黃菊梅，侯勇軍，蔣 帥，覃 鴻，蘇 韜

1.岳陽(yáng)市氣象局，湖南 岳陽(yáng) 414000 2.華容縣氣象局，湖南 華容 414200

人類活動(dòng)或自然過(guò)程引起大氣污染物濃度達(dá)到有害程度，進(jìn)而破壞生態(tài)環(huán)境?？諝馕廴久嬖匆驍?shù)量大、分布面廣，一般較難實(shí)施控制，而污染點(diǎn)源為可以找到一種以上有效控制措施的排放源，也是大氣污染物的主要來(lái)源之一。隨著現(xiàn)代工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，向大氣中持續(xù)排放的物質(zhì)數(shù)量越來(lái)越多，種類越來(lái)越復(fù)雜，引起大氣成分發(fā)生急劇的變化。趙文慧等[1]研究表明，可吸入顆粒物污染分布和下墊面介質(zhì)、人為污染源、人口密度、氣象因素有非常密切的關(guān)系。李秀鎮(zhèn)等[2]分析了青島市PM2.5氣溶膠粒子濃度特征元素組成和來(lái)源，認(rèn)為主要污染元素集中在PM2.5中。近年各地按照新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》增加了PM2.5的監(jiān)測(cè)，并用空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)來(lái)定量描述空氣質(zhì)量狀況。環(huán)境空氣質(zhì)量受氣象條件制約和影響，工業(yè)廢氣等大氣污染物對(duì)城市居民區(qū)的危害，往往與當(dāng)?shù)氐牡匦魏蜌庀髼l件有關(guān)。平均風(fēng)速是影響大氣污染的主要?dú)庀笠蛩豙3]。張凱等[4]認(rèn)為局地氣流輻合和流場(chǎng)的突然轉(zhuǎn)變都會(huì)造成當(dāng)?shù)刂匚廴具^(guò)程。劉偉東等[5]應(yīng)用MODIS衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品和地面風(fēng)場(chǎng)的分布分析了大氣污染物的分布和輸送特征。同時(shí)各地區(qū)同一時(shí)期污染指數(shù)差異明顯，與排放源群結(jié)構(gòu)、地形、天氣型形成的輸送及匯聚區(qū)的演變、移動(dòng)、相繼影響的天氣型配置有關(guān)[6]。因此，等量污染物排放源對(duì)位于不同方位區(qū)域所造成的空氣污染程度也不相同。王艷等[7-8]運(yùn)用HYSPLIT4.8模式對(duì)影響長(zhǎng)三角地區(qū)低層大氣的輸送氣流主要來(lái)源和中度以上大氣污染過(guò)程的輸送特征進(jìn)行了分析。

洞庭湖區(qū)為西北高東南低，東、南、西三面環(huán)山，北部敞口的馬蹄形盆地。特殊的地形、地貌及其溫暖濕潤(rùn)的大陸性季風(fēng)氣候，形成了各地化學(xué)過(guò)程發(fā)生環(huán)境的差異。本文通過(guò)對(duì)常德、益陽(yáng)、岳陽(yáng)市區(qū)一次重度空氣污染過(guò)程成因分析，了解洞庭湖區(qū)污染物的來(lái)源、分布規(guī)律及氣象影響因素，為洞庭湖區(qū)大氣污染防治、更好地規(guī)劃城市建設(shè)、合理地布局工業(yè)區(qū)提供技術(shù)支撐和決策參考。

1 資料來(lái)源與選取

逐日AQI和PM2.5質(zhì)量濃度來(lái)源于洞庭湖區(qū)常德、益陽(yáng)、岳陽(yáng)市環(huán)保局，逐時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度來(lái)源于岳陽(yáng)市氣溶膠觀測(cè)站，該站在岳陽(yáng)氣象站站址上建成(常德、益陽(yáng)氣象站無(wú)氣溶膠觀測(cè)站)，地面氣象要素和天氣現(xiàn)象等觀測(cè)資料來(lái)源于常德、益陽(yáng)、岳陽(yáng)氣象站。NCEP再分析資料、ERSST_V3和HYSPLIT的GBL資料空間分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間分辨率為6 h。

2 重度空氣污染過(guò)程概述

洞庭湖區(qū)逐日AQI和PM2.5質(zhì)量濃度變化情況見(jiàn)圖1。

圖1 洞庭湖區(qū)逐日AQI和PM2.5質(zhì)量濃度變化Fig.1 Changes of daily AQI and concentration in dongting lake area

