2003—2017年貴陽大氣邊界層的逆溫特征

閔昌紅 黃世芹 吳有恒

(1 貴州省貴陽市氣象局，貴陽 550001； 2 貴陽市烏當區氣象局，烏當 550018）

0 引言

地表以上大約2 km以下受下墊面強迫作用及熱力、動力影響的大氣邊界層是人類活動的主要區域[1]。大氣溫度隨高度的增加升高或者不變謂之逆溫，逆溫的原因很多，例如輻射致冷、下沉運動、鋒面、暖平流和黑碳等吸收性氣溶膠使低層氣溫比高層氣溫低或者相當。逆溫是邊界層內主要污染氣象條件之一，逆溫時大氣狀態十分穩定 ，垂直運動發展受阻，直接影響湍流活動強弱和支配空氣污染物的擴散[2]。逆溫導致邊界層層結穩定，混合層高度降低，不利于空氣污染物的擴散[3]。持續逆溫是形成霧霾[4-7]等污染天氣的重要氣象條件。

逆溫結構以及它與大氣環境污染的關系是氣象和環境工作者研究的熱點和難點之一。國內學者側重于利用常規探空資料揭示逆溫層的結構及其對大氣環境污染的影響。例如：Li等[8]利用1990—2010年中國7個臺站的探空資料，揭示了華中地區對流層逆溫的四層模式及形成機制。2011年，全國120個常規高空氣象探測站布局完成新型L波段高空氣象探測系統。該系統采用GFE（L） 1型二次測風雷達對數字探空儀跟蹤采樣，雷達每間隔約1 s無盲區連續自動跟蹤采集約30 km高度內氣壓、溫度、濕度等氣象要素。數字探空儀（例如GTS1型）響應速度快，測量精度高[9]，與傳統“59型”機械式探空儀相比采樣周期提高了7～10倍，探空氣球大約每升高5～7 m可獲取一組氣象要素數據。由于該系統可以獲得大氣溫度的細微變化，近年來，利用L波段雷達探空資料研究和分析逆溫規律逐漸增多。例如：Guo等[10]利用2011—2017年120個站點的高分辨率探空資料分析指出我國低空對流層逆溫頻率、強度等表現出強烈的季節性和地理分布特性。認為冬季最大頻率出現在中國東南部的原因可能是由于黑炭的加熱效應和SEC的強烈沉降及逆溫共同作用的結果；夏敏潔等[11]利用L波段探空資料分析了南京低空接地和懸浮逆溫的結構特征，發現污染物濃度與逆溫強度呈正相關；歐娜音等[12]揭示了哈爾濱逆溫結構特征及逆溫頻率與厚度與空氣質量的關系。

針對貴陽大氣邊界層逆溫結構及其影響，2004年孫海燕[13]采用系留氣艇攜帶芬蘭維薩拉DigiCORA 探空儀對貴陽市四季代表月份開展低空逆溫試驗，得到貴陽市 400 m 以下空間平均溫度基本上隨高度遞減，500～800 m 的等溫層和逆溫層出現頻率較高。曾光善等[14]利用貴陽探空站1991—1993年每日08：00和20：00探空資料（59-701探測系統）分析得出貴陽低空1000米逆溫層出現的平均頻率53%、平均厚度344 m、平均離地高度377 m和平均強度0.65 ℃·100m-1，并分析了季節和時次的變化。姚源山等[15]利用Micaps 資料和貴陽探空站2008—2011年08：00共4年的探空資料（GFE（L）1型高空氣象探測系統）分析研究得出逆溫大多出現在高層，以1月最大為中心，向兩側的月份逐漸減小，以7月為最小，近地層逆溫少，并概括出逆溫出現的4種天氣類型。逆溫層可用于確定混合層高度，而混合層高度在大氣污染預報的研究中是十分重要的參量之一。周穎[16]認為逆溫頻率與混合層高度呈反向變化趨勢。胡明志等[17]、羅乃興等[18]分析了逆溫與污染物之間的關系，前者用回歸分析法得出多數情況下貴陽市地面大氣SO2濃度與第一逆溫層因子間是一種復合關系，后者研究指出，連續出現逆溫時出現酸雨的概率增大。

