杭州臨安一次嚴重大氣污染過程的氣溫與污染物特征

王 維，侯 平，嚴淑嫻，王宇勝

（1.浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 杭州 311300，2.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江杭州 311300）

污染事件發生與大氣邊界層密切相關［1－7］。20世紀初，邊界層理論的提出為這一領域研究奠定了理論基礎［8］。1940年，中國學者提出的湍流應力方程，豐富了大氣邊界層研究內容［9］。20世紀中后期，西方學者提出了局地大氣邊界層自由對流、大氣溫度層結等概念［10］，陳隆勛等［11］提出大氣邊界層湍流場結構。進入21世紀，激光雷達和紅外技術的運用提高了大氣邊界層溫度研究的精度，發現區域大氣污染與逆溫出現導致的氣流停滯有著密切關系［12－18］，強而厚的逆溫層和低的逆溫層高度將污染物壓縮至地面［19－24］，可通過大氣邊界層溫度監測為霧霾的預報提供依據［25－28］。由此，大氣邊界層溫度與污染物的關聯性成為研究熱點問題［29－30］。本研究以杭州市臨安區一次嚴重污染過程作為案例，分析期間近地大氣邊界層溫度變化、逆溫產生過程與空氣污染出現的關系。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

杭州臨安（30°15′N，119°43′E），海拔100～150 m，位于浙江省西北部，隸屬于杭州市。為亞熱帶季風性氣候，盛行東南季風，年均降水量1 613.9 mm，年平均降水日158.0 d，無霜期年平均237.0 d。臨安境內地勢自西北向東南傾斜，北、西、南三面環山，東西100 km，南北50 km，總面積3 126.8 km2。西北、西南部山區平均海拔在1 000 m以上，東部河谷平原海拔在50 m以下，東西海拔相差1 770 m［31］。城區空氣首要污染物為可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）。二氧化硫（SO2），二氧化氮（NO2），PM10和PM2.5年日均值分別為8，31，81和45 μg·m－3。2016年空氣質量優良天數為312 d，優良率85.2%。

1.2 研究方法

空氣質量數據來自中國環境監測總站 “全國空氣質量實時發布平臺”。收集了2015年12月20－25日6 d的臨安區人民政府、臨安四中2個站點的PM2.5，PM10，二氧化硫（SO2），二氧化氮（NO2），一氧化碳（CO）和臭氧（O3）等逐時數值。 評價標準為 GB 3095－2012《環境空氣質量標準》和 HJ 633－2012《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》。氣溫數據由MTP5-HE微波遙感溫度廓線儀測定，收集頻率為5 min·次－1，接收數據20個·次－1，共收集溫度數據34 560個。其工作原理是由一個輻射儀和微波吸收天線，分別發出與吸收微波，測試微波變化，并計算出氣溫廓線，廓線從地面開始隔50 m測得1個氣溫數據，點直至1 000 m高處，整個過程由全功能軟件完成。

主要運用統計學中的時間序列分析方法，對測量期間從地面至1 000 m高空中氣溫變化情況進行分析。由于氣溫數據量大，采用計算機程序識別逆溫狀態，篩選出相應特征數據，并通過數據格式轉化找出逆溫底高、逆溫頂高以及對應的氣溫、逆溫厚度和溫差等數據。再結合對應時間段內6種污染物變化情況，尋找逆溫生成過程與污染演化過程的關系。用SigmaPlot 12.5作圖呈現這次嚴重污染期間氣溫廓線圖。逆溫層厚度：ΔH=H2－H1，其中：H1和H2分別為逆溫層底高、頂高（m）；逆溫層溫度差：ΔT=T2－T1， 其中T1和T2分別為逆溫層底部、 頂部溫度（℃）［32］。

