银川市低空逆温特征及其对雾、霾的影响邓敏君;郭建平;黄峰;王建英;桑建人【摘要】根据2011—2015年国家气候基准站逐日08时和20时探空观测资料,能见度、相对湿度以及雾、霾观测资料及银川市环境监测站的PM10质量浓度数据,用数理统计及其相关分析方法,研究银川市低空逆温特征及其对雾、霾的影响.结果表明,银川市四季均有逆温出现,秋冬季节逆温的出现频率最高、厚度最厚、强度最强,08时较20时逆温的出现频率更大、厚度更厚、强度更强,悬浮逆温底高更低,雾、霾天气与逆温的季节变化特征一致;银川市四季低空逆温的厚度、强度和持续性均与PM10的质量浓度呈正相关关系,且在秋冬季节最显著;逆温持续时间越长,雾、霾现象越严重,逆温层越厚,强度越强,空气质量等级为优或良的概率越低,而为轻度、中度及重度污染的概率越高.低空逆温是影响银川市雾、霾天气的主要污染气象条件之一.【期刊名称】《宁夏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)003【总页数】8页(P257-264)【关键词】银川市;低空逆温;雾和霾;空气质量;相关分析【作者】邓敏君;郭建平;黄峰;王建英;桑建人【作者单位】中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,宁夏银川 750002;宁夏气象防灾减灾重点实验室,宁夏银川 750002;宁夏气象服务中心,宁夏银川 750002;中国气象科学研究院大气成分研究所,北京 100081;宁夏气象防灾减灾重点实验室,宁夏银川 750002;宁夏气象服务中心,宁夏银川 750002;宁夏气象灾害防御技术中心,宁夏银川 750002【正文语种】中文【中图分类】X16近年来，随着社会经济的迅猛发展，我国的工业化进程显著加快，大气污染日趋严重[1—4].随着“西部大开发”战略的稳步实施，我国西部的经济在十几年间实现了跨越式发展，工业化和城镇化不断推进，人们的生活水平显著提升，人为污染物的排放明显增多.地处西北地区的宁夏平原的空气质量也急剧下降，宁夏银川市出现雾、霾天气明显增多[5—6].研究表明，人为污染物在不利于污染扩散的气象条件下不断积累，可与大气中的其他物质发生物理、化学反应生成二次污染物，致使雾和霾灾害频发.一般，对流层中大气的温度随高度的升高而降低，垂直方向的气流交换有利于污染物的稀释.然而，当逆温存在时，即在某一高度内气温随着高度的升高反而呈增加趋势时，上暖下冷的大气层结结构较为稳定，对污染物的扩散能力减弱，致使近地层大气污染加重.大气污染物的排放主要集中在距离地面1.5 km 左右的大气边界层中，严重时会导致雾、霾等天气.雾和霾对大气环境、交通安全及人体健康均有着极大的影响和危害.逆温现象作为重要的污染气象条件之一，对雾、霾天气的形成和维持较为有利[7].赵娜等对2013年1月9—15日北京地区一次持续雾、霾过程进行成因分析，发现逆温的维持是造成雾、霾持续的主要原因[8].徐红等研究发现，沈阳地区冬季在近地层形成的辐射逆温有利于霾天气的发生发展[9].王丽根据郑州地区2008—2012年的高分辨率探空资料，统计分析各个季节低空逆温的特征，得出大雾天气与低空逆温的月变化特征基本一致[10].黄景等的研究表明，台州市四季霾日和逆温出现频率呈单谷型分布特征，峰值出现在冬春季节[11].周翠芳等研究1961—2009年宁夏雾的时空分布特征，发现夜间地表辐射冷却形成的逆温是大雾发生的必要条件[12].陶林科等对2009年2月3日宁夏中北部雪后大雾天气的分析表明，深厚逆温层的维持对大雾持续起决定性作用[13].研究表明，逆温频发是造成银川市冬季大气污染物不易被扩散稀释的气象原因之一[14—15].刘玉兰等研究2003—2009年秋冬季节银川市的逆温特征，发现逆温强度与发生霾天气的概率呈正相关关系[16].目前，关于银川地区逆温特征及其对雾、霾影响的研究尚不深入.因此，研究银川市大气边界层逆温特征及其对雾和霾的影响，对揭示城市大气污染规律、改善大气环境以及提高市民的生活质量具有重要意义.银川市是宁夏的首府，也是西北地区重要的中心城市.银川市位于λN =37°29′～38°53′，φE=105°49′～106°53′，海拔为1 010～1 150 m，地处中国西北地区的宁夏平原中部，西倚贺兰山，东临黄河.