劉 群 張春輝 石 宇 王 琴 徐 徐

(1．貴陽市環(huán)境信息中心；2.貴陽市環(huán)境空氣質(zhì)量預測預報中心，貴陽 550000)

隨著城市化和工業(yè)化進程的加快，以PM2.5為首的污染物成為影響我國冬季空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素。針對PM2.5重污染過程，已有眾多學者在京津冀地區(qū)[1-6]、上海市[7]、廣州市[8]、成都市[9-10]等城市開展了大量研究。在污染源排放變化不大的情況下，氣象條件變化是影響大氣污染過程的主要原因[11]。吳戰(zhàn)平等[12]從天氣形勢和污染物演變角度綜合分析2013年貴陽市2次空氣污染過程。眾多研究表明，大氣污染過程發(fā)生時的氣象條件一般表現(xiàn)為天氣形勢靜穩(wěn)、邊界層高度低、近地層存在逆溫、濕度高、風速弱等特征。

貴陽市是西南地區(qū)重要的中心城市之一，地處貴州省中部。2013年9月13日，國務院頒布了《大氣污染防治行動計劃》(簡稱“大氣國十條”)，貴陽市相繼出臺了“藍天保護”等行動計劃，著力解決貴陽市揚塵、機動車尾氣和煤煙混合型污染，空氣質(zhì)量改善效果顯著，優(yōu)良率逐年提高，從2014年的86%提高到2019的98.1%[13-14]。然而受地理和氣象條件等因素的影響，貴陽市冬季顆粒物污染天氣時有發(fā)生。為研究貴陽市冬季污染過程氣象條件的演變，對2020年12月20-29日這一污染過程，本文從PM2.5濃度變化、氣象條件演變及對PM2.5濃度的影響、秸稈焚燒和區(qū)域性污染傳輸?shù)确矫孢M行分析，以期提高對貴陽市空氣污染過程特征的認識和可預報性，為貴陽市污染天氣預警預報提供參考。

1 資料

2020年12月20-29日貴陽市AQI、PM2.5、SO2、NO2等日均及小時數(shù)據(jù)來源于貴陽市10個空氣質(zhì)量自動監(jiān)測國控站；12月20-29日貴州省其他地州市AQI數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站數(shù)據(jù)公開發(fā)布平臺。常規(guī)氣象參數(shù)觀測數(shù)據(jù)來源于貴陽國家基本氣象站(57816)地面觀測和高空觀測數(shù)據(jù)。

2 污染過程概況

2.1 空氣質(zhì)量整體演變情況

污染過程期間，PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO等污染物AQI變化曲線一致，首要污染物均為PM2.5，見表1。

表1 污染過程期間全市平均主要污染物濃度及空氣質(zhì)量級別統(tǒng)計表

此次污染過程可分為三個階段(圖1)。第一階段(20-22日)：污染物累積階段；第二階段(23-25日)：污染狀況加劇，PM2.5濃度升高，至25日達到峰值(AQI為102)；第三階段(26-29日)；污染狀況逐漸緩解，PM2.5濃度整體下降，29日AQI降為優(yōu)，污染過程結(jié)束。污染過程期間每日污染時數(shù)如圖1所示，第一階段，空氣質(zhì)量小時AQI整體為良；第二階段輕度污染時數(shù)占比明顯升高，25日出現(xiàn)13時次輕度污染，占比54.2%，日均AQI出現(xiàn)輕度污染；第三階段污染時數(shù)減少，優(yōu)良時數(shù)增多，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。

圖1 貴陽市2020年12月20-29日空氣質(zhì)量污染時次的逐日分布圖

2.2 污染過程期間污染物小時濃度演變

圖2反映了此次污染過程期間NO2和SO2與PM2.5小時濃度日夜變化。NO2小時濃度在一定程度上能夠反映機動車尾氣的污染情況，NO2濃度在每日早、晚高峰后上升反映了機動車尾氣排放對貴陽市的影響，而過程期間PM2.5的峰值濃度晚于NO2的峰值濃度，體現(xiàn)了NO2向二次粒子轉(zhuǎn)化的化學反應。SO2濃度主要反映了燃煤的排放情況，與NO2相同，PM2.5的峰值濃度基本晚于SO2的峰值濃度，這也體現(xiàn)了SO2向二次粒子轉(zhuǎn)化的化學反應；SO2夜間時段保持較高濃度，尤其從19-23時呈快速增長趨勢，分析主要由于本地燃煤散燒排放累積，在夜間19時后相對濕度升高，SO2向硫酸鹽轉(zhuǎn)化的速率增加，其轉(zhuǎn)化生成的二次粒子對PM2.5的貢獻增大，而SO2自身的濃度水平得到明顯降低。

