宜昌市2022~2023年跨年重污染過程氣溶膠光學(xué)特性研究

摘要：為了研究一次重污染過程的氣溶膠光學(xué)特性，利用米散射氣溶膠激光雷達(dá)、地面及高空氣象觀測(cè)資料，分析了2022年12月29日至2023年1月6日宜昌的一次跨年空氣污染過程特征。結(jié)果表明：污染期間無劇烈天氣發(fā)生，靜穩(wěn)時(shí)間長，中層暖濕氣流、低層偏東氣流、近地面多層逆溫、地面弱冷空氣配合特殊地形作用，為顆粒物輸入和累積提供條件。污染過程中，低層消光系數(shù)大值帶連續(xù)，云底高度較低，低云含水量高。隨著污染加重，消光系數(shù)增大，大值區(qū)高度增加。天空放晴后，低層消光系數(shù)迅速減小。邊界層高度與PM 2.5濃度呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān)性。氣溶膠光學(xué)厚度與PM 2.5濃度及相對(duì)濕度顯著正相關(guān)；退偏比與PM 2.5濃度變化趨勢(shì)基本一致，受大粒子占比影響較大。天空狀況對(duì)氣溶膠垂直分布影響顯著，多云轉(zhuǎn)陰天時(shí)近地面易出現(xiàn)貼地逆溫，消光系數(shù)大值區(qū)與700 hPa逆溫層關(guān)系密切。弱降水時(shí)氣溶膠粒子伸展厚度較高，消光系數(shù)極大值出現(xiàn)的高度隨時(shí)間明顯下降。研究結(jié)果可以提升本地氣溶膠激光雷達(dá)的業(yè)務(wù)應(yīng)用水平，為制定污染防治戰(zhàn)略措施提供參考。

關(guān)鍵詞：大氣污染及防治； 跨年重污染； 氣溶膠激光雷達(dá)； 消光系數(shù)； 氣溶膠光學(xué)厚度； 邊界層高度； 宜昌市

中圖法分類號(hào)：R122.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S1.018

文章編號(hào)：1006-0081（2024）S1-0065-08

0 引 言

近年來，隨著城市的快速發(fā)展，汽車尾氣、工業(yè)排放等帶來的污染逐漸呈增多趨勢(shì)，不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境、人體健康、交通安全造成較大的威脅，還直接或間接影響天氣和氣候，發(fā)展成為新的氣象環(huán)境災(zāi)害［1-2］?！洞髿馕廴痉乐涡袆?dòng)計(jì)劃》的頒布為打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”指引方向，“雙碳”目標(biāo)體現(xiàn)了綠色、環(huán)保、低碳生活的重要性，污染防治已經(jīng)成為全社會(huì)密切關(guān)注的熱點(diǎn)問題。當(dāng)前，中國空氣污染物主要有PM10（空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤10.0 μm的可吸入顆粒物）、PM2.5（≤2.5 μm的細(xì)顆粒物）、SO2等，其中，PM2.5成為城市氣溶膠的主要來源［3］。已有研究表明：污染物排放、擴(kuò)散和傳輸?shù)扰c天氣條件關(guān)系密切［4］。近年來，國內(nèi)外關(guān)于氣溶膠的研究取得諸多進(jìn)展［5-7］，研究發(fā)現(xiàn)：大氣層結(jié)穩(wěn)定、逆溫、濕度大、弱風(fēng)等本地靜穩(wěn)氣象條件和上游外來源輸入共同造成重污染天氣。魏巍等［8］研究發(fā)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車源、工業(yè)源和燃燒源對(duì)PM2.5貢獻(xiàn)較大，機(jī)動(dòng)車源影響最為顯著；謝潔嵐等［9］研究發(fā)現(xiàn)PM2.5有明顯的日變化特征，白天濃度降低，傍晚至次日早晨濃度升高。

