巴彥淖爾市臨河區(qū)逆溫層特征及對空氣污染物濃度的影響

黃元媛

（內(nèi)蒙古巴彥淖爾市氣象局，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000）

大氣是人類賴以生存的環(huán)境，空氣污染又稱大氣污染，是指人類活動或自然過程引起某些物質(zhì)進入大氣中，達到足夠的濃度和時間，對地球環(huán)境或人類健康造成影響的現(xiàn)象。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市現(xiàn)代化進程不斷加快，使得污染源與污染物的排放日趨增多，污染范圍不斷擴大，以SO2、NO2、PM10和PM2.5等為主要污染物的空氣污染越來越嚴重。空氣污染問題也引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注，一些研究表明大氣逆溫層與空氣質(zhì)量密切相關(guān)。

Stull［1］研究認為，逆溫層對大氣湍流起抑制作用，減弱大氣的擴散能力，不利于污染物的擴散?？的鹊龋?］研究認為北京市PM2.5濃度升高的原因是西南暖風(fēng)形成了邊界逆溫層。鄭紅等［3］和崔冬林等［4］研究認為逆溫持續(xù)性、強度和層厚與大氣污染程度存在正相關(guān)關(guān)系。還有一些研究人員分析了當(dāng)?shù)乜諝馕廴九c逆溫層的關(guān)系［5-8］，可為地方空氣污染防治提供參考。

內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市屬典型的中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，東接包頭市，西連阿拉善盟、烏海市，2017 年以來多次出現(xiàn)霧霾天氣，尤其是2019 年12月至2020年1月，巴彥淖爾市臨河區(qū)共出現(xiàn)霧霾天氣45 d。本研究通過對2017—2020 年臨河區(qū)逐日探空資料及環(huán)境監(jiān)測站空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，研究巴彥淖爾市臨河區(qū)大氣逆溫層特征，分析大氣逆溫與空氣污染的關(guān)系，以期為巴彥淖爾市臨河區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 資料來源與方法

本研究采用的探空資料為內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市臨河站L 波段探空雷達8：00 時（北京時，下同）和20：00 時2 個時次的數(shù)據(jù)，空氣質(zhì)量［9］資料來自巴彥淖爾市臨河區(qū)環(huán)境監(jiān)測站空氣質(zhì)量指數(shù)AQI數(shù)據(jù)以及SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。

一般情況下，大氣垂直結(jié)構(gòu)溫度隨高度的上升逐漸降低，但有時會出現(xiàn)溫度隨高度的上升逐漸升高的現(xiàn)象，即為逆溫現(xiàn)象，出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象的大氣層稱為逆溫層。本研究中的貼地逆溫是指從地面開始大氣垂直結(jié)構(gòu)溫度隨高度上升逐漸升高；脫地逆溫是指從離開地面一定高度開始溫度隨高度上升逐漸升高。當(dāng)逆溫現(xiàn)象發(fā)生在距地面1 500 m 以上時，受大尺度天氣系統(tǒng)影響，對空氣污染物濃度的影響較小，因此，本研究只分析距地1 500 m 以下的逆溫層。

2 臨河區(qū)大氣逆溫層特征

通過對臨河區(qū)2017—2020 年的逐日探空數(shù)據(jù)的處理，計算和統(tǒng)計貼地逆溫和脫地逆溫出現(xiàn)的頻率、強度、厚度等，分析巴彥淖爾市臨河區(qū)大氣逆溫層特征。

2.1 逆溫層頻率變化特征

1 d 中2 個時次中只要出現(xiàn)1 次逆溫層即記為當(dāng)天發(fā)生逆溫，2017—2020 年巴彥淖爾市臨河區(qū)逆溫層的年平均日數(shù)為283 d，發(fā)生頻率為77.5%，其中貼地逆溫占逆溫總?cè)諗?shù)的35.3%，脫地逆溫占逆溫總?cè)諗?shù)的64.7%。8：00時逆溫層年平均日數(shù)為273 d，發(fā)生頻率為74.9%，其中貼地逆溫占逆溫總?cè)諗?shù)的31.1%，脫地逆溫占逆溫總?cè)諗?shù)的68.9%。20：00 時逆溫層年平均日數(shù)為116 d，發(fā)生頻率為31.8%，其中貼地逆溫占逆溫總?cè)諗?shù)的29.5%，脫地逆溫占逆溫總?cè)諗?shù)的70.5%。

