長株潭區域一次重度污染過程氣象成因

曾 欣,舒 磊,張 靖,謝倩雯,曾珊珊

1.株洲市氣象局,湖南 株洲 412000

2.株洲市生態環境局,湖南 株洲 412000

長株潭城市群位于湖南省中東部,長沙、株洲、湘潭兩兩相距不到50 km。 近年來,長株潭地區大氣污染實行聯防聯控,空氣質量總體有所好轉。 但重污染過程每年仍有發生,且秋冬季節尤為突出,大氣污染防控形勢仍然嚴峻。 本文通過對長株潭城市群一次重度空氣污染過程特征及成因分析,深入研究氣象因素對本地區大氣污染的影響,探討了長株潭城市群污染物的來源及近距離傳輸規律,為長株潭城市群大氣污染聯防聯治、大城市規劃建設、合理布局工業區提供技術支撐和決策參考。

1 研究方法

1.1 數據資料及來源

資料數據為2021 年12 月6—15 日,期間逐日AQI、PM2.5質量濃度數據、逐時PM2.5質量濃度分別取長沙市區10 個空氣質量國控站、株洲市區6 個空氣質量國控站、湘潭市區5 個空氣質量國控站的監測平均值;地面氣象要素和天氣現象等觀測資料來源于長沙、株洲、湘潭國家氣象觀測站。 逐日統計值與逐時統計值與空氣質量數據一一對應;天氣形勢分析采用中國氣象局Micaps 數據資料;后向軌跡分析采用NCEP 再分析資料、ERSST_V3 和HYSPLIST 的GDAS 資料,空間分辨率為 1°×1°,時間分辨率為6 h。

1.2 大氣穩定度和混合層高度計算

大氣穩定度等級的劃分使用帕斯奎爾(Pasquill)穩定度分類法[9],分為強不穩定(A)、不穩定(B)、弱不穩定(C)、中性(D)、較穩定(E)、穩定(F)6 級。 具體操作辦法:首先由太陽傾向角計算出太陽高度角H0,再由太陽高度角H0和云量查出太陽輻射等級,根據地面風速和查算出來的太陽輻射等級查出大氣穩定度等級。

混合層高度計算采用國標法,即按《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》 (GB/T 3840—1991)中附錄E 的計算公式分別計算長沙、株洲、湘潭的混合層高度。 混合層厚度的確定[10],即在大氣穩定度為A、B、C 和D 級時,按公式E1 進行計算,在大氣穩定度為E、F 級時,按公式E2 進行計算。

1.3 后向軌跡模擬

利用 NCEP 的GDAS 氣象數據模擬分析2021 年 12 月7—12 日污染過程PM2.5污染物后向氣團軌跡。 使用Hysplit 后向軌跡模型來分析長株潭地區主要污染物的氣團傳輸路徑。 該模型可以模擬分析大氣污染物遷移擴散軌跡,具有多種氣象條件輸入和排放源處理分析能力,以及較完整的運輸、擴散和沉降模塊,在各類污染物傳播擴散研究中應用廣泛[11-13]。 研究區域分別選擇長沙(28.2°N,113.1°E)、株洲(27.9°N,113.2°E)、湘潭(27.9°N,112.9°E)3 個國家觀測站點,為探明長株潭城市群污染物近距離傳輸路徑,軌跡起始離地高度分別為50、100、500 m。

