西安地區(qū)混合層厚度變化特征及對大氣污染的影響

曹紅麗，蘇 靜

(1.西安市氣象局,西安 710016；2.陜西省大氣探測技術(shù)保障中心，西安 710014)

西安地區(qū)混合層厚度變化特征及對大氣污染的影響

曹紅麗1，蘇 靜2

(1.西安市氣象局,西安 710016；2.陜西省大氣探測技術(shù)保障中心，西安 710014)

利用2007—2011年西安涇河基準(zhǔn)氣候站逐日地面常規(guī)氣象資料，采用統(tǒng)計(jì)方法，對比分析西安地區(qū)日最大混合層厚度的變化特征及對大氣污染的影響,結(jié)果表明：西安年平均混合層厚度日變化在158～1 343 m之間，呈現(xiàn)出夜間小，正午前后大的變化趨勢；日最大混合層厚度總體呈逐年遞增趨勢，2011年有所減小，冬半年低夏半年高；年平均日最大混合層厚度與同期降水日呈反向變化，日最大混合層厚度與空氣污染物質(zhì)量濃度有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

混合層厚度；變化特征；空氣污染物；西安

由于地表面加熱作用，促使大氣增溫使上、下層空氣產(chǎn)生對流運(yùn)動，大氣層結(jié)趨近于絕熱遞減率，此層大氣稱為混合層，其高度稱為混合層厚度(或高度)。最大混合層厚度反映了污染物在垂直方向上由于湍流和對流運(yùn)動，稀釋和擴(kuò)散能達(dá)到的高度。近年來，混合層厚度被更多的應(yīng)用于空氣污染潛勢預(yù)報(bào)和環(huán)境評價中[1-2]。近些年我國學(xué)者對混合層厚度的計(jì)算方法進(jìn)行了大量的研究[3-6]，本文在參考前人研究結(jié)果[7-11]的基礎(chǔ)上，計(jì)算西安市逐日最大混合層厚度，分析日最大混合層厚度年際和季節(jié)變化等基本特征，研究日最大混合層厚度分別與降水日和污染物質(zhì)量濃度的關(guān)系，以期為大氣環(huán)境規(guī)劃和環(huán)境治理提供依據(jù)。

1 資料及計(jì)算方法

1.1 資料來源

計(jì)算混合層厚度和降水日數(shù)的資料取自西安涇河基準(zhǔn)氣候站2007—2011年逐日地面常規(guī)氣象資料，該站是西安地區(qū)唯一的基準(zhǔn)氣候站,位于距離西安市中心20 km的涇河工業(yè)園區(qū)內(nèi)，周圍環(huán)境屬于城郊。2007—2011年每日空氣污染物質(zhì)量濃度資料來自西安市環(huán)保局。

1.2 計(jì)算方法

利用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13201—1991規(guī)定的方法(以下簡稱國標(biāo)法)[12]計(jì)算逐時混合層高度，挑選出最大值，得到逐日最大混合層厚度。其公式為：

當(dāng)大氣穩(wěn)定度為A、B、C、D時，

Lb=asu10/f，

(1)

大氣穩(wěn)定度為E、F時

Lb=bs(u10/f)1/2。

(2)

其中，Lb為混合層厚度；u10為觀測期間西安市涇河基準(zhǔn)氣候站同步觀測的10 m高度處10 min平均風(fēng)速，當(dāng)u10gt;6 m/s時取6 m/s；大氣穩(wěn)定度等級采用修訂的帕斯奎爾(Pasquill)穩(wěn)定度分級法，分為強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定六級，分別表示為A、B、C、D、E、F。確定等級時首先由云量和太陽高度角查出太陽輻射等級數(shù)，再由太陽輻射等級數(shù)與地面風(fēng)速查找穩(wěn)定度等級。as、bs為混合層系數(shù)，根據(jù)大氣穩(wěn)定度和西安所在區(qū)域取值, 大氣穩(wěn)定度為A、B、C、D時as取值為0.073，0.060，0.041,0.019, 大氣穩(wěn)定度為E、F時bs取值為1.66和0.70。f為西安涇河氣象站的地轉(zhuǎn)參數(shù)。

2.1 混合層厚度的日變化特征

從西安2007—2011年平均混合層厚度的日變化(見表1)可看出：混合層厚度在一天中呈單峰型變化。一天中的厚度值變化在158～1 343 m之間，其中，最大值出現(xiàn)在13時，最小值在21時，呈現(xiàn)出夜間小、正午前后大的變化趨勢。24小時的平均值為560 m。這種變化是由于夜間沒有太陽輻射，空氣的對流運(yùn)動弱，早晨隨著太陽的升起，地面接收的太陽輻射逐漸增加，空氣的對流運(yùn)動加強(qiáng)，混合層厚度逐漸增大，在太陽光最強(qiáng)的正午及午后(10—16時)混合層厚度最大，之后隨著太陽輻射的減弱，混合層厚度會逐漸減小，在21時—次日05時混合層厚度值最小，且變化不大。西安最大混合層厚度5 a極大值出現(xiàn)在2007年2月14日13時，為3 359 m；極小值出現(xiàn)在2011年12月29日21時，為152 m。

