2023 年一季度衡陽市空氣質(zhì)量形勢及沙塵影響分析

劉衛(wèi) 曹微 李瑾 蔣雨 殷亞光

（1.湖南省衡陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 衡陽 421000；2.湖南省環(huán)境保護科學(xué)研究院，湖南 長沙 410000；3.永州市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測管理站，湖南 永州 425000）

1 引言

大氣顆粒物污染影響人體健康，同時對交通安全、居民生活和工業(yè)生產(chǎn)也有負面影響［1］。沙塵天氣是風(fēng)將地面塵土、沙粒卷入空中，使空氣渾濁的一種天氣現(xiàn)象的統(tǒng)稱［2］。

近幾年，國內(nèi)學(xué)者對空氣質(zhì)量、沙塵天氣進行了大量研究。楊雪等［3］研究發(fā)現(xiàn)，沙塵天氣過程對PM10質(zhì)量濃度的影響大于對PM2.5質(zhì)量濃度的影響。雷蕾等［4］研究發(fā)現(xiàn)，沙塵期間大氣顆粒物中Si，F(xiàn)e，Ca，Pb，Al，Cu，K 濃度顯著升高。張娟等［5］研究發(fā)現(xiàn)，空氣質(zhì)量的變化是多種氣象因素綜合作用的結(jié)果。劉昌文等［6］研究發(fā)現(xiàn)，不利地形與氣象條件、工業(yè)污染源排放、道路交通汽車尾氣等是環(huán)境空氣質(zhì)量下滑的主要原因。陳嬌嬌等［7］研究發(fā)現(xiàn)，空氣質(zhì)量和氣象要素有很好的相關(guān)性。姜洪進等［8］研究表明，空氣質(zhì)量與氣象因素關(guān)系密切。劉衛(wèi)等［9］研究認為，重污染天氣是外源污染物輸入、本地污染貢獻疊加不利氣象條件導(dǎo)致，外源污染物輸入為主，不利氣象條件延長了污染持續(xù)時間，本地污染貢獻疊加推動重污染天氣的產(chǎn)生。

近年來研究表明，北方沙塵對南方城市空氣質(zhì)量的影響是不可忽視的，如2021 年3 月北方地區(qū)發(fā)生沙塵天氣，廣州市連續(xù)3 d 首要污染物為PM10［4］。2020 年11 月至2021 年5 月泰州市受沙塵天氣影響12 次，影響天數(shù)21 d，污染天數(shù)占比42.9%［10］。2019 年10 月28 日至11 月2 日滁州市沙塵天氣過程特點明顯，PM10濃度快速上升，接近“爆表”［11］。2017 年4 月21—23 日，廣州市經(jīng)歷了一次遠距離傳輸?shù)纳硥m天氣過程，沙塵源自中國西北地區(qū)［12］。本文以2023 年一季度衡陽市空氣質(zhì)量為研究對象，分析一季度PM2.5污染物傳輸特征，探究沙塵天氣影響空氣質(zhì)量的規(guī)律，為減少污染天氣提供參考，并為以后再次遇到沙塵天氣影響到空氣質(zhì)量時，申請扣除相關(guān)天數(shù)打好基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

衡陽市是湖南省所轄地級市，位于湖南省中南部，地處南岳衡山之南、中南地區(qū)凹形面軸帶部分，周圍環(huán)繞著古老宕層形成的斷續(xù)環(huán)帶的嶺脊山地，屬典型的盆地形勢，為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，既具季風(fēng)性，又兼具大陸性，全年主導(dǎo)方向為偏北風(fēng)。衡陽市有色金屬資源豐富，有色金屬冶煉產(chǎn)業(yè)發(fā)達，是“有色金屬之鄉(xiāng)”，是中南地區(qū)重要工業(yè)城市、國家承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)以及全國加工貿(mào)易重點承接地。衡陽市周邊主要城市相對位置見圖1。

