楊云蕓,唐 杰,王 璐,王曉雷,李 蔚

1.湖南省氣象臺,湖南 長沙 410118

2.氣象防災減災湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410118

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城市化進程的加快,以細顆粒物(PM2.5)[1-2]和臭氧(O3)[3-4]為首要污染物的區(qū)域性復合型大氣污染過程頻發(fā)[5],對區(qū)域氣候、人類生產(chǎn)生活和生命健康等均產(chǎn)生重大影響,逐步成為近期諸多學者關(guān)注的重點[6]?，F(xiàn)有相關(guān)研究多集中在京津冀、長三角、珠三角等城市群或污染較重的北方地區(qū)[7-8]。例如：劉麗等[9]研究了2013—2019年青島市空氣質(zhì)量時空變化特征,發(fā)現(xiàn)O3濃度整體呈上升趨勢,采暖期及春節(jié)期間人為活動會對空氣質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。孟麗紅等[10]應用模型模擬發(fā)現(xiàn),氣溶膠輻射效應對顆粒物濃度升高有正反饋作用,特別是對近地層的降溫增濕作用明顯。張宸赫等[11]分析發(fā)現(xiàn),沈陽市顆粒物污染高峰出現(xiàn)在秋冬季,且與風速、相對濕度密切相關(guān),而溫度和日照時數(shù)則對春夏季高發(fā)的O3污染影響較大。高振翔等[12]對江蘇省2015—2018年顆粒物時空格局變化進行了研究,發(fā)現(xiàn)顆粒物濃度呈逐年下降趨勢,且與濕度、風速、氣溫呈負相關(guān)關(guān)系。

湖南位于長江中下游平原,地處我國中南腹地,呈三面環(huán)山、北面開口的馬蹄形地形。當前,大氣污染持續(xù)加重造成的區(qū)域污染防治壓力不斷加大已然成為影響湖南地區(qū)快速、健康、可持續(xù)發(fā)展的重要因素,特別是長株潭城市群作為全省經(jīng)濟發(fā)展的核心增長極,在大氣污染防治方面壓力更大。目前,湖南省大氣污染治理仍處于負重前行的關(guān)鍵期,面臨著許多新的挑戰(zhàn)。相關(guān)研究大多針對湖南省部分城市或單次污染過程開展個例分析[13-15],對較長時間序列污染過程的分析較少,對全省大氣污染特征變化以及氣象要素影響等問題的研究同樣匱乏。因此,本文以湖南為研究對象,分析2015—2021年污染過程變化特征、污染來源等,并提煉出影響污染過程的主要氣象指標,有助于更好地開展空氣質(zhì)量預報預警,為中部城市推進治理體系與治理能力現(xiàn)代化提供科學依據(jù)[16-17]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

本研究使用的環(huán)境數(shù)據(jù)來自湖南省14個國控城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點,包括空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)及6種主要大氣污染物(PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO)的監(jiān)測結(jié)果;氣象數(shù)據(jù)采用全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)數(shù)據(jù)庫中的各站點500、700、850、925 hPa高度和海平面氣壓場的大氣環(huán)流要素數(shù)據(jù),如相對濕度、風場信息、氣壓、氣溫等。相關(guān)數(shù)據(jù)的時間序列為2015年1月1日至2021年12月31日。

1.2 研究方法

空氣質(zhì)量等級劃定參考《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)、《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)以及《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)。當空氣質(zhì)量等級達到中度及以上(AQI>150)污染水平的國控城市站點數(shù)量超過3個、持續(xù)時間超過24 h時,將該次污染過程定義為一次區(qū)域污染過程,并以污染后期無輕度及以上污染等級站點作為污染過程結(jié)束的標志。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染特征分析

