克拉玛依PM2.5浓度分析及逆温层对其影响研究

郭凤娟，贾 超，窦春苓

（1.新疆维吾尔自治区气象技术装备保障中心，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国气象局气象探测中心新疆技术装备保障分中心，新疆 乌鲁木齐 830011；3.石河子莫索湾气象站，新疆 石河子 832000；4.克拉玛依市气象局，新疆 克拉玛依 834000）

近年来，逆温层对空气质量影响的相关研究日益增多，罗昱[1]通过对南京地区大气污染过程进行数值模拟，认为双逆温层对大气污染物的时空分布具有重要影响；毕玮[2]等借助风廓线雷达探测资料，发现逆温层早于重污染天气出现并且重污染发生当日的空气质量指数（AQI）日变化特征呈“双峰”结构；赵金霞[3]等通过分析得出逆温层形成后是天津滨海新区产生持续重度雾霾天气的关键条件之一的结论。郁珍艳[4]等认为当稳定的逆温层结是造成空气污染的重要因素；李思盟[5]经统计分析，发现成都逆温天气主要集中在冬季；尹承美[6]等研究发现济南PM2.5质量浓度与逆温层厚度呈显著的正相关；钟晖子[7]等发现500 hPa以下容易出现多层逆温，其中第一层逆温对空气质量影响较大；李培荣[8]等研究表明贴底层出现逆温或强度变强时空气污染通常比较严重；郭丽娜[9]等统计发现青岛以接地逆温为主，春季逆温层最多，而夏季最少。笔者通过充分借鉴上述学者的研究思想，借助克拉玛依气象部门与生态环境保护部门发布的空气质量监测数据，开展相关研究，进一步阐释了克拉玛依PM2.5质量浓度的变化机理，着重分析了逆温层对克拉玛依PM2.5质量浓度的影响，以期为政府相关部门决策提供坚实的技术支撑，为克拉玛依市民认识辖区空气污染状况提供科学参考。

1 资料与方法

本文数据来源于2017-01-01～2019-12-31克拉玛依市生态环境局5个自动监测点（分别是长征新村、南林小区、白碱滩区、独山子区、乌尔禾区商贸楼）24 h实时监测的PM2.5浓度数据，以及同期克拉玛依国家基本气象站24 h气溶胶观测数据。筛选出平均每小时PM2.5浓度数据共计26 247条，剔除由于监测仪器故障等原因造成监测数据明显异常的个别数据，有效研究数据共计25 702条。首先根据监测点数据筛选出雾霾天的日期，然后结合气象站观测数据，利用L波段高空气象探测系统软件逐个提取出逆温层数据，并着重分析逆温层对PM2.5质量浓度的影响，监测点具体地理位置分布情况如图1所示，PM2.5浓度对应的空气质量等级见表1。

图1 克拉玛依监测点位置分布图

表1 PM2.5浓度对应的空气质量等级

2 结果分析

2.1 PM2.5月平均浓度变化

克拉玛依辖区2017—2019年PM2.5月平均浓度变化情况如图2所示，具体数据见表2和表3，图2横虚线表示参考值75 μg/m3，超过此值表示空气质量等级在二级以下。由图2可知，2017—2019这3 a间，PM2.5月平均浓度整体呈U型变化趋势。从空间上看，PM2.5月平均浓度超过参考值的月份独山子区最多，其次是克拉玛依区，白碱滩区和乌尔禾区相当。由表2可知，克拉玛依雾霾天从月份上看主要集中在12月、1月、2月和3月，从季节上看主要为冬季和春季，此时正值克拉玛依供暖期，而克拉玛依夏季和秋季没有雾霾天，PM2.5月平均浓度远低于参考值，且绝大多数低于35 μg/m3，空气质量为优，此时克拉玛依为非供暖期。由此得出以下结论：克拉玛依供暖期PM2.5月平均浓度高于非供暖期，冬季和春季PM2.5月平均浓度高于夏季和秋季。

表3 2017—2019年克拉玛依市PM2.5月平均浓度统计分析

图2 2017—2019年克拉玛依市PM2.5月平均浓度变化

表2 2017—2019年克拉玛依市各月及季节空气质量等级百分比

2.2 持续性雾霾天PM2.5日平均浓度变化

雾霾天气作为一种常见的气象灾害，近年来引起了社会各界的广泛关注，它主要出现在冬季持续性低温静稳天气下，此时冷空气较弱（微风或者无风）。克拉玛依市位于中纬度内陆地区，属典型的温带大陆性气候，冬季寒冷少风，干旱少雨，冬季不利的客观气象条件为雾霾天气的形成和发展创造了有利的条件，而春季和秋季多西北风且风力较大，有利于大气污染物的扩散，不利于大气污染物的聚集，因而春秋两季雾霾天相对较少。

