2014年秋季长株潭城市一次典型霾污染天气过程的气象特征及成因分析...
第41卷第1期2018年2月
气象与环境科学
M eteorological and E nviron m en tal Sciences
V o l.41 N o. 1
F e b.2018
周莉，周慧，杨云芸，等.2014年秋季长株潭城市一次典型霾污染天气过程的气象特征及成因分析[R.气象与环境科学，2018%41(1):39 -46.
Zhou Li,Zhou H u i,Yang Yunyun,et al.Meteorological Characteristics and Cause Analysis of a Typical Haze Weatlier Process in Chang-^hu-Tan Urban Agglomeration in Fall2014 [R•Meteorological and Environmental Sciences%2018 %41 (1 ):39 - 46.
doi：10.16765/jki.1673 - 7148.2018.01.005
2014年秋季长株潭城市一次典型霾污染天气
过程的气象特征及成因分析
周莉，周慧，杨云芸，许霖，兰明才
(湖南省气象台，长沙410118)
摘要：利用长株潭地区地面空气质量监测资料、常规地面气象资料及N C E P再分析资料和M0D I S火点监测资料，结合H Y S P L IT4后向轨迹模式，对2014年10月17—18日长株潭地区一次严重霾天气过程的空气污染特征和成因进行综合分析。研究表明，长株潭地区此次严重霾天气污染事件的主要污染物为P M2.，安徽南部和江西西北部地区秸秆焚烧产生的颗粒物，经高空偏东北气流引导输送到长株潭地区，是这次大范围烟霾天气的主要来源。
长株潭地区西部高空槽区宽广，槽前西南气流较为强盛，地面受均压场控制，水平风速弱，为严重霾污染天气的维持提供了有利的环流条件。中低层逆温和大气底层湿度的增加，使污染物粒子不断累积；近地面连续静（小）风和风向的频繁转变，不利于污染物粒子的水平扩散；中下层弱的下沉气流、较低的混合层高度有利于污染物的垂直累积，为此次重度霾污染天气的发展、加强提供了有利的气象条件。
关键词：长株潭地区；霾天气过程；后向轨迹；秸秆焚烧；P M，.小时浓度
中图分类号％X513 文献标识码：A文章编号％1673 -7148(2018)01 -0039 -08
引言
霾是指大量极细微粒子均勻地浮游在空气中，使大气浑浊、视野模糊并导致水平能见度小于10 k m的空气普遍浑浊现象[1]。霾对人体健康、空气 质量及地球气候效应都会造成严重影响[2-7]。大气 中的污染物主要来源于地面灰尘、汽车尾气、工业排 放和冬季取暖[8-11]。近年来，随着我国经济规模迅 速扩大，城市化进程加快，工业排放不断增加，尤其 是汽车数量迅速增长，加上城市道路拥堵，进一步增 加了汽车尾气排放，这些都使城市霾污染日趋严重。我国已经把雾霾天气现象作为灾害性天气进行预警 。
霾是一种区域性灾害。我国学者对霾的污染特征、天气成因的研究大多集中在个例分析上，并且多 集中于京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等城市。多项针对霾污染过程的特征和形成机制的个例研究 表明：特殊的大气环流背景和不利于霾粒子扩散的气象条件，如近地层逆温、较小的风速、较低的混合 层高度及较高的空气湿度等，都是区域霾事件发生、维持和发展的主要原因[12-14]；霾天气的发生与空气 中污染粒子之间发生化学反应有密切关系，不同污 染物离子之间在特殊的气象条件下会发生化学反应 及各种物理过程，加强了霾粒子的光化学效应，从而 加强了大气污染程度[15-16]；污染物的长距离输送也 是区域霾发生的关键影响因子，尤其是在秋收期间 大量焚烧的秸秆，会产生大量的雾霾粒子，这些烟霾 粒子在气流的输送下会造成区域的大气污染事
收稿日期：2015 -04 -09；修订日期：2015-10-20
基金项目：2014年气象关键技术集成与应用（CMAGJ2014Z16);2016年湖南省气象局预报员专项（CMAYBY2015 -051 );2018年湖南省气象局预报员专项（XQKJ18C011)资助
作者筒介：周莉（1989-），女，江苏扬州人，工程师，硕士，从事天气气候诊断研究工作.E-mai l:442601285@qq.c m
通讯作者：兰明才（1984-），男，湖南株洲人，高级工程师，硕士，从事天气预报预测及短时临近预报预警技术研究.E-mai l:372917798@qq
40气象与环境科学第41卷