气候特点是四季分明，雨雪稀少，日照充足，气候干燥等.近年来，银川市经济快速发展，人口明显增多，城市化和工业化致使人为污染物的排放显著增加，加之特殊的天气、气候条件，雾、霾的出现频率明显增加[17].笔者对银川市2011—2015年各个季节大气边界层在1 500 m以下逆温层的出现频率、厚度、高度、强度进行统计分析，并结合银川国家气候基准站对应年份的能见度、相对湿度、雾和霾观测资料以及银川市环境监测站的PM10质量浓度数据资料，探讨银川市低空逆温与雾、霾之间的相关关系，低空逆温特征及其对雾、霾天气的可能影响，以期为提高城市气象灾害的服务水平提供参考.1 资料与方法逆温资料来自银川探空气象站( φE=106°27′，λN =38°47′，海拔高度为1 111.4 m)的观测资料，根据中国气象局《高空气象探测规范》进行取值.根据银川市探空气象站2011—2015年逐日08时、20时GTS1型数字式探空仪的探测资料，得到逐日的逆温数据资料，包括逆温层气压、温度、湿度、露点、高度、厚度、强度、风向、风速等.通常，在大气边界层内，逆温对人为污染物扩散的影响较大.因此，笔者取底高在1 500 m以下的逆温层，并将低空逆温分为2类：贴地逆温(逆温层底高低于100 m)；悬浮逆温(逆温层底高为100～1 500 m)[16].通过分析逆温的出现频率、高度、厚度和强度，探究银川市低空逆温的特征.仅基于地面观测记录得出的天气现象，分析雾、霾天气缺乏客观性，因此采用天气现象、水平能见度(V)和相对湿度(Hr)相结合的方法对雾(轻雾)或霾进行综合判定[17].2014年1月,宁夏气象局制定的最新判别霾和轻雾(雾)的标准：当V<1.0 km，Hr≥80%时，记为雾；当Hr<80%，记为霾；当1.0≤V<10 km，Hr≥75%，记为轻雾；当75%>Hr≥55%，记为霾(轻雾)，具体参照观测记录或预报员根据其他测定资料判断；当Hr<55%，记为霾.基于银川市2011—2015年能见度、相对湿度以及雾、霾天气现象数据资料，统计分析2011—2015年银川市雾、霾的分布特征.为进一步了解银川市低空逆温与雾、霾的具体关系，根据2011—2015年典型污染物PM10的质量浓度逐日观测数据，剔除降水量大于0.1 mm的天数以排除降水对污染物的冲刷作用，分析每天08时逆温特征与当天PM10质量浓度及每天20时逆温特征与第2天PM10质量浓度的相关性；依据国家对空气质量的分级规定，将2011—2015年银川市低空逆温的厚度、强度数据从小到大排列，分档探究优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染6种不同大气污染等级天气出现的概率，揭示银川市低空逆温与空气质量的相关关系，进而分析银川市低空逆温对雾、霾天气的可能影响.2 结果与分析2.1 低空逆温特征2.1.1 逆温出现的频率在地面到海拔1 500 m区域，通常会出现多层逆温.统计银川市1 826 d的探空数据，发现2011—2015年银川市逆温的出现频率较高，且贴地逆温和悬浮逆温的出现频率早上比晚上高(表1).08时贴地逆温和悬浮逆温的出现频率分别为88.4%，93.1%，20时,这2类逆温的出现频率分别为84.1%，52.4%.从傍晚到夜间，随着地面辐射冷却的不断加剧，逆温逐渐形成并发展加强，日出前气温低，湍流小，大气层结比傍晚稳定，有利于逆温维持；次日日出后，地面因吸收太阳短波辐射而增暖，湍流增强，对流充分，大气的垂直运动加强，逆温易被破坏甚至消失.而对于地面辐射降温，从太阳落山后的傍晚时分开始对流较弱，地表及低层大气温度降低快，上层空气冷却慢，20时正处于逆温形成的初始阶段.因此，08时逆温的出现频率比20时的大.表1 2011—2015年银川市不同类型低空逆温出现的频率逆温类型出现频率/%08时20时贴地逆温88.484.1悬浮逆温93.152.4从低空逆温的月、季分布看，银川市四季均有逆温出现，但各个季节存在差异(图1).银川市夏季(6—8月)08时贴地逆温出现频率最低，均低于85%，秋冬季节(其他月份)出现频率较高，最高出现在10月，为95.5%；冬季(12—2月)悬浮逆温出现频率最高，且最高出现在12月，为98.7%，春末夏初时节出现频率较低.20时的贴地逆温在9月至次年2月出现频率均大于90%，即秋冬季多于春夏季，而悬浮逆温在秋末至冬季(11—2月)出现频率均大于60%，且最大频率出现在1月，为90.9%，春夏季出现频率较低，最低出现在5月，仅为21.9%.