第38卷第9期西南师范大学学报(自然科学版)2013年9月V o l.38N o.9J o u r n a l o f S o u t h w e s t C h i n aN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)S e p.2013文章编号:10005471(2013)09012806重庆主城区大气层结特征及与空气质量关系分析①王中,林娜重庆市人工影响天气办公室,重庆401147摘要:利用L波段探空雷达数据和地面气象观测资料,统计分析了重庆市主城区大气层结特征及其与空气质量的关系,结果表明重庆主城逆温比例很高,各月均有逆温存在,而且有明显的日㊁月和季节变化;近地层的相对湿度较大,冬季高于夏季,在近地层到2000m间存在有逆湿现象;近地层盛行偏东风,风速较小;大气以中性层结占主导地位,而且冬季的混合层厚度较薄;高逆温逆湿频率㊁低风速㊁多中性层结和较薄的混合层是造成重庆主城冬季空气质量较差的主要气象因素.关键词:城市;大气边界层;层结;空气污染中图分类号:P49;X51文献标志码:A离地面1~2k m左右的大气边界层是人类生活和生产活动的主要空问,地气之间相互作用主要是发生在这里,人类活动引起的生态失衡㊁环境恶化以及气候变化和天气㊁气候异常等无一不是与大气边界层中发生的物理过程㊁化学过程和生态过程等密切相关[1].在城市地区,边界层特性在两个方面的问题中备受关注,一是大气环境或空气污染问题,二是城市热岛问题[2].在国内迅速发展的大城市中,对大气边界层结构和特性的研究日益受到重视.北京自建立325m气象塔等大气边界层综合观测系统后,以中国科学院大气物理研究所为代表的研究者们在大气边界层和大气环境领域做了大量的工作,取得丰硕的成果并发表了大量的论著[1].他们主要从大气边界层的结构特征㊁动力和热力交换㊁空气污染关系等诸多方面进行了研究和数值模拟[3-15],城市空气质量日益受到人们关注[16],这些研究成果为现代城市健康㊁科学地发展等提供了科学依据.上述研究大部分是基于大的科研项目,拥有较为完备的专用观测设备,而由于观测资料等的局限,我国其它大部分城市对大气边界层的研究较少,特别是西南地区.气象部门过去所使用的59-701雷达探空技术在边界层探测方面较欠缺,而目前所使用的L波段探空雷达技术,正好弥补了上述缺陷[17].L波段探空系统是我国自主研制的新一代探空系统,它由二次测风雷达和G T S I型数字电子探空仪配合探测,能够对从地面至30k m大气层的气压㊁温度㊁湿度㊁风向㊁风速5个气象要素进行综合探测.它具有探测精度高㊁采样速率快㊁使用方便等特点,实现了高空气象探测仪器的数字化和自动化[18].重庆市位于四川盆地东部,是我国西南地区的大都市,主城区地形地貌复杂,重庆市作为老工业基地,工业对重庆经济的发展起着举足轻重的作用.工业污染是导致重庆环境污染损失的重要原因[19-20],其大气边界层对城市的影响使其在创建 国家环境保护模范城市 目标中具有特殊的难度.本文拟对重庆主城区大气边界层的特征及其与空气质量指数关系进行分析,从而为重庆 创模 提供参考依据,具有重要的意义. 1资料说明重庆L波段探空雷达探空业务系统于2004年建成,位于主城范围的沙坪坝区气象局,每日02时㊁08①收稿日期:20120712Copyright©博看网. All Rights Reserved.基金项目:重庆市气象局业务攻关资助项目(y w g g-201207).作者简介:王中(1968),男,重庆人,高级工程师,主要从事气象灾害研究.时和20时三次观测,垂直分层最密可以每升高7m 获取一套数据.但由于02时的观测仅有风的资料,因此下面的分析主要基于08时和20时㊁垂直分层为从地面开始每50m 间隔的数据.地面气象观测数据同样为沙坪坝区气象局每日02时㊁08时㊁14时和20时四次观测的气象资料.二者资料年代均为2005-2010年.2 温度的垂直结构特征2.1 逆 温在低层大气中,通常情况下气温随高度的增加而降低.