件[17_21*。同时一些研究着重讨论了雾和霾的区别，给出了判别雾与霾的宏观动力依据和雾霾天气 t 的物理机制，为霾的研究提供了一些具体的辅助依据[2^25]。有 研究针对不同区域季节的霾时空分 气候统计分析[23,26_27]，并 气
候角度探讨了影响霾天气发生气的变化特征。以上这些研究为霾的认知，以及对霾事件的预 报提供了大量的科学依据。
长株潭城市是湖南省城市一体化的核心地区，包括长沙市、株洲市和湘潭市这三个城市，是我 国中部新崛起的城市之一，由于特殊的地理位置，易造成霾天气，从而导致区域性的空气污染。与其 他地区相比，长株潭地区霾的研究相对较少，因此积 极开展对该地区霾的研究十分必要。2014年10月17—18日，长株潭城市出 一次严重持续性霾污染天气过程。本文结合污染物的来源、天气系统 的形势和气象因子的特征，对该过程进行气象特征 及成因分析，为霾污染天气过程的预报预警提供科学依据。
1资料和方法
本文使用的城市环境空气质量资料包括中华人 民共和国环境保护部数据中心提供的长株潭地区逐 小时空气质量指数（A ir Q u alit y i n d e x，简称A Q I)，A Q I指数可以定量分析此次霾污染天气事件的特征 及成因。湖南环 环境监测中 供的长株潭地区24个监测子站的空气污染物浓度数据，包括 *+1。、9〇2、03、5〇2、40、*+2.5等逐小时浓度。常规 气象资料 南省地面气象要素资料、高空气象探 料，其 空环流 数据及来自-h—次的美国N C E P再分析资料（网格距为1.0°x  1.0。）。
采用美国90A A研制的轨迹模式H Y S P L I T4[28]来分析大气输送情况，驱动H Y S P L I T4模式的气象场资料为90A A的全球资料同化系统（G D A S)资 料，水平分辨率为191k m。M0D I S火点数据来源于T h e F ir e I n formatio n f o r R eso u rc e M a n g e m a e n t S yste m (F I R M S)的 M0D IS W e b F ir e系统。
2霾污染过程和污染来源
2.1污染特征和污染物浓度检测变化
2014年10月17—18日，长株潭地区经历了一次 严重的空气污染过程。从16日开始，长株潭地区的7?均呈快速上升趋势，到17日株洲市7?为193, 达到重度污染级别，而长沙市和湘潭市7?分别跃 升到300和253，为重度污染级别（图1)。到18日，除株洲市的7?没有显著变化以外，其余两市的7?有一定程度的降低，但仍属于重度污染级别。19日长株潭地区的空气质量缓解为轻度污染且污染指数逐步降低，到20日7?指数下降到100以下，此次污染过程基本结束。
日期
图12014年10月14—21日长株潭地区7?值变化
本文将17日和18日定为此次污染过程的高污 染 时 。  2 为 污染 时 时 7?@和度的 时间序列。由图2可以看出，此次污染具有明显的日 变化，呈现双峰型，从17日凌晨长株潭地区污染物 开始发展，到07时长沙和湘潭的7?达到峰值，分 别为445和394，达到'严重污染级别，此刻株洲7?为280，达到V严重污染级别且数值持续攀升，到09时，长株潭地区的7?数值均在300以上，达 到'严重污染级别。由17日09时长株潭地区24 个国控监测点7?的空间分布（图3 )也可以看出，时污染 要 中长 和 潭 地 区，长
和 潭 17个监测点几乎均达到严重污染级别，株洲7个监 测点中也有4个达到严重污染级别。09时以后7?逐渐降低，到17日下午7?达到最低值，但7?仍 旧大于150，属于中度污染。从17日夜间开始，7?缓慢增加，到18日08时又出现一个7?的高峰，但 此次大气污染程度低于前期。长株潭地区能见度的 变化与7?变化有较好的负相关关系，相关系数均 达到-0.8以下。从17日00时起，能见度逐渐下降。在17日08时左右，能见度达到最低，3个站的 能见度均不足2 k m，其中，湘潭能见度只有1.1 km。随后长株潭地区的能见度转好，到18日06时又回 到低谷，能见度均在2. 5 k m以下
。
第1期 周莉等$2014年秋季长株潭城市一次典型霾污染天气过程的气象特征及成因分析41
图2 2014年10月17—18日长株潭地区A Q I 和
能见度的逐时变化
图4分别为长沙、株洲、湘潭所有监测点采集的
P M 2.5、N 〇2、03、S 〇2
和
C O  5
种大气成分浓度逐时变
化的平均状况。3 城市污染物浓度的变化特征相 似，在低能见度时段内均出现了可吸入颗粒物浓度
高峰。在
17
日0
7
时，长沙和湘潭的P M :.，的浓度均
无充值手游超过了 350 &g  • r n -3，株洲市的P M :.，浓度也达到了
260 &g  • m
_3。之后污染物浓度逐渐降低，到17
日
到最低，长沙和湘潭的P M 2.5浓度仍旧维持在
