随着2013年《大气污染防治行动计划》的实施，中国大气颗粒物污染持续得到改善。当前全国主要区域秋冬季颗粒物污染仍然时有发生，成为制约PM2.5达标的关键。人为源排放的贡献被广泛认为是城市群PM2.5污染的决定性因素，而霾污染的爆发、持续和消散一般取决于大尺度或天气尺度大气环流控制的气象条件和区域天气形势。目前，对于在各种可能的天气形式下，秋冬季重污染成因的差异如何；当前各个城市的重污染减排方案是否在任何天气条件下都是有效的以及如何优化是亟待回答的科学问题，也可为区域空气质量管控决策提供参考。
中国地质大学（武汉）孔少飞教授课题组以长江中游流域腹地地区冬季灰霾过程中严重的颗粒物污染为例，研究了在各种天气形势控制下，排放控制对减少PM2.5污染的效果。通过Lamb-Jenkension方法，对2013-2018年华中地区PM2.5重污染日（日平均PM2.5浓度大于150μg/m3，共109天）的气象场进行环流分类，以区分其天气形势。其中主要的天气型为SW型、NW型、A型和C型，分别占总污染日数的29%、27%、19%和12%。这四种主要天气形势的示意图如图1所示。
图1 四种主要天气形势的示意图
华中在SW型中地处渤海东北高压的后部和西南暖低压的前部。受偏南气流的影响，有利于华南地区大气污染物向华中地区输送；并且华中局地风速小于3m/s，局地形成和输送贡献的污染物的扩散受到抑制。NW型深厚的冷高压中心在新疆形成，华中处于高压的前部而受到偏北气流的影响。NW型引起的霾污染与SW型造成的传输累积污染相似，但传输路径为华北到华中。在A型环流场中，华中处于高压前稀疏的气压场中，地面平均风速~1.3 m/s。此外，由于北方高压脊较弱，不利于冷空气东移南下，天气形势稳定，局地排放容易累积，导致华中雾霾污染严重。而C型环流主要发生在冬末春初，相对湿度较大，平均为74%，可以促进颗粒物的吸湿增长。并且新疆南部和高原北部高压加强，形成西南低压中心。华中位于低压系统控制中，地面风速较小（0-3m/s），雾霾污染持续严重。
利用大气化学传输模型GEOS-Chem模拟了不同天气条件下PM2.5的局地来源以及跨境输送（图2）。结果表明，在SW型/NW型天气形势下，受南风/北风影响，华南/华北地区的污染物可向华中地区输送，输送贡献率为7.6%/37%。在A型/C型天气形势下，受稳定的天气条件/较高的相对湿度影响，污染过程受非局地排放源的影响较小，本地排放源对PM2.5的贡献占主导地位（82%/85%）。
图2 GEOS-Chem控制试验（红）和评估局地-输送贡献的敏感性试验（黑）模拟的PM2.5浓度（μg/m3），以及敏感性模拟和控制模拟之间的差异（黑色字符为质量浓度；蓝色字符为百分比）。
进一步利用GEOS-Chem敏感性试验对主要天气型控制下PM2.5污染事件的减排效果进行了评估（图3）。若仅减少SO2和NOx排放，不控制NH3，由于硝酸盐和硫酸盐之间的竞争机制，硫酸盐和铵盐的浓度降低，而硝酸盐的浓度反而升高。硝酸盐的增加抵消了硫酸盐降低对PM2.5缓解的作用，PM2.5浓度降低不到4%。即使NH3排放也减少了，PM2.5浓度的减少也不到9%。采用多种前体物协同减排方案后，PM2.5浓度显著降低，改善率可达9.0-15.9%。并且，对于具有明显输送特征的污染事件，本地与上风方向污染区域进行协同减排可以有效缓解本地的污染程度，改善效果明显，达到17.4-18.8%。其中NW型天气控制的大气污染事件联防联控效果最好，SW型次之。
图3 GEOS-Chem控制试验（红）和不同减排方案的敏感性试验（黑）模拟的PM2.5浓度（μg/m3），以及敏感性模拟和控制模拟之间的差异（黑色字符为质量浓度；蓝色字符为百分比）。
该项工作结合大气环流分型和大气化学数值模拟的研究方法，定量评估了不同天气形势下，地方减排联合区域协作防控对于缓解霾污染的有效性，可为不同天气类型下秋冬季严重霾污染的排放控制提供参考，为区域空气质量决策提供依据。上述成果发表在《Atmospheric Chemistry and Physics》，受到科技部重点研发计划（2016YFA0602002，2017YFC0212602）、国家自然科学基金（41905112）、中国博士后科学基金等项目资助。大气科学系燕莹莹副教授和武汉区域气候中心周悦研究员为共同一作，孔少飞教授为通讯作者。
文章链接：https://acp.copernicus.org/articles/21/3143/2021/
