长株潭大气重污染的成因分型和冷空气侵入型路径

2023-12-30李细生张克非邓新林

四川环境 2023年6期

李细生，陈媛，张克非，易飞，张华，邓新林

(1.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118；2.株洲市气象局，湖南株洲 412003)

引言

大气重污染是指AQI(Air Quality Index)指数达200以上的天气[1]，研究表明[2]重污染天气严重影响人体健康和动植物生长，引发人类各种呼吸道疾病与生理机能障碍。党的十九届五中全会审议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》提出基本消除重污染天气。为达此目标，研究重污染天气的成因并掌握其规律十分关键。2+26城的集中攻关研究结果表明重污染天气的形成跟排放、不利的气象条件和区域传输等三个方面有关[3～6]，其中超环境容量的排放是主因和内因，不利的气象条件是诱因[7]。形成重污染的这三个因素中，排放因素通常是可预测或人为控制的，如节日焰火等，而区域传输也是需要合适的气象条件，比如一致性的输送气流，因此，只要准确掌握形成大气重污染的气象条件和传输条件，大多数重污染事件就具有可预报性。西安重污染气象条件的分析[8]表明：严重污染与非污染时段气象条件差异明显。北京区域重污染与天气形势之间的关系研究[9]显示，根据地面天气形势差异，对北京地区持续重污染过程分类，结果为：3类，分别是被高压、低压、均压控制，各类型发生的频次分别占总类型的47.3%、18.2%、34.5%。长江中游城市武汉的重污染天气形势与北方城市相比差别较大，李明[10]的研究发现：武汉的重污染天气形势分为冷空气入侵、静稳天气两种类型。长株潭作为长江以南中国中部地区重要的城市群，每年特护期(10月16日至次年3月15日)的空气污染防治形势依然十分严峻[11～13]，重污染频率仍有5.83次/年，尽管经过多年治理，取得一些改善，但目前也进入了深水区，各项工作向前推进的难度在加大[14-15]。基于此，研究并弄清长株潭大气重污染的成因并掌握其特点，可显著提高该地环境空气质量预报预警水平和准确率，为进一步做好湖南重污染应对工作、尽可能消除重污染天气提供科学依据。

本文统计了2014～2019年长株潭三市的环境空气监测日数据和小时数据，定义三市中任意一市或以上有1 d或以上AQI指数大于200即为一次重污染过程，在连续性过程中如果三市全部转为中度或以下有1 d或以上，即分算两次过程。如此六年中总共有重污染过程35次。根据这些重污染天气的形成原因，将其分为冷空气侵入型(74.3%)、节日鞭炮燃放型(17.1%)、高空干槽型(5.7%)和静稳型(2.9%)等四个类型。分析表明长株潭绝大部分重污染过程因冷空气入侵所致(74.3%)，本文针对典型冷空气个例讨论重污染天气形成的气象机理，探讨空气的动力、热力及水汽变化在重污染形成中的作用，分析不同冷空气路径下空气污染的特征，指出重污染形成的四类典型路径即西路、北路、东路和复合路，最后利用Meteoinfo计算了2014～2019年12月和1月长沙站的后向轨迹并聚类，输入同时期的环境监测数据，进行浓度权重轨迹(CWT)分析，证实前文将湖南因冷空气导致的重污染路径分为西路、北路、东路和复合路径是合理的。

1 资料与方法

本文所用气象资料来源于气象业务系统MICAPS4，环境空气监测数据来源于长株潭环境监测国控站点，部分浓度数据来源于PM2.5真气网(https：//www.aqistudy.cn/)即空气质量在线监测分析平台，后向轨迹模式采用由NCEP为研究空气轨迹和大气扩散而同化模拟的GDAS气象资料，下载地址：ftp：//arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1，后向轨迹聚类、浓度权重轨迹分析法(CWT)来自于气科院MeteoinfoMap软件中的TrajStat模块。

2 结果分析

长株潭的重污染过程，除每年春节出现的重污染与本地烟花鞭炮集中排放直接相关外，其余大部分过程与气象因素的变化有关，如湿度增加、风向的改变(南风转北风)均可能诱发重污染天气。从导致这些气象要素改变的影响天气系统来看，冷空气排首位，其次是高空干槽，静稳型出现次数较少。数据统计结果(见表1)。

表1 长株潭重污染天气成因分型Tab.1 Classification of causes of heavy pollution weather in Chang Zhu Tan

