哈爾濱市冬末逆溫、大氣穩(wěn)定度與大氣污染概率關(guān)系

龐博，汪喜江

（1.黑龍江省氣象臺，黑龍江哈爾濱 150030；2.哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱 150080）

哈爾濱市冬末逆溫、大氣穩(wěn)定度與大氣污染概率關(guān)系

龐博1，汪喜江2

（1.黑龍江省氣象臺，黑龍江哈爾濱 150030；2.哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱 150080）

利用2006～2008年2月逐日地面常規(guī)觀測資料和高空探測資料以及逐日的污染監(jiān)測資料，統(tǒng)計分析了哈爾濱市2月風(fēng)速、逆溫和大氣穩(wěn)定度與大氣污染的概率關(guān)系。分析結(jié)果表明：哈爾濱市2月的大氣污染主要發(fā)生在風(fēng)速<3 m/s，污染物濃度隨著風(fēng)速的增大而減小，在一定程度上反映了哈爾濱市2月的污染主要是局地污染物的累積；發(fā)生大氣污染時一定有逆溫出現(xiàn)，但有逆溫時不一定就發(fā)生大氣污染；大氣穩(wěn)定度增加，大氣污染概率增大。

哈爾濱；逆溫；大氣穩(wěn)定度；大氣污染

1 引言

哈爾濱市位于44°04′～46°40′N，125°41′～130°13′E之間，海拔高度143 m。西部和西南部是松嫩平原，北部和東北部是小興安嶺山地，東部和東南部是長白山系的張廣才嶺。哈爾濱市屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。冬季風(fēng)來自高緯內(nèi)陸，受極地大陸氣團控制，氣候寒冷干燥，逆溫較多，鄭紅等[1]研究指出了逆溫持續(xù)性、強度和層厚對大氣污染擴散影響的正比關(guān)系，即逆溫日數(shù)越多，超標(biāo)污染日越多，逆溫強度越大，污染越重的規(guī)律。本文針對冬末，主要是2月哈爾濱市大氣污染與逆溫、大氣穩(wěn)定度等的關(guān)系進行了統(tǒng)計分析，分析結(jié)果對于更好的預(yù)報和防御大氣污染意義重大。本文選取2006～2008年2月共85 d逐日08:00和20:00地面常規(guī)觀測資料及高空探測資料以及哈爾濱市環(huán)保局提供的2006～2008年2月逐日逐時的空氣污染物監(jiān)測資料進行研究分析。

2 哈爾濱市2月氣候特征分析

2.1 污染日統(tǒng)計

哈爾濱市主要的大氣污染物為PM10、SO2和NO2，而2006～2008年2月哈爾濱市大氣污染物都是PM10，濃度超出大氣污染評定標(biāo)準(zhǔn)0.15 kg/m3的輕度污染日累計共15 d（見表1），其中重度污染天數(shù)3 a累計為3 d，每年各1 d。因此后面分析中我們只討論了PM10。

表1 2006～2008年2月哈爾濱市污染日期和對應(yīng)的PM10濃度值（kg/m3）

2.1 風(fēng)場分析

風(fēng)是大氣污染擴散的重要因子，因為風(fēng)不僅決定污染物質(zhì)的輸送方向及其稀釋沖淡的能力，而且風(fēng)速增大湍流能量也會隨之增大，從而加強大氣擴散作用，反之，空氣中的污染物就不易輸送與擴散，造成污染濃度增大[2]。

根據(jù)哈爾濱市氣象觀測站2006～2008年2月的逐日定時地面常規(guī)觀測資料，分別統(tǒng)計分析了地面各風(fēng)向頻率、平均風(fēng)速（見表2）。

表2 哈爾濱市2006～2008年2月風(fēng)向頻率（%）、平均風(fēng)速（m/s）

由表2分析得出：哈爾濱市2月各風(fēng)向均有出現(xiàn)，以S風(fēng)出現(xiàn)最多，頻率為10.34%，W和SSW風(fēng)居第二位，頻率為9.77%，SW風(fēng)居第三位，頻率為9.05%，NNE、NE和ESE風(fēng)出現(xiàn)的機率較小。從風(fēng)速看，哈爾濱市2月平均風(fēng)速為2.28 m/s，風(fēng)速日變化的特點是夜間風(fēng)小，日出后風(fēng)速明顯增大，到中午前后達最大，日落后風(fēng)速明顯減小。

3 大氣穩(wěn)定度計算方法[3]簡介

大氣穩(wěn)定度是指整層大氣的穩(wěn)定程度，影響大氣湍流的強弱。大氣穩(wěn)定度由太陽高度角，總云量、低云量、風(fēng)速確定。大氣穩(wěn)定度分為強不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定6級。它們分別表示為A、B、C、D、E、F。

