长株潭区域一次重度污染过程气象成因

曾 欣,舒 磊,张 靖,谢倩雯,曾珊珊

1.株洲市气象局,湖南 株洲 412000

2.株洲市生态环境局,湖南 株洲 412000

长株潭城市群位于湖南省中东部,长沙、株洲、湘潭两两相距不到50 km。 近年来,长株潭地区大气污染实行联防联控,空气质量总体有所好转。 但重污染过程每年仍有发生,且秋冬季节尤为突出,大气污染防控形势仍然严峻。 本文通过对长株潭城市群一次重度空气污染过程特征及成因分析,深入研究气象因素对本地区大气污染的影响,探讨了长株潭城市群污染物的来源及近距离传输规律,为长株潭城市群大气污染联防联治、大城市规划建设、合理布局工业区提供技术支撑和决策参考。

1 研究方法

1.1 数据资料及来源

资料数据为2021 年12 月6—15 日,期间逐日AQI、PM2.5质量浓度数据、逐时PM2.5质量浓度分别取长沙市区10 个空气质量国控站、株洲市区6 个空气质量国控站、湘潭市区5 个空气质量国控站的监测平均值;地面气象要素和天气现象等观测资料来源于长沙、株洲、湘潭国家气象观测站。 逐日统计值与逐时统计值与空气质量数据一一对应;天气形势分析采用中国气象局Micaps 数据资料;后向轨迹分析采用NCEP 再分析资料、ERSST_V3 和HYSPLIST 的GDAS 资料,空间分辨率为 1°×1°,时间分辨率为6 h。

1.2 大气稳定度和混合层高度计算

大气稳定度等级的划分使用帕斯奎尔(Pasquill)稳定度分类法[9],分为强不稳定(A)、不稳定(B)、弱不稳定(C)、中性(D)、较稳定(E)、稳定(F)6 级。 具体操作办法:首先由太阳倾向角计算出太阳高度角H0,再由太阳高度角H0和云量查出太阳辐射等级,根据地面风速和查算出来的太阳辐射等级查出大气稳定度等级。

混合层高度计算采用国标法,即按《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》 (GB/T 3840—1991)中附录E 的计算公式分别计算长沙、株洲、湘潭的混合层高度。 混合层厚度的确定[10],即在大气稳定度为A、B、C 和D 级时,按公式E1 进行计算,在大气稳定度为E、F 级时,按公式E2 进行计算。

1.3 后向轨迹模拟

利用 NCEP 的GDAS 气象数据模拟分析2021 年 12 月7—12 日污染过程PM2.5污染物后向气团轨迹。 使用Hysplit 后向轨迹模型来分析长株潭地区主要污染物的气团传输路径。 该模型可以模拟分析大气污染物迁移扩散轨迹,具有多种气象条件输入和排放源处理分析能力,以及较完整的运输、扩散和沉降模块,在各类污染物传播扩散研究中应用广泛[11-13]。 研究区域分别选择长沙(28.2°N,113.1°E)、株洲(27.9°N,113.2°E)、湘潭(27.9°N,112.9°E)3 个国家观测站点,为探明长株潭城市群污染物近距离传输路径,轨迹起始离地高度分别为50、100、500 m。

