基于L波段高空探測系統(tǒng)的貴陽邊界層上空大氣逆溫特征

閔昌紅 黃世芹 吳丹

摘要 利用貴陽L波段探空雷達建站以來2003—2017年探測資料，對貴陽大氣邊界層上空高度大于1 500 m逆溫和強逆溫的溫差、頻率、厚度、強度和底高等特征進行分析。結(jié)果表明，從空間分布來看，高空逆溫層溫差集中在1.0～5.0 ?℃，占比高達90%以上。在大約16 500 m 以下的高空大氣層內(nèi)，逆溫頻率呈現(xiàn)“兩峰一谷”的特點。平均厚度07：00、19：00分別為263、282 m， 且具有一致的變化趨勢。07：00、19：00逆溫平均強度分別為0.76～2.38和0.75～2.11 ?℃/100 m。在高空逆溫區(qū)前半?yún)^(qū)間即（1 500，8 500]m 2個時次逆溫平均強度均大于1.0 ?℃/100 m，在此區(qū)間上呈現(xiàn)兩低中高的單峰分布。從時間分布看，高空逆溫2個時次年均頻率約超過60%。冬季高空逆溫頻率最高，春季次之，夏季最少。2個觀測時次均大于20 d 的月份出現(xiàn)在冬春季節(jié)。高空強逆溫相對于高空逆溫次數(shù)少，07：00、19：00年平均天數(shù)分別為4.93和4 d，多出現(xiàn)在500 hPa附近。這類逆溫仍然是冬季比夏季多，厚度很薄，溫差卻極大。

關(guān)鍵詞 L波段高空探測系統(tǒng);邊界層;高空逆溫;特征

中圖分類號 P41 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）10-0181-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.10.049

Abstract The characteristics of inversion and strong inversion such as temperature difference， frequency， thickness， intensity and bottom height over the atmospheric boundary layer in Guiyang are analyzed by using the data from 2003 to 2017 since the establishment of Guiyang Lband sounding radar station.The results showed that from the perspective of spatial distribution， the temperature difference in the upper inversion layer was concentrated between [1.0， 5.0] ?℃， accounting for more than 90%.In the atmosphere below 16 500 m， the inversion frequency was characterized by "two peaks and one valley".The average thickness was 263 m at 07：00 and 282 m at 19：00， respectively， with the same trend.The average intensity of inversion at 07：00 and 19：00 was 0.76-2.38 and 0.75-2.11 ℃/100m， respectively.In the first half of the high altitude inversion region （1 500， 8 500] m， the average intensity of two times inversion was more than 1.0 ℃/100m and there were two low， middle and high single peak distribution in this region.From the time distribution， the annual average frequency of high altitude inversion was more than 60%.The frequency of inversion was the highest in winter， the second in spring and the least in summer.Two observation times more than 20 days appeares in winter and spring.High altitude strong inversion occurs less than high altitude inversion.The average days at 07：00 and 19：00 were 4.93d and 4d respectively， most of them were near 500 hPa.This kind of inversion was still more in winter than in summer， with very thin thickness and great temperature difference.

Key words L-band high altitude detection system;Boundary layer;High altitude inversion;Characteristics

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自由大氣溫度通常隨著高度平均以0.65 ℃/100 m遞減，但由于太陽輻射、平流、氣流下沉、鋒面等因素影響在對流大氣中存在氣溫隨著高度升高或者不變的逆溫現(xiàn)象。逆溫是主要污染氣象條件之一，它阻礙空氣的垂直運動，直接影響污染物的擴散。離地較近的大氣邊界層（ABL）逆溫特征[1-6]及其與環(huán)境污染的關(guān)系[7-15]是氣象和環(huán)境工作者們重點關(guān)注和研究的對象，并取得了許多成果和進展。相對于邊界層上空的高空大氣逆溫層，學界研究較少。張葉暉等[16]利用無線電探空資料研究了美國墨西哥灣地區(qū)信風逆溫特性，指出信風逆溫仍有明顯的季節(jié)和年際變化;Birner等[17]證實了對流層頂逆溫層的普遍存在;樊雯璇等[18]通過分析東亞對流層頂逆溫層（TIL）的時空分布指出TIL有著一致的緯向結(jié)構(gòu)，在中高緯度表現(xiàn)對流層頂斷裂的特征。

