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        基于氣象梯度塔近地層觀測的PM2.5與能見度特征

        2022-10-26 04:01:28張麗李磊楊紅龍
        廣東氣象 2022年5期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速污染質(zhì)量

        張麗,李磊,楊紅龍

        (1.深圳市國家氣候觀象臺,廣東深圳 518040;2.深圳南方強天氣研究重點實驗室,廣東深圳 518040;3.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,廣東珠海 519082)

        近年來珠三角地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量不斷提升,各政府部門堅持“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)理念,不斷從源頭上解決污染問題,調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)[1-2],加大生態(tài)環(huán)境的保護和治理力度。在污染源基本穩(wěn)定的前提下,短期內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣主要由天氣形勢和氣象條件控制[3-6]。邊界層氣象條件特征直接影響了近地層物質(zhì)和能量的交換,因此對污染物的擴散和清除起著重要的作用[7-9]。隨著邊界層探測技術(shù)的不斷發(fā)展,探測儀器也越來越精準、精細,比如激光雷達、風(fēng)廓線雷達和微波輻射計等探測設(shè)備的運用。針對天津地區(qū)大氣污染中近地面大氣層結(jié)的研究指出,逆溫層厚度和大氣層結(jié)穩(wěn)定性是影響污染的主要氣象因素[10-11]。深圳梯度塔探測資料彌補了各種探測設(shè)備在近地層探測精度不足的缺點[12-13],對350 m以下人類活動和城市污染最關(guān)鍵的區(qū)域開展精細化的測量。本研究通過對近地層逆溫特征的分析,探討了靜穩(wěn)氣象條件,為污染天氣監(jiān)測提供定量的指標。

        1 資料與方法

        深圳氣象梯度觀測塔(簡稱梯度塔)位于深圳市寶安區(qū)石巖街道石巖基地,與石巖自動氣象站距離不足1 km,桅桿高度356 m,2016年10月投入業(yè)務(wù)試運行,觀測高度350 m,最小分辨率10 m、時間分辨率10 s。深圳市環(huán)境監(jiān)測站西鄉(xiāng)站位于石巖基地偏南方向8 km。選用梯度塔2016年10月—2017年9月13層風(fēng)、溫、壓、濕等氣象要素觀測數(shù)據(jù),石巖自動氣象站數(shù)據(jù)和深圳環(huán)境監(jiān)測西鄉(xiāng)站的PM2.5質(zhì)量濃度。

        低能見度事件定義:排除降水、沙塵暴、楊沙等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙,能見度<10.0 km的事件。當(dāng)PM2.5的質(zhì)量濃度≥75μg/m3時,定義為PM2.5污染時次;當(dāng)PM2.5的質(zhì)量濃度<75 μg/m3時定義PM2.5清潔時次。逆溫的定義:梯度塔每兩層溫度相減得到Δt數(shù)組(Δt1,Δt2,Δt3,……,Δt12),當(dāng)Δt>0,出現(xiàn)逆溫,同時記錄逆溫特征。逆溫強度為逆溫層內(nèi)每升高100 m溫度的逆溫值(10-2℃/m),用I表示:I=Δt/Δh×100,其中,逆溫層厚度Δh=h2-h1,h1、h2為逆溫層的底、頂高(m);逆溫層溫差Δt=t2-t1,t1、t2為逆溫層底、頂部的溫度(℃)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 近地層逆溫與低能見度

        近地層逆溫主要有晴空輻射逆溫、平流逆溫和鋒面逆溫。逆溫的出現(xiàn)與天氣形勢密切相關(guān),選取非降雨日逆溫進行分析,逆溫出現(xiàn)的時次占總時次的54%,其中單層和雙層逆溫出現(xiàn)頻次最高。單層逆溫占總逆溫時次的65.2%、雙層逆溫占比26.2%、3層逆溫占比7.4%、4層逆溫占比1.5%。

