長株潭大氣重污染的成因分型和冷空氣侵入型路徑

李細生 ，陳 媛，張克非，易 飛，張 華，鄧新林

(1.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118；2.株洲市氣象局，湖南 株洲 412003)

引 言

大氣重污染是指AQI(Air Quality Index)指數達200以上的天氣[1]，研究表明[2]重污染天氣嚴重影響人體健康和動植物生長，引發人類各種呼吸道疾病與生理機能障礙。黨的十九屆五中全會審議通過的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》提出基本消除重污染天氣。為達此目標，研究重污染天氣的成因并掌握其規律十分關鍵。2+26城的集中攻關研究結果表明重污染天氣的形成跟排放、不利的氣象條件和區域傳輸等三個方面有關[3～6]，其中超環境容量的排放是主因和內因，不利的氣象條件是誘因[7]。形成重污染的這三個因素中，排放因素通常是可預測或人為控制的，如節日焰火等，而區域傳輸也是需要合適的氣象條件，比如一致性的輸送氣流，因此，只要準確掌握形成大氣重污染的氣象條件和傳輸條件，大多數重污染事件就具有可預報性。西安重污染氣象條件的分析[8]表明：嚴重污染與非污染時段氣象條件差異明顯。北京區域重污染與天氣形勢之間的關系研究[9]顯示，根據地面天氣形勢差異，對北京地區持續重污染過程分類，結果為：3類，分別是被高壓、低壓、均壓控制，各類型發生的頻次分別占總類型的47.3%、18.2%、34.5%。長江中游城市武漢的重污染天氣形勢與北方城市相比差別較大，李明[10]的研究發現：武漢的重污染天氣形勢分為冷空氣入侵、靜穩天氣兩種類型。長株潭作為長江以南中國中部地區重要的城市群，每年特護期(10月16日至次年3月15日)的空氣污染防治形勢依然十分嚴峻[11～13]，重污染頻率仍有5.83次/年，盡管經過多年治理，取得一些改善，但目前也進入了深水區，各項工作向前推進的難度在加大[14-15]?；诖?，研究并弄清長株潭大氣重污染的成因并掌握其特點，可顯著提高該地環境空氣質量預報預警水平和準確率，為進一步做好湖南重污染應對工作、盡可能消除重污染天氣提供科學依據。

本文統計了2014～2019年長株潭三市的環境空氣監測日數據和小時數據，定義三市中任意一市或以上有1 d或以上AQI指數大于200即為一次重污染過程，在連續性過程中如果三市全部轉為中度或以下有1 d或以上，即分算兩次過程。如此六年中總共有重污染過程35次。根據這些重污染天氣的形成原因，將其分為冷空氣侵入型(74.3%)、節日鞭炮燃放型(17.1%)、高空干槽型(5.7%)和靜穩型(2.9%)等四個類型。分析表明長株潭絕大部分重污染過程因冷空氣入侵所致(74.3%)，本文針對典型冷空氣個例討論重污染天氣形成的氣象機理，探討空氣的動力、熱力及水汽變化在重污染形成中的作用，分析不同冷空氣路徑下空氣污染的特征，指出重污染形成的四類典型路徑即西路、北路、東路和復合路，最后利用Meteoinfo計算了2014～2019年12月和1月長沙站的后向軌跡并聚類，輸入同時期的環境監測數據，進行濃度權重軌跡(CWT)分析，證實前文將湖南因冷空氣導致的重污染路徑分為西路、北路、東路和復合路徑是合理的。

1 資料與方法

本文所用氣象資料來源于氣象業務系統MICAPS4，環境空氣監測數據來源于長株潭環境監測國控站點，部分濃度數據來源于PM2.5真氣網(https：//www.aqistudy.cn/)即空氣質量在線監測分析平臺，后向軌跡模式采用由NCEP為研究空氣軌跡和大氣擴散而同化模擬的GDAS氣象資料，下載地址：ftp：//arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1，后向軌跡聚類、濃度權重軌跡分析法(CWT)來自于氣科院MeteoinfoMap軟件中的TrajStat模塊。