貴陽是貴州省省會城市，地處低緯度高海拔的高原地區(qū)，位于黔中山原丘陵中部，總地勢西南高、東北低。常年受西風帶控制，屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，兼有高原性和季風性氣候特點。貴陽市年平均氣溫為15.3 ℃，年平均相對濕度為77%，年平均總降水量為1 129.5 mm。冬無嚴寒，夏無酷暑， 是著名的“避暑之都”和生態(tài)旅游城市。隨著生態(tài)文明建設(shè)和大氣環(huán)境治理的不斷深入，在前人邊界層大氣逆溫規(guī)律及污染研究的基礎(chǔ)上，筆者利用貴陽探空站2003—2017年 L波段高空氣象探測資料對貴陽大氣邊界層上空逆溫規(guī)律首次進行初步研究，分析貴陽高空逆溫分布的基本特征，為貴陽地區(qū)環(huán)境預防和治理提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源 ?資料來源于貴陽探空站（26°35′N，106°44′E，海拔1 223 m，）2003—2017年 07：00、19：00 L波段高空探測系統(tǒng)采集且經(jīng)質(zhì)控的溫度資料。采樣時間分辨率約為1.2 s。

1.2 分析方法

1.2.1 資料預處理。采用L波段（1型）高空氣象探測數(shù)據(jù)處理軟件V5.01提取邊界層（逆溫層底高>1 500 m）上空逆溫層資料。規(guī)定厚度≤30 m，溫差極大的逆溫層為高空強逆溫，單獨對此類逆溫層特性進行統(tǒng)計分析。

1.2.2 逆溫層特征量。①統(tǒng)計逆溫層頻率時，規(guī)定某日某時次觀測出現(xiàn)至少一個逆溫層記為一個逆溫日（d）。②某次探測出現(xiàn)多層逆溫，逆溫強度、厚度等均按實測次數(shù)計算。③逆溫強度用每升高100 ?m的溫度遞減率（℃/100 m）表示。④四季劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。

2 貴陽大氣高空逆溫總體分布特征

2.1 高空逆溫的溫差分布

溫差是逆溫層頂高與底高位置上氣溫的差值，溫差越大，逆溫越強。從圖1可看出，貴陽高空逆溫層溫差集中在[1.0，5.0] ℃，07：00、19：00頻率占比分別為92.6%和91.7%，[1.0，3.0] ℃頻率占絕對多數(shù)，約為80%。溫差（5.0，9.0] ℃ 2個時次頻率均約高于6%。（9.0，19.0] ℃高逆溫溫差頻率07：00、19：00分別為1.2%和1.7%，平均分別為4.5和5.5次/a。溫差大的高空逆溫層出現(xiàn)頻率傍晚高于早上。

2.2 高空逆溫平均頻率、平均厚度、平均強度及最大強度的空間分布

2.2.1 平均頻率。在垂直間距1 000 m空間上，高空逆溫的頻率分布類似拋物線，07：00和19：00分布狀態(tài)基本相同（圖2a）。從分布圖上看出，在大約16 500 m以下的高空大氣層內(nèi)，逆溫頻率呈現(xiàn)“兩峰一谷”的特點。（1 500，2 000]m頻率最高，07：00、19：00分別為18.4%和19.8%。此后隨著高度升高頻率逐漸遞減，至（10 500，11 500]m達到谷底，頻率為1.6%，此后頻率又隨著高度遞增，（14 500，15 500]m達到第2個峰值點，07：00、19：00分別為8.8%和8.5%。該峰值處于第二對流層逆溫區(qū)。