图1 08时(a)和20时(b)逆温出现频率的逐月变化银川市低空逆温的出现频率为秋冬季节多于春夏季节.一方面，在夏季，动力和热力因素共同作用使湍流强度增强，在其他季节，动力因素增强湍流强度，而热力因素又消耗湍流强度.夏季气温高，湍流强度大，对流强，逆温层易被破坏，因而逆温的出现频率最低.另一方面，白天太阳辐射的照射使地面迅速增温，夜间地面向上辐射且长波辐射加热大气，而近地面层气温迅速下降，上暖下冷的层结分布有利于逆温的形成.与春夏季节相比，秋冬季节夜间地面的辐射降温更明显，在低层更易形成逆温，因而秋冬季节逆温的发生频率较高.2.1.2 逆温层的厚度和底高逆温层的厚度是表征逆温特征的重要指标，是逆温指定层起始高度与指定层终止高度之间的高度差，即逆温层顶高与底高的高度差[18].一般，逆温层厚度越厚，越不利于低层污染物的扩散.逆温层厚度(△H/m)的计算公式：△H=Hh-Hl,(1)式中：Hh为逆温层的顶高(m)；Hl为逆温层的底高(m).对2011—2015年银川市2类低空逆温的平均厚度△Hav进行分析，发现早晨逆温的年△Hav大于晚上，08时贴地逆温和悬浮逆温的△Hav=202.4，157.2 m/a，而20时这2类低空逆温的△Hav=65.1， 89.8 m/a；08和20时,这2类逆温厚度的年内变化均呈秋冬厚、春夏薄的变化特征，且08时各月的贴地逆温△H大于悬浮逆温△H，20时的各月贴地逆温△H小于悬浮逆温△H.08和20时贴地逆温和悬浮逆温的△H均在秋冬季节较大，08时这2类逆温的最大△H均出现在1月，分别为293.0 ，213.3 m；20时,这2类逆温最大△H分别出现在11月和1月，分别为92.6，146.8 m(图2(a)).在日变化尺度上，从夜间到日出前，地面冷却效应的加强形成逆温结构，不利于大气边界层内垂直方向的湍流交换，逆温得以发展且不断增厚，至次日日出前△H发展到最厚，因此08时△H比20时的大.在季节变化尺度上，由于银川市秋冬季节地面辐射冷却降温快，逆温的形成相对较快，且秋冬季日出晚，即白天温度开始回升的时间晚，逆温发展、维持的时间相对于春夏季节更长.同时，由于秋冬季节太阳高度角较夏季的小，下垫面吸收的太阳辐射少于夏季，垂直方向的热力对流比夏季弱，因而秋冬季节逆温层的厚度更厚.图2 低空逆温厚度(a)和悬浮逆温底高(b)的逐月变化逆温层的底高Hl指逆温层底距离地面的高度.银川市2011—2015年悬浮Hl的统计表明，悬浮Hl存在明显的月变化和季节变化特征(图2(b)). 20时悬浮Hl明显高于08时的，且08和20时悬浮逆温底高的月变化特征基本一致.早晨地面温度较傍晚低，且大气层结较为稳定，有利于逆温的发展、维持，逆温层底高更接近地面；经过一天的大气湍流运动至傍晚时分，相对不稳定的大气层结不利于逆温的形成和发展，因此傍晚Hl比早晨的更高.08和20时悬浮逆温平均Hl分别为546.8，757.3 m/a，月平均Hl最高值均出现在2月，大小分别为801.2 ，1016.1 m，而08和20时悬浮逆温的月平均Hl最低值均出现在夏季至初秋时节.2.1.3 逆温强度逆温强度也是表征逆温特征的重要指标，且与大气层结稳定度密切相关.逆温强度是指逆温层高度每上升100 m气温的增加值，即逆温层温度的垂直递增率.一般，逆温层内温度增量越大，逆温强度越强，反之亦然[19].用I表示逆温强度，其计算公式：I=△T/△H×100=(Th-Tl)/ (Hh-Hl) ×100 ,(2)式中: △T为逆温层的温度差(℃/100 m);Th为逆温层顶的温度(℃); Tl为逆温层底的温度(℃).银川市大气边界层I的统计结果如图3所示.08和20时逆温的年平均强度(Iav)分别为1.1,1.2 ℃/100 m，且月变化特征一致，最强均出现在10月份，大小分别为1.3,2.1 ℃/100 m.除10月的贴地逆温，08时2类逆温的I较20时的更强(图4)；除4月20时的，不论08时或是20时，贴地逆温的月平均I均强于悬浮逆温的；2类I在10月至次年2月最强，夏季I较弱.