2 重污染过程特征分析

2021 年12 月6—12 日,我国中东部地区出现了一次大范围重污染过程,湖南境内长株潭城市群受影响时段为12 月8—11 日,出现为期4 d的重度污染,首要污染物为 PM2.5。 此次过程出现在长株潭空气质量特护期,污染持续时间长达116 h,属于典型的污染物输入及本地积累混合型污染,是2021 年最强的一次重污染过程,为近6年中仅次于2016 年12 月31 日至2017 年1 月5日长株潭等地重污染过程。 长沙、株洲、湘潭先后启动了重污染天气黄色及橙色预警,加大大气污染防治监管和巡查力度,多举措加强防控,降低重污染天气对空气质量造成的不利影响。 图1 是2021 年12 月6—12 日长株潭各城市AQI 与PM2.5质量浓度变化情况。 长沙、株洲、湘潭6 日空气质量均为良,7 日开始出现轻度污染;8 日污染累积,PM2.5浓度分别增加到161、156、150 μg/m3,长沙、湘潭转为重度污染,株洲为中度污染;9 日污染物进一步积累,PM2.5质量浓度维持在152 ～158 μg/m3,长沙、株洲、湘潭均出现重度污染;10日污染浓度有所下降,PM2.5质量浓度降至138 ～149 μg/m3;11 日随着外源输入与本地积累,PM2.5质量浓度上升至168 ～175 μg/m3(污染过程最大值),污染再度加重;12 日污染浓度快速下降,空气质量转为良。

图1 2021 年长株潭逐日 AQ I 和PM 2.5 质量浓度变化Fig.1 Changes of daily AQI and PM 2.5 concentration in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region

此次长株潭区域重度污染过程呈现以下特点:①污染持续时间长。 自最先开始出现轻度污染至株洲最后转为良,期间持续了116 h。 ②阶段性重度污染明显,出现3 段重度污染时段,长沙、株洲、湘潭累计重污染时长分别为68、64、63 h。污染最强时段均为11 日06:00 前后。 ③污染开始、结束日基本同步。 株洲污染开始时间滞后长沙、湘潭约8 h,污染结束时间滞后约2 h。 ④污染程度以长沙最重,湘潭次之,株洲最轻。

CFG桩复合地基是地基处理中常用的一种方法，但在设计过程中还存在一些容易忽视的问题，工程设计人员应当深入理解规范、清楚基本概念，明确复合地基的承载力和变形计算参数，保证设计的安全性，推进CFG桩的进一步广泛应用。

3 成因分析

3.1 污染过程环流形势分析

肖娴等[14]对珠江三角洲区域性污染过程进行研究分析时,认为气象条件是造成空气质量好坏的重要因素,段宇辉等[15]研究认为天气系统的变化对气象要素起决定性的作用,气象因素是造成空气质量好坏的主要因素。 杨群等[16]研究铜仁市空气污染过程时认为,空气污染时地面为冷高压或均压区控制。 2021 年12 月6—12 日,欧亚中高纬由一槽一脊型向两槽一脊型调整,10 日前中高纬度经向度较小,巴湖以西至贝加尔湖为一低槽区,10 日后随着贝加尔湖低槽东移加深,40°N 以北环流调整为两槽一脊型;期间40°N 以南我国大部分地区处于西风带纬向环流控制之中,环流平直,无明显的槽脊活动,冷空气势力较弱,天气形势相对静稳,大气扩散能力整体较差,有利于我国中东部地区雾、霾天气的形成与维持。

2021 年12 月6 日500 hPa 高空图上,我国中东部为上下一致的偏北气流,空气质量以良为主。12 月7 日08:00,500 hPa 环流平直,我国中东部受高压脊控制,出现轻度污染,湖南处在浅槽前的弱西南气流之中,850 hPa 及地面受高压底部的偏东北气流影响,常德、益阳、长沙、湘潭出现轻度污染;8 日静稳形势维持,低层有弱冷空气渗透影响湖南,地面在湘中一带存在弱辐合,湖南大部分地区转为轻度污染,常德、益阳、长沙、株洲、湘潭污染加重,出现重度污染,湖南中北部一带成为当天全国污染最严重的地方;9—11 日静稳形势继续维持,我国中东部地区污染再度加重,出现大范围重度污染,其中10 日14:00—18:00,湖南850 hPa 转受偏东南气流影响,长株潭地区空气质量转为良,10 日20:00 开始,受一股弱冷空气影响,850 hPa 以下转受偏北气流影响,长株潭地区再次出现持续21 ～23 h 的重度污染。 11 日14:00以后,随着冷空气主体南下,地面偏北风加大,重污染逐渐减轻,长株潭区域空气质量于12 日00:00前后转为良好。

