蘭州市逆溫時(shí)空分布特征及其與API首要污染指數(shù)的關(guān)系

王驥 楊銀 張生財(cái)

摘要利用蘭州市榆中縣氣象局探空資料，統(tǒng)計(jì)分析了2006—2013年蘭州市逆溫時(shí)空分布特征及其與API首要污染指數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明，07：00貼地逆溫直接影響蘭州市區(qū)API首要污染指數(shù)，冬季逆溫最強(qiáng)，秋季次之，夏季最弱，10月—次年1月較集中，持續(xù)10 d以上的逆溫發(fā)生在11月—次年2月；當(dāng)逆溫≤3 ℃時(shí)對(duì)空氣質(zhì)量的負(fù)貢獻(xiàn)明顯增加，當(dāng)逆溫厚度為>700～900 m時(shí)污染日概率高于清潔日概率；逆溫持續(xù)時(shí)間為2.0～5.0 d時(shí)平均API首要污染指數(shù)、污染日概率分別為93、26%，5.1～15.0 d時(shí)分別增加至107、39%，超過15.0 d時(shí)平均API首要污染指數(shù)顯著升高至141，污染日概率快速增加為68%。

關(guān)鍵詞逆溫；時(shí)空分布特征；API首要污染指數(shù)

中圖分類號(hào)S161.2；P423.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）05-0195-04

AbstractBased on the sounding data from Yuzhong weather station， the change features of inversion and their relations with API primary air pollution index in Lanzhou City was analyzed during the period of 2006-2013.The results showed that the ground inversion at 07：00 had the most significant impact on API primary air pollution index， the ground inversion was most serious in winter， followed by autumn and summer was most weak， from October to January of following year relatively concentrated， the ground inversion duration of more than ten days main occurred in November to February of following year.When the inversion temperature was less than or equal to 3 ℃ would bring the negative contribution to the air quality increased significantly， more than 700 m and less than 900 m the probability of pollution days was higher than the cleanup days.The average of API primary pollution index was 93 when the inversion duration of 2.0 to 5.0 days， at the same time， the probability of pollution days was 26%， for 5.1 to 15.0 days was 107 and 39%，and more than 15.0 days was 141 and 68%.

Key wordsInversion；Spatial and temporal distribution characteristics；API primary pollution index

基金項(xiàng)目蘭州市氣象局科研課題“蘭州城區(qū)臭氧特征分析和紫外線輻射強(qiáng)度分析及預(yù)報(bào)”。

作者簡(jiǎn)介王驥（1990—），男，甘肅天水人，助理工程師，從事天氣預(yù)報(bào)研究。

收稿日期2016-12-02

距地面2 km左右大氣邊界層是人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)的主要空間，在人類發(fā)展、生命演化中，人類活動(dòng)導(dǎo)致了氣候變暖、冰川退縮、鹽分變化，從而又引起氣候的突變[1]。近地層的逆溫層厚度可以從幾十米到幾百米，就像一層厚厚的被子蓋在地面上空，空氣不能向上擴(kuò)散，阻礙空氣的垂直運(yùn)動(dòng)，直接影響大氣污染物的擴(kuò)散，大量污染物聚集在逆溫層下面，造成或加重大氣污染[2-3]。

有學(xué)者利用探空氣象資料分析了國(guó)內(nèi)部分城市逆溫層的特征[4-6]，王曉明等[7]利用吉林省長(zhǎng)春、臨江、延吉3個(gè)站探空資料，分析了吉林省冬季逆溫的時(shí)空分布特征以及逆溫的天氣特征；鄭慶鋒等[8]利用上海寶山氣象站1991—2009年探空資料，統(tǒng)計(jì)分析了上海地區(qū)大氣貼地逆溫的氣候特征。此外，國(guó)內(nèi)也有學(xué)者研究了逆溫與污染的關(guān)系[9-11]，鄭紅等[9]分析2000—2003年哈爾濱市大氣污染的變化特征得出，逆溫日數(shù)越多，超標(biāo)污染日越多，逆溫強(qiáng)度越大，污染越重；李景林等[10]利用2000—2006年烏魯木齊市逆溫與API（Air pollution index）資料，得出低空逆溫的出現(xiàn)頻率與大氣污染指數(shù)具有相似的時(shí)間分布特征，采暖期API值越大，相應(yīng)出現(xiàn)逆溫日的比例越高，以貼地逆溫多。較多學(xué)者也從不同的角度分析了蘭州市逆溫特征以及逆溫與污染的關(guān)系[12-17]，但這些研究年代久遠(yuǎn)，所用資料相對(duì)陳舊，由于蘭州探空觀測(cè)場(chǎng)地的搬遷和氣候變化等原因，前人的研究結(jié)論在一定程度上已不能滿足科研和污染防控氣象服務(wù)業(yè)務(wù)需求。因此，利用新資料重新研究蘭州市逆溫時(shí)空分布特征以及與API的關(guān)系十分必要。筆者利用蘭州市榆中縣氣象局2006—2013年探空資料，統(tǒng)計(jì)分析了蘭州市逆溫變化特征及其與API首要污染指數(shù)的關(guān)系，為蘭州市區(qū)空氣污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料來源

