基于气象梯度塔近地层观测的PM2.5与能见度特征

张丽，李磊，杨红龙

（1.深圳市国家气候观象台，广东深圳 518040；2.深圳南方强天气研究重点实验室，广东深圳 518040；3.中山大学大气科学学院，广东珠海 519082）

近年来珠三角地区大气环境质量不断提升，各政府部门坚持“绿水青山就是金山银山”的生态理念，不断从源头上解决污染问题，调整优化产业结构和能源结构［1-2］，加大生态环境的保护和治理力度。在污染源基本稳定的前提下，短期内空气质量的优劣主要由天气形势和气象条件控制［3-6］。边界层气象条件特征直接影响了近地层物质和能量的交换，因此对污染物的扩散和清除起着重要的作用［7-9］。随着边界层探测技术的不断发展，探测仪器也越来越精准、精细，比如激光雷达、风廓线雷达和微波辐射计等探测设备的运用。针对天津地区大气污染中近地面大气层结的研究指出，逆温层厚度和大气层结稳定性是影响污染的主要气象因素［10-11］。深圳梯度塔探测资料弥补了各种探测设备在近地层探测精度不足的缺点［12-13］，对350 m以下人类活动和城市污染最关键的区域开展精细化的测量。本研究通过对近地层逆温特征的分析，探讨了静稳气象条件，为污染天气监测提供定量的指标。

1 资料与方法

深圳气象梯度观测塔（简称梯度塔）位于深圳市宝安区石岩街道石岩基地，与石岩自动气象站距离不足1 km，桅杆高度356 m，2016年10月投入业务试运行，观测高度350 m，最小分辨率10 m、时间分辨率10 s。深圳市环境监测站西乡站位于石岩基地偏南方向8 km。选用梯度塔2016年10月—2017年9月13层风、温、压、湿等气象要素观测数据，石岩自动气象站数据和深圳环境监测西乡站的PM2.5质量浓度。

低能见度事件定义：排除降水、沙尘暴、杨沙等天气现象造成的视程障碍，能见度＜10.0 km的事件。当PM2.5的质量浓度≥75μg／m3时，定义为PM2.5污染时次；当PM2.5的质量浓度＜75 μg／m3时定义PM2.5清洁时次。逆温的定义：梯度塔每两层温度相减得到Δt数组（Δt1，Δt2，Δt3，……，Δt12），当Δt＞0，出现逆温，同时记录逆温特征。逆温强度为逆温层内每升高100 m温度的逆温值（10-2℃／m），用I表示：I＝Δt／Δh×100，其中，逆温层厚度Δh＝h2-h1，h1、h2为逆温层的底、顶高（m）；逆温层温差Δt＝t2-t1，t1、t2为逆温层底、顶部的温度（℃）。

2 结果与分析

2.1 近地层逆温与低能见度

近地层逆温主要有晴空辐射逆温、平流逆温和锋面逆温。逆温的出现与天气形势密切相关，选取非降雨日逆温进行分析，逆温出现的时次占总时次的54%，其中单层和双层逆温出现频次最高。单层逆温占总逆温时次的65.2%、双层逆温占比26.2%、3层逆温占比7.4%、4层逆温占比1.5%。

秋冬季冷空气活动频繁，主要有冷空气南下伴随的锋面逆温、冷高压控制下的辐射逆温。因此逆温出现概率高，12月逆温出现的时次占总时次的比例高达63%，为低能见度事件出现提供了较好的稳定条件。春季主要受逐渐加强的西南季风影响，暖湿气流输送至陆地上空形成平流逆温，逆温出现的概率为50%，容易形成雾、霾等低能见度天气。夏季逆温概率最低，7月仅为29%。逆温夜间和清晨概率高达70%或以上，中午前后逆温概率仅为30%。

低能见度的出现与逆温密切相关，其月变化（图1a）、日变化（图1b，时间为北京时，下同）分布与逆温出现概率一致，但低能见度出现的概率低于逆温的概率，还与逆温特征相关。据统计，逆温层数越多，低能见度出现的概率越高。单层逆温情况下，低能见度出现的概率仅为62.0%；4层逆温出现时，低能见度概率为94.7%。

2.2 逆温特征的日变化

以单层逆温为例，逆温底高早晚低至10～20 m，中午随着湍流混合加强，逆温底高可达120 m（图2a）。逆温的厚度一般为20～50 m，其中早晚厚度深厚为30～50 m，中午厚度浅薄为20～30 m（图2b）。逆温强度与厚度呈正相关，平均逆温强度为0.9×10-2℃／m，可见早晚的逆温特征对污染物扩散更不利。逆温发生时，逆温层底和层顶的风速变化规律也发生了改变（图2c），早晚逆温层底的风速与地面风速接近，比逆温顶风速小1.0 m／s，可见逆温阻碍了物质、能量的交换。中午至午后（10：00—16：00）随着逆温高度增加，风速减小，逆温层底、顶的风速比地面风速更小，扩散能力差。

