济南地区霾污染天气气溶胶和逆温层特征

孙伟佳，郭海涛，陈庆亮，张玉洁，马传成，李恒昶

山东省气象局大气探测技术保障中心，山东济南 250031

人类社会的工业、农业活动使得全球气候环境发生了变化，其中大气气溶胶作为全球气候变化的重要驱动因子之一，其已经成为当前国内外气候变化研究的热点问题。Aaron J Cohen等[1]在研究1990年至2015年期间环境空气污染导致的死亡率和疾病负担的时空趋势发现，暴露于污染环境会增加发病率和死亡率，是造成全球疾病负担的主要因素，降低了人类的平均寿命。

国内很多学者对气溶胶变化特征进行了研究，唐淑婷[2]对济南市气溶胶特征进行了大量研究，发现气溶胶浓度存在季节变化和日内变化，其浓度变化受环境条件影响。张玉洁等[3]研究了山东惠民黑碳气溶胶变化特征及其来源，发现其具有冬春高，夏秋低的季节变化，并且降雨和风对其浓度有明显影响。张笑荣[4]研究了临沂、青岛和泰山站的黑碳浓度及其光学特性，发现3个站点的日变化主要呈现“早晚高，午后低”的双峰单谷型。张琴等[5]研究鲁中地区霾期间气溶胶的垂直分布与气象条件关系后发现霾日与重度霾日期间气溶胶处置分布也存在差异。郝囝等[6]发现天津地区气溶胶数浓度日变化具有明显的周末效应，工作日为三峰型分布，周末成双峰型分布；贾瑞等[7]研究发现华东地区气溶胶含量较高，呈西北高东南低分布；王体健等[8-9]在长三角地区空气污染源及污染物的特征和污染物扩散机理方面做了很多研究。

针对2020年年底发生在济南地区的几次典型雾霾天气，从空气质量指数（AQI）的变化出发，配合气溶胶、逆温层特征进行分析，探讨了济南地区秋冬季霾污染天气的特点。

1 济南地区2020年底空气质量分析

2020年年底济南地区出现3次严重雾霾过程：a过程为2020年12月11—12日，AQI峰值达246，为严重污染；b过 程 为2020年12月26—28日，AQI峰值达252，为严重污染；c过程为2021年1月20—27日，AQI峰值达263，为严重污染。b过程前期为连续5 d的轻度污染，这为后期污染物持续累积提供了基础，c过程后期为连续3 d的轻度污染，由于前期气溶胶浓度较高，清除不彻底，导致后期出现连续污染(图1、表1)。

图1 济南地区2020年10月至2021年2月空气质量浓度（AQI）的逐日变化

表1 2020年年底济南地区霾污染过程

2 霾污染天气气溶胶逐日变化特征

3次霾污染天气气溶胶的逐日变化曲线见图2。可以发现，在3次污染过程 中，PM2.5、PM10、NO2与AQI的 变 化趋势基本一致，几乎同时出现峰值和谷值，说明PM和NO2是造成济南地区冬季霾污染天气的主要污染物，而CO、SO2和O3不是济南地区霾污染天气的主要污染物。PM2.5在PM10中占较大的比重，粗颗粒物易被沉降，而细颗粒物在风速较小、湿度较大的条件下，吸湿增长易发生液相反应生成二次气溶胶。NO2主要由本地源贡献，城市车流量大，因此会导致济南地区NO2质量浓度上升，从而造成空气污染。

图2 济南地区空气质量指数（AQI）和气溶胶的逐日变化

3次霾污染过程的O3浓度均偏低，且与PM呈明显的错峰趋势，由于O3与PM2.5质量浓度上升的环境或气象条件是矛盾的。一般情况下，PM2.5质量浓度高时O3污染轻，而O3质量浓度上升时PM2.5污染低。有学者发现，PM2.5的光解效应和非均相反应效应会使得O3的质量浓度下降。

同一站点不同污染物之间存在一定的相互关系，通过计算其相关系数发现，3次霾污染过程，PM10、PM2.5和CO的相关系数均通过0.01显著性水平检验，说明这几种污染物倾向于具有相同的源，而PM与O3之间为负相关，与观测到的臭氧污染物、颗粒物污染错时发生一致。在c过程中，PM与NO2的相关系数为0.818，说明在这个过程中，NO2与PM、CO可能有相同的源。

