巴彦淖尔市临河区逆温层特征及对空气污染物浓度的影响

黄元媛

（内蒙古巴彦淖尔市气象局，内蒙古巴彦淖尔 015000）

大气是人类赖以生存的环境，空气污染又称大气污染，是指人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，达到足够的浓度和时间，对地球环境或人类健康造成影响的现象。随着社会经济的快速发展，城市现代化进程不断加快，使得污染源与污染物的排放日趋增多，污染范围不断扩大，以SO2、NO2、PM10和PM2.5等为主要污染物的空气污染越来越严重。空气污染问题也引起了国内外专家学者的关注，一些研究表明大气逆温层与空气质量密切相关。

Stull［1］研究认为，逆温层对大气湍流起抑制作用，减弱大气的扩散能力，不利于污染物的扩散。康娜等［2］研究认为北京市PM2.5浓度升高的原因是西南暖风形成了边界逆温层。郑红等［3］和崔冬林等［4］研究认为逆温持续性、强度和层厚与大气污染程度存在正相关关系。还有一些研究人员分析了当地空气污染与逆温层的关系［5-8］，可为地方空气污染防治提供参考。

内蒙古自治区巴彦淖尔市属典型的中温带大陆性季风气候，东接包头市，西连阿拉善盟、乌海市，2017 年以来多次出现雾霾天气，尤其是2019 年12月至2020年1月，巴彦淖尔市临河区共出现雾霾天气45 d。本研究通过对2017—2020 年临河区逐日探空资料及环境监测站空气质量监测数据进行分析，研究巴彦淖尔市临河区大气逆温层特征，分析大气逆温与空气污染的关系，以期为巴彦淖尔市临河区空气质量预报提供参考依据。

1 资料来源与方法

本研究采用的探空资料为内蒙古自治区巴彦淖尔市临河站L 波段探空雷达8：00 时（北京时，下同）和20：00 时2 个时次的数据，空气质量［9］资料来自巴彦淖尔市临河区环境监测站空气质量指数AQI数据以及SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3质量浓度数据。

一般情况下，大气垂直结构温度随高度的上升逐渐降低，但有时会出现温度随高度的上升逐渐升高的现象，即为逆温现象，出现逆温现象的大气层称为逆温层。本研究中的贴地逆温是指从地面开始大气垂直结构温度随高度上升逐渐升高；脱地逆温是指从离开地面一定高度开始温度随高度上升逐渐升高。当逆温现象发生在距地面1 500 m 以上时，受大尺度天气系统影响，对空气污染物浓度的影响较小，因此，本研究只分析距地1 500 m 以下的逆温层。

2 临河区大气逆温层特征

通过对临河区2017—2020 年的逐日探空数据的处理，计算和统计贴地逆温和脱地逆温出现的频率、强度、厚度等，分析巴彦淖尔市临河区大气逆温层特征。

2.1 逆温层频率变化特征

1 d 中2 个时次中只要出现1 次逆温层即记为当天发生逆温，2017—2020 年巴彦淖尔市临河区逆温层的年平均日数为283 d，发生频率为77.5%，其中贴地逆温占逆温总日数的35.3%，脱地逆温占逆温总日数的64.7%。8：00时逆温层年平均日数为273 d，发生频率为74.9%，其中贴地逆温占逆温总日数的31.1%，脱地逆温占逆温总日数的68.9%。20：00 时逆温层年平均日数为116 d，发生频率为31.8%，其中贴地逆温占逆温总日数的29.5%，脱地逆温占逆温总日数的70.5%。

通过对逆温层出现日数的逐月变化（图1）分析可知，其逐月变化差异较大，且8：00 时出现逆温层日数多于20：00 时。从逆温层出现日数逐月变化趋势分析，1—6 月逆温层出现日数逐月下降，6—12 月逆温层出现日数逐月上升；逐月分布情况分析，每年10 月至次年2 月，逆温层出现日数较高，月平均逆温层出现日数在25 d 以上，6 月逆温层出现日数最低，月平均逆温层出现日数为18 d。对总贴地逆温层出现日数与总脱地逆温层出现日数逐月分布情况进行分析，总贴地逆温层出现日数逐月变化差异较大，而总脱地逆温层出现日数逐月变化差异较小，其中11月至次年8 月总脱地逆温层出现日数多于总贴地逆温层出现日数，且4—8 月以总脱地逆温层为主。

图1 2017—2020 年临河区大气逆温层出现日数逐月变化

2.2 逆温层强度变化特征

通过对逆温层强度的逐月变化分析可知，其逐月变化差异较小，最强强度为12.7 ℃，总体趋势为夏季（6—8 月）强度小，3 月、4 月和11 月强度较强，其余月份强度均等，且8：00 时的逆温强度大于20：00时逆温强度。