然而，氣溶膠在大氣中形成、傳輸?shù)冗^程復(fù)雜，并且具有壽命短、來源多且性質(zhì)多變的特征，傳統(tǒng)探測(cè)手段具有較強(qiáng)的局限性，融合多手段的氣溶膠探測(cè)需求迫切［10］。激光雷達(dá)因高度連續(xù)性、高時(shí)空分辨率和高探測(cè)精度等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征研究和顆粒物來源判識(shí)的重要工具［11-12］。它既可以填補(bǔ)高空探測(cè)數(shù)據(jù)的缺失，突破大氣邊界層，得到氣溶膠的垂直分布情況，還能利用回波信號(hào)反演混合層高度等重要信息［11，13］。眾多學(xué)者利用激光雷達(dá)開展氣溶膠分布特征研究，并取得了一定的成果：張帥等［14］發(fā)現(xiàn)拉曼-米散射氣溶膠激光雷達(dá)因無需假設(shè)雷達(dá)比，在準(zhǔn)確測(cè)量氣溶膠消光系數(shù)方面較傳統(tǒng)米散射雷達(dá)更具優(yōu)勢(shì)；徐棟夫等［3］研究表明激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)演變與PM2.5濃度值變化對(duì)應(yīng)一致；于杰、胡曉等［1，15］研究發(fā)現(xiàn)高濕條件有利于氣溶膠粒子吸濕增長，導(dǎo)致較強(qiáng)的消光效應(yīng)；張海瀟等［16］發(fā)現(xiàn)消光系數(shù)垂直變化特征呈現(xiàn)凌晨＞夜間＞上午＞下午的規(guī)律。

三峽庫區(qū)是中國主要生態(tài)修復(fù)區(qū)，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)的主控節(jié)點(diǎn)［17-18］。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市高密度人口和經(jīng)濟(jì)高水平發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提出更高要求，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境和水質(zhì)污染問題［19-21］成為關(guān)注重點(diǎn)。宜昌市地處長江中上游結(jié)合部和三峽庫區(qū)腹心地帶，是長江中上游生態(tài)環(huán)境屏障的重要關(guān)口，境內(nèi)平原、丘陵和山地地形地貌并存，加之氣候特殊，大氣污染頻發(fā)成為制約當(dāng)?shù)爻鞘锌沙掷m(xù)發(fā)展的重要問題。

由于探測(cè)手段有限，以往關(guān)于宜昌市氣溶膠的研究多基于地面觀測(cè)資料，應(yīng)用垂直探測(cè)資料分析氣溶膠垂直分布特征的研究較少。2022年宜昌市建成首套拉曼-米散射氣溶膠激光雷達(dá)，填補(bǔ)了監(jiān)測(cè)盲區(qū)，打破了研究瓶頸，為開展宜昌市氣溶膠垂直分布特征研究提供了基礎(chǔ)支撐。本研究利用拉曼-米散射氣溶膠激光雷達(dá)資料反演氣溶膠消光系數(shù)、退偏比、大氣邊界層高度等，分析宜昌冬季一次重污染過程氣溶膠光學(xué)特性垂直結(jié)構(gòu)演變，并結(jié)合地面氣象觀測(cè)和氣象探空數(shù)據(jù)，探討氣象條件對(duì)氣溶膠垂直分布的影響，以期為宜昌大氣環(huán)境研究和大氣污染防治提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文所用污染物濃度資料來自真氣網(wǎng)（https：∥www.aqistudy.cn），包括宜昌市區(qū)2022年12月28日至2023年1月7日觀測(cè)的逐小時(shí)污染物地表質(zhì)量濃度（以下簡(jiǎn)稱“濃度”）。地面氣象數(shù)據(jù)和L波段秒級(jí)探空數(shù)據(jù)來源于湖北省氣象保障中心，數(shù)據(jù)均經(jīng)過質(zhì)量控制，高空氣象資料來源于中國氣象局MICAPS資料庫。其中，常規(guī)氣象要素為宜昌站（30.74°N，111.36°E）2022年12月28日至2023年1月7日觀測(cè)的逐小時(shí)和逐日相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)向、風(fēng)速和海平面氣壓等。

1.2 研究方法

對(duì)拉曼-米散射氣溶膠激光雷達(dá)原始數(shù)據(jù)開展背景噪聲訂正、后脈沖訂正和重疊因子訂正等預(yù)處理?；贔ernald反演方法［22］，得到大氣氣溶膠在532 nm波長的消光系數(shù)垂直分布廓線。大氣邊界層（Planetary Boundary Layer，PBL）高度采用對(duì)激光雷達(dá)距離修正信號(hào)的廓線求導(dǎo)計(jì)算，導(dǎo)數(shù)最小值對(duì)應(yīng)的高度為PBL高度。氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）采用對(duì)監(jiān)測(cè)距離內(nèi)的氣溶膠消光系數(shù)進(jìn)行積分來計(jì)算。以皮爾遜相關(guān)系數(shù)表征相關(guān)程度并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染實(shí)況分析

