西安地區混合層厚度變化特征及對大氣污染的影響

曹紅麗，蘇 靜

(1.西安市氣象局,西安 710016；2.陜西省大氣探測技術保障中心，西安 710014)

西安地區混合層厚度變化特征及對大氣污染的影響

曹紅麗1，蘇 靜2

(1.西安市氣象局,西安 710016；2.陜西省大氣探測技術保障中心，西安 710014)

利用2007—2011年西安涇河基準氣候站逐日地面常規氣象資料，采用統計方法，對比分析西安地區日最大混合層厚度的變化特征及對大氣污染的影響,結果表明：西安年平均混合層厚度日變化在158～1 343 m之間，呈現出夜間小，正午前后大的變化趨勢；日最大混合層厚度總體呈逐年遞增趨勢，2011年有所減小，冬半年低夏半年高；年平均日最大混合層厚度與同期降水日呈反向變化，日最大混合層厚度與空氣污染物質量濃度有明顯的負相關關系。

混合層厚度；變化特征；空氣污染物；西安

由于地表面加熱作用，促使大氣增溫使上、下層空氣產生對流運動，大氣層結趨近于絕熱遞減率，此層大氣稱為混合層，其高度稱為混合層厚度(或高度)。最大混合層厚度反映了污染物在垂直方向上由于湍流和對流運動，稀釋和擴散能達到的高度。近年來，混合層厚度被更多的應用于空氣污染潛勢預報和環境評價中[1-2]。近些年我國學者對混合層厚度的計算方法進行了大量的研究[3-6]，本文在參考前人研究結果[7-11]的基礎上，計算西安市逐日最大混合層厚度，分析日最大混合層厚度年際和季節變化等基本特征，研究日最大混合層厚度分別與降水日和污染物質量濃度的關系，以期為大氣環境規劃和環境治理提供依據。

1 資料及計算方法

1.1 資料來源

計算混合層厚度和降水日數的資料取自西安涇河基準氣候站2007—2011年逐日地面常規氣象資料，該站是西安地區唯一的基準氣候站,位于距離西安市中心20 km的涇河工業園區內，周圍環境屬于城郊。2007—2011年每日空氣污染物質量濃度資料來自西安市環保局。

1.2 計算方法

利用國家標準GB/T 13201—1991規定的方法(以下簡稱國標法)[12]計算逐時混合層高度，挑選出最大值，得到逐日最大混合層厚度。其公式為：

當大氣穩定度為A、B、C、D時，

Lb=asu10/f，

(1)

大氣穩定度為E、F時

Lb=bs(u10/f)1/2。

(2)

其中，Lb為混合層厚度；u10為觀測期間西安市涇河基準氣候站同步觀測的10 m高度處10 min平均風速，當u10gt;6 m/s時取6 m/s；大氣穩定度等級采用修訂的帕斯奎爾(Pasquill)穩定度分級法，分為強不穩定、不穩定、弱不穩定、中性、較穩定和穩定六級，分別表示為A、B、C、D、E、F。確定等級時首先由云量和太陽高度角查出太陽輻射等級數，再由太陽輻射等級數與地面風速查找穩定度等級。as、bs為混合層系數，根據大氣穩定度和西安所在區域取值, 大氣穩定度為A、B、C、D時as取值為0.073，0.060，0.041,0.019, 大氣穩定度為E、F時bs取值為1.66和0.70。f為西安涇河氣象站的地轉參數。

2.1 混合層厚度的日變化特征

從西安2007—2011年平均混合層厚度的日變化(見表1)可看出：混合層厚度在一天中呈單峰型變化。一天中的厚度值變化在158～1 343 m之間，其中，最大值出現在13時，最小值在21時，呈現出夜間小、正午前后大的變化趨勢。24小時的平均值為560 m。這種變化是由于夜間沒有太陽輻射，空氣的對流運動弱，早晨隨著太陽的升起，地面接收的太陽輻射逐漸增加，空氣的對流運動加強，混合層厚度逐漸增大，在太陽光最強的正午及午后(10—16時)混合層厚度最大，之后隨著太陽輻射的減弱，混合層厚度會逐漸減小，在21時—次日05時混合層厚度值最小，且變化不大。西安最大混合層厚度5 a極大值出現在2007年2月14日13時，為3 359 m；極小值出現在2011年12月29日21時，為152 m。