2.3 逆温层厚度变化特征

通过贴地逆温层厚度的统计分析表明，2017—2020 年巴彦淖尔市临河区贴地逆温层的平均厚度为185 m，年际变化不大。根据贴地逆温层垂直到达的高度分类统计可得，贴地逆温层的最大厚度为从地面到775 m，最小不足10 m。8：00 时逆温层厚度大于20：00 时，且逐月变化差异较大，1 月开始厚度逐渐增加，3 月开始厚度逐渐降低，到6 月达到最低值，然后逐渐上升。

3 临河区空气污染物浓度变化特征

通过对巴彦淖尔市临河区空气污染天数逐月变化（图2）分析，每月都可能出现不同程度的空气污染，1 月污染天数最多，年平均达9 d，之后逐月下降，9 月污染天数最少，年平均为1 d，随后又上升。

图2 临河区空气污染天数逐月变化

通过对各污染物平均浓度逐月变化（图3）进行分析，SO2、NO2、PM2.5平均浓度逐月变化趋势表现为冬季高，夏季低，其中，SO2平均浓度逐月变化1 月最高，随后逐月下降，5—9 月为全年浓度低值期，随后又上升；NO2平均浓度逐月变化趋势与SO2大致一致，1 月最高，随后逐月下降，8 月最低，5—9 月为全年浓度低值期，随后又上升；PM2.5平均浓度逐月变化同样在1 月最高，随后逐月先降低后升高，6—9 月为全年浓度低值期。对逐月污染天数中主要污染进行物分析，每年10 月至次年3 月，造成空气污染的主要污染物为NO2、SO2、PM2.5，这段时期为供暖期，污染物浓度急剧增多与大量化石燃料的燃烧有关。PM10平均浓度逐月变化趋势呈双峰型，整体夏季明显低于其他时期，春季较秋冬季偏高，5 月最高，这是由于出现浮尘、扬沙和沙尘暴的次数较多，致使空气中的可吸入颗粒物的含量增多。O3污染平均浓度逐月变化与其他污染物变化趋势相反，为夏季高，冬季低，6 月、7 月较高，这是由于夏季巴彦淖尔市临河区高温少雨，日照时间长，汽车尾气、工厂烟雾等排入大气的挥发性有机污染物和氮氧化物在强烈紫外线照射下，经过光化学反应，就会产生O3污染。

图3 临河区各污染物平均浓度逐月变化

4 大气逆温对空气污染物浓度的影响

4.1 逆温层出现频率与空气污染物浓度的关系

通过分析逆温层出现频率与各污染物浓度之间的关系，SO2、NO2、PM2.5、PM104 种污染物浓度与逆温层的出现频率呈正相关。每年10 月至次年2 月是巴彦淖尔市临河区逆温层出现频率较高的时期，在这段时间4 种污染物的浓度均较高。通过对贴地逆温、脱地逆温与空气污染物浓度变化关系分析，贴地逆温与SO2、NO2、PM2.5、PM104 种污染物的浓度呈正相关，贴地逆温出现频率越高，上述4 种污染物平均浓度也越高。由此可知，逆温层的存在使得空气垂直对流运动受到严重抑制，尤其是贴地逆温，抑制作用更强，导致近地层空气中的烟尘、汽车尾气以及各种有害气体无法向上扩散，同时漂浮的污染物在逆温层下面的近低空迅速堆积，造成污染物浓度迅速升高。O3污染与逆温频率相关性较差，因此，大气逆温层对O3污染影响较小，高温和光照是O3污染的主要因素。

4.2 逆温层强度与空气污染物浓度的关系

逆温层强度与SO2、NO2、PM2.5、PM104 种污染物的浓度存在一定关系，即逆温层强度越大，4 种污染物的平均浓度越大。4 月、11 月巴彦淖尔市临河区逆温层强度较大，4 种污染物平均浓度也较高，而每年的6 月、7 月逆温层强度较小，4 种污染物平均浓度也较低。

4.3 逆温层厚度与空气污染物浓度的关系

逆温层厚度与SO2、NO2、PM2.5、PM104 种污染物的浓度存在一定关系，即逆温层厚度越厚，4 种污染物的平均浓度越大。1 月巴彦淖尔市临河区的逆温层平均厚度最厚，此时4 种污染物的平均浓度均达到一年中的最高水平；每年6 月的逆温层平均厚度最薄，此时4 种污染物平均浓度也降到了一年中的最低值。

