王 露,侯 曌，趙卓勛 ，劉 蔚 ，吳 悠，李 蘭

(1.湖北省荊州市氣象局，湖北 荊州 434000；2.湖北省武漢市氣象局，武漢 430040； 3.武漢區(qū)域氣候中心，武漢 430070)

引 言

空氣作為人類生存的必需品,其質量直接影響著每個人的正常生活和身體健康,隨著經(jīng)濟社會全面發(fā)展，大氣環(huán)境出現(xiàn)了較明顯的區(qū)域性和復合型空氣污染特征，空氣質量問題已日益成為社會關注的熱點和焦點。有關污染特征的分析及預報效果評估的研究已有很多[1-2]，空氣質量不僅與大氣污染物的排放有關,同時也受到氣象條件和下墊面狀況的影響。有學者研究發(fā)現(xiàn)[3]，短時間內大氣污染物排放源沒有發(fā)生明顯變化，但空氣污染物濃度出現(xiàn)較大波動，說明氣象條件在污染過程中起到了一定作用。國內已有許多學者從天氣形勢、逆溫層、混合層以及各種氣象因子的影響角度對空氣質量進行了較多研究[4-5]，提出靜小風、穩(wěn)定的大氣層結等氣象條件是造成顆粒物濃度達到重污染的主要原因。

荊州地處長江中游的江漢平原腹心之地，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，荊州工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快，大氣污染成為難以避免的環(huán)境問題。荊州亦常出現(xiàn)不利于污染物擴散的氣象條件，為此，本文利用2017年1月至2018年12月荊州城區(qū)3個國家環(huán)境空氣質量監(jiān)測點的污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)和荊州站地面氣象要素觀測數(shù)據(jù)，對荊州城區(qū)空氣質量分布及重污染過程天氣特征進行了初步分析，以期發(fā)現(xiàn)相關規(guī)律，為荊州大氣污染防治與管控提供氣象決策咨詢服務。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

本文使用的資料包括：(1)2017年1月1日～2018年12月31日荊州城區(qū)3個國家環(huán)境空氣質量監(jiān)測點(即市委黨校、市圖書館、管委會)6種主要污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3)逐小時濃度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由荊州市生態(tài)環(huán)境局環(huán)境監(jiān)測站提供，圖1為荊州城區(qū)3個國家環(huán)境空氣質量監(jiān)測點分布圖；(2)2017年1月1日～2018年12月31日荊州站(站號57467，30.21°N，112.09°E)逐小時氣象要素觀測數(shù)據(jù)，該資料由荊州市氣象局國家氣象觀測站和技術保障中心提供，其中，氣象要素包括相對濕度、2min風向風速、降水量和能見度等。

圖1 荊州城區(qū)3個國家環(huán)境空氣質量監(jiān)測點分布圖Fig.1 The distribution map of 3 national ambient air quality monitoring points in Jingzhou City

1.2 研究方法

目前，國內通常采用空氣質量指數(shù)(AQI)評價某一地區(qū)或城市的空氣質量。AQI綜合考慮了大氣中6種主要污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3)，可以反映出一定地域范圍內的污染物濃度高低。利用6種污染物濃度數(shù)據(jù)計算不同污染物的空氣質量分指數(shù)(AQI)，其中最大值為空氣質量指數(shù)AQI。本文采用統(tǒng)計學方法，從年內到日間，給出荊州城區(qū)污染物濃度的分布規(guī)律，并研究重度污染發(fā)生時各類氣象要素和天氣特征。

2 結果與討論

2.1 荊州城區(qū)2017～2018年空氣質量的分布特征

2.1.1 優(yōu)良天數(shù)和污染天數(shù)分布

2012年2月29日出臺的新的環(huán)境空氣質量評價體系考慮了6種污染物，并采用空氣質量指數(shù)AQI來反映一個地區(qū)的污染程度：0～50之間為優(yōu)、51～100之間為良、101～150之間為輕度污染、151～200之間為中度污染、201～300之間為重度污染、>300為嚴重污染。表1給出了荊州城區(qū)2017和2018年空氣質量各等級天數(shù)。

表1 荊州城區(qū)2017和2018年空氣質量各等級天數(shù)Tab.1 Days of days with air quality in Jingzhou Cityin 2017 and 2018 (天)

