利用微波輻射計研究大氣穩(wěn)定度分布特征

何 濤 呂 波 李 敏 侯魯健

(1.常州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 常州 213001；2.濟南市環(huán)境監(jiān)測中心站，濟南 250014)

利用微波輻射計研究大氣穩(wěn)定度分布特征

何 濤1呂 波2李 敏2侯魯健2

(1.常州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 常州 213001；2.濟南市環(huán)境監(jiān)測中心站，濟南 250014)

利用2016年濟南市的MTP-5微波輻射儀溫度廓線觀測數(shù)據(jù)，對濟南市1km以下逐月的大氣穩(wěn)定度分布特征進行了統(tǒng)計分析，并研究了對環(huán)境空氣中PM2.5和PM10的影響。結(jié)果表明，濟南市主要以中性大氣和弱穩(wěn)定性大氣為主，大氣穩(wěn)定程度較高。濟南市大氣邊界層內(nèi)的大氣穩(wěn)定度分布存在明顯的月變化和日變化規(guī)律。夜間大氣穩(wěn)定度較高，中午大氣層結(jié)不穩(wěn)定；低層大氣穩(wěn)定度日變化較大，600m以上的大氣穩(wěn)定度日變化較小。PM2.5和PM10月均濃度分布與大氣穩(wěn)定度的分布呈現(xiàn)正相關(guān)性。

微波輻射儀；大氣穩(wěn)定度；PM2.5；PM10

大氣污染主要受到污染排放源、大氣擴散條件和地形的影響，在污染物穩(wěn)定排放的情況下，大氣擴散條件成為了影響空氣質(zhì)量的重要因素。大氣穩(wěn)定度表征了近地層大氣作垂直運動的強弱程度，是影響大氣擴散能力極重要的因子，可以定性的解釋大氣對污染物的擴散稀釋能力和這種能力的變化，也是模式預(yù)報中的一個重要參量，對于空氣質(zhì)量預(yù)報的研究具有重要意義。當(dāng)大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，大氣的擴散能力較強，污染物容易擴散，反之，污染物不容易擴散。因此，研究一個區(qū)域的大氣穩(wěn)定度分布規(guī)律對準(zhǔn)確開展環(huán)境空氣質(zhì)量的預(yù)報預(yù)測、大氣污染管控與防治、城市規(guī)劃等工作有極為重要的研究意義。

國內(nèi)對于大氣穩(wěn)定度的研究集中于不同大氣穩(wěn)定度計算方法的比較[1-4]，對城市大氣穩(wěn)定分布規(guī)律及其對空氣質(zhì)量的影響也進行過研究[5-10]，但所使用的資料多為不連續(xù)探空數(shù)據(jù)，無法給出大氣穩(wěn)定度的連續(xù)性垂直分布，時間代表性較差。僅靠探空氣球很難獲得完整的大氣溫度廓線分布信息，而微波輻射儀可以24小時不間斷地獲取0～1km各高度層的溫度。本文根據(jù)微波輻射儀在濟南探測的溫度廓線數(shù)據(jù)，采用垂直溫度梯度法來研究濟南市的大氣穩(wěn)定度(靜力學(xué)穩(wěn)定度)逐月的日變化分布規(guī)律，以便為本地區(qū)的大氣污染防治提供資料和依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

溫度廓線數(shù)據(jù)由MTP-5(荷蘭 Kipp&Zonen)微波輻射儀24小時連續(xù)測量得到，該設(shè)備探測高度0～1000m，時間分辨率3min，空間分辨率50m。儀器安裝在濟南市環(huán)境監(jiān)測中心站5樓樓頂，離地面18m，海拔50m；2016年共獲取溫度廓線有效數(shù)據(jù)341天，其中7月、8月和10月分別缺數(shù)8天，11月缺數(shù)1天，數(shù)據(jù)有效率為93.2%，文中使用數(shù)據(jù)為3分鐘連續(xù)測量結(jié)果平均后的小時值。PM2.5和PM10數(shù)據(jù)由MET ONE BAM-1020分析儀測量。溫度隨高度的變化是大氣穩(wěn)定度狀況的定量判據(jù)之一，表1是國際原子能機構(gòu)(1980)推薦的具有大量實驗基礎(chǔ)的判據(jù)[11]，該方法適用于判斷穩(wěn)定大氣層結(jié)。通過計算百米溫度垂直遞減率，然后查表1就可以判斷大氣的穩(wěn)定狀況。