2 重污染過程特征分析

2021 年12 月6—12 日,我國中東部地區出現了一次大范圍重污染過程,湖南境內長株潭城市群受影響時段為12 月8—11 日,出現為期4 d的重度污染,首要污染物為 PM2.5。 此次過程出現在長株潭空氣質量特護期,污染持續時間長達116 h,屬于典型的污染物輸入及本地積累混合型污染,是2021 年最強的一次重污染過程,為近6年中僅次于2016 年12 月31 日至2017 年1 月5日長株潭等地重污染過程。 長沙、株洲、湘潭先后啟動了重污染天氣黃色及橙色預警,加大大氣污染防治監管和巡查力度,多舉措加強防控,降低重污染天氣對空氣質量造成的不利影響。 圖1 是2021 年12 月6—12 日長株潭各城市AQI 與PM2.5質量濃度變化情況。 長沙、株洲、湘潭6 日空氣質量均為良,7 日開始出現輕度污染;8 日污染累積,PM2.5濃度分別增加到161、156、150 μg/m3,長沙、湘潭轉為重度污染,株洲為中度污染;9 日污染物進一步積累,PM2.5質量濃度維持在152 ～158 μg/m3,長沙、株洲、湘潭均出現重度污染;10日污染濃度有所下降,PM2.5質量濃度降至138 ～149 μg/m3;11 日隨著外源輸入與本地積累,PM2.5質量濃度上升至168 ～175 μg/m3(污染過程最大值),污染再度加重;12 日污染濃度快速下降,空氣質量轉為良。

圖1 2021 年長株潭逐日 AQ I 和PM 2.5 質量濃度變化Fig.1 Changes of daily AQI and PM 2.5 concentration in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region

此次長株潭區域重度污染過程呈現以下特點:①污染持續時間長。 自最先開始出現輕度污染至株洲最后轉為良,期間持續了116 h。 ②階段性重度污染明顯,出現3 段重度污染時段,長沙、株洲、湘潭累計重污染時長分別為68、64、63 h。污染最強時段均為11 日06:00 前后。 ③污染開始、結束日基本同步。 株洲污染開始時間滯后長沙、湘潭約8 h,污染結束時間滯后約2 h。 ④污染程度以長沙最重,湘潭次之,株洲最輕。

CFG樁復合地基是地基處理中常用的一種方法，但在設計過程中還存在一些容易忽視的問題，工程設計人員應當深入理解規范、清楚基本概念，明確復合地基的承載力和變形計算參數，保證設計的安全性，推進CFG樁的進一步廣泛應用。

3 成因分析

3.1 污染過程環流形勢分析

肖嫻等[14]對珠江三角洲區域性污染過程進行研究分析時,認為氣象條件是造成空氣質量好壞的重要因素,段宇輝等[15]研究認為天氣系統的變化對氣象要素起決定性的作用,氣象因素是造成空氣質量好壞的主要因素。 楊群等[16]研究銅仁市空氣污染過程時認為,空氣污染時地面為冷高壓或均壓區控制。 2021 年12 月6—12 日,歐亞中高緯由一槽一脊型向兩槽一脊型調整,10 日前中高緯度經向度較小,巴湖以西至貝加爾湖為一低槽區,10 日后隨著貝加爾湖低槽東移加深,40°N 以北環流調整為兩槽一脊型;期間40°N 以南我國大部分地區處于西風帶緯向環流控制之中,環流平直,無明顯的槽脊活動,冷空氣勢力較弱,天氣形勢相對靜穩,大氣擴散能力整體較差,有利于我國中東部地區霧、霾天氣的形成與維持。

2021 年12 月6 日500 hPa 高空圖上,我國中東部為上下一致的偏北氣流,空氣質量以良為主。12 月7 日08:00,500 hPa 環流平直,我國中東部受高壓脊控制,出現輕度污染,湖南處在淺槽前的弱西南氣流之中,850 hPa 及地面受高壓底部的偏東北氣流影響,常德、益陽、長沙、湘潭出現輕度污染;8 日靜穩形勢維持,低層有弱冷空氣滲透影響湖南,地面在湘中一帶存在弱輻合,湖南大部分地區轉為輕度污染,常德、益陽、長沙、株洲、湘潭污染加重,出現重度污染,湖南中北部一帶成為當天全國污染最嚴重的地方;9—11 日靜穩形勢繼續維持,我國中東部地區污染再度加重,出現大范圍重度污染,其中10 日14:00—18:00,湖南850 hPa 轉受偏東南氣流影響,長株潭地區空氣質量轉為良,10 日20:00 開始,受一股弱冷空氣影響,850 hPa 以下轉受偏北氣流影響,長株潭地區再次出現持續21 ～23 h 的重度污染。 11 日14:00以后,隨著冷空氣主體南下,地面偏北風加大,重污染逐漸減輕,長株潭區域空氣質量于12 日00:00前后轉為良好。