圖2 污染過程期間貴陽市NO2、SO2和PM2.5小時濃度變化圖

3 污染過程天氣形勢及氣象要素分析

3.1 天氣形勢分析

此次污染過程期間，貴陽市受入海高壓后部流場影響，500 hPa環(huán)流平直，700 hPa氣流主要為西南風向(如圖3所示)，溫度場顯示存在明顯增溫回暖過程，850 hPa主要為偏東風轉(zhuǎn)偏南風，850 hPa溫度場顯示，貴陽地區(qū)受到暖脊影響，為大氣產(chǎn)生穩(wěn)定層結(jié)創(chuàng)造了良好的條件，不利于污染物在垂直方向上的擴散。地面從高壓控制轉(zhuǎn)為高低壓過渡帶，水平風速很弱，早晚濕度大有輕霧，天氣形勢處于靜穩(wěn)狀態(tài)。垂直方向中高層大氣系統(tǒng)較強，卻很難擾動近地層，穩(wěn)定的地面系統(tǒng)不利于貴陽市內(nèi)大氣污染物的擴散和清除。

圖3 12月25日中高層和地面天氣實況圖(08時和20時)

3.2 氣象要素影響分析

由圖4可看出，20-22日受靜穩(wěn)、高濕、近地逆溫等不利氣象條件影響，貴陽市細顆粒物快速積累。23-24日貴陽市受弱冷空氣影響，高層風場有所加強，但近地層受到影響較小，北風為主，風速很弱，氣溫未明顯下降，濕度增大，未形成有效降水，在空氣濕度大而未發(fā)生沉降的情況下，顆粒物附著在水汽中，懸浮在空氣中不易擴散，從而加劇了氣態(tài)污染物的二次轉(zhuǎn)化(主要為硫酸鹽、硝酸鹽等)和顆粒物的吸濕增長，出現(xiàn)長時間小時污染；25日地面風場繼續(xù)減弱，PM2.5濃度繼續(xù)累積升高，出現(xiàn)輕度污染天氣。26日開始，濕度繼續(xù)增大，形成有效降水，PM2.5濃度有所降低，空氣質(zhì)量開始有所好轉(zhuǎn)。

圖4 污染過程期間PM2.5濃度與氣象要素逐時變化圖

污染過程期間，貴陽市大氣相對濕度的范圍在56%～99%之間，平均高達78%。由于貴陽市大氣相對濕度維持較高水平，在一定的相對濕度范圍內(nèi)，大氣顆粒物吸濕增長不易擴散。從圖5可看出，在20-25日PM2.5/PM10濃度比值與相對濕度變化基本一致，夜間時段隨濕度升高而升高，白天時段隨濕度降低而降低，這說明在未形成有效降水時段，PM2.5與相對濕度相關(guān)性比較顯著，在夜間時段高濕度條件下導致PM2.5吸濕增長濃度累積升高，PM2.5/PM10濃度比值隨之升高。26日持續(xù)性降水之后，PM2.5的濃度明顯降低，濕沉降對去除PM2.5的作用顯著。

圖5 污染過程期間PM2.5/PM10比值隨濕度逐時變化圖

3.3 探空圖分析

根據(jù)姚源山等人[15]的研究發(fā)現(xiàn)，貴陽市呈現(xiàn)逆溫次數(shù)冬半年(11-4月)多、夏半年(5-10月)少的季節(jié)特征，在垂直方向上，逆溫高層多(月平均有11次)，近地層少(月平均僅有2～3次)，逆溫層多出現(xiàn)于夜間至清晨時段。22日夜間至27日清晨，貴陽市上空600 hPa以下均存在不同程度的逆溫，特別是25日(PM2.5污染日)逆溫(等溫)程度明顯增強(見圖6)，逆溫層從地面一直延伸至750 hPa高度，高層下沉逆溫與地面輻射逆溫合成一體，不但強度大且持續(xù)時間長，逆溫增強時段與污染最重時段相對應。逆溫層的存在增強了大氣層結(jié)穩(wěn)定度，為污染過程的維持和發(fā)展提供了有利的氣象條件。