表1 溫度梯度分類方案

2 結(jié)果與分析

圖1是地面至1000m的大氣百米溫度垂直遞減率逐月統(tǒng)計的日變化分布圖，橫坐標(biāo)是時間，縱坐標(biāo)代表高度，色標(biāo)代表百米溫度垂直遞減率的變化范圍,顏色越偏向紅色表示大氣穩(wěn)定度越高。從圖1看，1月至12月大氣穩(wěn)定度分布呈波谷型分布，大氣穩(wěn)定度從穩(wěn)定逐漸轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定，最后再變?yōu)榉€(wěn)定；從1000m以下的大氣穩(wěn)定度分布相似度看，5-8月各層的穩(wěn)定度分布較相似，9月和10月較類似，11月和12月的大氣穩(wěn)定度分布較相似，2-4月處于過渡階段，差異性較大；1月、2月、3月、11月和12月0～1000m的大氣穩(wěn)定度分布呈上層穩(wěn)定度相對較高，下層穩(wěn)定度相對較低，大氣的垂直對流相對較弱；4-10月的大氣穩(wěn)定度在垂直上的分布呈上、下兩層穩(wěn)定度相對較低，中間層穩(wěn)定度相對較高，大氣的垂直對流相對較強。從全年看，1月和12月整體的大氣穩(wěn)定度最高，8月份大氣穩(wěn)定度最低；600～1000m的大氣穩(wěn)定度日變化較小，0～200m高度層大氣穩(wěn)定度日變化較大，說明200m以下的近地面大氣層受地表溫度的影響較大，城市熱島效應(yīng)較強。從日變化來看，白天層結(jié)不穩(wěn)定，夜間大氣層結(jié)偏于穩(wěn)定，反映了日照的變化對大氣穩(wěn)定度的影響。此外，受日照時長與日出時間的影響，夏季近地面出現(xiàn)不穩(wěn)定層結(jié)的時間較冬季早近2小時，且持續(xù)時間更長。

圖1 2016年濟南市百米溫度垂直遞減率逐月分布圖

大氣穩(wěn)定度受大氣的動力和熱力因素的影響，可影響污染物的垂直分布，而污染物的垂直分布又可間接地影響大氣溫度的垂直分布，進而影響大氣穩(wěn)定度的分布。圖2為2016年濟南市的PM2.5和PM10月均濃度分布圖，由圖2可見，PM2.5和PM10污染濃度分布與大氣穩(wěn)定度的分布呈現(xiàn)較好的正相關(guān)，在大氣穩(wěn)定度較高的冬季顆粒物污染較重，在大氣穩(wěn)定度較低的夏、秋季節(jié)顆粒物污染較輕；一年中1月和12月的PM2.5和PM10污染較重，明顯高于其他月份，受降水和大氣擴散條件影響8月份PM2.5和PM10濃度全年最低，而在3月和4月受到北方沙塵和浮塵天氣影響，PM10污染較重。

