杭州臨安一次嚴(yán)重大氣污染過程的氣溫與污染物特征

王 維，侯 平，嚴(yán)淑嫻，王宇勝

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311300，2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州 311300）

污染事件發(fā)生與大氣邊界層密切相關(guān)［1－7］。20世紀(jì)初，邊界層理論的提出為這一領(lǐng)域研究奠定了理論基礎(chǔ)［8］。1940年，中國學(xué)者提出的湍流應(yīng)力方程，豐富了大氣邊界層研究內(nèi)容［9］。20世紀(jì)中后期，西方學(xué)者提出了局地大氣邊界層自由對流、大氣溫度層結(jié)等概念［10］，陳隆勛等［11］提出大氣邊界層湍流場結(jié)構(gòu)。進(jìn)入21世紀(jì)，激光雷達(dá)和紅外技術(shù)的運(yùn)用提高了大氣邊界層溫度研究的精度，發(fā)現(xiàn)區(qū)域大氣污染與逆溫出現(xiàn)導(dǎo)致的氣流停滯有著密切關(guān)系［12－18］，強(qiáng)而厚的逆溫層和低的逆溫層高度將污染物壓縮至地面［19－24］，可通過大氣邊界層溫度監(jiān)測為霧霾的預(yù)報(bào)提供依據(jù)［25－28］。由此，大氣邊界層溫度與污染物的關(guān)聯(lián)性成為研究熱點(diǎn)問題［29－30］。本研究以杭州市臨安區(qū)一次嚴(yán)重污染過程作為案例，分析期間近地大氣邊界層溫度變化、逆溫產(chǎn)生過程與空氣污染出現(xiàn)的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

杭州臨安（30°15′N，119°43′E），海拔100～150 m，位于浙江省西北部，隸屬于杭州市。為亞熱帶季風(fēng)性氣候，盛行東南季風(fēng)，年均降水量1 613.9 mm，年平均降水日158.0 d，無霜期年平均237.0 d。臨安境內(nèi)地勢自西北向東南傾斜，北、西、南三面環(huán)山，東西100 km，南北50 km，總面積3 126.8 km2。西北、西南部山區(qū)平均海拔在1 000 m以上，東部河谷平原海拔在50 m以下，東西海拔相差1 770 m［31］。城區(qū)空氣首要污染物為可吸入顆粒物（PM10）和細(xì)顆粒物（PM2.5）。二氧化硫（SO2），二氧化氮（NO2），PM10和PM2.5年日均值分別為8，31，81和45 μg·m－3。2016年空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)為312 d，優(yōu)良率85.2%。

1.2 研究方法

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測總站 “全國空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)”。收集了2015年12月20－25日6 d的臨安區(qū)人民政府、臨安四中2個(gè)站點(diǎn)的PM2.5，PM10，二氧化硫（SO2），二氧化氮（NO2），一氧化碳（CO）和臭氧（O3）等逐時(shí)數(shù)值。 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為 GB 3095－2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和 HJ 633－2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》。氣溫?cái)?shù)據(jù)由MTP5-HE微波遙感溫度廓線儀測定，收集頻率為5 min·次－1，接收數(shù)據(jù)20個(gè)·次－1，共收集溫度數(shù)據(jù)34 560個(gè)。其工作原理是由一個(gè)輻射儀和微波吸收天線，分別發(fā)出與吸收微波，測試微波變化，并計(jì)算出氣溫廓線，廓線從地面開始隔50 m測得1個(gè)氣溫?cái)?shù)據(jù)，點(diǎn)直至1 000 m高處，整個(gè)過程由全功能軟件完成。

主要運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的時(shí)間序列分析方法，對測量期間從地面至1 000 m高空中氣溫變化情況進(jìn)行分析。由于氣溫?cái)?shù)據(jù)量大，采用計(jì)算機(jī)程序識(shí)別逆溫狀態(tài)，篩選出相應(yīng)特征數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化找出逆溫底高、逆溫頂高以及對應(yīng)的氣溫、逆溫厚度和溫差等數(shù)據(jù)。再結(jié)合對應(yīng)時(shí)間段內(nèi)6種污染物變化情況，尋找逆溫生成過程與污染演化過程的關(guān)系。用SigmaPlot 12.5作圖呈現(xiàn)這次嚴(yán)重污染期間氣溫廓線圖。逆溫層厚度：ΔH=H2－H1，其中：H1和H2分別為逆溫層底高、頂高（m）；逆溫層溫度差：ΔT=T2－T1， 其中T1和T2分別為逆溫層底部、 頂部溫度（℃）［32］。