2.2.2 平均厚度。高空逆溫層的平均厚度07：00、19：00分別為263、282 m， 19：00比07：00略高。平均厚度具有相當一致的變化趨勢，下墊面性質(zhì)對高空逆溫厚度的影響不明顯。07：00，（1 500，6 500]m高空區(qū)間逆溫層平均厚度從344 m隨著高度逐漸減至154 m，此后在（6 500，9 500]m平均厚度又緩慢增大至261 m，隨后在（9 500，15 500]m平均厚度在240 m 附近呈平緩波動變化;（15 500，17 500]m平均厚度隨著高度迅速增大至633 m。19：00與07：00變化趨勢幾乎相同，在（15 500，17 500]m平均厚度隨著高度迅速增大且高于07：00。

2.2.3 平均強度。從高空每間隔1 000 m高度區(qū)間上逆溫平均強度和最大強度的分布情況（圖2b）可以看出，2003—2017年高空逆溫平均強度07：00大于19：00，分別為1.33和1.24 ℃/100 m。07：00、19：00逆溫平均強度分別為0.76～2.38和0.75～2.11 ℃/100 m。在高空逆溫區(qū)前半?yún)^(qū)間即（1 500，8 500]m 2個時次逆溫平均強度均大于1.0 ℃/100 m，在此區(qū)間上呈現(xiàn)兩低中高的單峰分布，07：00、19：00在（5 500，6 500]m上平均強度最大，分別為2.38、2.11 ℃/100 m。在高空逆溫區(qū)后半?yún)^(qū)間（8 500，17 500]m除19：00個別點外，2個時次逆溫平均強度<1.0 ℃/100 m，平均強度在0.85 ℃/100 m附近波動變化。

2.2.4 最大強度。從圖2b可以看出，07：00、19：00邊界層逆溫平均最大強度分別為8.56、8.72 ℃/100 m，2個時次最大強度分別為1.8～22.4和2.2～24.3 ℃/100 m。高空逆溫前半?yún)^(qū)間最大強度顯著高于后半?yún)^(qū)間。

3 貴陽高空逆溫基本特征分析

3.1 頻率、平均底高的時間變化特征

3.1.1 年際變化。從表 1 可看出，貴陽高空逆溫次數(shù)（頻率）年際變化07：00波動幅度小于19：00。07：00、19：00 平均天數(shù)（頻率）分別為207～246 d（56.6%～67.4%）、175～245 d（47.9%～67.1%），年平均天數(shù)（頻率）分別為228.7 d（62.6%）、219.7 d（60.1%），07：00高空逆溫層數(shù)略多于19：00，2個時次高空逆溫頻率約超過60%。07：00、19：00 逆溫出現(xiàn)最多的分別為2017年246 d（67.4%）和2016年251 d（68.6%），最少分別為2008年207 d（56.6%）及2010年175 d（47.9%）。

高空逆溫層的年平均底高19：00（7 302 m）明顯高于07：00（6 862 m）。07：00、19：00年平均底高最低分別出現(xiàn)在2003年（5 045 m）、2011年（6 363 m），平均底高最高分別出現(xiàn)在2016年（7 638 m）、2015年（7 902 m）。

3.1.2 季節(jié)變化。從表2可看出，貴陽四季高空逆溫頻率具有明顯的季節(jié)變化，冬季高空逆溫頻率最高，07：00、19：00分別為80.9%、75.0%;春季次之，07：00、19：00 頻率分別為66.8%、65.4%; 夏季最少，07：00、19：00頻率分別為41.4%、38.7%。除秋季外，各季高空逆溫頻率07：00均略高于19：00。季平均逆溫頻率略高于60%。高空逆溫層的平均底高19：00明顯高于07：00，分別為6 496、6 086 m;秋季平均底高最低，而春季最高。

