廣州地區(qū)灰霾過程和清潔過程的邊界層特征對比分析

廖碧婷,黃 俊,王春林,翁靜嫻,李黎微,蔡 桓,吳 兌

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廣州地區(qū)灰霾過程和清潔過程的邊界層特征對比分析

廖碧婷1,黃 俊2,王春林2,翁靜嫻1,李黎微1,蔡 桓1,吳 兌3,4*

(1.廣州黃埔區(qū)氣象局,廣州 廣東 510530；2.廣州市氣候與農業(yè)氣象中心,廣州 廣東 510080；3.暨南大學質譜儀器與大氣環(huán)境研究所,廣州 廣東 510630；4.暨南大學廣東省大氣污染在線源解析系統(tǒng)工程技術研究中心,廣州 廣東 510630)

利用2014~2016年廣州國家基本氣象站的微波輻射計、風廓線雷達和地面觀測數(shù)據(jù),研究廣州地區(qū)灰霾過程和清潔過程的邊界層結構特征.結果表明:(1)灰霾過程中,270m高度以下風速隨高度遞減,270m高度以上的風速隨高度遞增,2000m以下的風速增率小于2000m以上的風速增率,盛行風向隨高度的增加呈順時針旋轉,510m高度以下風速基本小于3.0m/s,其中08:00至20:00,390m高度以下風速小于2.0m/s;清潔過程中510~1590m和2790~3000m存在風速大于5.0m/s的高值中心, 1830m高度以下,清潔過程各層的平均風速明顯高于灰霾過程;(2)貼地逆溫與能見度總體上呈負相關,與PM2.5濃度呈正相關,相關系數(shù)分別為-0.367和0.455,而當貼地逆溫和低空逆溫同時存在時,其相關性更高,其相關系數(shù)分別為-0.5和0.601,說明多層逆溫的存在更容易出現(xiàn)灰霾天氣.灰霾過程中,低空逆溫與能見度和PM2.5的相關不明顯,而清潔過程中,低空逆溫的出現(xiàn)主要與冷空氣南下有關,其與能見度呈正相關(0.217),和PM2.5濃度呈負相關(-0.64),低空逆溫不利于灰霾天氣形成;(3)灰霾過程中,貼地逆溫出現(xiàn)頻率為60.68%,平均逆溫強度為1.38℃/100m,平均逆溫厚度為153.20m,明顯高于清潔過程; 清潔過程中,低空逆溫的逆溫強度、厚度和出現(xiàn)頻率分別為0.27℃/100m、691.07m和64.61%,明顯高于灰霾過程. (4)清潔過程的混合層高度明顯高于灰霾過程,清潔過程的日均混合層高度(958.92m)是灰霾過程(398.03m)的2.4倍.

廣州；灰霾過程；清潔過程；逆溫；垂直風場；混合層高度

大氣邊界層是地面動量、熱量和水汽向自由大氣輸送的重要層次,大氣污染物的輸送擴散與邊界層中風的變化、大氣層結的穩(wěn)定狀況、低空逆溫出現(xiàn)頻率及強度、混合層高度和厚度等氣象條件有著直接的關系.在不同的氣象條件下,同一污染源排放所造成的地面污染物濃度可相差幾十倍乃至幾百倍,因此研究邊界層變化特征對大氣污染的形成機理研究有重要意義.

許多學者針對珠江三角洲地區(qū)邊界層特征及其對大氣污染的影響開展了廣泛研究,取得了很多成果.經過長時間的觀測研究積累,范紹佳等[1]建立了珠江三角洲大氣邊界層概念模型,以解釋珠江三角洲大氣邊界層影響空氣質量的一般機理,大氣邊界層中的風向、風速、逆溫(逆溫的存在、逆溫強度和厚度)、混合層高度等氣象條件在污染物的擴散和輸送中起到了主要作用[2-7],其他研究者提出矢量和、垂直交換系數(shù)和回流指數(shù)等表征大氣擴散條件的特征物理量,從近地層水平輸送和垂直擴散條件定量分析大氣污染形成機理[8-12],吳兌等[8]認為較小的矢量和往往對應著與區(qū)域霾天氣密切相關的氣流停滯區(qū),較大的矢量和則對應較強的平流輸送能力;廖碧婷等[10]則指出當垂直交換系數(shù)小于15000,該地較容易出現(xiàn)灰霾天氣,反之則較難出現(xiàn)灰霾天氣;陳曉陽等[12]得出,使用回流指數(shù)0.6作為閾值能較好區(qū)分局地污染物堆積與上風向污染物輸送兩種因素在冷高壓型污染過程中何者占主導,當回流指數(shù)普遍低于0.6則是污染物局地回流堆積作用更明顯,反之則是上風向污染物的輸送影響更明顯.大量典型個例分析證明邊界層氣象條件對污染的形成和消散起到重要的作用[13-21].但以往大部分研究基本是基于地面氣象資料和傳統(tǒng)探空資料研究而得,利用微波輻射計、風廓線雷達等新型垂直探測資料的研究較為薄弱,且廣州地區(qū)的相關研究較少.本項目主要利用2014~2016年廣州國家基本氣象站的微波輻射計和風廓線雷達觀測數(shù)據(jù),研究廣州地區(qū)灰霾過程和清潔過程邊界層垂直氣象條件變化特征,為大氣污染研究和防治工作的開展提供參考.