通過對逆溫層出現(xiàn)日數(shù)的逐月變化（圖1）分析可知，其逐月變化差異較大，且8：00 時出現(xiàn)逆溫層日數(shù)多于20：00 時。從逆溫層出現(xiàn)日數(shù)逐月變化趨勢分析，1—6 月逆溫層出現(xiàn)日數(shù)逐月下降，6—12 月逆溫層出現(xiàn)日數(shù)逐月上升；逐月分布情況分析，每年10 月至次年2 月，逆溫層出現(xiàn)日數(shù)較高，月平均逆溫層出現(xiàn)日數(shù)在25 d 以上，6 月逆溫層出現(xiàn)日數(shù)最低，月平均逆溫層出現(xiàn)日數(shù)為18 d。對總貼地逆溫層出現(xiàn)日數(shù)與總脫地逆溫層出現(xiàn)日數(shù)逐月分布情況進行分析，總貼地逆溫層出現(xiàn)日數(shù)逐月變化差異較大，而總脫地逆溫層出現(xiàn)日數(shù)逐月變化差異較小，其中11月至次年8 月總脫地逆溫層出現(xiàn)日數(shù)多于總貼地逆溫層出現(xiàn)日數(shù)，且4—8 月以總脫地逆溫層為主。

圖1 2017—2020 年臨河區(qū)大氣逆溫層出現(xiàn)日數(shù)逐月變化

2.2 逆溫層強度變化特征

通過對逆溫層強度的逐月變化分析可知，其逐月變化差異較小，最強強度為12.7 ℃，總體趨勢為夏季（6—8 月）強度小，3 月、4 月和11 月強度較強，其余月份強度均等，且8：00 時的逆溫強度大于20：00時逆溫強度。

2.3 逆溫層厚度變化特征

通過貼地逆溫層厚度的統(tǒng)計分析表明，2017—2020 年巴彥淖爾市臨河區(qū)貼地逆溫層的平均厚度為185 m，年際變化不大。根據(jù)貼地逆溫層垂直到達的高度分類統(tǒng)計可得，貼地逆溫層的最大厚度為從地面到775 m，最小不足10 m。8：00 時逆溫層厚度大于20：00 時，且逐月變化差異較大，1 月開始厚度逐漸增加，3 月開始厚度逐漸降低，到6 月達到最低值，然后逐漸上升。

3 臨河區(qū)空氣污染物濃度變化特征

通過對巴彥淖爾市臨河區(qū)空氣污染天數(shù)逐月變化（圖2）分析，每月都可能出現(xiàn)不同程度的空氣污染，1 月污染天數(shù)最多，年平均達9 d，之后逐月下降，9 月污染天數(shù)最少，年平均為1 d，隨后又上升。

圖2 臨河區(qū)空氣污染天數(shù)逐月變化

通過對各污染物平均濃度逐月變化（圖3）進行分析，SO2、NO2、PM2.5平均濃度逐月變化趨勢表現(xiàn)為冬季高，夏季低，其中，SO2平均濃度逐月變化1 月最高，隨后逐月下降，5—9 月為全年濃度低值期，隨后又上升；NO2平均濃度逐月變化趨勢與SO2大致一致，1 月最高，隨后逐月下降，8 月最低，5—9 月為全年濃度低值期，隨后又上升；PM2.5平均濃度逐月變化同樣在1 月最高，隨后逐月先降低后升高，6—9 月為全年濃度低值期。對逐月污染天數(shù)中主要污染進行物分析，每年10 月至次年3 月，造成空氣污染的主要污染物為NO2、SO2、PM2.5，這段時期為供暖期，污染物濃度急劇增多與大量化石燃料的燃燒有關(guān)。PM10平均濃度逐月變化趨勢呈雙峰型，整體夏季明顯低于其他時期，春季較秋冬季偏高，5 月最高，這是由于出現(xiàn)浮塵、揚沙和沙塵暴的次數(shù)較多，致使空氣中的可吸入顆粒物的含量增多。O3污染平均濃度逐月變化與其他污染物變化趨勢相反，為夏季高，冬季低，6 月、7 月較高，這是由于夏季巴彥淖爾市臨河區(qū)高溫少雨，日照時間長，汽車尾氣、工廠煙霧等排入大氣的揮發(fā)性有機污染物和氮氧化物在強烈紫外線照射下，經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)，就會產(chǎn)生O3污染。

