張 琴，彭慶慶，羅岳平，曾 鈺，李 蔚，傅承浩

(1.湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站，長沙 410019；2.國家環(huán)境保護重金屬污染監(jiān)測重點實驗室，長沙 410019；3.北京理工大學化學與化工學院，北京 100081；4.湖南大學環(huán)境科學與工程學院，長沙 410228；5.湖南省氣象臺，長沙 410118)

1 前 言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴大，以PM2.5為首要污染物的灰霾天氣頻發(fā)，對城市能見度和公眾健康造成較大影響，嚴重干擾城市正常運轉(zhuǎn)[1～5]?；姻蔡鞖獾某霈F(xiàn)，一方面取決于排放源的強度，一方面也決定于外地污染源的輸送影響和本地的大氣擴散能力[6-7]。2016年進入秋冬季以來，湖南省發(fā)生了幾次大范圍的重污染天氣過程，本文以2016年11月5日晚～7日在湖南省發(fā)生的一次重污染天氣為例，基于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象觀測資料對其污染特征和成因進行了綜合分析，從而深化對灰霾現(xiàn)象的認識。

2 方法和數(shù)據(jù)來源

大氣環(huán)境監(jiān)測資料來源于湖南省14個城市所設的78個國控環(huán)境空氣自動監(jiān)測子站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測時段為2016年11月5日19時～11月7日23時。氣象資料來源于湖南省氣象臺提供的《湖南冬季降水相態(tài)預報系統(tǒng)》以及香港天文臺和韓國氣象廳網(wǎng)站公開下載的預報產(chǎn)品，包括10m風場和2m溫度、6h降水、地面相對濕度和流線、850百帕風場、海平面氣壓圖等。

本文采用統(tǒng)計法從全省、省會長沙、長株潭區(qū)域以及污染傳輸通道4個不同研究范圍分析了此次重污染天氣過程期間PM2.5的逐時濃度變化特征以及AQI變化規(guī)律等，逐步證明了此次污染自北向南的外源傳輸特征，同時基于污染物變化特征及氣象觀測資料探討了此次重污染的主要原因。

3 研究背景

2016年11月5日夜間19時開始，湖南省北部的常德市AQI迅速上升，至22時，僅3個小時空氣質(zhì)量就由良(93)攀升至重度污染(204)，持續(xù)重度污染4個小時之后AQI開始逐漸下降。6日晚和7日白天，湖南中部及南部地區(qū)污染濃度逐步積累，大部分城市小時AQI達到重度污染級別，并持續(xù)數(shù)小時以上，其中長沙和湘潭更是持續(xù)重度及以上污染達到13個小時。7日20時開始，各地空氣質(zhì)量均恢復至優(yōu)良天氣。本文以11月5日～7日為研究周期。

4 結(jié)果與討論

4.1 全省城市環(huán)境空氣質(zhì)量概況

11月5日至7日白天，湖南省14個城市中有7個城市小時AQI達到重度及以上污染，詳見表1。

表1 11月5日晚～7日湖南省出現(xiàn)重度及以上污染的城市和持續(xù)時間Tab.1 Cities in which heavy pollution occur and time of duration during November 5th to 7th in Hunan

由表1可知，位于最北端的常德最早達到重度污染，11月5日22時AQI達到204，并持續(xù)了4個小時。隨著污染團向南推進，中部的長沙、株洲和湘潭三市污染物濃度開始逐步攀升，分別于6日20時、21時和7日1時達到重度污染，AQI分別為226、254和227。長株潭區(qū)域重度污染持續(xù)時間較長，達10個小時以上。隨后，位于中南部的衡陽于7日凌晨3時達到重度污染，南部的永州達到重度污染的時間較衡陽滯后了5個小時，而郴州則于7日18時才達到重度污染，AQI為215。這可能是受污染團自北向南逐步推進影響。從中部的長沙、株洲和湘潭——中南部的衡陽——南部的永州市的污染情況來看，其持續(xù)重度污染的時間上是有重疊的，推測污染團有一定滯留，并不斷向南緩慢擴散。

