曹紅麗，陳 奇(西安市氣象局，西安 710016)

西安邊界層逆溫特征及其與空氣污染的關(guān)系

曹紅麗，陳 奇
(西安市氣象局，西安 710016)

利用2007—2011年西安涇河探空站逐日07、19時(shí)探空資料和同時(shí)期空氣污染物質(zhì)量濃度資料，分析西安邊界層逆溫的變化特征及其與空氣污染的關(guān)系。結(jié)果表明：西安一年四季都有逆溫出現(xiàn)，冬季逆溫最多，夏季最少，早晨多于晚上；逆溫強(qiáng)度在0.7～1.5 ℃/100 m，冬季逆溫強(qiáng)度最大，夏季最??；晚上逆溫強(qiáng)度大于早晨；中等強(qiáng)度逆溫最多；冬季的逆溫層厚度最大，夏季最小，早晨的逆溫層厚度均明顯高于晚上；造成西安市空氣污染的首要污染物是PM10，其次為SO2，再次為NO2；有逆溫時(shí)的空氣污染物月質(zhì)量濃度值均高于無(wú)逆溫時(shí)，主要污染物PM10的月質(zhì)量濃度的變化與逆溫厚度、強(qiáng)度成正比，呈現(xiàn)出冬半年高夏半年低的變化趨勢(shì)，在逆溫厚度最厚、強(qiáng)度最強(qiáng)的月份中，空氣污染物質(zhì)量濃度值也最大。逆溫層是影響西安地區(qū)空氣質(zhì)量的主要?dú)庀笠蜃又弧?/p>

邊界層；逆溫層；空氣污染；西安

近年來(lái)，隨著西安經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市人口急劇增加，各種工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪兴欧诺挠泻怏w日益增多。這些有害氣體幾乎都聚集在與人類生活有密切關(guān)系的邊界層，不僅造成大氣污染，甚至危害到了人類的生存和健康。因此空氣污染已被國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)和學(xué)者所關(guān)注，并認(rèn)為空氣污染與氣象要素有著很密切的相關(guān)性[1-2]。而逆溫層是較為重要的氣象因子之一。通常情況下，在邊界層大氣中，氣溫是隨高度的增加而降低的。但有時(shí)在某些層次氣溫隨高度的增加反而升高，這種現(xiàn)象稱為逆溫。出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象的大氣層稱為逆溫層。在逆溫層中，較暖又輕的空氣位于較冷又重的空氣上面，形成穩(wěn)定的大氣層結(jié)，不利于空氣中的水汽、煙霧和一些有害氣體的稀釋擴(kuò)散，加重了空氣污染。受逆溫層影響的地區(qū)，大氣層大都趨于穩(wěn)定，對(duì)流不易發(fā)生，使空氣質(zhì)量變得惡劣。因此逆溫層的強(qiáng)度和厚度與大氣污染物質(zhì)量濃度有很大相關(guān)性。近年來(lái)我國(guó)學(xué)者對(duì)逆溫層的變化特征進(jìn)行了大量的研究[3-7]，本文利用西安涇河探空站的高空資料，統(tǒng)計(jì)分析西安邊界層逆溫的厚度、強(qiáng)度的日變化及季節(jié)變化特征，研究逆溫與空氣污染的關(guān)系。

1 資料和方法

2007—2011年西安涇河探空站逐日07時(shí)和19時(shí)的探空數(shù)據(jù)；西安市環(huán)保局污染監(jiān)測(cè)站每日空氣污染物質(zhì)量濃度平均數(shù)據(jù)。

利用L波段(1)型數(shù)據(jù)處理軟件[8]，分別統(tǒng)計(jì)每日07時(shí)和19時(shí)的貼地逆溫資料?？諝馕廴疚镏笖?shù)的計(jì)算采用API指數(shù)法[9]。

2 邊界層逆溫特征

2.1 時(shí)間分布特征

分析表明，西安一年四季都有逆溫出現(xiàn)，不論早上(07時(shí))還是晚上(19時(shí))，冬半年多于夏半年，其中，冬季逆溫最多，其次為秋季和春季，夏季最少。07時(shí)共出現(xiàn)逆溫613次，占總數(shù)的60%,19時(shí)出現(xiàn)逆溫414次，占40%，說(shuō)明早上(07 時(shí))出現(xiàn)逆溫次數(shù)多于晚上(19 時(shí))。07時(shí)出現(xiàn)逆溫最多的是12月,5 a共出現(xiàn)88次，占總數(shù)的57%；次多為11月(79次)和1月(75次)；最少為7月，共出現(xiàn)4次，占3%，2010年7月無(wú)逆溫出現(xiàn)。19時(shí)出現(xiàn)逆溫最多的是11月，共76次，占總數(shù)的51%；次多為12月(67次)和10月(64次)；最少的為7月，共出現(xiàn)5次(見(jiàn)圖1)。