由此可见,长株潭区域此次重污染过程是在静稳环流背景下,本地污染物积累与我国中东部地区污染物输入共同所致,属于典型的混合性污染过程。 高空平直环流、无明显槽脊影响、地面弱冷空气活动频繁是此次重度空气污染过程的主要环流特征。

3.2 地理条件分析

长株潭城市群受混合性污染过程影响,污染基本同步,但株洲的污染程度比长沙、湘潭要轻,污染时间比长沙、湘潭滞后2 ～4 h。 造成这种差异的原因可能与长株潭城市群的地理条件有一定的关系。 长沙、株洲、湘潭3 个城市两两相距不足50 km,沿湘江呈“品”字形分布,构成长株潭城市群的核心区域,北边及西北为洞庭湖平原,西部为雪峰山余脉的丘陵中山地带,东北部及东部受东北-西南向雁字形排列幕阜山脉阻挡,南边与衡邵盆地相连,呈东西高、南北低的狭长状地形。 长沙市西北部为常德、益阳,北部为岳阳,地势平坦,有利于污染物随冷空气从我国中东部地区,经洞庭湖平原长输直入首先影响长沙,冬季长株潭核心区域主导风向为西北风以及北风,株洲、湘潭处在长沙的下游,因此污染时间较长沙稍有滞后,污染程度有所减弱。

3.3 大气稳定性和混合层高度分析

在大气湍流扩散问题中,常用大气稳定度作为反映湍流状况、扩散速率强弱的主要指标。 研究表明[17-19],大气环流稳定、高湿度、低气压、逆温、静弱风和弱降水等气象条件容易造成污染物的堆积。 王晓云等[20]认为静稳天气条件容易出现污染物浓度高值,贴地逆温层不利于污染物的扩散。 气象上常用逆温层及温度层结变化来分析说明大气稳定度,7 日08:00 在925 ～1 000 hPa 存在明显逆温,925 ～1 000 hPa 温度差为3 ℃,表明边界层大气比较稳定;7 日20:00 开始出现双逆温层;8 日08:00 至10 日20:00,近地面逆温层抬高且减弱至消失,600 ～700 hPa 逆温层增厚;11日08:00 至20:00,双逆温层再次出现,925 ～1 000 hPa 温度差为1 ℃,600 ～700 hPa 温度差大于8 ℃;12 日08:00 逆温层不明显。 由此可见,7日08:00 至11 日20:00 大气垂直方向均存在逆温层,只是逆温层高度存在差异,逆温层抬高,表征整层稳定大气的厚度增大,污染物总量也随之增加;双逆温表征大气稳定度进一步增强,大气垂直方向的扩散能力进一步减弱。

杨勇杰等[21]计算结果表明,云量和风速对上海市大气稳定度的影响较大,阴天是上海市稳定度以中性为主的主要原因。 本研究选取12 月6日08:00 至12 日20:00 每天08:00、11:00、14:00、17:00、20:00 5 个时刻共35 个定时云量观测数据,查算长株潭区域整个污染过程的大气稳定度。 12 月6 日、9 日、10 日天气状况较好,云量较少,其余时段均为阴天,总云量均为10 分量。统计结果表明,整个过程无强不稳定等级(A),不稳定等级(B)与弱不稳定等级(C)总共占19%,主要集中在6 日、9 日、10 日 11:00—14:00,总云量与低云量为0 分量的情况下,中性(D) 占57.1%,集中7 日、8 日、11 日阴天10 分量的情况下,较稳定(E)占18.1%,稳定(F)占5.7%,对应污染开始积累时段及严重污染时段。 大气稳定度中性以上级别的占了81%。 由此可见,整个污染过程大气处于相对稳定状态。