        秋冬季冷空氣活動頻繁,主要有冷空氣南下伴隨的鋒面逆溫、冷高壓控制下的輻射逆溫。因此逆溫出現(xiàn)概率高,12月逆溫出現(xiàn)的時次占總時次的比例高達63%,為低能見度事件出現(xiàn)提供了較好的穩(wěn)定條件。春季主要受逐漸加強的西南季風(fēng)影響,暖濕氣流輸送至陸地上空形成平流逆溫,逆溫出現(xiàn)的概率為50%,容易形成霧、霾等低能見度天氣。夏季逆溫概率最低,7月僅為29%。逆溫夜間和清晨概率高達70%或以上,中午前后逆溫概率僅為30%。

        低能見度的出現(xiàn)與逆溫密切相關(guān),其月變化(圖1a)、日變化(圖1b,時間為北京時,下同)分布與逆溫出現(xiàn)概率一致,但低能見度出現(xiàn)的概率低于逆溫的概率,還與逆溫特征相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計,逆溫層數(shù)越多,低能見度出現(xiàn)的概率越高。單層逆溫情況下,低能見度出現(xiàn)的概率僅為62.0%;4層逆溫出現(xiàn)時,低能見度概率為94.7%。

        2.2 逆溫特征的日變化

        以單層逆溫為例,逆溫底高早晚低至10~20 m,中午隨著湍流混合加強,逆溫底高可達120 m(圖2a)。逆溫的厚度一般為20~50 m,其中早晚厚度深厚為30~50 m,中午厚度淺薄為20~30 m(圖2b)。逆溫強度與厚度呈正相關(guān),平均逆溫強度為0.9×10-2℃/m,可見早晚的逆溫特征對污染物擴散更不利。逆溫發(fā)生時,逆溫層底和層頂?shù)娘L(fēng)速變化規(guī)律也發(fā)生了改變(圖2c),早晚逆溫層底的風(fēng)速與地面風(fēng)速接近,比逆溫頂風(fēng)速小1.0 m/s,可見逆溫阻礙了物質(zhì)、能量的交換。中午至午后(10:00—16:00)隨著逆溫高度增加,風(fēng)速減小,逆溫層底、頂?shù)娘L(fēng)速比地面風(fēng)速更小,擴散能力差。

        圖2 逆溫高度(a)、強度(b)和風(fēng)速(c)日變化

        2.3 逆溫特征對PM2.5的影響

        逆溫特征比地面氣象要素對PM2.5質(zhì)量濃度影響更大,如北京城區(qū)逆溫氣象特征及其對大氣污染的影響,空氣質(zhì)量超標日數(shù)年內(nèi)變化趨勢主要受貼地、低空逆溫日數(shù)的影響[4]。通過逆溫特征與地面氣象要素對PM2.5的影響分析(表1)發(fā)現(xiàn),其中逆溫厚度、強度、頂高和底風(fēng)對PM2.5的影響最顯著。PM2.5污染時與清潔時相比,逆溫頂高增加38.6%、逆溫厚度增加78.7%、逆溫強度增強24.3%、逆溫底風(fēng)速減小23.6%,對污染物質(zhì)量濃度增加有利。

        表1 逆溫特征及地面要素對PM2.5質(zhì)量濃度分布的影響

        逆溫層數(shù)與污染物質(zhì)量濃度呈正比,層數(shù)越多PM2.5質(zhì)量濃度越高,一層逆溫下,PM2.5的質(zhì)量濃度為36.6μg/m3,當(dāng)4層逆溫出現(xiàn)時,PM2.5的質(zhì)量濃度上升至53.1μg/m3。逆溫頂?shù)母叨葲Q定了逆溫高度上限,當(dāng)?shù)赘卟蛔儠r,頂高越高,逆溫強度越強,對污染擴散越不利,統(tǒng)計表明,近地層年平均逆溫頂高80.8 m,頂高有顯著的季節(jié)變化與日變化,秋冬季節(jié)逆溫頂高度較高,其中10月最高平均99.9 m,夏季逆溫頂高最低,5月份平均64.9 m。白天平均逆溫頂高可達197.3 m,夜間逆溫頂在50 m左右。污染發(fā)生時(PM2.5質(zhì)量濃度>75μg/m3)逆溫頂?shù)母叨榷鄶?shù)情況下都有明顯的升高,白天最高可達300 m左右,夜間也升高50 m左右。