总共35次(50 d)重污染过程中，有6次为集中排放(春节因素)，占17.1%，每年春节皆因初一前后集中燃放烟花鞭炮，造成重污染，平均最高日AQI指数达276，小时AQI指数可达500；有26次为冷空气影响，占74.3%；有2次为高空干槽影响，占5.7%；1次为静稳天气型，占2.9%。从出现频次来看，冷空气侵入型>节日鞭炮燃放型 >高空干槽型>静稳型，如以最高平均AQI指数大小来判断污染程度，则是节日鞭炮燃放型>冷空气侵入型>高空干槽型>静稳型。下面就以出现频次为顺序对这四个类型逐一分析：

2.1 冷空气导致型(74.3%)

据统计[16]，影响湖南的冷空气频率约为15.5次/年(232/15)，而长株潭重污染的频率约为5.8次/年(35/6)，由冷空气导致的重污染4.3次/年(26/6)，即大部分冷空气过程不会导致重污染，但绝大多数重污染过程与冷空气活动有关(74.1%)，这些冷空气有强有弱，有些弱的冷空气在气压场上看不到升压，甚至3h变压或24h变压为负，只在地面风场上由偏南风转为偏北风，但往往就是这种不受天气预报重视的弱的冷空气，常常能导致非常严重的空气污染过程；冷空气有干也有湿，大部分为干冷空气(无有效降雨)，其中有少数(2～3次)为湿冷空气影响，有降雨(大于0.5mm/d)同时也有重污染。据分析，冷空气诱发重污染的物理机制主要有三个方面：一、动力作用：因风力增大，沉落在地表的尘土在诱导空气流的带动下进入大气，造成环境空气中悬浮颗粒物增多，此外，一致性的风力可将高污染区域的颗粒物向下游输送，在重污染过程中，上游输入是造成本地颗粒物增加的主要原因，其贡献有时可占70%以上[17]；二、热力作用：浅薄弱冷空气气层的入侵可改变近地面大气层结特性，使接近地面的下层降温，而上层升温或不变，形成气温下低上高的逆温结构，增加大气垂直方向的稳定性，从而导致气流垂直交换减少，下层污染物不易往上扩散；三、增加相对湿度：当空气中的绝对水汽含量不变时，温度下降可导致相对湿度的增加，已有研究表明[18～20]，相对湿度增加会促进气溶胶非均相反应，加速气态前体物向颗粒物转化，形成更多的二次气溶胶。

图1 株洲站2017年2月16～20日AQI与相对湿度、风向、风速的变化Fig.1 Changes of AQI，relative humidity，wind direction and wind speed in Zhuzhou Railway Station from February 16 to 20，2017

冷空气影响个例：2017年2月17～19日的重污染过程，本次过程中，重污染的形成明显与冷空气活动有关，单站风向的变化与AQI重污染时段吻合较好(图1)，而且有3h的提前量。17日14时冷锋过境株洲站，地面由偏南风转为偏北风，2h后AQI达峰值330，至18日20时一直由偏北风控制(图1中红框内)，AQI维持在200左右，可见在冷锋过境后，气团性质由暖气团转为冷气团是诱发AQI指数上升的可能原因。为便于分析冷空气入侵导致的PM2.5浓度增量，绘出本次过程中岳阳-长沙-株洲三城市的PM2.5浓度随时间变化曲线(图2)。三城市地理位置自北向南分布，冷空气首先影响岳阳，然后到达长沙，最后影响株洲。PM2.5浓度时序图上，三城市的浓度变化曲线出现较明显的时序性，岳阳的PM2.5浓度17日13时到达峰值189μg/m3，6h增量134μg/m3；长沙浓度的达峰时间为14时，延时1h，最大浓度为280μg/m3，6h增量222μg/m3；株洲的达峰时间为16时，延后2h，峰值282μg/m3，6h增量172μg/m3。这种明显的时序性表明污染物浓度的上升与冷空气活动高度相关，而且冷锋过境后PM2.5浓度增加明显，长株潭地区因为基础数据较高，增量比上游城市岳阳更显著。

图2 岳阳、长沙、株洲三城市PM2.5浓度随时间变化Fig.2 PM2.5 concentration variation with time in Yueyang，Changsha and Zhuzhou