4.2 省會城市空氣質(zhì)量狀況分析

長沙市PM2.5質(zhì)量濃度隨時間的推移呈現(xiàn)明顯的“雙峰型”變化特征，詳見圖1。6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18時開始激增，至6日23時達到第一個峰值(229μg/m3)，之后有所回落；隨后，可能又受到小股污染氣團的影響，7日清晨PM2.5的質(zhì)量濃度再次上升，于7日8時達到次峰值(183μg/m3)；峰值過后PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著下降趨勢，12時后，PM2.5質(zhì)量濃度趨于穩(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6日1時～17時，長沙市PM2.5濃度基本保持穩(wěn)定，維持在150μg/m3上下；污染物累積期為6日17時～7日8時，長沙市PM2.5濃度由83μg/m3迅速上升至229μg/m3，升幅達176%；污染消退期為7日8時～14時，PM2.5濃度由183μg/m3下降至22μg/m3，降幅達到732%；污染后平穩(wěn)期為7日14～23時，PM2.5濃度基本維持在20μg/m3上下。

圖1 長沙市11月6～7日48小時PM2.5濃度逐時變化趨勢圖Fig.1 The hourly variations of PM2.5 mass concentration of Changsha City from November 6 to 7

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，長沙市自動監(jiān)測點位如圖2所示。

結(jié)果表明，11月6～7日的48小時內(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6日凌晨1時～17時有小幅波動但基本保穩(wěn)定，濃度在150μg/m3以下；6日18時，各點位的PM2.5質(zhì)量濃度開始加快升高，6日18時～7日8時為污染物累積階段，PM2.5質(zhì)量濃度波動式上升且均維持在較高水平；6日19時～7日0時，10個監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度分別達到第一個濃度峰值，7日6～8時，10個監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度均達到第二個濃度峰值。其中，長沙市最北端的沙坪(對照點)位于污染物向南的傳輸通道上，首先于6日19時出現(xiàn)最大峰值316μg/m3；而位于中南部的其他9個監(jiān)測站點分別于6日22時～7日0時左右達到第一個濃度峰值，峰值濃度范圍在205～302μg/m3之間，其中位于最南端的天心區(qū)環(huán)保局站點于7日0時到達峰值，較沙坪站點滯后了5個小時。最北端的沙坪站點于7日6時出現(xiàn)次峰值208μg/m3；而其他9個監(jiān)測站點也分別于7日7～8時左右達到濃度次峰值，峰值濃度范圍在160～208μg/m3之間。詳見圖3。

圖2 長沙市空氣自動監(jiān)測點位Fig.2 The air quality monitoring sites in Changsha City

圖3 長沙市10個國控監(jiān)測點位11月6～7日48小時PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢圖Fig.3 The hourly variations of PM2.5 mass concentration of 10 state monitoring points in Changsha from November 6 to 7

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)量濃度在很短的時間內(nèi)發(fā)生突變，而本地大氣污染物排放沒有突發(fā)事件發(fā)生不足以使全城環(huán)境空氣質(zhì)量嚴重惡化[8]。此外，位于最北端的沙坪站點最早達到污染峰值，中部的幾個站點較沙坪滯后2～3個小時到達峰值，而最南端的天心區(qū)環(huán)保局到達峰值的時間最晚，較沙坪滯后了5個小時。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。

4.3 長株潭區(qū)域空氣質(zhì)量分析

長株潭城市群位于湖南省中東部，包括長沙、株洲、湘潭三市，是湖南省兩型社會建設綜合配套改革試驗區(qū)，也是國家《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》重點防控城市群之一(詳見圖4)。

圖4 長株潭行政區(qū)域圖Fig.4 Administrative divisions of Chang-Zhu-Tan area

從逐時情況來看，三市的PM2.5濃度變化趨勢總體一致，均呈“雙峰型”變化，但長沙和湘潭PM2.5濃度的變化趨勢較一致，而株洲則滯后了約2～3個小時。由圖5可以看出，在6日0時～17時，長沙和湘潭兩市的環(huán)境空氣質(zhì)量總體保持穩(wěn)定；從18時開始，PM2.5的濃度都開始快速升高，兩市均于6日23時到達污染物濃度主峰(229μg/m3和256μg/m3)；而位于東南端的株洲市則在6日0時～23時基本保持穩(wěn)定，從7日0時開始出現(xiàn)陡增，并于7日2時達到污染濃度主峰(212μg/m3)，較長沙、湘潭兩市滯后3個小時。之后三市以相差1個小時的速度分別到達污染濃度次峰(長沙、湘潭和株洲各于7日8時、9時和10時達到污染物濃度次峰值，其峰值濃度分別為183、184和171μg/m3)。7日10時～13時，三市PM2.5濃度均迅速下降；13時開始，三市PM2.5濃度均下降至30μg/m3以下，空氣質(zhì)量達到優(yōu)。