        不同逆溫層頂高對污染物擴散影響不一樣。隨著頂高由20 m增加至100 m以上,PM2.5平均質(zhì)量濃度由32.0μg/m3升高至43.6μg/m3,平均能見度由11.1 km逐漸降低至8.6 km,低能見度出現(xiàn)的概率由48.8%上升至66.3%,可見頂高越高越不利于污染物擴散。

        逆溫底風(fēng)速代表了逆溫層以下污染物擴散的能力,風(fēng)速越大,擴散越有利。統(tǒng)計表明,近地層年平均近地層年平均逆溫底風(fēng)1.6 m/s,底風(fēng)季節(jié)變化不明顯,日變化特征顯著,PM2.5污染時底風(fēng)小于清潔時。底風(fēng)小于0.2 m/s時,低能見度概率高達77.1%。

        逆溫厚度越大,對污染擴散越不利,統(tǒng)計表明,近地層年平均逆溫厚度35.9 m,厚度有顯著的季節(jié)與日變化,秋冬季節(jié)逆溫厚度較厚,其中12月平均55.9 m,3月逆溫厚度較薄,平均24.7 m。污染發(fā)生時(PM2.5質(zhì)量濃度>75μg/m3)逆溫厚度都比清潔時大,特別是早晨03:00—07:00污染發(fā)生時,逆溫厚度最高可達140 m左右。厚度大于50 m,低能見度概率高達83.3%,平均能見度低至6.4 km。

        逆溫強度對污染物擴散影響大,強度越大,PM2.5質(zhì)量濃度越高。秋冬季節(jié)逆溫強度較大,11月最大逆溫強度1.4×10-2℃/m;夏季逆溫強度最弱,7月份逆溫強度0.8×10-2℃/m。污染發(fā)生時逆溫強度強,特別是早晚時刻,逆溫強度增強顯著。逆溫強度大于2.0×10-2℃/m時,低能見度概率高達76.6%(表2)。

        表2 逆溫強度對PM2.5質(zhì)量濃度和能見度的影響

        PM2.5污染發(fā)生時,逆溫底主導(dǎo)風(fēng)向為NWN-NNE,占了總風(fēng)頻38%;與清潔時風(fēng)向明顯不同,清潔時主導(dǎo)風(fēng)向為ESE-S,占了總風(fēng)向頻率35.7%(表3)。易出現(xiàn)低能見度風(fēng)向為NW、NNW、WMW,低能見度出現(xiàn)概率在78%以上。

        表3 逆溫底風(fēng)向?qū)M2.5質(zhì)量濃度和能見度的影響

        3 結(jié)論

        1)低能見度的出現(xiàn)與逆溫密切相關(guān),月、日變化規(guī)律與逆溫出現(xiàn)頻率一致,但是低能見度的概率總體低于逆溫的概率,說明在逆溫出現(xiàn)的時候,并不一定會造成低能見度,還需進一步分析逆溫特征。

        2)逆溫特征包含逆溫層數(shù)、厚度、強度、風(fēng)速、風(fēng)向等。逆溫層數(shù)與污染物質(zhì)量濃度呈正比,層數(shù)越多PM2.5質(zhì)量濃度越高。逆溫頂?shù)母叨葲Q定了逆溫高度上限,在底高不變的情況下,頂高越高,逆溫強度越強,對污染擴散越不利;逆溫底風(fēng)速代表了逆溫層以下空間內(nèi)污染物擴散的能力,風(fēng)速越大,擴散越有利;逆溫厚度越大,強度越大,PM2.5質(zhì)量濃度越高。PM2.5污染發(fā)生時,逆溫底主導(dǎo)風(fēng)向為NW-N-NNE,占總風(fēng)頻38%;清潔時主導(dǎo)風(fēng)向為ESE-S,占總風(fēng)頻35.7%。

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