長沙一次重污染天氣過程成因分析

潘江萍，丁 玄，王米吉，朱家亮，李 靜

（1. 長沙市氣象局，湖南 長沙 410205；2. 衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421001；3. 瀏陽市氣象局，湖南 瀏陽 410300）

近年來，隨著人們生活質量的提高，民眾對“PM 2.5”、“霧霾”等空氣質量問題的關注度日益上升，每次大范圍的重污染天氣過程都能產生較大的輿論影響[1-4]。大氣現象理論研究和實踐表明[5]，同一污染源所造成的空氣污染物濃度，在不同氣象條件的影響下差別可達幾個量級，這說明大氣擴散條件是污染天氣能否形成的一個重要因素。任陣海等[6-8]利用大氣環境過程的概念，分析造成重污染天氣的中、小尺度天氣系統及邊界層結構，發現污染物的匯聚帶多來源于穩定的均壓場。同時，均壓場還會觸發近地層產生局地環流群體，造成局地的嚴重污染[9-10]。2014年6月13日，長沙出現了入夏以來最嚴重空氣污染，市區AQI 指數達306，筆者通過分析環保部門的污染物指數資料及地面、高空氣象資料，解釋此次重污染天氣的成因、發展及對長沙的影響，從而為今后重污染天氣的預報、預警和相關研究提供參考。

1 資料來源

（1）污染物指數資料為空氣質量指數（Air Quality Index，簡稱AQI）和主要污染物污染分指數，來源于長沙市環保部門的9個國控環境空氣質量評價點和1個國控清潔對照點共10個站點的空氣質量指數日報。（2）氣象資料為此次重污染天氣過程中的地面氣象資料和高空氣象資料，來源于長沙市氣象局。關于AQI 和污染物污染分指數的定義及計算方法可參見《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）和《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》（HJ 633-2012）。

2 空氣污染實況及特點

2.1 空氣污染實況

根據長沙市環境監測站主城區10個站點監測到的6月份空氣質量指數趨勢（圖1），2014年6月7～16日，長沙市及株洲、湘潭等周邊地區出現了污染天氣。其中6月13日平均AQI 達到306，屬嚴重污染，首要污染物為PM 2.5，為2014年夏季空氣質量最差的一天。小時空氣質量實況數據顯示，12日17 時前后開始，長沙城區的空氣質量開始急劇下降，17 時市區有2 站已達重度污染，首要污染物為PM 10。從圖2 可以看出，自12日21 時起空氣質量指數持續上升，23時AQI 升至266，為重度污染，首要污染物為PM 2.5；13日0 時AQI 迅速升至328，首要污染物為PM 2.5，為嚴重污染。空氣質量狀況嚴重下降的同時，馬坡嶺國家氣象觀測站的自動觀測能見度從12日17 時起迅速下降。從圖3 也可以看出，在空氣污染最嚴重的12日23 時～13日16 時，能見度均在1 000 m 以下。

圖1 長沙2014年6月份空氣質量指數趨勢

圖2 長沙2014年6月12日21 時至13日20 時小時空氣質量指數

圖3 馬坡嶺站2014年6月12日21 時至13日20 時小時能見度

2.2 污染特點

此次重污染天氣過程的特點是：一是范圍廣，長沙及株洲、湘潭等周邊地區的空氣質量均出現了嚴重污染；二是強度大，13日0 時空氣質量指數迅速飆升至328，馬坡嶺站自動觀測能見度5 時僅為667 m，最小值為634 m，出現在4 時39 分；三是持續時間長，空氣嚴重污染的狀況從13日0 時一直持續至16 時，1～8 時馬坡嶺站能見度均維持在1 000 m 以下。

3 成因分析

3.1 人為因素

每年的5月和6月份正值初夏時期，冷暖空氣活躍，長沙進入主汛期，大量級降水對空氣凈化作用明顯，是長沙空氣質量較好的時段。2014年6月12日，國家環保部衛星環境應用中心發布的秸稈焚燒遙感監測日報（圖4）顯示，監測到河南、河北、江蘇、安徽、山東的秸稈焚燒火點共162個。6月12～13日華中地區中低層為東北氣流控制，安徽等地的濃煙在東北氣流的引導下影響湖南。長沙市環境監測站的監測數據顯示，重污染過程中空氣中的碳元素、鉀離子監測值上升了8 倍，這兩種元素正是秸稈焚燒后產生的主要元素。

