银川市大气边界层逆温影响因...冬季PM_(2.5)的关系_陈荣.pdf

第 41 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.41 No.1February，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology银川市大气边界层逆温影响因素及其与冬季PM2.5的关系陈荣1，2，王建英1，3，杨文军1，4，陈敏1，2，王谦1，2，李琨1，2（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏银川市气象局，宁夏 银川 750002；3.宁夏气象服务中心，宁夏 银川 750002；4.宁夏贺兰县气象局，宁夏 贺兰 750200）摘要：为了探究银川市大气边界层逆温特征和影响因素及其与冬季PM2.5污染的关系，利用20152020年银川气象站探空、地面气象观测资料及银川市空气质量监测数据，在分析银川市大气边界层逆温及地面气象要素特征基础上，以冬季为研究时段，探讨逆温与地面气象要素对PM2.5污染的影响。结果表明：（1）银川市清晨大气边界层较傍晚更易出现逆温，且逆温多为贴地逆温，贴地逆温较悬浮逆温强度大、厚度小；逆温频率和厚度冬季最大、夏季最小，逆温强度秋季最强、夏季最弱。（2）冬季晴天，地面平均风速1.01.5 ms-1、相对湿度30%60%的气象条件下易出现逆温。（3）贴地逆温是影响冬季PM2.5污染天气的主要气象因素之一，当逆温厚度超过596 m、强度超过1.4 （100 m）-1时，易出现PM2.5污染天气，且随着逆温厚度增大、强度增强，污染加重。（4）冬季PM2.5污染天气下，清晨天空状况多为晴天，通常地面平均风速小于1.3 ms-1、相对湿度大于54%，且随着湿度增大污染加重。（5）边界层高度与PM2.5质量浓度存在显著负相关，边界层高度越低，PM2.5污染越重。关键词：大气边界层；逆温；气象要素；PM2.5污染；银川市文章编号：1006-7639（2023）01-0123-09 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0123中图分类号：P461；X513 文献标志码：A引 言20世纪以来，随着我国工业化的快速发展和城市化进程的不断加快，污染物排放持续增加，大气污染已成为环境保护的核心问题，引起国家和社会各界高度重视。大气污染除与污染源排放有关外，还与气象条件密切相关（张杰等，2013；崔洋等，2015；尹承美等，2019），气象条件决定了大气中污染物的扩散、沉积和转化，是污染物时空分布及演变的重要影响因素（刘新民和邵敏，2004），且与污染物之间存在非常复杂的互馈作用（徐祥德等，2005），特别是大气边界层高度、逆温等气象条件是制约大气污染物稀释扩散最重要的参数之一（郑红等，2005；胡晏玲和陈思萍，2004；吴彬贵等，2010）。近地面2 km左右大气边界层是人类生活和生产活动的主要空间，也是大气污染物分布、扩散和传输的主要场所（都占良等，2019）。研究表明，低层大气温度的垂直分布，特别是逆温的变化对大气污染扩散有直接影响（都占良等，2019），逆温迫使局部次级环流限制在大气边界层内，致使污染物在垂直和水平方向上均不易扩散，造成颗粒物不断累积，进而导致重污染事件的发生（王晓明等，2009）；逆温显著影响了空气质量，逆温期间的空气质量超标率显著大于非逆温期间（刘敏等，2014；Wallace and Kanaroglou，2009）。不同逆温类型对污染物的影响不同，接地逆温是促发上海市PM2.5污染的重要气象条件之一，当接地逆温垂直温差大于4.6 或厚度大于100 m，PM2.5质量浓度超过 100 gm-3，可作为陈 荣，王建英，杨文军，等.银川市大气边界层逆温影响因素及其与冬季PM2.5的关系 J.