2023年元宵节湖北省一次重污染过程的气象成因分析

Meteorological Causes of a Severe Air Pollution Event in Hubei during the Lantern Festival in 2023

摘要

利用常规气象观测资料、空气质量数据、ERA-5再分析资料及全球资料同化系统（GDAS）气象数据，分别从大尺度环流形势、大气动力和热力条件、局地气象要素变化、气团轨迹等对2023年2月4—7日湖北省一次重污染过程进行分析。结果表明：此次过程共有6个城市达到重度污染，襄阳最先受到影响，荆州污染最重，AQI为215。根据ρ（PM_2.5）和地面天气形势发展，将过程分为“传输—本地累积加传输—消散”3个阶段。第一阶段污染形成期，为冷锋前输送型；第二阶段污染持续累积期，在前期均压场、中期暖倒槽及中层（700 hPa）暖脊、低层（925 hPa）弱冷平流的共同作用下，湖北省较长时间处于小风或静风（2 m/s）、风场辐合、高湿及逆温的静稳天气，加上5日元宵节烟花排放，有利于污染物的持续累积，是污染过程形成的主要成因；后期随着贝加尔湖（以下简称“贝湖”）冷高压发展加强，弱冷空气渗透南下，地面为冷锋前输送型，由于前中期长时间的污染累积，7日污染达到最重；第三阶段污染消散期，冷空气主体南下及锋面降水的双重作用下，污染清除。襄阳PM_2.5主要贡献区为河南南部，荆州PM_2.5贡献区为湖北随州。

Abstract

This study analyzed the meteorological causes of a severe air pollution event in Hubei Province during the 2023 Lantern Festival (February 4-7, 2023) using meteorological observations, air quality data, ERA5 reanalysis, and GDAS data. The analysis focused on synoptic circulation, atmospheric dynamics, thermal conditions, and pollutant trajectories. Key findings include:Six cities experienced heavy pollution (AQI≥200), with Xiangyang affected earliest and Jingzhou recording the highest AQI (215).The event progressed through three phases:transportation phase: pre-cold-front transport dominated initial PM_2.5 accumulation;Accumulation phase: stagnant conditions (weak winds 2 m/s, convergence, high humidity, temperature inversion) under a uniform pressure field, mid-level (700 hPa) warm ridge, and low-level (925 hPa) weak cold advection, combined with fireworks emissions on February 5, exacerbated pollution;Dissipation phase: pollutants were cleared by the Lake Baikal cold high and frontal precipitation.Trajectory analysis revealed Xiangyang's PM_2.5 primarily originated from southern Henan, while Jingzhou's pollution was influenced by local emissions from Suizhou..

Graphical abstract

关键词

湖北省 / 大尺度环流 / 逆温 / 污染源

Key words

Hubei / large-scale circulation / temperature inversion / pollution source

近年来，我国大气污染治理取得显著成效，大多数城市的PM_2.5质量浓度呈明显下降趋势^[1]，但受不利气象条件影响时，持续性、区域性重污染天气事件仍时有发生。空气污染事件受气象条件和人为污染源排放等因素的共同影响，在排放源不变的情况下，气象条件是影响空气污染的主要因素^[2-3]。细颗粒物在混合层高度低的情况下可以发生远距离的传输和沉降，低空出现等温或逆温层时会限制大气污染物的垂直扩散^[4-10]，未形成降水的高相对湿度会产生吸湿增长效应^{[8, 9, 11]}。因此，混合层高度低、垂直运动弱、逆温、高湿、小风或静风等气象条件不利于污染物的扩散和清除，有利于二次气溶胶的形成。大风、降水等气象条件则对污染物的清除作用显著^[8]。大尺度环流形势会影响局地气象要素的变化，导致污染物的传输通道和扩散条件存在明显差异。目前，国内多位学者针对京津冀、长三角、珠三角、关中地区等城市群的重污染事件从大尺度环流形势角度展开研究，通过对江苏省两次连续污染过程分析发现长时间受均压场控制有利于颗粒物积聚^[4]；当500 hPa高空为纬向环流时，南北交流弱，利于高空稳定形势的发展，易于形成重污染事件^[12]。不同环流形势对颗粒物输送轨迹的影响很显著，特定环流背景下对某些城市和区域的空气质量状况的影响存在较大差异。多位学者利用潜在源贡献分析法（PSCF）^[13]、浓度权重分析法（CWT）^[14]、后向轨迹模型（HYSPLIT）^{[5, 13, 15-17]}等方法分析了污染气团的来源和传输路径；陈颢元等^[18]基于WRF模式等定性研究了京津冀和长三角地区的外源污染贡献，发现长三角对京津冀贡献小于京津冀对长三角贡献。 目前，我国大气污染的相关研究主要集中在京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区，对中部地区研究相对较少，对湖北省的研究主要集中在长时间序列和个别重点城市细颗粒物的统计研究，较少分析在特殊节假日期间重污染事件的气象条件及污染来源。陈璇等^[19]对湖北省2015—2016年PM_2.5重污染过程的地面天气形势进行分型，指出不同天气类型影响湖北省的不同区域；祁海霞等^[20]基于WRF/Chem模式对湖北省冬季两次过程PM_2.5浓度进行模拟，确定了湖北省污染传输通道和外源传输贡献率；白永清等^[21]指出影响湖北省重污染的气象条件有别于华北地区。本文旨在从大尺度环流形势、气象要素的水平、垂直变化及后向轨迹来源等分析2023年元宵节前后（2023年2月4—7日）湖北省重污染过程形成、发展和消散阶段的气象成因和污染源，总结湖北省重污染天气过程的规律和传输路径，以期加深对本省典型重污染过程形成条件的认识，为大气污染预警预报提供参考。