貴陽是貴州省省會城市，四面環山，秋冬季云貴靜止鋒持續時間長，地面輻射和特殊的地形地貌及天氣系統影響使得貴陽的逆溫與其他地區的逆溫不盡相同。前人對貴陽逆溫的研究使用資料年代較短，代表性不高，比較系統的分析鮮有報道。貴陽是著名的“避暑之都”和生態旅游城市，隨著大氣污染治理和生態環境建設的需要，加強對貴陽大氣逆溫結構的分析對進一步認識貴陽大氣環境的氣象條件和建設生態貴陽具有參考意義。

1 資料和方法

采用貴陽高空氣象探測站2003—2017年每日08：00、20：00 L波段雷達探測資料，數據來源于經三級質控的中國氣象局氣象數據網，引用樣本共10958份。

邊界層逆溫分為貼地逆溫（底高為百葉箱干球溫度計高度）和懸浮逆溫（0 m＜逆溫層底高≤1500 m）。參照中國氣象局《高空氣象觀測規范》采用L波段（1型）高空氣象探測數據處理軟件V5.01[19]提取逐日逐次逆溫層初始資料，剔除了厚度和溫差很小的弱逆溫層干擾數據。規定某日某次觀測出現至少一個逆溫層記為一個逆溫日。逆溫特征用逆溫層的頻率、強度、厚度及底高等參量表示。頻率為某時段（時次）逆溫出現的天數占該時段（時次）逆溫出現的總天數的百分比，厚度指逆溫頂高與底高的高度差，逆溫強度用每100 m的溫度遞減率（℃·100 m-1）表示。

2 逆溫特征分析

2.1 貴陽市邊界層逆溫頻率的時間變化特征

2.1.1 年際變化

圖1給出貴陽市逆溫（貼地、懸浮、邊界層）年際變化。除傍晚貼地逆溫外，各逆溫頻率大致在2010—2012年前呈波動緩慢增大，之后又逐漸減小。08：00和20：00 邊界層逆溫天數分別介于180～211 d、117～169 d，年平均天數（頻率）分別為192.7 d（52.8%）、143.3 d（39.2%），逆溫出現最多年份分別為2010年211 d（57.8%）和2012年169 d（46.2%），最少年份分別為2015年180 d（49.3%）、2004年117 d（32.0%）。

圖1 2003—2017年貴陽市逆溫頻率的年際變化Fig. 1 Interannual variation of inversion frequency in Guiyang City from 2003 to 2017

貴陽市邊界層逆溫以脫地的懸浮逆溫為主。懸浮逆溫遠遠多于貼地逆溫，年均頻率約為貼地逆溫頻率的8倍。而貼地逆溫以早上為多，傍晚幾乎不出現。08：00、20：00 貼地逆溫年平均天數（頻率）分別為31.4 d（8.6%）、5.6 d（1.5%）。早上貼地逆溫最多為2009年12.6 d，最少為2007年4.7 d。

貴陽邊界層懸浮逆溫多于貼地逆溫與同為西南地區的重慶、成都[20]等地相反。這是因為貴陽處于高原地形，探空觀測點又位于主城區地勢較高（相對高度約為100 m），不易形成盆地或地勢低洼處的地形逆溫。貴陽日照時數較少，通常貼地逆溫在晴朗無風少云的天氣條件下地面輻射冷卻形成，故貼地逆溫不多，這是貴陽空氣優良的氣候優勢之一。另一方面，20：00探空觀測時，逆溫還處于形成之初，逆溫完全形成并加強在第二天日出之前，故早上逆溫多于晚上，大氣污染的逆溫條件明顯早上比傍晚差。

2.1.2 季節變化

貴陽市逆溫頻率季節變化明顯（圖2）。冬季懸浮逆溫最多，春秋季次之，夏季最少。貼地逆溫秋冬兩季最多，頻率相差不大，春季次之，夏季最少。從兩時次分布來看，除冬季20：00懸浮逆溫頻率高于08：00外，08：00貼地逆溫、懸浮逆溫頻率大于20：00。

圖2 2003—2017 年貴陽市逆溫頻率季節變化Fig. 2 Seasonal variation of inversion frequency in Guiyang City from 2003 to 2017

2.1.3 月際變化

懸浮逆溫、邊界層逆溫頻率的月變化近似于拋物線（圖3），以7月為最低，分別向兩側逐漸增大，1月頻率最高，次多出現在12月，最大最小頻率相差80%以上。邊界層逆溫兩個觀測時次均大于20 d的月份為1月、2月、3月和12 月。6月、7月、8月、9月逆溫較少，小于10 d，最少為7月08：00的5 d，20：00僅為1.2 d。貼地逆溫頻率遠少于懸浮逆溫，但仍能看出其變化趨勢與懸浮逆溫基本一致。08：00、20：00 貼地逆溫月平均天數分別為2.6 d、0.5 d。08：00大于3 d的月份集中在秋季各月和12月，20：00貼地逆溫月平均天數小于1 d，說明貴陽20：00幾乎不出現貼地逆溫。從兩時次分布來看，08：00貼地逆溫、懸浮逆溫頻率大于20：00。