圖1中，2016年12月28日常德、益陽(yáng)、岳陽(yáng)AQI為75～81，空氣質(zhì)量均為良，PM2.5質(zhì)量濃度為47～66 μg/m3，達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量》(GB 3095—2012)空氣污染物濃度限值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。從29日開(kāi)始洞庭湖區(qū)AQI和PM2.5質(zhì)量濃度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)日常德、岳陽(yáng)出現(xiàn)輕度空氣污染，30日益陽(yáng)也達(dá)輕度污染標(biāo)準(zhǔn)，31日常德出現(xiàn)中度污染，2017年1月1—4日常德AQI為207～242，PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)157～191 μg/m3，達(dá)重度污染標(biāo)準(zhǔn)，2—4日益陽(yáng)、2—3日岳陽(yáng)也出現(xiàn)中度污染，4日岳陽(yáng)AQI達(dá)210，PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)159 μg/m3，出現(xiàn)重度污染，5日開(kāi)始AQI和PM2.5質(zhì)量濃度下降，當(dāng)日常德、益陽(yáng)為輕度污染，岳陽(yáng)空氣質(zhì)量為良，6日空氣質(zhì)量進(jìn)一步改善，洞庭湖區(qū)各市空氣質(zhì)量均為優(yōu)良。因此，按照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)，2016年12月29日至2017年1月5日洞庭湖區(qū)出現(xiàn)了一次重度空氣污染過(guò)程，其中1—4日為重度污染日，且以常德污染程度最重，岳陽(yáng)次之，益陽(yáng)最輕。

3 成因分析

3.1 大氣環(huán)流背景

段宇輝等[9]研究發(fā)現(xiàn)，氣象條件是造成空氣質(zhì)量好壞的重要因素之一，而天氣系統(tǒng)的變化則對(duì)氣象要素變化起決定性的作用。2016年12月28日至2017年1月3日，歐亞中高緯為兩槽一脊環(huán)流形勢(shì)，經(jīng)向度較小，巴爾喀什湖至貝加爾湖以西為弱高壓脊控制，中東部大部分地區(qū)受東亞槽后弱西北氣流控制，我國(guó)中東部地區(qū)處于西風(fēng)帶緯向環(huán)流控制之中，無(wú)明顯槽脊活動(dòng)，冷空氣活動(dòng)偏弱，這種靜穩(wěn)天氣形勢(shì)下，大氣擴(kuò)散能力較差，有利于我國(guó)中東部地區(qū)霧-霾天氣的形成與維持。

2016年12月28日500hPa高空?qǐng)D上，重慶至云南西部為寬廣的低壓槽，洞庭湖區(qū)受槽前西南氣流影響，地面圖上蒙古國(guó)南部為高壓控制，洞庭湖區(qū)處于入海高壓后部均壓場(chǎng)中。2016年12月29日，隨著高空槽減弱東移，環(huán)流平直，地面圖上蒙古高壓迅速南下，洞庭湖區(qū)受大陸高壓控制之中。從2016年12月30日開(kāi)始，西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)北抬并維持，高空孟加拉灣低槽穩(wěn)定少動(dòng)，洞庭湖區(qū)受弱高壓脊控制，地面圖上大陸高壓東移減弱變性，洞庭湖區(qū)處于均壓場(chǎng)中，等壓線稀疏，地面風(fēng)速較小，且回暖明顯，隨著這種靜穩(wěn)天氣形勢(shì)的建立，霧-霾逐漸發(fā)展，累積效應(yīng)導(dǎo)致污染物濃度不斷升高。2017年1月5日，隨著西太平洋副熱帶高壓減弱東撤，南支槽東移，西南暖濕氣流加強(qiáng)，同時(shí)地面圖上我國(guó)東北地區(qū)冷高壓南下，氣壓梯度明顯加大，洞庭湖區(qū)受冷空氣和降水影響，霧-霾天氣迅速減弱消散。分析重度污染日(2017年1月1—4日)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)認(rèn)為，我國(guó)東部地區(qū)為高壓脊控制且位勢(shì)高度較常年明顯偏高，河套地區(qū)以南至長(zhǎng)江流域風(fēng)速較小且呈弱的輻合，這種下沉氣流和靜穩(wěn)形勢(shì)為洞庭湖區(qū)重度污染提供了有利的天氣背景。