混合层高度表征了污染物在垂直方向被热力对流和动力湍流输送所能达到的高度,是影响污染物扩散的重要参数[22-23],混合层高度越高,越有利于污染物在垂直方向的扩散,反之,混合层高度越低,越不利于污染物扩散。 通过计算长株潭区域12 月7 日08:00 至11 日20:00 混合层高度,结果表明,混合层高度不但与大气稳定度相关,同时与风速有较好的对应关系。 图2 中长沙、株洲、湘潭混合层高度与风速的相关系数分别为0.77、0.73、0.69。 混合层高度与PM2.5浓度存在一定的反相位变化,但相关性不好。 整个过程长沙、株洲、湘潭平均混合层高度分别为1 922、368、533 m。 长沙风速较大,平均混合层高度高,大气扩散条件较株洲、湘潭好,但长沙的PM2.5污染物浓度却长时间居高不下。 分析原因,可能是受主导风向外来污染的输入影响,混合层抬高,大气环境容量也较高,外源输入PM2.5污染物浓度及本地污染物在一定高度与一定范围内交换,但总量增加,在大范围稳定大气状态下,难以扩散自净。

图2 2021 年12 月6—12 日混合层高度与风速及PM 2.5 浓度关系Fig.2 The relationship between the height of mixing layer,wind speed and PM 2.5 concentration from December 6-12,2021

由此可见,对于长株潭地区本地积累与外源输入型污染过程,单从混合层高度变化来分析并不能较好解释PM2.5浓度积累与扩散情况。

3.4 气象要素与污染物浓度变化

长沙、株洲、湘潭的气压、气温、相对湿度、风速等气象要素取长株潭区域相应气象要素平均值。 图3 为长株潭区域此次重污染过程主要气象要素及PM2.5浓度的逐时变化。 根据PM2.5浓度的变化整个污染过程可分为4 个阶段:第一阶段为7 日05:00 至8 日23:00,PM2.5质量浓度由66 μg/m3上升到180 μg/m3,第一次出现峰值,期间风速由4.5 m/s 减小到1.2 m/s,相对湿度由45%缓慢增加到 83%, 气压维持在 1 025 ～1 030 hPa 之间。 第二阶段为9 日00:00 至10 日10:00,PM2.5质量浓度由179 μg/m3下降至124 μg/m3后再次回升到176 μg/m3左右,期间风速维持在0.6 ～1.7 m/s,气压由1 030 hPa 下降至1 021 hPa,气温和相对湿度呈双波反相位起伏,且振幅较大。 第三阶段为10 日10:00 至11 日07:00,PM2.5质量浓度由171 μg/m3迅速降至100 μg/m3以下,然后再次回升至223 μg/m3,达到这次污染过程PM2.5质量浓度最大峰值,期间气压由1 021 hPa 升至1 027 hPa,风速由1.5 m/s增至4.6 m/s,气温下降3 ℃左右,相对湿度维持在72%～82%。 第四阶段为11 日7:00 至12 日00:00, PM2.5质量浓度由 223 μg/m3降至100 μg/m3以下,污染过程基本结束,期间气压由1 025 hPa 升至1 030 hPa,风速维持在3.0 ～5.2 m/s,相对湿度80%升至95%。

图3 长株潭区域重污染过程主要气象条件逐时变化Fig.3 Hourly change of main meteorological conditions during the heavy pollution process in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region

综上所述,此次重污染过程中气象要素变化复杂。 地面均压场、小风、升温增湿,是长株潭地区此次重污染过程中的主要气象要素特征;长株潭地区冬季当地面气压维持在1 020 ～1 027 hPa、地面风速在2.5 m/s 以下、无有效降雨前提下升温增湿,均可视为大气处于静稳状态,不利于污染物的扩散;当大气处于静稳状态,有弱冷空气影响,温度波动变化且振幅为4 ～6 ℃,相对湿度在85%以下,均有利于污染物积累;受到较强冷空气影响时,冷空气带来的偏北风达4.5 m/s 以上,气压增加到1 030 hPa 以上,且伴有有效降雨,有利于污染物扩散清除,污染过程基本结束;风速是影响污染物浓度的重要因素,一般情况下,地面风速大于3.0 m/s时,有利于污染物扩散,但第三阶段10 日00:00 至17:00,地面风速为3.3 ～5.2 m/s,PM2.5质量浓度大于150 μg/m3,即本地大气扩散条件改善时,污染物浓度并没有减轻反而增加的原因,主要是由于我国中东部地区污染物聚积,受冷空气影响,随大尺度气流向南传输影响湖南,在主导风向和湖南特殊地形的影响下,污染物进入湖南后在逆温层底部进行交换与近距离传输,导致长株潭城市群核心区域污染物聚集,污染总量增加。