但有时在某些层次可能出现相反的情况,气温随高度的增加而升高,这种现象称为逆温.出现逆温现象的大气层称为逆温层.当出现逆温时,下面的空气冷而重,而上面的空气热而轻,下重上轻,是一种很稳定的状态,因此下面的空气不容易上升,上面的空气也不容易下沉,从而不利于气流的垂直运动.由于逆温而造成的天气异常变化,对人们生产㊁生活影响很大,甚至给人们的生命财产带来极大危害,例如空气污染㊁强对流天气等[21-22].图1是重庆主城逆温月平均出现频率情况,从图中可以看出重庆主城:(1)逆温比例很高,各月均有逆温存在,最低频率在30%以上(7月),最高可达95%(1月);(2)逆温比例有明显的日变化,4-9月夜间出现逆温的频率明显高于白天,就其原因主要是白天地面在阳光的照耀下,地面将部分热量辐射出来加热了低层大气,这样离地面愈近的大气获得地面的热量愈多,温度也愈高,离地面愈远则温度愈低,而在晴朗无云或少云的夜间,地面不断向外放出辐射能量而冷却,贴近地面的空气层也随之降温.由于愈靠近地面的空气受到地表的影响愈大,所以离地面愈近降温愈多,离地面愈远降温愈少,其余月份白天与夜间基本相当,仅在1月和11月的夜间略高;(3)逆温比例有明显的季节变化,冬半年逆温比例大于夏半年逆温比例,主要原因是夏季重庆受太阳照射时间长㊁强度大,地面接收的热量多,辐射到近地层的热量就多,从而造成大气边界层的气温高,不易出现逆温现象,而冬半年刚好相反.图1 重庆主城逆温月平均出现频率图2 重庆主城月平均逆温强度 统计表明,重庆主城有多层逆温出现的现象.如果将逆温层底小于100m 的逆温统计为接地逆温,则重庆主城逆温中有40%左右为接地逆温,除11㊁12月外,其余月份08时出现接地逆温的概率较20时大,特别是春夏季.将有逆温存在日的最强逆温层的温度差除以逆温层厚度可以得到逆温强度值(图3).结果表明重庆主城逆温强度平均在0.85ħ/100m 左右,其中冬季超过1.0ħ/100m ,1月夜间可达1.3ħ/100m 以上.单日最大逆温强度值曾达到7.9ħ/100m.将单日最强逆温层的厚度平均计算得到重庆主城逆温厚度月平均(图4).重庆冬季逆温层的厚度明显最大,可达1000m 以上,其中1月份的厚度超过1300m ,夏季最薄,夜间与白天差别不大.2.2 零度层高度零度层是指温度为0ħ时的气层,在天气预报㊁气候分析㊁人工影响天气㊁航空等领域得到广泛关注,是一个非常重要的参考指标,-5ħ~-10ħ左右是人工增雨时播撒催化剂的最佳温度,而对航空飞行,在水汽条件较好时,此温度下飞行器易出现结冰现象而影响安全.图4是0~-5ħ高度月平均变化图.其变化为单峰型,即冬季低,夏季高,夏季在4000m 以上,7月份最高,可达到5000m 以上,而冬季的1031西南师范大学学报(自然科学版) h t t p ://x b b jb .s w u .c n 第38卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.月最低,仅在1500m 左右.由于白天的增温作用,20时的高度明显较08时高,特别是冬季.图3 重庆主城逆温厚度月平均图4 重庆主城零度层高度月平均变化3 相对湿度的垂直结构特征相对湿度表征的是空气的潮湿程度.从重庆主城相对湿度(%)的月平均垂直变化统计结果看(图5),(1)重庆主城近地层的相对湿度较大,1000m 高度附近仍然在80%左右,相对湿度小于50%的高度冬半年在4000m 以上,夏半年在5000m 以上,特别是6月份在5000m 附近相对湿度还在70%左右;(2)早间的相对湿度普遍大于夜间,主要是因为白天温度较夜间高,水蒸发得快,同时也与重庆多夜雨有关;(3)近地层相对湿度冬季大于夏季,因而给人的感觉是重庆冬季阴冷潮湿;(4)相对湿度在垂直方向上有逆湿现象,即本是随高度的增高相对湿度应减小,但在某些高度存在随高度的增高相对湿度也增大的现象,这种现象一年四季都存在,尤以夏季的傍晚最为明显,主要出现在近地层到2000m 间,最厚可达2500m.4 风的垂直结构特征统计重庆主城上空风向频率和风速表明:在1000m 以下的近地层由于受山区地形的影响,除7㊁8月为偏南风外,其余月份基本上以偏东风为主,风速在2m /s 以下;1000~2000m 为偏南风,除6-8月风速在5m /s 左右,风速相对较大外,其余月份为3m /s ,风速较小;而3000m 以上夏季多为西南风,这与重庆夏季主要受副热带高压西侧偏南气流的影响有关,其余季节盛行偏西风.