杭州临安一次严重大气污染过程的气温与污染物特征

2018-11-30严淑娴王宇胜

浙江农林大学学报 2018年6期

王维，侯平，严淑娴，王宇胜

（1.浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江杭州 311300，2.浙江农林大学环境与资源学院，浙江杭州 311300）

污染事件发生与大气边界层密切相关［1－7］。20世纪初，边界层理论的提出为这一领域研究奠定了理论基础［8］。1940年，中国学者提出的湍流应力方程，丰富了大气边界层研究内容［9］。20世纪中后期，西方学者提出了局地大气边界层自由对流、大气温度层结等概念［10］，陈隆勋等［11］提出大气边界层湍流场结构。进入21世纪，激光雷达和红外技术的运用提高了大气边界层温度研究的精度，发现区域大气污染与逆温出现导致的气流停滞有着密切关系［12－18］，强而厚的逆温层和低的逆温层高度将污染物压缩至地面［19－24］，可通过大气边界层温度监测为雾霾的预报提供依据［25－28］。由此，大气边界层温度与污染物的关联性成为研究热点问题［29－30］。本研究以杭州市临安区一次严重污染过程作为案例，分析期间近地大气边界层温度变化、逆温产生过程与空气污染出现的关系。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

杭州临安（30°15′N，119°43′E），海拔100～150 m，位于浙江省西北部，隶属于杭州市。为亚热带季风性气候，盛行东南季风，年均降水量1 613.9 mm，年平均降水日158.0 d，无霜期年平均237.0 d。临安境内地势自西北向东南倾斜，北、西、南三面环山，东西100 km，南北50 km，总面积3 126.8 km2。西北、西南部山区平均海拔在1 000 m以上，东部河谷平原海拔在50 m以下，东西海拔相差1 770 m［31］。城区空气首要污染物为可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）。二氧化硫（SO2），二氧化氮（NO2），PM10和PM2.5年日均值分别为8，31，81和45 μg·m－3。2016年空气质量优良天数为312 d，优良率85.2%。

1.2 研究方法

空气质量数据来自中国环境监测总站 “全国空气质量实时发布平台”。收集了2015年12月20－25日6 d的临安区人民政府、临安四中2个站点的PM2.5，PM10，二氧化硫（SO2），二氧化氮（NO2），一氧化碳（CO）和臭氧（O3）等逐时数值。评价标准为 GB 3095－2012《环境空气质量标准》和 HJ 633－2012《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》。气温数据由MTP5-HE微波遥感温度廓线仪测定，收集频率为5 min·次－1，接收数据20个·次－1，共收集温度数据34 560个。其工作原理是由一个辐射仪和微波吸收天线，分别发出与吸收微波，测试微波变化，并计算出气温廓线，廓线从地面开始隔50 m测得1个气温数据，点直至1 000 m高处，整个过程由全功能软件完成。

主要运用统计学中的时间序列分析方法，对测量期间从地面至1 000 m高空中气温变化情况进行分析。由于气温数据量大，采用计算机程序识别逆温状态，筛选出相应特征数据，并通过数据格式转化找出逆温底高、逆温顶高以及对应的气温、逆温厚度和温差等数据。再结合对应时间段内6种污染物变化情况，寻找逆温生成过程与污染演化过程的关系。用SigmaPlot 12.5作图呈现这次严重污染期间气温廓线图。逆温层厚度：ΔH=H2－H1，其中：H1和H2分别为逆温层底高、顶高（m）；逆温层温度差：ΔT=T2－T1，其中T1和T2分别为逆温层底部、顶部温度（℃）［32］。

2 结果与分析

2.1 天气条件及空气质量情况

表1是这次大气污染过程的天气状况。主要特征是阴或小雨、低温和微风，不利于空气扩散。空气湿度大有利于氧化氮类、氧化硫类和氧化碳类气体与水分子结合生成悬浮小颗粒物。

表2是空气质量的日变化过程。主要特征是：连续3 d轻度污染后衍化为1 d的重度污染，随后消弱至中度，之后变为良好，整个过程6 d。主要污染物为PM2.5和PM10。其他指标处在较低状态。

逆温可分为3个阶段，如图1～3所示。第1阶段：逆温初始期20日21:00至21日9:00，出现拉长的逆温现象；第2阶段：21日12:00至24日18:00，持续了约40 h的逆温过程，其间22日全天出现持续逆温状态，白天地面气温与空中气温持续升高，距地面高度1 000 m范围内气温基本相同，且距离地面高度700 m处气温持续升高，20:00后距地面高度500 m以下的温度降到8.0℃，但700 m高度处气温依然超过10.0℃，出现了该次最强烈的逆温温差和最大逆温厚度。连续的逆温使得空气的扩散受阻，酿成了23日严重雾霾。第3阶段：24日20:00以后，逆温逐步消散，25日恢复正常态。