2 結果分析

長株潭的重污染過程，除每年春節出現的重污染與本地煙花鞭炮集中排放直接相關外，其余大部分過程與氣象因素的變化有關，如濕度增加、風向的改變(南風轉北風)均可能誘發重污染天氣。從導致這些氣象要素改變的影響天氣系統來看，冷空氣排首位，其次是高空干槽，靜穩型出現次數較少。數據統計結果(見表1)。

表1 長株潭重污染天氣成因分型Tab.1 Classification of causes of heavy pollution weather in Chang Zhu Tan

總共35次(50 d)重污染過程中，有6次為集中排放(春節因素)，占17.1%，每年春節皆因初一前后集中燃放煙花鞭炮，造成重污染，平均最高日AQI指數達276，小時AQI指數可達500；有26次為冷空氣影響，占74.3%；有2次為高空干槽影響，占5.7%；1次為靜穩天氣型，占2.9%。從出現頻次來看，冷空氣侵入型>節日鞭炮燃放型 >高空干槽型>靜穩型，如以最高平均AQI指數大小來判斷污染程度，則是節日鞭炮燃放型>冷空氣侵入型>高空干槽型>靜穩型。下面就以出現頻次為順序對這四個類型逐一分析：

2.1 冷空氣導致型(74.3%)

據統計[16]，影響湖南的冷空氣頻率約為15.5次/年(232/15)，而長株潭重污染的頻率約為5.8次/年(35/6)，由冷空氣導致的重污染4.3次/年(26/6)，即大部分冷空氣過程不會導致重污染，但絕大多數重污染過程與冷空氣活動有關(74.1%)，這些冷空氣有強有弱，有些弱的冷空氣在氣壓場上看不到升壓，甚至3h變壓或24h變壓為負，只在地面風場上由偏南風轉為偏北風，但往往就是這種不受天氣預報重視的弱的冷空氣，常常能導致非常嚴重的空氣污染過程；冷空氣有干也有濕，大部分為干冷空氣(無有效降雨)，其中有少數(2～3次)為濕冷空氣影響，有降雨(大于0.5mm/d)同時也有重污染。據分析，冷空氣誘發重污染的物理機制主要有三個方面：一、動力作用：因風力增大，沉落在地表的塵土在誘導空氣流的帶動下進入大氣，造成環境空氣中懸浮顆粒物增多，此外，一致性的風力可將高污染區域的顆粒物向下游輸送，在重污染過程中，上游輸入是造成本地顆粒物增加的主要原因，其貢獻有時可占70%以上[17]；二、熱力作用：淺薄弱冷空氣氣層的入侵可改變近地面大氣層結特性，使接近地面的下層降溫，而上層升溫或不變，形成氣溫下低上高的逆溫結構，增加大氣垂直方向的穩定性，從而導致氣流垂直交換減少，下層污染物不易往上擴散；三、增加相對濕度：當空氣中的絕對水汽含量不變時，溫度下降可導致相對濕度的增加，已有研究表明[18～20]，相對濕度增加會促進氣溶膠非均相反應，加速氣態前體物向顆粒物轉化，形成更多的二次氣溶膠。

圖1 株洲站2017年2月16～20日AQI與相對濕度、風向、風速的變化Fig.1 Changes of AQI，relative humidity，wind direction and wind speed in Zhuzhou Railway Station from February 16 to 20，2017

冷空氣影響個例：2017年2月17～19日的重污染過程，本次過程中，重污染的形成明顯與冷空氣活動有關，單站風向的變化與AQI重污染時段吻合較好(圖1)，而且有3h的提前量。17日14時冷鋒過境株洲站，地面由偏南風轉為偏北風，2h后AQI達峰值330，至18日20時一直由偏北風控制(圖1中紅框內)，AQI維持在200左右，可見在冷鋒過境后，氣團性質由暖氣團轉為冷氣團是誘發AQI指數上升的可能原因。為便于分析冷空氣入侵導致的PM2.5濃度增量，繪出本次過程中岳陽-長沙-株洲三城市的PM2.5濃度隨時間變化曲線(圖2)。三城市地理位置自北向南分布，冷空氣首先影響岳陽，然后到達長沙，最后影響株洲。PM2.5濃度時序圖上，三城市的濃度變化曲線出現較明顯的時序性，岳陽的PM2.5濃度17日13時到達峰值189μg/m3，6h增量134μg/m3；長沙濃度的達峰時間為14時，延時1h，最大濃度為280μg/m3，6h增量222μg/m3；株洲的達峰時間為16時，延后2h，峰值282μg/m3，6h增量172μg/m3。這種明顯的時序性表明污染物濃度的上升與冷空氣活動高度相關，而且冷鋒過境后PM2.5濃度增加明顯，長株潭地區因為基礎數據較高，增量比上游城市岳陽更顯著。