圖1 西安2007—2011年逆溫頻次月分布

2.2 強(qiáng)度特征

逆溫強(qiáng)度[4]是指逆溫層內(nèi)溫度的垂直遞增率，即逆溫強(qiáng)度=(逆溫層溫差/逆溫層的厚度)/100，指在逆溫層內(nèi)高度每升高100 m溫度的逆增值。

從圖2可以看出，西安全年逆溫以弱逆溫為主，強(qiáng)度為0.7～1.5 ℃/100 m，平均為1.2 ℃/100 m。逆溫強(qiáng)度冬季最大，其次為秋季、春季，夏季最小。19時(shí)逆溫強(qiáng)度平均為1.5 ℃/100 m，最大出現(xiàn)在10月為1.9 ℃/100 m，最小在5月和7月均為0.9 ℃/100 m；秋季最強(qiáng)為1.8 ℃/100 m，其次為冬季1.7 ℃/100 m和春季為1.3 ℃/100 m，夏季最小為1.2 ℃/100 m；極值出現(xiàn)在2010年1月3日，強(qiáng)度為6.8 ℃/100 m。07時(shí)平均值為1.0 ℃/100 m，最大值在1月為1.3 ℃/100 m，最小值在7、8月均為0.5 ℃/100 m；冬季最強(qiáng)1.2 ℃/100 m,其次為春季1.1 ℃/100 m，秋季0.9 ℃/100 m，夏季最小0.7 ℃/100 m；極值出現(xiàn)在2010年3月12日，強(qiáng)度為4.9 ℃/100 m?？傊?9時(shí)逆溫強(qiáng)度大于07時(shí)。

圖2 西安2007—2011年逆溫強(qiáng)度月分布

為了便于分析，參照文獻(xiàn)[4]將逆溫強(qiáng)度等級(jí)分為6級(jí)(表1)，分析結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表1 逆溫強(qiáng)度等級(jí)

表2 西安2007—2011年逆溫強(qiáng)度的日分布 次

表3 西安2007—2011年逆溫強(qiáng)度的季節(jié)分布 次

從表2可以看出：西安在2007—2011年3級(jí)強(qiáng)度的逆溫出現(xiàn)頻率最高，為27.4%；2級(jí)和4級(jí)出現(xiàn)頻率分別為23.4%和22.2%,2～4級(jí)共占73%，占總體的近2/3；5～6級(jí)共占逆溫出現(xiàn)頻率的25.5%，約占1/4；1級(jí)出現(xiàn)頻率最小為1.4%。說(shuō)明西安中等強(qiáng)度的逆溫最多。1～5級(jí)逆溫07時(shí)出現(xiàn)頻率明顯高于19時(shí)，但6級(jí)逆溫19時(shí)比07時(shí)多。從表3可看出：總體來(lái)說(shuō)，不同等級(jí)逆溫強(qiáng)度均在冬季出現(xiàn)最多，占總數(shù)的33%，其次為秋季和春季，分別為28.8%和23.9%，出現(xiàn)頻次最小的為夏季，占14.3%。

2.3 厚度特征

逆溫頂層高度相對(duì)于地面的高度即為逆溫層厚度。從圖3可以看出，西安07時(shí)的逆溫層厚度均明顯高于19時(shí)。不論07時(shí)還是19時(shí)，冬季逆溫層厚度最大，夏季最小。07時(shí)最大逆溫層厚度在12月為576 m，最小在6月為288 m，全年平均436 m。19時(shí)的最大逆溫層厚度在12月為214 m，最小在6月為118 m，全年平均160 m。

