基于L波段雷達探空的逆溫特征統計分析

崔世鋒，陽小群，顧衛，邱年

摘要 利用L波段探空雷達數據，分析了安慶2011—2020年逆溫基本特征。結果表明，08：00、20：00逆溫層平均出現的層數分別為1.9、1.5層，發生的頻率分別為85.4%、79.7%。接地逆溫發生的頻率低于脫地逆溫。統計期間內逆溫出現的頻率呈緩慢上升趨勢。接地逆溫層頂平均高度為222 m，08：00接地逆溫層厚度大于20：00逆溫層厚度，第一脫地逆溫層起始高度及層頂高度的變化區間跨度大，厚度是接地逆溫層厚度的1.6倍。逆溫強度有微弱上升趨勢并呈現明顯的季節變化，夏季逆溫強度小、次數少，冬季強度大、次數多。

關鍵詞 安慶;接地逆溫;脫地逆溫;頻率;厚度;強度

中圖分類號：P412.25 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）03–0088–04

1 資料和方法

1.1 資料

所選資料為2011年1月1日—2020年12月31日期間內，GFE-L波段雷達、GTS1型數字式探空儀探測收集的逐日探空資料秒級數據，每日分為08：00、20：00兩個時次，合計資料共7 306份。

因站點遷移，其中2011—2012年站點位置為117°03′E、30°32′N，海拔19.8 m，2013—2020年站點位置為116°58′E，30°37′N，海拔高度為63.2 m。統計資料嚴格按照《高空氣象探測規范》要求，利用L波段（1型）高空氣象探測系統數據處理軟件（版本號6.0.0.20200101）對數據進行處理，獲得逐日2個時次的逆溫資料。

1.2 逆溫參數統計方法

所討論的逆溫是指對流層中氣溫隨高度升高的現象，按是否接地將其分為接地逆溫和脫地逆溫。接地逆溫是指氣溫從地面層開始隨高度升高而升高，到達某高度后氣溫開始隨高度升高而遞減;脫地逆溫是指從離地一定高度起氣溫隨高度升高而升高，到達某高度后氣溫開始隨高度升高而遞減，因一次探測過程中可能出現多個逆溫現象，故將不接地的第一個逆溫層定義為第一脫地逆溫。

逆溫統計要素有： 逆溫發生頻率（n）、逆溫層厚度（△H）、逆溫層溫差（ΔT）和逆溫強度（I）。

（1）逆溫發生頻率：F = n/N×100%

式中：n是一段時間內發生逆溫的次數（一日中08：00或20：00時次出現記為1次，2個時次均出現記為2次），N是這段時間內的總時次（日數×2）。

（2）逆溫層厚度：△H = H2-H1

式中：H1、H2分別為逆溫層底高、逆溫層頂高，單位為米（m），其中接地逆溫的逆溫層底高為0 m。

（3）逆溫層溫差：ΔT = T2-T1

式中：T2為逆溫層頂溫度，T1為逆溫層底溫度，單位為攝氏度（℃）。

（4）逆溫強度：I =ΔT/△H×100%

式中：表示逆溫層內每升高100 m溫度的升高值，單位為℃/hm。為了便于分析，文中將逆溫強度分為4個等級。

2 逆溫特征

2.1 逆溫頻率

利用安慶市國家氣象觀測站2011—2020年共7 306份探空資料分析發現，全時次共計出現12 730層逆溫，平均每個時次出現1.74層，08：00平均出現1.9層，20：00平均出現1.5層，早間每個時次出現的層數多于晚間。以每個探測時次是否發生逆溫現象為研究對象，共有6 034個探測時次出現逆溫，逆溫發生頻率為82.6%，遠高于濟南的47.2%，與南京頻率的79.6%相當[1-2]。其中，08：00逆溫發生頻率為85.4%，20：00逆溫發生頻率為79.7%。同時安慶地區接地逆溫發生頻率遠低于脫地逆溫，接地逆溫占總逆溫層（包括接地和脫地逆溫）發生的頻率為23.9% ，脫地逆溫占76.1%。

從逆溫頻率的年變化看，2011—2020年安慶地區逆溫頻率年際呈緩慢上升趨勢，氣候傾向率為0.0074%。2011、2013、2018年逆溫發生頻率最小，為79%;2020 年最大，為90%（圖1a）。脫地逆溫發生頻率氣候傾向率為-0.0075%/a;接地逆溫發生頻率氣候傾向率為0.015%/a，呈緩慢上升趨勢，其中2011—2012年出現接地逆溫的頻率明顯偏少，該種統計結果應與臺站由海拔高度20 m的市區遷移至海拔60 m郊區山崗有關，遷至山崗后致使脫地逆溫減少，接地逆溫增加。