圖1 衡陽市周邊主要城市相對位置示意

2.2 數(shù)據(jù)來源

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源衡陽市大氣顆粒物組分監(jiān)測站、衡陽市6 個國控空氣考核站。衡陽市大氣顆粒物組分監(jiān)測站位于衡陽市郵政公司樓頂，距離地面約20 m，其PM2.5分析儀器型號為賽默飛公司5014i，水溶性離子分析儀儀器型號為力合公司LFAMS－2010，激光雷達儀器型號為中科光電公司AGHJ－ILIDAR（MPL）。衡陽市6 個國控空氣考核站分別為市監(jiān)測站、真空機電公司、衡化總廠、市委黨校、珠暉區(qū)生態(tài)環(huán)境局、衡陽師范學(xué)院空氣站。氣象數(shù)據(jù)來自地面實測。

3 空氣質(zhì)量概況

2023 年一季度，從空氣質(zhì)量優(yōu)良率、綜合指數(shù)、6 項常規(guī)污染物濃度、重度及以上污染天數(shù)來看，大多指標(biāo)顯示衡陽市空氣質(zhì)量同比下降，在湖南省14個市州中排名靠后。

3.1 一季度空氣質(zhì)量優(yōu)良率情況

2023 年一季度衡陽市90 個考核天數(shù)中，16 d空氣質(zhì)量為優(yōu)，46 d 空氣質(zhì)量為良，23 d 空氣質(zhì)量為輕度污染，4 d 中度污染，1 d 重污染，首要污染物為PM2.5。空氣質(zhì)量優(yōu)良率為68.9%，同比下降21.1%，優(yōu)良率全省排名第12 位，同比下降5 位。

3.2 6 項監(jiān)測指標(biāo)濃度及綜合指數(shù)同比情況

2023 年一季度衡陽市綜合指數(shù)為4.84，同比上升33.7%，改善幅度排名全省倒數(shù)第2 位。PM2.5濃度為62 μg/m3，同比上升51.2%，改善幅度排名倒數(shù)第3 位；PM10濃度為81 μg/m3，同比上升47.3%，改善幅度排名第7 位；SO2濃度為12 μg/m3，同比上升33.3%，改善幅度排名第8 位；NO2濃度為24 μg/m3，同比上升9.1%，改善幅度排名倒數(shù)第4 位；CO 濃度為1.3 mg/m3，同比保持不變，改善幅度排名倒數(shù)第5位；O3濃度為126 μg/m3，同比上升23.5%，改善幅度排名倒數(shù)第1 位。

3.3 空氣質(zhì)量日歷

2023 年衡陽市一季度共有重污染天1 d、中度污染4 d、輕度污染23 d，超標(biāo)污染天首要污染物均為PM2.5。相比2022 年同期，重污染天增加1 d，輕中度污染天增加18 d。

4 顆粒物污染過程分析

4.1 2023 年一季度PM2.5 污染過程逐月分析

2023 年一季度衡陽市PM2.5污染過程合計9 次，每月情況統(tǒng)計分析如下：

2023 年1 月衡陽市共經(jīng)歷4 次PM2.5污染過程，第1 次污染過程為1 月1—8 日，PM2.5濃度在1 月2 日、6 日、7 日較高，PM2.5日均值分別為121，138，120 μg/m3，均達中度污染；第2 次污染過程為1 月10—12 日，10日PM2.5日均值為144 μg/m3，達中度污染，11 日PM2.5日均值為216 μg/m3，達重度污染，12 日PM2.5日均值為108 μg/m3，達輕度污染；第3 次污染過程為1月21—23 日，PM2.5日均值分別為91，112，109 μg/m3，均達輕度污染；第4 次污染過程為1 月29—30 日，PM2.5日均值均為90 μg/m3，均達輕度污染。

2023 年2 月衡陽市共經(jīng)歷3 次PM2.5污染過程，第1 次污染過程為2 月1—2 日，PM2.5日均值分別為85，92 μg/m3，均達輕度污染；第2 次污染過程為2 月5—6 日，PM2.5日均值分別為95，77 μg/m3，均達輕度污染；第3 次污染過程為2 月18—20 日，PM2.5日均值分別為87，83，79 μg/m3，均達輕度污染。