圖3 西安2007—2011年逆溫層厚度月分布

3 逆溫層與空氣污染的關(guān)系

3.1 污染物指數(shù)的變化特征

利用API法計(jì)算5 a中每日的SO2、NO2和PM10的空氣污染指數(shù)值,通過(guò)對(duì)西安2007—2011年API指數(shù)的計(jì)算統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：西安一年中NO2的API指數(shù)較小，1、2、12月SO2的平均API指數(shù)值略高于PM10，3、11月SO2和PM10的指數(shù)值相同，4—10月，PM10的指數(shù)值高于SO2。全年平均PM10的指數(shù)值最高，其次是SO2和NO2。說(shuō)明造成西安市空氣污染的首要污染物是PM10，其次是SO2，最后是NO2。三種空氣污染物指數(shù)值冬季最大，API指數(shù)平均為66；春秋次之，API指數(shù)平均分別為48和51；夏季最小為41。最大值在12月為69,最小值在8月為40。這與西安冬季風(fēng)力較小，降水少，懸浮在空氣中的污染物不易擴(kuò)散和沉降有關(guān)，另外，隨著冬季氣候變冷，城市采暖季節(jié)集中，煤炭等燃料燃燒量增多，排放的污染物也隨之加大，自然加大了西安的空氣污染，冬季尤為明顯。全年中，三種污染物指數(shù)冬半年均高于夏半年。

3.2 逆溫與空氣污染物質(zhì)量濃度

表4為西安市2007—2011 年全年及各季有無(wú)逆溫時(shí)各種污染物質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)，從表4看出，全年中各季節(jié)有逆溫時(shí)的污染物質(zhì)量濃度值均比無(wú)逆溫時(shí)高，SO2和NO2年平均高出20%,PM10高12%。這是因?yàn)橛薪孛婺鏈爻霈F(xiàn)時(shí)，大氣層結(jié)很穩(wěn)定，空氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)減弱，不利于地面污染物向高層和四周稀釋擴(kuò)散。

表4 西安市2007—2011年全年及各季有無(wú)逆溫時(shí)各種污染物平均質(zhì)量濃度 mg/m3

3.3 逆溫層強(qiáng)度和厚度與空氣污染物質(zhì)量濃度

分析逆溫層強(qiáng)度和厚度與主要污染物PM10質(zhì)量濃度的關(guān)系(圖4、圖5)?？梢钥闯觯? a西安逆溫層厚度、強(qiáng)度與主要污染物PM10質(zhì)量濃度的月變化都呈凹型分布，逆溫層厚度、強(qiáng)度和PM10質(zhì)量濃度值均為冬季最大，秋季和夏季次之，夏季最小，呈現(xiàn)出冬半年高、夏半年低的變化趨勢(shì)。既在逆溫層厚度最厚、強(qiáng)度最強(qiáng)的月份中，空氣污染物質(zhì)量濃度值也最大，反之，空氣污染物質(zhì)量濃度小。空氣污染物質(zhì)量濃度與逆溫層厚度和強(qiáng)度成正比。

圖4 西安2007—2011年逆溫層厚度和PM10質(zhì)量濃度的月變化

圖5 西安2007—2011年逆溫層強(qiáng)度和PM10質(zhì)量濃度的月變化

4 結(jié)論

(1)西安一年四季都有逆溫出現(xiàn)，不論早上(07時(shí))還是晚上(19 時(shí))，冬半年多于夏半年，其中，冬季逆溫最多，夏季最少。早上出現(xiàn)逆溫次數(shù)比晚上多。

(2)西安一年中逆溫強(qiáng)度在0.7～1.5 ℃/100 m之間變化。逆溫強(qiáng)度冬季最強(qiáng)，夏季最弱。西安中等強(qiáng)度的逆溫較多。

(3)西安07時(shí)的逆溫層厚度均明顯高于19時(shí)。冬季的逆溫層厚度最大，夏季最小。

(4)造成西安市空氣污染的首要污染物是PM10，其次是SO2，最后是NO2。三種空氣污染物API指數(shù)值冬季最大，春秋次之，夏季最小。全年中各季節(jié)有逆溫時(shí)的污染物質(zhì)量濃度均高于無(wú)逆溫時(shí)。西安逆溫層厚度、強(qiáng)度與主要污染物PM10質(zhì)量濃度的變化都呈凹型變化，呈現(xiàn)出冬半年高夏半年低的變化特點(diǎn)。即在逆溫厚度最厚、強(qiáng)度最強(qiáng)的月份中，空氣污染物質(zhì)量濃度也最大，說(shuō)明逆溫層是影響西安地區(qū)空氣質(zhì)量的主要因子之一。

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1006-4354(2014)02-0013-04

2013-01-03

曹紅麗(1973—),女，漢族，學(xué)士，陜西長(zhǎng)武人，工程師，從事高空氣象觀測(cè)。

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