长沙一次重污染天气过程成因分析

潘江萍，丁 玄，王米吉，朱家亮，李 静

（1. 长沙市气象局，湖南 长沙 410205；2. 衡阳市气象局，湖南 衡阳 421001；3. 浏阳市气象局，湖南 浏阳 410300）

近年来，随着人们生活质量的提高，民众对“PM 2.5”、“雾霾”等空气质量问题的关注度日益上升，每次大范围的重污染天气过程都能产生较大的舆论影响[1-4]。大气现象理论研究和实践表明[5]，同一污染源所造成的空气污染物浓度，在不同气象条件的影响下差别可达几个量级，这说明大气扩散条件是污染天气能否形成的一个重要因素。任阵海等[6-8]利用大气环境过程的概念，分析造成重污染天气的中、小尺度天气系统及边界层结构，发现污染物的汇聚带多来源于稳定的均压场。同时，均压场还会触发近地层产生局地环流群体，造成局地的严重污染[9-10]。2014年6月13日，长沙出现了入夏以来最严重空气污染，市区AQI 指数达306，笔者通过分析环保部门的污染物指数资料及地面、高空气象资料，解释此次重污染天气的成因、发展及对长沙的影响，从而为今后重污染天气的预报、预警和相关研究提供参考。

1 资料来源

（1）污染物指数资料为空气质量指数（Air Quality Index，简称AQI）和主要污染物污染分指数，来源于长沙市环保部门的9个国控环境空气质量评价点和1个国控清洁对照点共10个站点的空气质量指数日报。（2）气象资料为此次重污染天气过程中的地面气象资料和高空气象资料，来源于长沙市气象局。关于AQI 和污染物污染分指数的定义及计算方法可参见《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）和《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633-2012）。

2 空气污染实况及特点

2.1 空气污染实况

根据长沙市环境监测站主城区10个站点监测到的6月份空气质量指数趋势（图1），2014年6月7～16日，长沙市及株洲、湘潭等周边地区出现了污染天气。其中6月13日平均AQI 达到306，属严重污染，首要污染物为PM 2.5，为2014年夏季空气质量最差的一天。小时空气质量实况数据显示，12日17 时前后开始，长沙城区的空气质量开始急剧下降，17 时市区有2 站已达重度污染，首要污染物为PM 10。从图2 可以看出，自12日21 时起空气质量指数持续上升，23时AQI 升至266，为重度污染，首要污染物为PM 2.5；13日0 时AQI 迅速升至328，首要污染物为PM 2.5，为严重污染。空气质量状况严重下降的同时，马坡岭国家气象观测站的自动观测能见度从12日17 时起迅速下降。从图3 也可以看出，在空气污染最严重的12日23 时～13日16 时，能见度均在1 000 m 以下。

图1 长沙2014年6月份空气质量指数趋势

图2 长沙2014年6月12日21 时至13日20 时小时空气质量指数

图3 马坡岭站2014年6月12日21 时至13日20 时小时能见度

2.2 污染特点

此次重污染天气过程的特点是：一是范围广，长沙及株洲、湘潭等周边地区的空气质量均出现了严重污染；二是强度大，13日0 时空气质量指数迅速飙升至328，马坡岭站自动观测能见度5 时仅为667 m，最小值为634 m，出现在4 时39 分；三是持续时间长，空气严重污染的状况从13日0 时一直持续至16 时，1～8 时马坡岭站能见度均维持在1 000 m 以下。

3 成因分析

3.1 人为因素

每年的5月和6月份正值初夏时期，冷暖空气活跃，长沙进入主汛期，大量级降水对空气净化作用明显，是长沙空气质量较好的时段。2014年6月12日，国家环保部卫星环境应用中心发布的秸秆焚烧遥感监测日报（图4）显示，监测到河南、河北、江苏、安徽、山东的秸秆焚烧火点共162个。6月12～13日华中地区中低层为东北气流控制，安徽等地的浓烟在东北气流的引导下影响湖南。长沙市环境监测站的监测数据显示，重污染过程中空气中的碳元素、钾离子监测值上升了8 倍，这两种元素正是秸秆焚烧后产生的主要元素。