2023 年3 月衡陽市共經(jīng)歷2 次PM2.5污染過程，第1 次污染過程為3 月2—4 日，PM2.5日均值分別為107，90，79 μg/m3，均達輕度污染；第2 次污染過程為3 月12—16 日，受蒙古國沙源影響，沙塵天氣按程序申報扣除［13］。

實際上，衡陽市在2023 年一季度頻繁出現(xiàn)風(fēng)場輻合氣象條件情況，即在受外源性污染輸入影響時，上游傳輸通道城市污染物由主導(dǎo)風(fēng)北風(fēng)輸入衡陽，污染團到達衡陽上空時，主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)變，由北風(fēng)轉(zhuǎn)南風(fēng)，在南面形成風(fēng)場輻合帶，風(fēng)速較弱，造成傳輸滯留，導(dǎo)致衡陽市在全省市州中多次出現(xiàn)空氣質(zhì)量日均值最差現(xiàn)象。

4.2 2023 年3 月沙塵影響污染過程及成因分析

4.2.1 沙塵影響過程分析

2023 年3 月12—13 日，受到北方沙塵傳輸影響，衡陽市經(jīng)歷了一次污染過程，本次污染過程造成衡陽市PM10超標(biāo)2 d，12—13 日PM10日均值分別為162，160 μg/m3，均達輕度污染；衡陽市各站點連同上游城市組分中可表征沙塵影響的鈣離子、硅元素濃度及其占比升高明顯，其中鈣離子占比由沙塵傳輸影響前的2.17%增長至峰值17.09%，占比增幅超過7 倍；硅元素占比由沙塵傳輸影響前的3.07%增長至峰值42.24%，占比增幅超過13 倍；且各站點之間濃度上漲存在良好時序性，沙塵傳輸影響顯著，給湖南省內(nèi)共11 個市州帶來1～2 個輕度污染日。

自2023 年3 月11 日凌晨06：00 起，上游河南一帶城市空氣質(zhì)量維持在嚴(yán)重污染水平，受冷空氣影響，污染氣團在北風(fēng)作用下持續(xù)向南滲透。11 日晚間，襄陽、荊門等地顆粒物濃度同步升高。12 日凌晨起，湖南省各城市開始受污染傳輸影響，PM10上升速率加快，短時從良轉(zhuǎn)為輕度污染，益陽于03：00 達輕度污染，長沙、株洲于凌晨04：00 達輕度污染，湘潭于凌晨05：00 達輕度污染，衡陽于早間07：00 達輕度污染，湖南省內(nèi)各市PM10升高時序性凸顯，呈現(xiàn)先后變化關(guān)系。12 日07：00 起衡陽PM10濃度由良進入輕度污染，08：00—09：00，北風(fēng)加大，衡陽受沙塵傳輸影響增加，PM10濃度由輕度污染短時轉(zhuǎn)為中度污染，10：00 起沙塵主體繼續(xù)南移，對衡陽PM10濃度的影響減小，PM10濃度轉(zhuǎn)為輕度污染，持續(xù)至16：00 后，13 日凌晨02：00—05：00 短時良，06：00起PM10濃度轉(zhuǎn)為輕度污染。13 日凌晨湖南各市州PM10濃度逐漸開始下降，但是13 日白天衡陽主導(dǎo)風(fēng)向由北風(fēng)轉(zhuǎn)南風(fēng)，風(fēng)速較弱，在南面形成風(fēng)場輻合帶，造成污染傳輸滯留，13 日PM10濃度仍維持在污染范圍，至13 日23：00 才相繼轉(zhuǎn)良，PM10污染過程隨之結(jié)束。之后湖南省內(nèi)城市天氣以晴為主，地面較為干燥，利于沙塵傳輸，同時風(fēng)速偏弱，利于揚塵懸浮在上空不易擴散，導(dǎo)致PM10長久滯留衡陽上空，濃度自3 月12 日共持續(xù)36 h 輕度污染高值，至13日晚間23：00 才降至良級范圍，污染氣團徹底過境。2023 年3 月11—13 日衡陽市及主要周邊城市PM10濃度變化趨勢見圖2。

