洞庭湖区一次重度空气污染过程成因分析

黄菊梅，侯勇军，蒋 帅，覃 鸿，苏 韬

1.岳阳市气象局，湖南 岳阳 414000 2.华容县气象局，湖南 华容 414200

人类活动或自然过程引起大气污染物浓度达到有害程度，进而破坏生态环境。空气污染面源因数量大、分布面广，一般较难实施控制，而污染点源为可以找到一种以上有效控制措施的排放源，也是大气污染物的主要来源之一。随着现代工业和交通运输的发展，向大气中持续排放的物质数量越来越多，种类越来越复杂，引起大气成分发生急剧的变化。赵文慧等[1]研究表明，可吸入颗粒物污染分布和下垫面介质、人为污染源、人口密度、气象因素有非常密切的关系。李秀镇等[2]分析了青岛市PM2.5气溶胶粒子浓度特征元素组成和来源，认为主要污染元素集中在PM2.5中。近年各地按照新修订的《环境空气质量标准》增加了PM2.5的监测，并用空气质量指数(AQI)来定量描述空气质量状况。环境空气质量受气象条件制约和影响，工业废气等大气污染物对城市居民区的危害，往往与当地的地形和气象条件有关。平均风速是影响大气污染的主要气象因素[3]。张凯等[4]认为局地气流辐合和流场的突然转变都会造成当地重污染过程。刘伟东等[5]应用MODIS卫星遥感气溶胶产品和地面风场的分布分析了大气污染物的分布和输送特征。同时各地区同一时期污染指数差异明显，与排放源群结构、地形、天气型形成的输送及汇聚区的演变、移动、相继影响的天气型配置有关[6]。因此，等量污染物排放源对位于不同方位区域所造成的空气污染程度也不相同。王艳等[7-8]运用HYSPLIT4.8模式对影响长三角地区低层大气的输送气流主要来源和中度以上大气污染过程的输送特征进行了分析。

洞庭湖区为西北高东南低，东、南、西三面环山，北部敞口的马蹄形盆地。特殊的地形、地貌及其温暖湿润的大陆性季风气候，形成了各地化学过程发生环境的差异。本文通过对常德、益阳、岳阳市区一次重度空气污染过程成因分析，了解洞庭湖区污染物的来源、分布规律及气象影响因素，为洞庭湖区大气污染防治、更好地规划城市建设、合理地布局工业区提供技术支撑和决策参考。

1 资料来源与选取

逐日AQI和PM2.5质量浓度来源于洞庭湖区常德、益阳、岳阳市环保局，逐时PM2.5质量浓度来源于岳阳市气溶胶观测站，该站在岳阳气象站站址上建成(常德、益阳气象站无气溶胶观测站)，地面气象要素和天气现象等观测资料来源于常德、益阳、岳阳气象站。NCEP再分析资料、ERSST_V3和HYSPLIT的GBL资料空间分辨率为2.5°×2.5°，时间分辨率为6 h。

2 重度空气污染过程概述

洞庭湖区逐日AQI和PM2.5质量浓度变化情况见图1。

图1 洞庭湖区逐日AQI和PM2.5质量浓度变化Fig.1 Changes of daily AQI and concentration in dongting lake area

图1中，2016年12月28日常德、益阳、岳阳AQI为75～81，空气质量均为良，PM2.5质量浓度为47～66 μg/m3，达到《环境空气质量》(GB 3095—2012)空气污染物浓度限值二级标准。从29日开始洞庭湖区AQI和PM2.5质量浓度呈增长趋势，当日常德、岳阳出现轻度空气污染，30日益阳也达轻度污染标准，31日常德出现中度污染，2017年1月1—4日常德AQI为207～242，PM2.5质量浓度达157～191 μg/m3，达重度污染标准，2—4日益阳、2—3日岳阳也出现中度污染，4日岳阳AQI达210，PM2.5质量浓度达159 μg/m3，出现重度污染，5日开始AQI和PM2.5质量浓度下降，当日常德、益阳为轻度污染，岳阳空气质量为良，6日空气质量进一步改善，洞庭湖区各市空气质量均为优良。因此，按照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)，2016年12月29日至2017年1月5日洞庭湖区出现了一次重度空气污染过程，其中1—4日为重度污染日，且以常德污染程度最重，岳阳次之，益阳最轻。