3.2 天氣條件

天氣條件決定了大氣的擴散能力與穩定程度，從而影響污染物濃度的高低變化。為探究天氣條件對此次空氣重污染過程的影響，對重污染期間（2014年6月13日8 時）的地面形勢（地面風場+氣壓場）、高空形勢（高度場+風場）和探空資料進行了分析。

圖4 2014年6月12日全國秸稈焚燒衛星遙感監測圖（圖中白色點處為長沙的位置）

3.2.1 地面實況（形勢）分析 從圖5 可以看出，江南東部的湖北、江西等地多為偏北風或東北風，且伴有霾——視程障礙現象的出現，近地面較弱的偏北或偏東北風將安徽、江蘇、河北等地的大量污染物輸送至長沙地區。長沙地區處于均壓場中，穩定的氣壓場不利于近地面層污染物的垂直擴散，地面為2 m/s 的西北風，較弱的風速制約了污染物的水平擴散。分析前期的地面實況發現，2014年6月10～13日，長沙地區維持多云到陰天的天氣，不利于對污染物的稀釋和擴散。從地形上看，湖南為向東北開口的馬蹄形地形，有利于北方污染源的進入，長、株、潭地區的南面有南岳衡山的阻擋，特殊的地形結構有利于污染物在此聚集，使得該區域污染物濃度迅速升高，空氣質量不斷惡化，所以污染天氣維持，直到6月17日長沙地區出現降雨，在雨水的沖刷作用下，空氣質量才轉為良。

圖5 2014年6月13日8 時地面風場和氣壓場疊加（圖中圓點處為長沙的位置）

3.2.2 高空實況（形勢）分析 2014年6月12日20時，500 hPa 中心位于日本海上的東北低渦發展旺盛，其后部的低槽西北氣流引導中低層氣流南下影響長沙，在925～850 hPa 中低層建立起東北氣流輸送通道，華南地區副熱帶高壓環流控制當中。13日8 時（圖6），500 hPa 東北低渦略有北抬, 中低層東北氣流輸送通道繼續維持，副熱帶高壓加強，584 等位勢高度線伸至湘北地區，長沙處于熱帶高壓環流控制之下，長沙地區盛行下沉氣流，天氣晴朗，垂直方向上風速較小，利于低層穩定層結的形成、發展和維持，為霧、霾發生創造了有利條件。

3.2.3 探空資料分析 對探空圖（圖7）進行分析的結果表明，溫度露點差較大，濕度條件較差；高層有暖平流，而中層有冷平流輸入，850 hPa 附近有一定的等溫層，大氣層結穩定，不利于形成霧霾污染物顆粒的擴散和輸出，所以霧霾維持時間較長。

綜上所述，長沙此次重污染天氣的形成過程是：安徽、河北、河南、江蘇、山東等地大量秸稈焚燒的高濃度煙霧顆粒物進入大氣后，與近地層空氣混合，充斥到大氣混合層甚至更高高度，然后隨中低層反環流前部東北氣流或偏東氣流擴散、輸送至湖南、湖北等地，長沙受副熱帶高壓脊的控制，無降水發展，靜穩天氣維持，大氣污染物氣象擴散條件差，污染物在此聚集、沉積，造成長沙等地能見度降低，污染物濃度陡升，導致13日7 時AQI 指數達到了498，為嚴重污染。

4 結論

圖7 2014年6月13日8 時長沙探空站探空分析圖

此次重污染天氣過程是人為與氣象兩方面因素共同作用的結果，其中人為因素是地面秸稈焚燒產生大量煙霧和顆粒物集中進入大氣中低層，偏東北氣流導致北方地區的污染物向長沙等地輸送、沉積；氣象因素是高空天氣形勢配置有利于在中低層形成污染物輸送通道，長沙地區受副熱帶高壓控制，配合大氣低層等溫的穩定層結，以及在地面均壓場等氣象因素的共同影響下，致使輸入型的污染物不能得到稀釋、擴散和清除，導致了重污染天氣的維持。

通過對此次重污染天氣的分析，總結輸入型污染源對長沙地區空氣質量的影響，便于以后預報員在再次遇到氣流主導方向的空氣質量狀況較差時，能夠通過合理判斷，準確及時的做出空氣質量潛勢預報，適時發布預警信號。

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