AQI的變化趨勢與PM2.5基本相同，詳見圖6。長沙和湘潭兩市AQI于6日18時開始出現(xiàn)攀升，23時迅速躍升到最高值279和306，達到重度污染和嚴重污染等級。湘潭市則于7日凌晨2時達到AQI峰值262，較長沙、湘潭兩市滯后了3個小時。之后三市以相差1個小時的速度分別到達AQI次峰值(長沙、湘潭和株洲各于7日8時、9時和10時達到AQI次峰值，其峰值分別為233、234和221)。之后三市AQI開始迅速下降，14時開始，株洲和湘潭AQI均保持在50以下，空氣質(zhì)量達到優(yōu)級水平；長沙市AQI在優(yōu)-輕度污染之間出現(xiàn)波動，主要是局地污染造成的PM10突增導致，截至17時，長沙AQI下降至50以下并保持穩(wěn)定。

圖5 11月6日～7日長株潭城市逐小時PM2.5平均濃度變化圖Fig.5 The hourly variations of PM2.5 mass concentration of Chang-Zhu-Tan area from November 6 to 7

圖6 11月6～7日長株潭城市逐小時AQI變化圖Fig.6 The hourly variations of AQI of Chang-Zhu-Tan area from November 6 to 7

從長株潭三市的逐時情況來看，PM2.5小時濃度和AQI的變化情況基本一致。長沙和湘潭PM2.5小時濃度和AQI同時達到污染峰值，株洲則滯后3個小時到達峰值，之后長沙、湘潭、株洲以相差1個小時的速度分別到達污染濃度和AQI次峰。表明了此次大氣污染具有自北向南的污染傳輸特征，并且是由西北路徑下來，向東南方向推進。

4.4 傳輸通道上城市空氣質(zhì)量分析

從污染團的前進路徑來看，本次重污染影響的幾個城市為常德-益陽-長沙-湘潭-株洲-衡陽-永州-郴州，分析其污染物濃度變化情況。重污染傳輸路徑詳見圖7。

11月5日晚，受低層偏北氣流影響，污染團從位于最北端的常德市“入侵”。AQI從5日18時的93一路攀升，至22時AQI達到204，僅僅4個小時空氣質(zhì)量就從良轉(zhuǎn)為重度污染，23時達到AQI主峰值211，持續(xù)重度污染4個小時后AQI開始逐漸下降。隨后，中北部的益陽AQI開始逐漸上升，6日12時到達主峰值136。益陽整體空氣質(zhì)量維持在輕度污染左右，這可能與當?shù)氐匦渭皵U散條件較好有關。隨著污染團向南推進，中部的長株潭三市污染物濃度開始逐步攀升，長沙、湘潭分別于6日20時和21時相繼達到重度污染，并于23時均達到AQI主峰值279和306，株洲相比長沙、湘潭兩市有所滯后，7日1時才達到重度污染，并于7日2時達到AQI主峰值262。污染團在長株潭三市的滯留時間較長，重度污染持續(xù)時間均達到11個小時以上，重合時間達到8個小時。說明污染團幾乎在同一時間到達并影響長株潭三市。7日凌晨，位于中南部的衡陽空氣質(zhì)量開始逐漸惡化。7日3時，AQI達到230(重度污染)，8時達到主峰值262。衡陽受污染程度也較為嚴重，重度污染持續(xù)了12個小時才明顯好轉(zhuǎn)，且與株洲保持重度污染的時間重合了9個小時，說明污染團在南移的過程中有滯留，同時污染范圍也在不斷向南擴展延伸。隨后，污染團開始進入永州境內(nèi)，永州空氣質(zhì)量逐漸轉(zhuǎn)差。永州到達重度污染的時間與達到AQI峰值的時間重合，均為7日8時(AQI值為252)，持續(xù)9個小時后AQI開始迅速下降。最南端的郴州則于7日18時才達到重度污染，且與前一個傳輸通道上的城市衡陽無重度污染重合時間，并且僅僅2個小時AQI就從215迅速下降為71，空氣質(zhì)量從重度污染立刻轉(zhuǎn)為良?？梢姶藭r，污染團已南移至郴州，并且在南下的過程中已經(jīng)逐漸稀釋擴散。詳見圖8。