3.1 太陽輻射等級數(shù)R的計算

太陽輻射等級數(shù)R用總云量，低云量及太陽高度角h0按表3確定。

表3 太陽輻射等級數(shù)R

表3中太陽高度角h0計算公式為：

其中：h0為太陽高度角（角度）；t為觀測時的北京時間；σ為太陽傾角（角度）。σ計算公式為：

其中：θ為360dn/365（角度）；dn為年中的日期序數(shù)，0、1、2、……364。

根據(jù)風(fēng)速和太陽輻射等級數(shù)R按表4確定大氣穩(wěn)定度等級。

表4 大氣穩(wěn)定度的等級

在計算頻率時我們并不計算A～B、B～C、C～D的頻率，考慮到哈爾濱市的實際，為了更好的反映哈爾濱市的大氣穩(wěn)定度等級的情況,我們把表中A～B、B～C、C～D做如下處理：①當(dāng)太陽輻射等級數(shù)R為+3時，如果風(fēng)速ν≤2.4，穩(wěn)定度為A，如果風(fēng)速2.5≤ν≤4.9，穩(wěn)定度為B；②當(dāng)太陽輻射等級數(shù)R為+2時，如果風(fēng)速ν≤1.0，穩(wěn)定度為A，如果風(fēng)速1.1≤ν≤3.9，穩(wěn)定度為B，如果風(fēng)速4.0≤ν≤5.4，穩(wěn)定度為C，如果風(fēng)速5.5≤ν，穩(wěn)定度為D。以下計算不同穩(wěn)定度出現(xiàn)頻率時就是按照這樣的辦法處理。

4 不同氣象條件與大氣污染概率關(guān)系

4.1 風(fēng)場與大氣污染的關(guān)系

冬季邊界層輻合風(fēng)場垂直伸展高度較低[4]，地面風(fēng)場在很大程度上代表了冬季邊界層大氣污染物輸送場。表5統(tǒng)計了2006～2008年2月哈爾濱市地面風(fēng)與大氣污染的概率關(guān)系?？梢钥闯?，2月份哈爾濱市地面平均風(fēng)速以0.1～4.9 m/ s出現(xiàn)頻率較大，合計達82.46%，風(fēng)速為靜風(fēng)或風(fēng)速≥5.0 m/s以上大風(fēng)的概率較小。在2月份93.3%的污染都發(fā)生在風(fēng)速3 m/s以下，污染物濃度隨著風(fēng)速的增大而減小，這在一定程度上說明2月份哈爾濱市的大氣污染主要是局地污染物的積累，沒有外地污染物向哈市的輸送。因此治理大氣污染要從控制本地污染源著手。

表5 哈爾濱市2月地面風(fēng)與大氣污染的關(guān)系

4.2 逆溫和污染的關(guān)系

大氣邊界層溫度層結(jié)狀況對大氣中污染物的擴散稀釋有直接影響。根據(jù)哈爾濱市探空資料統(tǒng)計分析了2006～2008年2月1 500 m以下的溫度層結(jié)特別是逆溫情況，具體的逆溫出現(xiàn)時間、厚度和強度統(tǒng)計結(jié)果見表6。

哈爾濱市區(qū)2月幾乎每天都有逆溫出現(xiàn)，逆溫大多為2～3層，但厚度、強度有所不同。2月貼地逆溫持續(xù)時間長，而且較厚，一般從19：00開始形成至次日09：00～10：00消失。

本市接地逆溫在08：00和20：00出現(xiàn)的頻率為61%，平均厚度為267.1 m，平均強度為0.63℃/100 m。非接地逆溫各高度層均有出現(xiàn)，其中300 m以下的逆溫出現(xiàn)頻率為42.5%，逆溫平均厚度為144.6 m，平均強度為1.66℃/100 m；300～500 m高度層逆溫出現(xiàn)頻率為42.5%，逆溫平均厚度為113.4 m，平均強度為1.03℃/100 m；500～1 000 m高度層逆溫出現(xiàn)頻率48.5%，逆溫平均厚度為86.9 m，逆溫平均強度為0.75℃/100 m；大于1 000 m高度層逆溫出現(xiàn)頻率為56%，其逆溫平均厚度為113.8 m，平均強度為0.58℃/100 m。

表6 2月各類逆溫高度（m）、厚度（m）、強度（℃/100m）及頻率（%）統(tǒng)計結(jié)果

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，有逆溫時發(fā)生大氣污染的概率是61%，發(fā)生大氣污染的15 d都有逆溫出現(xiàn)，但有逆溫時不一定就發(fā)生大氣污染，這取決于逆溫層的強度，強度越大，發(fā)生空氣污染的幾率就越大，因此一次準(zhǔn)確預(yù)報出逆溫是做好污染預(yù)報的前提；污染日的當(dāng)晚或早晨一定有接地逆溫，且早晚的平均強度>0.75℃/100 m；早晚有接地逆溫，且平均強度> 0.75℃/100 m，不一定有污染。如2006年2月15日，早晚接地逆溫平均強度為0.78℃/100 m，但污染濃度僅為.084 mg/ m3，因此單一的接地逆溫強度不能作為是否出現(xiàn)污染的指標(biāo)；低層逆溫強度（400 m以下）與PM10濃度的相關(guān)系數(shù)達到了0.913，置信度檢驗通過了99%，說明低層逆溫對污染物濃度的影響較大。