圖2 2023 年3 月11—13 日衡陽市及主要周邊城市PM10 濃度變化趨勢

4.2.2 氣象條件分析

從氣象條件來看，2023 年3 月12 日衡陽市風(fēng)向以北風(fēng)為主，12 日04：00—07：00 衡陽市風(fēng)速由6.6 m/s 上升至9.3 m/s，北風(fēng)增大的過程污染氣團抵達衡陽市，07：00 起衡陽市PM10濃度由良轉(zhuǎn)為輕度污染；08：00—20：00 北風(fēng)加大，風(fēng)速維持在7.1～11.0 m/s之間，衡陽市PM10濃度以持續(xù)小時輕度為主；20：00至次日02：00，風(fēng)速持續(xù)下降，由7.1 m/s 降至1.8 m/s，風(fēng)速減弱，傳輸影響減小，02：00—05：00 衡陽市PM10濃度短時高位保良；6 h 后風(fēng)速小幅上升，主導(dǎo)風(fēng)向由北風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)，衡陽市PM10濃度由良再次轉(zhuǎn)為輕度污染；13 日晚間23：00 起污染氣團過境，衡陽市PM10濃度轉(zhuǎn)為良，本次污染過程結(jié)束。具體見圖3。

圖3 2023 年3 月12—13 日衡陽市空氣污染物變化趨勢

4.2.3 PM2.5組分?jǐn)?shù)據(jù)分析

組分站數(shù)據(jù)顯示，污染期間衡陽市PM2.5總組分濃度不高，變化趨勢平緩，僅地殼元素濃度及其占比升高明顯。各組分中，僅鈣離子（表征揚塵源污染）占比升高明顯。2023 年3 月12 日凌晨（沙塵未影響時段）顆粒物組分站鈣離子在水溶性離子中的占比為2.17%，12 日19：00 鈣離子占比增長至17.09%，占比增幅超過7 倍，同時段衡陽市PM10濃度由48 μg/m3增長至269 μg/m3。從無機元素占比變化來看，可表征沙塵影響的硅、鈣元素濃度占比增幅明顯，其中硅元素占比由沙塵傳輸影響前的3.07%增長至峰值42.24%，占比增幅超過13 倍，表明12—13 日的污染過程衡陽市受到沙塵傳輸影響較大。

4.2.4 激光雷達數(shù)據(jù)分析

顆粒物組分站的激光雷達顯示，2023 年3 月12日凌晨后，貼地面消光系數(shù)增加，近地面PM10積累明顯，12 日凌晨03：00 起衡陽市受上游傳輸影響，高空1.8 km 范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯污染帶，外來輸送導(dǎo)致顆粒物升高持續(xù)較長時間。

5 結(jié)論

總體而言，衡陽市2023 年一季度污染天氣的發(fā)生是外源污染物輸入、本地污染貢獻疊加不利氣象條件導(dǎo)致。不過，PM2.5濃度數(shù)據(jù)上升的同時，國控站點NO2，CO 濃度也明顯上升，說明本地燃燒源、機動車尾氣源、涉金屬冶煉工業(yè)廢氣對全市空氣質(zhì)量的影響也不容忽視。衡陽市2023 年一季度PM2.5污染物濃度變化趨勢及顆粒物組分?jǐn)?shù)據(jù)顯示，3 月初的污染過程主要受北方污染氣團傳輸影響，3 月中旬的污染過程受蒙古國沙源影響，沙塵天氣按程序申報扣除。衡陽市一季度頻繁出現(xiàn)風(fēng)場輻合氣象條件情況，污染氣團傳輸?shù)胶怅柡螅廴疚镫y以擴散，加上空氣濕度大，較高的空氣濕度促使顆粒物吸濕增長和氣態(tài)污染物的二次轉(zhuǎn)化，使污染加重。