圖2 岳陽、長沙、株洲三城市PM2.5濃度隨時間變化Fig.2 PM2.5 concentration variation with time in Yueyang，Changsha and Zhuzhou

圖3 地面冷鋒與重污染區Fig.3 Surface cold front and heavily polluted area

水平空間上，在地面天氣圖上疊加同時間的重污染區(圖3)，圖中橘黃色重污染區跟隨冷鋒往南運動，因為是干冷空氣，無降雨沉降，17日08時，鋒后的重污染區范圍較大，形狀上呈東西向鍥形，西邊華中部分較為寬廣，東部的華東部分較為狹長，此時冷鋒已越過長江，而重污染區仍在江北。至20時，隨著冷空氣進一步向南擴散，冷鋒繼續往南發展，冷鋒的西邊部分已到達湘南，而重污染區隨之控制長株潭地區，冷鋒東部也繼續向南影響浙南和贛北，因長江口附近出現降雨，東部的重污染區開始向西收縮存在于贛北。本次過程中重污染生成階段其區域出現于鋒后，隨著冷高壓主體進一步南下而消失，表明它的形成跟冷空氣活動關系密切。2月18日08時，重污染維持階段，垂直方向分析長沙黃花站氣象探空圖(圖4)，925百帕以下有淺薄冷空氣南下入侵，此高度附近逆溫特征明顯，逆溫層離地高度0.6～1.4km，厚度為0.8km，強度為0.75℃/100m，此逆溫層的存在不利于污染物的垂直擴散，易導致重污染天氣。

結合歷史天氣圖和空氣質量實測數據，長株潭的26次冷空氣導致型重污染分析：

(1)與冷空氣的路徑、強度和干濕狀況密切相關

據1966年以來的氣象資料，專家總結[16]進入湖南的冷空氣路徑通常有三條：西路(頻率15.2%)、北路(頻率60.2%)和東路(24.6%)。西路冷鋒坡度大，移速快，在河套及河套西部堆積，越過秦嶺后呈東北-西南向往東南方移動，由湘西北的桑植、保靖、石門進入湖南省，天氣特點是鋒后雨區狹窄，西北風風力較大而風雨影響時間較短，一般10h左右天氣轉晴。由于西路冷空氣來去快、風力大的特點，通常不易產生重污染天氣，但并非完全沒有，統計時段內有2次重污染即由西路弱冷空氣所致，占7.7%(2/26)；北路冷空氣出現頻率高，常在河套東部堆積停留，此處有高污染城市如西安、太原、石家莊、鄭州等，堆積到達一定強度后冷鋒呈東西向往南移動，從長江中游由湘北的澧縣、津市進入湖南。北路冷空氣出現次數多，頻率高，強度上有強有弱，伴隨天氣復雜，較強的冷空氣常帶來大風、降溫、寒潮、暴雪和雨凇等災害性天氣。就重污染預警而言，此路徑下的重污染過程次數最多，達16次，占61.5%，需特別關注強度中等偏弱(冷高壓中心強度1030～1045hPa)、鋒后無雨區伴隨的干冷空氣；東路冷空氣路徑偏東(比如前文分析的2017年2月17日過程)，越過40oN后，在黃河下游停留堆積，此處高污染城市眾多，污染風險較大，然后侵入江淮地區，再向西南方向移動，先影響合肥、南京，然后由長江河谷倒灌武漢，經由湘東北的岳陽進入湖南，少數時候也可由鄱陽湖平原經南昌由萍鄉進入湖南。此路徑下的冷空氣特點是：強度較弱，移速較慢，影響時間長，常在南嶺準靜止而造成湖南持續性低溫陰雨和雨凇天氣。統計時段內，東路冷空氣帶來的重污染過程有5次，占19.2%，因東路冷空氣移動路徑的反“L”型特征(圖5c)，常將華北和華東的污染物向南、向西輸送影響華中地區，預報時需注意華東和華中有無雨區伴隨，雨區的強度與范圍大小，以及數值模式對本地未來的降雨量預報。