图3 地面冷锋与重污染区Fig.3 Surface cold front and heavily polluted area

水平空间上，在地面天气图上叠加同时间的重污染区(图3)，图中橘黄色重污染区跟随冷锋往南运动，因为是干冷空气，无降雨沉降，17日08时，锋后的重污染区范围较大，形状上呈东西向锲形，西边华中部分较为宽广，东部的华东部分较为狭长，此时冷锋已越过长江，而重污染区仍在江北。至20时，随着冷空气进一步向南扩散，冷锋继续往南发展，冷锋的西边部分已到达湘南，而重污染区随之控制长株潭地区，冷锋东部也继续向南影响浙南和赣北，因长江口附近出现降雨，东部的重污染区开始向西收缩存在于赣北。本次过程中重污染生成阶段其区域出现于锋后，随着冷高压主体进一步南下而消失，表明它的形成跟冷空气活动关系密切。2月18日08时，重污染维持阶段，垂直方向分析长沙黄花站气象探空图(图4)，925百帕以下有浅薄冷空气南下入侵，此高度附近逆温特征明显，逆温层离地高度0.6～1.4km，厚度为0.8km，强度为0.75℃/100m，此逆温层的存在不利于污染物的垂直扩散，易导致重污染天气。

结合历史天气图和空气质量实测数据，长株潭的26次冷空气导致型重污染分析：

(1)与冷空气的路径、强度和干湿状况密切相关

据1966年以来的气象资料，专家总结[16]进入湖南的冷空气路径通常有三条：西路(频率15.2%)、北路(频率60.2%)和东路(24.6%)。西路冷锋坡度大，移速快，在河套及河套西部堆积，越过秦岭后呈东北-西南向往东南方移动，由湘西北的桑植、保靖、石门进入湖南省，天气特点是锋后雨区狭窄，西北风风力较大而风雨影响时间较短，一般10h左右天气转晴。由于西路冷空气来去快、风力大的特点，通常不易产生重污染天气，但并非完全没有，统计时段内有2次重污染即由西路弱冷空气所致，占7.7%(2/26)；北路冷空气出现频率高，常在河套东部堆积停留，此处有高污染城市如西安、太原、石家庄、郑州等，堆积到达一定强度后冷锋呈东西向往南移动，从长江中游由湘北的澧县、津市进入湖南。北路冷空气出现次数多，频率高，强度上有强有弱，伴随天气复杂，较强的冷空气常带来大风、降温、寒潮、暴雪和雨凇等灾害性天气。就重污染预警而言，此路径下的重污染过程次数最多，达16次，占61.5%，需特别关注强度中等偏弱(冷高压中心强度1030～1045hPa)、锋后无雨区伴随的干冷空气；东路冷空气路径偏东(比如前文分析的2017年2月17日过程)，越过40oN后，在黄河下游停留堆积，此处高污染城市众多，污染风险较大，然后侵入江淮地区，再向西南方向移动，先影响合肥、南京，然后由长江河谷倒灌武汉，经由湘东北的岳阳进入湖南，少数时候也可由鄱阳湖平原经南昌由萍乡进入湖南。此路径下的冷空气特点是：强度较弱，移速较慢，影响时间长，常在南岭准静止而造成湖南持续性低温阴雨和雨凇天气。统计时段内，东路冷空气带来的重污染过程有5次，占19.2%，因东路冷空气移动路径的反“L”型特征(图5c)，常将华北和华东的污染物向南、向西输送影响华中地区，预报时需注意华东和华中有无雨区伴随，雨区的强度与范围大小，以及数值模式对本地未来的降雨量预报。

图4 2017年2月18日08时长沙黄花站气象探空曲线Fig.4 Meteorological sounding curve of Changsha Huanghua Station at 08：00 on February 18，2017

此外，连续数日的持续性重污染过程通常是由多股弱冷空气补充南下所造成的，这些后期补充下来的冷空气路径有时与开始时的路径一致，有时，随着中高纬冷高压中心主体的东移，冷空气南下的路径也随之东移，由北路转为东路。统计时段内最严重、持续时间最长的3次重污染过程即由复合路径(北路和东路)下冷空气影响所致。

(2)重污染形成有四类典型路径

在湖南冬季，约1/3～1/4的冷空气可导致重污染，能否导致重污染的一个重要判别指标是看冷空气侵入沿线城市是否有重污染现象与之配合，这类重污染常通常具有较显著的上下游效应，上游城市的空气质量实况变化对下游城市的重污染预报、预警至关重要。据近六年的环境观测资料统计，重污染形成通常有四类较为典型的路径：西路、北路、东路和复合路径(图5)，其中西路、北路和东路与冷空气活动的路径高度重合。较典型的西路重污染路径通常是西安-汉中-达州-恩施-张家界-长株潭，北路为郑州-南阳-襄阳-荆州-常德-长株潭，东路为济南-合肥-武汉-南昌-岳阳-萍乡-长株潭，复合路径较为多见的是北路与东路先后或交替出现，对于此复杂路径下的重污染需根据天气形势的演变及时调整关注线路。