由表1可知，2017年全年良所占比例最多，為60.7%，輕度污染和優(yōu)所占比例分別為17.7%和15.0%，中度污染和重度污染所占比例分別為4.2%和2.2%，嚴重污染有1天，占比0.3%；2018年良占比67%，輕度污染和優(yōu)分別占比18.9%和9.9%，中度污染和重度污染分別占比2.8%和1.4%，全年無嚴重污染?？傮w來看，相較于2017年，2018年中度以上的污染天數(shù)明顯減少。

2.1.2 污染物年平均濃度分布

荊州城區(qū)空氣6項污染物中，如圖2所示，2018年細顆粒物(PM2.5)年平均濃度值為49μg/m3，比2017年下降12.5%；可吸入顆粒物(PM10)年平均濃度值為86μg/m3，比2017年下降6.5%；二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)24小時平均第95百分位、臭氧(O3)日最大8小時滑動平均第90百分位濃度值分別為34μg/m3、15μg/m3、1.8mg/m3、157μg/m3，較2017年變幅分別為-5.6%、-16.7%、5.9%、12.1%。

圖2 2017和2018年荊州城區(qū)6項污染物濃度對比圖Fig.2 Comparison of the concentration of 6 pollutants in Jingzhou City in 2017 and 2018

2.1.3 污染物綜合指數(shù)逐月變化

圖3給出荊州城區(qū)2017和2018年污染物綜合指數(shù)逐月變化，由圖3可見，綜合指數(shù)呈現(xiàn)“兩頭高，中間低”的分布特征。究其原因，冬季空氣干燥，風力微弱，大氣邊界層穩(wěn)定度高，地面附近的灰塵、汽車尾氣難以擴散或稀釋，導致其污染物綜合指數(shù)最高；春秋季次高，夏季最低。

圖3 2017和2018年荊州城區(qū)綜合指數(shù)逐月變化圖Fig.3 The monthly changes of composite index in Jingzhou City in 2017 and 2018

比較2017和2018這兩個年份可以看出，1～5月和11～12月2017年的污染物綜合指數(shù)高于2018年，6～10月2017年的污染物綜合指數(shù)低于2018年，究其原因，主要是2018年夏季和初秋較重的O3污染拉高了此時段的綜合指數(shù)。

如圖4， 2018年O3的峰值明顯更高且高值的持續(xù)時間明顯更長。O3的生成和光照、氣溫等氣象因素密切相關，主要發(fā)生在光照強烈的夏、秋季節(jié)。汽車尾氣、工業(yè)企業(yè)排放的氮氧化物與揮發(fā)性有機物等臭氧前體物，在高溫、強光照條件下，經(jīng)過一系列復雜的光化學反應，產(chǎn)生臭氧污染物。O3主要來自光化學反應，夏季溫度和能見度最高，對應太陽輻射最強，光化學反應最強烈。相較于2015～2017年，2018年夏季荊州平均氣溫明顯偏高，降水明顯偏少，雨日數(shù)也明顯偏少，全年日照時數(shù)明顯偏多。所以和2017年相比，荊州2018年太陽輻射更強，光化學反應更劇烈，因此O3濃度也明顯升高。

圖4 2017和2018年荊州城區(qū)O3濃度逐月變化圖Fig.4 The monthly changes of the concentration of O3 in Jingzhou Cityin 2017 and 2018

2.1.4 污染物濃度日間分布

另從圖5可見，2017～2018年荊州城區(qū)6種污染物濃度日變化，除O3濃度在正午前后大幅上升外，其他污染物濃度在午后均有所下降，這與太陽輻射有直接聯(lián)系，正午強烈的日照更易促發(fā)光化學反應，產(chǎn)生對人體有害的二次污染物(其中包括O3)；PM2.5、PM10、CO和NO2的濃度變化表現(xiàn)為雙峰分布，在上午和傍晚至上半夜其濃度較高；SO2的濃度只在上午6～8時出現(xiàn)一次高峰，在傍晚有一次弱的回升。

圖5 2017和2018年荊州城區(qū)6種污染物濃度日變化Fig.5 The daily changes of the concentration of 5 pollutants in Jingzhou Cityin 2017 and 2018

