28°12′N，113°12′E）2019年1月6日2：00（a）、1月8日20：00（b）后向轨迹模拟

4 小结

1）PM2.5是长沙市此次重污染天气过程的主要污染物，CO在积累阶段累积或通过传输影响至本地，对暴发阶段AQI达到峰值起重要作用。

2）中低层污染气团轨迹相同，受气团叠加影响，污染物从河南省中部长距离传输影响长沙市，是导致此次重污染天气的主要原因之一。

3）云顶温度可以反映云层发展高度，对判断污染物浓度垂直扩散起重要作用。积累和暴发阶段以大范围稳定性中低云为主，TBB大于-10℃。风廓线资料分析得知，在暴发阶段上游地区污染物随东北气流向长沙市输送，在本次污染物传输作用中占主导地位。

4）850～700 hPa有明显逆温层或等温层、高层空气相对湿度小均为本次重污染天气的有利气象因子。在本次重污染过程中，积累和暴发阶段出现间歇性微量降水使PM2.5中的水溶性化合物含量和粒径增大而达到峰值；当出现2.0 mm以上降雨量时，污染物迅速得到清除，湿沉降是导致本次污染过程快速结束的重要因素。