3 成因分析

3.1 大气环流背景

段宇辉等[9]研究发现，气象条件是造成空气质量好坏的重要因素之一，而天气系统的变化则对气象要素变化起决定性的作用。2016年12月28日至2017年1月3日，欧亚中高纬为两槽一脊环流形势，经向度较小，巴尔喀什湖至贝加尔湖以西为弱高压脊控制，中东部大部分地区受东亚槽后弱西北气流控制，我国中东部地区处于西风带纬向环流控制之中，无明显槽脊活动，冷空气活动偏弱，这种静稳天气形势下，大气扩散能力较差，有利于我国中东部地区雾-霾天气的形成与维持。

2016年12月28日500hPa高空图上，重庆至云南西部为宽广的低压槽，洞庭湖区受槽前西南气流影响，地面图上蒙古国南部为高压控制，洞庭湖区处于入海高压后部均压场中。2016年12月29日，随着高空槽减弱东移，环流平直，地面图上蒙古高压迅速南下，洞庭湖区受大陆高压控制之中。从2016年12月30日开始，西太平洋副热带高压加强北抬并维持，高空孟加拉湾低槽稳定少动，洞庭湖区受弱高压脊控制，地面图上大陆高压东移减弱变性，洞庭湖区处于均压场中，等压线稀疏，地面风速较小，且回暖明显，随着这种静稳天气形势的建立，雾-霾逐渐发展，累积效应导致污染物浓度不断升高。2017年1月5日，随着西太平洋副热带高压减弱东撤，南支槽东移，西南暖湿气流加强，同时地面图上我国东北地区冷高压南下，气压梯度明显加大，洞庭湖区受冷空气和降水影响，雾-霾天气迅速减弱消散。分析重度污染日(2017年1月1—4日)高度场和风场认为，我国东部地区为高压脊控制且位势高度较常年明显偏高，河套地区以南至长江流域风速较小且呈弱的辐合，这种下沉气流和静稳形势为洞庭湖区重度污染提供了有利的天气背景。

3.2 气象要素变化

3.2.1 日平均气象要素变化

对常德、益阳、岳阳日平均气温、本站气压、相对湿度、风速等气象要素求算术平均的方法获取洞庭湖区气象要素的变化。从图2可以看出，洞庭湖区2016年12月29日至2017年1月4日平均气温上升了6.0 ℃，气压下降13.9 hPa，相对湿度和风速呈波动变化，其中3—4日持续1.0～1.1 m/s的小风；5—6日出现了4.4～4.6 mm的降水，导致相对湿度明显增至98%～99%，平均风速加大为2.5～2.7 m/s，且平均气温下降了5.0 ℃，气压略有增加。因此，此次重度空气污染过程中伴随本地持续升温、降压、增湿、小风，随着弱冷空气南下，风速明显加大且有降水出现，空气污染过程迅速结束。

图2 洞庭湖区日平均气象要素变化Fig.2 Variation of daily average meteorological elements in dongting lake area

3.2.2 逐时气象要素变化

因岳阳市气溶胶观测站在岳阳气象站站址上建成(常德、益阳气象站无气溶胶观测站)，因此，岳阳站逐时PM2.5质量浓度与地面气象要素对应较好。从图3可以看出，2016年12月28日15：00PM2.5质量浓度为39.4 μg/m3，污染物经过172 h的不断聚集，于2017年1月4日19：00达到峰值256.7 μg/m3，并在42 h内迅速扩散，于2017年1月6日13：00达PM2.5质量浓度谷值2.0 μg/m3。根据逐时PM2.5质量浓度的变化，将气象要素分为5个阶段：第1阶段PM2.5质量浓度较小，为39.4～104.4 μg/m3；第2阶段PM2.5质量浓度波动增加，为84.0～200.3 μg/m3，且这种状况维持时间较长；第3阶段PM2.5质量浓度在高值基础上继续增至峰值，基本为153.5～256.7 μg/m3；第4阶段PM2.5质量浓度从峰值迅速减小到第一个谷值，为21.0～219.0 μg/m3；第5阶段PM2.5质量浓度较小，为2.0～50.9 μg/m3。