圖3 2003—2017年貴陽市逆溫頻率月際變化Fig. 3 Monthly variation of inversion frequency in Guiyang City from 2003 to 2017

2.2 貴陽市邊界層逆溫厚度、底高的時間變化特征

2.2.1 年際變化

懸浮逆溫2011年前呈波動上升，之后波動下降。貼地逆溫厚度有大致1～2 a的波動周期，08：00略呈線型增大趨勢，20：00線型減小趨勢較為明顯，08：00最大厚度為2010年的517 m，最小為2005年224 m；20：00最大厚度為2003年的420 m，最小為2016年90 m，早晚年平均厚度分別為316 m、204 m。

懸浮逆溫底高除2012年前后有較大變化外，其余年份穩定少變。早上大氣層結穩定，混合層高度較低，懸浮逆溫底高也相對較低（773 m/a）。下午，大氣受太陽輻射影響，空氣加熱膨脹，湍流對流加強，混合層高度抬升，懸浮逆溫底高也相應抬升（895 m/a）。從兩時次分布來看，總體而言，08：00貼地逆溫厚度大于20：00，而08：00懸浮逆溫底高小于20：00。

2.2.2 季節變化

冬季08：00貼地逆溫厚度最厚，為350 m，夏季最薄，為210 m；冬季 08：00 懸浮逆溫厚度最厚，為440 m，夏季最薄，為197 m。從兩時次分布來看，08：00貼地逆溫厚度大于20：00，懸浮逆溫厚度除冬季08：00的小于20：00外，其余三季早晚接近，相差不大。

貴陽冬季邊界層逆溫與西北地區有明顯區別，這可能與地形、天氣系統和地表特性的不同有很大關系。貴州地處云貴高原東北側斜坡地帶，以山地和丘陵為主，地勢西高東低，自中部向東、南、北三面降低，海拔高度落差較大。高原地形阻擋使冬季南下冷空氣移動速度緩慢甚至停滯而形成準靜止鋒，地形抬升作用使局地近地層形成順時針的次級環流，導致懸浮逆溫層出現[21]。脫地逆溫頻率高與冬季活動頻繁出現的云貴靜止鋒上鋒面逆溫有較好的對應關系。而西北地區高空受天氣系統影響較少，懸浮逆溫相對較少。從地表性質看，西北大漠戈壁，地表裸露，干旱少云雨，晝夜溫差比陰天多云植被豐茂的西南地區大。故西北冬季地表夜間輻射冷卻大，貼地的輻射逆溫頻率較高和強度總體較大。從部分已知研究大致可以印證上述分析，例如，烏魯木齊[22]以地表逆溫層為主，蘭州[23]貼地逆溫明顯多于懸浮逆溫，而銀川[24]（2013—2015年）冬季懸浮逆溫雖多于貼地逆溫，約占57%，但仍與貴陽懸浮逆溫遠遠多于貼地逆溫相差很大。又如與東北地區相比，出現冰凍天氣時處于偏西南的逆溫強度普遍高于偏東北地區[25]。

2.2.3 月際變化

貼地逆溫、懸浮逆溫厚度夏半年（5—10月）各月均小于平均厚度，冬半年（11—4月）（除4月08：00貼地逆溫小于平均值）各月大于平均厚度。08：00貼地逆溫及懸浮逆溫厚度以夏季7月或8月為最低向兩側增大。08：00貼地逆溫厚度最大為12月516 m，最小為7月204 m；兩個觀測時次懸浮逆溫厚度的變化曲線非常接近，以08：00為例，懸浮逆溫厚度最大為1月660 m，最小為7月157 m，而20：00懸浮逆溫厚度最小為8月133 m。

與上述逆溫有所不同，20：00貼地逆溫厚度的最低點沒有出現在夏季月份，6—8月成為低于平均厚度的高值區間。有兩個不足100 m低值點，分別為4月94 m和9月84 m。最大為2月452 m。

