克拉瑪依PM2.5濃度分析及逆溫層對其影響研究

郭鳳娟，賈 超，竇春苓

（1.新疆維吾爾自治區(qū)氣象技術(shù)裝備保障中心，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國氣象局氣象探測中心新疆技術(shù)裝備保障分中心，新疆 烏魯木齊 830011；3.石河子莫索灣氣象站，新疆 石河子 832000；4.克拉瑪依市氣象局，新疆 克拉瑪依 834000）

近年來，逆溫層對空氣質(zhì)量影響的相關(guān)研究日益增多，羅昱[1]通過對南京地區(qū)大氣污染過程進行數(shù)值模擬，認為雙逆溫層對大氣污染物的時空分布具有重要影響；畢瑋[2]等借助風(fēng)廓線雷達探測資料，發(fā)現(xiàn)逆溫層早于重污染天氣出現(xiàn)并且重污染發(fā)生當(dāng)日的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）日變化特征呈“雙峰”結(jié)構(gòu)；趙金霞[3]等通過分析得出逆溫層形成后是天津濱海新區(qū)產(chǎn)生持續(xù)重度霧霾天氣的關(guān)鍵條件之一的結(jié)論。郁珍艷[4]等認為當(dāng)穩(wěn)定的逆溫層結(jié)是造成空氣污染的重要因素；李思盟[5]經(jīng)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)成都逆溫天氣主要集中在冬季；尹承美[6]等研究發(fā)現(xiàn)濟南PM2.5質(zhì)量濃度與逆溫層厚度呈顯著的正相關(guān)；鐘暉子[7]等發(fā)現(xiàn)500 hPa以下容易出現(xiàn)多層逆溫，其中第一層逆溫對空氣質(zhì)量影響較大；李培榮[8]等研究表明貼底層出現(xiàn)逆溫或強度變強時空氣污染通常比較嚴重；郭麗娜[9]等統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)青島以接地逆溫為主，春季逆溫層最多，而夏季最少。筆者通過充分借鑒上述學(xué)者的研究思想，借助克拉瑪依氣象部門與生態(tài)環(huán)境保護部門發(fā)布的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展相關(guān)研究，進一步闡釋了克拉瑪依PM2.5質(zhì)量濃度的變化機理，著重分析了逆溫層對克拉瑪依PM2.5質(zhì)量濃度的影響，以期為政府相關(guān)部門決策提供堅實的技術(shù)支撐，為克拉瑪依市民認識轄區(qū)空氣污染狀況提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

本文數(shù)據(jù)來源于2017-01-01～2019-12-31克拉瑪依市生態(tài)環(huán)境局5個自動監(jiān)測點（分別是長征新村、南林小區(qū)、白堿灘區(qū)、獨山子區(qū)、烏爾禾區(qū)商貿(mào)樓）24 h實時監(jiān)測的PM2.5濃度數(shù)據(jù)，以及同期克拉瑪依國家基本氣象站24 h氣溶膠觀測數(shù)據(jù)。篩選出平均每小時PM2.5濃度數(shù)據(jù)共計26 247條，剔除由于監(jiān)測儀器故障等原因造成監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯異常的個別數(shù)據(jù)，有效研究數(shù)據(jù)共計25 702條。首先根據(jù)監(jiān)測點數(shù)據(jù)篩選出霧霾天的日期，然后結(jié)合氣象站觀測數(shù)據(jù)，利用L波段高空氣象探測系統(tǒng)軟件逐個提取出逆溫層數(shù)據(jù)，并著重分析逆溫層對PM2.5質(zhì)量濃度的影響，監(jiān)測點具體地理位置分布情況如圖1所示，PM2.5濃度對應(yīng)的空氣質(zhì)量等級見表1。