干旱气象，2023，41（1）：123-131，CHEN Rong，WANG Jianying，YANG Wenjun，et al.Influence factors of atmospheric boundary layer inversion in Yinchuan City and the relation with PM2.5 in winterJ.Journal of Arid Meteorology，2023，41（1）：123-131，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0123收稿日期：2022-03-30；改回日期：2022-10-10基金项目：宁夏回族自治区重点研发计划项目（2021BEG03006）、中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室项目（CAMP-201909）和宁夏气象部门“523”人才计划项目共同资助作者简介：陈荣（1984），女，宁夏银川人，高级工程师，主要从事综合气象观测及大气环境研究。E-mail:chenrong_。通信作者：王建英（1970），女，宁夏中卫人，正高级工程师，主要从事天气预报及环境预报研究。E-mail:。41 卷干旱气象判别上海市PM2.5 重污染天气的参考阈值（潘亮等，2021）。另外，大气边界层高度与空气污染密切相关，是影响污染物垂直扩散的重要气象参数，较低的边界层高度不利于污染物在垂直方向上输送和扩散，加剧大气污染（徐丽娜等，2021；王建英等，2020）。宁夏回族自治区银川市地处贺兰山东侧，受山体屏障作用影响，冬季多静风。近年来，银川市经济和城市化发展迅速、人口增多，污染物排放明显增加，加之冬季供暖污染物排放量大，雾、霾天气明显增多，空气质量严重下降，已引起政府与学术界高度重视（刘玉兰等，2014；李慧等，2020）。研究发现：低空大气逆温是影响银川市空气污染的主要气象因素之一（邓敏君等，2018），持续污染过程与风速、相对湿度、能见度、边界层高度都存在显著相关关系（王建英等，2020），缺乏逆温条件下气象要素特征及其与污染物的相关性研究。为此，本文从银川市出现逆温时的天空状况、风速、相对湿度入手，分析逆温条件下气象要素特征，并结合典型个例进一步探讨逆温对 PM2.5污染的影响，以期为银川市大气污染预报预警及防治提供技术支撑。1资料与方法1.1资 料使用银川国家高空气象观测站20152020年每日08：00（北京时，下同）和20：00的GTS1型数字探空仪探测资料和银川国家基准气候站逐日云量、相对湿度、风速等地面观测数据，以及银川市环境监测中心站5个国控监测点（银湖巷、宁安大街、贺兰山东路、宁化生活区、学院路）20152020年6种污染物质量浓度和空气质量指数（Air Quality Index，AQI）日均值监测数据，各国控监测点距离银川气象站38 km。1.2方 法初步统计，银川市出现PM2.5污染时，其边界层高度普遍在1 500 m以下，因此本文统计分析底高低于1 500 m的逆温。定义：底高低于100 m的逆温为贴地逆温，底高为1001 500 m的逆温为悬浮逆温（刘玉兰等，2015）。利用GFE（L）1型二次测风雷达高空气象探测系统数据处理软件（V7.0.0.20210501），读取逆温层底高、顶高及对应的气温，剔除异常值，计算逆温出现的频率、厚度、强度。对于多层逆温，先按照厚度筛选，选取厚度最大的，若仍然存在多层，则进一步选取强度最强的。逆温出现频率、厚度、强度计算公式如下：F=nN100%（1）H=H2-H1（2）I=TH100（3）T=T2-T1（4）式中：F（%）为逆温频率；n（d）是一段时间内逆温出现天数（08：00、20：00只要有一个时次出现逆温就计为1 d）；N（d）是这段时间的总天数；H（m）为逆温层厚度；H1、H2（m）分别为逆温层底、顶距地高度；I （100 m）-1 为逆温强度，表示逆温层内每升高100 m气温的增加量；T（）为逆温层温度差：T1、T2（）分别是逆温层底、顶温度。根据气候学定义四季：春季为35月、夏季为68月、秋季为911月、冬季为12月至次年2月。