濟南市低空逆溫特征及其對空氣質量影響分析

何鵬程，卜慶雷，李 恬

濟南市氣象局，山東濟南 250100

一般情況下，對流層溫度隨高度升高而遞減，但經常在某一層或多層出現氣溫不隨高度變化或氣溫隨高度升高的現象，氣象上將氣溫不隨高度而變化的大氣層結稱為等溫層，將氣溫隨高度升高的層結稱為逆溫層[1]。國內外很多學者針對邊界層逆溫開展了大量研究，結果表明：邊界層逆溫常年普遍存在，且與霧霾、暴雨、沙塵等氣象災害關系密切，受下墊面、天氣氣候等因素影響，其分布規律在不同地區呈現不同的年、季、月和日變化特征。例如，張佃國等[2]指出山東濟南地區邊界層逆溫日數夏季最少，逆溫強度春季最強。鄧敏君等[3]認為銀川市逆溫與霧霾天氣的季節變化特征一致。李巖瑛等[4]指出沙塵天氣的邊界層逆溫有顯著的晝夜變化，白天逆溫強而多，且揚沙、沙塵暴和浮塵分別以鋒面輻射逆溫、擾動逆溫和輻射逆溫為主。夏敏潔等[5]指出南京市逆溫厚度薄且多層，早晨的逆溫頻率和層次明顯大于夜晚。也有研究表明，逆溫對調節氣溶膠的分布起著特殊的作用，逆溫層厚度、強度和大氣污染濃度呈正相關關系。

1 資料與方法

1.1 資料

所使用的資料：（1）2010—2018 年濟南章丘（117.56°E，36.73°N）L波段雷達逐日08:00和20:00 3 km以下探測數據，垂直分辨率為10 m，包含氣溫、氣壓、露點溫度、風向、風速等要素； （2）2010—2018年濟南市逐日空氣質量指數（AQI）數據。

2.2 方法

項目采用運用一階溫度梯度算法來識別逆溫，同時將其中逆溫溫差小于1℃或者過濾了逆溫厚度小于50 m的逆溫。根據形成的原因不同，將逆溫可分為輻射逆溫、平流逆溫、鋒面逆溫、湍流逆溫和下沉逆溫。

根據以下判據對逆溫進行了分類：（1）逆溫層中、上、下層的露點差＞0℃的逆溫為鋒面逆溫；（2）逆溫底高＜100 m且地面風速≤3 m/s的逆溫為輻射逆溫；（3）逆溫底高＜100 m且地面風速＞3 m/s的逆溫為平流逆溫；（4）逆溫底高＞100 m、地面風速≥5 m/s，且滿足（T0-θ0）-（T1-θ1）≤0.1的逆溫為湍流逆溫，其中，T為氣溫，θ為位溫，0和1分布代表逆溫層以下探空最低一層和最高一層； （5）排除輻射逆溫、平流逆溫、鋒面逆溫和湍流逆溫以外的逆溫為下沉逆溫。

對于每條廓線所包含的逆溫層，計算了以下4個參數：逆溫底高、逆溫厚度、逆溫溫差（即每層逆溫層頂部和底部之間的溫差）、逆溫強度（逆溫溫差/逆溫厚度）。

2 濟南市低空逆溫特征

2.1 低空逆溫頻率特征

通過統計分析2010—2018年探空資料，結果表明：2010—2018年濟南市低空逆溫發生頻率為74.4%，其中，08:00發 生 頻 率 為73.9%，20:00發 生頻率為74.9%，20:00發生頻率略高于08:00。從逆溫頻率的年變化可以看出，20:00發生頻率最高出現在2013年，為83%，最低出現在2014年，為64%；08:00發生頻率最高出現在2013年，為83%，最低出現在2010年，為70%（圖1a）。從逆溫頻率的月變化可以看出，夏季發生頻率最低，冬季最高；7—10月20:00逆溫發生頻率比08:00高，其他月份則相反（圖1b）。輻射逆溫、平流逆溫、鋒面逆溫、湍流逆溫和下沉逆溫的發生頻率分別為44%、5%、15%、2%和33%。濟南市低空往往呈現多層逆溫共存的廓線形態，出現1~3層逆溫較多，出現4~5層逆溫極少。其中單層逆溫占比63.6%、2層逆溫占比28.0%、3層逆溫占比7.3%。

圖1 逆溫發生頻率年變化（a）和月變化（b）

2.2 逆溫底高特征

分析逆溫底高發現，底高為0 m的占比36.8%，底高為10 m的占比6.1%，其他高度的占比均小于0.7%（圖2a）。對逆溫底高進行100 m滑動平均后可以發現，低空存在3個相對多發高度，分別位于100 m以下、1 150~1 750 m和1 900~2 350 m。

從逐月逆溫底高的箱線圖可以看出，20:00逆溫底高均高于08:00（圖3a）。08:00逆溫底高在夏季最低，冬季最高，20:00的逆溫底高季節變化不明顯。

2.3 逆溫厚度特征

逆溫厚度平均為147.4 m，08:00平均厚度為159.6 m，20:00平均厚度為135.0 m。分析逆溫厚度分布頻率發現，逆溫厚度主要分布在40~290 m，累積發生頻率為90.9%，發生頻率峰值在90 m（圖2b）。