根据PM2.5质量浓度的变化将此次污染过程分为5个阶段。表1中,第1阶段至第3阶段 PM2.5质量浓度达峰值过程中伴随本地升温增湿微量降水和风速减小，第4阶段PM2.5质量浓度从峰值迅速减小过程中伴随本地增湿微量降水和风速明显加大，第5阶段随着明显降温、增湿至饱和并出现降水、风速进一步加大，PM2.5质量浓度进一步减小。表明长时间持续升温增湿小风导致当地污染物浓度不断增加，而污染物浓度快速减小主要是风速加大造成的，降温降水过程中伴随风速进一步加大，污染物浓度也进一步减小。因此，风速减小有利于污染物聚集，导致污染物浓度不断增加；降温前风速明显加大有利于污染物快速扩散，导致污染物浓度急剧减小。湿度增加有利于污染物吸湿性增长，但高湿易引起降水，有利于污染物的湿清除。

图3 岳阳逐时PM2.5质量浓度、风速、雨量变化Fig.3 Changes in PM2.5 concentration and wind speed and rainfall in Yueyang time by time

表1 岳阳各时段平均PM2.5质量浓度与气象要素的关系Table 1 The relationship between average PM2.5 concentration and meteorological factors in Yueyang in each period

3.3 主导风向与污染通道

风向影响污染物的水平迁移扩散方向，将污染物向其下风方向输送，而风速的大小决定了大气扩散和输送作用的强弱。为了研究各地污染物的来源，选取2016年12月29日08：00至2017年1月5日08：00作为污染物不断聚集、污染程度较重的时段。此次重度污染天气过程平均风速均较小，常德和岳阳相当，为1.6 m/s，益阳为1.2 m/s。表明此次重度空气污染过程扩散或输送条件整体较差，但常德和岳阳优于益阳。逐时风向风速玫瑰图(图4)中，常德NNW、ESE向频率最高，均为11%，且以N风向的风速最大，为2.6 m/s；益阳W、WNW风向频率最高，为18%～19%，且以ESE风向的风速最大，为1.9 m/s；岳阳N风向频率最高，为21%，且以NNE风向的风速最大，为2.1 m/s。因此，常德主导风向为偏北风和偏东南风并存，益阳和岳阳主导风向分别为偏西风和偏北风。

图4 2016年12月29日08：00至2017年1月5日08：00逐时风向风速玫瑰图Fig.4 The wind rose diagram from 08：00 on December 29, 2016 to 08：00 on January 5, 2017

由于很难找到一个能定量描述气流通畅程度的量，因此气流通畅程度就只依靠定性判断[10]。本文采用考虑风向和风速综合效应的大气污染系数来讨论风矢量对污染物的输送作用[11]。从污染系数的定义可看出，某下风方向的污染程度与风向频率成正比，与风速成反比。此次重度空气污染过程中，常德静风频率为8%，各风向平均污染系数为3.6；益阳和岳阳静风频率均为2%，各风向平均污染系数分别为5.2和4.4。从图5可以看出：常德各风向污染系数差别最小，且ESE风向最大，为6.1，其次为SW、NNW风向，均为5.0；益阳各风向污染系数差别最大，且W、WNW风向最大，为13.6～16.4，其次为NW风向，为10.0；岳阳各风向污染系数差别居中，N风向最大，为11.1，其次为NE、NNE风向，为8.1～8.9。这些污染系数较大的风向中，除常德SW风向频率较低而污染系数较大主要是由该风向风速最小造成的外，其余风向基本都是主导风向，即污染通道与主导风向基本一致。

图5 污染系数玫瑰图Fig.5 The pollution coefficientrose diagram

常德主导风向与污染通道为ESE、NNW风向，2个风向方向基本相反，偏南污染源的上风侧基本上位于偏北污染源的下风侧，不论常德处于哪个污染源的下风侧，都不可避免地造成较严重的空气污染；常德各风向污染系数差别不明显，因此常德污染通道和污染源还具有比较复杂的特点；由于静风状态时，大气污染物主要影响污染源附近的区域，而常德静风频率较大，因此常德污染相对较重也可能与其附近污染源较重有关。益阳和岳阳主导风向与污染通道相对单一，益阳各风向污染系数差别最大且主导风向和污染通道为偏西方向；岳阳各风向污染系数差别较大且主导风向和污染通道为偏北方向，表明偏北污染源对岳阳此次重度空气污染过程贡献较大。因此，此次重度空气污染过程主导风向与污染通道对洞庭湖区各地污染程度和分布产生较大影响。