夏季从底层到高层风向一致,可以加大上下气层间动量和热量的输送,增强湍流运动,有利于空气的交换,从而利于空气中污染物的扩散,是重庆夏季空气质量较好的原因之一,冬季正好相反.图5 重庆主城相对湿度(%)月平均垂直变化曲线图(细线为08时,粗线为20时)图6 重庆主城月主导风向及平均风速时间空间分布5 层结特征与空气质量关系重庆主城区空气污染除与污染物排放总量㊁能源结构㊁环保投入等因素有关外,还与其地理和气象条131第9期 王 中,等:重庆主城区大气层结特征及与空气质量关系分析Copyright ©博看网. All Rights Reserved.件有较大的关系[21].重庆主城区被中梁山和铜锣山㊁南山等山脉分隔,长江㊁嘉陵江交汇穿城而过,属于典型的山区河谷地形,地形复杂.地面风场受河谷地形影响,近地层风速较低且各向差异较小,年均在1.5m /s 左右,而且静风频率较高,年均25%左右;混合层较低,逆温频率高;雾日多,平均每年雾日约100d .这些特有的地理和气象条件不利于大气污染物的扩散,在相同的污染物排放量情况下,与其他平原及沿海城市相比大气污染势必更加严重[23].有研究表明,重庆主城区空气质量夏季最好,春季次之,秋季较差,冬季最差[24],其首要污染物为可吸入颗粒物(简称P M 10),从其日变化看,浓度较高的时段出现在中午和深夜,中午浓度高主要是由于从上午开始人类活动增大,污染物的排放量增大,而早间7时和下午17时左右是全天浓度较低的时段,从天气原因分析是重庆有 巴山夜雨 的现象,即在早间(5-8时)易产生降水,下午到傍晚一般易出现对流天气,利于污染物的沉降或扩散,而夜间慢慢出现逆温,污染物容易堆积,由于图7是全年的情况,其实还存在季节的差异.图7 重庆主城区P M 10浓度全年(2011年)逐时变化图8 重庆主城空气质量与温度要素关系统计结果表明,重庆主城区空气污染日(A P I ȡ100)主要出现在冬季,特别是11㊁12月,从图8中可以看出,夏季由于逆温频率低㊁逆温厚度小,零度层高度高㊁大气上升运动强,出现空气质量差的日数极少,而冬季刚好相反.5.1 混合层厚度特征与空气污染边界层中的空气由于地受地面摩擦或热力作用的影响,在某个高度的稳定层下会出现显著的垂直混合,形成混合层,其厚度就是混合层厚度.它表征了污染物在垂直方向被热力湍流稀释的范围.大气混合层厚度是反映污染物在铅直方向扩散的重要参数,也是影响大气污染物扩散的主要气象因子之一.大气混合层厚度越大,就越有利于污染物的扩散和稀释[23]按照国标G B /T 384091中的规定,利用重庆主城区的地面气象观测资料来计算重庆主城区大气边界层内的混合层厚度.混合层厚度的日变化表明,在重庆主城区夜间混合层厚度较薄,仅300m 左右,而且月际间波动不明显.而白天由于天气对流活动较夜间强,因而其混合层厚度较大,特别是在中午前后为一天中混合层厚度最厚的时段,最厚在3000m 以上,由于混合层厚度愈大,稀释作用愈强,地面污染物浓度愈低,这为污染物排放时间的选择提供了依据,即一般排放时间宜选在白天.夜间和清晨混合层厚度薄,大气稀释能力弱,污染物易在近地层堆积,故应减少夜间排污量.混合层厚度在白天的月际变化也非常显著,夏半年较厚,其中以7月为最,14时月均在1200m 左右,231西南师范大学学报(自然科学版) h t t p ://x b b jb .s w u .c n 第38卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.而冬半年较薄,14时仅在700m 左右.这种变化反映了大气扩散稀释能力的季节变化;夏㊁春两季大气扩散稀释能较强,污染物易于排散,冬㊁秋两季大气扩散稀释能力差,尤其冬季更差,污染物不易较快扩散,容易在低层堆积造成污染[26].