蘭州市榆中縣氣象局（104.2° E、35.9° N）2006年4月1日—2013年12月31日每日07：00和19：00 L波段雷達(dá)探空資料。蘭州市環(huán)保局提供的逐日4站（蘭苑賓館、生物制品廠、鐵路設(shè)計(jì)院、職工醫(yī)院）API首要污染指數(shù)（API要素中污染指數(shù)最大值）。

1.2分析方法

根據(jù)成因，逆溫可分為輻射逆溫、平流逆溫、湍流逆溫、下沉逆溫、鋒面逆溫、地形逆溫等，對(duì)蘭州而言，最主要的逆溫為地形逆溫、輻射逆溫和平流逆溫。首先詳細(xì)分析了蘭州市逆溫、逆溫強(qiáng)度、逆溫厚度的年季月變化、逆溫持續(xù)日數(shù)以及懸浮逆溫底高特征，然后分析逆溫與API首要污染指數(shù)的關(guān)系。四季劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—12月）、冬季（12月—次年2月），其中逆溫強(qiáng)度為逆溫層內(nèi)每升高1 m溫度的增值（℃/m），污染日為API首要污染指數(shù)>100，清潔日為API首要污染指數(shù)≤100。

2逆溫變化特征分析

2.1逆溫頻率變化特征

2.1.1 年際變化。

從表1可看出，2007—2013年蘭州市07：00、19：00逆溫次數(shù)呈波動(dòng)型減少趨勢(shì)，07：00平均逆溫天數(shù)為267 d，逆溫發(fā)生概率73%，2010年逆溫天數(shù)最多，為301 d，逆溫發(fā)生概率為83%，2008年逆溫天數(shù)最少，為247 d，發(fā)生概率68%。19：00平均逆溫天數(shù)為197 d，逆溫發(fā)生概率54%，2010年逆溫天數(shù)最多，為217 d，逆溫發(fā)生概率為60%，2008年逆溫天數(shù)最少，為157 d，發(fā)生概率44%。貼地逆溫明顯多于懸浮逆溫，07：00貼地逆溫明顯多于19：00，懸浮逆溫2個(gè)時(shí)次接近；07：00貼地逆溫年平均天數(shù)為211 d，占全年天數(shù)的58%，2009年最多，為231 d，2011年最少，為186 d；19：00貼地逆溫年平均天數(shù)為132 d，占全年天數(shù)的36%。07：00、19：00懸浮逆溫平均天數(shù)均低于全年天數(shù)的20%。

2.1.2季節(jié)變化。

由表2可見2007—2013年蘭州市冬季逆溫天數(shù)最多，07：00逆溫為84 d，占冬季天數(shù)的91%，其中貼地逆溫69 d，占冬季逆溫天數(shù)的75%；秋季次之，07：00逆溫天數(shù)為69 d，占秋季天數(shù)的75%，其中貼地逆溫59 d，占秋季逆溫天數(shù)的64%；夏季最少，07：00逆溫天數(shù)為55 d，占夏季天數(shù)的58%，其中貼地逆溫39 d，占夏季逆溫天數(shù)的43%。懸浮逆溫在春季、秋季、冬季19：00多于07：00。

冬季07：00與19：00逆溫天數(shù)較為接近，逆溫穩(wěn)定，不易消散，且大多維持貼地逆溫，不利于污染物的擴(kuò)散。夏季地面升溫較快，逆溫層被破壞，不易形成貼地逆溫，污染物也較容易擴(kuò)散。

2.1.3月際變化。

從表3可看出，2007—2013年蘭州市07：00貼地逆溫12月最多，為25 d，大于20 d的月份為1、10、11、12月，最少的月份為6、7月，均為12 d；19：00貼地逆溫12月最多，為23 d，大于20 d的月份為1、11、12月，最少的月份為5月，僅為2 d。07：00懸浮逆溫最多的為1、2、3月，均為7 d，最少的是8、10、11月，均為3 d。19：00懸浮逆溫最多的為2、3月，均為10 d，1月次之，為9 d，最少的月份為6、7、8月，均為2 d。