1 資料與方法

1.1 資料

本文氣象資料來源于廣州國家基本氣象站,氣象觀測執(zhí)行國家基本氣象站的數(shù)據(jù)觀測相關標準,所有設備進行過校準.能見度數(shù)據(jù)采用的是美國Belfort公司的Model 6000型前向散射式能見度儀.所有資料均進行了嚴格的質量控制,當出現(xiàn)明顯降水時,能見度儀的觀測值會出現(xiàn)明顯降低,因此本文所用數(shù)據(jù)均已剔除出現(xiàn)降水時的資料.空氣質量數(shù)據(jù)來自于廣州環(huán)境監(jiān)測中心站.本文所用的資料時段為2014~2016年.

風廓線雷達為北京無線電測量研究所生產的對流層風廓線雷達,型號為CFL-08.風廓線雷達通過發(fā)射和接收返回的電磁波信號,可提供邊界層不同高度的水平方向上的風向風速、垂直速度、大氣折射率結構常數(shù)、譜寬等其他探測手段難以獲取的資料.實時數(shù)據(jù)采樣間隔時間為6min,輸出時間間隔為6min、0.5h和1h,垂直探測最大高度為16km, 3270m高度內的垂直空間分辨率為120m,3270~ 5430m高度的分辨率為240m, 5430m以上為480m.本文主要使用1h間隔的數(shù)據(jù)分析10km以下的風速風向特征.

邊界層溫度廓線數(shù)據(jù)是由德國生產的RPG- HATPRO-G3型微波輻射計進行同步觀測,邊界層溫度廓線觀測高度為0~2km,共有38層,分別為0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 75, 90, 110, 130, 150, 170, 200, 230, 260, 300, 340, 380, 420, 470, 520, 590, 660, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000m,邊界層溫度數(shù)據(jù)時間間隔為20min,本文對1h內的數(shù)據(jù)進行平均處理,得到和風廓線一致的逐小時數(shù)據(jù)時間序列.利用微波輻射計2016年觀測的最低層氣溫日均值與廣州國家基本氣象站觀測的氣溫日均值進行擬合,結果如圖1所示.由圖1可見,微波輻射計觀測得到的地面氣溫日均值與廣州國家基本氣象站的變化趨勢較為一致,呈顯著的正相關,2高達0.91.這說明微波輻射計觀測的溫度數(shù)據(jù)具有較高的可信度.

圖1 2016年廣州國家基本氣象站和微波輻射計最低層氣溫和廣州國家基本氣象站氣溫關系

1.2 方法

應用常規(guī)地面氣象要素來確定混合層高度有許多方法,本文主要采用國標法計算.國標法是根據(jù)國家環(huán)境保護局制定的國家標準(GB/T13201-91)[22]中規(guī)定的計算混合層高度的方法,在對污染物的研究中較為常用.該方法考慮了大氣的熱力和動力影響因子,實質上是認為近地層的熱狀況在相當程度取決于地面加熱和冷卻程度[23],可以直接利用常規(guī)地面氣象觀測資料進行計算.

灰霾過程和清潔過程判斷:排除降水日,當日均能見度小于10km且相對濕度小于等于90%時,判斷為灰霾日.當連續(xù)3d出現(xiàn)灰霾日時,則作為一次典型灰霾過程.當連續(xù)3d日均能見度大于15km且沒有出現(xiàn)灰霾時(小時能見度小于10km且相對濕度小于等于90%的時次)的情況,則作為一次典型清潔過程.