5 临河区疫情管控期间空气污染分析

5.1 空气污染物浓度变化特征

研 究 时 间 为2020 年1 月23 日 至2020 年2 月25日，期间临河区空气质量出现重度污染4 次、中度污染3 次、轻度污染9 次，平均AQI指数为107（图4）。选取4 次重污染天气过程进行分析，第一次重污染天气发生时各污染物浓度小时变化范围是PM2.5（20～281 μg/m3）、PM10（34～368 μg/m3）、SO2（9～51 μg/m3）、NO（210～90 μg/m3），第二次重污染天气发生时各污染物浓度小时变化范围是PM2.5（29～372 μg/m3）、PM1（034～485 μg/m3）、SO（29～70 μg/m3）、NO（210～64 μg/m3），第三次重污染天气发生时各污染物浓度小时变化范围是PM2.5（99～201 μg/m3）、PM10（135～268 μg/m3）、SO2（18～78 μg/m3）、NO2（19～38 μg/m3），第四次重污染天气发生时各污染物浓度小时变化范围是PM2.5（95～284 μg/m3）、PM10（128～351 μg/m3）、SO（28～18 μg/m3）、NO（216～61 μg/m3）。4 次重污染天气发生时SO2和NO2小时浓度均小于近4 年（2017—2020 年）的平均值管控，分析表明疫情管控期间对车辆的管控最大，车辆影响最大的是NO2，临河区周边重工业城市乌海市、包头市在疫情管控期间关闭了一些工厂，导致SO2和NO2浓度减小，而PM2.5/PM10在72%～74%，因此，4 次重污染天气的首要污染物均为细颗粒物（PM2.5）［10，11］。

图4 2020 年1 月23 日至2 月25 日临河区空气污染指数

5.2 4 次重污染天气发生时逆温层特征及对空气污染的影响

4 次重污染天气发生时临河区均出现逆温层，其中1 月23 日出现贴地逆温，逆温层厚度为139 m，1 月24 日出现贴地逆温和脱地逆温，逆温层厚度分别为189 m 和125 m，1 月26 日与1 月28 日均出现脱地逆温，其中1 月26 日出现2 层脱地逆温，逆温层厚度分别为135 m 和118 m，1 月28 日逆温层厚度为112 m。分析得到4次重污染天气各污染物浓度日平均值，1月23日PM2.5为166 μg/m3、PM10为230 μg/m3，1 月24 日PM2.5为177 μg/m3、PM10为240 μg/m3，1 月26 日PM2.5为156 μg/m3、PM10为214 μg/m3，1 月28 日PM2.5为152 μg/m3、PM10为210 μg/m3，AQI指数分别为216、227、206、202。

分析表明，出现贴地逆温造成的空气污染比出现脱地逆温时严重，出现多层逆温层造成的空气污染比出现一层逆温层时严重，逆温层越厚造成的空气污染越严重。

6 小结

通过对巴彦淖尔市临河区大气逆温层特征及其对空气污染物浓度的影响之间的关系进行分析，得出如下结论。

1）临河区逆温层出现频率的逐月变化差异较大，每年10 月至次年2 月逆温层出现频率最高，6 月逆温层出现频率最低，且8：00 时逆温层出现频率高于20：00 时；11 月至次年8 月脱地逆温高于贴地逆温，且4 月至8 月以脱地逆温为主，9—10 月贴地逆温高于脱地逆温。

2）临河区逆温层强度为夏季（6—8 月）强度较小，3 月、4 月和11 月强度较大，其余月份强度均等，且8：00 时的逆温层强度大于20：00 时逆温层强度；临河区贴地逆温层的平均厚度为185 m，且8：00 时逆温层厚度大于20：00 时。

3）临河区每月都可能出现不同程度的空气污染，当城市上空出现逆温，特别是出现贴地逆温时，空气污染会加重。SO2、NO2、PM2.53 种污染物平均浓度逐月变化的趋势表现为冬季高，夏季低；PM10平均浓度逐月变化趋势呈双峰型，整体上夏季明显低于其他时期，春季较秋冬季偏高；O3污染平均浓度逐月变化与其他污染物变化趋势相反，为夏季高，冬季低。

4）SO2、NO2、PM2.5、PM104 种污染物浓度与逆温层的出现频率、强度、厚度呈正相关，即逆温层出现频率越高、强度越强、厚度越厚，污染物的浓度就越高。

5）贴地逆温的出现更有利于SO2、NO2、PM2.5、PM104 种污染物浓度的增加。

6）O3污染与逆温频率相关性较差，大气逆温层对O3污染影响较小。