2.2逆溫空間變化特征

2.2.1懸浮逆溫高度特征。

2007—2013年蘭州市懸浮逆溫年平均底高為1 235 m，逐月底高6月最低，為799 m，其余各月均大于1 000 m，最高月份為4月，達(dá)1 574 m。由于6月本身逆溫天數(shù)較少，懸浮逆溫天數(shù)更少，而蘭州市區(qū)四周山體高度最高為皋蘭山山頂，距地高度644 m，當(dāng)懸浮逆溫底高低于周圍山體高度時(shí)，污染物聚集在較小的空間難以稀釋，一旦逆溫底高超過周圍山體高度，空間開闊，污染物被稀釋，因此造成蘭州市污染物集中于邊界層的逆溫主要為貼地逆溫，懸浮逆溫影響污染物的稀釋和擴(kuò)散的力度相對(duì)較小。

2.2.2貼地逆溫厚度、強(qiáng)度特征。

2.2.2.1年際變化。

由表4可見，蘭州市07：00逆溫厚度明顯厚于19：00，強(qiáng)度弱于19：00。2007—2013年07：00逐年年平均貼地逆溫厚度為426 m，最大逆溫厚度出現(xiàn)在2008年，為467 m，逐年年平均逆溫強(qiáng)度為0.009 8 ℃/m，最大逆溫強(qiáng)度出現(xiàn)在2012年，為0.010 7 ℃/m；19：00逐年年平均貼地逆溫厚度為127 m，最大厚度出現(xiàn)在2010年，為141 m，逐年年平均逆溫強(qiáng)度為0.021 9 ℃/m，最大逆溫強(qiáng)度為0.024 6 ℃/m，出現(xiàn)在2007年。

2.2.2.2季節(jié)變化。

從表5可看出，蘭州市冬季07：00逆溫厚度最厚，為602 m，秋季次之，為371 m，夏季最薄，為296 m；秋季逆溫強(qiáng)度最強(qiáng)，為0.011 0 ℃/m，夏季最弱，為0.008 6 ℃/m。19：00冬季逆溫厚度最厚，為153 m，秋季次之，為114 m，春季最薄，為85 m；春季逆溫強(qiáng)度最強(qiáng)，為0.023 5 ℃/m，夏季最弱，為0.018 3 ℃/m。

2.2.2.3月際變化。

表6顯示，蘭州市07：00 1月逆溫厚度最厚，為711 m，其次為12、11、2月，為481～614 m，6月最薄，為261 m；10月逆溫強(qiáng)度最強(qiáng)，為0.011 9 ℃/m，8月最弱，為0007 9 ℃/m。19：00逆溫厚度總體較薄，1月最厚，為180 m，其次為12、2、11月，4月最薄，為77 m；最強(qiáng)逆溫強(qiáng)度為4月（0.026 0 ℃/m），最弱為8月（0.015 9 ℃/m）。07：00逆溫厚度明顯厚于19：00，2個(gè)時(shí)次厚度差最大的為1月，達(dá)531 m，7月最小，為191 m。

3逆溫與API首要污染指數(shù)的關(guān)系

2006—2013年逆溫日數(shù)為752 d，占總天數(shù)的73%。其中，≤1 ℃的逆溫最少，為24 d，占總天數(shù)的1%；1～5 ℃的逆溫最多，為1 531 d，占總天數(shù)的54%；≥10 ℃的逆溫為81 d，占總天數(shù)的3%。逆溫與污染日發(fā)生概率相關(guān)性最好，2006—2013年逆溫、逆溫厚度與污染日概率相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.80，逆溫強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)較低，因此主要研究逆溫、逆溫厚度與污染日的關(guān)系。

從圖1可看出，蘭州市無論有無逆溫都有可能出現(xiàn)污染日。但當(dāng)無逆溫或逆溫≤1 ℃出現(xiàn)清潔日的概率高達(dá)89%。2006—2013年平均清潔日概率為73%，而當(dāng)逆溫≤7 ℃時(shí)，清潔日平均概率為70%，空氣質(zhì)量是正貢獻(xiàn)，因此更大的逆溫會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)貢獻(xiàn)。當(dāng)逆溫>7 ℃時(shí)，污染日出現(xiàn)概率高于清潔日概率，因此需要特別注意這種超強(qiáng)逆溫。由圖2可見，當(dāng)逆溫厚度≤700 m時(shí)對(duì)空氣質(zhì)量是正貢獻(xiàn)，當(dāng)逆溫厚度為>700～900 m時(shí)污染日概率高于清潔日概率；當(dāng)逆溫厚度>900 m時(shí)，隨著環(huán)境容載量的增大、逆溫強(qiáng)度的減弱，污染日出現(xiàn)概率反而有所下降。