例如2018年1～2月出现了持续低温(Tmin≤－25℃）天气，克拉玛依中心城区低温连续日数为10 d，每日最低气温≤-30℃的天数连续出现4 d。此次过程中，克拉玛依独山子区域连续出现持续性雾霾天气，其中2018-01-06～2018-01-11连 续6 d出 现 雾 霾 天 气；2018-02-13～2018-02-15连续3 d出现雾霾天气，给群众出行以及身心健康都带来了极大的影响。从图3可以看出，持续性雾霾天气的形成、发展以及消散是一个渐进的过程，本次雾霾天气过程比较典型，大致分为3个阶段，低谷-高峰-低谷。第一阶段为13日15∶00时—14日11∶00时，此时风力较小且处于低温静稳天气下，PM2.5浓度下持续渐进式增加，导致能见度逐渐降低；第二阶段为14日11∶00～12∶00时，其中11∶00时PM2.5浓度达到顶峰，达到459 μg/m3，此阶段为维持阶段，此阶段该地局域区域出现小雪天气，导致空气中的相对湿度增加，大气能见度进一步降低；第三阶段从14日12∶00时至次日的23∶00时，此阶段为消散阶段。4～5级西北风的到来直接加剧了PM2.5的扩散，导致PM2.5浓度渐进式下降，空气能见度上升，雾霾逐步消散直至消失。由此可知，持续性雾霾天气的形成、发展以及消散与大气中的温度、PM2.5浓度、相对湿度、风速以及风向等气象条件密不可分。

图3 2018-02-13—2018-02-15 PM2.5小时平均浓度变化

2.3 逆温层对PM2.5质量浓度的影响分析

研究表明，逆温层对PM2.5浓度的扩散具有重要影响。克拉玛依冬季容易形成较强较厚的逆温层，且冬季静稳天气多，风力较小，由图4可知，2017—2019年克拉玛依月平均逆温层厚度大致呈U型变化，与PM2.5浓度变化趋势大致一致。4～10月每个月的平均逆温层厚度低于400 m，逆温层厚度较薄，此时地面温度较高，多雷暴、冰雹等强对流天气，这几个月的PM2.5浓度也维持在较低的水平，3月和11月即初春和晚秋时节逆温层厚度增加，超过400 m。此时地面开始逐渐增暖，偶尔出现大风天气，PM2.5浓度总体上有所增加。1月、2月和12月逆温层厚度最低也超过了500 m，且大多数情况下逆温层厚度会超过700 m，这几个月逆温层厚度整体上较厚，气候寒冷干燥，气压也相对稳定，风力微弱，PM2.5浓度基本上维持在年度最高水平，且污染天气主要集中在这几个月。由此可见，逆温层越厚，空气流动性愈差，此种气象条件不利于大气污染物PM2.5的扩散及迁移。

图4 2017—2019年克拉玛依月逆温层厚度变化

由图5可知，2017—2019这3 a逆温层底月平均高度大致呈现“增高-降低-增高-降低”的变化趋势，每年的1月、2月基本处于全年逆温层底最低高度，大致在500 m以下，也就是在近地面高度，而此时的逆温层厚度是超过500 m的，此时白天晚上辐射较弱，气温比较低，空气上下对流很不活跃，风速较小，水汽比较难扩散，极易形成持续性阴霾天气，夏季7月份逆温层底最高，逆温层底高度超过了2 500 m，而6月、8月、9月的逆温层底高度也基本上超过了1 200 m，说明此时逆温层距地面较高，污染物不容易在近地面聚集，加上夏季空气对流比较活跃，所以此时整体空气质量优良。

图5 2017—2019年克拉玛依月逆温层底高度变化

另外，利用Excel软件中Pearson函数的相关性分析功能，将2017—2019年24 h的PM2.5浓度按月取平均值，与24 h克拉玛依逆温层按月取平均值、24 h克拉玛依逆温层高度按月取平均值以及24 h克拉玛依逆温层强度取平均值，分别计算得到相应的逆温层相关性分析表（见表4）。

表4 克拉玛依PM2.5浓度与逆温层相关性分析表

由上表可知，克拉玛依PM2.5浓度与逆温层厚度呈显著的正相关，与逆温层强度呈负相关，与逆温层高度没有显著的相关关系。由此可见，逆温层厚度越厚，逆温强度越小；PM2.5浓度越高，空气污染越严重，反之，空气污染越轻。

3 结论与讨论

1）克拉玛依2017—2019这3 a整体空气质量优良率高，超过了92.3%，雾霾天从空间上看，独山子区最多，其次是克拉玛依区，白碱滩区和乌尔禾区相当；从月份上看主要集中在12月、1月、2月和3月，从季节上看主要集中在冬季，其次是春季，夏季和秋季没有雾霾天，其中冬季雾霾天主要表现形式为轻度污染，其次为中度污染，偶尔出现重度污染，没有严重污染，而春季雾霾天较少，仅出现轻度污染天气。

2）克拉玛依春季PM2.5质量浓度大致为（30±10）μg/m3；夏季PM2.5质量浓度大致为（15±4）μg/m3；秋季PM2.5质量浓度大致为（17±5）μg/m3；冬季PM2.5质量浓度大致为（58±31）μg/m3。

3）逆温层月平均厚度低于400 m时，PM2.5浓度维持在较低水平，空气质量良好；逆温层月平均厚度超过500 m时，PM2.5浓度开始逐步增加，空气质量开始恶化，出现少量的轻度污染天气；逆温层月平均厚度超过700 m时，PM2.5浓度维持在较高水平，空气质量在轻度污染及以上的天数较多。

4）克拉玛依PM2.5浓度与逆温层厚度呈显著的正相关，与逆温层强度呈负相关，与逆温层高度没有显著的相关关系。