3.4 混合层高度变化

在大气湍流扩散问题中，常用大气稳定度作为反映湍流状况、扩散速率强弱的主要指标[12]。大气混合层厚度是影响城市空气质量的重要因素[13]。主要污染物分布在混合层内[14],混合层厚度越大，大气对污染物的扩散稀释能力越强，利于污染物扩散和排放。混合层高度变化是影响污染物垂直扩散的主要因素，风和湍流是影响大气扩散能力的主要动力因子，大气稳定度是主要热力因子[15]。

因洞庭湖区各地无探空资料且常德污染较重，因此采用以常德为代表的常规气象资料来计算当地稳定度和混合层厚度。本文采用《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T 3840—1991)中的Pasquill稳定度分类法，将大气分为强不稳定(A)、不稳定(B)、弱不稳定(C)、中性(D)、较稳定(E)、稳定(F)6个等级。采用GB/T 3840—91中的附录E1混合层厚度的确定方法计算混合层厚度，具体计算步骤：首先由太阳倾角δ算出太阳高度角h0，再由太阳高度角h0和云量从太阳辐射等级表中查出太阳辐射等级，最后从大气稳定度等级表由地面风速和太阳辐射等级查出大气稳定度等级。因近年云量的观测资料仅限于08：00、14：00、20：00，因此，只计算3个时刻的大气稳定度等级。

杨勇杰等[16]计算结果表明，云量对该地区大气稳定度的影响较大，阴天是该地区稳定度以中性为主的主要原因，风速对该地区混合层厚度影响较大。2016年12月29日至2017年1月5日每日3个时刻云量和大气稳定度变化中，总云量变化分2段：12月29日08：00至30日20：00为2～7成，31日08：00至6日20：00为10成；低云量变化分2段：12月29日08：00至1月2日20：00为0成(仅29日14：00为4成)，3日08：00至5日20：00为10成；大气稳定度为D级18个时刻，E级4个时刻，B级、C级各1个时刻。因此，此次重度空气污染过程中，75%的大气为中性，17%的大气为稳定，而重度空气污染日(1—4日)总云量和低云量均为10成，大气均为中性。12月29日08：00风速为6.1 m/s，29日14：00、30日20：00、1月1日14：00为4.0～4.1 m/s，因风速较大，4个时刻对应混合层高度为678～1 130 m外，12月28日08：00至1月6日20：00混合层高度为0～737 m。3日08：00至5日20：00时段，仅4日08：00和5日14：00风速分别为3.4 m/s和2.1 m/s，对应混合层高度分别为576 m和356 m，其余时刻风速为0.0 m/s(4日14：00)～1.3 m/s(5日08：00)，对应混合层高度为0～220 m。从图6可以看出，混合层高度与风速相关系数达0.93，表明两者极显著相关，并均呈显著下降趋势。因此，风速对混合层高度影响较大，风速越小，混合层高度越低。

图6 2016年12月29日至2017年1月5日08：00、14：00、20：00常德风速与混合层高度变化Fig.6 The wind speed and mixing layer height change in Changde of 08:00,14:00,20:00 from December 29 to January 5

3.5 污染物来源

3.5.1 气流后向轨迹

利用NOAA开发的基于拉格朗日方法的气流后向轨迹模式(HYSPLITv4.9)模拟空气中污染物的扩散和传输过程，运用簇分析方法对轨迹进行聚类，分析影响洞庭湖区2016年12月29日至2017年12月5日重污染天气过程的气流来源及其传输路径。因城市上空100 m以下易受到城市尺度近距离污染源影响，而300 m以上主要以大尺度输送为主，同时该高度层代表了边界层低层的情况，用这样高度的轨迹来分析地面的污染指数较为合理[7]，故模拟轨迹起点位于300 m。