由此可見,長株潭區域此次重污染過程是在靜穩環流背景下,本地污染物積累與我國中東部地區污染物輸入共同所致,屬于典型的混合性污染過程。 高空平直環流、無明顯槽脊影響、地面弱冷空氣活動頻繁是此次重度空氣污染過程的主要環流特征。

3.2 地理條件分析

長株潭城市群受混合性污染過程影響,污染基本同步,但株洲的污染程度比長沙、湘潭要輕,污染時間比長沙、湘潭滯后2 ～4 h。 造成這種差異的原因可能與長株潭城市群的地理條件有一定的關系。 長沙、株洲、湘潭3 個城市兩兩相距不足50 km,沿湘江呈“品”字形分布,構成長株潭城市群的核心區域,北邊及西北為洞庭湖平原,西部為雪峰山余脈的丘陵中山地帶,東北部及東部受東北-西南向雁字形排列幕阜山脈阻擋,南邊與衡邵盆地相連,呈東西高、南北低的狹長狀地形。 長沙市西北部為常德、益陽,北部為岳陽,地勢平坦,有利于污染物隨冷空氣從我國中東部地區,經洞庭湖平原長輸直入首先影響長沙,冬季長株潭核心區域主導風向為西北風以及北風,株洲、湘潭處在長沙的下游,因此污染時間較長沙稍有滯后,污染程度有所減弱。

3.3 大氣穩定性和混合層高度分析

在大氣湍流擴散問題中,常用大氣穩定度作為反映湍流狀況、擴散速率強弱的主要指標。 研究表明[17-19],大氣環流穩定、高濕度、低氣壓、逆溫、靜弱風和弱降水等氣象條件容易造成污染物的堆積。 王曉云等[20]認為靜穩天氣條件容易出現污染物濃度高值,貼地逆溫層不利于污染物的擴散。 氣象上常用逆溫層及溫度層結變化來分析說明大氣穩定度,7 日08:00 在925 ～1 000 hPa 存在明顯逆溫,925 ～1 000 hPa 溫度差為3 ℃,表明邊界層大氣比較穩定;7 日20:00 開始出現雙逆溫層;8 日08:00 至10 日20:00,近地面逆溫層抬高且減弱至消失,600 ～700 hPa 逆溫層增厚;11日08:00 至20:00,雙逆溫層再次出現,925 ～1 000 hPa 溫度差為1 ℃,600 ～700 hPa 溫度差大于8 ℃;12 日08:00 逆溫層不明顯。 由此可見,7日08:00 至11 日20:00 大氣垂直方向均存在逆溫層,只是逆溫層高度存在差異,逆溫層抬高,表征整層穩定大氣的厚度增大,污染物總量也隨之增加;雙逆溫表征大氣穩定度進一步增強,大氣垂直方向的擴散能力進一步減弱。

楊勇杰等[21]計算結果表明,云量和風速對上海市大氣穩定度的影響較大,陰天是上海市穩定度以中性為主的主要原因。 本研究選取12 月6日08:00 至12 日20:00 每天08:00、11:00、14:00、17:00、20:00 5 個時刻共35 個定時云量觀測數據,查算長株潭區域整個污染過程的大氣穩定度。 12 月6 日、9 日、10 日天氣狀況較好,云量較少,其余時段均為陰天,總云量均為10 分量。統計結果表明,整個過程無強不穩定等級(A),不穩定等級(B)與弱不穩定等級(C)總共占19%,主要集中在6 日、9 日、10 日 11:00—14:00,總云量與低云量為0 分量的情況下,中性(D) 占57.1%,集中7 日、8 日、11 日陰天10 分量的情況下,較穩定(E)占18.1%,穩定(F)占5.7%,對應污染開始積累時段及嚴重污染時段。 大氣穩定度中性以上級別的占了81%。 由此可見,整個污染過程大氣處于相對穩定狀態。