2022年12月28日至2023年1月7日AQI，PM2.5，PM10分布曲線見圖1。此次污染過程持續(xù)時(shí)間長、污染程度重、PM2.5比例大。污染過程由2022年12月29日持續(xù)至2023年1月6日，其中，輕度污染4 d，中度污染2 d，重度污染3 d，PM2.5/PM10均值達(dá)87.25%。

區(qū)域大氣邊界層的大氣從受到污染到污染物從大氣中清除的過程，具有明顯的發(fā)生、加重、緩解和結(jié)束的階段演變特點(diǎn)［15］。宜昌此次污染過程呈現(xiàn)雙峰分布特征（圖1），可分為兩個(gè)階段。

（1） 第一階段為2022年12月29日至2023年1月2日（P1階段）。12月28日空氣質(zhì)量為良，AQI為82 μg/m3，PM2.5濃度為60 μg/m3；12月29日開始出現(xiàn)污染，隨著污染物累積，污染程度持續(xù)加劇；2023年1月1日達(dá)到階段性極值，AQI達(dá)214 μg/m3，PM2.5濃度達(dá)164 μg/m3，PM2.5/PM10達(dá)0.92，空氣質(zhì)量為重度污染，以2.5 μm細(xì)顆粒污染為主；1月2日PM2.5濃度顯著下降，為93 μg/m3，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為輕度污染。

（2） 第二階段為2023年1月3～6日（P2階段）。1月3日PM2.5濃度再次上升，達(dá)120 μg/m3，空氣質(zhì)量加劇為中度污染；1月4日PM2.5濃度躍增67.5%，AQI為251μg/m3，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為重度污染；1月5日PM2.5濃度達(dá)到峰值239 μg/m3，AQI升至289μg/m3，空氣質(zhì)量維持重度污染。1月4～5日污染物較1月1日有明顯增長，PM2.5達(dá)到200 μg/m3 以上持續(xù)36 h，并在1月4日19∶00至1月5日04∶00，連續(xù)10 h達(dá)到250 μg/m3 以上，污染較P1階段明顯加重。1月6日PM2.5濃度迅速下降至94 μg/m3，下降60.7%，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為輕度污染；1月7日空氣質(zhì)量持續(xù)轉(zhuǎn)好，此次污染過程結(jié)束。

2.2 形成機(jī)制分析

2.2.1 天氣系統(tǒng)分析

2022年12月28日至2023年1月6日高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、海平面氣壓和地面風(fēng)場(chǎng)分布見圖2。污染期間，大氣環(huán)流整體呈緯向分布，中高緯地區(qū)多短波系統(tǒng)活動(dòng)。2022年12月28～30日低槽東移，槽后偏北氣流帶動(dòng)冷空氣不斷南下（圖2（a））；700 hPa暖濕氣流發(fā)展，本地水汽和云系增多，垂直擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，顆粒物不斷吸濕增長。12月30日02∶00 地面存在中尺度輻合中心，在宜昌喇叭口地形和較小的風(fēng)速下，污染物出現(xiàn)明顯輸入并堆積。2022年12月31日至2023年1月1日700 hPa西南急流達(dá)14 m/s，較前期明顯加強(qiáng)，850 hPa為東北風(fēng)、偏東風(fēng)和東南風(fēng)三支氣流的輻合區(qū)，地面冷鋒前沿弱的偏北氣流引導(dǎo)污染物持續(xù)輸入，宜昌市出現(xiàn)重度污染（圖2（b）～（c））。1月2日地面風(fēng)速加大，整體污染濃度有所下降。整體而言，弱冷空氣、暖濕氣流發(fā)展、低層偏東氣流及地形的輻合作用，為P1階段顆粒物遠(yuǎn)距離輸入和吸濕增長堆積提供條件。