2 結果分析

2.1 廣州地區(qū)灰霾過程和清潔過程概況

根據(jù)廣州國家基本氣象站日平均能見度和相對濕度資料統(tǒng)計得出2014~2016年廣州地區(qū)的灰霾過程和清潔過程分別如表1和表2所示.由表1可見,出廣州地區(qū)大范圍的、持續(xù)時間長的灰霾天氣過程主要出現(xiàn)在每年的10月至次年的4月,持續(xù)時間最長的灰霾天氣過程出現(xiàn)在2016年11月12~19日,長達8d. 2014~2016年共出現(xiàn)8次典型灰霾過程和5次典型清潔過程,其中1月份最容易出現(xiàn)灰霾天氣.所有典型灰霾過程的平均能見度為6.02km,平均相對濕度為78.31%,平均風速1.61m/s,其首要污染物主要為PM2.5或NO2.由表2可見,排除有灰霾時的清潔過程, 平均能見度為22.85km,平均相對濕度較灰霾過程低,為57.75%,其相對濕度介于29.33~ 72.67%,平均風速為3.82m/s,是灰霾過程的1.4倍.可見,發(fā)生灰霾過程期間的能見度較清潔過程低,相對濕度較清潔過程大,風速較清潔過程小.

表1 2014~2016年廣州地區(qū)灰霾過程

表2 2014~2016年廣州地區(qū)清潔過程

2.2 灰霾過程和清潔過程風場的垂直變化特征

對2014~2016年廣州所有灰霾過程和清潔過程期間的逐時風速廓線進行平均統(tǒng)計,得到逐時平均風速廓線日變化,重點選取3000m高度內的數(shù)據(jù)進行分析,如圖2所示.由圖2(a)可知,2014~2016年廣州地區(qū)灰霾過程中3000m高度以下的風速日變化不明顯,逐時風速廓線差異較小,說明邊界層內的風場比較穩(wěn)定,大氣湍流日變化比較弱,污染物難以擴散,從而有利于灰霾天氣的形成和維持.垂直高度上風速總體隨高度升高而增大,2000m高度下的風速遞增率小于2000m以上的高層;在1600m高度下,風速基本小于4m/s,整體的風場輸送能力較弱;高度510m以下的風速基本小于3.0m/s,為明顯的小風層,其中13:00至17:00,風速小于3.0m/s的高度可伸展到870m.08:00至20:00,390m高度以下穩(wěn)定存在風速小于2.0m/s的區(qū)域,張人文等[24]對珠江三角洲區(qū)域大氣污染的研究表明,區(qū)域平均風速小于1.8m/s時會出現(xiàn)局地空氣污染.可見,廣州地區(qū)灰霾過程中,近地層存在小風層有利于灰霾天氣的持續(xù).

圖2 2014~2016年廣州地區(qū)灰霾過程(a)和清潔過程(b)垂直風速日變化

圖2(b)給出了2014~2016年廣州地區(qū)清潔過程的風場垂直變化特征.由圖2可知,清潔過程的風場垂直變化特征與灰霾過程存在明顯的差異.雖然300m高度以下也存在風速小于2m/s的小風層,但在日變化時間上并沒有像灰霾過程那樣連續(xù),而是斷斷續(xù)續(xù)有高于2m/s的區(qū)域存在, 且小風層的厚度也較淺薄,有利于污染物的擴散和清除.在510~ 1590m和2790-3000m高度區(qū)域存在風速大于5.0m/s的高值中心,有利于污染物的有效擴散,這與梁碧玲等[25]研究得出400~1000m的風力強勁時,不利于灰霾天氣的形成的結論較為一致.

圖3 2014~2016年廣州地區(qū)灰霾過程和清潔過程垂直平均風速廓線

統(tǒng)計灰霾和清潔過程期間0~10km高度上的平均風速廓線,最低層(0m)為地面觀測數(shù)據(jù),如圖3所示,灰霾過程的平均風速垂直廓線與清潔過程的存在明顯差異.灰霾過程中,除270m高度以下風速隨高度遞減外,270m高度以上的各層平均風速基本隨高度增加而增加, 500m以下均低于2.0m/s,這與吳蒙等[11]得出污染日情況下,廣州地區(qū)低層風速普遍小于3.0m/s,300m高度以下甚至小于2m/s的結論一致.此外2000m以下的各層平均風速均低于4.0m/s.清潔過程中, 270m高度以下風速也隨高度遞減,但風速總體比灰霾過程高,270~630m風速隨高度從2.31m/s快速增加到5.72m/s,之后在630m~1230m高度內基本為等風速區(qū),1230~2310m風速又出現(xiàn)隨高度遞減,但各層平均風速基本大于3.0m/s.清潔過程中0-1830m和3270~4710m的各層平均風速均比灰霾過程的高,但其余層高度的風速卻比灰霾過程低,特別是在8000m高度以上表現(xiàn)得更為明顯.