1 资料来源和方法

资料主要包括湖北省环境监测中心站提供的国控站逐小时和逐日PM_2.5浓度、AQI等大气环境监测数据；欧洲中期天气预报中心（ECMWF）空间分辨率为0.25°×0.25°、时间分辨率为1 h的再分析资料（包括各个气压层的位势高度、风场、垂直速度、相对湿度、气温、地面海平面气压等变量）；2023年2月1—7日湖北省常规气象观测资料，包括逐小时气温、降水量、相对湿度、近地面10 m风向和风速等；全球资料同化系统（GDAS）的风场数据，空间分辨率为 1°×1°，时间分辨率为 6 h。

本研究使用MeteoInfo软件中的TrajStat插件对气团的后向轨迹进行分析^[22]，并将结果可视化。输出襄阳襄州航空路站点（112.22°E，32.09°N）和荆州市委党校（112.21°E，32.35°N）的经纬度作为模拟点，时间为2023年4月4—7日逐小时数据计算该站的72 h后向轨迹，区域分辨率为0.5°×0.5°，轨迹计算起始高度为100 m，用PSCF算法计算研究区域内经过网格的污染轨迹与经过该网格的所有轨迹数的比值表示每个网格对受点地区污染贡献的条件概率函数，计算网格范围内每条轨迹PM_2.5浓度，概率越大说明该网格中污染轨迹所占的比例越高。

湖北省位于华中区域的中心位置，拥有独特的地形条件（图1），西、北、东三面地势较高，中部向南呈马蹄形敞开。西北部由秦岭东延部分和大巴山东段组成，海拔为1 000~3 000 m；西南部为云贵高原东北延伸部分，由大娄山和武陵山组成，海拔为 1 000 m左右；东北部为桐柏、大别山脉，呈西北—东南走向，海拔为1 000 m 左右；东南部为幕阜山脉，呈东西走向，海拔约为 1 000 m；中部为海拔 50 m 以下的江汉平原、200 m 以下的岗地和 200~500 m 的丘陵，江汉平原北部有西北—东南走向的大洪山，海拔约为1 055 m。地形对天气系统及污染物气流的轨迹会产生阻挡、滞留和强迫上升等作用，形成湖北省PM_2.5空气污染的典型输送通道，并形成有城市特色的大气污染特征。

2 结果与分析

2.1 大气污染过程概况

由湖北省17个城市AQI的日均值变化（图2a）可知，污染过程主要出现在2月4—7日（北京时，下文同），除恩施和神农架外，其余15个城市AQI均从2月4日开始持续上升，表现为很强的一致性，各城市AQI的日均峰值出现在6—7日，共有6个城市达到了重度污染，6日AQI最大为204，出现在襄阳，是最先出现重度污染的城市，随后污染由北至南输送，其余城市陆续达到峰值；7日AQI日均值最大为215，出现在荆州，是本次过程污染最严重的城市。出现重度污染的城市还有黄石（212）、黄冈（206）、鄂州（201）、荆门（201），均出现在7 日。之后AQI快速下降，8 日除宜昌为中度污染、襄阳和十堰轻度污染外，其余城市空气质量为优良，9 日荆州、荆门及潜江AQI略有回升，其余城市持续下降。