3.2 氣象要素變化

3.2.1 日平均氣象要素變化

對(duì)常德、益陽(yáng)、岳陽(yáng)日平均氣溫、本站氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象要素求算術(shù)平均的方法獲取洞庭湖區(qū)氣象要素的變化。從圖2可以看出，洞庭湖區(qū)2016年12月29日至2017年1月4日平均氣溫上升了6.0 ℃，氣壓下降13.9 hPa，相對(duì)濕度和風(fēng)速呈波動(dòng)變化，其中3—4日持續(xù)1.0～1.1 m/s的小風(fēng)；5—6日出現(xiàn)了4.4～4.6 mm的降水，導(dǎo)致相對(duì)濕度明顯增至98%～99%，平均風(fēng)速加大為2.5～2.7 m/s，且平均氣溫下降了5.0 ℃，氣壓略有增加。因此，此次重度空氣污染過(guò)程中伴隨本地持續(xù)升溫、降壓、增濕、小風(fēng)，隨著弱冷空氣南下，風(fēng)速明顯加大且有降水出現(xiàn)，空氣污染過(guò)程迅速結(jié)束。

圖2 洞庭湖區(qū)日平均氣象要素變化Fig.2 Variation of daily average meteorological elements in dongting lake area

3.2.2 逐時(shí)氣象要素變化

因岳陽(yáng)市氣溶膠觀測(cè)站在岳陽(yáng)氣象站站址上建成(常德、益陽(yáng)氣象站無(wú)氣溶膠觀測(cè)站)，因此，岳陽(yáng)站逐時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度與地面氣象要素對(duì)應(yīng)較好。從圖3可以看出，2016年12月28日15：00PM2.5質(zhì)量濃度為39.4 μg/m3，污染物經(jīng)過(guò)172 h的不斷聚集，于2017年1月4日19：00達(dá)到峰值256.7 μg/m3，并在42 h內(nèi)迅速擴(kuò)散，于2017年1月6日13：00達(dá)PM2.5質(zhì)量濃度谷值2.0 μg/m3。根據(jù)逐時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度的變化，將氣象要素分為5個(gè)階段：第1階段PM2.5質(zhì)量濃度較小，為39.4～104.4 μg/m3；第2階段PM2.5質(zhì)量濃度波動(dòng)增加，為84.0～200.3 μg/m3，且這種狀況維持時(shí)間較長(zhǎng)；第3階段PM2.5質(zhì)量濃度在高值基礎(chǔ)上繼續(xù)增至峰值，基本為153.5～256.7 μg/m3；第4階段PM2.5質(zhì)量濃度從峰值迅速減小到第一個(gè)谷值，為21.0～219.0 μg/m3；第5階段PM2.5質(zhì)量濃度較小，為2.0～50.9 μg/m3。

根據(jù)PM2.5質(zhì)量濃度的變化將此次污染過(guò)程分為5個(gè)階段。表1中,第1階段至第3階段 PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)峰值過(guò)程中伴隨本地升溫增濕微量降水和風(fēng)速減小，第4階段PM2.5質(zhì)量濃度從峰值迅速減小過(guò)程中伴隨本地增濕微量降水和風(fēng)速明顯加大，第5階段隨著明顯降溫、增濕至飽和并出現(xiàn)降水、風(fēng)速進(jìn)一步加大，PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)一步減小。表明長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升溫增濕小風(fēng)導(dǎo)致當(dāng)?shù)匚廴疚餄舛炔粩嘣黾?，而污染物濃度快速減小主要是風(fēng)速加大造成的，降溫降水過(guò)程中伴隨風(fēng)速進(jìn)一步加大，污染物濃度也進(jìn)一步減小。因此，風(fēng)速減小有利于污染物聚集，導(dǎo)致污染物濃度不斷增加；降溫前風(fēng)速明顯加大有利于污染物快速擴(kuò)散，導(dǎo)致污染物濃度急劇減小。濕度增加有利于污染物吸濕性增長(zhǎng)，但高濕易引起降水，有利于污染物的濕清除。

圖3 岳陽(yáng)逐時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度、風(fēng)速、雨量變化Fig.3 Changes in PM2.5 concentration and wind speed and rainfall in Yueyang time by time

表1 岳陽(yáng)各時(shí)段平均PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素的關(guān)系Table 1 The relationship between average PM2.5 concentration and meteorological factors in Yueyang in each period