表1 西安2007—2011年平均混合層厚度的日變化

2.2 日最大混合層厚度的季節(jié)變化特征

從圖1可看出：西安2007—2011 年日最大混合層厚度春季(3—5月)最大，平均1 839 m，其次為夏季和秋季，冬季最小，平均1 324 m。日最大混合層厚度4月最大，為1 873 m；5月次之，為1 872 m；12月最小，為1 137 m；1月次小，為1 300 m。日最大混合層厚度呈冬半年低、夏半年高的變化趨勢。由于西安屬于內(nèi)陸城市，氣候?yàn)榈湫偷拇箨懶詺夂颍旌蠈雍穸鹊募竟?jié)變化與湍流運(yùn)動的季節(jié)變化基本相似。春季和夏季西安太陽輻射強(qiáng)，大氣能見度好，導(dǎo)致湍流運(yùn)動強(qiáng)，混合層厚度大。而西安的秋季多連陰雨，天空云量較多，抑制了太陽輻射到達(dá)地面的熱量，使湍流運(yùn)動減弱，混合層厚度較小。冬季太陽輻射最小，相應(yīng)的地面湍流弱，所以混合層厚度最小。

圖1 西安2007—2011年日最大混合層厚度的月變化

2.3 日最大混合層厚度的年際變化特征

圖 2為西安2007—2011年日最大混合層厚度年平均與年降水日的變化曲線，可以看出5 a年平均日最大混合層厚度2007—2010年呈遞增趨勢，2007年最小為1 504 m ，2010年最大為1 787 m， 2011年又有所減小，5 a平均值為1 601 m。

圖2 西安2007—2011年年平均日最大混合層厚度與年降水日的變化

3 日最大混合層厚度與年降水日的關(guān)系

從圖2可看出，在日最大混合層厚度增大的2007—2010年，年降水日逐年減少，在日最大混合層厚度最大的2010年年降水日最少，2011年的混合層厚度減小而年降水日增多。說明5 a中西安年平均日最大混合層厚度與年降水日呈反向變化。由于降水產(chǎn)生時多為陰天，云量多，高空濕度大，地面接收到的太陽輻射少，湍流運(yùn)動弱，混合層厚度減??；另外，由于產(chǎn)生對流性降水時，大氣迅速釋放能量，混合層厚度減小。

4 日最大混合層厚度與空氣污染物質(zhì)量濃度的關(guān)系

在5 a的1 826組數(shù)據(jù)中，由于2009年的1月29日、4月的1—6日、24日和30日、7月31日，2010年的8月的5日、12日和31日、9月25日、10月4日，2011年的3月31日、4月1日—3日共19 d數(shù)據(jù)不完整，故刪除。對比剩余1 807組完整數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，并且分析逐日最大混合層厚度與SO2、NO2、PM10平均質(zhì)量濃度變化(圖4)，可以看出，空氣污染物質(zhì)量濃度與日最大混合層厚度有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中SO2和PM10的負(fù)相關(guān)關(guān)系較明顯。即污染物質(zhì)量濃度越大，日最大混合層厚度越小；反之，污染物質(zhì)量濃度越小，則日最大混合層厚度越大。

5 結(jié)論

(1)西安5 a平均混合層厚度值一天中的變化在158～1 343 m之間，最大值出現(xiàn)在13時，最小值在21時，呈現(xiàn)出夜間小、正午前后大的變化趨勢。

(2)西安日最大混合層厚度2007—2010年有逐年遞增趨勢，2011年有所減小。日最大混合層厚度春季最大，其次為夏季和秋季，冬季最小，冬半年低夏半年高。5 a降水日在2007—2010年有遞減趨勢，2011年有所增加，2011年最大，最少為2010年。年平均日最大混合層厚度與年降水日呈反向變化。

(3)日最大混合層厚度與空氣污染物質(zhì)量濃度有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 西安2007—2011年日最大混合層厚度和SO2、NO2、PM10質(zhì)量濃度變化

[1] 袁仁民,馬成勝,范愛媛.覆蓋逆溫層變化規(guī)律研究[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,33(2):247-252.

[2] 尤煥岺,劉偉東,譚江瑞.北京地區(qū)平均最大混合層厚度的時間變化特征[J].氣象,2010，36(5):51-55.

[3] 程水源,張寶寧,李現(xiàn)麗.用清晨探空曲線確定混合層高度的研究[J]．壞境科學(xué)叢刊,1992,13(3):76-80.

[4] 程水源,席德立,張寶寧,等.大氣混合層高度的確定及計(jì)算方法研究[J].中國環(huán)境科學(xué),1997,17(6):512-516.

[5] 史寶忠,鄭方成,曹國良.對大氣混合層高度確定方法的比較分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,1997,29(2):138-141.

[6] 劉北平.確定大氣混合層高度方法的研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,1990,3(1):8-12.

[7] 程水源,張寶寧,白天雄,等.北京地區(qū)大氣混合層高度的研究及氣象特征[J].環(huán)境科學(xué)叢刊, 1992,13(4):46-52.

[8] 王建鵬,王式功,孟小絨,等.沙塵天氣等對西安市空氣污染影響的研究[J].中國沙漠,2004,24(5)：558-563.

[9] 葉堤,王飛,陳德蓉.重慶市多年大氣混合層厚度變化特征及其對空氣質(zhì)量的影響分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2008,24(4)：41-44.

[10] 楊興華,何清,劉濤,等.烏魯木齊市冬季混合層厚度及對大氣污染影響的個例分析[J].沙漠與綠洲氣象，2010，4(4)：18-21.

[11] 司瑤冰.呼和浩特市大氣污染物變化特征及空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)方法研究[D].南京:南京信息工程大學(xué),2003.

[12] 國家環(huán)境保護(hù)局.GB/T 3840—1991 制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1992.

曹紅麗，蘇靜.西安地區(qū)混合層厚度變化特征及對大氣污染的影響.陜西氣象，2014(5)：32-35.

1006-4354(2014)05-0032-04

2014-02-26

曹紅麗(1973— )，女，漢族，陜西長武人，工程師，從事高空氣象觀測。

收稿日期：陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金計(jì)劃項(xiàng)目(2014M-33)

X16

A