混合層高度表征了污染物在垂直方向被熱力對流和動力湍流輸送所能達到的高度,是影響污染物擴散的重要參數[22-23],混合層高度越高,越有利于污染物在垂直方向的擴散,反之,混合層高度越低,越不利于污染物擴散。 通過計算長株潭區域12 月7 日08:00 至11 日20:00 混合層高度,結果表明,混合層高度不但與大氣穩定度相關,同時與風速有較好的對應關系。 圖2 中長沙、株洲、湘潭混合層高度與風速的相關系數分別為0.77、0.73、0.69。 混合層高度與PM2.5濃度存在一定的反相位變化,但相關性不好。 整個過程長沙、株洲、湘潭平均混合層高度分別為1 922、368、533 m。 長沙風速較大,平均混合層高度高,大氣擴散條件較株洲、湘潭好,但長沙的PM2.5污染物濃度卻長時間居高不下。 分析原因,可能是受主導風向外來污染的輸入影響,混合層抬高,大氣環境容量也較高,外源輸入PM2.5污染物濃度及本地污染物在一定高度與一定范圍內交換,但總量增加,在大范圍穩定大氣狀態下,難以擴散自凈。

圖2 2021 年12 月6—12 日混合層高度與風速及PM 2.5 濃度關系Fig.2 The relationship between the height of mixing layer,wind speed and PM 2.5 concentration from December 6-12,2021

由此可見,對于長株潭地區本地積累與外源輸入型污染過程,單從混合層高度變化來分析并不能較好解釋PM2.5濃度積累與擴散情況。

3.4 氣象要素與污染物濃度變化

長沙、株洲、湘潭的氣壓、氣溫、相對濕度、風速等氣象要素取長株潭區域相應氣象要素平均值。 圖3 為長株潭區域此次重污染過程主要氣象要素及PM2.5濃度的逐時變化。 根據PM2.5濃度的變化整個污染過程可分為4 個階段:第一階段為7 日05:00 至8 日23:00,PM2.5質量濃度由66 μg/m3上升到180 μg/m3,第一次出現峰值,期間風速由4.5 m/s 減小到1.2 m/s,相對濕度由45%緩慢增加到 83%, 氣壓維持在 1 025 ～1 030 hPa 之間。 第二階段為9 日00:00 至10 日10:00,PM2.5質量濃度由179 μg/m3下降至124 μg/m3后再次回升到176 μg/m3左右,期間風速維持在0.6 ～1.7 m/s,氣壓由1 030 hPa 下降至1 021 hPa,氣溫和相對濕度呈雙波反相位起伏,且振幅較大。 第三階段為10 日10:00 至11 日07:00,PM2.5質量濃度由171 μg/m3迅速降至100 μg/m3以下,然后再次回升至223 μg/m3,達到這次污染過程PM2.5質量濃度最大峰值,期間氣壓由1 021 hPa 升至1 027 hPa,風速由1.5 m/s增至4.6 m/s,氣溫下降3 ℃左右,相對濕度維持在72%～82%。 第四階段為11 日7:00 至12 日00:00, PM2.5質量濃度由 223 μg/m3降至100 μg/m3以下,污染過程基本結束,期間氣壓由1 025 hPa 升至1 030 hPa,風速維持在3.0 ～5.2 m/s,相對濕度80%升至95%。

圖3 長株潭區域重污染過程主要氣象條件逐時變化Fig.3 Hourly change of main meteorological conditions during the heavy pollution process in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region

綜上所述,此次重污染過程中氣象要素變化復雜。 地面均壓場、小風、升溫增濕,是長株潭地區此次重污染過程中的主要氣象要素特征;長株潭地區冬季當地面氣壓維持在1 020 ～1 027 hPa、地面風速在2.5 m/s 以下、無有效降雨前提下升溫增濕,均可視為大氣處于靜穩狀態,不利于污染物的擴散;當大氣處于靜穩狀態,有弱冷空氣影響,溫度波動變化且振幅為4 ～6 ℃,相對濕度在85%以下,均有利于污染物積累;受到較強冷空氣影響時,冷空氣帶來的偏北風達4.5 m/s 以上,氣壓增加到1 030 hPa 以上,且伴有有效降雨,有利于污染物擴散清除,污染過程基本結束;風速是影響污染物濃度的重要因素,一般情況下,地面風速大于3.0 m/s時,有利于污染物擴散,但第三階段10 日00:00 至17:00,地面風速為3.3 ～5.2 m/s,PM2.5質量濃度大于150 μg/m3,即本地大氣擴散條件改善時,污染物濃度并沒有減輕反而增加的原因,主要是由于我國中東部地區污染物聚積,受冷空氣影響,隨大尺度氣流向南傳輸影響湖南,在主導風向和湖南特殊地形的影響下,污染物進入湖南后在逆溫層底部進行交換與近距離傳輸,導致長株潭城市群核心區域污染物聚集,污染總量增加。