由17个城市逐小时PM_2.5浓度变化趋势（图2b）可知，3日傍晚—8日凌晨湖北省大部分城市呈波动增长趋势，8日0时后呈断崖式减小。PM_2.5小时平均质量浓度增长值＞5 μg/m³且峰值浓度＞75 μg/m³（达到国家二级标准）的时期为污染形成期；PM_2.5小时平均质量浓度减小值＞5 μg/m³为污染消散期。污染过程分为3个阶段：第一阶段（3日17时—4日15时）为污染形成期，第二阶段（4日15时—8日0时）为污染持续累积期，第三阶段（8日0—17时）为污染清除期。污染累积期PM_2.5小时增长值在5日20—21时达到最大，为19 μg/m³。＞150 μg/m³（国家四级标准）排前五的城市分别为荆州（39 h）、襄阳（35 h）、宜昌（29 h）、孝感（26 h）、黄冈（22 h）；＞200 μg/m³（国家五级标准）的城市分别为襄阳（4 h）、鄂州（2 h）、孝感（1 h）。质量浓度最大为255 μg/m³，出现在鄂州（5日22时）。达到重污染过程持续时间最长的城市是荆州，故选取荆州为代表城市对天气形势和气象要素进行分析。

2.2 大尺度环流形势

2023 年2 月4—7 日500 hPa欧亚中高纬为“两槽一脊”型，我国中部地区主要以纬向环流为主，气流南北交换弱，不利于污染物清除^[23]。由4—7 日中低层平均风场和温度场（图3）可知，700 hPa湖北省存在温度脊，925 hPa有弱冷平流，暖干盖有助于形成上干暖下冷湿的层结，利于逆温的形成，阻止污染物的垂直扩散，导致污染进一步加剧和维持。500 hPa，4日湖北省受高空平直西风气流控制，大部分地区无明显降水；5—6日多弱波动快速东移，鄂东地区有弱降水天气发生，24 h鄂东大部地区降水不足2 mm，降水量小且持续时间短，起不到清除作用，但有利于颗粒物的吸湿增长；7 日南支槽位于孟加拉湾，河套—江淮一带受高空脊控制。4日低涡位于四川东部，受低涡前西南暖湿气流影响，鄂西南及江汉平原增湿明显，700 hPa相对湿度＞90%，但动力条件较差，未形成降水； 5日受西南暖湿气流影响，850 hPa湿区面积增大，700 hPa有暖脊逐渐形成；6日700 hPa暖脊进一步发展，叠加在弱冷平流之上，形成逆温。综上，本次污染过程在高空以纬向环流为主，低层暖脊叠加在弱冷平流之上形成稳定的逆温层结，导致污染加剧。

第一阶段（污染形成期）冷高压主体位于内蒙古东部至华北北部一带并向东南方向移动，之后东移入海，上游河南—湖北省一带有弱冷空气渗透南下，湖北省地面为偏北风，有弱的传输作用。根据地面气压场将第二阶段（污染持续累积期）再分为3个时期，前期（4日傍晚—5日）冷高压东移入海后，我国西南地区暖低压发展，湖北省受均压场控制，湖北省东南部转为弱的偏南风，4日夜间湖北省中部形成准东西向的辐合线（图4a），有利于本地污染物的聚集^{[7, 24-26]}，污染逐步加重，为均压场型^[19]，气压梯度小，小风或静风交替出现，风向不定（图4b），在静稳天气形势下，华北—黄淮江淮一带污染加重，河南出现短时重度污染；中期（6日）暖低压发展加强，晚上在鄂东地区再次形成准东西向的辐合线（图4c），继续本地累积；后期（7日）冷高压主体位于贝加尔湖附近，冷锋压至内蒙古中东部，凌晨至上午北风略有增大，将上游河南的污染气团向湖北省输送，鄂东及江汉平原共5个城市出现重度污染，为冷锋前部型^[19]。湖北省累积出现时间最长。第三阶段（污染消散期）冷锋南压（图4d），南支槽加深东移及中低层暖湿切变发展，湖北省自西向东转为小到中雨天气，受降水的湿清除作用及强冷空气影响，大部分城市污染情况好转。