圖2 逆溫底高（a）、逆溫厚度（b）、逆溫溫差（c）和逆溫強度（d）分布頻率

從逐月逆溫厚度的箱線圖可以看出，08:00逆溫厚度2月最大為177 m，8月最小為122 m；20:00逆溫厚度2月最大為164 m，8月最小為106 m（圖3b）。各月08:00的逆溫厚度均大于20:00的逆溫厚度，最大差值為37 m。

圖3 逆溫底高（a）、逆溫厚度（b）、逆溫溫差（c）和逆溫強度（d）月變化

2.4 逆溫溫差特征

逆溫溫差平均為2.2℃，08:00平均為2.3℃，20:00平均為2.0℃。分析逆溫溫差分布頻率發現，逆溫溫差主要分布在4.5℃以下，累積發生頻率為91.2%，發生頻率峰值在1℃（圖2c）。

從逐月逆溫溫差的箱線圖可以看出，08:00逆溫溫差11月最大為2.8℃，7—8月最小為1.4℃，20:00逆溫溫差10月最大為2.3℃，5—8月最小為1.5℃（圖3c）。08:00和20:00逆溫溫差在5—9月接近，其他月份08:00的大于20:00的，最大差值為0.6℃。

2.5 逆溫強度特征

逆溫強度平均為1.8℃/100 m，08:00和20:00均為1.8℃。分析逆溫強度發生發現，逆溫強度主要分布在0.4~4.3℃/100 m，累積發生頻率為93.3%，發生頻率峰值為0.8℃/100 m（圖2d）。

從逐月逆溫強度的箱線圖可以看出，08:00逆溫強度10—11月最大為2.0℃/100 m，5月和7月最小為1.4℃/100 m；20:00逆溫強度10月最大為2.3℃/100 m，7月 最 小 為1.5℃/100 m（圖3d）。各月逆溫強度整體上08:00小于20:00，以9月和10月最為明顯，最大差值為0.4℃/100 m。

2.6 不同類型逆溫的對比

從圖4可以看出，下沉逆溫和鋒面逆溫的平均高度均在1 500 m附近，同時兩者可以發生在3 km以下的任何高度，湍流逆溫的平均高度為931 m。不同類型逆溫的平均厚度在80~190 m之間，鋒面逆溫的厚度最大，平流逆溫的厚度最小。不同類型逆溫的平均溫差分布在1.1℃~2.5℃，輻射逆溫的溫差最大，平流逆溫的溫差最小。輻射逆溫的溫差分布范圍明顯大于其他類型的逆溫。不同類型逆溫的平均強度分布在1.2℃~2.6℃，輻射逆溫的強度最大，鋒面逆溫和下沉逆溫的強度最小。

圖4 不同類型逆溫底高（a）、厚度（b）、溫差（c）和強度（d）對比

3 逆溫對空氣質量的影響

利用2010—2018年濟南市逐日AQI和上文統計出的濟南低空逆溫數據，初步統計了發生中度污染、重度污染和嚴重污染的逆溫要素。

從不同污染等級的逆溫層數箱線圖可以看出，隨著污染的加重，逆溫層數增加，中度污染、重度污染、嚴重污染的平均逆溫層數分別為1.1、1.4和1.6（圖5a）。中度污染、重度污染和嚴重污染天氣中，底高為0 m的占比分別為63%、73%和73%，為更清楚地研究不同污染等級逆溫底高的差異，只統計分析底高10 m以上的底高特征。隨著污染的加重，平均逆溫底高越低，同時隨著污染的加重，首層逆溫出現的高度范圍越小，高度越低（圖5b）。隨著污染的加重，逆溫厚度增加，中度污染、重度污染、嚴重污染的平均逆溫厚度分別為180、219和261 m（圖5c）。隨著污染的加重，逆溫溫差增加，中度污染、重度污染、嚴重污染的平均逆溫溫差分別為2.9℃、3.6℃和4.4℃（圖5d）。隨著污染的加重，逆溫強度沒有顯著的增強趨勢，中度污染、重度污染、嚴重污染的平均逆溫強度分別為2.5、2.8和2.8℃/100 m。綜上可以看出，逆溫層數、逆溫底高、逆溫厚度和逆溫溫差與空氣質量關系密切，逆溫強度與空氣質量的關系不顯著。

圖5 不同污染等級逆溫層數（a）、底高（b）、厚度（c）、溫差（d）對比

4 結論

基于章丘站每日2次的探空資料，采用客觀識別方法統計分析了濟南低空逆溫特征及其與空氣質量的關系。主要得出了以下結論：

（1）2010—2018年濟南市低空逆溫發生頻率為74.4%，20:00發生頻率略高于08:00，夏季發生頻率最低，冬季最高。濟南市低空往往呈現多層逆溫共存的廓線形態，多出現1~3層逆溫，極少出現4~5層逆溫。

（2）低空存在3個相對多發高度，分別位于100 m以下、1 150~1 750 m和1 900~2 350 m；逆溫厚度平均為147.4 m，主要分布在40~290 m；逆溫溫差平均為2.2℃，主要分布在4.5℃以下；逆溫強度平均為1.8℃/100 m，主要分布在0.4~3.0℃/100 m；

（3）污染越嚴重，逆溫層數越多，逆溫層越低，逆溫越厚，逆溫溫差越大，逆溫強度沒有顯著增強。