2 結果與分析

2.1 天氣條件及空氣質量情況

表1是這次大氣污染過程的天氣狀況。主要特征是陰或小雨、低溫和微風，不利于空氣擴散。空氣濕度大有利于氧化氮類、氧化硫類和氧化碳類氣體與水分子結合生成懸浮小顆粒物。

表2是空氣質量的日變化過程。主要特征是：連續3 d輕度污染后衍化為1 d的重度污染，隨后消弱至中度，之后變為良好，整個過程6 d。主要污染物為PM2.5和PM10。其他指標處在較低狀態。

逆溫可分為3個階段，如圖1～3所示。第1階段：逆溫初始期20日21:00至21日9:00，出現拉長的逆溫現象；第2階段：21日12:00至24日18:00，持續了約40 h的逆溫過程，其間22日全天出現持續逆溫狀態，白天地面氣溫與空中氣溫持續升高，距地面高度1 000 m范圍內氣溫基本相同，且距離地面高度700 m處氣溫持續升高，20:00后距地面高度500 m以下的溫度降到8.0℃，但700 m高度處氣溫依然超過10.0℃，出現了該次最強烈的逆溫溫差和最大逆溫厚度。連續的逆溫使得空氣的擴散受阻，釀成了23日嚴重霧霾。第3階段：24日20:00以后，逆溫逐步消散，25日恢復正常態。

表1 天氣情況Table 1 Weather conditions

表2 空氣質量情況Table 2 Air quality situation

圖1 2015年12月20－21日氣溫廓線圖Figure 1 Temperature profile on December 20－21,2015

2.2 大氣溫度廓線演變

每日氣溫層結變化描述如下：20日全天溫差為10.0℃，最高溫度12.0℃，最低溫度2.0℃。當天逆溫主要集中在清晨和夜間2個時段。第1階段（0:00－9:00）共經歷9 h，溫差小于1.0℃，逆溫下限與上限分別為400和700 m，平均厚度為350 m。第2階段，自21:00出現逆溫狀態，溫差小于1.0℃，逆溫下限與上限為300和800 m，平均厚度為450 m。

21日全天溫差為5.0℃，最高溫度為9.0℃，最低溫度為4.0℃。全天逆溫集中于2個時段：第1階段（0:00－3:00）共經歷3 h，溫差小于0.5℃，逆溫下限與上限處于400和900 m，平均厚度300 m。該階段內800 m以上溫度低于5.0℃，200 m以下平均氣溫度7.0℃。第2階段自14:00以后，溫差小于0.5℃，逆溫厚度不足100 m。18:00起逆溫高度處于550～750 m，逆溫厚度超過200 m，溫差平均為0.8℃。20:00后逆溫范圍不斷擴大，逆溫厚度逐漸增加，逆溫中心溫度超過9.0℃。

圖2 2015年12月22－23日氣溫度廓線圖Figure 2 Temperature profile on December 22－23,2015

22日全天出現逆溫現象，溫差為7.0℃，最高溫度13.0℃，最低溫度6.0℃。0:00－6:00時間段內，200 m以下平均氣溫7.0℃，700 m處氣溫10.0℃。8:00－16:00距地面高度200 m處氣溫逐漸升高，平均氣溫12.0℃。700 m處氣溫自7:00以后超過11.0℃且不斷升高，逆溫厚度從50 m增加到500 m，溫差最高達4.0℃。10:00－17:00距地面1 000 m高度內氣溫基本相同且超過11.0℃，全過程溫差超過1.0℃。17:00－19:00地面氣溫不斷下降且低于10.0℃，700 m處氣溫仍高于12.0℃且氣溫不斷降低。19:00后700 m處溫度逐漸低于12.0℃，逆溫厚度逐漸減小為200 m，1 h后距地面高度200 m處氣溫下降至10.0℃，700 m處氣溫下降至11.0℃，范圍繼續縮小。

23日全天存在逆溫現象，溫差為5.0℃，最高氣溫11.0℃，最低氣溫6.0℃。1:00－4:00近地面溫度10.0℃，距地面高度700 m氣溫11.0℃。4:00－12:00時間段內300和700 m高度處氣溫均不斷下降，并依然存在溫差超過2.0℃的逆溫現象。12:00后近地面溫度開始逐漸升高至11.0℃。700 m處氣溫也開始升高到10.0℃。20:00以后距地面200 m以上區域的氣溫下降至8.0℃，200 m以下范圍內氣溫下降至9.0℃。