2023年1月3～5日中上層受弱脊控制，高空形勢(shì)穩(wěn)定，不利于空氣湍流擴(kuò)散，同時(shí)下沉氣流會(huì)使前期污染物向下混合，增加混合層內(nèi)的氣溶膠粒子；中下層暖濕氣流再度發(fā)展，污染物吸濕增長；1月3日20∶00地面存在寬廣的輻合中心，污染物不斷在源地堆積，并在弱地面冷空氣引導(dǎo)下持續(xù)輸入宜昌市，在地形弱輻合作用配合較小風(fēng)速下，污染物擴(kuò)散條件差，造成持續(xù)2 d的重污染天氣（圖2（d）～（e））。1月6～7日干冷空氣隨槽后偏北氣流南下，地面氣壓梯度加大，等壓線密集，風(fēng)速增加，前期靜穩(wěn)天氣得到破壞，利于污染物擴(kuò)散和沉降，對(duì)持續(xù)多日的高污染物濃度有極大改善作用（圖2（f））。整體而言，P2階段中上層為高壓系統(tǒng)控制，配合多層逆溫，湍流擴(kuò)散受到抑制，造成長時(shí)間重污染。

2022年12月28日至2023年1月6日宜昌站探空曲線見圖3。從相對(duì)濕度和風(fēng)場(chǎng)的垂直分布來看，P1階段，2022年12月30日濕區(qū)較前1 d向下發(fā)展，近地層存在淺薄的貼地逆溫層，垂直擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，有利于污染物積聚。2022年12月31日至2023年1月1日700 hPa以上西南急流較前1 d明顯發(fā)展加強(qiáng)，暖濕氣流發(fā)展旺盛。1月1日08∶00，6 km及以上出現(xiàn)大于80%的濕層，并逐漸向下擴(kuò)展，925 hPa以下逆溫層增厚，配合弱的低層北風(fēng)，不利于大氣湍流、水汽的垂直交換以及污染物的垂直擴(kuò)散，為重污染天氣的長時(shí)間維持創(chuàng)造了熱力條件。此外，偏南氣流也會(huì)引起垂直方向上濕層的出現(xiàn)和維持，對(duì)氣溶膠的吸濕增長較有利，宜昌市1月1日達(dá)到重度污染。P2階段，1月3～5日中高層從偏北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，存在一定的濕層，并出現(xiàn)多層逆溫，最強(qiáng)逆溫達(dá)7 ℃，不利于污染物的垂直擴(kuò)散，污染發(fā)展加強(qiáng)，出現(xiàn)重度污染天氣。1月6～7日500 hPa 以下轉(zhuǎn)為一致的偏北氣流控制，風(fēng)力明顯加強(qiáng)，垂直風(fēng)切變?cè)龃?，濕區(qū)下降，天空狀況轉(zhuǎn)好，對(duì)污染物的垂直和水平擴(kuò)散有利，污染物濃度明顯下降。綜上可知，逆溫層和濕層的出現(xiàn)及維持導(dǎo)致垂直擴(kuò)散條件變差，這也是影響此次重度污染過程的重要原因。

2.2.2 地面氣象要素分析

宜昌國家站2022年12月28日至2023年1月7日總云量、相對(duì)濕度、風(fēng)速、海平面氣壓及PM2.5變化曲線見圖3～5。由圖可知，各類氣象要素與污染物的發(fā)生發(fā)展關(guān)系顯著。

（1） P1階段。2022年12月29～31日以多云天氣為主，總云量不足兩成，相對(duì)濕度逐步升高，風(fēng)向主要為偏南風(fēng)，表示暖濕氣流有所發(fā)展，利于顆粒物吸濕增長。地面為均壓場(chǎng)控制，風(fēng)速整體較小，均值為1.8 m/s，大氣靜穩(wěn)，有利于本地污染物累積。期間海平面氣壓略有上升，一定風(fēng)速伴隨弱冷空氣，利于污染物遠(yuǎn)距離輸送，并在本地累積。2023年1月1日出現(xiàn)小雨，但24 h累積雨量?。?.1 mm）、小時(shí)雨強(qiáng)弱（0.9 mm），對(duì)污染物濕清除無明顯作用，且當(dāng)天相對(duì)濕度升至76.8%，反而有利于顆粒物吸濕增長，伴隨小風(fēng)（0.5 m/s）等不利擴(kuò)散條件，氣象條件總體不利于空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。期間PM2.5，PM10逐步增長，PM2.5/PM10也逐步增大，表明細(xì)顆粒物占比逐漸增多。1月2日云量近十成，相對(duì)濕度維持在80%左右，地面風(fēng)速有所增大（1.1 m/s），上游氣流相對(duì)清潔，氣象條件較前1 d略有轉(zhuǎn)好。