通過對湖南省2015年1月1日至2021年12月31日期間出現(xiàn)的68次污染過程進行統(tǒng)計分析可知,各年度出現(xiàn)中度及以上空氣污染過程的次數(shù)分別為2015年10次、2016年4次、2017年14次、2018年12次、2019年14次、2020年7次、2021年7次,總體呈現(xiàn)下降趨勢(圖1)。在月度分布上,污染過程主要集中出現(xiàn)在10—12月及1—2月,峰值出現(xiàn)在1月,6月和7月未出現(xiàn)區(qū)域污染過程(圖2)。從首要污染物來看,5次O3污染集中出現(xiàn)在8—9月,其他月份出現(xiàn)的63次污染過程均為顆粒物污染。

圖1 2015—2021年湖南省中度及以上污染過程發(fā)生頻次年度分布

圖2 2015—2021年湖南省中度及以上污染過程發(fā)生頻次月度分布

在空間分布上,以2015—2021年湖南14個重點城市的日均值數(shù)據(jù)為例進行分析,污染日的發(fā)生頻次呈現(xiàn)出區(qū)域性特點(圖3)：一是長株潭地區(qū)。該地區(qū)城市的中度污染日發(fā)生頻次為41～50次,重度污染日發(fā)生頻次為18～27次,并且均為長沙最多、株洲最少;嚴重污染日發(fā)生頻次為1～2次。二是常德、益陽、衡陽、邵陽。此類城市的中度污染日發(fā)生頻次為32～35次,常德最多、邵陽次之;重度污染日發(fā)生頻次為10～17次,衡陽最多、邵陽次之、益陽最少;嚴重污染日僅常德發(fā)生2次,邵陽發(fā)生1次。三是張家界、岳陽、婁底、永州。上述城市的中度污染日發(fā)生頻次為17～25次,永州最多、張家界最少;重度污染日發(fā)生頻次為3～7次,永州最多、婁底最少;岳陽、婁底各出現(xiàn)過1次嚴重污染日,永州、張家界未出現(xiàn)嚴重污染日。在持續(xù)時長上,污染過程最短1 d,最長可達10 d(圖4)。其中：1 d的出現(xiàn)頻次最多,為21次,占比30.9%;2～3 d的出現(xiàn)頻次為24次,占比35.2%;4～5 d的出現(xiàn)頻次為17次,占比25%;5 d以上的出現(xiàn)頻次僅為6次,占比8.8%。

圖3 2015—2021年湖南14個重點城市中度及以上污染日的發(fā)生頻次

圖4 2015—2021年湖南14個重點城市中度及以上污染過程持續(xù)日數(shù)

2.2 主要污染過程分型研究

2.2.1 污染來源分型特征

通過對68次區(qū)域污染過程的環(huán)境空氣質(zhì)量日監(jiān)測數(shù)據(jù)、小時監(jiān)測數(shù)據(jù),以及近地面風場小時觀測資料進行分析,根據(jù)城市環(huán)境空氣質(zhì)量演變特征,將污染過程劃分為本地型(近地面風速較小或為靜風,主要污染城市的AQI上升趨勢明顯先于周邊其他城市,污染成因主要是本地污染物聚集)、輸入型(近地面存在風場持續(xù)輸送,主要污染城市的AQI上升趨勢明顯落后于污染上游城市,污染成因主要是上游空氣質(zhì)量惡化且存在明顯的向湖南省內(nèi)的擴散輸入)和混合型(近地面風速較小,但隨著污染過程的發(fā)展,風場傳輸通道打通,主要污染城市的AQI變化趨勢與周邊城市相差不大,污染成因兼具本地污染物聚集和外源輸入)3種類型[18-19]。統(tǒng)計結(jié)果顯示：本地型最多,有29次;混合型次之,有25次;輸入型最少,為14次。可見,湖南省大氣污染成因以短距離輸送及本地污染排放為主。此外,湖南省持續(xù)性污染過程以混合型為主。在持續(xù)4 d以上的污染過程中,混合型占61%,本地型占22%,輸入型占17%。