進一步統(tǒng)計了10km高度內不同高度層的風向頻率,得出不同高度層的盛行風向和頻率(表3).由表3可見,廣州地區(qū)灰霾過程中,地面盛行風向為偏北風(N),出現(xiàn)頻率為30.54%,150~1950m盛行風向基本為偏東風(E)或東南偏東風(ESE),2070~2910m盛行風向為西南偏西風(WSW),3030m以上盛行風向均為偏西風(W),即廣州地區(qū)灰霾過程中,盛行風向隨高度的增加呈順時針旋轉.第二盛行風向隨高度從西北偏北風(NNW)逐漸轉變到西北偏西風(WSW),也呈順時針旋轉.這與范紹佳等得出的結論較為一致[26].清潔過程中,地面盛行風向也為偏北風(N),出現(xiàn)頻率高達64.46%,為灰霾過程的2倍,說明廣州地區(qū)清潔過程主要與冷空氣南下,北風加大,利于污染物擴散的天氣過程有關.150~2670m盛行風向基本在東北偏北風(NNE)和偏東風(E)之間擺動,2790m以上盛行風向均為偏西風(W),第二盛行風向則隨高度變化較大.總體而言,清潔過程的盛行風向隨高度也大致呈順時針旋轉,但特征沒有灰霾過程明顯.

表3 2014~2016年廣州地區(qū)灰霾過程和清潔過程風向頻率變化

續(xù)表3

高度(m)灰霾過程清潔過程 盛行風向風頻(%)第二盛行風向風頻(%)平均風速(m/s)盛行風向風頻(%)第二盛行風向風頻(%)平均風速(m/s) 870ESE19.63E15.533.29NE30.27ENE29.975.79 990ESE17.89E17.523.51ENE30.56E20.775.74 1110E17.39ESE15.403.64ENE31.16E19.295.70 1230E17.89ESE14.413.74ENE27.89E22.265.80 1350E18.88ESE11.803.72ENE28.78E19.295.54 1470E19.13ESE11.683.78ENE29.38E18.995.20 1590E16.77S10.683.88ENE25.82E20.774.83 1710E16.02SSW10.683.89E29.08ENE24.044.39 1830E16.40SW11.803.87E34.72ENE19.584.01 1950E16.15WSW11.553.94E35.31ENE18.993.74 2070WSW14.16E13.424.11E27.60ENE19.583.45 2190WSW17.02SW11.934.45E22.26ENE16.913.42 2310WSW19.75W11.554.95ENE14.54E13.653.35 2430WSW22.11W13.795.42E14.24NNE13.653.54 2550WSW22.98W15.905.83NNE13.95NE12.463.58 2670WSW22.48N18.396.33NNE13.06N10.683.80 2790WSW30.81N26.717.21W27.00N14.847.24 2910WSW30.93W28.707.94W30.86NNW12.767.76 3030W31.18WSW28.948.62W33.23WSW8.618.49 3150W32.42WSW28.709.31W35.61WSW9.799.29 3270W31.30WSW29.329.60W42.14WSW13.3510.89 3510W29.32WSW28.829.96W47.48WSW16.3211.52 3750W35.78WSW24.4710.34W48.66WSW17.5112.18 3990W38.26WSW22.3610.78W54.01WSW16.0212.84 4230W40.62WSW20.5011.37W59.35WSW12.7613.48 4470W42.98WSW21.9912.25W61.13WSW12.4613.91 4710W45.71WSW21.2413.44W59.05WSW14.5414.13 4950W45.59WSW21.4914.63W52.52WSW18.4014.43 5190W43.85WSW21.6115.47W53.41WSW17.5115.16 5430W41.99WSW19.3816.91W50.74WSW19.5815.87 5910W40.00WSW18.2618.08W49.26WSW22.5516.45 6390W36.52WSW20.1219.29W45.70WSW26.7117.16 6870W36.77WSW25.7120.52W45.70WSW27.3020.46 7350W38.63WSW24.8422.49W51.63WSW29.9721.42 7830W44.35WSW21.6124.72W62.02WSW23.1522.46 8310W45.71WSW18.0126.66W66.17WSW18.9923.73 8790W40.62WSW18.1429.04W61.72WSW20.1824.46 9270W35.16WSW16.6532.45W49.55WSW21.6624.60 9750W26.21WSW18.0136.17W32.94WSW17.8023.98