圖4 2017年2月18日08時長沙黃花站氣象探空曲線Fig.4 Meteorological sounding curve of Changsha Huanghua Station at 08：00 on February 18，2017

此外，連續數日的持續性重污染過程通常是由多股弱冷空氣補充南下所造成的，這些后期補充下來的冷空氣路徑有時與開始時的路徑一致，有時，隨著中高緯冷高壓中心主體的東移，冷空氣南下的路徑也隨之東移，由北路轉為東路。統計時段內最嚴重、持續時間最長的3次重污染過程即由復合路徑(北路和東路)下冷空氣影響所致。

(2)重污染形成有四類典型路徑

在湖南冬季，約1/3～1/4的冷空氣可導致重污染，能否導致重污染的一個重要判別指標是看冷空氣侵入沿線城市是否有重污染現象與之配合，這類重污染常通常具有較顯著的上下游效應，上游城市的空氣質量實況變化對下游城市的重污染預報、預警至關重要。據近六年的環境觀測資料統計，重污染形成通常有四類較為典型的路徑：西路、北路、東路和復合路徑(圖5)，其中西路、北路和東路與冷空氣活動的路徑高度重合。較典型的西路重污染路徑通常是西安-漢中-達州-恩施-張家界-長株潭，北路為鄭州-南陽-襄陽-荊州-常德-長株潭，東路為濟南-合肥-武漢-南昌-岳陽-萍鄉-長株潭，復合路徑較為多見的是北路與東路先后或交替出現，對于此復雜路徑下的重污染需根據天氣形勢的演變及時調整關注線路。

(3)本地前期污染累積是形成重污染的基礎

重污染天氣常常是各種因素疊加的結果。據統計，長株潭所有的過程在重污染出現的前一天就已經達到輕度或中度污染(100%)，表明污染物并非全部來源于外地輸送，本地前期污染累積是形成重污染的基礎。此外，冬半年冷空氣入侵時常常伴隨有氣溫下降，降溫情況下各地能源使用量會明顯增加，從而造成部分大氣污染物排放量的增加。這也可能是冷空氣導致重污染的原因之一。

2.2 節日鞭炮燃放型(17.1%)

在長株潭地區，目前基本已無大規模排放污染的企業，因此本文所述的集中排放主要指重大慶典、重要節日的煙花鞭炮燃放行為，其中春節是中國最盛大的一個古老傳統節日，人們過年離不開喜慶的爆竹煙花。據統計，2014～2019年每年春節都有因煙花鞭炮的燃放而導致重污染的現象，表2為這6年春節株洲AQI及各單項濃度峰值。

表2 株洲2014～2019年春節AQI及單項小時濃度峰值Tab.2 Spring festival AQI and single hourly concentration peak in Zhuzhou from 2014 to 2019

春節期間的重污染基本每年出現，時間長短不一，究其原因，主要受鞭炮燃放影響明顯，總結一下還有以下幾個特點。

(1)峰值時間一般出現在大年初一的0～9時；

(2)首污一般為PM2.5，但PM10、SO2亦同步升高；

(3)如前期久晴無雨，且天氣靜穩，或恰好有干冷空氣影響，則污染嚴重，持續時間長，反之則輕且時間短；

2.3 高空干槽型(5.7%)

高空干槽型過程占比較小，在統計時段內共出現了2次，分別是2014年2月23日和2015年1月9日，且污染程度較輕，日AQI分別為236、216，時間較短(1d)。較典型的形勢是：前期天氣靜穩，基礎AQI為輕-中度污染(100～200)，500hPa槽線位于四川南部，強度較弱且長度較短，移速較快，700hPa槽線位置與500hPa基本重疊，但相對深且長，南部槽底到達云南邊境。高空天氣形勢如下圖所示(圖6)。