根據(jù)以上分析可以看出，引起空氣污染應(yīng)該有多方面的因素，氣象條件（尤其是逆溫）只是其中比較重要的因素之一。

4.3 穩(wěn)定度分析及與大氣污染的關(guān)系

對于一個地區(qū)污染物濃度的大小，僅用動力條件分析還不夠，還要考慮熱力因子，即大氣的穩(wěn)定度[5]。用哈爾濱觀測站2006～2008年2月逐日定時風(fēng)向、風(fēng)速、云量資料，進行了穩(wěn)定度、風(fēng)向、風(fēng)速聯(lián)合頻率統(tǒng)計（見表7）。統(tǒng)計結(jié)果表明2月以D、F出現(xiàn)頻率最高，為59.5%；E次之，頻率為52.4%；C、B分別為17.9%和10.7%，A沒有出現(xiàn)。也就是說，哈爾濱市2月大氣穩(wěn)定度出現(xiàn)的頻率以穩(wěn)定類和中性類為主。從表7統(tǒng)計結(jié)果可以看出，大氣越穩(wěn)定，污染頻數(shù)越大。而且我們發(fā)現(xiàn)F只在20：00出現(xiàn)，且污染頻率較高，這從另一個側(cè)面反映了夜間大氣穩(wěn)定對污染的貢獻較大。這與文獻[1]的研究結(jié)果一致。

5 小結(jié)

哈爾濱市2月風(fēng)速、逆溫和大氣穩(wěn)定度對污染物的累積和擴散有著不同的影響。2月份哈爾濱市93.3%的污染都發(fā)生在風(fēng)速3 m/s以下，污染物濃度隨著風(fēng)速的增大而減小，這在一定程度上說明2月份哈爾濱市的大氣污染主要是局地污染物的積累，沒有外地污染物向哈市的輸送。低層逆溫，尤其是400 m以下的逆溫對污染物濃度的影響較大。發(fā)生污染時一定有逆溫出現(xiàn)，但有逆溫時不一定會發(fā)生大氣污染。大氣穩(wěn)定度增加，大氣污染概率增大。夜間的大氣穩(wěn)定對污染的貢獻較大。

表7 2006～2008年2月哈爾濱市不同穩(wěn)定度出現(xiàn)頻率（%）

[1]鄭紅，鄭凱，張桂華，等.哈爾濱冬季大氣污染及逆溫對污染物擴散影響［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2005,14（4）:39-43.

[2]蔣緯楣，曹文俊，姜瑞賓.空氣污染氣象學(xué)教程[M].北京：氣象出版社，1993.

[3]徐大海.風(fēng)向、風(fēng)速、穩(wěn)定度類別聯(lián)合概率分布及混合層深度的診斷估計初探[J].環(huán)境科學(xué),1990,10（1）:13-19.

[4]蘇福慶.北京及華北平原邊界層大氣中污染物的匯聚系統(tǒng)-邊界層輸匯[J].環(huán)境科學(xué)研究，2004，17（1）：23-27.

[5]蔡新玲，吳素良，王繁強，等.西安市近10年大氣穩(wěn)定度和邊界層厚度特征[J].氣象科技,2007，35（6）：54-57.

The Relationship between the Atmosphere Pollution Probability and the Atmosphere Stability and Late Winter Temperature Inversion in Haerbin

Pang Bo1，Wang Xi-jiang2
（1.Heilongjiang Meteorological Service，Heilongjiang Harbin 150030 2.Harbin Meteorological service，Heilongjiang Harbin 150080）

Based on the daily surface and high observations and air pollutant observations in February of 2006～2008，the Relationship between Temperature inversion and Atmospheric stabilities and Pollution Probability in Harbin were analyzed.The results showed that atmospheric pollution occur mainly in wind speed<3m/s, Pollutant concentration decreases as the wind speed increases,A certain extent,that reflect the pollution in Harbin in February was mainly local cumulative pollutant;Atmospheric pollution occur when the temperature inversion must have occur,but temperature inversion did not necessarily occur when there was Atmospheric pollution;Pollution Probability increased as the atmospheric stability increased.

Harbin;Temperature inversion;Atmospheric stabilities;Atmospheric pollution

P43

A

1002－252X（2011）02－0007－03

2011－3－6

龐博（1983-），男，黑龍江省哈爾濱市人，黑龍江大學(xué)，本科生，助理工程師.