圖2 2016年濟南市PM2.5和PM10月平均濃度變化圖

從各類大氣穩(wěn)定度出現(xiàn)頻率的逐月變化統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得出，0～100m的大氣層出現(xiàn)中性、弱穩(wěn)定性和中等穩(wěn)定大氣的頻率平均為67.1%，且冬季>春季>秋季>夏季；100～1000m的大氣層出現(xiàn)中性、弱穩(wěn)定大氣的頻率大于99.9%，總體上，濟南市白天以中性大氣為主，夜間趨于弱穩(wěn)定性大氣。表2給出了近地層100m各類穩(wěn)定度出現(xiàn)的頻率，由表2可見，0～100m出現(xiàn)弱穩(wěn)定層結(jié)(E)頻率較高的月份為12月、11月和2月，出現(xiàn)頻率均大于20%，其次是1月，同時11月、12月出現(xiàn)不穩(wěn)定層結(jié)的頻率也相對較高，說明冬季低層大氣穩(wěn)定度較高，受冷空氣影響也會出現(xiàn)較高頻率的不穩(wěn)定層結(jié)；出現(xiàn)極不穩(wěn)定大氣層結(jié)(A)最多的月份為9月和11月，出現(xiàn)頻率分別為31.8%和29.1%，且夏季和秋季出現(xiàn)極不穩(wěn)定大氣層結(jié)的頻率明顯高于春季和冬季，說明夏、秋季節(jié)大氣對流旺盛，垂直對流較強，有利于污染物擴散。

表2 近地面100m各類穩(wěn)定度出現(xiàn)的頻率 單位：%

3 結(jié)論

(1)濟南市大氣邊界層內(nèi)的大氣穩(wěn)定度分布存在明顯的月變化和日變化規(guī)律。1月和12月整體的大氣穩(wěn)定度最高，8月份大氣穩(wěn)定度最低；5-8月1000m以下各層的穩(wěn)定度分布較相似，9月和10月較類似，11月和12月的大氣穩(wěn)定度分布較相似；1月、2月、3月、11月和12月0～1000m的大氣穩(wěn)定度分布呈上層穩(wěn)定度相對較高，下層穩(wěn)定度相對較低；4-10月的大氣穩(wěn)定度在垂直上的分布呈上、下兩層穩(wěn)定度相對較低，中間層穩(wěn)定度相對較高。從日變化來看，白天層結(jié)不穩(wěn)定，夜間大氣層結(jié)偏于穩(wěn)定，夏季近地面出現(xiàn)不穩(wěn)定層結(jié)的時間較冬季早近2小時，且持續(xù)時間更長；600～1000m的百米溫度垂直遞減率高度層日變化較小，0～200m的高度層日變化較大。

(2)PM2.5和PM10污染濃度分布與大氣穩(wěn)定度的分布呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，在大氣穩(wěn)定度較高的冬季顆粒物污染較重，在大氣穩(wěn)定度較低的夏、秋季節(jié)顆粒物污染較輕；一年中1月和12月的PM2.5和PM10污染較重，明顯高于其他月份，受降水和大氣擴散條件影響8月份PM2.5和PM10濃度全年最低，而在3月和4月受到北方沙塵和浮塵天氣影響，PM10污染也較重。

(3)0～100m的大氣層出現(xiàn)中性、弱穩(wěn)定性和中等穩(wěn)定大氣的頻率平均為67.1%，且冬季>春季>秋季>夏季；100～1000m的大氣層出現(xiàn)中性、弱穩(wěn)定大氣的頻率大于99.9%，總體上，濟南市白天以中性大氣為主，夜間趨于弱穩(wěn)定性大氣。0～100m出現(xiàn)弱穩(wěn)定層結(jié)頻率較高的月份分別為12月、11月和2月，其次是1月，同時11月、12月出現(xiàn)不穩(wěn)定層結(jié)的頻率也相對較高；出現(xiàn)極不穩(wěn)定大氣層結(jié)最多的月份為9月和11月，出現(xiàn)頻率分別為31.8%和29.1%，且夏季和秋季出現(xiàn)極不穩(wěn)定大氣層結(jié)的頻率明顯高于春季和冬季，說明夏、秋季節(jié)大氣對流旺盛，垂直對流較強，有利于污染物擴散。

總體上，濟南市大氣穩(wěn)定程度較高，主要以中性大氣和弱穩(wěn)定性大氣為主，大氣的擴散能力較差，易形成污染天氣。夜間大氣層結(jié)偏于穩(wěn)定，不利于污染物擴散，容易導(dǎo)致污染加重；中午偏于不穩(wěn)定，不同季節(jié)有差異，這與不同季節(jié)的日照時間、強度有關(guān)。

[1] 徐大海, 俎鐵林. 我國大氣穩(wěn)定度頻率的分布[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 1983, 3(1):52-61.