3.3 主導(dǎo)風(fēng)向與污染通道

風(fēng)向影響污染物的水平遷移擴(kuò)散方向，將污染物向其下風(fēng)方向輸送，而風(fēng)速的大小決定了大氣擴(kuò)散和輸送作用的強(qiáng)弱。為了研究各地污染物的來(lái)源，選取2016年12月29日08：00至2017年1月5日08：00作為污染物不斷聚集、污染程度較重的時(shí)段。此次重度污染天氣過(guò)程平均風(fēng)速均較小，常德和岳陽(yáng)相當(dāng)，為1.6 m/s，益陽(yáng)為1.2 m/s。表明此次重度空氣污染過(guò)程擴(kuò)散或輸送條件整體較差，但常德和岳陽(yáng)優(yōu)于益陽(yáng)。逐時(shí)風(fēng)向風(fēng)速玫瑰圖(圖4)中，常德NNW、ESE向頻率最高，均為11%，且以N風(fēng)向的風(fēng)速最大，為2.6 m/s；益陽(yáng)W、WNW風(fēng)向頻率最高，為18%～19%，且以ESE風(fēng)向的風(fēng)速最大，為1.9 m/s；岳陽(yáng)N風(fēng)向頻率最高，為21%，且以NNE風(fēng)向的風(fēng)速最大，為2.1 m/s。因此，常德主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)和偏東南風(fēng)并存，益陽(yáng)和岳陽(yáng)主導(dǎo)風(fēng)向分別為偏西風(fēng)和偏北風(fēng)。

圖4 2016年12月29日08：00至2017年1月5日08：00逐時(shí)風(fēng)向風(fēng)速玫瑰圖Fig.4 The wind rose diagram from 08：00 on December 29, 2016 to 08：00 on January 5, 2017

由于很難找到一個(gè)能定量描述氣流通暢程度的量，因此氣流通暢程度就只依靠定性判斷[10]。本文采用考慮風(fēng)向和風(fēng)速綜合效應(yīng)的大氣污染系數(shù)來(lái)討論風(fēng)矢量對(duì)污染物的輸送作用[11]。從污染系數(shù)的定義可看出，某下風(fēng)方向的污染程度與風(fēng)向頻率成正比，與風(fēng)速成反比。此次重度空氣污染過(guò)程中，常德靜風(fēng)頻率為8%，各風(fēng)向平均污染系數(shù)為3.6；益陽(yáng)和岳陽(yáng)靜風(fēng)頻率均為2%，各風(fēng)向平均污染系數(shù)分別為5.2和4.4。從圖5可以看出：常德各風(fēng)向污染系數(shù)差別最小，且ESE風(fēng)向最大，為6.1，其次為SW、NNW風(fēng)向，均為5.0；益陽(yáng)各風(fēng)向污染系數(shù)差別最大，且W、WNW風(fēng)向最大，為13.6～16.4，其次為NW風(fēng)向，為10.0；岳陽(yáng)各風(fēng)向污染系數(shù)差別居中，N風(fēng)向最大，為11.1，其次為NE、NNE風(fēng)向，為8.1～8.9。這些污染系數(shù)較大的風(fēng)向中，除常德SW風(fēng)向頻率較低而污染系數(shù)較大主要是由該風(fēng)向風(fēng)速最小造成的外，其余風(fēng)向基本都是主導(dǎo)風(fēng)向，即污染通道與主導(dǎo)風(fēng)向基本一致。

圖5 污染系數(shù)玫瑰圖Fig.5 The pollution coefficientrose diagram

常德主導(dǎo)風(fēng)向與污染通道為ESE、NNW風(fēng)向，2個(gè)風(fēng)向方向基本相反，偏南污染源的上風(fēng)側(cè)基本上位于偏北污染源的下風(fēng)側(cè)，不論常德處于哪個(gè)污染源的下風(fēng)側(cè)，都不可避免地造成較嚴(yán)重的空氣污染；常德各風(fēng)向污染系數(shù)差別不明顯，因此常德污染通道和污染源還具有比較復(fù)雜的特點(diǎn)；由于靜風(fēng)狀態(tài)時(shí)，大氣污染物主要影響污染源附近的區(qū)域，而常德靜風(fēng)頻率較大，因此常德污染相對(duì)較重也可能與其附近污染源較重有關(guān)。益陽(yáng)和岳陽(yáng)主導(dǎo)風(fēng)向與污染通道相對(duì)單一，益陽(yáng)各風(fēng)向污染系數(shù)差別最大且主導(dǎo)風(fēng)向和污染通道為偏西方向；岳陽(yáng)各風(fēng)向污染系數(shù)差別較大且主導(dǎo)風(fēng)向和污染通道為偏北方向，表明偏北污染源對(duì)岳陽(yáng)此次重度空氣污染過(guò)程貢獻(xiàn)較大。因此，此次重度空氣污染過(guò)程主導(dǎo)風(fēng)向與污染通道對(duì)洞庭湖區(qū)各地污染程度和分布產(chǎn)生較大影響。