3.1.3 月際變化。從表 3 可看出，2003—2017 年貴陽高空逆溫層多數(shù)月（4和5月除外）平均逆溫天數(shù)（頻率）07：00大于19：00。全年月平均天數(shù)（頻率）07：00、19：00分別為 19.1 d（62.7%）、18.3 d（60.2%）。高空逆溫冬季多、夏季小。逆溫月平均天數(shù)（頻率）07：00、19：00為12月最多，分別為27.1 d（87.3%）和25.1 d（81.1%），次多為1月。2個觀測時次均大于20 d 的月份為1、3、4、11、12月。6、7、8、9月逆溫較少，天數(shù)均小于15 d，最少的月份8月07：00為11.1 d（35.9%），19：00為10.8 d（34.8%）。高空逆溫層多數(shù)月份（除2、10月外）月平均底高19：00明顯高于07：00，全年月平均分別為7 412、6 991 m。平均底高最低07：00出現(xiàn)在9月，為5 348 m，19：00出現(xiàn)在10月，為5 392 m;平均底高最高07：00、19：00均出現(xiàn)在4月，分別為8 464和8 760 m。

3.2 貴陽高空逆溫層強度、厚度的變化特征

3.2.1 年際變化。從表4可看出，2003—2017 年貴陽市 07：00高空逆溫年平均底高為6 862 m，年平均厚度為266 m，年平均逆溫強度為1.4 ℃/100 m;19：00高空逆溫年平均底高為7 302 m，年平均厚度為285 m，年平均逆溫強度為1.3 ℃/100 m;可見19：00逆溫年平均厚度大于 07：00，底高比07：00高，強度上07：00波動范圍大于19：00，07：00最大值為2003年（2.1 ℃/100 m）、19：00最大值為2004年（1.7 ℃/100 m）;07：00最小值為2013、2015年，均1.1 ℃/100 m，19：00最小值為2015年（1.0 ℃/100 m）。

3.2.2 季節(jié)變化。從表5可看出，貴陽市 07：00高空逆溫季平均底高為6 086 m，平均厚度為240 m，最大厚度為冬季（284 m），夏季最小（189 m）。19：00高空逆溫季平均底高為6 496 m，平均厚度為282 m，最大厚度為冬季（325 m），春季、夏季、秋季平均厚度相當。四季19：00逆溫厚度大于 07：00，底高比07：00高，與年變化規(guī)律相似。高空逆溫厚度冬季較其余3季大。四季逆溫強度變化平穩(wěn)不顯著，2個時次逆溫強度介于1.2～1.6 ℃/100 m，平均為1.4 ℃/100 m。07：00比19：00強度稍大。

3.2.3 月變化。從表6可看出，貴陽 07：00高空逆溫月平均底高為6 991 m，月平均厚度為247 m，冬季平均厚度大，最大厚度為12月（335 m），最小為7月（180 m）。 19：00高空逆溫月平均底高為7 412 m，月平均厚度為280 m，最大厚度為12月（360 m）， 最小為5月（232 m）。07：00、19：00最大月平均逆溫強度分別為10月2.0 ℃/100 m、9月1.6 ℃/100 m?？傮w上07：00比19：00強度稍大。

4 貴陽高空強逆溫

4.1 定義 邊界層上，探空觀測發(fā)現(xiàn)，存在著一種厚度極?。ㄍǔ閹资祝夭顦O大的逆溫層，稱之為高度強逆溫。圖3為貴陽探空站2008年10月10日07：00 400 hPa附近觀測到的一個厚度僅為25 m、溫差達-4.6 ℃、強度18.4 ℃/100 m 的強逆溫。這個薄而強的逆溫層幾乎阻止了水汽垂直向上的擴散，逆溫層上出現(xiàn)了一個濕度極小的干層。

4.2 貴陽高空強逆溫的特征

4.2.1 年際變化。從表7可看出，貴陽高空強逆溫相對于高空逆溫次數(shù)（頻率）少。年際變化平均07：00略多于19：00。07：00、19：00年平均天數(shù)（頻率）分別為4.93 d（1.4%）、4 d（1.1%）。07：00高空強逆溫不少于10 d分別出現(xiàn)在2004、2005、2008和2009年，2004年最多，為17 d，2015、2016年未出現(xiàn);19：00高空強逆溫不少于10 d出現(xiàn)在2004、2005和2009年，2004年最多，為17 d，2011、2013—2016年未出現(xiàn)，高空強逆溫近年來有總體減少的趨勢。

