濟(jì)南地區(qū)霾污染天氣氣溶膠和逆溫層特征

孫偉佳，郭海濤，陳慶亮，張玉潔，馬傳成，李恒昶

山東省氣象局大氣探測技術(shù)保障中心，山東濟(jì)南 250031

人類社會的工業(yè)、農(nóng)業(yè)活動使得全球氣候環(huán)境發(fā)生了變化，其中大氣氣溶膠作為全球氣候變化的重要驅(qū)動因子之一，其已經(jīng)成為當(dāng)前國內(nèi)外氣候變化研究的熱點(diǎn)問題。Aaron J Cohen等[1]在研究1990年至2015年期間環(huán)境空氣污染導(dǎo)致的死亡率和疾病負(fù)擔(dān)的時(shí)空趨勢發(fā)現(xiàn)，暴露于污染環(huán)境會增加發(fā)病率和死亡率，是造成全球疾病負(fù)擔(dān)的主要因素，降低了人類的平均壽命。

國內(nèi)很多學(xué)者對氣溶膠變化特征進(jìn)行了研究，唐淑婷[2]對濟(jì)南市氣溶膠特征進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度存在季節(jié)變化和日內(nèi)變化，其濃度變化受環(huán)境條件影響。張玉潔等[3]研究了山東惠民黑碳?xì)馊苣z變化特征及其來源，發(fā)現(xiàn)其具有冬春高，夏秋低的季節(jié)變化，并且降雨和風(fēng)對其濃度有明顯影響。張笑榮[4]研究了臨沂、青島和泰山站的黑碳濃度及其光學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)3個(gè)站點(diǎn)的日變化主要呈現(xiàn)“早晚高，午后低”的雙峰單谷型。張琴等[5]研究魯中地區(qū)霾期間氣溶膠的垂直分布與氣象條件關(guān)系后發(fā)現(xiàn)霾日與重度霾日期間氣溶膠處置分布也存在差異。郝囝等[6]發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)氣溶膠數(shù)濃度日變化具有明顯的周末效應(yīng)，工作日為三峰型分布，周末成雙峰型分布；賈瑞等[7]研究發(fā)現(xiàn)華東地區(qū)氣溶膠含量較高，呈西北高東南低分布；王體健等[8-9]在長三角地區(qū)空氣污染源及污染物的特征和污染物擴(kuò)散機(jī)理方面做了很多研究。

針對2020年年底發(fā)生在濟(jì)南地區(qū)的幾次典型霧霾天氣，從空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）的變化出發(fā)，配合氣溶膠、逆溫層特征進(jìn)行分析，探討了濟(jì)南地區(qū)秋冬季霾污染天氣的特點(diǎn)。

1 濟(jì)南地區(qū)2020年底空氣質(zhì)量分析

2020年年底濟(jì)南地區(qū)出現(xiàn)3次嚴(yán)重霧霾過程：a過程為2020年12月11—12日，AQI峰值達(dá)246，為嚴(yán)重污染；b過 程 為2020年12月26—28日，AQI峰值達(dá)252，為嚴(yán)重污染；c過程為2021年1月20—27日，AQI峰值達(dá)263，為嚴(yán)重污染。b過程前期為連續(xù)5 d的輕度污染，這為后期污染物持續(xù)累積提供了基礎(chǔ)，c過程后期為連續(xù)3 d的輕度污染，由于前期氣溶膠濃度較高，清除不徹底，導(dǎo)致后期出現(xiàn)連續(xù)污染(圖1、表1)。

圖1 濟(jì)南地區(qū)2020年10月至2021年2月空氣質(zhì)量濃度（AQI）的逐日變化

表1 2020年年底濟(jì)南地區(qū)霾污染過程

2 霾污染天氣氣溶膠逐日變化特征

3次霾污染天氣氣溶膠的逐日變化曲線見圖2。可以發(fā)現(xiàn)，在3次污染過程 中，PM2.5、PM10、NO2與AQI的 變 化趨勢基本一致，幾乎同時(shí)出現(xiàn)峰值和谷值，說明PM和NO2是造成濟(jì)南地區(qū)冬季霾污染天氣的主要污染物，而CO、SO2和O3不是濟(jì)南地區(qū)霾污染天氣的主要污染物。PM2.5在PM10中占較大的比重，粗顆粒物易被沉降，而細(xì)顆粒物在風(fēng)速較小、濕度較大的條件下，吸濕增長易發(fā)生液相反應(yīng)生成二次氣溶膠。NO2主要由本地源貢獻(xiàn)，城市車流量大，因此會導(dǎo)致濟(jì)南地區(qū)NO2質(zhì)量濃度上升，從而造成空氣污染。

圖2 濟(jì)南地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）和氣溶膠的逐日變化

3次霾污染過程的O3濃度均偏低，且與PM呈明顯的錯(cuò)峰趨勢，由于O3與PM2.5質(zhì)量濃度上升的環(huán)境或氣象條件是矛盾的。一般情況下，PM2.5質(zhì)量濃度高時(shí)O3污染輕，而O3質(zhì)量濃度上升時(shí)PM2.5污染低。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，PM2.5的光解效應(yīng)和非均相反應(yīng)效應(yīng)會使得O3的質(zhì)量濃度下降。

同一站點(diǎn)不同污染物之間存在一定的相互關(guān)系，通過計(jì)算其相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，3次霾污染過程，PM10、PM2.5和CO的相關(guān)系數(shù)均通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)，說明這幾種污染物傾向于具有相同的源，而PM與O3之間為負(fù)相關(guān)，與觀測到的臭氧污染物、顆粒物污染錯(cuò)時(shí)發(fā)生一致。在c過程中，PM與NO2的相關(guān)系數(shù)為0.818，說明在這個(gè)過程中，NO2與PM、CO可能有相同的源。