在08和20时，贴地逆温和悬浮逆温I最大值分别出现在10，12月，08时这2类逆温I最大值分别为2.6，2.1 ℃/100 m，20时I最大值分别为2.9，1.8 ℃/100 m.因此，银川市低空逆温的I在秋冬季节最强，在夏季最弱.一方面，由于秋冬季节的太阳高度角小，日落早，地面辐射降温快，而次日日出晚，易形成强度较强的逆温；另一方面，秋末至冬季的逆温强度与该时间段冷空气的频繁活动有关.当冷空气过境时，由于冷空气较冷较重，更接近地面，近地面的气温低，有利于低层大气逆温的形成.2.2 雾、霾的分布特征分析2011—2015年银川市的能见度、相对湿度以及雾、霾数据，发现银川市四季均有雾和霾出现，5 a共出现轻雾或雾503 d，出现霾386 d.刘钰的研究结果表明，20世纪90年代以来，银川市的风速呈现显著下降的趋势[20].由此可知，较小的风力不利于雾和霾的扩散和稀释，这也是导致银川市近年来雾、霾灾害频发的因素之一.从月变化尺度上看，雾和霾的月变化特征一致，均集中出现在秋冬季节(当年9月至次年2月).其中，轻雾或雾主要集中在9—12月，最多出现在11月，共84 d，3—5月最少；霾集中出现在当年10月至次年2月，最多出现在12月，共77 d，4—6月最少(图5).银川市地处东亚季风区的边缘地带，降水集中在夏季，降水对污染物的沉降作用是夏季霾日出现频次较少的原因之一.此外，秋冬季节风力小、降水少，又是采暖期，人为污染物的排放增多，逆温的出现使大气变得更稳定，进一步抑制了污染物的垂直和水平扩散，降低了大气的自洁能力.因此，多方面因素导致秋冬季节的雾和霾日数增多.银川市雾和霾与低空逆温的季节变化基本一致，雾、霾天气的出现经常伴有低空逆温现象.图3 逆温平均强度的逐月变化图4 贴地逆温和悬浮逆温强度的逐月变化图5 雾、霾频次的逐月变化2.3 低空逆温与PM10质量浓度的相关分析由以上分析可知，银川市的低空逆温与雾、霾天气关系密切.为进一步揭示2者的关系，分季节计算每天08时逆温特征与当天PM10质量浓度以及每天20时逆温特征与第2天PM10质量浓度的相关性.为排除降水对污染物冲刷作用的影响，剔除有降水(日降水量大于0.1 mm)的天数，研究低空逆温与PM10质量浓度的相关关系.当天08时的逆温厚度(△H/m)和强度I/(10-2℃·m-1)与PM10质量浓度(ρ/μg·m-3)均呈正相关关系(图6～7)，且秋冬季的相关性较春、夏季的好.当天08时△H与ρ的相关系数(R)，在春、夏季分别为0.15，0.12，在秋季为0.36，冬季最高为0.45.当天的I与ρ的R，在秋冬季分别为0.33，0.31.当天08时低空逆温与ρ的相关系数均大于0.05水平显著性检验，除08时春季I、夏季△H与ρ的R分别为0.05,0.03外，其他的R均小于0.001(表2).因此，当天08时逆温与ρ的相关性显著，这是因为早晨的逆温使大气趋于稳定，不利于白天污染物的扩散和稀释. 图6 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)当天08时逆温厚度与PM10质量浓度的线性关系图7 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)当天08时逆温强度与PM10质量浓度的线性关系表2 当天08时逆温厚度、强度与PM10质量浓度的相关性当天08时逆温相关性指数ρ(PM10)/(μg·m-3)春夏秋冬△H /mR0.150.120.360.45P00.0300I/(10-2℃·m-1)R0.100.180.330.31P0.05000同样，当天20时△H与I与第2天ρ也呈正相关关系(图8～9)，秋冬季2者的相关性比春、夏季的强，即在秋、冬季节，污染物的浓度随着逆温的△H，I增大而增大的线性关系更明显.当天20时的△H与ρ的相关系数(R)在冬季最高，达0.52，在秋季为0.38，在春、夏季分别为0.26，0.12；当天I与ρ的相关系数在春、夏季最低，均为0.11，冬季2者的相关性最显著，相关系数为0.41，秋季为0.32(图8～9).秋、冬季当天20时的逆温与ρ相关系数比春、夏季的高，表明秋冬季的逆温天气形势更稳定，持续性更好.同时，冬季当天20时逆温与ρ的相关系数高于当天早晨逆温与ρ的相关系数.