湖南省大气污染特征及气象影响分析

杨云芸,唐 杰,王 璐,王晓雷,李 蔚

1.湖南省气象台,湖南 长沙 410118

2.气象防灾减灾湖南省重点实验室,湖南 长沙 410118

随着我国经济的不断发展和城市化进程的加快,以细颗粒物(PM2.5)[1-2]和臭氧(O3)[3-4]为首要污染物的区域性复合型大气污染过程频发[5],对区域气候、人类生产生活和生命健康等均产生重大影响,逐步成为近期诸多学者关注的重点[6]。现有相关研究多集中在京津冀、长三角、珠三角等城市群或污染较重的北方地区[7-8]。例如：刘丽等[9]研究了2013—2019年青岛市空气质量时空变化特征,发现O3浓度整体呈上升趋势,采暖期及春节期间人为活动会对空气质量产生负面影响。孟丽红等[10]应用模型模拟发现,气溶胶辐射效应对颗粒物浓度升高有正反馈作用,特别是对近地层的降温增湿作用明显。张宸赫等[11]分析发现,沈阳市颗粒物污染高峰出现在秋冬季,且与风速、相对湿度密切相关,而温度和日照时数则对春夏季高发的O3污染影响较大。高振翔等[12]对江苏省2015—2018年颗粒物时空格局变化进行了研究,发现颗粒物浓度呈逐年下降趋势,且与湿度、风速、气温呈负相关关系。

湖南位于长江中下游平原,地处我国中南腹地,呈三面环山、北面开口的马蹄形地形。当前,大气污染持续加重造成的区域污染防治压力不断加大已然成为影响湖南地区快速、健康、可持续发展的重要因素,特别是长株潭城市群作为全省经济发展的核心增长极,在大气污染防治方面压力更大。目前,湖南省大气污染治理仍处于负重前行的关键期,面临着许多新的挑战。相关研究大多针对湖南省部分城市或单次污染过程开展个例分析[13-15],对较长时间序列污染过程的分析较少,对全省大气污染特征变化以及气象要素影响等问题的研究同样匮乏。因此,本文以湖南为研究对象,分析2015—2021年污染过程变化特征、污染来源等,并提炼出影响污染过程的主要气象指标,有助于更好地开展空气质量预报预警,为中部城市推进治理体系与治理能力现代化提供科学依据[16-17]。

1 材料与方法

1.1 研究区域与数据

本研究使用的环境数据来自湖南省14个国控城市环境空气质量监测站点,包括空气质量指数(AQI)及6种主要大气污染物(PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO)的监测结果;气象数据采用全国综合气象信息共享平台(CIMISS)数据库中的各站点500、700、850、925 hPa高度和海平面气压场的大气环流要素数据,如相对湿度、风场信息、气压、气温等。相关数据的时间序列为2015年1月1日至2021年12月31日。

1.2 研究方法

空气质量等级划定参考《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)、《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)以及《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663—2013)。当空气质量等级达到中度及以上(AQI>150)污染水平的国控城市站点数量超过3个、持续时间超过24 h时,将该次污染过程定义为一次区域污染过程,并以污染后期无轻度及以上污染等级站点作为污染过程结束的标志。

2 结果与分析

2.1 污染特征分析

通过对湖南省2015年1月1日至2021年12月31日期间出现的68次污染过程进行统计分析可知,各年度出现中度及以上空气污染过程的次数分别为2015年10次、2016年4次、2017年14次、2018年12次、2019年14次、2020年7次、2021年7次,总体呈现下降趋势(图1)。在月度分布上,污染过程主要集中出现在10—12月及1—2月,峰值出现在1月,6月和7月未出现区域污染过程(图2)。从首要污染物来看,5次O3污染集中出现在8—9月,其他月份出现的63次污染过程均为颗粒物污染。

