基于氣象梯度塔近地層觀測(cè)的PM2.5與能見度特征

張麗，李磊，楊紅龍

（1.深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái)，廣東深圳 518040；2.深圳南方強(qiáng)天氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518040；3.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東珠海 519082）

近年來(lái)珠三角地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量不斷提升，各政府部門堅(jiān)持“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)理念，不斷從源頭上解決污染問(wèn)題，調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)［1-2］，加大生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和治理力度。在污染源基本穩(wěn)定的前提下，短期內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣主要由天氣形勢(shì)和氣象條件控制［3-6］。邊界層氣象條件特征直接影響了近地層物質(zhì)和能量的交換，因此對(duì)污染物的擴(kuò)散和清除起著重要的作用［7-9］。隨著邊界層探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，探測(cè)儀器也越來(lái)越精準(zhǔn)、精細(xì)，比如激光雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)和微波輻射計(jì)等探測(cè)設(shè)備的運(yùn)用。針對(duì)天津地區(qū)大氣污染中近地面大氣層結(jié)的研究指出，逆溫層厚度和大氣層結(jié)穩(wěn)定性是影響污染的主要?dú)庀笠蛩兀?0-11］。深圳梯度塔探測(cè)資料彌補(bǔ)了各種探測(cè)設(shè)備在近地層探測(cè)精度不足的缺點(diǎn)［12-13］，對(duì)350 m以下人類活動(dòng)和城市污染最關(guān)鍵的區(qū)域開展精細(xì)化的測(cè)量。本研究通過(guò)對(duì)近地層逆溫特征的分析，探討了靜穩(wěn)氣象條件，為污染天氣監(jiān)測(cè)提供定量的指標(biāo)。

1 資料與方法

深圳氣象梯度觀測(cè)塔（簡(jiǎn)稱梯度塔）位于深圳市寶安區(qū)石巖街道石巖基地，與石巖自動(dòng)氣象站距離不足1 km，桅桿高度356 m，2016年10月投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行，觀測(cè)高度350 m，最小分辨率10 m、時(shí)間分辨率10 s。深圳市環(huán)境監(jiān)測(cè)站西鄉(xiāng)站位于石巖基地偏南方向8 km。選用梯度塔2016年10月—2017年9月13層風(fēng)、溫、壓、濕等氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)，石巖自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)和深圳環(huán)境監(jiān)測(cè)西鄉(xiāng)站的PM2.5質(zhì)量濃度。

低能見度事件定義：排除降水、沙塵暴、楊沙等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙，能見度＜10.0 km的事件。當(dāng)PM2.5的質(zhì)量濃度≥75μg／m3時(shí)，定義為PM2.5污染時(shí)次；當(dāng)PM2.5的質(zhì)量濃度＜75 μg／m3時(shí)定義PM2.5清潔時(shí)次。逆溫的定義：梯度塔每?jī)蓪訙囟认鄿p得到Δt數(shù)組（Δt1，Δt2，Δt3，……，Δt12），當(dāng)Δt＞0，出現(xiàn)逆溫，同時(shí)記錄逆溫特征。逆溫強(qiáng)度為逆溫層內(nèi)每升高100 m溫度的逆溫值（10-2℃／m），用I表示：I＝Δt／Δh×100，其中，逆溫層厚度Δh＝h2-h1，h1、h2為逆溫層的底、頂高（m）；逆溫層溫差Δt＝t2-t1，t1、t2為逆溫層底、頂部的溫度（℃）。

2 結(jié)果與分析

2.1 近地層逆溫與低能見度

近地層逆溫主要有晴空輻射逆溫、平流逆溫和鋒面逆溫。逆溫的出現(xiàn)與天氣形勢(shì)密切相關(guān)，選取非降雨日逆溫進(jìn)行分析，逆溫出現(xiàn)的時(shí)次占總時(shí)次的54%，其中單層和雙層逆溫出現(xiàn)頻次最高。單層逆溫占總逆溫時(shí)次的65.2%、雙層逆溫占比26.2%、3層逆溫占比7.4%、4層逆溫占比1.5%。

