張琴+彭慶慶+羅岳平+楊云蕓+劉妍妍+曾鈺

摘要：以2014年6月12～17日在長沙市發(fā)生的一次空氣重污染過程為例，對長沙市大氣污染整體水平、周重點城市空氣質(zhì)量變化情況、污染物濃度變化走向及趨勢、污染特征進行了分析，并結(jié)合風(fēng)、濕度、氣壓等氣象參數(shù)對未來72 h城市空氣質(zhì)量進行了預(yù)報。結(jié)果表明：外源輸入性污染是導(dǎo)致此次灰霾發(fā)生的不可控原因，在當(dāng)?shù)匚廴驹磁欧呕痉€(wěn)定的前提下，均壓場、靜風(fēng)、逆溫、暖濕氣流、降水等氣象條件的準(zhǔn)確判斷是開展空氣質(zhì)量預(yù)報的關(guān)鍵。15日，長沙市高空為高壓環(huán)流形勢，無明顯降水，均壓場形勢，近地面靜風(fēng)或微風(fēng)，大氣穩(wěn)定度較高，不利于污染物的擴散和清除；16日，受高空槽和地面氣旋波影響，偏南風(fēng)加強，并迎來一段陰雨天氣，大氣污染擴散條件有所改善，污染天氣有所緩和；17日，西南暖濕氣流旺盛，中低層有切變，長沙市區(qū)陰天，并有中等陣雨或雷陣雨。降雨發(fā)生后，污染物濃度迅速降低，污染過程結(jié)束。

關(guān)鍵詞：霾；重污染；氣象條件；空氣質(zhì)量預(yù)報；外源輸入

中圖分類號：P458

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）20-0020-05

1 引言

我國城市灰霾天氣頻發(fā)，并呈現(xiàn)影響范圍廣 、持續(xù)時間長、污染物濃度高等特征（唐宜西等，2013），受到社會廣泛關(guān)注?；姻蔡鞖獬霈F(xiàn)時，室外能見度降低，容易引發(fā)交通事故，誘發(fā)各種疾病，嚴(yán)重干擾城市正常運轉(zhuǎn)（白志鵬等，2006；程從蘭等，2003；劉玉蘭等，2012；宋宇等，2003；吳珂等，2013）。2014年，在湖南省境內(nèi)發(fā)生多次大范圍、 長時間的灰霾天氣，空氣污染嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活和身體健康。準(zhǔn)確研判污染現(xiàn)狀及走勢，開展有效空氣質(zhì)量預(yù)報工作對減少災(zāi)害損失，科學(xué)降霾至關(guān)重要。以2014年6月12～17日在長沙市發(fā)生的一次重污染天氣為例，對其污染特征和氣象條件等進行綜合分析，并通過部門會商，對未來72 h城市環(huán)境空氣質(zhì)量進行預(yù)報。同時，探討灰霾成因，以及其持續(xù)時間與氣象條件的關(guān)系，從而深化對灰霾現(xiàn)象的認(rèn)識。

2 研究背景

2014年6月，長沙市進入初夏，城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量較好。12日12：00，位于湖南省北部的湖北省武漢市實時AQI迅速升高，18：00左右達(dá)到最高值500，污染等級為嚴(yán)重污染。22：00，AQI又快速回落至200左右，并維持相對穩(wěn)定，詳見圖1。13日清晨起，我省長沙市的環(huán)境空氣質(zhì)量開始明顯下降，并達(dá)到嚴(yán)重污染等級，周邊的岳陽、湘潭、株洲均出現(xiàn)中度污染以上天氣。14日開始各地空氣質(zhì)量均恢復(fù)平穩(wěn)，15～17日小幅波動后空氣質(zhì)量恢復(fù)良好，研究鎖定在6月12～17日這個變化周期。

3 資料和方法

根據(jù)PM2.5濃度變化特征，結(jié)合綜合的高低空氣象資料和天氣形勢資料，解釋此次重污染天氣形成、持續(xù)直至結(jié)束的原因，為霾天氣的預(yù)報、預(yù)警提供依據(jù)。本文選取資料時間長度為2014年6月12日0：00至17日23：00；空氣質(zhì)量監(jiān)測資料來源于湖南省長沙市、株洲市、湘潭市、岳陽市、常德市和張家界市已建成的空氣自動監(jiān)測站點。長沙市空氣自動監(jiān)測點位如圖2。

4 結(jié)果與討論

4.1 長沙市環(huán)境空氣質(zhì)量的變化情況和原因分析

長沙市PM2.5質(zhì)量濃度隨時間的推移呈現(xiàn)明顯的“山”字型變化特征（詳見圖3）。12日晚間，受污染氣團影響，PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)快速上升趨勢，于12日22：00開始激增，至13日2：00達(dá)到第一個峰值（352 μg/m3），之后略有回落；隨后，可能又受到小股污染氣團的影響，13日清晨PM2.5的質(zhì)量濃度再次上升，于13日7：00達(dá)到最高峰（549 μg/m3）；峰值過后PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著