图1 2015—2021年湖南省中度及以上污染过程发生频次年度分布

图2 2015—2021年湖南省中度及以上污染过程发生频次月度分布

在空间分布上,以2015—2021年湖南14个重点城市的日均值数据为例进行分析,污染日的发生频次呈现出区域性特点(图3)：一是长株潭地区。该地区城市的中度污染日发生频次为41～50次,重度污染日发生频次为18～27次,并且均为长沙最多、株洲最少;严重污染日发生频次为1～2次。二是常德、益阳、衡阳、邵阳。此类城市的中度污染日发生频次为32～35次,常德最多、邵阳次之;重度污染日发生频次为10～17次,衡阳最多、邵阳次之、益阳最少;严重污染日仅常德发生2次,邵阳发生1次。三是张家界、岳阳、娄底、永州。上述城市的中度污染日发生频次为17～25次,永州最多、张家界最少;重度污染日发生频次为3～7次,永州最多、娄底最少;岳阳、娄底各出现过1次严重污染日,永州、张家界未出现严重污染日。在持续时长上,污染过程最短1 d,最长可达10 d(图4)。其中：1 d的出现频次最多,为21次,占比30.9%;2～3 d的出现频次为24次,占比35.2%;4～5 d的出现频次为17次,占比25%;5 d以上的出现频次仅为6次,占比8.8%。

图3 2015—2021年湖南14个重点城市中度及以上污染日的发生频次

图4 2015—2021年湖南14个重点城市中度及以上污染过程持续日数

2.2 主要污染过程分型研究

2.2.1 污染来源分型特征

通过对68次区域污染过程的环境空气质量日监测数据、小时监测数据,以及近地面风场小时观测资料进行分析,根据城市环境空气质量演变特征,将污染过程划分为本地型(近地面风速较小或为静风,主要污染城市的AQI上升趋势明显先于周边其他城市,污染成因主要是本地污染物聚集)、输入型(近地面存在风场持续输送,主要污染城市的AQI上升趋势明显落后于污染上游城市,污染成因主要是上游空气质量恶化且存在明显的向湖南省内的扩散输入)和混合型(近地面风速较小,但随着污染过程的发展,风场传输通道打通,主要污染城市的AQI变化趋势与周边城市相差不大,污染成因兼具本地污染物聚集和外源输入)3种类型[18-19]。统计结果显示：本地型最多,有29次;混合型次之,有25次;输入型最少,为14次。可见,湖南省大气污染成因以短距离输送及本地污染排放为主。此外,湖南省持续性污染过程以混合型为主。在持续4 d以上的污染过程中,混合型占61%,本地型占22%,输入型占17%。

2.2.2 污染过程区划特征

基于68次污染过程的发生频次、污染传输情况、气候及地形分区等因素,可将湖南划分为4类大气污染分区[20-21](图5)。

注：底图下载自天地图·湖南标准地图服务栏目(https：//hunan.tianditu.gov.cn/TDTHN/tjxz/detail.html),审图号为湘S(2022)034号,下载日期为2022-05-08。图5 湖南空气污染过程频次区划

一是长株潭城市群高频区(Ⅰ类)。该区域是湖南省经济发展的核心区域。三市沿湘江呈“品”字形分布,两两间距不足40 km,污染演变时间差不足1 h。

二是环西洞庭湖-衡邵盆地次高频区(Ⅱ类)。该类型区域位于长株潭主要污染物传输通道的上/下游,受外源输入影响较大。其中,常德、益阳的污染演变时间差为1.5 h,益阳、长沙的污染演变时间差也为1.5 h。衡邵盆地位于湘江中游、资水下游,地势平坦,工农业较发达,有利于长株潭污染物的输出和聚集。

三是张家界-岳阳-娄底-永州次低频区(Ⅲ类)。岳阳虽然也处在长株潭主要污染物传输通道上游,但因其紧邻地形宽阔且下垫面平坦的东洞庭湖,污染物在此处难以聚集。此外,张家界为武陵山脉所护,永州位于湖南省最南端,娄底位于雪峰山脉附近。因此,除非是在污染背景值极高的情况下,上述4市才会受到影响。

四是湘西-湘东南山区低频区(Ⅳ类)。湘西、怀化本地高耗能、高排放污染源较少,经济发展方式以旅游业、农林业为主,本地污染物排放量小。同时,受武陵山脉和雪峰山脉阻挡,外源污染物不易输入。郴州位于湖南东南角,地势东高西低、南高北低,本地污染源较少,且冷空气难以抵达。

2.2.3 污染传输路径特征

以污染最为严重的长株潭城市群为例,根据长株潭城市群历次污染过程AQI、主要污染物浓度、近地面风向数据[22-23],结合周边重点城市环境空气质量监测数据、地面逐小时2 m风场流线实况资料以及地形地貌特征,确定了3条外源输入路径(图6)：一是河南—襄阳/随州—荆门—荆州—常德—益阳—长株潭路径(红色),在输入型污染中占比71%;二是安徽北部—信阳—孝感—武汉—岳阳—长株潭路径(黄色),占比26%;三是南昌—新余—宜春—萍乡—长株潭路径(白色),占比仅2%。经检验,研究结果与2021年11月下旬一次全省污染过程的近地面流场(2021年11月27日09时,图7)基本吻合。