圖1 克拉瑪依監(jiān)測點位置分布圖

表1 PM2.5濃度對應(yīng)的空氣質(zhì)量等級

2 結(jié)果分析

2.1 PM2.5月平均濃度變化

克拉瑪依轄區(qū)2017—2019年P(guān)M2.5月平均濃度變化情況如圖2所示，具體數(shù)據(jù)見表2和表3，圖2橫虛線表示參考值75 μg/m3，超過此值表示空氣質(zhì)量等級在二級以下。由圖2可知，2017—2019這3 a間，PM2.5月平均濃度整體呈U型變化趨勢。從空間上看，PM2.5月平均濃度超過參考值的月份獨山子區(qū)最多，其次是克拉瑪依區(qū)，白堿灘區(qū)和烏爾禾區(qū)相當(dāng)。由表2可知，克拉瑪依霧霾天從月份上看主要集中在12月、1月、2月和3月，從季節(jié)上看主要為冬季和春季，此時正值克拉瑪依供暖期，而克拉瑪依夏季和秋季沒有霧霾天，PM2.5月平均濃度遠低于參考值，且絕大多數(shù)低于35 μg/m3，空氣質(zhì)量為優(yōu)，此時克拉瑪依為非供暖期。由此得出以下結(jié)論：克拉瑪依供暖期PM2.5月平均濃度高于非供暖期，冬季和春季PM2.5月平均濃度高于夏季和秋季。

表3 2017—2019年克拉瑪依市PM2.5月平均濃度統(tǒng)計分析

圖2 2017—2019年克拉瑪依市PM2.5月平均濃度變化

表2 2017—2019年克拉瑪依市各月及季節(jié)空氣質(zhì)量等級百分比

2.2 持續(xù)性霧霾天PM2.5日平均濃度變化

霧霾天氣作為一種常見的氣象災(zāi)害，近年來引起了社會各界的廣泛關(guān)注，它主要出現(xiàn)在冬季持續(xù)性低溫靜穩(wěn)天氣下，此時冷空氣較弱（微風(fēng)或者無風(fēng)）?？死斠朗形挥谥芯暥葍?nèi)陸地區(qū)，屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷少風(fēng)，干旱少雨，冬季不利的客觀氣象條件為霧霾天氣的形成和發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件，而春季和秋季多西北風(fēng)且風(fēng)力較大，有利于大氣污染物的擴散，不利于大氣污染物的聚集，因而春秋兩季霧霾天相對較少。

例如2018年1～2月出現(xiàn)了持續(xù)低溫(Tmin≤－25℃）天氣，克拉瑪依中心城區(qū)低溫連續(xù)日數(shù)為10 d，每日最低氣溫≤-30℃的天數(shù)連續(xù)出現(xiàn)4 d。此次過程中，克拉瑪依獨山子區(qū)域連續(xù)出現(xiàn)持續(xù)性霧霾天氣，其中2018-01-06～2018-01-11連 續(xù)6 d出 現(xiàn) 霧 霾 天 氣；2018-02-13～2018-02-15連續(xù)3 d出現(xiàn)霧霾天氣，給群眾出行以及身心健康都帶來了極大的影響。從圖3可以看出，持續(xù)性霧霾天氣的形成、發(fā)展以及消散是一個漸進的過程，本次霧霾天氣過程比較典型，大致分為3個階段，低谷-高峰-低谷。第一階段為13日15∶00時—14日11∶00時，此時風(fēng)力較小且處于低溫靜穩(wěn)天氣下，PM2.5濃度下持續(xù)漸進式增加，導(dǎo)致能見度逐漸降低；第二階段為14日11∶00～12∶00時，其中11∶00時PM2.5濃度達到頂峰，達到459 μg/m3，此階段為維持階段，此階段該地局域區(qū)域出現(xiàn)小雪天氣，導(dǎo)致空氣中的相對濕度增加，大氣能見度進一步降低；第三階段從14日12∶00時至次日的23∶00時，此階段為消散階段。4～5級西北風(fēng)的到來直接加劇了PM2.5的擴散，導(dǎo)致PM2.5濃度漸進式下降，空氣能見度上升，霧霾逐步消散直至消失。由此可知，持續(xù)性霧霾天氣的形成、發(fā)展以及消散與大氣中的溫度、PM2.5濃度、相對濕度、風(fēng)速以及風(fēng)向等氣象條件密不可分。