秋冬季冷空氣活動(dòng)頻繁，主要有冷空氣南下伴隨的鋒面逆溫、冷高壓控制下的輻射逆溫。因此逆溫出現(xiàn)概率高，12月逆溫出現(xiàn)的時(shí)次占總時(shí)次的比例高達(dá)63%，為低能見度事件出現(xiàn)提供了較好的穩(wěn)定條件。春季主要受逐漸加強(qiáng)的西南季風(fēng)影響，暖濕氣流輸送至陸地上空形成平流逆溫，逆溫出現(xiàn)的概率為50%，容易形成霧、霾等低能見度天氣。夏季逆溫概率最低，7月僅為29%。逆溫夜間和清晨概率高達(dá)70%或以上，中午前后逆溫概率僅為30%。

低能見度的出現(xiàn)與逆溫密切相關(guān)，其月變化（圖1a）、日變化（圖1b，時(shí)間為北京時(shí)，下同）分布與逆溫出現(xiàn)概率一致，但低能見度出現(xiàn)的概率低于逆溫的概率，還與逆溫特征相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，逆溫層數(shù)越多，低能見度出現(xiàn)的概率越高。單層逆溫情況下，低能見度出現(xiàn)的概率僅為62.0%；4層逆溫出現(xiàn)時(shí)，低能見度概率為94.7%。

2.2 逆溫特征的日變化

以單層逆溫為例，逆溫底高早晚低至10～20 m，中午隨著湍流混合加強(qiáng)，逆溫底高可達(dá)120 m（圖2a）。逆溫的厚度一般為20～50 m，其中早晚厚度深厚為30～50 m，中午厚度淺薄為20～30 m（圖2b）。逆溫強(qiáng)度與厚度呈正相關(guān)，平均逆溫強(qiáng)度為0.9×10-2℃／m，可見早晚的逆溫特征對(duì)污染物擴(kuò)散更不利。逆溫發(fā)生時(shí)，逆溫層底和層頂?shù)娘L(fēng)速變化規(guī)律也發(fā)生了改變（圖2c），早晚逆溫層底的風(fēng)速與地面風(fēng)速接近，比逆溫頂風(fēng)速小1.0 m／s，可見逆溫阻礙了物質(zhì)、能量的交換。中午至午后（10：00—16：00）隨著逆溫高度增加，風(fēng)速減小，逆溫層底、頂?shù)娘L(fēng)速比地面風(fēng)速更小，擴(kuò)散能力差。

圖2 逆溫高度（a）、強(qiáng)度（b）和風(fēng)速（c）日變化

2.3 逆溫特征對(duì)PM2.5的影響

逆溫特征比地面氣象要素對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度影響更大，如北京城區(qū)逆溫氣象特征及其對(duì)大氣污染的影響，空氣質(zhì)量超標(biāo)日數(shù)年內(nèi)變化趨勢(shì)主要受貼地、低空逆溫日數(shù)的影響［4］。通過(guò)逆溫特征與地面氣象要素對(duì)PM2.5的影響分析（表1）發(fā)現(xiàn)，其中逆溫厚度、強(qiáng)度、頂高和底風(fēng)對(duì)PM2.5的影響最顯著。PM2.5污染時(shí)與清潔時(shí)相比，逆溫頂高增加38.6%、逆溫厚度增加78.7%、逆溫強(qiáng)度增強(qiáng)24.3%、逆溫底風(fēng)速減小23.6%，對(duì)污染物質(zhì)量濃度增加有利。

表1 逆溫特征及地面要素對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度分布的影響

逆溫層數(shù)與污染物質(zhì)量濃度呈正比，層數(shù)越多PM2.5質(zhì)量濃度越高，一層逆溫下，PM2.5的質(zhì)量濃度為36.6μg／m3，當(dāng)4層逆溫出現(xiàn)時(shí)，PM2.5的質(zhì)量濃度上升至53.1μg／m3。逆溫頂?shù)母叨葲Q定了逆溫高度上限，當(dāng)?shù)赘卟蛔儠r(shí)，頂高越高，逆溫強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)污染擴(kuò)散越不利，統(tǒng)計(jì)表明，近地層年平均逆溫頂高80.8 m，頂高有顯著的季節(jié)變化與日變化，秋冬季節(jié)逆溫頂高度較高，其中10月最高平均99.9 m，夏季逆溫頂高最低，5月份平均64.9 m。白天平均逆溫頂高可達(dá)197.3 m，夜間逆溫頂在50 m左右。污染發(fā)生時(shí)（PM2.5質(zhì)量濃度＞75μg／m3）逆溫頂?shù)母叨榷鄶?shù)情況下都有明顯的升高，白天最高可達(dá)300 m左右，夜間也升高50 m左右。