2 結(jié)果與分析

2.1 天氣條件及空氣質(zhì)量情況

表1是這次大氣污染過程的天氣狀況。主要特征是陰或小雨、低溫和微風(fēng)，不利于空氣擴(kuò)散?？諝鉂穸却笥欣谘趸?、氧化硫類和氧化碳類氣體與水分子結(jié)合生成懸浮小顆粒物。

表2是空氣質(zhì)量的日變化過程。主要特征是：連續(xù)3 d輕度污染后衍化為1 d的重度污染，隨后消弱至中度，之后變?yōu)榱己?，整個(gè)過程6 d。主要污染物為PM2.5和PM10。其他指標(biāo)處在較低狀態(tài)。

逆溫可分為3個(gè)階段，如圖1～3所示。第1階段：逆溫初始期20日21:00至21日9:00，出現(xiàn)拉長的逆溫現(xiàn)象；第2階段：21日12:00至24日18:00，持續(xù)了約40 h的逆溫過程，其間22日全天出現(xiàn)持續(xù)逆溫狀態(tài)，白天地面氣溫與空中氣溫持續(xù)升高，距地面高度1 000 m范圍內(nèi)氣溫基本相同，且距離地面高度700 m處氣溫持續(xù)升高，20:00后距地面高度500 m以下的溫度降到8.0℃，但700 m高度處氣溫依然超過10.0℃，出現(xiàn)了該次最強(qiáng)烈的逆溫溫差和最大逆溫厚度。連續(xù)的逆溫使得空氣的擴(kuò)散受阻，釀成了23日嚴(yán)重霧霾。第3階段：24日20:00以后，逆溫逐步消散，25日恢復(fù)正常態(tài)。

表1 天氣情況Table 1 Weather conditions

表2 空氣質(zhì)量情況Table 2 Air quality situation

圖1 2015年12月20－21日氣溫廓線圖Figure 1 Temperature profile on December 20－21,2015

2.2 大氣溫度廓線演變

每日氣溫層結(jié)變化描述如下：20日全天溫差為10.0℃，最高溫度12.0℃，最低溫度2.0℃。當(dāng)天逆溫主要集中在清晨和夜間2個(gè)時(shí)段。第1階段（0:00－9:00）共經(jīng)歷9 h，溫差小于1.0℃，逆溫下限與上限分別為400和700 m，平均厚度為350 m。第2階段，自21:00出現(xiàn)逆溫狀態(tài)，溫差小于1.0℃，逆溫下限與上限為300和800 m，平均厚度為450 m。

21日全天溫差為5.0℃，最高溫度為9.0℃，最低溫度為4.0℃。全天逆溫集中于2個(gè)時(shí)段：第1階段（0:00－3:00）共經(jīng)歷3 h，溫差小于0.5℃，逆溫下限與上限處于400和900 m，平均厚度300 m。該階段內(nèi)800 m以上溫度低于5.0℃，200 m以下平均氣溫度7.0℃。第2階段自14:00以后，溫差小于0.5℃，逆溫厚度不足100 m。18:00起逆溫高度處于550～750 m，逆溫厚度超過200 m，溫差平均為0.8℃。20:00后逆溫范圍不斷擴(kuò)大，逆溫厚度逐漸增加，逆溫中心溫度超過9.0℃。

圖2 2015年12月22－23日氣溫度廓線圖Figure 2 Temperature profile on December 22－23,2015

22日全天出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，溫差為7.0℃，最高溫度13.0℃，最低溫度6.0℃。0:00－6:00時(shí)間段內(nèi)，200 m以下平均氣溫7.0℃，700 m處氣溫10.0℃。8:00－16:00距地面高度200 m處氣溫逐漸升高，平均氣溫12.0℃。700 m處氣溫自7:00以后超過11.0℃且不斷升高，逆溫厚度從50 m增加到500 m，溫差最高達(dá)4.0℃。10:00－17:00距地面1 000 m高度內(nèi)氣溫基本相同且超過11.0℃，全過程溫差超過1.0℃。17:00－19:00地面氣溫不斷下降且低于10.0℃，700 m處氣溫仍高于12.0℃且氣溫不斷降低。19:00后700 m處溫度逐漸低于12.0℃，逆溫厚度逐漸減小為200 m，1 h后距地面高度200 m處氣溫下降至10.0℃，700 m處氣溫下降至11.0℃，范圍繼續(xù)縮小。