2.3 气象要素水平变化特征

2023 年2 月4—7 日的首要污染物以PM_2.5为主，2023年湖北省污染天数平均为40 d，重度污染为3 d；荆州市污染天数为85 d，排全省第三，其中重度污染天数13 d，严重污染1 d，均排全省第一。荆州市为湖北省最南部城市，位于江汉平原，平均风速较大，易受北方污染输送和污染回流影响。

由图5可知，污染发生前，2月2日湖北省受高空槽后偏北气流控制，天气晴好，能见度约为18 km，第一阶段（污染形成期）从3日晚上开始，湖北省北部城市ρ（PM_2.5）持续上升，空气质量由良逐渐转为轻度污染，荆州地面为弱北风，平均风速为1.4 m/s，最小风速为0.7 m/s，湖北省北部的污染物易输送至荆州市，导致能见度较低，下降至5 km以内。第二阶段（污染持续累积期）的前期和中期（4日傍晚—6日夜间）气压下降，均压场转为受暖倒槽控制，气温上升，风向不定，风速偏弱，荆州市平均风速为1 m/s，平均能见度约为2.4 km，最低能见度为1.1 km。4—7日夜间地面相对湿度＞70%，白天相对湿度在50%以上，高湿度下某些吸水性较强的气溶胶粒子吸湿增长^[9]，有利于湖北和上游京津冀地区污染的累积，冬季供暖排放及静稳天气形势导致湖北长时间达到重度污染。第二阶段（污染持续累积期）的后期地面转为冷锋前输送型，风向为一致偏北风，风速略增大，前中期湖北污染累积加上后期上游传输作用，荆州空气质量持续转差。第三阶段（污染消散期）随着北方冷空气南下，气压上升，风速增加至4.5 m/s，出现较强锋面降水，ρ（PM_2.5）降至35 μg/m³以下（达国家一级标准）。

风向风速对ρ（PM_2.5）的生成和清除起重要作用。由图6可知，荆州市以东北风为主（占比22%），但ρ（PM_2.5）大值区集中在东风，风速约为0.3 m/s，大气稳定度高，加上湖北省地面长时间受中尺度辐合带控制（图4）。荆州市污染持续增长的主要原因是地面小风和风场辐合导致的本地污染物累积。

2.4 气象要素垂直分布及边界层演变特征

温度垂直变化是判断大气层结稳定度的重要依据之一。700 hPa暖脊的发展有利于大气增温，结合温度垂直廓线，达到重污染的6个城市4—7日均有多层逆温或等温出现，逆温深厚，维持时间较长，6日达到最强，黄石、黄冈及鄂州700～850 hPa逆温偏高，襄阳、荆州及荆门中层逆温较低，6日逆温最强，出现在荆州；逆温底部高度整体上逐日下降，逆温下边界较高时处于850 hPa附近，其中襄阳、荆州、黄冈、鄂州及荆门出现贴地逆温或等温，逆温下边界低于900 hPa，垂直湍流弱，极大地抑制了污染物在水平和垂直方向的扩散^[27-29]，有利于污染物堆积。

对荆州市委党校站（112.21°E，30.35°N）的垂直速度、相对湿度、温度及风场剖面分析可知，污染发生前，3日受地面冷空气影响，北风3～4级，空气质量优良。第一阶段（污染形成期）地面北风逐渐减弱至2级以下，导致上游颗粒物输送和堆积，同时850 hPa以下增湿明显，传输作用加上吸湿增长，空气质量转差。第二阶段（污染持续累积期）近地面以下沉运动为主，对流层中低层有干暖空气形成逆温层，稳定的层结及弱的垂直风切变，导致垂直速度≤ 0.2 Pa/s，垂直扩散条件较差，有利于污染物在底层聚集。湿度大值区主要集中在900～700 hPa，上升运动弱，底层湿度较差，未出现明显降水，弱上升运动虽然能将污染物带至一定高度，但其上部对应下沉运动，抑制污染物进一步向上扩散，有利于低空逆温层的维持，使大气层结更加稳定^[30]。第二阶段前中期逐渐转为弱南风，近地面风速＜ 2 m/s，有利于水汽输送和颗粒物的吸湿增长，后期转为偏北风，随着风速的逐步加大，将北方污染物输送到荆州，7日出现重度污染。第三阶段（污染清除期），7日后半夜有明显降水过程，污染物清除。