不同逆溫層頂高對(duì)污染物擴(kuò)散影響不一樣。隨著頂高由20 m增加至100 m以上，PM2.5平均質(zhì)量濃度由32.0μg／m3升高至43.6μg／m3，平均能見度由11.1 km逐漸降低至8.6 km，低能見度出現(xiàn)的概率由48.8%上升至66.3%，可見頂高越高越不利于污染物擴(kuò)散。

逆溫底風(fēng)速代表了逆溫層以下污染物擴(kuò)散的能力，風(fēng)速越大，擴(kuò)散越有利。統(tǒng)計(jì)表明，近地層年平均近地層年平均逆溫底風(fēng)1.6 m／s，底風(fēng)季節(jié)變化不明顯，日變化特征顯著，PM2.5污染時(shí)底風(fēng)小于清潔時(shí)。底風(fēng)小于0.2 m／s時(shí)，低能見度概率高達(dá)77.1%。

逆溫厚度越大，對(duì)污染擴(kuò)散越不利，統(tǒng)計(jì)表明，近地層年平均逆溫厚度35.9 m，厚度有顯著的季節(jié)與日變化，秋冬季節(jié)逆溫厚度較厚，其中12月平均55.9 m，3月逆溫厚度較薄，平均24.7 m。污染發(fā)生時(shí)（PM2.5質(zhì)量濃度＞75μg／m3）逆溫厚度都比清潔時(shí)大，特別是早晨03：00—07：00污染發(fā)生時(shí)，逆溫厚度最高可達(dá)140 m左右。厚度大于50 m，低能見度概率高達(dá)83.3%，平均能見度低至6.4 km。

逆溫強(qiáng)度對(duì)污染物擴(kuò)散影響大，強(qiáng)度越大，PM2.5質(zhì)量濃度越高。秋冬季節(jié)逆溫強(qiáng)度較大，11月最大逆溫強(qiáng)度1.4×10-2℃／m；夏季逆溫強(qiáng)度最弱，7月份逆溫強(qiáng)度0.8×10-2℃／m。污染發(fā)生時(shí)逆溫強(qiáng)度強(qiáng)，特別是早晚時(shí)刻，逆溫強(qiáng)度增強(qiáng)顯著。逆溫強(qiáng)度大于2.0×10-2℃／m時(shí)，低能見度概率高達(dá)76.6%（表2）。

表2 逆溫強(qiáng)度對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度和能見度的影響

PM2.5污染發(fā)生時(shí)，逆溫底主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹WN-NNE，占了總風(fēng)頻38%；與清潔時(shí)風(fēng)向明顯不同，清潔時(shí)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋SE-S，占了總風(fēng)向頻率35.7%（表3）。易出現(xiàn)低能見度風(fēng)向?yàn)镹W、NNW、WMW，低能見度出現(xiàn)概率在78%以上。

表3 逆溫底風(fēng)向?qū)M2.5質(zhì)量濃度和能見度的影響

3 結(jié)論

1）低能見度的出現(xiàn)與逆溫密切相關(guān)，月、日變化規(guī)律與逆溫出現(xiàn)頻率一致，但是低能見度的概率總體低于逆溫的概率，說(shuō)明在逆溫出現(xiàn)的時(shí)候，并不一定會(huì)造成低能見度，還需進(jìn)一步分析逆溫特征。

2）逆溫特征包含逆溫層數(shù)、厚度、強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向等。逆溫層數(shù)與污染物質(zhì)量濃度呈正比，層數(shù)越多PM2.5質(zhì)量濃度越高。逆溫頂?shù)母叨葲Q定了逆溫高度上限，在底高不變的情況下，頂高越高，逆溫強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)污染擴(kuò)散越不利；逆溫底風(fēng)速代表了逆溫層以下空間內(nèi)污染物擴(kuò)散的能力，風(fēng)速越大，擴(kuò)散越有利；逆溫厚度越大，強(qiáng)度越大，PM2.5質(zhì)量濃度越高。PM2.5污染發(fā)生時(shí)，逆溫底主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹W-N-NNE，占總風(fēng)頻38%；清潔時(shí)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋SE-S，占總風(fēng)頻35.7%。