究其原因，06～11時(北京時)，太陽輻射逐漸加強，夜間穩(wěn)定層結尚未完全破壞之前，加上交通等人為因素，造成上午出現(xiàn)高值；午后由于太陽輻射以感熱和潛熱形式向上輸送，加熱上層大氣，湍流混合強烈，污染物容易擴散，濃度下降；傍晚至夜間，機動車尾氣和工業(yè)氣體排放后往往直接通過氣粒轉化過程形成二次氣溶膠粒子，加之邊界層結逐漸穩(wěn)定，產(chǎn)生的污染物不易擴散，形成第二次高峰[6]。

2.2 重污染發(fā)生時的天氣特征

基于2017～2018年的氣象要素小時觀測數(shù)據(jù)，研究重污染天氣發(fā)生時的相對濕度、風向風速、降水量、能見度和環(huán)流背景。

2.2.1 相對濕度

中國近50年霾長期觀測資料的分析表明[7]，近地面相對濕度減小，霾日頻率增加，濕度變化對環(huán)境條件有明顯影響。圖6給出了2017年1月1日至2018年12月31日的重度污染時次的相對濕度分布，730天共17 520個小時里，有456個重度污染時次，其中有422個時次的首要污染物為PM2.5。有6個時次濕度在31%～40%，占重度污染總時數(shù)的1.3%；有12個時次濕度在41%～50%，占重度污染總時數(shù)的2.6%；有34個時次濕度在51%～60%，占重度污染總時數(shù)的7.5%；有104個時次濕度在61%～70%，占重度污染總時數(shù)的22.8%；有94個時次濕度在71%～80%，占重度污染總時數(shù)的20.6%；有92個時次濕度在81%～90%，占重度污染總時數(shù)的20.2%；有114個時次濕度在91%～100%，占重度污染總時數(shù)的25%。分析圖6可知，當相對濕度低于40%時，一般不會出現(xiàn)重度污染；而88.6%以上時次的重度污染，其相對濕度都在60%以上。這是因為，當相對濕度低于40%時，氣溶膠粒子一般以“干”的狀態(tài)存在，未達到潮解點，粒徑小于2.5μm的粒子無明顯增長，PM2.5濃度變化不大；當相對濕度高于60%時，在高濕條件下，粒子表面化學反應更明顯，粒子出現(xiàn)明顯增長，這可能是導致PM2.5濃度上升的原因。

圖6 2017和2018年荊州城區(qū)重度污染 時次的相對濕度分布Fig.6 The distributionof relative humidity during heavy pollution in Jingzhou City in 2017 and 2018

2.2.2 風向和風速

風向、風速對大氣污染物擴散起著重要作用，風向決定污染物輸送方向，風速決定污染物輸送能力[8]。其作用表現(xiàn)在兩個方面：一是風的水平搬運作用；二是風對大氣污染物質的稀釋作用[9]。

2.2.2.1 風向

圖7給出了荊州城區(qū)2017和2018年重度污染時次的風向分布，從456個重度污染時次的風向來看，出現(xiàn)頻率較高的風向依次為NNE、N、NE和ENE，頻率分別為121、75、49和25次，其余風向均不足20次。

圖7 2017和2018年荊州城區(qū)重度污染時次的風向分布Fig.7 The wind direction distribution during heavy pollution in Jingzhou City in 2017 and 2018

2.2.2.2 風速

圖8為重度污染時次頻率最高的4個風向所對應的風速分布，從圖8可以看出，頻率最高的風速區(qū)間為1.1～3.0m/s，其次是0.0～1.0m/s和3.1～4.0m/s兩個區(qū)間，4.0m/s以上的風速只發(fā)生在NNE和N這兩個風向。頻率最高的NNE風向，風速多在1.1～4.0m/s，有99次，0.0～1.0m/s和4.1～5.0m/s區(qū)間各有11和7次；頻率次高的N風向，風速多在1.0～3.0m/s，有42次，0.0～1.0m/s、3.1～4.0m/s、4.1～5.0m/s區(qū)間各有9、9和10次；NE和ENE風向的風速多在0.0～2.0m/s區(qū)間，分別為41和24次；其余風向對應的風速多在0.5～2.5m/s。

圖8 2017和2018年荊州城區(qū)重度 污染時次各區(qū)間風速頻率分布Fig.8 The frequency distribution of the wind speed during heavy pollution in Jingzhou Cityin 2017 and 2018