23日全天存在逆溫現(xiàn)象，溫差為5.0℃，最高氣溫11.0℃，最低氣溫6.0℃。1:00－4:00近地面溫度10.0℃，距地面高度700 m氣溫11.0℃。4:00－12:00時(shí)間段內(nèi)300和700 m高度處氣溫均不斷下降，并依然存在溫差超過2.0℃的逆溫現(xiàn)象。12:00后近地面溫度開始逐漸升高至11.0℃。700 m處氣溫也開始升高到10.0℃。20:00以后距地面200 m以上區(qū)域的氣溫下降至8.0℃，200 m以下范圍內(nèi)氣溫下降至9.0℃。

24日全天溫差為6.0℃，最高氣溫10.0℃，最低氣溫4.0℃，逆溫時(shí)段主要集中在11:00前。0:00－8:00距地面高度100 m處氣溫為8.0℃，600～700 m處平均氣溫8.0℃，200～500 m處平均氣溫7.0℃，逆溫厚度100 m，溫差小于1.0℃。8:00－14:00距地面100 m處氣溫逐漸升高至10.0℃，700 m處氣溫為8.0℃，600 m處個(gè)別時(shí)段出現(xiàn)氣溫為10.0℃。25日未出現(xiàn)明顯逆溫現(xiàn)象，溫差為8.0℃，最高氣溫12.0℃，最低氣溫4.0℃。

圖3 2015年12月24－25日氣溫廓線圖Figure 3 Temperature profile on December 24－25,2015

2.3 逆溫溫差與逆溫厚度關(guān)系

圖4為2015年12月20-25日臨安區(qū)逐時(shí)逆溫溫差與逆溫厚度變化情況。逆溫厚度最大值為700 m，平均逆溫厚度為359.9 m。逆溫溫差最大值為3.68℃，平均逆溫為0.71℃。逆溫溫差最大值與逆溫厚度最大值均出現(xiàn)在22日8:00。逆溫溫差與逆溫厚度存在極顯著相關(guān)（R2=0.914，P＜0.01）。

圖4 逆溫厚度與逆溫溫差變化Figure 4 Variation between inversion thickness and inversion temperature difference

2.4 逆溫高度與污染物變化

圖5呈現(xiàn)的是這一過程中臨安區(qū)人民政府和臨安四中2個(gè)測點(diǎn)逐時(shí)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與逆溫高度變化情況。逆溫過程特征為：20日逆溫頂高平均高度為600 m，逆溫底高從距離地面50 m上升至300 m，全天2種顆粒物質(zhì)量濃度變化不大。21日18:00后逆溫頂高距地面高度由600 m上升至700 m，逆溫底高從300 m下降至50 m。22日逆溫頂高平均高度700 m，逆溫底高平均高度150 m。23日1:00逆溫頂高下降為距地面600 m，逆溫底高從距離地面150 m上升至450 m，伴隨逆溫底高上升2種顆粒物質(zhì)量濃度不斷升高。20:00后逆溫底高逐漸下降至距地面200 m，2種污染物質(zhì)量濃度波動(dòng)下降。24日16:00時(shí)后逆溫逐漸消散；25日基本不存在逆溫現(xiàn)象，2種顆粒物質(zhì)量濃度處于較低水平。

圖5 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與逆溫高度變化Figure 5 Changes between PM2.5and PM10concentration and temperature inversion

從污染角度看，PM2.5和PM10的發(fā)生隨逆溫而來，又隨逆溫消散而去，并且伴隨逆溫過程而積累。PM2.5的變化特征是：總體處在24 h平均75 μg·m－3二級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)之上。20－22日夜間PM2.5的空氣質(zhì)量分指數(shù)（IAQI）為150，個(gè)別時(shí)段指數(shù)達(dá)到200，凌晨和傍晚指數(shù)相對較高；23日污染質(zhì)量濃度達(dá)到全過程峰值， 臨安四中站為 284 μg·m－3， 區(qū)人民政府站為 259 μg·m－3， 25 日迅速下降至 50 μg·m－3以下。

PM10的變化特征是：2個(gè)測點(diǎn)的質(zhì)量濃度變化相差不大，總體處在24 h平均150 μg·m－3二級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)之上。20－22日空氣質(zhì)量分指數(shù)為150～200，夜間達(dá)200。之后2個(gè)測點(diǎn)質(zhì)量濃度波動(dòng)上升，23日達(dá)到整個(gè)過程峰值， 臨安四中站為 389 μg·m－3， 區(qū)人民政府站為 395 μg·m－3， 25 日迅速下降至 100 μg·m－3以下。