下降趨勢，在13日15：00出現(xiàn)最后第三個峰值（264 μg/m3），16時后，PM2.5質(zhì)量濃度逐步下降，并趨于穩(wěn)定。此次污染過程總體概括共歷經(jīng)四個階段：污染前平穩(wěn)期為12日1：00～22：00，長沙市PM2.5濃度基本保持穩(wěn)定，維持在150 μg/m3上下；污染物累計期為12日22：00～13日7：00，長沙市PM2.5濃度由138 μg/m3迅速上升至549 μg/m3，升幅達(dá)259%；污染消退期為13日7：00～14日1：00，PM2.5濃度由496 μg/m3下降至100 μg/m3，降幅達(dá)到396%；污染后平穩(wěn)期為14日1：00～15日0：00，PM2.5濃度基本維持在100 μg/m3上下。詳見圖3。

選取長沙市10個城市環(huán)境空氣監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度進行分析。結(jié)果表明，12～14日的72 h內(nèi)，10個監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢具有較好的相似性，即在12日1：00～22：00基本保持穩(wěn)定，濃度在200 μg/m3以下；12日深夜，各點位的PM2.5質(zhì)量濃度開始加快升高，12日23：00～13日6：00為污染物累積階段，PM2.5質(zhì)量濃度波動式上升且均維持在較高水平；到13日晨6：00～7：00，10個監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度均達(dá)到峰值。其中，長沙市最北端的沙坪（對照點）位于污染物向南傳輸通道上，首先于13日6：00出現(xiàn)最大峰值392 μg/m3；而位于中南部的其他9個監(jiān)測站點也分別于13日7：00左右達(dá)到峰值，濃度范圍在386～602 μg/m3之間。

總體來看，本次長沙市10個空氣質(zhì)量監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度幾乎在同一時間發(fā)生突變（圖4），而本地大氣污染物排放沒有突發(fā)事件發(fā)生足以使全城環(huán)境空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化。此外，位于最北端的沙坪站點相對其余9個站點提前了1個 h達(dá)到污染峰值，表明了此次大氣污染可能是輸入性的，且具有自北向南的污染傳輸特征。

4.2 周邊城市環(huán)境空氣質(zhì)量的變化情況和原因分析

從長沙市周邊5個城市的PM2.5的質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果看，12日1：00～19：00，都相對平穩(wěn)的變化。但從20：00開始，位于最北部的岳陽市的城市環(huán)境空氣質(zhì)量開始變差，PM2.5質(zhì)量濃度迅速攀升，到13日0：00達(dá)到峰值352 μg/m3，且較長沙市出現(xiàn)峰值的時間早了7 h；毗鄰長沙市且位于我市南部的湘潭市與長沙市PM2.5質(zhì)量濃度的變化趨勢基本一致，但由于污染氣團向南推進需要時間，因此PM2.5峰值出現(xiàn)的時間較長沙晚了1 h，于13日8：00達(dá)到434 μg/m3的最高值。株洲市整體受此次污染影響較小，12日1：00～13日16：00 PM2.5質(zhì)量濃度一直在100 μg/m3上下小幅波動，13日18：00上升至最大值240 μg/m3，峰值出現(xiàn)的時間較長沙推遲了11 h，且峰值濃度有大幅下降，可能是污染氣團向南推進，速度快，且卷掃范圍比較狹小，向東擴散效果不明顯所致，位于長沙市西部的常德和張家界市由于相同的原因，受影響小，污染相對較輕，詳見圖5。

4.3 污染過程氣象條件分析

根據(jù)衛(wèi)星遙感大氣氣溶膠監(jiān)測產(chǎn)品做出的后向軌跡圖7可知，6月12～13日，污染氣團主要來自北方城市，經(jīng)湖北省傳輸至位于湖南省最北部的岳陽市，受偏北風(fēng)影響，最早出現(xiàn)PM2.5污染；長沙市和湘潭市境內(nèi)的主導(dǎo)風(fēng)向仍為偏北風(fēng)，PM2.5污染趨勢基本同步；而株洲市境內(nèi)呈現(xiàn)南風(fēng)和北風(fēng)盤旋對峙局面，南風(fēng)帶來的清潔氣團與北風(fēng)攜帶的污染氣團互消互制，因此污染情況較長沙和湘潭市輕，且峰值滯后出現(xiàn)；常德市和張家界市境內(nèi)的主導(dǎo)風(fēng)向為西風(fēng)，受污染氣團影響相對較輕（詳見圖6和圖7）。

從13日20：00和14日8：00ECWRF_海平面氣壓圖可以看出（圖8），6月13～14日期間，長沙市高空等壓線稀疏，處在均壓場控制之下，地面和低空風(fēng)速較小，低層大氣層結(jié)穩(wěn)定，氣象條件不利于污染物的擴散。