2.2.3 降水

降水對大氣中污染物的增加或減少作用顯著。降水天氣可起到濕清除作用，相反，降水日數(shù)減少會導致大氣對污染物的沉降能力減弱。有研究表明[8,10～12]，降水對清除大氣中的污染物質起著重要作用，連續(xù)無降水日越多，降水量越小，霾日數(shù)也越多，空氣污染越嚴重。也有研究指出[3]，陣性降水較多而雨量不大時，對污染物的清除作用不明顯，反而提高空氣濕度，使得大氣相對濕度保持在60%以上，為PM2.5中親水性顆粒物增長提供有利條件，造成其濃度達到最高。弱降水會增加相對濕度導致PM2.5濃度上升，較強降水會清除PM2.5。圖9給出了荊州城區(qū)2017和2018年重度污染時次的降水量分布，456個重度污染時次里，只有28個時次出現(xiàn)降水；在28個降水時次里，有24個時次在2mm以下，其中有19個時次在1mm以下，占總時次的68%。這說明大部分重度污染仍發(fā)生在無降水的時次，只有少數(shù)發(fā)生在2mm以下的弱降水中。

圖9 2017和2018年荊州城區(qū)重度污染時次的降水量分布Fig.9 The distribution of precipitation during heavy pollution in Jingzhou City in 2017 and 2018

2.2.4 能見度

污染物超標日連續(xù)在72h以上的為持續(xù)污染，以持續(xù)在72h以上能見度小于10km作為一次持續(xù)低能見度天氣事件，記做A類持續(xù)低能見度事件；考慮到環(huán)境氣象預報實踐中常以能見度小于5km作為啟動各種霾預警的前提條件，以持續(xù)在72h以上能見度小于5km作為一次持續(xù)低能見度天氣事件，記做B類持續(xù)低能見度事件；A類低能見度事件包含B類事件。如圖10所示的荊州2017～2018年重度污染時次的能見度區(qū)間分布，從圖10可以看出，能見度在3 000m以下的時次占83%，在5 000m以下的時次占94%。且從14個污染日分成的8個重污染過程來看，均可構成B類持續(xù)低能見度事件。

圖10 2017和2018年荊州城區(qū)重度污染 時次的能見度區(qū)間分布Fig.10 The distribution of visibility during heavy pollution in Jingzhou City in 2017 and 2018

2.2.5 天氣分型

2017年和2018年的重度污染日數(shù)分別為8天和5天，2017年還有1個嚴重污染日。污染日期依次為2017年1月1～4日、1月28日、3月6日、11月7～9日、2018年1月2日、1月19日、11月30日～12月1日、12月22日?？紤]到污染物的累積通常都有一個過程，故將以上14個重度以上的污染日整理為8次重污染過程，依次為2017年1月1～4日、1月27～28日、3月6～7日、11月7～9日、2018年1月1～3日、1月18～21日、11月29日～12月2日、12月21～22日。下文將對8個重污染個例綜合進行環(huán)流背景分類分析。

2.2.5.1 大氣靜穩(wěn)型

靜穩(wěn)型大氣中，重度污染過程通常持續(xù)時間長，可達連續(xù)三日或以上，且污染期間有霧或霾或兩者交替存在。如2017年1月1～4日和11月7～9日兩次過程。

1月1～4日的日均AQI分別為217、228、223和230，2分鐘風速均在1m/s上下；從環(huán)流形勢上看，500和700hpa以偏西風為主，850和925hpa分別以偏南和東南風為主；其中2日出現(xiàn)霾，4日出現(xiàn)霧，4日凌晨有弱降水發(fā)生，相對濕度隨之增大從而發(fā)生霧。過程開始之前兩天已達到中度污染，且12月31日有霧出現(xiàn)、12月30日有霾出現(xiàn)。

11月7～9日的日均AQI分別為218、203和210，2分鐘風速均在1m/s上下；從環(huán)流形勢上看，500hpa均以偏西風為主，700和850hpa逐漸由偏北轉為偏南；其中9日出現(xiàn)霧，此三天均有霾，直至10日有冷空氣大風出現(xiàn)，AQI迅速降至95。9日08時1 000hpa附近和925～850之間均出現(xiàn)逆溫，非常有利于霧的出現(xiàn)和靜穩(wěn)天氣的形成。