由以上分析可知,在高度1830m以下,清潔過程各層的平均風速明顯高于灰霾過程,有利于污染物的擴散,而這一高度層通常是邊界層內對地面污染物影響比較大的一層.在高度1830m以上,灰霾過程的風速有時比清潔過程大,但因高層風力對灰霾天氣的形成和消散作用不明顯,在這里不做詳細討論分析.

2.3 灰霾過程和清潔過程的溫度層結特征

對2014~2016年廣州所有灰霾過程和清潔過程期間的逐時溫度廓線進行平均統(tǒng)計,得到逐時平均溫度廓線日變化,如圖4所示.由圖4(a)可見,灰霾過程中,廣州地區(qū)的溫度隨高度的垂直分布日變化非常顯著.白天的氣溫隨高度呈遞減型分布,尤其是中午時段(12:00~17:00).夜間時段(18:00~23:00)和凌晨時段(00:00~08:00)逆溫現(xiàn)象較為明顯.由圖4(b)可見,清潔過程的溫度層結特征與灰霾過程存在顯著差異.清潔過程中,廣州地區(qū)800m以下的氣溫隨高度呈遞減型分布,基本無逆溫出現(xiàn),但在800~1700m顯著存在逆溫現(xiàn)象.對灰霾過程和清潔過程的垂直溫度廓線進行平均,如圖5所示.由圖可知,灰霾過程在近地層存在逆溫現(xiàn)象,清潔過程則在中高層的逆溫現(xiàn)象較明顯.

圖4 2014~2016年廣州灰霾過程(a)和清潔過程(b)的垂直溫度廓線日變化

根據(jù)吳兌等[27]的逆溫計算方法,整理得到2014~2016年廣州地區(qū)灰霾過程的貼地逆溫(底高0~100m之間)和低空逆溫(底高100~1000m之間)的平均強度、平均厚度和出現(xiàn)頻率,如表4所示.逆溫層底在1000m以上為中空逆溫,它主要與天氣系統(tǒng)的活動相聯(lián)系,這里不作討論.

由表4可見,2014~2016年灰霾過程中,廣州地區(qū)都存在貼地逆溫,且出現(xiàn)頻率(出現(xiàn)頻率=出現(xiàn)逆溫的總時次/過程的總時數(shù))基本都大于60%,平均出現(xiàn)頻率高達60.68%;逆溫強度除了兩個過程外,其余均大于1.0℃/100m,平均逆溫強度為1.38 ℃/100m,高于吳蒙等[11]利用清遠探空資料得出的珠江三角洲地區(qū)污染日平均逆溫強度(0.62℃/100m);逆溫厚度平均為153.20m,最大可達177.27m.與吳蒙等[11]得出污染日珠江三角洲地區(qū)貼地逆溫平均厚度(155m)相差不大.低空逆溫出現(xiàn)的頻率和強度都比較小,出現(xiàn)頻率基本小于10%,逆溫強度基本小于0.2℃/100m,但逆溫厚度較貼地逆溫大,平均逆溫厚度為347.45m,最大可達828.50m.

圖5 2014~2016年廣州地區(qū)灰霾過程和清潔過程的垂直溫度廓線

清潔過程中,廣州地區(qū)也存在貼地逆溫,但出現(xiàn)頻率和逆溫強度都顯著低于灰霾過程.其中出現(xiàn)頻率基本小于10%,平均出現(xiàn)頻率為8.61%;逆溫強度均小于1.0℃/100m,平均逆溫強度僅為灰霾過程的三分之一,為0.46℃/100m;逆溫厚度平均為111.71m,最大為137.14m,也較灰霾過程小;但低空逆溫的出現(xiàn)頻率、強度和厚度反而比灰霾過程大,平均逆溫強度、厚度和出現(xiàn)頻率分別為0.27℃/100m、691.07m和64.61%.研究表明,低空逆溫的形成比較復雜,可以由貼地逆溫抬升而成,也可與地形及天氣系統(tǒng)活動有關[28].而由表3可知,清潔過程中,510~1590m存在風速大于5.0m/s的高值中心,且主導風向以東北風為主,低空逆溫底高介于795~873m,綜合來看,廣州地區(qū)清潔過程出現(xiàn)的低空逆溫與冷空氣南下有關.