2.2.2 污染過程區(qū)劃特征

基于68次污染過程的發(fā)生頻次、污染傳輸情況、氣候及地形分區(qū)等因素,可將湖南劃分為4類大氣污染分區(qū)[20-21](圖5)。

注：底圖下載自天地圖·湖南標準地圖服務欄目(https：//hunan.tianditu.gov.cn/TDTHN/tjxz/detail.html),審圖號為湘S(2022)034號,下載日期為2022-05-08。圖5 湖南空氣污染過程頻次區(qū)劃

一是長株潭城市群高頻區(qū)(Ⅰ類)。該區(qū)域是湖南省經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域。三市沿湘江呈“品”字形分布,兩兩間距不足40 km,污染演變時間差不足1 h。

二是環(huán)西洞庭湖-衡邵盆地次高頻區(qū)(Ⅱ類)。該類型區(qū)域位于長株潭主要污染物傳輸通道的上/下游,受外源輸入影響較大。其中,常德、益陽的污染演變時間差為1.5 h,益陽、長沙的污染演變時間差也為1.5 h。衡邵盆地位于湘江中游、資水下游,地勢平坦,工農(nóng)業(yè)較發(fā)達,有利于長株潭污染物的輸出和聚集。

三是張家界-岳陽-婁底-永州次低頻區(qū)(Ⅲ類)。岳陽雖然也處在長株潭主要污染物傳輸通道上游,但因其緊鄰地形寬闊且下墊面平坦的東洞庭湖,污染物在此處難以聚集。此外,張家界為武陵山脈所護,永州位于湖南省最南端,婁底位于雪峰山脈附近。因此,除非是在污染背景值極高的情況下,上述4市才會受到影響。

四是湘西-湘東南山區(qū)低頻區(qū)(Ⅳ類)。湘西、懷化本地高耗能、高排放污染源較少,經(jīng)濟發(fā)展方式以旅游業(yè)、農(nóng)林業(yè)為主,本地污染物排放量小。同時,受武陵山脈和雪峰山脈阻擋,外源污染物不易輸入。郴州位于湖南東南角,地勢東高西低、南高北低,本地污染源較少,且冷空氣難以抵達。

2.2.3 污染傳輸路徑特征

以污染最為嚴重的長株潭城市群為例,根據(jù)長株潭城市群歷次污染過程AQI、主要污染物濃度、近地面風向數(shù)據(jù)[22-23],結(jié)合周邊重點城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、地面逐小時2 m風場流線實況資料以及地形地貌特征,確定了3條外源輸入路徑(圖6)：一是河南—襄陽/隨州—荊門—荊州—常德—益陽—長株潭路徑(紅色),在輸入型污染中占比71%;二是安徽北部—信陽—孝感—武漢—岳陽—長株潭路徑(黃色),占比26%;三是南昌—新余—宜春—萍鄉(xiāng)—長株潭路徑(白色),占比僅2%。經(jīng)檢驗,研究結(jié)果與2021年11月下旬一次全省污染過程的近地面流場(2021年11月27日09時,圖7)基本吻合。

注：底圖下載自自然資源部標準地圖服務欄目(http：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/download.html?superclassName=%25E4%25B8%25AD%25E5%259B%25BD%25E5%2585%25A8%25E5%259B%25BE),審圖號為GS(2022)4037號,下載日期為2022-12-08。圖6 長株潭城市群污染輸入路徑

注：該圖截取自湖南省環(huán)境氣象一體化平臺(http：//10.111.100.184/#/home)。圖7 2021年11月27日空氣質(zhì)量實況圖

2.3 污染過程天氣學因子分析

2.3.1 顆粒物污染過程天氣學因子提煉和污染過程指標分析

基于63次顆粒物(PM2.5、PM10)污染過程,開展了對相應污染時段環(huán)流形勢、特征層風況和濕度、地面風況和氣壓、大氣層結(jié)等氣象條件的普查統(tǒng)計分析[24-25]。通過統(tǒng)計分析主要發(fā)現(xiàn)了以下幾點內(nèi)容：

