西安邊界層逆溫特征及其與空氣污染的關系

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時探空資料和同時期空氣污染物質量濃度資料，分析西安邊界層逆溫的變化特征及其與空氣污染的關系。結果表明：西安一年四季都有逆溫出現，冬季逆溫最多，夏季最少，早晨多于晚上；逆溫強度在0.7～1.5 ℃/100 m，冬季逆溫強度最大，夏季最小；晚上逆溫強度大于早晨；中等強度逆溫最多；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；有逆溫時的空氣污染物月質量濃度值均高于無逆溫時，主要污染物PM10的月質量濃度的變化與逆溫厚度、強度成正比，呈現出冬半年高夏半年低的變化趨勢，在逆溫厚度最厚、強度最強的月份中，空氣污染物質量濃度值也最大。逆溫層是影響西安地區空氣質量的主要氣象因子之一。

邊界層；逆溫層；空氣污染；西安

近年來，隨著西安經濟快速發展，城市人口急劇增加，各種工業、運輸業和人們日常生活中所排放的有害氣體日益增多。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內外眾多機構和學者所關注，并認為空氣污染與氣象要素有著很密切的相關性[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。但有時在某些層次氣溫隨高度的增加反而升高，這種現象稱為逆溫。出現逆溫現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，形成穩定的大氣層結，不利于空氣中的水汽、煙霧和一些有害氣體的稀釋擴散，加重了空氣污染。受逆溫層影響的地區，大氣層大都趨于穩定，對流不易發生，使空氣質量變得惡劣。因此逆溫層的強度和厚度與大氣污染物質量濃度有很大相關性。近年來我國學者對逆溫層的變化特征進行了大量的研究[3-7]，本文利用西安涇河探空站的高空資料，統計分析西安邊界層逆溫的厚度、強度的日變化及季節變化特征，研究逆溫與空氣污染的關系。

1 資料和方法

2007—2011年西安涇河探空站逐日07時和19時的探空數據；西安市環保局污染監測站每日空氣污染物質量濃度平均數據。

利用L波段(1)型數據處理軟件[8]，分別統計每日07時和19時的貼地逆溫資料。空氣污染物指數的計算采用API指數法[9]。

2 邊界層逆溫特征

2.1 時間分布特征

分析表明，西安一年四季都有逆溫出現，不論早上(07時)還是晚上(19時)，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時共出現逆溫613次，占總數的60%,19時出現逆溫414次，占40%，說明早上(07 時)出現逆溫次數多于晚上(19 時)。07時出現逆溫最多的是12月,5 a共出現88次，占總數的57%；次多為11月(79次)和1月(75次)；最少為7月，共出現4次，占3%，2010年7月無逆溫出現。19時出現逆溫最多的是11月，共76次，占總數的51%；次多為12月(67次)和10月(64次)；最少的為7月，共出現5次(見圖1)。

圖1 西安2007—2011年逆溫頻次月分布

2.2 強度特征

逆溫強度[4]是指逆溫層內溫度的垂直遞增率，即逆溫強度=(逆溫層溫差/逆溫層的厚度)/100，指在逆溫層內高度每升高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，強度為0.7～1.5 ℃/100 m，平均為1.2 ℃/100 m。逆溫強度冬季最大，其次為秋季、春季，夏季最小。19時逆溫強度平均為1.5 ℃/100 m，最大出現在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；極值出現在2010年1月3日，強度為6.8 ℃/100 m。07時平均值為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；極值出現在2010年3月12日，強度為4.9 ℃/100 m。總之，19時逆溫強度大于07時。

圖2 西安2007—2011年逆溫強度月分布

為了便于分析，參照文獻[4]將逆溫強度等級分為6級(表1)，分析結果見表2和表3。

表1 逆溫強度等級

表2 西安2007—2011年逆溫強度的日分布 次

表3 西安2007—2011年逆溫強度的季節分布 次

從表2可以看出：西安在2007—2011年3級強度的逆溫出現頻率最高，為27.4%；2級和4級出現頻率分別為23.4%和22.2%,2～4級共占73%，占總體的近2/3；5～6級共占逆溫出現頻率的25.5%，約占1/4；1級出現頻率最小為1.4%。說明西安中等強度的逆溫最多。1～5級逆溫07時出現頻率明顯高于19時，但6級逆溫19時比07時多。從表3可看出：總體來說，不同等級逆溫強度均在冬季出現最多，占總數的33%，其次為秋季和春季，分別為28.8%和23.9%，出現頻次最小的為夏季，占14.3%。

2.3 厚度特征

逆溫頂層高度相對于地面的高度即為逆溫層厚度。從圖3可以看出，西安07時的逆溫層厚度均明顯高于19時。不論07時還是19時，冬季逆溫層厚度最大，夏季最小。07時最大逆溫層厚度在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系

3.1 污染物指數的變化特征

利用API法計算5 a中每日的SO2、NO2和PM10的空氣污染指數值,通過對西安2007—2011年API指數的計算統計發現：西安一年中NO2的API指數較小，1、2、12月SO2的平均API指數值略高于PM10，3、11月SO2和PM10的指數值相同，4—10月，PM10的指數值高于SO2。全年平均PM10的指數值最高，其次是SO2和NO2。說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值冬季最大，API指數平均為66；春秋次之，API指數平均分別為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。這與西安冬季風力較小，降水少，懸浮在空氣中的污染物不易擴散和沉降有關，另外，隨著冬季氣候變冷，城市采暖季節集中，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，三種污染物指數冬半年均高于夏半年。

3.2 逆溫與空氣污染物質量濃度

表4為西安市2007—2011 年全年及各季有無逆溫時各種污染物質量濃度統計，從表4看出，全年中各季節有逆溫時的污染物質量濃度值均比無逆溫時高，SO2和NO2年平均高出20%,PM10高12%。這是因為有近地面逆溫出現時，大氣層結很穩定，空氣的對流運動減弱，不利于地面污染物向高層和四周稀釋擴散。

表4 西安市2007—2011年全年及各季有無逆溫時各種污染物平均質量濃度 mg/m3

3.3 逆溫層強度和厚度與空氣污染物質量濃度

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

圖4 西安2007—2011年逆溫層厚度和PM10質量濃度的月變化

圖5 西安2007—2011年逆溫層強度和PM10質量濃度的月變化

4 結論

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

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

(3)西安07時的逆溫層厚度均明顯高于19時。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指數值冬季最大，春秋次之，夏季最小。全年中各季節有逆溫時的污染物質量濃度均高于無逆溫時。西安逆溫層厚度、強度與主要污染物PM10質量濃度的變化都呈凹型變化，呈現出冬半年高夏半年低的變化特點。即在逆溫厚度最厚、強度最強的月份中，空氣污染物質量濃度也最大，說明逆溫層是影響西安地區空氣質量的主要因子之一。

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1006-4354(2014)02-0013-04

2013-01-03

曹紅麗(1973—),女，漢族，學士，陜西長武人，工程師，從事高空氣象觀測。

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