表4 2014~2016年廣州地區(qū)灰霾過程和清潔過程的逆溫情況

表5 2014~2016年廣州地區(qū)灰霾過程和清潔過程逆溫強度與能見度及PM2.5濃度的相關性

注:*代表相關通過0.001的顯著性檢驗.

由表5可知,在所選取的灰霾過程和清潔過程中,貼地逆溫與能見度呈負相關,與PM2.5濃度呈正相關,平均相關系數(shù)分別為-0.367和0.455,其在灰霾過程中,貼地逆溫與能見度及PM2.5濃度相關系數(shù)分別為-0.270和0.246,清潔過程中,則分別為-0.277和0.588,說明貼地逆溫的存在,逆溫強度的高低對污染物的擴散有較大的影響.低空逆溫在灰霾過程中與能見度和PM2.5濃度的相關不太明顯,而在清潔過程中則與能見度呈正相關,和PM2.5濃度呈負相關,相關系數(shù)分別為0.217和-0.640.低空逆溫出現(xiàn)的底高基本在800m高度以上,配合風廓線雷達觀測數(shù)據(jù),這高度區(qū)間主導風向以東北風為主,這可能和清潔過程低空逆溫的形成主要與冷空氣南下有關,表現(xiàn)為低空逆溫強度越強,則越不利于灰霾天氣的出現(xiàn).此外,當貼地逆溫和低空逆溫同時存在時,貼地逆溫強度和能見度及PM2.5濃度的相關更高, 貼地逆溫強度和能見度及PM2.5濃度的相關分別為-0.500和0.601.其中,灰霾過程的貼地逆溫強度和能見度及PM2.5濃度的相關分別為-0.427和0.506,清潔過程的則分別為-0.321和0.564,這說明多層逆溫的存在更不利于污染物的擴散,更容易出現(xiàn)灰霾天氣.

由以上分析可知,貼地逆溫抑制污染物的擴散,低空逆溫有利于污染物的擴散,但兩者同時存在時,大氣擴散條件則反而更加惡化.

表6和表7統(tǒng)計了灰霾過程和清潔過程期間不同時刻的貼地逆溫和低空逆溫信息情況.由表6可見,2014~2016年廣州地區(qū)灰霾過程中,貼地逆溫在00:00~08:00、17:00~23:00均有很高的出現(xiàn)頻率,基本都超過80%,在09:00~16:00出現(xiàn)頻率則較低,其中在10:00、12:00~13:00和15:00的出現(xiàn)頻率為0%;逆溫強度則在00:00~07:00和19:00~23:00基本大于1.0℃/100m,在08:00~18:00逆溫強度則小于1.0℃/100m.低空逆溫在00:00~12:00均有一定的出現(xiàn)頻率,13:00后則基本出現(xiàn)頻率為0(14:00和22:00除外);逆溫強度均較低,基本低于0.2℃/100m.由表7可見,清潔過程中,貼地逆溫在00:00~08:00和17:00~23:00均有一定的出現(xiàn)頻率,但出現(xiàn)頻率和逆溫強度都明顯低于灰霾過程,在09:00~16:00的出現(xiàn)頻率為0.低空逆溫則在00:00~23:00均有較高的出現(xiàn)頻率,基本都大于40%,逆溫強度也較為均勻,介于0.29~0.37℃/100m之間.

表6 2014~2016年廣州地區(qū)灰霾過程和清潔過程的逆溫日變化情況

注:逐時逆溫出現(xiàn)頻率為相應時次出現(xiàn)逆溫次數(shù)與相應時次總時數(shù)之比.

表7 2014~2016年廣州地區(qū)清潔過程的逆溫日變化情況

續(xù)表7

時刻貼地逆溫低空逆溫 平均強度平均厚度出現(xiàn)頻率(%)平均強度平均厚度出現(xiàn)頻率(%) 16:00--0.000.34791.2547.06 17:000.2050.0011.760.34813.0041.18 18:000.4293.3317.650.36776.8641.18 19:000.6895.0023.530.33707.0052.94 20:000.6690.0023.530.31712.3352.94 21:000.48101.0029.410.31589.8264.71 22:000.67120.0023.530.29679.7058.82 23:000.92160.0017.650.29616.4564.71