150 &g  • m
:3左右。随后到1
8
日凌晨前后再次达到
，但此次
低于前期的。
污染过程中，
C 0
浓度变化与P M 2.5相似，有较好的相关性，但其浓
度远小于P M 2A 浓度。由于〇3主要来源于白天的光 化学反应，表出白天高、
低，因此与其余4种
污染物浓度的变化呈反相关。N 〇2、S 〇2两种空气污 染物浓度的变化幅度不明显。由此可见，P M 2A 是此 次雾霾天气的主要污染物。
2.2污染物
分
此次霾污染过程的污染时段是10月中下旬，正
的秋收季节。近年来随着农村生
平的
(C )湘潭
图4 2014年10月17—18日长株潭地区所
有监测点平均污染物浓度变化
(b )株洲
⑷长沙
普遍提高，秸秆的利用率明显降低，农作物秸秆焚烧 已成为主要 式。 烧会产生大量的大气颗粒物，其中主要的污染物就是PM2.5。在一定气
象条件下，
烧
的污染物可以长距离
，对周边区域造成严重的空气污染[20’22]。因对此 次长株潭地区重霾污染与区域 烧长距离
：
关系的研究显得十分必要。
由于污染物粒
中小尺度的边界层内的传输
时间大约为2〜3 d [29]，因此用N 0A A 卫星遥感监测 的火点资料，分析了 14 一 16日中国东部地区的火 点分布（
5)。从图5中可以看到，14日火点区
域从长沙经湖北南部、河南东南部一 到山东，
呈带状分布，其中湖北中部和河南中西部的火点最
为 。15
，火范围进一^大，湖北中南部、
安徽南部和江西西北地区均检测到
燃烧火点。
16
，
中国东部地区的火点显著减少，
江
西的东部地区存在零星火点。
使用HYSPLIT 4轨迹模式对长株潭地区霾污染 严重时刻（2014年10月17日10时）进行了 72 h 后
轨
拟（图6)。轨迹的终点设为长沙火车
站（113.14°E 、27.84°N )，轨迹设了 3个终点高度:
100 m 、500 m 和800 m ，其中100 m 表示低层的气团
来向，500 m 和800 m 代表高空气团来向。轨迹a 和
H 髮8
.0
.5.0.5
.0
2« L  L I O.I O.
(e -UX.SIU)/
慧 8
1
慧
8
42
气象与环境科学
第41卷
00/17 12/16 00/16 12/15 00/15 12/14
时次八时/日）
图6 长株潭地区2014年10月17日10时
72 h 后向轨迹
后部，受大范围的弱鞍型场及均压场控制，地面有暖
发展，且由于高压较弱，周边气压场中等压线比
较 ，气压梯度力小， 地面和低空的风速较小，不利于污染物的水平 ，同时有利于夜间地面
的
祖国的歌+
3.2温湿条件
温度是大气热力作用的主要驱动因素，近地层 出
韩剧收视率排行榜
有利于污染
近地层
+
，湿度
对大气污染的维持也起到非常重要的影响。在空气
湿度较大的大气中，由于污染物粒 相互吸附，
更容易吸收 污染物颗粒增大。这两者都会使污染物的浓度
。本文利用长沙站的探空资料，绘 17 19
度和
的
分
（图
7)。可以看到，在污染高峰时段，17日08时和18
轨迹b 分别为高空500 m 和800 m 高度气块的模拟 轨迹
。轨
迹
d
为底层气块的模拟轨迹
。可
以看到
，
影响长株潭地区的污染源主要来自东北方向。低层 100 m 高度的气块14 — 15日在湖北南部聚集，到
16
日开始南移至长沙，这
与15日湖北南部的大范围火
点相对应。500 m
和800 m 高空的模拟路径较为相
似
，14
日从安徽西南部出发，经过合肥向东南方向
移动，15日到达江西北部
，之
后轨迹路径转向西南
方向
，穿
越江西的北部地区
，17
日到达长沙
，
与
图4
中P M %.粒子浓度出现的峰值对应。这
样的轨迹与
14
安徽南部零星火点到15日江西北部与安徽
南部的大范围的火点相吻合。综
合3条轨迹
，可以
推测来源于湖北东南部
、安
徽南部的污染气团17日
从北向南经过长株潭区域
，很
可能是影响长株潭这
次霾天气污染物的主要来源
。
3
霾形成的气象条件
3.1大尺度环流背景
大气对污染物的 决于高低空的环流
置，大尺度上
少变的天气 是区域持
续污染的重要天气
[30：32]。
2014年10月1708时层高度场和温度场（ ）可 出，我上 空环流
比 较 平
，
和
合 较
一致，冷空气
。湖南为纬向型西风气流控制，
有短
，
低层大气
变。随着
原 断加深东移，到了 18日08时，槽前西南气流
增强，将
加
的
长株潭地区
，进一
增加了该地区的空气湿度。由于缺乏有利的 条
件，且该湿度条件不足以产生大强度 ，环境条件有助于污染持续。同时，暖脊持续
，脊前暖平流
对湖南中低层大气增温有显著影响，为稳定的大气 层结创
有利条件。
，
南
于
压的底
日
/_植
ck  ▲武汉
C
!