通常情况下，风速越大，湍流活动越强，大气层结越不稳定，污染物稀释扩散越快；反之，污染物扩散缓慢，尤其当出现逆温层时污染物可引起重污染过程的发生。降水可对大气中的污染物进行湿清除，但在此过程中大气污染会向水污染或土壤污染转化，导致污染物在不用环境介质中发生迁移。3次霾污染过程均未有明显的降水过程，因此这3次霾污染过程均不是由于湿清除作用结束的。考虑冬季冷空气活动频繁对雾霾具有消散作用，研究1 000 hPa风场特征发现：a过程，在12月8日前后，济南地区受高压反气旋影响，风力微弱以晴好天气为主，不利于污染物的沉降和扩散，11日开始受西北冷空气影响，雾霾过程结束。b过程，12月26日前后济南地区受东南暖湿气流影响，在27日达到最强，之后减弱，使得这次短暂的霾污染过程减弱。c过程，1月20日前后济南地区受东南暖湿气流影响，在23日减弱，对应AQI下降，之后在27日受东北风影响，此次长达8 d的霾污染天气结束（图3）。

图3 济南地区1 000 hPa风场分布特征

3 逆温层特征

对流层大气的温度一般随高度上升而下降，但在某些条件下，某些气层的温度会随高度上升而上升，这些气层称为逆温层。逆温层是绝对稳定的层结，它对上下空气的对流扩散起到抑制的作用。一些严重的大气污染事件大多与逆温层有关，如洛杉矶光化学烟雾。

逆温可分为贴地逆温和脱地逆温。贴地逆温是从地表开始的逆温；从离开地面一定高度开始的逆温被称为脱地逆温；温度不随高度发生变化的大气层结称为等温层。本研究将讨论济南地区3次霾污染过程500 hPa高度以下逆温层的高度分布。

2020年12月9—12日 的 污 染 过程，从12月9日开始，边界层内存在逆温层，12日08:00的脱地逆温强度达到污染期间观测时次的最高值，为7.4℃。12月9—10日，900 hPa以下温度露点差较小，水汽在大气内不断累积，相对湿度较大。2020年12月26—28日的污染过程，28日的08:00和20:00脱地逆温均达污染期间最大值，为4.5℃。2021年1月20—27日的污染过程，除23日和26日20:00未出现逆温，其余时间均出现逆温层，27日08:00的逆温强度达污染期间最高值，为4.7℃。2020年12月9—12日和2020年12月26—28日以脱地逆温为主，较强的脱地逆温导致大气污染物在边界层内聚集，使得济南地区在一段时间处于重度污染。2021年1月20—27日的霾污染过程中，贴地逆温和脱地逆温的发生概率相差不大，近地面的逆温层使污染物汇聚在地表，导致AQI上升，此次过程有3次逆温强度超过4℃，这与本次污染过程持续时间长、污染强度大相对应（表2）。济南地区几次霾污染过程中均出现逆温，贴地逆温和脱地逆温均影响霾的形成。

表2 2021年1月20—27日逆温层特征

4 结论

通过分析2020年年底济南地区3次霾污染天气，得到以下主要结论：

（1）2020年年底3次霾污染过程AQI的变化趋势与PM2.5、PM10、NO2基本一致，说明PM和NO2是造成济南地区冬季霾污染天气的主要污染物，而CO、SO2和O3不是济南地区霾污染天气的主要污染物，其中PM与O3呈明显的错峰趋势。

（2）1 000 hPa风场表现为：a过程，在12月8日前后，济南地区受高压反气旋影响，风力微弱以晴好天气为主，不利于污染物的沉降和扩散，11日开始受西北冷空气影响，雾霾过程结束。b过程，在12月26日前后济南地区受东南暖湿气流影响，在27日达到最强，之后减弱，使得这次短暂的霾污染过程减弱。c过程，在2021年1月20日前后济南地区受东南暖湿气流影响，在23日减弱，对应AQI下降，之后在27日受东北风影响，此次长达8 d的霾污染天气结束。

济南地区几次霾污染过程均出现逆温层，贴地逆温和脱地逆温均影响霾的形成。