2.4 灰霾過程和清潔過程的混合層高度

基于廣州國家基本氣象站08:00、14:00和20:00的氣象觀測數(shù)據(jù),利用國標法計算得出灰霾過程和清潔過程的混合層高度如圖6所示.由圖6(a)可知,灰霾過程中,廣州地區(qū)混合層高度平均值為398.03m,高于徐虹等[29]得出天津重污染天氣過程的混合層高度均值(150~266m).20:00的混合層高度變化趨勢最為平緩,14:00的混合層高度變化幅度最大.三個時次的混合層高度高低次序大致為20:00<08:00<14:00.廣州地區(qū)灰霾過程中08:00的混合層高度平均值為361.21m,14:00的混合層高度平均值為656.49m,20:00的混合層高度平均值為230.34m. 08:00和20:00的平均混合層高度與劉建等[30]得出東莞地區(qū)灰霾過程的邊界層高度較為一致,14:00低于其得出的16:00的混合層高度.

清潔過程中,廣州地區(qū)混合層高度平均值為958.92m. 08:00、14:00和20:00的混合層高度變化幅度均較大.三個時次的混合層高度高低次序在不同時段不一致,平均值次序和灰霾過程一致,為20:00<08:00<14時.08:00的混合層高度平均值為867.25m, 14:00的混合層高度平均值為1229.97m, 20:00的混合層高度平均值為779.34m,均明顯大于灰霾過程相應時次的平均混合層高度.廣州地區(qū)清潔過程的混合層高度低于劉超等[31]利用L波段探空雷達秒數(shù)據(jù)基于總理查森法、逆溫法、位溫梯度法和羅氏法算出北京單個清潔過程混合層高度(08:00和20:00均在1000m以上),高于徐虹等[29]得出天津清潔過程的混合層高度(462m).

混合層高度是影響能見度的另一個重要因素,混合層高度越高,越有利于污染物垂直方向的擴散,能見度越高;反之,能見度越低,有利于灰霾過程的發(fā)生.對典型清潔過程和灰霾過程期間的能見度和混合層高度進行日平均統(tǒng)計和線性擬合,如圖7所示.由圖7可知,混合層高度和能見度呈正相關關系,其相關系數(shù)為0.72,通過0.001的顯著性檢驗,根據(jù)擬合曲線可得出,當日均能見度低于10km時,對應的日均混合層高度低于464.18m.

圖7 2014~2016年廣州地區(qū)清潔過程和灰霾過程期間日均能見度和日均混合層高度的擬合

3 結論

3.1 廣州地區(qū)灰霾過程中, 270m高度以下風速隨高度遞減,270m高度以上的風速隨高度增加而增大,2000m以下的風速增率小于2000m以上的風速增率,盛行風向隨高度的增加呈順時針旋轉, 510m高度以下風速基本小于3.0m/s,其中08:00至20:00,390m高度以下風速小于2.0m/s.清潔過程中, 270m高度以下風速也隨高度遞減,510~1590m和2790~3000m存在風速大于5.0m/s的高值中心,盛行風向隨高度也大致呈順時針旋轉,但特征沒有灰霾過程明顯. 1830m高度以下,清潔過程各層的平均風速明顯高于灰霾過程,有利于邊界層內污染物的擴散.

3.2 貼地逆溫與能見度呈負相關,與PM2.5濃度呈正相關,相關系數(shù)分別為-0.367和0.455.灰霾過程中,貼地逆溫出現(xiàn)頻率為60.68%,平均逆溫強度為1.38℃/100m,平均逆溫厚度為153.2m;清潔過程中,貼地逆溫出現(xiàn)頻率為8.61%,平均逆溫強度為0.46℃/100m, 平均逆溫厚度為111.71m,均明顯低于灰霾過程.說明貼地逆溫的存在,逆溫強度的高低對污染物的擴散有較大的影響.

3.3 在灰霾過程中低空逆溫與能見度和PM2.5濃度的相關不太明顯,而在清潔過程中則與能見度呈正相關,和PM2.5濃度呈負相關,相關系數(shù)分別為0.217和-0.64.清潔過程中,低空逆溫的逆溫強度、厚度和出現(xiàn)頻率分別為0.27℃/100m、691.07m和64.61%,明顯高于灰霾過程.低空逆溫出現(xiàn)的底高基本在800m高度以上,配合風廓線雷達觀測數(shù)據(jù),這高度區(qū)間主導風向以東北風為主,這可能和低空逆溫的形成主要與冷空氣南下有關,因此低空逆溫強度越強,越不利于出現(xiàn)灰霾天氣.