轨迹频率为最主要的气流通道占总气流输送量的比率，轨迹频率越大，表明该通道气流输送越强，气团轨迹的优点在于基于准确资料的基础上可以反映出气团真实的运动路径。通过簇分析方法分析空间方差增长率，最终聚类得到4条轨迹簇。影响洞庭湖区的4条气流均为下沉气流：①源于我国华北地区的气流经山东西南部南下至湖北东南部，取东偏北路径从近地层长时间积累并同时影响常德、岳阳、益阳，轨迹频率分别为28%、33%、33%。此条气流高度从1 000～1 500 m迅速降至500 m以下，传输距离较长，高度最低，是污染物的主要来源地之一。②源于蒙古国西南部的气流，经内蒙古中部、山西、河北南部、山东西南部、安徽进入湖北东南部后，取东北路径影响岳阳和益阳，轨迹频率分别为25%和14%，而湖北东南部的气流再从江西西北部往南到达湖南中部后，取偏南路径影响常德，轨迹频率为11%。此条路径从2 500 m高空快速传输的过程中逐渐下沉，传输距离最长，高度最高，也是北方冷空气的主要来源地之一。③内蒙古中部向南经山西、河北南部、河南北部，然后转向北上至山西滞留后南下，经河南、湖北东部，取东偏北路径影响常德，轨迹频率为17%。源于河南北部，经湖北中部，取北部路径影响岳阳，轨迹频率为25%；源于湖北东部，经江西东部至湖南中部，取南部路径影响益阳，轨迹频率为42%。此条路径气流均来自我国北方，气流高度差别不大，但传输距离差别很大。④源于湖北东部，经江西中东部至湖南中部，取偏南路径影响常德，轨迹频率为44%；源于江西西部的气流进入湖南北部停留，取偏南路径影响岳阳，轨迹频率为17%；源于印度南部取西方路径经云南、贵州进入湖南北部停留，改道偏南路径影响益阳，轨迹频率为11%。此条路径气流高度差别不大，但源地和传输距离差别较大。

分析表明，进入常德的气流均来自北方，但轨迹频率45%取东偏北路径影响常德，55%取偏南路径影响常德。进入岳阳的气流中，轨迹频率83%来自北方并取偏北路径影响岳阳，17%来自南方并取偏南路径影响岳阳。进入益阳的气流中，轨迹频率89%来自北方，其中47%取偏北路径影响益阳，轨迹频率42%取偏南路径影响益阳，其余11%来自西方并取偏西路径影响益阳。因此，影响常德的气流均来源于北方，并从东偏北和偏南两个方向影响常德；除少量来源于南方和西南方的气流从偏南和偏西方向分别影响岳阳和益阳外，来自北方的气流一致性从东北方向影响岳阳，而从东北和偏南两个方向影响益阳。

3.5.2 外来污染源

世界气象组织发布的全球气候状况指出，2016年为全球有气象记录以来气温最高的年份。我国2016年12月气温为历史最高。在气候变暖背景下，极端天气气候事件增多。特别是冬季温度升高大于夏季，高纬度温度升高大于低纬度，高低纬度的温度差异缩小，不利于冷空气南下。同时2016年12月以来，东亚冬季风偏弱，我国冷空气过程偏少，冷空气强度偏弱，活动路径偏北。在缺少冷空气影响的情况下，近地层平均风速小，小风天数多，静稳天气多，大气扩散气象条件差，大气环境容量低，自净能力弱等不利气象条件是导致我国北方地区霾多发的主要诱因。

2016年12月30日至2017年1月6日我国中东部地区出现了入冬以来范围最广、持续时间最长、污染程度最重的雾霾天气过程，1月2日09：00气象卫星监测显示，大雾主要分布在北京南部、天津、河北南部、山东西部和北部、河南大部、陕西南部、四川东部、重庆、云南北部、湖北西部、安徽中部和江苏北部以及渤海南部海域，卫星可视的大雾影响面积约57.8万km2，14：00风云三号气象卫星监测显示，我国中东部霾区面积超过70.0万km2。从7日开始上述地区雾和霾自北向南逐渐减弱或消散，此后的一段时期我国北方地区冷空气活动频繁，气象条件整体有利于污染物的扩散，无持续性雾-霾天气出现。地面冷高压前部偏北大风很容易将北方污染物输送到洞庭湖区，因此，洞庭湖区存在大范围区域性同步污染现象，北方外来污染源是洞庭湖区重要的污染面源，也是导致本次重度空气污染过程的重要因素之一。