24日全天溫差為6.0℃，最高氣溫10.0℃，最低氣溫4.0℃，逆溫時段主要集中在11:00前。0:00－8:00距地面高度100 m處氣溫為8.0℃，600～700 m處平均氣溫8.0℃，200～500 m處平均氣溫7.0℃，逆溫厚度100 m，溫差小于1.0℃。8:00－14:00距地面100 m處氣溫逐漸升高至10.0℃，700 m處氣溫為8.0℃，600 m處個別時段出現氣溫為10.0℃。25日未出現明顯逆溫現象，溫差為8.0℃，最高氣溫12.0℃，最低氣溫4.0℃。

圖3 2015年12月24－25日氣溫廓線圖Figure 3 Temperature profile on December 24－25,2015

2.3 逆溫溫差與逆溫厚度關系

圖4為2015年12月20-25日臨安區逐時逆溫溫差與逆溫厚度變化情況。逆溫厚度最大值為700 m，平均逆溫厚度為359.9 m。逆溫溫差最大值為3.68℃，平均逆溫為0.71℃。逆溫溫差最大值與逆溫厚度最大值均出現在22日8:00。逆溫溫差與逆溫厚度存在極顯著相關（R2=0.914，P＜0.01）。

圖4 逆溫厚度與逆溫溫差變化Figure 4 Variation between inversion thickness and inversion temperature difference

2.4 逆溫高度與污染物變化

圖5呈現的是這一過程中臨安區人民政府和臨安四中2個測點逐時PM2.5和PM10質量濃度與逆溫高度變化情況。逆溫過程特征為：20日逆溫頂高平均高度為600 m，逆溫底高從距離地面50 m上升至300 m，全天2種顆粒物質量濃度變化不大。21日18:00后逆溫頂高距地面高度由600 m上升至700 m，逆溫底高從300 m下降至50 m。22日逆溫頂高平均高度700 m，逆溫底高平均高度150 m。23日1:00逆溫頂高下降為距地面600 m，逆溫底高從距離地面150 m上升至450 m，伴隨逆溫底高上升2種顆粒物質量濃度不斷升高。20:00后逆溫底高逐漸下降至距地面200 m，2種污染物質量濃度波動下降。24日16:00時后逆溫逐漸消散；25日基本不存在逆溫現象，2種顆粒物質量濃度處于較低水平。

圖5 PM2.5和PM10質量濃度與逆溫高度變化Figure 5 Changes between PM2.5and PM10concentration and temperature inversion

從污染角度看，PM2.5和PM10的發生隨逆溫而來，又隨逆溫消散而去，并且伴隨逆溫過程而積累。PM2.5的變化特征是：總體處在24 h平均75 μg·m－3二級國家標準之上。20－22日夜間PM2.5的空氣質量分指數（IAQI）為150，個別時段指數達到200，凌晨和傍晚指數相對較高；23日污染質量濃度達到全過程峰值， 臨安四中站為 284 μg·m－3， 區人民政府站為 259 μg·m－3， 25 日迅速下降至 50 μg·m－3以下。

PM10的變化特征是：2個測點的質量濃度變化相差不大，總體處在24 h平均150 μg·m－3二級國家標準之上。20－22日空氣質量分指數為150～200，夜間達200。之后2個測點質量濃度波動上升，23日達到整個過程峰值， 臨安四中站為 389 μg·m－3， 區人民政府站為 395 μg·m－3， 25 日迅速下降至 100 μg·m－3以下。