图2 逆温高度（a）、强度（b）和风速（c）日变化

2.3 逆温特征对PM2.5的影响

逆温特征比地面气象要素对PM2.5质量浓度影响更大，如北京城区逆温气象特征及其对大气污染的影响，空气质量超标日数年内变化趋势主要受贴地、低空逆温日数的影响［4］。通过逆温特征与地面气象要素对PM2.5的影响分析（表1）发现，其中逆温厚度、强度、顶高和底风对PM2.5的影响最显著。PM2.5污染时与清洁时相比，逆温顶高增加38.6%、逆温厚度增加78.7%、逆温强度增强24.3%、逆温底风速减小23.6%，对污染物质量浓度增加有利。

表1 逆温特征及地面要素对PM2.5质量浓度分布的影响

逆温层数与污染物质量浓度呈正比，层数越多PM2.5质量浓度越高，一层逆温下，PM2.5的质量浓度为36.6μg／m3，当4层逆温出现时，PM2.5的质量浓度上升至53.1μg／m3。逆温顶的高度决定了逆温高度上限，当底高不变时，顶高越高，逆温强度越强，对污染扩散越不利，统计表明，近地层年平均逆温顶高80.8 m，顶高有显著的季节变化与日变化，秋冬季节逆温顶高度较高，其中10月最高平均99.9 m，夏季逆温顶高最低，5月份平均64.9 m。白天平均逆温顶高可达197.3 m，夜间逆温顶在50 m左右。污染发生时（PM2.5质量浓度＞75μg／m3）逆温顶的高度多数情况下都有明显的升高，白天最高可达300 m左右，夜间也升高50 m左右。

不同逆温层顶高对污染物扩散影响不一样。随着顶高由20 m增加至100 m以上，PM2.5平均质量浓度由32.0μg／m3升高至43.6μg／m3，平均能见度由11.1 km逐渐降低至8.6 km，低能见度出现的概率由48.8%上升至66.3%，可见顶高越高越不利于污染物扩散。

逆温底风速代表了逆温层以下污染物扩散的能力，风速越大，扩散越有利。统计表明，近地层年平均近地层年平均逆温底风1.6 m／s，底风季节变化不明显，日变化特征显著，PM2.5污染时底风小于清洁时。底风小于0.2 m／s时，低能见度概率高达77.1%。

逆温厚度越大，对污染扩散越不利，统计表明，近地层年平均逆温厚度35.9 m，厚度有显著的季节与日变化，秋冬季节逆温厚度较厚，其中12月平均55.9 m，3月逆温厚度较薄，平均24.7 m。污染发生时（PM2.5质量浓度＞75μg／m3）逆温厚度都比清洁时大，特别是早晨03：00—07：00污染发生时，逆温厚度最高可达140 m左右。厚度大于50 m，低能见度概率高达83.3%，平均能见度低至6.4 km。

逆温强度对污染物扩散影响大，强度越大，PM2.5质量浓度越高。秋冬季节逆温强度较大，11月最大逆温强度1.4×10-2℃／m；夏季逆温强度最弱，7月份逆温强度0.8×10-2℃／m。污染发生时逆温强度强，特别是早晚时刻，逆温强度增强显著。逆温强度大于2.0×10-2℃／m时，低能见度概率高达76.6%（表2）。

表2 逆温强度对PM2.5质量浓度和能见度的影响

PM2.5污染发生时，逆温底主导风向为NWN-NNE，占了总风频38%；与清洁时风向明显不同，清洁时主导风向为ESE-S，占了总风向频率35.7%（表3）。易出现低能见度风向为NW、NNW、WMW，低能见度出现概率在78%以上。

表3 逆温底风向对PM2.5质量浓度和能见度的影响

3 结论

1）低能见度的出现与逆温密切相关，月、日变化规律与逆温出现频率一致，但是低能见度的概率总体低于逆温的概率，说明在逆温出现的时候，并不一定会造成低能见度，还需进一步分析逆温特征。

2）逆温特征包含逆温层数、厚度、强度、风速、风向等。逆温层数与污染物质量浓度呈正比，层数越多PM2.5质量浓度越高。逆温顶的高度决定了逆温高度上限，在底高不变的情况下，顶高越高，逆温强度越强，对污染扩散越不利；逆温底风速代表了逆温层以下空间内污染物扩散的能力，风速越大，扩散越有利；逆温厚度越大，强度越大，PM2.5质量浓度越高。PM2.5污染发生时，逆温底主导风向为NW-N-NNE，占总风频38%；清洁时主导风向为ESE-S，占总风频35.7%。