降水对空气污染有明显的净化作用,通过人工增雨作业,可以有效地改善重庆主城区的空气质量[27].5.2 稳定度特征与空气污染大气稳定度的性质,反应了边界层大气的对流活动状况,也是表征大气污染物扩散潜势的一个重要物理量.按照国标G B /T 384091中的规定计算结果表明,在重庆主城区夜间边界层大气基本上都处于中性或稳定层结,早上08时左右以中性层结为主,夏半年也有20%~40%的时间出现不稳定状况,而中午14时左右的稳定层结状况较少,中性和不稳定层结占绝大部分,这与每天大气活动规律一致.主要是由于在白天太阳高度角增大,辐射强度增强,地面温度逐步升高,乱流也随之增强,使不稳定不断增长.到14时地面温度接近最高,乱流也最强,所以此时段大气最不稳定.从全天总体看是重庆主城区大气以中性层结占主导地位(平均60%左右).从季节变化看,重庆主城区不稳定层结主要在夏季,较有利于大气污染物的扩散,这与重庆夏季辐射强㊁高温㊁多雨有关;而重庆主城区由于冬季云层厚,多阴天,太阳辐射等级弱,因而主要为中性和稳定层结,不利于大气污染物的扩散.但从近几年的各月总体变化看,重庆主城区不利于大气污染物扩散的层结(中性和稳定)百分率有下降的趋势,表明重庆主城区空气质量有缓慢转好的天气条件.6 结 语通过以上的统计分析,可以得到以下结论:1)重庆主城区逆温比例很高,各月均有逆温存在,而且有明显的日㊁月和季节变化,有多层逆温出现的现象,逆温强度平均在0.85ħ/100m 左右,其中冬季较强,冬季逆温层的厚度可达1000m 以上,零度层高度在冬季可低至1500m 左右;2)近地层的相对湿度较大,早间普遍大于夜间,冬季高于夏季,在近地层到2000m 间一年四季都存在有逆湿现象,逆湿厚度高的可达2500m ;3)近地层由于受山区地形的影响盛行偏东风,风速较小,3000m 以上夏季多为西南风,,其余季节盛行偏西风;4)从全天总体来看,重庆主城区大气以中性层结占主导地位(平均60%左右),由于冬季重庆主城区云层厚,多阴天,太阳辐射等级弱,因而主要为中性和稳定层结,不利于大气污染物的扩散而且冬季的混合层厚度较薄,污染物不易较快扩散;5)高逆温逆湿频率㊁低风速㊁多中性层结和较薄的混合层是造成重庆主城冬季空气质量较差的主要气象因素.参考文献:[1]胡 非,洪钟祥,雷孝恩.大气边界层和大气环境研究进展[J ].大气科学,2003,27(4):712-728.[2] 张 鑫,蔡旭晖.柴发合.北京市秋季大气边界层结构与特征分析[J ].北京大学学报:自然科学版,2006,42(2):220-225.[3] 胡 非.大气边界层的一些空气动力学特征[J ].力学进展,1990,20(3):328-340.[4] 徐阳阳,刘树华,胡 非.北京城市化发展对大气边界层特性的影响[J ].大气科学,2009,33(4):859-867.[5] 张 强,张 杰,乔 娟.我国干旱区深厚大气边界层与陆面热力过程的关系研究[J ].中国科学:地球科学,2011,41(9):1365-1374.[6] 胡 非,李 昕,陈红岩,等.城市冠层中湍流运动的统计特征[J ].气候与环境研究,1999,4(3):252-258.[7] 刘辉志,洪钟祥.北京城市下垫面边界层湍流统计特征[J ].大气科学,2002,26(2):241-248.[8] 李家伦,洪钟祥,孙淑芬.青藏高原改则地区大气边界层特征[J ].大气科学,2000,24(3):301-312.[9] 卞建春,乔劲松,吕达仁.大气近地层湍流能谱特征的再分析[J ].大气科学,2002,26(4):474-480.[10]胡 非.大气边界层湍流涡旋结构的小波分解[J ].气候与环境研究,1998,3(2):97-105.331第9期 王 中,等:重庆主城区大气层结特征及与空气质量关系分析Copyright ©博看网. 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