（2） P2階段。前期（2023年1月3～4日）總云量3～7成，相對(duì)濕度維持在70%左右，天氣靜穩(wěn)，有利于本地污染物累積。1月5日相對(duì)濕度大（67.5%）、總云量多（7.5成）、平均風(fēng)速小（0.7 m/s），加之受弱冷空氣輸入影響，污染物濃度達(dá)到峰值。后期（1月6～7日）受干冷空氣影響，風(fēng)速加大至2 m/s以上，相對(duì)濕度迅速下降至50%以下，天空放晴，水平和垂直擴(kuò)散條件均轉(zhuǎn)好，PM2.5濃度迅速下降，PM2.5/PM10減小至0.67。

2.3 激光雷達(dá)氣溶膠光學(xué)特征

2.3.1 消光系數(shù)及退偏比分析

消光系數(shù)是大氣中氣溶膠成分對(duì)太陽輻射衰減的綜合描述，消光系數(shù)越大，能見度越低，表明污染越嚴(yán)重［23］。利用Fernald 方法對(duì)污染過程期間激光雷達(dá)探測(cè)的Mie 散射信號(hào)進(jìn)行反演，得到消光系數(shù)和云底高度的垂直分布。2022年12月28日至2023年1月7日消光系數(shù)、云底高度垂直變化曲線見圖6。由圖可知：2022年12月28日至2023年1月4日，低層1 km以下存在較為連續(xù)的消光系數(shù)大值帶，以中低云為主；在200 m以下貼地層存在低值帶，這可能由于貼地層大氣湍流運(yùn)動(dòng)相對(duì)近地層強(qiáng)烈，同時(shí)在重污染期間，近地層逆溫層的存在使污染物在逆溫層附近積聚，消光系數(shù)相對(duì)貼地層升高，使貼地層出現(xiàn)相對(duì)干潔的空氣層，這與張儀等［11］的結(jié)論相符。12月31日受弱冷空氣輸入、濕度增加等氣象條件影響，污染加劇，消光系數(shù)增大，大值區(qū)高度較前期明顯向上擴(kuò)展，地面觀測(cè)結(jié)果顯示，31日夜間地面污染物達(dá)到階段性峰值（205 μg/m3）；1月1日受湖北省中西部大范圍弱降水影響，云底高度降低至1.5 km左右，污染物濃度下降，消光系數(shù)減??；1月2日云系較多，云底高度1.5～2.0 km，空氣質(zhì)量大部維持高良狀態(tài)；1月3日云底高度升高，消光系數(shù)逐步增大，污染物逐步累積；1月4日消光系數(shù)最大，高度升至1.5 km左右，達(dá)到過程高峰，受冷空氣傳輸影響，邊界層內(nèi)污染物累積最嚴(yán)重，隨著污染物下沉運(yùn)移，1月4日夜間地面污染物達(dá)到最大值（270 μg/m3 ）；1月5日白天云層較厚且云底高度逐漸下降，垂直擴(kuò)散條件差，地面污染物略有下降，但仍維持在200 μg/m3以上；1月6日白天天空狀況轉(zhuǎn)好，無明顯云系回波，邊界層內(nèi)消光系數(shù)小，垂直擴(kuò)散條件好，污染物迅速擴(kuò)散，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良好。

退偏比是各個(gè)高度大氣后向散射回波功率的垂直和水平分量比值，可用來區(qū)分非球形粒子和球形粒子，一般退偏比越小，表明以球形粒子為主，細(xì)顆粒物占主導(dǎo)［15］。2022年12月28日至2023年1月3日退偏比、PM2.5/PM10變化曲線見圖7，以P1階段為例，近地面15，30 m兩個(gè)高度退偏比變化趨勢(shì)基本一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.91。受地面揚(yáng)沙、汽車尾氣等影響，15 m退偏比變化幅度較30 m退偏比更大，即粒子形狀變化更大，以下重點(diǎn)分析15 m高度處退偏比。P1階段15 m退偏比在0.1～0.7之間，均值為0.45，非球形特征顯著。結(jié)合PM2.5濃度及PM2.5和PM10變化可知，2022年12月28日PM2.5濃度相對(duì)較低，但2.5 μm以上粒子占比較大，近地面退偏比較大，在0.5左右；12月29日PM2.5占比略有升高，大粒子占比減小，退偏比下降至0.25左右。12月29日下午至12月31日夜間，PM2.5濃度波動(dòng)上升，PM2.5占比達(dá)0.8以上，即非球形粒子濃度增加，且以小粒子為主，退偏比波動(dòng)升高，升高速率為0.11/100 h。1月1日白天至1月2日夜間，PM2.5濃度陡降，退偏比波動(dòng)減小，減小速率為0.54/100 h。從PM2.5和退偏比極值出現(xiàn)時(shí)間來看，退偏比極大值和極小值出現(xiàn)時(shí)間均早于PM2.5濃度，可能是兩套觀測(cè)設(shè)備探測(cè)時(shí)間分辨率不同造成的。