圖3 臨河區(qū)各污染物平均濃度逐月變化

4 大氣逆溫對空氣污染物濃度的影響

4.1 逆溫層出現(xiàn)頻率與空氣污染物濃度的關(guān)系

通過分析逆溫層出現(xiàn)頻率與各污染物濃度之間的關(guān)系，SO2、NO2、PM2.5、PM104 種污染物濃度與逆溫層的出現(xiàn)頻率呈正相關(guān)。每年10 月至次年2 月是巴彥淖爾市臨河區(qū)逆溫層出現(xiàn)頻率較高的時期，在這段時間4 種污染物的濃度均較高。通過對貼地逆溫、脫地逆溫與空氣污染物濃度變化關(guān)系分析，貼地逆溫與SO2、NO2、PM2.5、PM104 種污染物的濃度呈正相關(guān)，貼地逆溫出現(xiàn)頻率越高，上述4 種污染物平均濃度也越高。由此可知，逆溫層的存在使得空氣垂直對流運動受到嚴重抑制，尤其是貼地逆溫，抑制作用更強，導(dǎo)致近地層空氣中的煙塵、汽車尾氣以及各種有害氣體無法向上擴散，同時漂浮的污染物在逆溫層下面的近低空迅速堆積，造成污染物濃度迅速升高。O3污染與逆溫頻率相關(guān)性較差，因此，大氣逆溫層對O3污染影響較小，高溫和光照是O3污染的主要因素。

4.2 逆溫層強度與空氣污染物濃度的關(guān)系

逆溫層強度與SO2、NO2、PM2.5、PM104 種污染物的濃度存在一定關(guān)系，即逆溫層強度越大，4 種污染物的平均濃度越大。4 月、11 月巴彥淖爾市臨河區(qū)逆溫層強度較大，4 種污染物平均濃度也較高，而每年的6 月、7 月逆溫層強度較小，4 種污染物平均濃度也較低。

4.3 逆溫層厚度與空氣污染物濃度的關(guān)系

逆溫層厚度與SO2、NO2、PM2.5、PM104 種污染物的濃度存在一定關(guān)系，即逆溫層厚度越厚，4 種污染物的平均濃度越大。1 月巴彥淖爾市臨河區(qū)的逆溫層平均厚度最厚，此時4 種污染物的平均濃度均達到一年中的最高水平；每年6 月的逆溫層平均厚度最薄，此時4 種污染物平均濃度也降到了一年中的最低值。

5 臨河區(qū)疫情管控期間空氣污染分析

5.1 空氣污染物濃度變化特征

研 究 時 間 為2020 年1 月23 日 至2020 年2 月25日，期間臨河區(qū)空氣質(zhì)量出現(xiàn)重度污染4 次、中度污染3 次、輕度污染9 次，平均AQI指數(shù)為107（圖4）。選取4 次重污染天氣過程進行分析，第一次重污染天氣發(fā)生時各污染物濃度小時變化范圍是PM2.5（20～281 μg/m3）、PM10（34～368 μg/m3）、SO2（9～51 μg/m3）、NO（210～90 μg/m3），第二次重污染天氣發(fā)生時各污染物濃度小時變化范圍是PM2.5（29～372 μg/m3）、PM1（034～485 μg/m3）、SO（29～70 μg/m3）、NO（210～64 μg/m3），第三次重污染天氣發(fā)生時各污染物濃度小時變化范圍是PM2.5（99～201 μg/m3）、PM10（135～268 μg/m3）、SO2（18～78 μg/m3）、NO2（19～38 μg/m3），第四次重污染天氣發(fā)生時各污染物濃度小時變化范圍是PM2.5（95～284 μg/m3）、PM10（128～351 μg/m3）、SO（28～18 μg/m3）、NO（216～61 μg/m3）。4 次重污染天氣發(fā)生時SO2和NO2小時濃度均小于近4 年（2017—2020 年）的平均值管控，分析表明疫情管控期間對車輛的管控最大，車輛影響最大的是NO2，臨河區(qū)周邊重工業(yè)城市烏海市、包頭市在疫情管控期間關(guān)閉了一些工廠，導(dǎo)致SO2和NO2濃度減小，而PM2.5/PM10在72%～74%，因此，4 次重污染天氣的首要污染物均為細顆粒物（PM2.5）［10，11］。