3.4 混合層高度變化

在大氣湍流擴(kuò)散問(wèn)題中，常用大氣穩(wěn)定度作為反映湍流狀況、擴(kuò)散速率強(qiáng)弱的主要指標(biāo)[12]。大氣混合層厚度是影響城市空氣質(zhì)量的重要因素[13]。主要污染物分布在混合層內(nèi)[14],混合層厚度越大，大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋能力越強(qiáng)，利于污染物擴(kuò)散和排放?；旌蠈痈叨茸兓怯绊懳廴疚锎怪睌U(kuò)散的主要因素，風(fēng)和湍流是影響大氣擴(kuò)散能力的主要?jiǎng)恿σ蜃?，大氣穩(wěn)定度是主要熱力因子[15]。

因洞庭湖區(qū)各地?zé)o探空資料且常德污染較重，因此采用以常德為代表的常規(guī)氣象資料來(lái)計(jì)算當(dāng)?shù)胤€(wěn)定度和混合層厚度。本文采用《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》(GB/T 3840—1991)中的Pasquill穩(wěn)定度分類法，將大氣分為強(qiáng)不穩(wěn)定(A)、不穩(wěn)定(B)、弱不穩(wěn)定(C)、中性(D)、較穩(wěn)定(E)、穩(wěn)定(F)6個(gè)等級(jí)。采用GB/T 3840—91中的附錄E1混合層厚度的確定方法計(jì)算混合層厚度，具體計(jì)算步驟：首先由太陽(yáng)傾角δ算出太陽(yáng)高度角h0，再由太陽(yáng)高度角h0和云量從太陽(yáng)輻射等級(jí)表中查出太陽(yáng)輻射等級(jí)，最后從大氣穩(wěn)定度等級(jí)表由地面風(fēng)速和太陽(yáng)輻射等級(jí)查出大氣穩(wěn)定度等級(jí)。因近年云量的觀測(cè)資料僅限于08：00、14：00、20：00，因此，只計(jì)算3個(gè)時(shí)刻的大氣穩(wěn)定度等級(jí)。

楊勇杰等[16]計(jì)算結(jié)果表明，云量對(duì)該地區(qū)大氣穩(wěn)定度的影響較大，陰天是該地區(qū)穩(wěn)定度以中性為主的主要原因，風(fēng)速對(duì)該地區(qū)混合層厚度影響較大。2016年12月29日至2017年1月5日每日3個(gè)時(shí)刻云量和大氣穩(wěn)定度變化中，總云量變化分2段：12月29日08：00至30日20：00為2～7成，31日08：00至6日20：00為10成；低云量變化分2段：12月29日08：00至1月2日20：00為0成(僅29日14：00為4成)，3日08：00至5日20：00為10成；大氣穩(wěn)定度為D級(jí)18個(gè)時(shí)刻，E級(jí)4個(gè)時(shí)刻，B級(jí)、C級(jí)各1個(gè)時(shí)刻。因此，此次重度空氣污染過(guò)程中，75%的大氣為中性，17%的大氣為穩(wěn)定，而重度空氣污染日(1—4日)總云量和低云量均為10成，大氣均為中性。12月29日08：00風(fēng)速為6.1 m/s，29日14：00、30日20：00、1月1日14：00為4.0～4.1 m/s，因風(fēng)速較大，4個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)混合層高度為678～1 130 m外，12月28日08：00至1月6日20：00混合層高度為0～737 m。3日08：00至5日20：00時(shí)段，僅4日08：00和5日14：00風(fēng)速分別為3.4 m/s和2.1 m/s，對(duì)應(yīng)混合層高度分別為576 m和356 m，其余時(shí)刻風(fēng)速為0.0 m/s(4日14：00)～1.3 m/s(5日08：00)，對(duì)應(yīng)混合層高度為0～220 m。從圖6可以看出，混合層高度與風(fēng)速相關(guān)系數(shù)達(dá)0.93，表明兩者極顯著相關(guān)，并均呈顯著下降趨勢(shì)。因此，風(fēng)速對(duì)混合層高度影響較大，風(fēng)速越小，混合層高度越低。