2.3.2 大氣邊界層（PBL）高度與氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）

PBL是大氣層與地面摩擦作用最強(qiáng)烈的區(qū)域，與大氣污染物擴(kuò)散有一定關(guān)系，其高度與氣象條件和地形等關(guān)系較大［8，24］。受熱力和動(dòng)力作用，PBL結(jié)構(gòu)及其變化在大氣污染的形成、輸送、擴(kuò)散和清除等過程中起著非常重要的作用［25］，一般認(rèn)為PBL高度越高，越有利于污染物擴(kuò)散，反之越有利于污染物累積，白天午后PBL高度明顯高于夜間。AOD表征氣溶膠對(duì)太陽輻射的衰減特性，即消光廓線在有效區(qū)域內(nèi)的高度積分。2022年12月28日至2023年1月3日PBL高度、AOD和PM2.5變化曲線見圖8，2022年12月28～29日多云到晴，天空云量少，且以高云為主，PBL高度較高，均值為1.75 km；12月30日受均壓場(chǎng)控制，風(fēng)速較小，污染物濃度逐漸累積，PBL高度下降至1.5 km左右；2022年12月31日至2023年1月1日受弱冷空氣影響，不穩(wěn)定度增加，PBL高度升高至1.76 km左右，污染物濃度表現(xiàn)為先升后降；1月2～4日云系較多，天氣靜穩(wěn)，PBL高度在相對(duì)低值區(qū)波動(dòng)，污染物濃度先降后升；1月4日夜間至1月5日受冷空氣影響，不穩(wěn)定度增加，靜穩(wěn)條件被打破，PBL高度升至2 km左右，受傳輸影響，污染物濃度升至最高；1月6日天空放晴，PBL高度總體增加，呈現(xiàn)白天高夜間低的日變化特征。對(duì)逐時(shí)PBL高度與PM2.5濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)系數(shù)為0.012，未通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明PBL高度與PM2.5濃度變化為弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

由AOD數(shù)據(jù)分析可知，2022年12月28日污染物濃度較低、云量少，AOD較小，大部在0.5 km以下；12月29日中低云增加，污染物濃度升高，AOD增加至1 km左右；12月30日天空放晴，AOD再次下降；2022年12月31日至2023年1月2日云層厚，以低云為主，局部有短時(shí)小雨，濕度大，顆粒物濃度先升后降較大，AOD出現(xiàn)階段性升降，峰值出現(xiàn)在2023年1月1日上午，與污染物濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間對(duì)應(yīng)。1月3日多云轉(zhuǎn)陰天，AOD與顆粒物濃度均先降后升；2023年1月4～5日陰天，顆粒物濃度波動(dòng)上升，并在4日凌晨和5日早晨分別出現(xiàn)階段性峰值，AOD變化趨勢(shì)與顆粒物濃度基本一致，峰值達(dá)1.5 km；1月5日夜間天空放晴，AOD迅速下降至0.2 km，受氣象條件和排放源日變化影響，顆粒物濃度在1月6日白天迅速下降；1月6～7日AOD與顆粒物濃度均維持在低水平。對(duì)逐時(shí)AOD與PM2.5濃度及相對(duì)濕度進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)系數(shù)分別為0.55和0.17，均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明AOD與PM2.5濃度及相對(duì)濕度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，與濟(jì)南、成都等地研究結(jié)果一致。