表1 天气情况Table 1 Weather conditions

表2 空气质量情况Table 2 Air quality situation

图1 2015年12月20－21日气温廓线图Figure 1 Temperature profile on December 20－21,2015

2.2 大气温度廓线演变

每日气温层结变化描述如下：20日全天温差为10.0℃，最高温度12.0℃，最低温度2.0℃。当天逆温主要集中在清晨和夜间2个时段。第1阶段（0:00－9:00）共经历9 h，温差小于1.0℃，逆温下限与上限分别为400和700 m，平均厚度为350 m。第2阶段，自21:00出现逆温状态，温差小于1.0℃，逆温下限与上限为300和800 m，平均厚度为450 m。

21日全天温差为5.0℃，最高温度为9.0℃，最低温度为4.0℃。全天逆温集中于2个时段：第1阶段（0:00－3:00）共经历3 h，温差小于0.5℃，逆温下限与上限处于400和900 m，平均厚度300 m。该阶段内800 m以上温度低于5.0℃，200 m以下平均气温度7.0℃。第2阶段自14:00以后，温差小于0.5℃，逆温厚度不足100 m。18:00起逆温高度处于550～750 m，逆温厚度超过200 m，温差平均为0.8℃。20:00后逆温范围不断扩大，逆温厚度逐渐增加，逆温中心温度超过9.0℃。

图2 2015年12月22－23日气温度廓线图Figure 2 Temperature profile on December 22－23,2015

22日全天出现逆温现象，温差为7.0℃，最高温度13.0℃，最低温度6.0℃。0:00－6:00时间段内，200 m以下平均气温7.0℃，700 m处气温10.0℃。8:00－16:00距地面高度200 m处气温逐渐升高，平均气温12.0℃。700 m处气温自7:00以后超过11.0℃且不断升高，逆温厚度从50 m增加到500 m，温差最高达4.0℃。10:00－17:00距地面1 000 m高度内气温基本相同且超过11.0℃，全过程温差超过1.0℃。17:00－19:00地面气温不断下降且低于10.0℃，700 m处气温仍高于12.0℃且气温不断降低。19:00后700 m处温度逐渐低于12.0℃，逆温厚度逐渐减小为200 m，1 h后距地面高度200 m处气温下降至10.0℃，700 m处气温下降至11.0℃，范围继续缩小。

23日全天存在逆温现象，温差为5.0℃，最高气温11.0℃，最低气温6.0℃。1:00－4:00近地面温度10.0℃，距地面高度700 m气温11.0℃。4:00－12:00时间段内300和700 m高度处气温均不断下降，并依然存在温差超过2.0℃的逆温现象。12:00后近地面温度开始逐渐升高至11.0℃。700 m处气温也开始升高到10.0℃。20:00以后距地面200 m以上区域的气温下降至8.0℃，200 m以下范围内气温下降至9.0℃。

24日全天温差为6.0℃，最高气温10.0℃，最低气温4.0℃，逆温时段主要集中在11:00前。0:00－8:00距地面高度100 m处气温为8.0℃，600～700 m处平均气温8.0℃，200～500 m处平均气温7.0℃，逆温厚度100 m，温差小于1.0℃。8:00－14:00距地面100 m处气温逐渐升高至10.0℃，700 m处气温为8.0℃，600 m处个别时段出现气温为10.0℃。25日未出现明显逆温现象，温差为8.0℃，最高气温12.0℃，最低气温4.0℃。

图3 2015年12月24－25日气温廓线图Figure 3 Temperature profile on December 24－25,2015

2.3 逆温温差与逆温厚度关系

图4为2015年12月20-25日临安区逐时逆温温差与逆温厚度变化情况。逆温厚度最大值为700 m，平均逆温厚度为359.9 m。逆温温差最大值为3.68℃，平均逆温为0.71℃。逆温温差最大值与逆温厚度最大值均出现在22日8:00。逆温温差与逆温厚度存在极显著相关（R2=0.914，P＜0.01）。

图4 逆温厚度与逆温温差变化Figure 4 Variation between inversion thickness and inversion temperature difference