表1 西安2007—2011年平均混合層厚度的日變化

2.2 日最大混合層厚度的季節變化特征

從圖1可看出：西安2007—2011 年日最大混合層厚度春季(3—5月)最大，平均1 839 m，其次為夏季和秋季，冬季最小，平均1 324 m。日最大混合層厚度4月最大，為1 873 m；5月次之，為1 872 m；12月最小，為1 137 m；1月次小，為1 300 m。日最大混合層厚度呈冬半年低、夏半年高的變化趨勢。由于西安屬于內陸城市，氣候為典型的大陸性氣候，混合層厚度的季節變化與湍流運動的季節變化基本相似。春季和夏季西安太陽輻射強，大氣能見度好，導致湍流運動強，混合層厚度大。而西安的秋季多連陰雨，天空云量較多，抑制了太陽輻射到達地面的熱量，使湍流運動減弱，混合層厚度較小。冬季太陽輻射最小，相應的地面湍流弱，所以混合層厚度最小。

圖1 西安2007—2011年日最大混合層厚度的月變化

2.3 日最大混合層厚度的年際變化特征

圖 2為西安2007—2011年日最大混合層厚度年平均與年降水日的變化曲線，可以看出5 a年平均日最大混合層厚度2007—2010年呈遞增趨勢，2007年最小為1 504 m ，2010年最大為1 787 m， 2011年又有所減小，5 a平均值為1 601 m。

圖2 西安2007—2011年年平均日最大混合層厚度與年降水日的變化

3 日最大混合層厚度與年降水日的關系

從圖2可看出，在日最大混合層厚度增大的2007—2010年，年降水日逐年減少，在日最大混合層厚度最大的2010年年降水日最少，2011年的混合層厚度減小而年降水日增多。說明5 a中西安年平均日最大混合層厚度與年降水日呈反向變化。由于降水產生時多為陰天，云量多，高空濕度大，地面接收到的太陽輻射少，湍流運動弱，混合層厚度減小；另外，由于產生對流性降水時，大氣迅速釋放能量，混合層厚度減小。

4 日最大混合層厚度與空氣污染物質量濃度的關系

在5 a的1 826組數據中，由于2009年的1月29日、4月的1—6日、24日和30日、7月31日，2010年的8月的5日、12日和31日、9月25日、10月4日，2011年的3月31日、4月1日—3日共19 d數據不完整，故刪除。對比剩余1 807組完整數據的散點圖，并且分析逐日最大混合層厚度與SO2、NO2、PM10平均質量濃度變化(圖4)，可以看出，空氣污染物質量濃度與日最大混合層厚度有明顯的負相關關系，其中SO2和PM10的負相關關系較明顯。即污染物質量濃度越大，日最大混合層厚度越小；反之，污染物質量濃度越小，則日最大混合層厚度越大。

5 結論

(1)西安5 a平均混合層厚度值一天中的變化在158～1 343 m之間，最大值出現在13時，最小值在21時，呈現出夜間小、正午前后大的變化趨勢。

(2)西安日最大混合層厚度2007—2010年有逐年遞增趨勢，2011年有所減小。日最大混合層厚度春季最大，其次為夏季和秋季，冬季最小，冬半年低夏半年高。5 a降水日在2007—2010年有遞減趨勢，2011年有所增加，2011年最大，最少為2010年。年平均日最大混合層厚度與年降水日呈反向變化。

(3)日最大混合層厚度與空氣污染物質量濃度有明顯的負相關關系。

圖3 西安2007—2011年日最大混合層厚度和SO2、NO2、PM10質量濃度變化

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曹紅麗，蘇靜.西安地區混合層厚度變化特征及對大氣污染的影響.陜西氣象，2014(5)：32-35.

1006-4354(2014)05-0032-04

2014-02-26

曹紅麗(1973— )，女，漢族，陜西長武人，工程師，從事高空氣象觀測。

收稿日期：陜西省氣象局科技創新基金計劃項目(2014M-33)

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