—
C >
……路"..wooo.ell  "N o o r oo s 坩 袈
塯
第1期
周莉等$2014年秋季长株潭城市一次典型霾污染天气过程的气象特征及成因分析 43
-30 -20-10 0 10 20
温度/°C
(a) 17 日 08 时温度
-30-20-10 0 10 20 30
温度/°c  露点温度
-30-20-10 0 10 20
温度/°C
(b)17 日 20 时
（
c)18 日 08 时 （
d)18 日 20 时 （
e)19 日 08 时图7 2014年10月17—19日长沙站温度、露点温度随高度变化曲线
-30-20-10 0 10 20 30
温度/°C
(f) 19 日20 时
对长株潭地区地面温度露点差（图8)分
析发 现， 次重霾污染发生期间，温度
与空气质量
A Q I 指数变化
显著负相关关系，
度
、
差越小，7?
越高，且3
个站的相关
0. 5
以
上。
，
天
度
大于夜间的， 度露点差达到极大值，对
指数降低。到
间
，温度
到最低，霾污染进一步加强，表明大气湿度
对此次污染物的变化有重要影响，湿度的増加有利 于空气污染的维持。到
19日，3
的度：差
都大于前期的，空气湿度明显减小，对此次重霾天气 污染起到了缓解
。
图8 2014年10月17—19日长株潭地区
温度露点差逐时变化
3.3水平扩散条件
风是影响污染物长距离输送的首要气象条件，
同时也是边界层内影响污染物扩散的重要动力因 子，风向决定了大气中污染物的输送方向，风速决定怎么删除好友
了大气中污染物的扩散和稀释速度。本文利用
NCEP/NCAV 再分析资料，对长株潭地区（112—114°E 、
27—29°N )垂
直风场进行区域平均（图
9)。
此次污
染前期，g |]16日08时
高速免费时间2022春节最新开始，长株潭地区
850 h P a 以
下由东北风控制，结合HYSPLIT 4轨迹模拟的结果
(图
6)
，东北气流为污染物从火点分布区到长株潭
地区的输送建立了通道。
17
日
08时
之后，风向转
变为偏北风，但风速较小。从
18日08时
开始，风向
又从偏北风转变为偏东风，一直维持到
19日08时
。
在整个高污染时段内，低层风有明显的风向转变，并 且风速都偏小，基本上都是在
2 m  • c :1左
右，对污
染物的水平输送作用不大，致使污染物水平扩散能 力减弱，造成污染物高浓度累积。对霾污染严重时 段的地面风频统计结果显示，17日3
个站地面风向
主要是北风和西北风，到
18
日静（小）风出现频率
増加，风向转换频繁。近地面连续静（小）风天气不
利于低层大气污染物的扩散。从
19日08时
开始，风
向转变为东南风，且强度増强，维持在
4〜8 m  • C 1，
受风速増加的影响，秸秆焚烧污染物的输送造成的 局地影响减小，有利于霾在水平方向上的扩散。
日
08时
在近地层
1000 h P a 到950 h P a 有
明显的贴
地逆温
，同时在
850 hPa 、600 h P a 及500 h P a 也
有不
同程度的
。逆
温结和
度层结在一定程
度上减弱了大气 上的湍流交换和热力对
流
，
所
以大气中的污染颗粒
，造
成污染浓度的持续
。到
夜间
，底层度虽 度的増加
低， 层被破坏
公司员工福利，但
上
、
小
，温
度层结接近中性
，且
在
850 hPa 、750 h P a 仍
然存在逆温
，污
染
物仍旧 到 ，从
而聚
边界层
。
从图中也可以看到， 污染时间段内，尚层的温度
较大，表明空气相对湿度小。低湿度环境不
利于霾粒子的沉降。但是在近地面，温度 断减小，再加上大气比较 ，因
边界层不
断 ，最终通过霾粒子的吸湿性増长使污染物的浓度
。
一
的
是
，
虽
19 08时
大气存
较为明显的贴地 层，但时低层空气中的水
和程度小于前期高污染时段的，近地面湿度的
减少在一定程度上有利于霾天气的消散
。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。