(3)本地前期污染累积是形成重污染的基础

重污染天气常常是各种因素叠加的结果。据统计，长株潭所有的过程在重污染出现的前一天就已经达到轻度或中度污染(100%)，表明污染物并非全部来源于外地输送，本地前期污染累积是形成重污染的基础。此外，冬半年冷空气入侵时常常伴随有气温下降，降温情况下各地能源使用量会明显增加，从而造成部分大气污染物排放量的增加。这也可能是冷空气导致重污染的原因之一。

2.2 节日鞭炮燃放型(17.1%)

在长株潭地区，目前基本已无大规模排放污染的企业，因此本文所述的集中排放主要指重大庆典、重要节日的烟花鞭炮燃放行为，其中春节是中国最盛大的一个古老传统节日，人们过年离不开喜庆的爆竹烟花。据统计，2014～2019年每年春节都有因烟花鞭炮的燃放而导致重污染的现象，表2为这6年春节株洲AQI及各单项浓度峰值。

表2 株洲2014～2019年春节AQI及单项小时浓度峰值Tab.2 Spring festival AQI and single hourly concentration peak in Zhuzhou from 2014 to 2019

春节期间的重污染基本每年出现，时间长短不一，究其原因，主要受鞭炮燃放影响明显，总结一下还有以下几个特点。

(1)峰值时间一般出现在大年初一的0～9时；

(2)首污一般为PM2.5，但PM10、SO2亦同步升高；

(3)如前期久晴无雨，且天气静稳，或恰好有干冷空气影响，则污染严重，持续时间长，反之则轻且时间短；

2.3 高空干槽型(5.7%)

高空干槽型过程占比较小，在统计时段内共出现了2次，分别是2014年2月23日和2015年1月9日，且污染程度较轻，日AQI分别为236、216，时间较短(1d)。较典型的形势是：前期天气静稳，基础AQI为轻-中度污染(100～200)，500hPa槽线位于四川南部，强度较弱且长度较短，移速较快，700hPa槽线位置与500hPa基本重叠，但相对深且长，南部槽底到达云南边境。高空天气形势如下图所示(图6)。

图6 干槽型高空天气形势(2014年2月23日08时)Fig.6 Dry trough type upper air weather situation (at 08：00 on February 23，2014)

地面形势为高压底后部，无明显冷空气活动。此类过程不似冷空气过程，有动力作用和热力作用，仅仅因为高空有低槽东移导致云量增加、湿度上升等天气要素的改变，而湿度上升在某种特定情形下可导致污染颗粒物的吸湿增长和二次生成，造成重污染天气。

2.4 静稳型(2.9%)

本类过程只出现1次(2016年12月8日)，占比非常小，污染程度较轻(AQI：213)，污染时间短(11h)，主要特点是：前期12月1日以来连续8d无有效降雨，空气质量为轻度或中度污染；地面为变性冷高压控制，北方无冷空气活动，江南、华南等压线稀疏，长株潭处于均压场或鞍型场之中；8日08～20时风向为偏南风，风力较弱(≤2m/s)，天气为晴天，湘、赣等地有大片霾区，长株潭地区水平能见度小于3km；高空500hPa为槽后西北气流控制，无明显槽脊活动。静稳型的污染机制是均压、小风、无雨条件下的污染物累积，近年来随着各类管控措施的加强，单纯静稳型重污染已很少出现。

2.5 后向轨迹聚类和浓度权重轨迹CWT分析

12月和1月是长株潭重污染的高发月份，全年中74%的过程出现在这两个月。下载GDAS气象数据，输入2014～2019年12月和1月长沙的PM2.5小时均值浓度，利用MeteoinfoMap软件作后向轨迹聚类分析和浓度权重轨迹分析(CWT)，结果如图(图7)，12月长沙的外源污染路径以偏北和偏东为主，其中路径2、3、4、5均属于偏北路径(图7a)，占比共计64%，主要从河南省中部向南略偏西沿直行路线进入湖南；路径1属于偏东路径，此线路距离短，风速小，占比36.09%，48h的后向追踪显示路径起源于湖北省东南部，从湘东北进入湖南。1月 (图7b)与12月的不同之处在于，出现明显的偏西路径(路径5)，占比5.34%，路径较长，表明风速大，输送距离远，2、3、4路径(偏北)占比增加，有77.7%，出现明显的分岔，浓度权重轨迹(CWT)也出现南北向条状纹理，表示偏北路径上外源入湘的复杂性，偏东路径占比缩小，只有17.01%。轨迹聚类和CWT分析表明外源入湘的路径有偏西、偏北和偏东三种路径，与前文诊断分析得出的结果较为一致，至于是否存在复合路径，则需要针对具体过程具体分析。