一是有利于污染發(fā)展的大尺度氣象條件(動力、輻射)。例如,500 hPa高度環(huán)流形勢為平直或小波動,700 hPa高度風向的偏西風分量較大且濕度在70%以上,850 hPa高度以偏北風或偏東風為主。以上條件均易造成層結(jié)穩(wěn)定,有利于污染物的吸濕增長和積累。

二是影響顆粒物聚集和傳輸?shù)臍庀髼l件(湍流運動、靜穩(wěn)形勢)。例如,925 hPa高度和地面存在弱輻合,以偏北風為主,大氣層結(jié)穩(wěn)定。以上條件有利于顆粒物的自北向南輸送、湍流混合,易導致污染爆發(fā)并在本地維持較長時間污染狀態(tài)。

三是增強污染的水汽條件。例如,73%的污染過程存在日降水不足4.0 mm的情況,表明弱降水對污染有加重影響。

四是逆溫是污染過程發(fā)生的必要條件。700 hPa以下高度的多層逆溫及貼地逆溫有利于阻止城市大氣能量、物質(zhì)等的垂直交換,抑制污染物的擴散和稀釋。

五是冷空氣與大氣污染過程有一定的相關(guān)性。統(tǒng)計結(jié)果顯示,64%的污染過程發(fā)生在冷空氣南下影響湖南之前,36%發(fā)生在冷空氣變性影響湖南之后。這可能是由于冷空氣南下對北方污染物的輸送具有一定的有利影響(表1)。

2.3.2 O3污染過程天氣學因子提煉和污染過程指標分析

基于5次O3污染過程,開展了對應污染時段的天空狀況、降水情況、環(huán)流形勢、特征層風場和濕度、地面風場和氣壓、大氣層結(jié)等氣象條件普查分析[26]。通過統(tǒng)計分析,主要發(fā)現(xiàn)了以下幾點內(nèi)容：

一是有利于O3污染發(fā)生的中高層氣象條件。例如,500 hPa高度環(huán)流多為副高控制,700 hPa和850 hPa高度的濕度均在70%以下。

二是有利于O3污染發(fā)生的低層氣象條件。例如,925 hPa及以下以東風為主并有弱輻合,近地面多為靜風或微風,大氣層結(jié)穩(wěn)定并有貼地逆溫,近地面最高氣溫達35～38 ℃,近地面最大相對濕度達70%～90%等(表2)。

表2 2015—2021年湖南省5次O3污染過程天氣學因子特征分析

3 結(jié)論

1)從年度分布來看,2015—2021年湖南省區(qū)域污染過程發(fā)生頻次基本呈現(xiàn)倒“V”形波動,在2017—2019年達到峰值后下降明顯。從月度分布來看,以顆粒物為首要污染物的區(qū)域污染過程的發(fā)生頻次最高,主要發(fā)生在1—2月和10—12月;以O3為首要污染物的區(qū)域污染過程主要發(fā)生在8—9月。

2)從污染物來源來看,以本地污染物聚集為主,占比達43%。結(jié)合污染過程發(fā)生頻次、污染傳輸情況、氣候及地形分區(qū)等因素,可將湖南劃分為4類大氣污染區(qū)域,分別為長株潭城市群高頻區(qū)、環(huán)西洞庭湖-衡邵盆地次高頻區(qū)、張家界-岳陽-婁底-永州次低頻區(qū)及湘西-湘東南山區(qū)低頻區(qū)。

3)首要污染物為顆粒物和O3時的氣象因素存在較為明顯的差異,主要是因為顆粒物和O3的物理化學特征不同。高空環(huán)流平直、低層偏北風及較大的濕度均有利于顆粒物污染的發(fā)展,副高控制、低層濕度較小及靜小風等要素均有利于O3污染的發(fā)展。

4)本文主要對天氣學因子在污染過程中的影響機理進行了探討,對污染物在傳輸、滯留、消散等過程中的二次轉(zhuǎn)化未進行深入分析,后期將進一步對以上方面開展深入研究。