圖6 2016年12月29日至2017年1月5日08：00、14：00、20：00常德風(fēng)速與混合層高度變化Fig.6 The wind speed and mixing layer height change in Changde of 08:00,14:00,20:00 from December 29 to January 5

3.5 污染物來(lái)源

3.5.1 氣流后向軌跡

利用NOAA開(kāi)發(fā)的基于拉格朗日方法的氣流后向軌跡模式(HYSPLITv4.9)模擬空氣中污染物的擴(kuò)散和傳輸過(guò)程，運(yùn)用簇分析方法對(duì)軌跡進(jìn)行聚類，分析影響洞庭湖區(qū)2016年12月29日至2017年12月5日重污染天氣過(guò)程的氣流來(lái)源及其傳輸路徑。因城市上空100 m以下易受到城市尺度近距離污染源影響，而300 m以上主要以大尺度輸送為主，同時(shí)該高度層代表了邊界層低層的情況，用這樣高度的軌跡來(lái)分析地面的污染指數(shù)較為合理[7]，故模擬軌跡起點(diǎn)位于300 m。

軌跡頻率為最主要的氣流通道占總氣流輸送量的比率，軌跡頻率越大，表明該通道氣流輸送越強(qiáng)，氣團(tuán)軌跡的優(yōu)點(diǎn)在于基于準(zhǔn)確資料的基礎(chǔ)上可以反映出氣團(tuán)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)路徑。通過(guò)簇分析方法分析空間方差增長(zhǎng)率，最終聚類得到4條軌跡簇。影響洞庭湖區(qū)的4條氣流均為下沉氣流：①源于我國(guó)華北地區(qū)的氣流經(jīng)山東西南部南下至湖北東南部，取東偏北路徑從近地層長(zhǎng)時(shí)間積累并同時(shí)影響常德、岳陽(yáng)、益陽(yáng)，軌跡頻率分別為28%、33%、33%。此條氣流高度從1 000～1 500 m迅速降至500 m以下，傳輸距離較長(zhǎng)，高度最低，是污染物的主要來(lái)源地之一。②源于蒙古國(guó)西南部的氣流，經(jīng)內(nèi)蒙古中部、山西、河北南部、山東西南部、安徽進(jìn)入湖北東南部后，取東北路徑影響岳陽(yáng)和益陽(yáng)，軌跡頻率分別為25%和14%，而湖北東南部的氣流再?gòu)慕魑鞅辈客系竭_(dá)湖南中部后，取偏南路徑影響常德，軌跡頻率為11%。此條路徑從2 500 m高空快速傳輸?shù)倪^(guò)程中逐漸下沉，傳輸距離最長(zhǎng)，高度最高，也是北方冷空氣的主要來(lái)源地之一。③內(nèi)蒙古中部向南經(jīng)山西、河北南部、河南北部，然后轉(zhuǎn)向北上至山西滯留后南下，經(jīng)河南、湖北東部，取東偏北路徑影響常德，軌跡頻率為17%。源于河南北部，經(jīng)湖北中部，取北部路徑影響岳陽(yáng)，軌跡頻率為25%；源于湖北東部，經(jīng)江西東部至湖南中部，取南部路徑影響益陽(yáng)，軌跡頻率為42%。此條路徑氣流均來(lái)自我國(guó)北方，氣流高度差別不大，但傳輸距離差別很大。④源于湖北東部，經(jīng)江西中東部至湖南中部，取偏南路徑影響常德，軌跡頻率為44%；源于江西西部的氣流進(jìn)入湖南北部停留，取偏南路徑影響岳陽(yáng)，軌跡頻率為17%；源于印度南部取西方路徑經(jīng)云南、貴州進(jìn)入湖南北部停留，改道偏南路徑影響益陽(yáng)，軌跡頻率為11%。此條路徑氣流高度差別不大，但源地和傳輸距離差別較大。

分析表明，進(jìn)入常德的氣流均來(lái)自北方，但軌跡頻率45%取東偏北路徑影響常德，55%取偏南路徑影響常德。進(jìn)入岳陽(yáng)的氣流中，軌跡頻率83%來(lái)自北方并取偏北路徑影響岳陽(yáng)，17%來(lái)自南方并取偏南路徑影響岳陽(yáng)。進(jìn)入益陽(yáng)的氣流中，軌跡頻率89%來(lái)自北方，其中47%取偏北路徑影響益陽(yáng)，軌跡頻率42%取偏南路徑影響益陽(yáng)，其余11%來(lái)自西方并取偏西路徑影響益陽(yáng)。因此，影響常德的氣流均來(lái)源于北方，并從東偏北和偏南兩個(gè)方向影響常德；除少量來(lái)源于南方和西南方的氣流從偏南和偏西方向分別影響岳陽(yáng)和益陽(yáng)外，來(lái)自北方的氣流一致性從東北方向影響岳陽(yáng)，而從東北和偏南兩個(gè)方向影響益陽(yáng)。