3.5 主導風向與污染通道

風向影響污染物的水平遷移擴散方向,將污染物向其下風方向輸送,而風速的大小決定了大氣擴散和輸送作用的強弱[24]。 為了研究長株潭區域污染物的來源,選取污染物不斷聚集、污染程度較重的12 月6 日00:00 至11 日23:00 逐小時風向風速進行統計分析。 結果表明,長沙、株洲、湘潭的小時平均風速分別為2.8、1.5、2.0 m/s,長沙大氣擴散條件優于湘潭、株洲,長株潭區域間污染物存在一定的近距離擴散與傳輸。 為了更好表征氣流傳輸作用,本文采用大氣污染系數來表征風矢量對污染物的輸送作用[25]。 污染系數是某一地區某方位風向頻率與該方向風速的比值,可以用來表示污染程度的大小。 此次過程無靜風。

圖4 中長沙NW 頻率42.7%,平均風速4.1 m/s,最大污染系數為10.4,其次是NNW 頻率達18.9%,平均風速達4.3 m/s,污染系數只有4.4;湘潭NNW 頻率43.2%,平均風速為2.8 m/s,最大污染系數15.4,其次是NW 頻率32.4%,風速為2.5 m/s,污染系數12.9;株洲NE 頻率為20.6%,平均風速為1.3 m/s,最大污染系數15.8,而NW 頻率為25.5%,風速1.7 m/s,污染系數15.0,NNW 頻率僅9.9%,平均風速2.2 m/s,污染系數只有4.5。 由此可見,長沙、湘潭的主導風向為NW 和NNW,株洲除了NW 以外,NE 為株洲第二主導風向。 長沙大氣污染主要受西北方位的常德、益陽地區污染源近距離傳輸影響,湘潭除受西北方向的常德、益陽地區污染源的近距離傳輸影響外,還受北西北方位長沙污染源的近距離傳輸影響,株洲位于長沙NW 的下風方,但東北方位的污染系數最大,表明長沙污染源的近距離傳輸對株洲有一定影響。 株洲東北方位的瀏陽位于幕阜山脈以西,本地污染源小于長沙、湘潭,因此這次重度污染過程中,株洲的污染相較于長沙、湘潭略有減輕。

圖4 2021 年12 月7 日00:00 至2021 年12 月12 日12:00 風及污染系數玫瑰圖Fig.4 The rose diagram of wind and pollution coefficient from 00:00 December 7, 2021 to 12:00 December 12, 2021

3.6 氣流后向軌跡分析

從500 m 以上高度48 h 后向軌跡聚類分析結果表明,此次重污染期間,長株潭區域高空氣流通道主要來源于正北、東北偏北、東北偏東、東4 條主要路徑。 軌跡頻率分別為26.6%、28.4%、28.3%,16.7%。 正北、東北偏北、東北偏東氣流通道占所有氣流軌跡的83.3%,對應12 月9 日10:00 至10 日13:00,河北、陜西、山西、河南、湖北至湖南長株潭地區出現中到重度污染,在我國中東部地區形成污染帶,位置與高空氣流通道(即冷空氣入侵湖南路徑)基本重合。 此污染帶在10 日14:00—18:00 有所北縮,10 日20:00 以后再度連通,我國中東部地區的污染便是通過這條污染通道傳輸至湖南長株潭區域。