4.4 6月15～17日長沙市城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報

4.4.1 預(yù)報研判

在對6月15～17日實況資料分析的基礎(chǔ)上，以14日為基準(zhǔn)日，對長沙市未來72 h城市空氣質(zhì)量變化的趨勢進行預(yù)報（圖9）。15日，高空仍為高壓環(huán)流形勢，無明顯降水發(fā)生，地面為均壓場形勢，中高空主導(dǎo)風(fēng)向為西風(fēng)，近地面靜風(fēng)或微風(fēng)，大氣穩(wěn)定度較高，總體氣象條件較差，不利于污染物的擴散和清除，PM2.5將維持較高水平，長沙市的環(huán)境空氣質(zhì)量以輕至中度污染為主；16日，受高空槽和地面氣旋波影響，偏南風(fēng)加強，并將迎來一段陰雨天氣，大氣污染擴散條件有所改善，長沙市的環(huán)境空氣質(zhì)量以良至輕度污染為主；17日，高空處于副高邊緣，西南暖濕氣流旺盛，中低層有切變，且有中等陣雨或雷陣雨發(fā)生；地面低壓有所發(fā)展，低層濕度明顯加大，垂直擴散對流加強。因此，從16日起，長沙市的PM2.5質(zhì)量濃度開始逐漸下降；17日，由于出現(xiàn)降雨，PM2.5質(zhì)量濃度迅速降低，污染過程結(jié)束。

4.4.2 預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性檢驗

根據(jù)對未來3 d的預(yù)報結(jié)果，15～17日長沙市的城市環(huán)境空氣質(zhì)量將逐步改善。預(yù)測15、16和17日3 dAQI等級分別為中度污染、輕度污染和良，中值分別為155、108和87，首要污染物均為PM2.5。實測結(jié)果表明，15、16和17日3天的AQI等級分別為中度污染、輕度污染和良，中值分別為165、110和70，首要污染物均為PM2.5，詳見表1。實測值與預(yù)測值保持較好的一致性，預(yù)報準(zhǔn)確率較高。

4.5 本輪大氣重污染特征分析

這次發(fā)生在長沙市的大氣重污染天氣，各方面的證據(jù)表明，是一次典型的自北向南的外源性輸入過程，首要污染物為PM2.5。6月12日夜間，污染氣團抵達(dá)湖南省境內(nèi)后，位于最北部的岳陽市的AQI指數(shù)迅速升高，隨后，長沙市的AQI指數(shù)相應(yīng)增高，并達(dá)到嚴(yán)重污染等級。而污染氣團過境后，AQI指數(shù)應(yīng)聲下降，14日為輕度污染等級。由于后續(xù)的氣象條件比較不利于污染物擴散，15日又經(jīng)過了一個弱升高波動，之后AQI穩(wěn)步下降，到16～17日，長沙市出現(xiàn)大范圍降水，污染過程結(jié)束。本次大氣污染從發(fā)生到結(jié)束共歷時6天。最初來得急、并且污染強度很大，最重污染日空氣質(zhì)量級別達(dá)到六級。但污染持續(xù)的時間并不長，污染氣團過境后，空氣質(zhì)量立即回復(fù)到正常水平。長沙市AQI在大氣污染期間的變化情況詳見表2。在污染后期，結(jié)合數(shù)值模型預(yù)報未來72 h的城市環(huán)境空氣質(zhì)量，準(zhǔn)確率比較高。判斷大大提高了此次空氣質(zhì)量預(yù)報的準(zhǔn)確率，使預(yù)測值更加接近真實值。詳見表2。

5 結(jié)論

（1）6月12～14日，受偏北氣流影響，外源性污染氣團由北向南輸送至長沙市境內(nèi)，導(dǎo)致該市的城市環(huán)境空氣質(zhì)量迅速下降，達(dá)到嚴(yán)重污染級別。污染前后持續(xù)了6 d。

（2）大氣污染期間，長沙市受較強的海平面高壓和均壓場控制，垂直大氣層結(jié)穩(wěn)定，無風(fēng)，加上逆溫的出現(xiàn)，不利于污染物的擴散、沉降和消除。在污染過程后期，較強的西南暖濕氣流和降水的出現(xiàn) 使大氣污染得到控制。由此可見，在外源輸入和較強靜穩(wěn)天氣形勢下極易出現(xiàn)重污染天氣，但是強對流和降水的發(fā)生，能有效改善城市的環(huán)境空氣質(zhì)量，起到積極的改善作用。

（3）在污染源排放數(shù)量、位置和強度沒有變化或變化不大的前提下，空氣污染潛勢預(yù)報主要由天氣形勢和氣象參數(shù)決定，預(yù)報準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵是確定合適的氣象因子。本次污染過程污染源排放基本保持穩(wěn)定，在外源輸入的前提下，高壓、均壓場、逆溫等靜穩(wěn)天氣的準(zhǔn)確判斷對未來符合造成強污染的判據(jù)具有重要指示作用，而暖濕氣流、對流及強降水等氣象形勢的準(zhǔn)備判斷則對重污染的緩解直至消除起到重要指示作用。

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