從逆溫頻率的月變化看，接地逆溫和脫地逆溫均表現為盛夏季節少，秋冬季節發生頻率高的特點。其中，7—8 月逆溫發生頻率較低，最低在8月，為54%;10月至翌年3月出現逆溫較多，頻率均在90%以上，最多出現在1—12月，達到97%，幾乎每天均有逆溫層（圖1b）。接地逆溫呈拋物線分布，6—8月接地逆溫少，谷值出現在6月，發生頻率為4%;11、12月接地逆溫出現最多并出現峰值，發生頻率達34%。脫地逆溫除7、8月為低值以外，其他各月差距較小，發生頻率均在60%～70%之間，峰值出現在1月，發生頻率為70%，谷值出現在8月，發生頻率為46%。并且所有月份的接地逆溫發生頻率均低于脫地逆溫，此種統計結果與南京相類似，均呈明顯的“V”形結構[2]。

安慶地處長江中下游，冬季天氣形勢較為穩定，地面多東北氣流，高空則在西北氣流控制之下，在天氣晴好時，湍流作用較弱，白天吸收太陽輻射地面增溫，夜間地面不斷向大氣發射長波輻射加熱大氣，地面冷卻降溫，有利于形成較強的輻射逆溫。而夏季天氣復雜，湍流加強，不利于形成較強逆溫。因此，逆溫出現頻率表現出明顯的季節變化特征[3]。

為探究季度之間逆溫層出現次數是否具有顯著差異，對季度逆溫層數使用SPSS進行卡方檢驗，得Pearson卡方值為561.705，對應的顯著性P值為0.000<0.05（顯著性水平），數據分析結果表明：各季度之間的逆溫層次數存在顯著性差異（表1）。

針對逆溫層次數序列進行時間序列分析，將10年逆溫層次數做季節性分解，拆分為4個因素，并繪制序列圖進行分析。由圖2可見，該序列在10年內沒有呈現出長期上升或下降的趨勢變化（見黃線）;刪除序列的季節性變化后獲得的數據走勢（見綠線）與殘差值走勢（見紅線）基本一致，表明逆溫層次數序列具有明顯的周期為一年的季節性波動。

2.2 逆溫層的高度和厚度

逆溫層高度和厚度是衡量逆溫特征的重要指標，反映了特殊溫濕層的時空分布特征。根據安慶站10年的資料分析表明，安慶接地逆溫層頂平均高度（即平均厚度）為222 m，最低僅為19 m，最高可達2 136 m。第一脫地逆溫層平均厚度為368 m，是接地逆溫層厚度的1.6 倍。第一脫地逆溫的起始平均高度為3 096 m，最低為20 m，最高可達18 378 m;第一脫地逆溫層頂平均高度為3 461 m，最低為64 m，最高可達19 057 m，可知第一脫地逆溫層起始高度及層頂高度的變化區間跨度大。08：00接地逆溫平均厚度為349 m，第一脫地逆溫平均厚度365 m。20：00接地逆溫平均厚度為101 m，第一脫地逆溫平均厚度為372 m。受夜間輻射降溫的影響，接地逆溫的08：00逆溫層厚度要大于20：00逆溫層厚度，但對第一脫地逆溫的厚度影響甚微。

根據2011—2020 年安慶逆溫層不同層厚次數年際變化可以得出，2011—2020 年不同厚度的逆溫層變化占比分布，依次為厚度在200～499 m占40%、厚度在100～199 m占32%、厚度在100 m以下占14%、厚度在500～999 m占11%、厚度在1 000 m以上占3%。逆溫層的厚度在200～500 m之間最多，1 000 m以上的逆溫層為最少。因2013年站點遷移至山崗，導致2013年起層厚小于100 m的次數超過500～999 m層厚的次數，說明孤立的山崗導致的輻射降溫容易形成小厚度的低層逆溫層，而其他厚度的逆溫層年際變化表現穩定。從2011—2020 年安慶逆溫層不同層厚次數月際變化可以看出，厚度為100～199 m、200～499 m的逆溫層出現次數與逆溫頻率月變化趨勢較一致，不僅夏季逆溫層出現的次數少，而且主要集中在厚度為100～199 m、200～499 m的逆溫層次數的減少上（圖3b）。

2.3 逆溫強度

因逆溫層有接地逆溫和脫地逆溫之分，一次探測過程可能會出現多個脫地逆溫，在分析各逆溫強度時，本文重點分析接地逆溫、脫地逆溫的強度最大值、最小值，達到全面分析目的。數據分析可知，2011—2020年安慶逆溫平均強度為1.1℃/100 m，其中，接地逆溫平均強度為1.85℃/100 m，脫地逆溫最大平均強度為1.31℃/100 m，脫地逆溫最小平均強度為0.77℃/100 m。