圖4 2020 年1 月23 日至2 月25 日臨河區(qū)空氣污染指數(shù)

5.2 4 次重污染天氣發(fā)生時逆溫層特征及對空氣污染的影響

4 次重污染天氣發(fā)生時臨河區(qū)均出現(xiàn)逆溫層，其中1 月23 日出現(xiàn)貼地逆溫，逆溫層厚度為139 m，1 月24 日出現(xiàn)貼地逆溫和脫地逆溫，逆溫層厚度分別為189 m 和125 m，1 月26 日與1 月28 日均出現(xiàn)脫地逆溫，其中1 月26 日出現(xiàn)2 層脫地逆溫，逆溫層厚度分別為135 m 和118 m，1 月28 日逆溫層厚度為112 m。分析得到4次重污染天氣各污染物濃度日平均值，1月23日PM2.5為166 μg/m3、PM10為230 μg/m3，1 月24 日PM2.5為177 μg/m3、PM10為240 μg/m3，1 月26 日PM2.5為156 μg/m3、PM10為214 μg/m3，1 月28 日PM2.5為152 μg/m3、PM10為210 μg/m3，AQI指數(shù)分別為216、227、206、202。

分析表明，出現(xiàn)貼地逆溫造成的空氣污染比出現(xiàn)脫地逆溫時嚴重，出現(xiàn)多層逆溫層造成的空氣污染比出現(xiàn)一層逆溫層時嚴重，逆溫層越厚造成的空氣污染越嚴重。

6 小結(jié)

通過對巴彥淖爾市臨河區(qū)大氣逆溫層特征及其對空氣污染物濃度的影響之間的關(guān)系進行分析，得出如下結(jié)論。

1）臨河區(qū)逆溫層出現(xiàn)頻率的逐月變化差異較大，每年10 月至次年2 月逆溫層出現(xiàn)頻率最高，6 月逆溫層出現(xiàn)頻率最低，且8：00 時逆溫層出現(xiàn)頻率高于20：00 時；11 月至次年8 月脫地逆溫高于貼地逆溫，且4 月至8 月以脫地逆溫為主，9—10 月貼地逆溫高于脫地逆溫。

2）臨河區(qū)逆溫層強度為夏季（6—8 月）強度較小，3 月、4 月和11 月強度較大，其余月份強度均等，且8：00 時的逆溫層強度大于20：00 時逆溫層強度；臨河區(qū)貼地逆溫層的平均厚度為185 m，且8：00 時逆溫層厚度大于20：00 時。

3）臨河區(qū)每月都可能出現(xiàn)不同程度的空氣污染，當(dāng)城市上空出現(xiàn)逆溫，特別是出現(xiàn)貼地逆溫時，空氣污染會加重。SO2、NO2、PM2.53 種污染物平均濃度逐月變化的趨勢表現(xiàn)為冬季高，夏季低；PM10平均濃度逐月變化趨勢呈雙峰型，整體上夏季明顯低于其他時期，春季較秋冬季偏高；O3污染平均濃度逐月變化與其他污染物變化趨勢相反，為夏季高，冬季低。

4）SO2、NO2、PM2.5、PM104 種污染物濃度與逆溫層的出現(xiàn)頻率、強度、厚度呈正相關(guān)，即逆溫層出現(xiàn)頻率越高、強度越強、厚度越厚，污染物的濃度就越高。

5）貼地逆溫的出現(xiàn)更有利于SO2、NO2、PM2.5、PM104 種污染物濃度的增加。

6）O3污染與逆溫頻率相關(guān)性較差，大氣逆溫層對O3污染影響較小。