圖6 干槽型高空天氣形勢(2014年2月23日08時)Fig.6 Dry trough type upper air weather situation (at 08：00 on February 23，2014)

地面形勢為高壓底后部，無明顯冷空氣活動。此類過程不似冷空氣過程，有動力作用和熱力作用，僅僅因為高空有低槽東移導致云量增加、濕度上升等天氣要素的改變，而濕度上升在某種特定情形下可導致污染顆粒物的吸濕增長和二次生成，造成重污染天氣。

2.4 靜穩型(2.9%)

本類過程只出現1次(2016年12月8日)，占比非常小，污染程度較輕(AQI：213)，污染時間短(11h)，主要特點是：前期12月1日以來連續8d無有效降雨，空氣質量為輕度或中度污染；地面為變性冷高壓控制，北方無冷空氣活動，江南、華南等壓線稀疏，長株潭處于均壓場或鞍型場之中；8日08～20時風向為偏南風，風力較弱(≤2m/s)，天氣為晴天，湘、贛等地有大片霾區，長株潭地區水平能見度小于3km；高空500hPa為槽后西北氣流控制，無明顯槽脊活動。靜穩型的污染機制是均壓、小風、無雨條件下的污染物累積，近年來隨著各類管控措施的加強，單純靜穩型重污染已很少出現。

2.5 后向軌跡聚類和濃度權重軌跡CWT分析

12月和1月是長株潭重污染的高發月份，全年中74%的過程出現在這兩個月。下載GDAS氣象數據，輸入2014～2019年12月和1月長沙的PM2.5小時均值濃度，利用MeteoinfoMap軟件作后向軌跡聚類分析和濃度權重軌跡分析(CWT)，結果如圖(圖7)，12月長沙的外源污染路徑以偏北和偏東為主，其中路徑2、3、4、5均屬于偏北路徑(圖7a)，占比共計64%，主要從河南省中部向南略偏西沿直行路線進入湖南；路徑1屬于偏東路徑，此線路距離短，風速小，占比36.09%，48h的后向追蹤顯示路徑起源于湖北省東南部，從湘東北進入湖南。1月 (圖7b)與12月的不同之處在于，出現明顯的偏西路徑(路徑5)，占比5.34%，路徑較長，表明風速大，輸送距離遠，2、3、4路徑(偏北)占比增加，有77.7%，出現明顯的分岔，濃度權重軌跡(CWT)也出現南北向條狀紋理，表示偏北路徑上外源入湘的復雜性，偏東路徑占比縮小，只有17.01%。軌跡聚類和CWT分析表明外源入湘的路徑有偏西、偏北和偏東三種路徑，與前文診斷分析得出的結果較為一致，至于是否存在復合路徑，則需要針對具體過程具體分析。

圖7 長沙后向軌跡聚類和CWT分析Fig.7 Clustering and CWT analysis of Changsha backward trajectory

3 結 論

(1)本文統計了2014～2019年長株潭三市的環境空氣監測數據以及1966年以來的氣象數據，分析這六年中出現的35次重污染過程，根據這些重污染天氣的形成原因，將其分為冷空氣導致型(74.3%)、節日鞭炮燃放型(17.1%)、高空干槽型(5.7%)和靜穩型(2.9%)等四個類型。

(2)研究發現長株潭絕大部分重污染過程跟冷空氣入侵有關，針對典型冷空氣個例探討重污染天氣形成的氣象機理，研究冷空氣的動力作用、熱力作用和水汽變化在重污染天氣形成中的作用，總結不同冷空氣路徑下空氣重污染的特征，發現重污染形成的四種典型路徑即西路、北路、東路和復合路，前三類與冷空氣活動路徑重合度較高。

(3)利用Meteoinfo計算了2014～2019年12月和1月長沙站的后向軌跡并聚類，利用TrajStat模塊進行CWT分析，發現有冷空氣活動時，外源入湘的路徑存在有西路、北路和東路，與診斷分析結果一致，而復合路徑則不太顯著。