2.5 污染源分析

图7a为2月4—7日襄阳市72 h后向轨迹。影响襄阳的气团轨迹均来源于东北路（轨迹1、2和3），轨迹1从与河南南部进入湖北省，经随州到达襄阳，运行距离最短，气流出现概率为56.25%，明显高于其他轨迹，PM_2.5质量浓度为159.3 μg/m³（表1），出现概率最大且平均质量浓度最高，是影响襄阳最主要的气团轨迹，易携带较高水平浓度的PM_2.5，属于局地区域间的输送；轨迹2和3均起源于安徽北部，其中轨迹2的PM_2.5平均质量浓度为117.2 μg/m³（表1），出现概率为26.25%，从安徽出发经过河南南部和随州到达襄阳；轨迹3从安徽北部北上经过河南中部，再向南进入襄阳境内，出现概率最低但运行距离最长，平均质量浓度为108.9 μg/m³，3条轨迹均经过河南南部。图7b为2月4—7日荆州市72 h后向轨迹。影响荆州的气团轨迹主要来源于北方路径（轨迹2），轨迹2从湖北省北部随州出发，经过襄阳、荆门到达荆州，气流出现概率为57.28%，PM_2.5质量浓度为129.7 μg/m³（表1），持续时间最长，从4日夜间持续到6日傍晚；轨迹3和轨迹1均来自东北方，轨迹3的PM_2.5平均质量浓度为169.1 μg/m³（表1），平均质量浓度最高，起源于河南东南部经过随州和荆门到达荆州，2月7日6时—7日夜间是污染最严重的时段，表明河南南部对荆州的污染输送起到了重要作用；轨迹1概率为17.89%，主要出现在4日白天。外省的输送和省内的传输共同造成了荆州7日的重度污染。

3 结论

2023年2月4—7日湖北省发生一次重污染过程，湖北6个城市达到重度污染，襄阳达到重度污染最早，荆州AQI日均值最大。从大尺度环流形势、大气动力和热力条件、局地气象要素变化、气团轨迹等进行分析，得出如下结论：

（1）从大尺度环流背景来看，高空受纬向环流控制，气流南北交换弱，不利于污染物的清除；低层700 hPa暖脊叠加在925 hPa 弱冷平流之上，形成稳定的逆温层结，阻止污染物的垂直扩散，为重污染过程的发生提供了有利的环境条件。

（2）结合地面环流形势和气象要素变化将污染过程分为3个阶段，第一阶段（污染形成期）地面北风的弱输送加上吸湿增长作用，导致湖北省大部分城市达到轻度污染。第二阶段（污染持续累积期）前期和中期地面气压场由均压场转为暖倒槽控制，导致大部分地区较长时间出现小风或静风、风场辐合、高湿及逆温的静稳天气下，有利于污染物累积；第二阶段后期地面为冷锋前部型，以区域性污染输送为主，将上游污染物输送至湖北省，造成污染加重，7日达到最强。第三阶段（污染清除期）冷空气南下，北风增大至4.5 m/s，且受锋面降水影响，大部分城市空气质量转为优良，污染过程结束。

（3）3个阶段以“输送—本地累积加输送—消散”过程为主，第二阶段前、中期静稳天气持续时间最长，加上元宵节烟花爆竹燃放和汽车尾气等人为排放源的增加，导致污染物在持续累积，是重污染过程形成的主要成因。因此，对于特殊节假日期间的空气质量预报，应着重考虑长时间静稳天气条件、地面水平传输等气象因素对污染程度的加剧作用，以期提高预报预警准确性。

（4）大气垂直结构方面，达到重度污染的城市均有多层逆温或等温的出现，且持续时间长，其中襄阳、荆州、黄冈、鄂州及荆门5个城市甚至出现贴地逆温或等温。逆温强度均在6日达到最强，正处于污染持续累积期。6日，污染最重的荆州逆温强于其余城市，稳定层结和弱的垂直风切变，导致边界层垂直速度弱（≤0.2 m/s）。荆州湿区深厚，但由于上升速度弱，未形成降水，使逆温层得到发展和维持，不利于污染物在垂直方向的扩散。

（5）襄阳市PM_2.5主要贡献区为与湖北接壤的河南南部和安徽北部，其中河南南部贡献最大。荆州PM_2.5贡献区主要来自湖北省随州市，并且轨迹经过了污染出现最早的襄阳市，运行距离最短，持续时间最长，对荆州的污染输送起到了重要作用。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42475196)

国家自然科学基金项目(42075186)

湖北省自然科学基金项目(2022CFD015)

武汉市气象科技联合项目(2023020201010581)