2.3 貴陽市邊界層逆溫強度的時間變化特征

2.3.1 年際變化

貼地逆溫年平均強度為0.8～2.1 ℃·100m-1（圖4a），08：00 、20：00年平均強度分別為1.2 和1.5 ℃·100m-1，早上小于傍晚。15年中共有11年傍晚逆溫強度大于早上。08：00最大值出現在2005、2007和2009年，為 1.4 ℃·100m-1。20：00最大值出現在2016年為2.1 ℃·100m-1，早晚年均強度最小分別為2010年和2008年，均為0.8 ℃·100m-1。總體而言，貴陽市貼地逆溫的強度較強。兩個時次的懸浮逆溫年平均強度均為1.0 ℃·100m-1，相對于貼地逆溫強度年變化波動小。

2.3.2 季節變化

四季貼地逆溫強度均大于懸浮逆溫，20：00貼地逆溫強度大于08：00，季平均強度08：00為1.2 ℃·100m-1，20：00為1.5 ℃·100m-1，早上波動小于晚上。懸浮逆溫季節變化范圍小，季平均強度為0.9～1.2 ℃·100m-1，夏季最強，秋季最弱，平均為1.0 ℃·100m-1，兩個時次懸浮逆溫強度比較接近（圖4b）。

圖4 2003—2017年貴陽市貼地、懸浮逆溫強度的時間變化Fig. 4 Time variation of temperature inversion intensity of ground and suspension in Guiyang City from 2003 to 2017

2.3.3 月際變化

總體上，貼地逆溫強度及變幅大于懸浮逆溫，2個時次懸浮逆溫月平均強度變化不大，多數月份（2、6月除外）20：00貼地逆溫強度大于08：00，貼地、懸浮逆溫強度的變化趨勢并不明顯。08：00貼地逆溫強度為1.0～1.4 ℃·100m-1，10月最強為1.4 ℃·100m-1，12月最弱，為1.0 ℃·100m-1。20：00強度最小為2月0.9 ℃·100m-1，強度最大為5月2.4 ℃·100m-1。早晚懸浮逆溫最大分別為7月的1.4 ℃·100m-1和8月1.3 ℃·100m-1，最小為10月的0.8 ℃·100m-1（圖4c）。

3 結論

2003—2017年基于L波段高空探測系統的貴陽大氣邊界層的逆溫特征主要結論為：

1） 貴陽市邊界層逆溫頻率年際變化較為平穩，波動較小；冬季逆溫頻率最多，春秋季次之，夏季最少；邊界層逆溫天數1月最多，12月次之，最少為7月。逆溫年際、季節、月季的時間分布表現為懸浮逆溫遠遠多于貼地逆溫。08：00和20：00 貼地逆溫月平均天數分別為2.6 d、0.5 d，因此貴陽的貼地逆溫不多，近地空氣受污染的氣象條件較為理想。尤其是20：00時，每月幾乎不出現貼地逆溫。

2）貼地逆溫年、季、月厚度08：00＞20：00，貼地、懸浮逆溫厚度冬季＞春季＞秋季＞夏季，即逆溫具有夏季薄，冬季厚的特點。08：00貼地逆溫年平均厚度大于20：00，08：00、20：00年平均厚度分別為316 m、204 m。冬季 08：00厚度最厚，為350 m，夏季最薄，為210 m；冬季各月 08：00 逆溫厚度顯著大于其余各月，超過500 m，其中最大出現在12月，厚度為516 m，7月最薄，為 204 m；20：00最大厚度為2月的452 m，最小厚度為5月的86 m。貴陽懸浮逆溫平均底高的年、季、月變化基本一致，即08：00的小于20：00，08：00平均底高位于750 m左右，20：00的在900 m高度附近。

3）貼地逆溫年平均強度為0.8～2.1 ℃·100m-1，早上小于傍晚。四季貼地逆溫強度大于懸浮逆溫。相對貼地逆溫，貴陽懸浮逆溫強度的年、季、月時間變化較為平穩，懸浮逆溫年平均逆溫強度為1.0 ℃·100m-1，季節變化為0.9～1.2 ℃·100m-1，月平均逆溫最大強度出現在7月。從年、季、月變化看，總體上貼地逆溫強度、變幅大于懸浮逆溫。

4）貴陽邊界層逆溫特征與已知地區研究結果有相同也有不同，相同主要表現在秋冬季頻率高、強度較大，夏季頻率低、強度較小；不同在于，貴陽冬季懸浮逆溫頻率較高，冰凍天氣時逆溫強度大，甚至在700 hPa附近出現大于0 ℃的暖溫層，秋冬季節逆溫強于春夏季。