按照逆溫持續(xù)天數(shù)2.0～5.0、5.1～10.0、10.1～15.0、>15.0 d進(jìn)行分類，研究2006—2013年逆溫持續(xù)天數(shù)（表7）發(fā)現(xiàn)，各級(jí)逆溫持續(xù)天數(shù)07：00逆溫持續(xù)天數(shù)個(gè)數(shù)明顯多于19：00，5.1～10.0 d逆溫持續(xù)天數(shù)相差最大，為57次，>15.0 d持續(xù)逆溫天數(shù)相差最小，為5次。隨著逆溫持續(xù)天數(shù)的增加，逆溫持續(xù)天數(shù)個(gè)數(shù)逐漸減少，07：00各級(jí)逆溫持續(xù)天數(shù)分別占總數(shù)的32%、40%、14%、14%，19：00各級(jí)逆溫持續(xù)天數(shù)分別占總數(shù)的52%、29%、10%、9%，其中07：00最長(zhǎng)持續(xù)逆溫天數(shù)為43 d，發(fā)生在2011年11月2日—12月14日；19：00最長(zhǎng)持續(xù)逆溫天數(shù)為24 d，發(fā)生在2010年11月18日—12月11日。

由圖3可見，當(dāng)逆溫持續(xù)天數(shù)≤15.0 d時(shí)，不同空氣質(zhì)量級(jí)別發(fā)生概率和平均API首要污染指數(shù)沒有明顯變化，當(dāng)逆溫持續(xù)時(shí)間為2.0～5.0 d時(shí)，清潔日、輕度、中度、重度污染日概率分別為73%、23%、3%、1%；當(dāng)逆溫持續(xù)天數(shù)增加為5.1～10.0 d時(shí)，清潔日概率減少為61%，輕度、中度、重度污染日概率分別增加至26%、8%、5%；當(dāng)逆溫持續(xù)天數(shù)增加為10.1～15.0 d時(shí)，各級(jí)空氣質(zhì)量級(jí)別發(fā)生概率保持穩(wěn)定，而一旦逆溫持續(xù)天數(shù)增加到15.0 d以上時(shí)，清潔日概率明顯降低為32%，輕度、中度、重度污染日概率則明顯增加，分別達(dá)34%、23%、10%。

綜合來看，當(dāng)逆溫增強(qiáng)、厚度增厚時(shí)污染日概率升高，且隨著強(qiáng)逆溫的持續(xù)污染物不斷累積難以擴(kuò)散，污染日概率持續(xù)升高。當(dāng)逆溫>7 ℃、逆溫厚度在>700～900 m或逆溫持續(xù)15 d以上時(shí)，污染日概率會(huì)超過清潔日概率，需要特別注意防范。需要指出的是強(qiáng)逆溫、逆溫的持續(xù)僅造成污染物難以擴(kuò)散，因此當(dāng)逆溫較強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)防控減少污染物排放。

4結(jié)論

（1）蘭州市常年存在逆溫，無逆溫日數(shù)僅有27%，≤1 ℃

的逆溫最少，為1%，1～5 ℃的逆溫最多，為54%，≥10 ℃的逆溫較少，為3%；貼地逆溫明顯多于懸浮逆溫，07：00貼地逆溫多于19：00，07：00貼地逆溫年平均天數(shù)為211 d；懸浮逆溫總體低于全年天數(shù)的20%。

（2）冬季逆溫天數(shù)最多，秋季次之，夏季最少。冬季07：00與19：00逆溫天數(shù)較為接近，07：00貼地逆溫為69 d，逆溫穩(wěn)定，不易消散。

（3）07：00逆溫厚度明顯厚于19：00，其中07：00平均逆溫、逆溫強(qiáng)度、逆溫厚度分別為4.0 ℃、0.009 8 ℃/m、426 m，最大逆溫強(qiáng)度出現(xiàn)在2012年，為0.010 7 ℃/m；1月逆溫厚度最厚，為711 m，2、11、12月超過450 m，6月最薄，為261 m，10月逆溫強(qiáng)度最強(qiáng)，為0.011 9 ℃/m，8月最弱，為0.007 9 ℃/m；懸浮逆溫年平均底高為1 235 m，6月為799 m，其余月均大于1 000 m，最高為4月，達(dá)1 574 m。

（4）07：00逆溫持續(xù)天數(shù)為2.0～5.0、5.1～10.0、10.1～15.0、>15.0 d的個(gè)數(shù)分別占總天數(shù)的32%、40%、14%、14%，最長(zhǎng)持續(xù)逆溫天數(shù)為43 d，發(fā)生在2011年11月2日—12月14日；當(dāng)逆溫>7 ℃、逆溫厚度在700～900 m或逆溫持續(xù)15 d以上時(shí)，污染日概率超過清潔日概率，對(duì)空氣造成嚴(yán)重污染。

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