根据总云量定义天空状况：晴为03成、多云为47成、阴为810成。2结果与分析2.1银川市逆温特征2.1.1逆温频率20152020 年银川市逆温出现频率为 61%，08：00和20：00逆温频率分别为80%、41%，前者约是后者的 2 倍；贴地逆温最多，占逆温总天数的80%，贴地逆温频率08：00、20：00分别为62%、23%，悬浮逆温频率分别为35%、12%，两种类型逆温频率08：00均高于20：00，即清晨逆温出现次数明显多于傍晚。08：00（20：00）逆温频率自冬季、春季（秋季）、秋季（春季）、夏季依次降低，冬季08：00、20：00逆温频率分别高达92%、70%；对比发现，20：00逆温频率较08：00的季节变化更明显（图1）。2.1.2逆温层厚度逆温厚度是衡量逆温特征的重要指标，银川市图120152020年银川市逆温频率季节变化Fig.1The seasonal variation of inversion frequency in Yinchuan during 2015-2020124第 1 期陈荣等：银川市大气边界层逆温影响因素及其与冬季PM2.5的关系年平均逆温厚度为300 m，贴地逆温厚度为282 m，悬浮逆温厚度为317 m，悬浮逆温厚度较贴地逆温大；清晨与傍晚两时刻逆温厚度差异较大，08：00、20：00逆温厚度平均分别为 343、132 m，其中贴地逆温平均厚度08：00、20：00分别为362、93 m，悬浮逆温平均厚度分别为313、218 m，受夜间辐射降温影响，08：00逆温层厚度远大于20：00（表1）。就季节变化（图2）而言，除20：00贴地逆温厚度季节波动较小外，08：00、20：00悬浮逆温及08：00贴地逆温厚度均存在明显季节变化特征，逆温厚度均自冬季、秋季、春季、夏季依次减小。2.1.3逆温强度逆温强度与大气层结稳定度密切相关，也是表征逆温特征的重要指标之一（吕波等，2020）。20152020年银川市08：00和20：00的平均逆温强度分别为1.9、3.6 （100 m）-1，20：00的逆温较08：00强；贴地、悬浮逆温平均强度分别为2.6、1.3 （100 m）-1，贴地逆温强于悬浮逆温，其中贴地逆温强度08：00和20：00分别为1.9、3.3 （100 m）-1，20：00贴地逆温较08：00强，而悬浮逆温强度在08：00和20：00均为1.3 （100 m）-1，强度相当（表略）。可见，银川市逆温强度20：00较08：00强，贴地逆温较悬浮逆温强。季节变化（图3）上，各月贴地逆温均强于悬浮逆温，两时刻贴地逆温和悬浮逆温强度秋季最强、夏季最弱，且 20：00贴地逆温强度季节变化最明显。2.2冬季天空状况和气象要素对逆温的影响相关研究表明，银川市低空逆温出现频率冬季最高，同期 PM2.5污染物浓度亦最高（李栋梁等，2017）。因此，这里重点探究冬季天空状况和气象要素对逆温的影响。2.2.1天空状况的影响晴天夜间辐射降温使得近地面气温下降，白天多云减弱到达地面的太阳辐射，使得近地面升温慢。云能够减弱地面的有效辐射不利于地面冷却，因此云量的多寡一定程度上影响逆温的形成及其厚度和强度（都占良等，2019）。从表 2看出，晴天08：00和20：00均易出现贴地逆温，而悬浮逆温多出现在阴天；晴天逆温平均厚度最大，其次为多云天，阴天最小，而逆温强度晴天较强，多云天较弱。不同天空状况下，08：00逆温厚度大于20：00，但强度小于20：00；悬浮逆温厚度大于贴地逆温，但强度小于贴地逆温。2.2.2风速的影响将地面平均风速以0.5 ms-1为间隔分段，统计分析不同等级风速下逆温频率、平均厚度和强度。从图4（a）看出，银川市冬季逆温频率与地面平均风速频率分布特征一致，均随风速等级呈先增后减的变化特征，当风速1.01.5 ms-1时风速频率最高达42%，此时逆温频率亦最高，08：00、20：00逆温频率相差不大，分别为44%和46%，而小于等于0.5 ms-1或大于3.5 ms-1的风速很少出现