3.5 主导风向与污染通道

风向影响污染物的水平迁移扩散方向,将污染物向其下风方向输送,而风速的大小决定了大气扩散和输送作用的强弱[24]。 为了研究长株潭区域污染物的来源,选取污染物不断聚集、污染程度较重的12 月6 日00:00 至11 日23:00 逐小时风向风速进行统计分析。 结果表明,长沙、株洲、湘潭的小时平均风速分别为2.8、1.5、2.0 m/s,长沙大气扩散条件优于湘潭、株洲,长株潭区域间污染物存在一定的近距离扩散与传输。 为了更好表征气流传输作用,本文采用大气污染系数来表征风矢量对污染物的输送作用[25]。 污染系数是某一地区某方位风向频率与该方向风速的比值,可以用来表示污染程度的大小。 此次过程无静风。

图4 中长沙NW 频率42.7%,平均风速4.1 m/s,最大污染系数为10.4,其次是NNW 频率达18.9%,平均风速达4.3 m/s,污染系数只有4.4;湘潭NNW 频率43.2%,平均风速为2.8 m/s,最大污染系数15.4,其次是NW 频率32.4%,风速为2.5 m/s,污染系数12.9;株洲NE 频率为20.6%,平均风速为1.3 m/s,最大污染系数15.8,而NW 频率为25.5%,风速1.7 m/s,污染系数15.0,NNW 频率仅9.9%,平均风速2.2 m/s,污染系数只有4.5。 由此可见,长沙、湘潭的主导风向为NW 和NNW,株洲除了NW 以外,NE 为株洲第二主导风向。 长沙大气污染主要受西北方位的常德、益阳地区污染源近距离传输影响,湘潭除受西北方向的常德、益阳地区污染源的近距离传输影响外,还受北西北方位长沙污染源的近距离传输影响,株洲位于长沙NW 的下风方,但东北方位的污染系数最大,表明长沙污染源的近距离传输对株洲有一定影响。 株洲东北方位的浏阳位于幕阜山脉以西,本地污染源小于长沙、湘潭,因此这次重度污染过程中,株洲的污染相较于长沙、湘潭略有减轻。

图4 2021 年12 月7 日00:00 至2021 年12 月12 日12:00 风及污染系数玫瑰图Fig.4 The rose diagram of wind and pollution coefficient from 00:00 December 7, 2021 to 12:00 December 12, 2021

3.6 气流后向轨迹分析

从500 m 以上高度48 h 后向轨迹聚类分析结果表明,此次重污染期间,长株潭区域高空气流通道主要来源于正北、东北偏北、东北偏东、东4 条主要路径。 轨迹频率分别为26.6%、28.4%、28.3%,16.7%。 正北、东北偏北、东北偏东气流通道占所有气流轨迹的83.3%,对应12 月9 日10:00 至10 日13:00,河北、陕西、山西、河南、湖北至湖南长株潭地区出现中到重度污染,在我国中东部地区形成污染带,位置与高空气流通道(即冷空气入侵湖南路径)基本重合。 此污染带在10 日14:00—18:00 有所北缩,10 日20:00 以后再度连通,我国中东部地区的污染便是通过这条污染通道传输至湖南长株潭区域。