2.4 逆温高度与污染物变化

图5呈现的是这一过程中临安区人民政府和临安四中2个测点逐时PM2.5和PM10质量浓度与逆温高度变化情况。逆温过程特征为：20日逆温顶高平均高度为600 m，逆温底高从距离地面50 m上升至300 m，全天2种颗粒物质量浓度变化不大。21日18:00后逆温顶高距地面高度由600 m上升至700 m，逆温底高从300 m下降至50 m。22日逆温顶高平均高度700 m，逆温底高平均高度150 m。23日1:00逆温顶高下降为距地面600 m，逆温底高从距离地面150 m上升至450 m，伴随逆温底高上升2种颗粒物质量浓度不断升高。20:00后逆温底高逐渐下降至距地面200 m，2种污染物质量浓度波动下降。24日16:00时后逆温逐渐消散；25日基本不存在逆温现象，2种颗粒物质量浓度处于较低水平。

图5 PM2.5和PM10质量浓度与逆温高度变化Figure 5 Changes between PM2.5and PM10concentration and temperature inversion

从污染角度看，PM2.5和PM10的发生随逆温而来，又随逆温消散而去，并且伴随逆温过程而积累。PM2.5的变化特征是：总体处在24 h平均75 μg·m－3二级国家标准之上。20－22日夜间PM2.5的空气质量分指数（IAQI）为150，个别时段指数达到200，凌晨和傍晚指数相对较高；23日污染质量浓度达到全过程峰值，临安四中站为 284 μg·m－3，区人民政府站为 259 μg·m－3， 25 日迅速下降至 50 μg·m－3以下。

PM10的变化特征是：2个测点的质量浓度变化相差不大，总体处在24 h平均150 μg·m－3二级国家标准之上。20－22日空气质量分指数为150～200，夜间达200。之后2个测点质量浓度波动上升，23日达到整个过程峰值，临安四中站为 389 μg·m－3，区人民政府站为 395 μg·m－3， 25 日迅速下降至 100 μg·m－3以下。

图6呈现的是临安区人民政府和临安四中2个测点逐时气体污染物质量浓度与逆温高度变化情况。20日中午临安区人民政府站二氧化硫质量浓度达到当日峰值25 μg·m－3，临安四中站为14 μg·m－3，25日19:00临安区人民政府站出现峰值25 μg·m－3，整个过程二氧化硫质量浓度均低于国家24 h平均50 μg·m－3的一级标准。在一天中早晨质量浓度逐渐升高，中午达到峰值，夜晚降低。

一氧化碳质量浓度在22日23:00达全过程峰值，临安区人民政府站为1.6 mg·m－3，临安四中站为2.5 mg·m－3。 23 日 19:00 临安区人民政府站出现峰值为 2.3 mg·m－3，临安四中站点为 2.5 mg·m－3。全过程在国家一级标准内。

图6 气体污染物质量浓度与逆温高度变化Figure 6 Changes between gas pollutant concentration and temperature inversion

二氧化氮质量浓度21日19:00到达全天峰值，临安区人民政府站为75 μg·m－3，临安四中站为99 μg·m－3。22日18:00临安区人民政府站和临安四中站质量浓度分别为71和105 μg·m－3。全过程在国家一级标准内。

2个站臭氧质量浓度变化差异较大，临安四中站平均值优于临安区人民政府站；整个阶段内变化幅度较大。白天出现峰值，夜间降低，全过程在国家一级标准内。

临安四中站PM10质量浓度与逆温底高极显著相关（R2=0.326，P＜0.01），PM2.5质量浓度与逆温底高显著相关（R2=0.101，P＜0.05）；临安区人民政府站PM10质量浓度与逆温底高显著相关（R2=0.177，P＜0.05），PM2.5质量浓度与逆温底高显著相关（R2=0.194，P＜0.05）。PM2.5和PM10质量浓度与逆温底高变化基本一致。逆温底高下降使得垂直方向上颗粒物不容易扩散，大量颗粒物聚集造成了严重空气污染事件发生。该结论与杜荣光等［13］和简根梅等［15］结论一致。逆温顶高高度为550～700 m且变化不明显，逆温顶高与2个测站PM2.5和PM10质量浓度不存在显著相关性。PM2.5质量浓度超过115 μg·m－3（对应IAQI为150）和PM10质量浓度超过250 μg·m－3（对应IAQI为150）。二氧化硫、一氧化碳、臭氧和二氧化氮的质量浓度平均值分别为 10.7 μg·m－3（σ＝4.52）， 1.5 mg·m－3（σ＝0.35）， 102.7 μg·m－3（σ＝8.93）， 51.5 μg·m－3（σ＝15.65）。全过程中前3种气体污染物质量浓度均低于空气质量分指数50对应的质量浓度值150 μg·m－3， 5 mg·m－3和 160 μg·m－3，二氧化氮质量浓度除个别时间点外也均低于 100 μg·m－3（对应 IAQI为50）。