長株潭區域的PM2.5污染濃度峰值出現在12月11 日06:00 前后,分別對長沙、株洲、湘潭11日02:00—08:00 進行逐時24 h 后向軌跡模擬,11日02:00—05:00 代表污染累積階段,長沙、湘潭逐小時PM2.5質量濃度大于株洲,長沙、湘潭500 m 高度的氣流軌跡為東及東北方向流入,低層50 m 及100 m 為西北方向流入;株洲500 m 高度氣流軌跡東部流入,低層50 m 及100 m 由東部流入轉為西北方向流入。 11 日06:00—08:00 代表擴散階段,株洲逐小時PM2.5質量濃度值大于長沙與湘潭,長沙、湘潭、株洲500 m 高度氣流軌跡基本一致,即氣流軌跡為東轉北東北流入,但50、100 m 高度的氣流軌跡長沙、湘潭為北西北流入,株洲則為西北流入。

由此可見,長株潭區域污染物累積階段,長沙與湘潭氣流軌跡基本一致,高層氣流軌跡與冷空氣入侵湖南軌跡基本相似。 我國中東部地區的污染物隨冷空氣流入影響湖南時,首先影響湘北的岳陽、常德與益陽,然后影響長株潭核心區域,長沙、湘潭污染物濃度受西北方向的常德、益陽近距離流入影響,株洲污染物則受西北方向長沙近距離流入影響。 污染擴散階段,長沙、湘潭高層及低層氣流流入均為基本一致的偏北氣流,株洲除了高層為偏北氣流流入以外,低層還有從西北方向氣流流入,因此污染物消散階段,株洲污染物濃度要較長沙、湘潭高。 綜上所述,污染物輸入是造成此次長株潭區域重污染過程的重要因素,我國中東部地區重度污染對長株潭地區的空氣質量影響較大;長株潭城市群核心區域間存在近距離傳輸,近距離傳輸能力與上游地區的風速緊密相關。

4 結論

1)2021 年12 月7—11 日長株潭區域重污染過程,是在靜穩環流背景下,本地污染物積累與我國中東部地區污染物輸入共同造成的一次典型的混合性污染過程。 高空平直環流、近地面及中低層有逆溫、地面弱冷空氣南下是長株潭區域此次重污染過程的主要大氣環流特征。

2)本次重污染過程中,污染嚴重時段主要集中在中性和穩定的大氣狀態。 長株潭區域混合層高度與風速的相關性較好,與主要污染物PM2.5質量濃度有一定的相關性;對于本地積累與外源輸入共同影響的混合性污染過程,混合層高度并不能較好解釋PM2.5質量濃度積累與擴散情況。

3)長沙、湘潭的主導風向同為NW,株洲主導風向除WNW 以外,還有NE。 主導風向多變,導致污染通道變化復雜,因無靜風頻率,近距離外源污染物輸入是導致本次重污染且時空分布出現差異的重要原因。

4)長株潭區域污染物濃度不斷增加,伴隨升溫增濕;污染物濃度快速減小,主要是由于風速加大、氣溫下降造成的。 地面均壓場、小風、升溫增濕,是長株潭地區此次重污染過程的主要氣象要素特征;此次過程污染最嚴重階段,出現風速增大,擴散條件改善,但污染物濃度不降反升,主要原因是我國中東部地區聚積的污染物,在冷空氣作用下隨大尺度氣流向南傳輸進入湖南,在逆溫層底部進行交換與近距離傳輸,導致長株潭城市群核心區域污染物聚集,總量增加。 對于混合性污染過程,氣象要素變化復雜,變化特征與規律有待今后進一步深入研究。

5)長株潭區域大氣重度污染過程基本同步,這與長株潭區域大氣靜穩狀態及污染物隨大尺度氣流傳輸影響有關;長株潭區域污染物濃度時空分布存在少許差異,可能與污染物傳輸路徑及地理條件有一定的關系。 污染物在一定的氣象條件下存在近距離傳輸影響,長沙、湘潭受常德、益陽、岳陽的近距離傳輸影響較大,株洲地理位置偏東,處在長沙主導風NW 的下風方,受到長沙污染物近距離傳輸的影響較大。 污染物在近距離傳輸過程中擴散減弱,這也是近幾年發現株洲的污染狀況略優于長沙、湘潭的重要原因。