长株潭区域的PM2.5污染浓度峰值出现在12月11 日06:00 前后,分别对长沙、株洲、湘潭11日02:00—08:00 进行逐时24 h 后向轨迹模拟,11日02:00—05:00 代表污染累积阶段,长沙、湘潭逐小时PM2.5质量浓度大于株洲,长沙、湘潭500 m 高度的气流轨迹为东及东北方向流入,低层50 m 及100 m 为西北方向流入;株洲500 m 高度气流轨迹东部流入,低层50 m 及100 m 由东部流入转为西北方向流入。 11 日06:00—08:00 代表扩散阶段,株洲逐小时PM2.5质量浓度值大于长沙与湘潭,长沙、湘潭、株洲500 m 高度气流轨迹基本一致,即气流轨迹为东转北东北流入,但50、100 m 高度的气流轨迹长沙、湘潭为北西北流入,株洲则为西北流入。

由此可见,长株潭区域污染物累积阶段,长沙与湘潭气流轨迹基本一致,高层气流轨迹与冷空气入侵湖南轨迹基本相似。 我国中东部地区的污染物随冷空气流入影响湖南时,首先影响湘北的岳阳、常德与益阳,然后影响长株潭核心区域,长沙、湘潭污染物浓度受西北方向的常德、益阳近距离流入影响,株洲污染物则受西北方向长沙近距离流入影响。 污染扩散阶段,长沙、湘潭高层及低层气流流入均为基本一致的偏北气流,株洲除了高层为偏北气流流入以外,低层还有从西北方向气流流入,因此污染物消散阶段,株洲污染物浓度要较长沙、湘潭高。 综上所述,污染物输入是造成此次长株潭区域重污染过程的重要因素,我国中东部地区重度污染对长株潭地区的空气质量影响较大;长株潭城市群核心区域间存在近距离传输,近距离传输能力与上游地区的风速紧密相关。

4 结论

1)2021 年12 月7—11 日长株潭区域重污染过程,是在静稳环流背景下,本地污染物积累与我国中东部地区污染物输入共同造成的一次典型的混合性污染过程。 高空平直环流、近地面及中低层有逆温、地面弱冷空气南下是长株潭区域此次重污染过程的主要大气环流特征。

2)本次重污染过程中,污染严重时段主要集中在中性和稳定的大气状态。 长株潭区域混合层高度与风速的相关性较好,与主要污染物PM2.5质量浓度有一定的相关性;对于本地积累与外源输入共同影响的混合性污染过程,混合层高度并不能较好解释PM2.5质量浓度积累与扩散情况。

3)长沙、湘潭的主导风向同为NW,株洲主导风向除WNW 以外,还有NE。 主导风向多变,导致污染通道变化复杂,因无静风频率,近距离外源污染物输入是导致本次重污染且时空分布出现差异的重要原因。

4)长株潭区域污染物浓度不断增加,伴随升温增湿;污染物浓度快速减小,主要是由于风速加大、气温下降造成的。 地面均压场、小风、升温增湿,是长株潭地区此次重污染过程的主要气象要素特征;此次过程污染最严重阶段,出现风速增大,扩散条件改善,但污染物浓度不降反升,主要原因是我国中东部地区聚积的污染物,在冷空气作用下随大尺度气流向南传输进入湖南,在逆温层底部进行交换与近距离传输,导致长株潭城市群核心区域污染物聚集,总量增加。 对于混合性污染过程,气象要素变化复杂,变化特征与规律有待今后进一步深入研究。

5)长株潭区域大气重度污染过程基本同步,这与长株潭区域大气静稳状态及污染物随大尺度气流传输影响有关;长株潭区域污染物浓度时空分布存在少许差异,可能与污染物传输路径及地理条件有一定的关系。 污染物在一定的气象条件下存在近距离传输影响,长沙、湘潭受常德、益阳、岳阳的近距离传输影响较大,株洲地理位置偏东,处在长沙主导风NW 的下风方,受到长沙污染物近距离传输的影响较大。 污染物在近距离传输过程中扩散减弱,这也是近几年发现株洲的污染状况略优于长沙、湘潭的重要原因。