2.3.3 不同天空狀況氣溶膠光學(xué)特征

已有研究表明，在排放源相對(duì)穩(wěn)定的情況下，氣溶膠分布主要受氣象條件影響。此次重污染過程天空狀況主要有多云到陰天、陰天、小雨、晴天等。2022年12月31日和2023年1月3日均為多云轉(zhuǎn)陰天，總云量為1～2成，空氣質(zhì)量均為中度污染（個(gè)例1）；2023年1月1日為陰天有小雨，總云量為10成，1月4日為陰天，總云量為6成，空氣質(zhì)量均為重度污染（個(gè)例2），以上述2種天空狀況為例，利用氣溶膠激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)廓線分析不同天空狀況下的氣溶膠光學(xué)特性。

（1） 個(gè)例1：天空狀況和污染等級(jí)相同，但氣溶膠光學(xué)特性差異較大。從00∶00開始每隔8 h選取一組532 nm波長消光系數(shù)廓線數(shù)據(jù)，分析垂直方向上氣溶膠趨勢(shì)變化情況，用08∶00，14∶00和20∶00分別代表上午、下午和夜間。從08∶00探空數(shù)據(jù)來看，近地面均存在淺薄的逆溫層，逆溫層頂分別為379 m（12月31日）和293 m（1月3日），白天時(shí)段無明顯濕層，20∶00濕層均向下有所發(fā)展。2022年12月31日和2023年1月3日多云轉(zhuǎn)陰天時(shí)的消光系數(shù)廓線見圖9。圖9具有較明顯的日變化特征，但12月31日和1月3日日變化特征相反。上午時(shí)段低云量較少，云底高度較高，消光系數(shù)在0～3 km高度均呈現(xiàn)單峰型，整體隨高度先增加后減小，沒有殘留層氣溶膠，分別在660 m（12月31日）和615 m（1月3日）高度達(dá)到極值（分別為1.49 km-1和0.64 km-1），消光系數(shù)大值區(qū)均位于逆溫層上部，這可能是由于前期高層偏北氣流的引導(dǎo)和逆溫層的維持，使得外部輸入的氣溶膠在逆溫層上部沉降累積。12月31日08∶00近地面消光系數(shù)達(dá)到當(dāng)日最大值，厚度達(dá)200 m左右，對(duì)12月31日夜間至1月1日上午時(shí)段的重污染天氣有利。下午和夜間時(shí)段，氣溶膠明顯分為兩層，消光系數(shù)在2 km以上的殘留層頂出現(xiàn)極值區(qū)，與云底高度基本一致，但在近地面的消光系數(shù)差異較大。12月31日中午和夜間的近地面消光系數(shù)均弱于白天，可能由于夜間逆溫層減弱，氣溶膠得到一定程度的擴(kuò)散，消光系數(shù)較白天減小。此外，前1 d當(dāng)?shù)貫榍绲蕉嘣?，天空狀況較好，沒有明顯的殘留層氣溶膠，極值出現(xiàn)在近地面，午后到夜間隨著云系增多，濕度增加，中上層逆溫層的形成，午后湍流將部分氣溶膠向上擴(kuò)散至殘留層頂附近，導(dǎo)致出現(xiàn)明顯分層，近地面氣溶膠由于向上擴(kuò)散而減少，消光系數(shù)較上午時(shí)段減小。1月3日中午和夜間的消光系數(shù)均強(qiáng)于白天，可能由于700 hPa以下逆溫層較白天明顯加強(qiáng)，且午后升溫明顯，風(fēng)速有所增加，垂直湍流加強(qiáng)，整層氣溶膠厚度伸展至1.5 km左右，一部分殘留層氣溶膠向下混合至低層，午后和夜間近地面的消光系數(shù)較上午明顯增加。此外，前1 d當(dāng)?shù)貫殛幪?，天空狀況持續(xù)維持，受夜間湍流減弱的影響，混合層的消光系數(shù)會(huì)逐步減小并消失，上午時(shí)段沒有明顯的氣溶膠殘留層，但在午后到夜間，隨著湍流增強(qiáng)，出現(xiàn)氣溶膠殘留層，但與12月31日不同的是，由于前期維持陰天，污染物無法得到有效擴(kuò)散，整體混合層高度較低，午后的湍流和濕度的維持使得污染物不斷吸濕增長并逐步累積，導(dǎo)致午后到夜間的氣溶膠增多，消光系數(shù)隨著時(shí)間的推遲增大。