為了探究逆溫強度的詳細分布情況，將逆溫強度分為4檔：<1、1～2、2～3和>3。由2011—2020年安慶逆溫各檔強度出現次數的年際和月際變化可知，2011～2012年強度<1的逆溫層次數多于2013～2020年，2013年為轉折點（圖4）。各強度的逆溫出現次數氣候傾向率分別為-5.19℃/100 m、4.32℃/100 m、2.0℃/100 m、4.35℃/100 m，說明安慶的逆溫強度呈微弱上升趨勢。同時可知，安慶逆溫強度存在明顯的月際變化，夏季逆溫不僅出現的次數少而且強度小，7～8月各檔逆溫強度出現次數亦均少于其他月份;冬季逆溫出現次數多而且強度大，強度大于3的逆溫出現在12月至翌年1月，不同于杭州的逆溫強度在秋季較強，強度小于3的逆溫也較多的出現在秋冬季，次數均大于其他月份[4]。

因安慶站2011—2020年層厚為200～499 m的逆溫層占比為40%，出現概率明顯多于其他層厚，因此進一步統計了層厚為200～499 m中強度<1、1～2、2～3、>3出現的次數分別為1 971、1 945、568、311次，強度在2以下的次數在厚度200～499 m的逆溫層中占比高達82%（表2）。同時厚度在100～500 m之間的逆溫層居多，占比為72%，在200～500 m厚度內又以強度小于2的逆溫層為主。

為探究逆溫層次數與日樣本量強度之間是否具有相關性，對10年的逆溫層次數與日樣本量強度數據進行了相關性檢驗，由表3可知，10年間的逆溫層出現次數與日樣本最大強度在1～2、2～3之間的斯皮爾曼系數分別為0.618、0.623，且都通過顯著性檢驗，說明逆溫層出現次數與日樣本量最大強度在1～2、2～3之間都存在顯著正向相關關系，即日樣本量最大強度愈大，逆溫愈強。

同時文章探究逆溫層次數與強度處于0～1之間的厚度的相關性，使用SPSS軟件進行斯皮爾曼相關系數進行檢驗。由表4可知，逆溫層出現次數與厚度之間存在顯著正向相關關系，尤其當強度處于0～1時厚度<500 m與厚度<1 000 m，厚度與逆溫層次數之間的相關系數分別達到0.805、0.822，表明厚度愈大，與逆溫層次數存在正向相關程度就愈強。

3 結論

（1）2011—2020年安慶逆溫發生頻率高達82.6%并以脫地逆溫為主，逆溫頻率有緩慢上升趨勢;

（2）受夜間輻射降溫的影響，08：00接地逆溫層的厚度要大于20：00的厚度，逆溫層的厚度在200～500 m之間最多，1 000 m以上的逆溫層為最少。逆溫層厚度的年際變化表現穩定，有明顯的月季變化，呈現夏季小而薄，冬季后而多。

（3）逆溫強度在統計期間存在明顯的月際變化，夏季逆溫不僅出現的次數少，而且強度小，逆溫發生頻率、逆溫層厚度和逆溫強度在冬季較高，夏季較低，逆溫強度年際變化呈微弱上升趨勢。逆溫強度小于2的逆溫層次數在厚度區間為200～499 m的占比高達82%。

（4）使用SPSS對逆溫層次數進行季節性模型預測，可得到2021—2025年逆溫層次數的預測數值與序列走勢。由預測值可知，未來逆溫層夏季低頻現象將有所改善，極端值出現概率減少;逆溫層出現次數呈夏季少、冬季多的特征持續不變（圖5）。

參考文獻

[1] 尹承美，焦洋，何建軍，等.濟南地區逆溫層特征及其對顆粒物質量濃度的影響[J].干旱氣象，2019，37（4）：622-630.

[2] 夏敏潔，周文君，裴海瑛，等.基于L 波段雷達探空資料的南京低空逆溫特征[J].大氣科學學報，2017，40（4）：562-569.

[3] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.大氣科學原理和方法[M].北京：氣象出版社，2019.

[4] 杜榮光，齊冰，郭惠惠，等.杭州市大氣逆溫特征及對空氣污染物濃度的影響[J].氣象與環境學報，2011，27（4）：49-53.

責任編輯：黃艷飛

Characteristic Analysis of Temperature Inversi over Anqing based on L-band Radar Data

CUI Shifeng et al （Anqing Meteorological Bureau of Anhui Province， Anqing， Anhui 246001）

Abstract Using L-band radiosonde radar data， the basic characteristics of temperature inversion in Anqing from 2011 to 2020 are analyzed. The results showed that the average number of inversion layers at 08：00 and 20：00 was 1.9 and 1.5， respectively， and the frequency of inversion layers was 85.4% and 79.7%. The average height of the ground inversion layer was 222 m， and the thickness of the ground inversion layer at 08：00 was greater than that at 20：00. The variation range of the initial height and the top height of the first de-earth inversion layer was large， and the thickness was 1.6 times that of the ground inversion layer.The inversion intensity showed a slight upward trend and showed obvious seasonal variation. The inversion intensity was small and less frequent in summer， while the inversion intensity was large and more frequent in winter.

Key words Anqing city; Ground temp-erature inversion; Suspended inversion; Frequency; Thickness; Strength