3.5.2 外來(lái)污染源

世界氣象組織發(fā)布的全球氣候狀況指出，2016年為全球有氣象記錄以來(lái)氣溫最高的年份。我國(guó)2016年12月氣溫為歷史最高。在氣候變暖背景下，極端天氣氣候事件增多。特別是冬季溫度升高大于夏季，高緯度溫度升高大于低緯度，高低緯度的溫度差異縮小，不利于冷空氣南下。同時(shí)2016年12月以來(lái)，東亞冬季風(fēng)偏弱，我國(guó)冷空氣過(guò)程偏少，冷空氣強(qiáng)度偏弱，活動(dòng)路徑偏北。在缺少冷空氣影響的情況下，近地層平均風(fēng)速小，小風(fēng)天數(shù)多，靜穩(wěn)天氣多，大氣擴(kuò)散氣象條件差，大氣環(huán)境容量低，自凈能力弱等不利氣象條件是導(dǎo)致我國(guó)北方地區(qū)霾多發(fā)的主要誘因。

2016年12月30日至2017年1月6日我國(guó)中東部地區(qū)出現(xiàn)了入冬以來(lái)范圍最廣、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、污染程度最重的霧霾天氣過(guò)程，1月2日09：00氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)顯示，大霧主要分布在北京南部、天津、河北南部、山東西部和北部、河南大部、陜西南部、四川東部、重慶、云南北部、湖北西部、安徽中部和江蘇北部以及渤海南部海域，衛(wèi)星可視的大霧影響面積約57.8萬(wàn)km2，14：00風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)顯示，我國(guó)中東部霾區(qū)面積超過(guò)70.0萬(wàn)km2。從7日開(kāi)始上述地區(qū)霧和霾自北向南逐漸減弱或消散，此后的一段時(shí)期我國(guó)北方地區(qū)冷空氣活動(dòng)頻繁，氣象條件整體有利于污染物的擴(kuò)散，無(wú)持續(xù)性霧-霾天氣出現(xiàn)。地面冷高壓前部偏北大風(fēng)很容易將北方污染物輸送到洞庭湖區(qū)，因此，洞庭湖區(qū)存在大范圍區(qū)域性同步污染現(xiàn)象，北方外來(lái)污染源是洞庭湖區(qū)重要的污染面源，也是導(dǎo)致本次重度空氣污染過(guò)程的重要因素之一。

3.5.3 地理?xiàng)l件和環(huán)境點(diǎn)源

常德市位于洞庭湖西側(cè)，地勢(shì)由西北、東南傾斜，西北部屬武陵山系的中低山區(qū)，其中位于石門(mén)縣境內(nèi)的壺瓶山海拔2 099 m；中部丘陵區(qū)，常德位于該區(qū)偏北處；東部為沅、澧水下游及洞庭湖平原區(qū)，西南部為雪峰山余脈組成的中山區(qū)。益陽(yáng)市地形西高東低，呈狹長(zhǎng)狀由南向北梯級(jí)傾斜，南半部屬雪峰山余脈的丘陵山區(qū)，北半部為一派水鄉(xiāng)景色的洞庭湖淤積平原，益陽(yáng)位于南洞庭湖的資水旁。岳陽(yáng)市兩面環(huán)山，地勢(shì)自東南向西北呈階梯狀向洞庭湖盆地傾斜，東有幕阜山自東南向西北雁行排列，南為連云山環(huán)繞，西南被玉池山脈所盤(pán)踞，西北為洞庭湖平原，岳陽(yáng)位于洞庭湖與長(zhǎng)江匯合處。因此，地理?xiàng)l件差異對(duì)污染物空間分布也產(chǎn)生一定影響，岳陽(yáng)和益陽(yáng)臨江靠湖，大氣擴(kuò)散條件相對(duì)優(yōu)越。

在氣象條件和污染面源相對(duì)穩(wěn)定的條件下，環(huán)境點(diǎn)源等本地污染源成為影響洞庭湖區(qū)空氣污染物分布空間差異的主要因素。洞庭湖區(qū)主要工業(yè)污染排放源主要集中在火電、水泥、石油化工等行業(yè)領(lǐng)域。