通常情況下，風(fēng)速越大，湍流活動越強(qiáng)，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，污染物稀釋擴(kuò)散越快；反之，污染物擴(kuò)散緩慢，尤其當(dāng)出現(xiàn)逆溫層時(shí)污染物可引起重污染過程的發(fā)生。降水可對大氣中的污染物進(jìn)行濕清除，但在此過程中大氣污染會向水污染或土壤污染轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致污染物在不用環(huán)境介質(zhì)中發(fā)生遷移。3次霾污染過程均未有明顯的降水過程，因此這3次霾污染過程均不是由于濕清除作用結(jié)束的。考慮冬季冷空氣活動頻繁對霧霾具有消散作用，研究1 000 hPa風(fēng)場特征發(fā)現(xiàn)：a過程，在12月8日前后，濟(jì)南地區(qū)受高壓反氣旋影響，風(fēng)力微弱以晴好天氣為主，不利于污染物的沉降和擴(kuò)散，11日開始受西北冷空氣影響，霧霾過程結(jié)束。b過程，12月26日前后濟(jì)南地區(qū)受東南暖濕氣流影響，在27日達(dá)到最強(qiáng)，之后減弱，使得這次短暫的霾污染過程減弱。c過程，1月20日前后濟(jì)南地區(qū)受東南暖濕氣流影響，在23日減弱，對應(yīng)AQI下降，之后在27日受東北風(fēng)影響，此次長達(dá)8 d的霾污染天氣結(jié)束（圖3）。

圖3 濟(jì)南地區(qū)1 000 hPa風(fēng)場分布特征

3 逆溫層特征

對流層大氣的溫度一般隨高度上升而下降，但在某些條件下，某些氣層的溫度會隨高度上升而上升，這些氣層稱為逆溫層。逆溫層是絕對穩(wěn)定的層結(jié)，它對上下空氣的對流擴(kuò)散起到抑制的作用。一些嚴(yán)重的大氣污染事件大多與逆溫層有關(guān)，如洛杉磯光化學(xué)煙霧。

逆溫可分為貼地逆溫和脫地逆溫。貼地逆溫是從地表開始的逆溫；從離開地面一定高度開始的逆溫被稱為脫地逆溫；溫度不隨高度發(fā)生變化的大氣層結(jié)稱為等溫層。本研究將討論濟(jì)南地區(qū)3次霾污染過程500 hPa高度以下逆溫層的高度分布。

2020年12月9—12日 的 污 染 過程，從12月9日開始，邊界層內(nèi)存在逆溫層，12日08:00的脫地逆溫強(qiáng)度達(dá)到污染期間觀測時(shí)次的最高值，為7.4℃。12月9—10日，900 hPa以下溫度露點(diǎn)差較小，水汽在大氣內(nèi)不斷累積，相對濕度較大。2020年12月26—28日的污染過程，28日的08:00和20:00脫地逆溫均達(dá)污染期間最大值，為4.5℃。2021年1月20—27日的污染過程，除23日和26日20:00未出現(xiàn)逆溫，其余時(shí)間均出現(xiàn)逆溫層，27日08:00的逆溫強(qiáng)度達(dá)污染期間最高值，為4.7℃。2020年12月9—12日和2020年12月26—28日以脫地逆溫為主，較強(qiáng)的脫地逆溫導(dǎo)致大氣污染物在邊界層內(nèi)聚集，使得濟(jì)南地區(qū)在一段時(shí)間處于重度污染。2021年1月20—27日的霾污染過程中，貼地逆溫和脫地逆溫的發(fā)生概率相差不大，近地面的逆溫層使污染物匯聚在地表，導(dǎo)致AQI上升，此次過程有3次逆溫強(qiáng)度超過4℃，這與本次污染過程持續(xù)時(shí)間長、污染強(qiáng)度大相對應(yīng)（表2）。濟(jì)南地區(qū)幾次霾污染過程中均出現(xiàn)逆溫，貼地逆溫和脫地逆溫均影響霾的形成。

表2 2021年1月20—27日逆溫層特征

4 結(jié)論

通過分析2020年年底濟(jì)南地區(qū)3次霾污染天氣，得到以下主要結(jié)論：

（1）2020年年底3次霾污染過程AQI的變化趨勢與PM2.5、PM10、NO2基本一致，說明PM和NO2是造成濟(jì)南地區(qū)冬季霾污染天氣的主要污染物，而CO、SO2和O3不是濟(jì)南地區(qū)霾污染天氣的主要污染物，其中PM與O3呈明顯的錯(cuò)峰趨勢。

（2）1 000 hPa風(fēng)場表現(xiàn)為：a過程，在12月8日前后，濟(jì)南地區(qū)受高壓反氣旋影響，風(fēng)力微弱以晴好天氣為主，不利于污染物的沉降和擴(kuò)散，11日開始受西北冷空氣影響，霧霾過程結(jié)束。b過程，在12月26日前后濟(jì)南地區(qū)受東南暖濕氣流影響，在27日達(dá)到最強(qiáng)，之后減弱，使得這次短暫的霾污染過程減弱。c過程，在2021年1月20日前后濟(jì)南地區(qū)受東南暖濕氣流影響，在23日減弱，對應(yīng)AQI下降，之后在27日受東北風(fēng)影響，此次長達(dá)8 d的霾污染天氣結(jié)束。

濟(jì)南地區(qū)幾次霾污染過程均出現(xiàn)逆溫層，貼地逆溫和脫地逆溫均影響霾的形成。