（2） 個(gè)例2：污染等級(jí)相同，但天空狀況和氣溶膠光學(xué)特性差異較大。2023年1月1日和2023年1月4日小雨和陰天時(shí)的消光系數(shù)廓線見圖10，由于降水粒子的干擾，氣溶膠粒子消光系數(shù)隨高度波動(dòng)較大，整體呈現(xiàn)雙峰型結(jié)構(gòu)。從1月1日08∶00的探空數(shù)據(jù)來看，低層的相對(duì)濕度較前1 d明顯增加，整層風(fēng)速較小，0 ℃層高度在1～2 km之間。1月1日氣溶膠明顯分為兩層，可能受云中的冰水混合物的消光和散射影響，消光系數(shù)在0 ℃層附近出現(xiàn)極大值；近地面消光系數(shù)分布較為均勻，降水主要出現(xiàn)在午后，由于降水較小，對(duì)污染物的清除無明顯影響，反而顆粒物受降水拖曳而從混合層內(nèi)降落至低層，消光系數(shù)極大值出現(xiàn)的高度隨時(shí)間的推遲明顯下降。1月4日為陰天，消光系數(shù)廓線與個(gè)例1在低層有所相似，但在混合層內(nèi)特征差異較大。1月4日08∶00出現(xiàn)多層逆溫，近地面逆溫達(dá)2.3 ℃，逆溫層高度463 m，與近地面消光系數(shù)極大值高度較為一致；700 hPa附近逆溫達(dá)7.1 ℃，并在20∶00加強(qiáng)到7.5 ℃，導(dǎo)致混合層消光系數(shù)在夜間達(dá)到極大值。

3 結(jié) 論

（1） 大氣環(huán)流呈緯向分布，前期弱冷空氣、暖濕氣流發(fā)展、低層偏東氣流及地形的輻合作用，為顆粒物遠(yuǎn)距離輸入和吸濕增長堆積提供條件。后期中上層為高壓系統(tǒng)控制，配合多層逆溫，湍流擴(kuò)散得到抑制，造成此次長時(shí)間重污染過程。

（2） 整個(gè)污染期間從積累、加劇到清除階段，無劇烈天氣發(fā)生，僅1 d出現(xiàn)1 mm左右的弱降水，其余時(shí)段以陰天或多云天氣為主，天氣靜穩(wěn)時(shí)間長，相對(duì)濕度和風(fēng)速等氣象條件對(duì)污染物的擴(kuò)散影響較大。

（3） 污染過程中，1 km以下存在連續(xù)消光系數(shù)大值帶，云底高度較低，云層含水量高，消光系數(shù)較大。污染嚴(yán)重時(shí)，消光系數(shù)數(shù)值增大，厚度增加。天空放晴后，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)良好，低層消光系數(shù)迅速減小。近地面不同高度退偏比變化基本一致，高度越低，退偏比變化幅度越大，退偏比數(shù)值大小能反映粒子形狀，變化與PM2.5濃度變化趨勢(shì)基本一致，受大粒子占比影響較大。

（4） 邊界層高度受天氣系統(tǒng)影響較大，呈現(xiàn)白天高夜間低的日變化特征，并且影響大氣環(huán)境容量與污染物垂直擴(kuò)散條件，與PM2.5濃度呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān)。AOD可以反映顆粒物濃度及云量，與PM2.5濃度及相對(duì)濕度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。

（5）天空狀況對(duì)氣溶膠垂直分布影響顯著。天空狀況為多云轉(zhuǎn)陰天，近地面易出現(xiàn)貼地逆溫，上午時(shí)段由于天空狀況較好，氣溶膠主要分布在近地層，下午到夜間氣溶膠明顯分為兩層，殘留層頂消光系數(shù)的大值區(qū)與700 hPa附近逆溫層關(guān)系密切；近地層有較明顯的日變化特征，特征分布除了與貼地逆溫層的維持、消散、減弱和加強(qiáng)等關(guān)系較大，也與前1 d的天空狀況、當(dāng)日午后升溫、風(fēng)速等有關(guān)。天空狀況為單純陰天，全天氣溶膠均明顯分為兩層，分布特征與多云轉(zhuǎn)陰天類似。天空狀況為陰天有小雨，但雨量不大時(shí)，氣溶膠粒子伸展厚度較高，且隨著降水粒子的拖曳，消光系數(shù)極大值出現(xiàn)的高度隨時(shí)間的推遲明顯下降。

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