[2] 康凌, 張宏升, 王志遠(yuǎn),等. 不同下墊面大氣穩(wěn)定度分類方法的對比研究[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011, 47(1):66-70.

[3] 畢雪巖, 劉烽, 吳兌. 幾種大氣穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)計算方法的比較分析[J]. 熱帶氣象學(xué)報, 2005, 21(4):402-409.

[4] 范紹佳, 林文實. 理查遜數(shù)Ri在沿海近地層大氣穩(wěn)定度分類中的應(yīng)用[J]. 熱帶氣象學(xué)報, 1999(4):370-375.

[5] 楊勇杰, 談建國, 鄭有飛,等. 上海市近15a大氣穩(wěn)定度和混合層厚度的研究[J]. 氣象科學(xué), 2006, 26(5):536-541.

[6] 楊賢為, 葉殿秀, 馬天健,等. 北京地區(qū)冬、春季節(jié)大氣穩(wěn)定度演變特征[J]. 氣象, 2002, 28(1):43-46.

[7] 朱業(yè)玉, 潘攀, 張方. 河南大氣穩(wěn)定度的分布特征[J]. 氣象與環(huán)境科學(xué), 2011, 34(1):19-22.

[8] 陳建文, 胡琳, 王娟敏,等. 陜西省大氣穩(wěn)定度分布特征研究[J]. 水土保持研究, 2013, 20(3):299-304.

[9] 金莉莉, 何清, 李振杰,等. 烏魯木齊市低層大氣穩(wěn)定度分布特征的統(tǒng)計分析[J]. 氣象, 2016, 42(8):996-1006.

[10] 郝巨飛, 張功文. 邢臺市大氣穩(wěn)定度和混合層厚度特征研究[J]. 氣象科技, 2016, 44(1):118-122.

[11] 蔣維楣，孫鑒濘，曹文俊,等.空氣污染氣象學(xué)教程[M].北京：氣象出版社, 2004:81-82.

Astudyonthestatisticalanalysisofdistributioncharacteristicsofatmosphericstabilityusingmicrowaveradiometer

He Tao1, Lv Bo2, Li Min2, Hou Lujian2
(1. Changzhou Environmental Monitoring Center, Changzhou 213001, China;2. Ji'nan Environmental Monitoring Center, Ji'nan 250014, China;)

According to the observation data of temperature profile measured by MTP-5 microwave radiometer in Ji'nan in 2016, an analysis on statistical characteristics of monthly atmospheric stability under 1km in Ji'nan was carried out, and a study on the effect of the atmospheric stability on the concentrations of PM2.5and PM10was then followed. The results show that the atmospheric stability is higher in Ji'nan, predominated by the neutral and weak stability. Significant monthly and diurnal variation on distribution of atmospheric stability in the atmospheric boundary layer of Ji'nan was observed, whereas the atmospheric stability is higher at night, and the atmospheric stratification is unstable at noon. The diurnal variation of atmospheric stability is significant at the lower level of atmosphere, while that for atmosphere over 600 meters is insignificant. There exists a positive correlation between the distribution of atmospheric stability and monthly mean concentrations of PM2.5and PM10.

microwave radiometer；atmospheric stability；PM2.5；PM10

P431，X823

A

國家自然科學(xué)基金專項基金(41240033)資助

2017-07-21； 2017-09-04修回

何濤(1983-),男,工程師,主要從事大氣污染研究工作。E-mail:hetaok2008@163.com