2.2.5.2 弱冷空氣型

1月27～28日和3月6～7日此兩次過程為弱冷空氣型。此種類型通常前期本地有一定污染物的積累或上風方向已出現(xiàn)較嚴重的污染，過程持續(xù)時間一般1～2日，時而有霾出現(xiàn)。

1月27～28日的日均AQI分別為200和319，前期23～26日的日均AQI亦都在150以上，26～27日的2分鐘平均風速分別為1.8和2.3m/s，地面上26～27日有西北路冷空氣滲透；3月6～7日的日均AQI分別為215和200，6日的2分鐘平均風速為2.1m/s，且6日有北方冷高壓南落。

2.2.5.3 混合型

混合型多為降水與冷空氣的混合，通常先由弱冷空氣或弱降水使得AQI升高，次日隨著降水增強或風力增大，使得污染物稀釋或擴散。此種類型的重度污染發(fā)生前一至二日常有霧出現(xiàn)。

2018年1月1～3日為降水與冷空氣混合，1月2日的日均AQI為204，降水量0.1mm，2分鐘平均風速為1.6m/s；3日開始，降水增強(14.1mm)，風力增大(5.6m/s)，直至4日，AQI才降至77。由此可見降水濕清除對AQI的影響有一定的滯后。

2018年1月18～21日為降水與弱冷空氣混合，18～19日的日均AQI分別為180和284，2分鐘平均風速分別為2.1和3.2m/s，19日的降水量為4.8mm，直至20日，AQI才降至135，表明降水濕清除對AQI影響的滯后；21日降水0.6mm，AQI又升至149，說明弱降水有利于顆粒污染物的濕增長。

2018年11月30日～12月1日為降水與弱冷空氣混合，日均AQI分別為250和233。11月30日的2分鐘平均風速為2.1m/s，地面上30日有北方冷高壓南落；12月1日有0.3mm降水，2日降水量為0.4mm，AQI為189，直至3日降水16.4mm，AQI才降至95。

2018年12月21～22日為降水與弱冷空氣混合，21～22日的日均AQI分別為118和210，降水量分別為1.2和4.8mm，2分鐘平均風速分別為2.1和3.2m/s?？梢钥闯?，降水發(fā)生在22日，卻直至23日AQI才降至84，再一次證明了降水濕清除對AQI影響的滯后性。

3 結 論

3.1 相較于2017年，2018年中度以上的污染天數(shù)明顯減少；荊州城區(qū)冬季空氣污染最嚴重，夏季空氣污染相對較輕；PM2.5、PM10、CO和NO2的濃度在上午和傍晚至上半夜其濃度較高，SO2的濃度只在上午6～8時出現(xiàn)一次高峰，在傍晚有一次弱的回升，O3濃度在正午前后大幅上升。

3.2 荊州城區(qū)88.6%以上時次的重度污染，其相對濕度都在60%以上；重度污染時次以NNE風向最多，占比28.9%，其次為N和NE風向，分別占比17.9%和占比11.7%；風速頻率最高的區(qū)間為1.1～3.0m/s，占比55.8%，其次是0.0～1.0m/s，占比30.5%；重度污染有93.9%是發(fā)生在無降水的時次，5.3%發(fā)生在2mm以下的弱降水時次；重度污染發(fā)生時次里，能見度在3 000m以下的占83%；64.3%的重度污染日，當日最小能見度在1 000m以下。

3.3 本文將荊州城區(qū)重度污染分為大氣靜穩(wěn)型、弱冷空氣型和混合型三種類型。靜穩(wěn)型重度污染過程通常持續(xù)時間可達連續(xù)三日或以上，且污染期間有霧或霾或兩者交替存在；弱冷空氣型通常前期本地有一定污染物的積累或上風方向已出現(xiàn)較嚴重的污染，過程持續(xù)時間一般1～2日，時而有霾出現(xiàn)；混合型多為降水與冷空氣的混合，通常先由弱冷空氣或弱降水使得AQI升高，隔天隨著降水增強或風力增大，使得污染物稀釋或擴散，此種類型的重度污染發(fā)生前一至二日常有霧出現(xiàn)。

3.4 影響空氣質量的因素很多，本文主要從荊州本地的氣象要素特征和大氣環(huán)流規(guī)律方面進行了初步分析。研究成果可為荊州市大氣污染防治與管控提供氣象決策咨詢服務，也可為本地環(huán)境空氣質量的預測提供技術支持。