圖7 重污染過程傳輸路徑Fig.7 The transmission route of heavy pollution process

圖8 11月6日～7日傳輸通道上各城市逐小時AQI變化情況圖Fig.8 The hourly variations of AQI of cities on the transmission route from November 6 to 7

4.5 污染過程原因分析

4.5.1 北方城市提前進入霧霾期

4.5.1.1 今年秋冬季節(jié)轉(zhuǎn)換時期，天氣形勢靜穩(wěn)，大氣邊界層較穩(wěn)定，地表水汽比較大。從氣象條件分析，秋季總體風力偏小，濕度偏大，地表比較穩(wěn)定，不利于霧霾的擴散。近地層污染物積累，導致過早出現(xiàn)嚴重霧霾天氣。

4.5.1.2 進入采暖季，由于采暖將向大氣中釋放污染物，大氣邊界層產(chǎn)生逆溫作用，使得大氣更加穩(wěn)定，擴散能力較弱，是秋冬季更容易形成霧霾天氣的主要原因。

4.5.2 受偏北氣流影響，北方污染傳輸作用明顯

目前我國華北及山東半島大部分區(qū)域處于重度污染形勢之下。受蒙古大陸冷高壓逐漸東移南擴影響(圖9)，冷鋒過境前我省境內(nèi)近地面以偏北風為主(圖10)，帶來外源性輸入污染。

圖9 11月6～7日8時和20時海平面氣壓圖Fig.9 Sea level pressure of 8 a.m. and 8 p.m. during November 6 to 7

圖10 11月6～7日8時、14時和20時10米風場和2米溫度圖Fig.10 10 m wind field and 2 m temperature maps at 8 a.m., 2 p.m. and 8 p.m. during November 6 to 7

4.5.3 本地擴散條件不利，有利于污染積累

在冷鋒過境前，湖南省以局部分散性小雨為主(圖11)，空氣濕度大，在80%～90%左右(圖12)，有利于氣體污染物二次反應和氣溶膠顆粒物吸濕增長，同時受均壓場控制，地面風速低，不利于污染物擴散。

圖11 11月6日8時、14時、20時和7日2時湖南省降水量圖Fig.11 Precipitation of Hunan Province at 8 a.m., 2 p.m. and 8 p.m. on November 6th and at 2 a.m. on November 7th

4.6 重污染過程結(jié)束

7日下午至8日白天，冷鋒主體過境，受高空波動和中低層切變及地面冷空氣共同影響，全省自北向南出現(xiàn)了一次降溫、降水過程，其中湘中以北地區(qū)中雨，局地大雨(圖13)，對顆粒物清除作用明顯。北風3～4級，江河湖面陣風6～7級(圖14)，水平擴散條件有利，污染物濃度迅速降低(詳見表2)。湘南地區(qū)空氣質(zhì)量逐漸轉(zhuǎn)為良，其余地區(qū)以優(yōu)為主，此次重污染天氣過程結(jié)束。

表2 傳輸通道上城市AQI值及空氣質(zhì)量等級變化情況Tab.2 The hourly variations of AQI and air quality grade of cities on the transmission route from November 7 to 8

圖13 11月7日、8日和9日8時、20時湖南省降水量圖Fig.13 Precipitation of Hunan Province at 8 a.m. and 8 p.m. during November 6 to7

圖14 11月7日20時、8日2時、8時和14時850百帕風場圖Fig.14 Wind field at 850hp at 8 p.m. on November 7th and at 2 a.m.，8 a.m. and 2 p.m.on November 8th

5 結(jié) 論

5.1 從各方面論證表明，此次重污染天氣過程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。11月5日晚，受偏北氣流影響，外源性污染氣團由北向南輸送至湖南省境內(nèi)，導致我省北部的常德、中部的長株潭區(qū)域、中南部的衡陽以及南部的永州和郴州7個城市環(huán)境空氣質(zhì)量迅速下降，達到重度污染及以上級別。

5.2 此次污染具有來得急、去得快的特點，從11月5日22時至7日20時，污染時間不超過48小時，但是強度很大，長沙、株洲、湘潭等城市持續(xù)重度污染均達到10個小時以上，最重污染空氣質(zhì)量級別達到六級。

5.3 大氣污染期間，湖南省垂直大氣層結(jié)穩(wěn)定，且近地面風速較小，濕度較大，不利于污染物的擴散、沉降和消除。

5.4 污染過程后期，較強的西北氣流和降水的出現(xiàn)是此次重污染過程結(jié)束的直接原因。

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