圖6 12月23日08時-25日20時探空圖(紅色：溫度層結(jié)曲線，綠色：露點溫度變化曲線，黑色：狀態(tài)曲線)

4 區(qū)域性污染分析

細顆粒物污染過程的特點一般為持續(xù)時間長，影響范圍大，貴陽市此次污染過程是區(qū)域性污染背景下形成的。有研究表明[16-17]，每年11-12月和3-4月，大量的玉米、大豆秸稈在田間就地焚燒，產(chǎn)生了大量濃重的煙霧，在大氣流動的作用下，區(qū)域之間相互影響，成為城市空氣質(zhì)量的重要污染源。根據(jù)地表高溫點檢測系統(tǒng)(見圖7)顯示，污染過程期間，貴州省內(nèi)存在較多火點，對各城市空氣質(zhì)量造成不利影響。

圖7 污染過程期間貴州省各地州市火點分布圖

Stohl等[18]運用拉格朗日粒子擴散模式(FLEXPART)驗證了城市區(qū)域間的污染輸送。Zhai等[19]同樣利用FLEXPAPT反向追蹤了北京市雁棲湖地區(qū)空氣質(zhì)量影響最大的敏感源區(qū)。在研究污染物輸送擴散以及潛在源區(qū)識別方面，后向軌跡模型(HYSPLIT)成為研究這一問題的有效手段，王郭臣等[20]結(jié)合HYSPLIT模型，用聚類方法研究2015年北京冬季出現(xiàn)的一次PM2.5嚴重污染過程，用潛在源貢獻因子分析法和濃度權(quán)重軌跡分析法分別模擬了這次過程的主要潛在源區(qū)。本文采用HYSPLIT模型模擬了此次污染過程(見圖8)，72h后向軌跡圖顯示氣團源于遵義市湄潭縣，120h后向軌跡圖顯示氣團源于銅仁市思南縣。

圖8 12月25日20時貴陽市72h和120h后向軌跡圖(世界標準時)

污染過程期間，貴州省整個區(qū)域地面風速較弱(見圖9)，整體以東北偏東風為主；銅仁、黔東南和貴陽等地依次出現(xiàn)污染天氣(見圖10)，這說明污染物通過高空和地面的氣流向貴陽市輸送，存在一定程度的傳輸效應。

圖9 12月25日20時貴州省地面風場圖

圖10 污染過程期間貴州省各地州市AQI日變化圖

5 結(jié)論

(1)貴陽市此次污染過程受南部靜止鋒影響，處在冷、暖氣團交匯的鋒面附近，地面靜風，不利于近地面空氣污染物向區(qū)域外水平輸送；500 hPa高空環(huán)流較平直， 700 hPa存在明顯增溫回暖過程，850 hPa貴陽地區(qū)受到暖脊影響，存在逆溫，增加了大氣穩(wěn)定度，加劇了污染過程；地面有輕霧，濕度持續(xù)性偏高有利于PM2.5的吸濕增長，不利于擴散。

(2)貴陽市此次污染過程除受靜穩(wěn)、逆溫、高濕、小風等不利氣象條件影響疊加本地排放外，秸稈焚燒以及來自省北部和東北部地區(qū)外來輸送對本次污染也有一定程度影響。

(3)在冬季出現(xiàn)PM2.5高濃度維持階段時，其擴散清除過程比較緩慢，在冷空氣南下過程是否發(fā)生降水的不確定性較大，在冷空氣強度偏弱、氣溫下降幅度不明顯、濕度增大未形成有效降水情況下，PM2.5反而易吸濕增長濃度升高；冷空氣強度中等及以上、形成有效降水并配合降溫過程時，PM2.5濃度才會明顯下降，在冬季空氣質(zhì)量預報時應尤其注意。