圖6呈現的是臨安區人民政府和臨安四中2個測點逐時氣體污染物質量濃度與逆溫高度變化情況。20日中午臨安區人民政府站二氧化硫質量濃度達到當日峰值25 μg·m－3，臨安四中站為14 μg·m－3，25日19:00臨安區人民政府站出現峰值25 μg·m－3，整個過程二氧化硫質量濃度均低于國家24 h平均50 μg·m－3的一級標準。在一天中早晨質量濃度逐漸升高，中午達到峰值，夜晚降低。

一氧化碳質量濃度在22日23:00達全過程峰值，臨安區人民政府站為1.6 mg·m－3，臨安四中站為2.5 mg·m－3。 23 日 19:00 臨安區人民政府站出現峰值為 2.3 mg·m－3， 臨安四中站點為 2.5 mg·m－3。 全過程在國家一級標準內。

圖6 氣體污染物質量濃度與逆溫高度變化Figure 6 Changes between gas pollutant concentration and temperature inversion

二氧化氮質量濃度21日19:00到達全天峰值，臨安區人民政府站為75 μg·m－3，臨安四中站為99 μg·m－3。22日18:00臨安區人民政府站和臨安四中站質量濃度分別為71和105 μg·m－3。全過程在國家一級標準內。

2個站臭氧質量濃度變化差異較大，臨安四中站平均值優于臨安區人民政府站；整個階段內變化幅度較大。白天出現峰值，夜間降低，全過程在國家一級標準內。

臨安四中站PM10質量濃度與逆溫底高極顯著相關（R2=0.326，P＜0.01），PM2.5質量濃度與逆溫底高顯著相關（R2=0.101，P＜0.05）；臨安區人民政府站PM10質量濃度與逆溫底高顯著相關（R2=0.177，P＜0.05），PM2.5質量濃度與逆溫底高顯著相關（R2=0.194，P＜0.05）。PM2.5和PM10質量濃度與逆溫底高變化基本一致。逆溫底高下降使得垂直方向上顆粒物不容易擴散，大量顆粒物聚集造成了嚴重空氣污染事件發生。該結論與杜榮光等［13］和簡根梅等［15］結論一致。逆溫頂高高度為550～700 m且變化不明顯，逆溫頂高與2個測站PM2.5和PM10質量濃度不存在顯著相關性。PM2.5質量濃度超過115 μg·m－3（對應IAQI為150）和PM10質量濃度超過250 μg·m－3（對應IAQI為150）。二氧化硫、一氧化碳、臭氧和二氧化氮的質量濃度平均值分別為 10.7 μg·m－3（σ＝4.52）， 1.5 mg·m－3（σ＝0.35）， 102.7 μg·m－3（σ＝8.93）， 51.5 μg·m－3（σ＝15.65）。全過程中前3種氣體污染物質量濃度均低于空氣質量分指數50對應的質量濃度值150 μg·m－3， 5 mg·m－3和 160 μg·m－3， 二氧化氮質量濃度除個別時間點外也均低于 100 μg·m－3（對應 IAQI為50）。

3 結論

研究區逆溫現象主要集中在清晨和傍晚，逆溫底高和頂高通常為400和700 m。該次霧霾是連續3 d輕度污染后衍化為1 d的重度污染，隨后消弱至中度，之后變為良好，整個過程為6 d。污染隨逆溫而來，又隨逆溫消散而去，并且伴隨逆溫過程而積累。

該次霧霾過程，逆溫厚度最大值為700.0 m，平均逆溫厚度為359.9 m。逆溫溫差最大值為3.7℃，平均逆溫為0.7℃。逆溫溫差與逆溫厚度極顯著相關（R2=0.914，P＜0.01）。

PM2.5和PM10是主要污染物，該次嚴重污染期間，兩者質量濃度分別超過115和250 μg·m－3；二氧化硫、一氧化碳、臭氧和二氧化氮等4種氣體在這次污染過程中始終處在較低的質量濃度狀態。

PM2.5和PM10與逆溫底高具有極顯著正相關，逆溫頂高與2種顆粒物質量濃度不存在顯著相關。造成污染的原因是逆溫底高度下降，垂直方向上顆粒物擴散受阻而產生大量聚集。