洞庭湖區(qū)火電企業(yè)較多，裝機(jī)容量大，即使脫硫脫硝及除塵設(shè)施穩(wěn)定正常運(yùn)行，產(chǎn)生的污染也較大。常德的能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主，占90%以上，且以含硫率較高的本地產(chǎn)煤為主，屬典型的煤煙型污染[17]。華電常德發(fā)電有限公司位于常德主城區(qū)南偏東12 km處，且平均海拔在500 m左右位于常德西北部的石門(mén)縣大唐電廠和石門(mén)華電燃煤機(jī)組裝機(jī)容量約占常德總發(fā)電量的2/3。國(guó)電益陽(yáng)電廠位于益陽(yáng)西郊，距市區(qū)約8 km。華能岳陽(yáng)電廠位于岳陽(yáng)偏北方向，距市中心約14 km。這些工業(yè)點(diǎn)源布局與主導(dǎo)風(fēng)向一致，使得市區(qū)廣大區(qū)域處于工業(yè)污染氣流的下游從而加劇市區(qū)空氣污染，而常德兩個(gè)污染源氣流從南北方向往市區(qū)輸送，導(dǎo)致常德市區(qū)污染嚴(yán)重。

石灰石資源含鈣量高，是制造碳酸鈣系列產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料，是長(zhǎng)江中下游地區(qū)最好的石灰石資源。近年在常德、岳陽(yáng)等地建設(shè)了一批水泥生產(chǎn)線和生產(chǎn)基地，雷公廟礦區(qū)和石灰石礦山位于常德北偏西方向直距18～30 km處，加劇市區(qū)空氣污染。而岳陽(yáng)水泥生產(chǎn)線位于市區(qū)南部的岳陽(yáng)縣，益陽(yáng)灰山港水泥生產(chǎn)基地位于市區(qū)南部的桃江縣，對(duì)市區(qū)影響相對(duì)較小。

岳陽(yáng)是中國(guó)中部地區(qū)最大的石化產(chǎn)業(yè)基地，長(zhǎng)嶺煉油化工總廠、岳陽(yáng)石油化工總廠等央企位于市區(qū)東北方向的云溪區(qū)，石油化工工業(yè)布局方向與此次污染過(guò)程主導(dǎo)風(fēng)向一致，也導(dǎo)致岳陽(yáng)空氣污染加劇。

4 結(jié)論

1)2016年12月29日至2017年1月5日洞庭湖區(qū)重度空氣污染過(guò)程是在靜穩(wěn)天氣形勢(shì)下霧-霾天氣的形成與維持、污染物不斷累積下導(dǎo)致的。

2)此次重度空氣污染過(guò)程中伴隨本地持續(xù)升溫降壓增濕小風(fēng)，隨著弱冷空氣南下，風(fēng)速明顯加大且有降水出現(xiàn)，空氣污染過(guò)程迅速結(jié)束。風(fēng)速減小導(dǎo)致污染物濃度不斷增加，降溫前風(fēng)速明顯加大有利于污染物快速擴(kuò)散。濕度增加有利于污染物吸濕性增長(zhǎng)，但高濕易引起降水有利于污染物的濕清除。

3)兩個(gè)主導(dǎo)風(fēng)向與污染通道方向基本相反、污染通道復(fù)雜、靜風(fēng)頻率較大導(dǎo)致污染相對(duì)較重。污染通道相對(duì)單一的地區(qū)污染程度相對(duì)較輕。

4)此次重度空氣污染過(guò)程中，75%的大氣為中性，17%的大氣為穩(wěn)定， 14：00混合層高度逐漸降低，而重度空氣污染日大氣基本為中性，混合層高度降至100 m以下。

5)影響常德的氣流均來(lái)源于北方，并從東偏北和偏南兩個(gè)方向影響常德；除少量來(lái)源于南方和西南方的氣流從偏南和偏西方向分別影響岳陽(yáng)和益陽(yáng)外，來(lái)自北方的氣流一致性從東北方向影響岳陽(yáng)，而從東北和偏南兩個(gè)方向影響益陽(yáng)。

6)洞庭湖區(qū)存在大范圍區(qū)域性同步污染現(xiàn)象，北方外來(lái)污染源是洞庭湖區(qū)重要的污染面源，本地工業(yè)污染排放點(diǎn)源和地理?xiàng)l件也是洞庭湖區(qū)空氣污染物空間分布差異的重要因素。