3.5.3 地理条件和环境点源

常德市位于洞庭湖西侧，地势由西北、东南倾斜，西北部属武陵山系的中低山区，其中位于石门县境内的壶瓶山海拔2 099 m；中部丘陵区，常德位于该区偏北处；东部为沅、澧水下游及洞庭湖平原区，西南部为雪峰山余脉组成的中山区。益阳市地形西高东低，呈狭长状由南向北梯级倾斜，南半部属雪峰山余脉的丘陵山区，北半部为一派水乡景色的洞庭湖淤积平原，益阳位于南洞庭湖的资水旁。岳阳市两面环山，地势自东南向西北呈阶梯状向洞庭湖盆地倾斜，东有幕阜山自东南向西北雁行排列，南为连云山环绕，西南被玉池山脉所盘踞，西北为洞庭湖平原，岳阳位于洞庭湖与长江汇合处。因此，地理条件差异对污染物空间分布也产生一定影响，岳阳和益阳临江靠湖，大气扩散条件相对优越。

在气象条件和污染面源相对稳定的条件下，环境点源等本地污染源成为影响洞庭湖区空气污染物分布空间差异的主要因素。洞庭湖区主要工业污染排放源主要集中在火电、水泥、石油化工等行业领域。

洞庭湖区火电企业较多，装机容量大，即使脱硫脱硝及除尘设施稳定正常运行，产生的污染也较大。常德的能源结构以燃煤为主，占90%以上，且以含硫率较高的本地产煤为主，属典型的煤烟型污染[17]。华电常德发电有限公司位于常德主城区南偏东12 km处，且平均海拔在500 m左右位于常德西北部的石门县大唐电厂和石门华电燃煤机组装机容量约占常德总发电量的2/3。国电益阳电厂位于益阳西郊，距市区约8 km。华能岳阳电厂位于岳阳偏北方向，距市中心约14 km。这些工业点源布局与主导风向一致，使得市区广大区域处于工业污染气流的下游从而加剧市区空气污染，而常德两个污染源气流从南北方向往市区输送，导致常德市区污染严重。

石灰石资源含钙量高，是制造碳酸钙系列产品的优质原料，是长江中下游地区最好的石灰石资源。近年在常德、岳阳等地建设了一批水泥生产线和生产基地，雷公庙矿区和石灰石矿山位于常德北偏西方向直距18～30 km处，加剧市区空气污染。而岳阳水泥生产线位于市区南部的岳阳县，益阳灰山港水泥生产基地位于市区南部的桃江县，对市区影响相对较小。

岳阳是中国中部地区最大的石化产业基地，长岭炼油化工总厂、岳阳石油化工总厂等央企位于市区东北方向的云溪区，石油化工工业布局方向与此次污染过程主导风向一致，也导致岳阳空气污染加剧。

4 结论

1)2016年12月29日至2017年1月5日洞庭湖区重度空气污染过程是在静稳天气形势下雾-霾天气的形成与维持、污染物不断累积下导致的。

2)此次重度空气污染过程中伴随本地持续升温降压增湿小风，随着弱冷空气南下，风速明显加大且有降水出现，空气污染过程迅速结束。风速减小导致污染物浓度不断增加，降温前风速明显加大有利于污染物快速扩散。湿度增加有利于污染物吸湿性增长，但高湿易引起降水有利于污染物的湿清除。

3)两个主导风向与污染通道方向基本相反、污染通道复杂、静风频率较大导致污染相对较重。污染通道相对单一的地区污染程度相对较轻。

4)此次重度空气污染过程中，75%的大气为中性，17%的大气为稳定， 14：00混合层高度逐渐降低，而重度空气污染日大气基本为中性，混合层高度降至100 m以下。

5)影响常德的气流均来源于北方，并从东偏北和偏南两个方向影响常德；除少量来源于南方和西南方的气流从偏南和偏西方向分别影响岳阳和益阳外，来自北方的气流一致性从东北方向影响岳阳，而从东北和偏南两个方向影响益阳。

6)洞庭湖区存在大范围区域性同步污染现象，北方外来污染源是洞庭湖区重要的污染面源，本地工业污染排放点源和地理条件也是洞庭湖区空气污染物空间分布差异的重要因素。