3.4 當貼地逆溫和低空逆溫同時存在時,貼地逆溫強度與能見度和PM2.5濃度的相關性更高, 貼地逆溫強度與能見度和PM2.5濃度的相關系數(shù)分別為-0.5和0.601.其中,灰霾過程的貼地逆溫強度和能見度及PM2.5濃度的相關分別為-0.427和0.506,清潔過程的則分別為-0.321和0.564,這說明多層逆溫的存在更不利于污染物的擴散,更容易出現(xiàn)灰霾天氣.

3.5 清潔過程的混合層高度明顯高于灰霾過程,清潔過程的日均混合層高度(958.92m)是灰霾過程(398.03m)的2.4倍.混合層高度和能見度呈正相關關系,其相關系數(shù)為0.72.根據(jù)兩者線性相關分析可得,當日均能見度低于10km時,對應的日均混合層高度低于464.18m.

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Comparative analysis on the boundary layer features of haze processes and cleaning process in Guangzhou.

LIAO Bi-ting1, HUANG Jun2, WANG Chun-lin2, WENG Jin-xian1, LI Li-wei1, CAI Huan1, WU Dui3,4*

(1.Guangzhou Huangpu Meteorology, Guangzhou 510530, China；2.Climatic Center of Guangdong Province, Guangzhou 510080, China；3.Jinan University Institute of Mass Spectrometry and Atmospheric Environment, Guangzhou 510630；4.Guangdong Engineering Research Center for Online Atmospheric Pollution Source Apportionment Mass Spectrometry System, Jinan University, Guangzhou 510630, China)., 2018,38(12)：4432~4443

Base on the ground weather data and data of microwave radiometer and wind profile from 2014 to 2016 in Guangzhou national climate observatory, the characteristics of boundary layer structure of the typical during haze processes and cleaning process in Guangzhou are studied. The results are showed as follows:(1) In haze process, the wind speed decreases with height below 270m, but increases with height over 270m, and the increase rate of wind speed below 2000m is lower than that over 2000m. The prevailing wind direction rotates clockwise with height. The wind speed below 510m height is basically less than 3.0m/s, and from 08am to 20pm, the wind speed is less than 2.0m/s below 390m. In cleaning process, there is a speed higher than 5.0m/s zone at 510~1590m and 2790~3000m respectively. Below the height of 1830m, the average wind speed of each layer in the cleaning process is obviously higher than that in haze process. (2) The low temperature inversion was negatively correlated with visibility and positively correlated with concentration of PM2.5, and the correlation coefficients are -0.367 and 0.455respectively. The correlation coefficients is higher when the low temperature inversion and low altitude inversion are simultaneously, and the correlation coefficients are -0.5 and 0.601, respectively. It shows that the existence of multilayer inversion is more prone to haze weather. In haze process, the correlation of low altitude inversion to visibility and PM2.5was not obvious. In cleaning process, the occurrence of low altitude inversion was mainly related to the cold air coming down from the north, which was positively correlated with visibility (0.217), and negatively correlated with the concentration of PM2.5(-0.64). Low altitude inversion is not conducive to the formation of haze weather. (3) During haze process, the frequency of the low temperature inversion is 60.68%, the average inversion intensity is 1.38℃/100m, and the averageinversion layer thickness is 153.2m, which is obviously higher than that of the cleaning process. During cleaning process, the average frequency of occurrence, inversion intensity and inversion layer thickness of low temperature inversion are 64.61%, 0.27℃ /100m and 691.07m respectively, which are significantly higher than those of haze process. (4) The mixing layer height of cleaning process is obviously higher than that of the haze process. The daily mixing layer height (958.92m) of cleaning process is 2.4times that of haze process (398.03m).

Guangzhou；haze process；cleaning process；temperature inversion；vertical wind field；mixing height

A

1000-6923(2018)12-4432-12

廖碧婷(1986-),女,廣東清遠人,工程師,碩士,主要研究方向大氣物理學與大氣環(huán)境.發(fā)表論文10余篇.

2018-05-19

國家重點研發(fā)計劃項目課題(2016YFC0203305, 2016YFC0201901);廣州市產學研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(201604020028);廣東省氣象局科研項目(GRMC2017M27,2016Q10);廣東省氣象局科技創(chuàng)新團隊計劃項目(201704)

* 責任作者, 教授, wudui.vip@foxmail.com