圖3 2018-02-13—2018-02-15 PM2.5小時平均濃度變化

2.3 逆溫層對PM2.5質(zhì)量濃度的影響分析

研究表明，逆溫層對PM2.5濃度的擴散具有重要影響?？死斠蓝救菀仔纬奢^強較厚的逆溫層，且冬季靜穩(wěn)天氣多，風(fēng)力較小，由圖4可知，2017—2019年克拉瑪依月平均逆溫層厚度大致呈U型變化，與PM2.5濃度變化趨勢大致一致。4～10月每個月的平均逆溫層厚度低于400 m，逆溫層厚度較薄，此時地面溫度較高，多雷暴、冰雹等強對流天氣，這幾個月的PM2.5濃度也維持在較低的水平，3月和11月即初春和晚秋時節(jié)逆溫層厚度增加，超過400 m。此時地面開始逐漸增暖，偶爾出現(xiàn)大風(fēng)天氣，PM2.5濃度總體上有所增加。1月、2月和12月逆溫層厚度最低也超過了500 m，且大多數(shù)情況下逆溫層厚度會超過700 m，這幾個月逆溫層厚度整體上較厚，氣候寒冷干燥，氣壓也相對穩(wěn)定，風(fēng)力微弱，PM2.5濃度基本上維持在年度最高水平，且污染天氣主要集中在這幾個月。由此可見，逆溫層越厚，空氣流動性愈差，此種氣象條件不利于大氣污染物PM2.5的擴散及遷移。

圖4 2017—2019年克拉瑪依月逆溫層厚度變化

由圖5可知，2017—2019這3 a逆溫層底月平均高度大致呈現(xiàn)“增高-降低-增高-降低”的變化趨勢，每年的1月、2月基本處于全年逆溫層底最低高度，大致在500 m以下，也就是在近地面高度，而此時的逆溫層厚度是超過500 m的，此時白天晚上輻射較弱，氣溫比較低，空氣上下對流很不活躍，風(fēng)速較小，水汽比較難擴散，極易形成持續(xù)性陰霾天氣，夏季7月份逆溫層底最高，逆溫層底高度超過了2 500 m，而6月、8月、9月的逆溫層底高度也基本上超過了1 200 m，說明此時逆溫層距地面較高，污染物不容易在近地面聚集，加上夏季空氣對流比較活躍，所以此時整體空氣質(zhì)量優(yōu)良。

圖5 2017—2019年克拉瑪依月逆溫層底高度變化

另外，利用Excel軟件中Pearson函數(shù)的相關(guān)性分析功能，將2017—2019年24 h的PM2.5濃度按月取平均值，與24 h克拉瑪依逆溫層按月取平均值、24 h克拉瑪依逆溫層高度按月取平均值以及24 h克拉瑪依逆溫層強度取平均值，分別計算得到相應(yīng)的逆溫層相關(guān)性分析表（見表4）。

表4 克拉瑪依PM2.5濃度與逆溫層相關(guān)性分析表

由上表可知，克拉瑪依PM2.5濃度與逆溫層厚度呈顯著的正相關(guān)，與逆溫層強度呈負相關(guān)，與逆溫層高度沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。由此可見，逆溫層厚度越厚，逆溫強度越小；PM2.5濃度越高，空氣污染越嚴重，反之，空氣污染越輕。

3 結(jié)論與討論

1）克拉瑪依2017—2019這3 a整體空氣質(zhì)量優(yōu)良率高，超過了92.3%，霧霾天從空間上看，獨山子區(qū)最多，其次是克拉瑪依區(qū)，白堿灘區(qū)和烏爾禾區(qū)相當(dāng)；從月份上看主要集中在12月、1月、2月和3月，從季節(jié)上看主要集中在冬季，其次是春季，夏季和秋季沒有霧霾天，其中冬季霧霾天主要表現(xiàn)形式為輕度污染，其次為中度污染，偶爾出現(xiàn)重度污染，沒有嚴重污染，而春季霧霾天較少，僅出現(xiàn)輕度污染天氣。

2）克拉瑪依春季PM2.5質(zhì)量濃度大致為（30±10）μg/m3；夏季PM2.5質(zhì)量濃度大致為（15±4）μg/m3；秋季PM2.5質(zhì)量濃度大致為（17±5）μg/m3；冬季PM2.5質(zhì)量濃度大致為（58±31）μg/m3。

3）逆溫層月平均厚度低于400 m時，PM2.5濃度維持在較低水平，空氣質(zhì)量良好；逆溫層月平均厚度超過500 m時，PM2.5濃度開始逐步增加，空氣質(zhì)量開始惡化，出現(xiàn)少量的輕度污染天氣；逆溫層月平均厚度超過700 m時，PM2.5濃度維持在較高水平，空氣質(zhì)量在輕度污染及以上的天數(shù)較多。

4）克拉瑪依PM2.5濃度與逆溫層厚度呈顯著的正相關(guān)，與逆溫層強度呈負相關(guān)，與逆溫層高度沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。