说明在逆温气象条件下存在污染物积累的过程，逆温的稳定存在增加了污染物粒子之间碰撞、黏着的几率，且该现象在冬季更为明显.综上所述，前一天夜间的逆温形势不利于第2天污染物的扩散.除夏季当天20时的I与ρ相关性不显著外(P=0.06>0.05)，其他相关系数P<0.05，表明当天20时逆温与第2天ρ的相关性较显著.图8 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)20时逆温厚度与第2天PM10质量浓度的线性关系图9 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)当天20时逆温强度与第2天PM10质量浓度的线性关系表3 当天20时逆温厚度、强度与第2天PM10质量浓度的相关性当天20时逆温相关性指数ρ(PM10)/(μg·m-3)春夏秋冬△H/mR0.260.120.380.52P00.0400I/(10-2℃·m-1)R0.110.110.320.41P0.030.0600 2.4 低空逆温与空气质量的相关性依据国家对空气质量的分级规定，为深入研究逆温与空气质量的相关性，将2011—2015年银川市低空逆温的厚度、强度数据从小到大排列，分档分析不同大气污染等级天气出现的概率(p).以每天08和20时的平均△H，I作为当天的逆温厚度、强度，剔除有降水(日降水量大于0.1 mm)的天数以排除降水对污染物浓度的影响，分析不同大气污染等级天气出现的概率，从而分析低空逆温与空气质量的相关性.随着△H的增加(图10a)，空气质量为优、良的天气出现概率明显减少，而轻度、中度及重度污染天气出现概率明显增加.由此可知，△H越大，更易出现轻度、中度和重度污染天气.因此，△H是影响空气质量的重要气象因素.随着I的增大(图10b)，空气质量为优、良的天气出现概率亦呈减少趋势，而轻度、中度及重度污染天气出现的概率增加.可见，当I增大时，空气质量状况也趋于下降，优、良天气明显减少.因此，I亦是影响空气质量的重要气象因素.综上所述，银川市低空逆温与空气质量关系密切，△H,I对空气质量的影响很大，低空逆温是导致银川市雾、霾天气出现的主要气象因素之一.图10 各类逆温厚度(a)和强度(b)下不同大气污染天气出现的概率3 结论1)银川市全年低空逆温的出现频率较高，几乎每天都存在贴地逆温或悬浮逆温，且往往伴有2类逆温同时出现的现象.2)贴地逆温和悬浮逆温的出现频率、厚度、强度及悬浮逆温底高呈现一致的季节变化特征，最大值均集中出现在秋冬季节，最小值集中在春夏季节.除4月份的20时外，不论08时还是20时，贴地逆温的强度均大于悬浮逆温的.3)在日变化尺度上，2类低空逆温的出现频率、厚度、强度均表现为早上大于晚上；悬浮逆温的底高表现为早上小于晚上.除10月的贴地逆温外，早上2类逆温的强度均大于晚上的.4)2011—2015年银川市雾和霾的月变化特征与低空逆温变化一致，雾、霾天气在秋冬季节较频发，逆温现象与雾、霾天气密切相关.当天08时的逆温厚度、强度与PM10质量浓度以及当天20时逆温的厚度、强度与第2天PM10质量浓度在四季均呈正相关关系，且在秋冬季节更为显著.早晨的逆温越强，白天低层污染物在水平和垂直方向上的扩散易受到抑制，利于雾、霾天气的发生发展.而晚上逆温的厚度厚、强度强，稳定维持的逆温不利于第2天污染物的扩散.因此，低空逆温的存在和维持对雾、霾的影响很大，逆温的持续时间长、厚度大、强度强，雾、霾现象越严重.5)银川市低空逆温特征与空气质量密切相关.随着逆温厚度、强度的增大，空气质量为优、良的天气出现概率趋于减少，而为轻度、中度及重度污染的天气出现概率增加.银川市的低空逆温强度和厚度对空气质量的影响显著，其中低空逆温是导致雾、霾天气的重要气象因素.6)银川市低空逆温是影响雾、霾天气发生发展的主要污染气象条件.该研究可为提高银川市气象灾害的服务水平和改善大气环境提供参考.但文中仅讨论大气边界层以内的逆温，且是由单站数据分析结果得出的规律，今后有待于进一步的深入研究. 参考文献：【相关文献】[1] GUO Jianping, DENG Minjun, SEOUNG S L, et al. 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