注：底图下载自自然资源部标准地图服务栏目(http：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/download.html?superclassName=%25E4%25B8%25AD%25E5%259B%25BD%25E5%2585%25A8%25E5%259B%25BE),审图号为GS(2022)4037号,下载日期为2022-12-08。图6 长株潭城市群污染输入路径

注：该图截取自湖南省环境气象一体化平台(http：//10.111.100.184/#/home)。图7 2021年11月27日空气质量实况图

2.3 污染过程天气学因子分析

2.3.1 颗粒物污染过程天气学因子提炼和污染过程指标分析

基于63次颗粒物(PM2.5、PM10)污染过程,开展了对相应污染时段环流形势、特征层风况和湿度、地面风况和气压、大气层结等气象条件的普查统计分析[24-25]。通过统计分析主要发现了以下几点内容：

一是有利于污染发展的大尺度气象条件(动力、辐射)。例如,500 hPa高度环流形势为平直或小波动,700 hPa高度风向的偏西风分量较大且湿度在70%以上,850 hPa高度以偏北风或偏东风为主。以上条件均易造成层结稳定,有利于污染物的吸湿增长和积累。

二是影响颗粒物聚集和传输的气象条件(湍流运动、静稳形势)。例如,925 hPa高度和地面存在弱辐合,以偏北风为主,大气层结稳定。以上条件有利于颗粒物的自北向南输送、湍流混合,易导致污染爆发并在本地维持较长时间污染状态。

三是增强污染的水汽条件。例如,73%的污染过程存在日降水不足4.0 mm的情况,表明弱降水对污染有加重影响。

四是逆温是污染过程发生的必要条件。700 hPa以下高度的多层逆温及贴地逆温有利于阻止城市大气能量、物质等的垂直交换,抑制污染物的扩散和稀释。

五是冷空气与大气污染过程有一定的相关性。统计结果显示,64%的污染过程发生在冷空气南下影响湖南之前,36%发生在冷空气变性影响湖南之后。这可能是由于冷空气南下对北方污染物的输送具有一定的有利影响(表1)。

2.3.2 O3污染过程天气学因子提炼和污染过程指标分析

基于5次O3污染过程,开展了对应污染时段的天空状况、降水情况、环流形势、特征层风场和湿度、地面风场和气压、大气层结等气象条件普查分析[26]。通过统计分析,主要发现了以下几点内容：

一是有利于O3污染发生的中高层气象条件。例如,500 hPa高度环流多为副高控制,700 hPa和850 hPa高度的湿度均在70%以下。

二是有利于O3污染发生的低层气象条件。例如,925 hPa及以下以东风为主并有弱辐合,近地面多为静风或微风,大气层结稳定并有贴地逆温,近地面最高气温达35～38 ℃,近地面最大相对湿度达70%～90%等(表2)。

表2 2015—2021年湖南省5次O3污染过程天气学因子特征分析

3 结论

1)从年度分布来看,2015—2021年湖南省区域污染过程发生频次基本呈现倒“V”形波动,在2017—2019年达到峰值后下降明显。从月度分布来看,以颗粒物为首要污染物的区域污染过程的发生频次最高,主要发生在1—2月和10—12月;以O3为首要污染物的区域污染过程主要发生在8—9月。

2)从污染物来源来看,以本地污染物聚集为主,占比达43%。结合污染过程发生频次、污染传输情况、气候及地形分区等因素,可将湖南划分为4类大气污染区域,分别为长株潭城市群高频区、环西洞庭湖-衡邵盆地次高频区、张家界-岳阳-娄底-永州次低频区及湘西-湘东南山区低频区。

3)首要污染物为颗粒物和O3时的气象因素存在较为明显的差异,主要是因为颗粒物和O3的物理化学特征不同。高空环流平直、低层偏北风及较大的湿度均有利于颗粒物污染的发展,副高控制、低层湿度较小及静小风等要素均有利于O3污染的发展。

4)本文主要对天气学因子在污染过程中的影响机理进行了探讨,对污染物在传输、滞留、消散等过程中的二次转化未进行深入分析,后期将进一步对以上方面开展深入研究。