3.2 天气条件

天气条件决定了大气的扩散能力与稳定程度，从而影响污染物浓度的高低变化。为探究天气条件对此次空气重污染过程的影响，对重污染期间（2014年6月13日8 时）的地面形势（地面风场+气压场）、高空形势（高度场+风场）和探空资料进行了分析。

图4 2014年6月12日全国秸秆焚烧卫星遥感监测图（图中白色点处为长沙的位置）

3.2.1 地面实况（形势）分析 从图5 可以看出，江南东部的湖北、江西等地多为偏北风或东北风，且伴有霾——视程障碍现象的出现，近地面较弱的偏北或偏东北风将安徽、江苏、河北等地的大量污染物输送至长沙地区。长沙地区处于均压场中，稳定的气压场不利于近地面层污染物的垂直扩散，地面为2 m/s 的西北风，较弱的风速制约了污染物的水平扩散。分析前期的地面实况发现，2014年6月10～13日，长沙地区维持多云到阴天的天气，不利于对污染物的稀释和扩散。从地形上看，湖南为向东北开口的马蹄形地形，有利于北方污染源的进入，长、株、潭地区的南面有南岳衡山的阻挡，特殊的地形结构有利于污染物在此聚集，使得该区域污染物浓度迅速升高，空气质量不断恶化，所以污染天气维持，直到6月17日长沙地区出现降雨，在雨水的冲刷作用下，空气质量才转为良。

图5 2014年6月13日8 时地面风场和气压场叠加（图中圆点处为长沙的位置）

3.2.2 高空实况（形势）分析 2014年6月12日20时，500 hPa 中心位于日本海上的东北低涡发展旺盛，其后部的低槽西北气流引导中低层气流南下影响长沙，在925～850 hPa 中低层建立起东北气流输送通道，华南地区副热带高压环流控制当中。13日8 时（图6），500 hPa 东北低涡略有北抬, 中低层东北气流输送通道继续维持，副热带高压加强，584 等位势高度线伸至湘北地区，长沙处于热带高压环流控制之下，长沙地区盛行下沉气流，天气晴朗，垂直方向上风速较小，利于低层稳定层结的形成、发展和维持，为雾、霾发生创造了有利条件。

3.2.3 探空资料分析 对探空图（图7）进行分析的结果表明，温度露点差较大，湿度条件较差；高层有暖平流，而中层有冷平流输入，850 hPa 附近有一定的等温层，大气层结稳定，不利于形成雾霾污染物颗粒的扩散和输出，所以雾霾维持时间较长。

综上所述，长沙此次重污染天气的形成过程是：安徽、河北、河南、江苏、山东等地大量秸秆焚烧的高浓度烟雾颗粒物进入大气后，与近地层空气混合，充斥到大气混合层甚至更高高度，然后随中低层反环流前部东北气流或偏东气流扩散、输送至湖南、湖北等地，长沙受副热带高压脊的控制，无降水发展，静稳天气维持，大气污染物气象扩散条件差，污染物在此聚集、沉积，造成长沙等地能见度降低，污染物浓度陡升，导致13日7 时AQI 指数达到了498，为严重污染。

4 结论

图7 2014年6月13日8 时长沙探空站探空分析图

此次重污染天气过程是人为与气象两方面因素共同作用的结果，其中人为因素是地面秸秆焚烧产生大量烟雾和颗粒物集中进入大气中低层，偏东北气流导致北方地区的污染物向长沙等地输送、沉积；气象因素是高空天气形势配置有利于在中低层形成污染物输送通道，长沙地区受副热带高压控制，配合大气低层等温的稳定层结，以及在地面均压场等气象因素的共同影响下，致使输入型的污染物不能得到稀释、扩散和清除，导致了重污染天气的维持。

通过对此次重污染天气的分析，总结输入型污染源对长沙地区空气质量的影响，便于以后预报员在再次遇到气流主导方向的空气质量状况较差时，能够通过合理判断，准确及时的做出空气质量潜势预报，适时发布预警信号。

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