高空強逆溫年平均底高07：00高于19：00，分別為5 974和5 487 m，可見這類逆溫層出現(xiàn)在500 hPa規(guī)定等壓面上下位置較多。

4.2.2 季節(jié)變化。從表8可看出，貴陽冬季高空強逆溫天數(shù)（頻率）最高，07：00、19：00分別為1.87 d（2.1%）、1.27 ?d（1.4%），春夏季較少。季平均逆溫天數(shù)（頻率）07：00、19：00分別為1.37 ?d（1.5%）、1.05 ?d（1.2%）。高空逆溫層的平均底高07：00高于19：00，夏季平均底高最高，冬季最低。

4.2.3 月際變化。從表9可看出，2003—2017 年貴陽高空強逆溫層多數(shù)月平均逆溫天數(shù)（頻率）07：00約大于19：00。全年月平均天數(shù)（頻率）07：00、19：00分別為 0.40 d（1.3%）、0.35 d（1.2%），2個時次月均天數(shù)不超過1 d。月平均天數(shù)（頻率）07：00最多為10月的0.93 d（3.0%）、19：00最多為2月的0.67 d（2.4%）。月平均底高07：00高于19：00，分別為5 415和5 296 m;夏季各月高于冬季各月。

5 結(jié)論

（1）貴陽高空逆溫溫差分布集中在[1.0，3.0] ℃，頻率占絕對多數(shù)，約為80%。大約16 500 m以下的高空大氣層內(nèi)，逆溫頻率呈現(xiàn)“兩峰一谷”的特點。（1 500，2 000]m頻率最高，07：00、19：00分別為18.4%和19.8%。 （10 500，11 500]m達到谷底，頻率為1.6%，此后 （14 500，15 500]m達到第2個峰值點，07：00、19：00分別為8.8%和8.5%。該峰值處于第二對流層逆溫區(qū)。

（2）高空逆溫層的平均厚度07：00、19：00分別為263、282 m， 19：00比07：00略高。平均厚度具有幾乎一致的變化趨勢，下墊面性質(zhì)對高空逆溫的厚度影響很小。（1 500，15 500]m 平均厚度在150～350 m。低層高度的厚度最大，（15 500，17 500]m平均厚度隨著高度迅速增大至600 m以上。07：00、19：00逆溫平均強度分別為0.76～2.38和0.75～2.11 ℃/100 m。

（3）在高空逆溫區(qū)前半?yún)^(qū)間即（1 500，8 500]m 2個時次逆溫平均強度均大于1.0 ℃/100 m，在此區(qū)間上呈現(xiàn)兩低中高的單峰分布。在（5 500，6 500]m上平均強度最大，07：00、19：00分別為2.38、2.11 ℃/100 m。在高空逆溫區(qū)后半?yún)^(qū)間（8 500，17 500]m除19：00個別點外，2個時次逆溫平均強度<1.0 ℃/100 m，平均強度在0.85 ℃/100 m附近波動變化。

（4）貴陽高空逆溫各特征要素的時間分布特征表現(xiàn)為：年平均頻率約高于60%;高空逆溫頻率冬季最高，春季次之，夏季最少;逆溫厚度冬季較其余3季大。四季逆溫強度變化平穩(wěn)不顯著，2個時次介于1.2～1.6 ℃/100 m，季平均強度為1.4 ℃/100 m。逆溫月平均天數(shù)（頻率）12 月最多，次多為1月，最少為8月，07：00、19：00月平均厚度分別為247和280 m，最大月平均逆溫強度分別為10月2.0 ℃/100 m、9月1.6 ℃/100 m?？傮w上季平均強度、月平均強度07：00比19：00稍大。

（5）貴陽高空觀測到一類厚度很薄、溫差卻極大的強逆溫層，目前對這類逆溫產(chǎn)生的原因尚不清楚。強逆溫相對于高空逆溫次數(shù)少，07：00、19：00年平均天數(shù)分別為4.93、4 d，多出現(xiàn)在500 hPa附近，這類逆溫仍然是冬季比夏季多。

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