圖6呈現(xiàn)的是臨安區(qū)人民政府和臨安四中2個(gè)測點(diǎn)逐時(shí)氣體污染物質(zhì)量濃度與逆溫高度變化情況。20日中午臨安區(qū)人民政府站二氧化硫質(zhì)量濃度達(dá)到當(dāng)日峰值25 μg·m－3，臨安四中站為14 μg·m－3，25日19:00臨安區(qū)人民政府站出現(xiàn)峰值25 μg·m－3，整個(gè)過程二氧化硫質(zhì)量濃度均低于國家24 h平均50 μg·m－3的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在一天中早晨質(zhì)量濃度逐漸升高，中午達(dá)到峰值，夜晚降低。

一氧化碳質(zhì)量濃度在22日23:00達(dá)全過程峰值，臨安區(qū)人民政府站為1.6 mg·m－3，臨安四中站為2.5 mg·m－3。 23 日 19:00 臨安區(qū)人民政府站出現(xiàn)峰值為 2.3 mg·m－3， 臨安四中站點(diǎn)為 2.5 mg·m－3。 全過程在國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

圖6 氣體污染物質(zhì)量濃度與逆溫高度變化Figure 6 Changes between gas pollutant concentration and temperature inversion

二氧化氮質(zhì)量濃度21日19:00到達(dá)全天峰值，臨安區(qū)人民政府站為75 μg·m－3，臨安四中站為99 μg·m－3。22日18:00臨安區(qū)人民政府站和臨安四中站質(zhì)量濃度分別為71和105 μg·m－3。全過程在國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

2個(gè)站臭氧質(zhì)量濃度變化差異較大，臨安四中站平均值優(yōu)于臨安區(qū)人民政府站；整個(gè)階段內(nèi)變化幅度較大。白天出現(xiàn)峰值，夜間降低，全過程在國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

臨安四中站PM10質(zhì)量濃度與逆溫底高極顯著相關(guān)（R2=0.326，P＜0.01），PM2.5質(zhì)量濃度與逆溫底高顯著相關(guān)（R2=0.101，P＜0.05）；臨安區(qū)人民政府站PM10質(zhì)量濃度與逆溫底高顯著相關(guān)（R2=0.177，P＜0.05），PM2.5質(zhì)量濃度與逆溫底高顯著相關(guān)（R2=0.194，P＜0.05）。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與逆溫底高變化基本一致。逆溫底高下降使得垂直方向上顆粒物不容易擴(kuò)散，大量顆粒物聚集造成了嚴(yán)重空氣污染事件發(fā)生。該結(jié)論與杜榮光等［13］和簡根梅等［15］結(jié)論一致。逆溫頂高高度為550～700 m且變化不明顯，逆溫頂高與2個(gè)測站PM2.5和PM10質(zhì)量濃度不存在顯著相關(guān)性。PM2.5質(zhì)量濃度超過115 μg·m－3（對應(yīng)IAQI為150）和PM10質(zhì)量濃度超過250 μg·m－3（對應(yīng)IAQI為150）。二氧化硫、一氧化碳、臭氧和二氧化氮的質(zhì)量濃度平均值分別為 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）。全過程中前3種氣體污染物質(zhì)量濃度均低于空氣質(zhì)量分指數(shù)50對應(yīng)的質(zhì)量濃度值150 μg·m－3， 5 mg·m－3和 160 μg·m－3， 二氧化氮質(zhì)量濃度除個(gè)別時(shí)間點(diǎn)外也均低于 100 μg·m－3（對應(yīng) IAQI為50）。

3 結(jié)論

研究區(qū)逆溫現(xiàn)象主要集中在清晨和傍晚，逆溫底高和頂高通常為400和700 m。該次霧霾是連續(xù)3 d輕度污染后衍化為1 d的重度污染，隨后消弱至中度，之后變?yōu)榱己?，整個(gè)過程為6 d。污染隨逆溫而來，又隨逆溫消散而去，并且伴隨逆溫過程而積累。

該次霧霾過程，逆溫厚度最大值為700.0 m，平均逆溫厚度為359.9 m。逆溫溫差最大值為3.7℃，平均逆溫為0.7℃。逆溫溫差與逆溫厚度極顯著相關(guān)（R2=0.914，P＜0.01）。

PM2.5和PM10是主要污染物，該次嚴(yán)重污染期間，兩者質(zhì)量濃度分別超過115和250 μg·m－3；二氧化硫、一氧化碳、臭氧和二氧化氮等4種氣體在這次污染過程中始終處在較低的質(zhì)量濃度狀態(tài)。

PM2.5和PM10與逆溫底高具有極顯著正相關(guān)，逆溫頂高與2種顆粒物質(zhì)量濃度不存在顯著相關(guān)。造成污染的原因是逆溫底高度下降，垂直方向上顆粒物擴(kuò)散受阻而產(chǎn)生大量聚集。