黃河源地區(qū)近地面逆溫層特征及形成原因分析

劉金青，聶永喜，周措毛

(1.青海省達日縣氣象局，達日 814299；2.青海省貴南縣氣象局，貴南 813199； 3.青海省果洛藏族自治州氣象局，瑪沁 814000)

引言

在全球變暖的大環(huán)境下，國內外相繼開展對高空溫度的研究，但是對大氣逆溫層的研究較少,尤其是對世界第三極青藏高原的近地面逆溫層的研究。距地面2km左右大氣邊界層是人類生活和生產活動的主要空間，也是大氣污染物分布、擴散和傳播的主要場所[1]。因逆溫層中的大氣十分穩(wěn)定，難以發(fā)生垂直擾動和交換，則會限制在貼地氣層強烈亂流運動的發(fā)生，阻礙下方垂直運動的發(fā)展，因此當逆溫層出現(xiàn)時，大氣層結會比較穩(wěn)定，而穩(wěn)定層結出現(xiàn)在不同高度時對污染物的擴散所起的作用也截然不同，由于逆溫層下部露點差小，常有霧、露、霜等天氣現(xiàn)象伴隨出現(xiàn)，大量煙塵、水汽等聚集在逆溫層下面，使能見度變壞，易造成大氣污染，對地區(qū)環(huán)境污染影響很大。因邊界層對天氣預報和環(huán)境監(jiān)測等有重要的意義，目前，國內外的許多地區(qū)利用高空氣象觀測資料分析研究逆溫層特征[2-8]和大氣逆溫層結與大氣污染影響的研究[9-14]。也有學者對青藏高原地區(qū)的逆溫層進行了研究，蔣興文等[16]利用紅原站2007年12月的加密探空資料分析研究認為，對流層下部逆溫層的形成和變化是高原東部邊界層溫度日變化的直接結果。同時蔣興文等[17]通過對青藏高原東部地區(qū)常規(guī)探空資料的分析得出，冬季對流層底部逆溫的存在，對熱量和水汽的垂直分布具有重要的影響，夏季大氣邊界層的變化與暴雨過程存在密切的關系。劉金青[18]等則對1986～2015年黃河源地區(qū)地面及高空500hPa溫度變化分析中發(fā)現(xiàn)，逆溫層的存在對500hPa的溫度有明顯的影響。谷良雷等[19]利用1998年在西藏安多進行的探空加密觀測資料,分析出安多地區(qū)夏季晴天和陰天的晚上和早上穩(wěn)定邊界層特征都很明顯，在近地面層很容易形成逆溫層。

黃河源地區(qū)地處青藏高原腹地，三江源生態(tài)自然保護區(qū)內，地理位置特殊，該地區(qū)近地面常出現(xiàn)逆溫層，因此，在全球氣候變暖的背景下，深入探討該地區(qū)大氣邊界層中的逆溫層，找出其規(guī)律性及形成原因，對當?shù)剞r牧業(yè)穩(wěn)定發(fā)展、防災減災措施的實施和應對極端氣候變化具有重要意義，同時為黃河源地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的合理規(guī)劃與決策以及生態(tài)環(huán)境的保護治理提供氣候學上的依據。

1 資料與方法

1.1 資料

資料選用黃河源地區(qū)達日國家基準氣象站(99°39′N，33°45′E，海拔高度3968m)近10a的探空觀測資料，根據國家氣象局《高空氣象探測規(guī)范》進行取值，資料取自2008～2017a年逐日北京時08時、20時兩次施放的GTS1型數(shù)字式探空儀探測資料，共計7306份，地面觀測資料選取2008～2017a年日觀測數(shù)據。逆溫層數(shù)據使用L波段(1型)高空氣象探測系統(tǒng)數(shù)據處理軟件(V5.0.1.20170601)處理獲取。

1.2 方法

此文主要討論邊界層2km以下低空逆溫，在邊界層中，從總的狀況來看，氣溫是隨高度的升高而降低的，但在某些情況下，在大氣中某一高度范圍內則出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，氣溫隨高度的升高而遞增，具有這種氣溫垂直分布的氣層稱為逆溫層，根據逆溫層起始高度將其分為接地逆溫層和懸浮逆溫層。接地逆溫層是指從地表面開始的逆溫，懸浮逆溫層是指從離地面一定高度開始的逆溫。本文以表征逆溫特征的逆溫出現(xiàn)頻率、逆溫層厚度、逆溫層強度這三個重要指標來分析黃河源地區(qū)的逆溫特征。需統(tǒng)計計算的要素有：

(1)逆溫日：只要08時或20時任一日出現(xiàn)逆溫，計為一個逆溫日；

(2)逆溫出現(xiàn)頻率：一月當中出現(xiàn)的逆溫頻率；

(3)逆溫層起始高度H1，逆溫層終止高度H2，其中接地逆溫層的起始高度為0m；

(4)逆溫層厚度：ΔH=H1-H2,單位為m；

(5)逆溫層溫度差：ΔT=T1-T2,單位為℃，式中T1為逆溫起始層溫度，T2為逆溫終止層溫度；

(6)逆溫強度：用I表示，I=ΔT/ΔH×100%；表示逆溫層內高度每升高100m時，溫度的升高值，單位為℃/100m。

四季按照氣象學方法劃分，即3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。

2 研究結果與分析

2.1 逆溫出現(xiàn)頻率分析

逆溫出現(xiàn)頻率的高與低,可以表明某地逆溫出現(xiàn)的頻繁程度。

由圖1所示，10a(2008～2017a)間，在黃河源地區(qū)08時每月均有接地逆溫出現(xiàn)，出現(xiàn)頻率月變化趨勢呈現(xiàn)“V”型變化，6月出現(xiàn)次數(shù)最少，出現(xiàn)頻率為3.3%(3次)， 12月出現(xiàn)次數(shù)最多，出現(xiàn)頻率為72.3%。與08時相比較，20時接地逆溫層出現(xiàn)的次數(shù)相對較低，在 4～7月，未出現(xiàn)接地逆溫層，8月僅出現(xiàn)了1次，出現(xiàn)頻率為0.3%。12月也是出現(xiàn)接地逆溫最多的月份，共計出現(xiàn)了115次，出現(xiàn)頻率為37.1%。

08時懸浮逆溫在每月均有出現(xiàn)，其變化幅度不大，全年月際出現(xiàn)頻率在12.3%～26.1%變化，其中7月出現(xiàn)次數(shù)最高，出現(xiàn)頻率為26.1%， 9月出現(xiàn)次數(shù)最低，出現(xiàn)頻率為12.3%。在08時同一時次，5～7月懸浮逆溫比接地逆溫出現(xiàn)的多，其他月份懸浮逆溫則比接地逆溫出現(xiàn)的少。 20時懸浮逆溫層出現(xiàn)頻率相當?shù)停吭鲁霈F(xiàn)頻率明顯小于08時，10a中，12月出現(xiàn)次數(shù)最多，僅有17次，出現(xiàn)頻率為5.5%，出現(xiàn)次數(shù)最少的月份是4月，出現(xiàn)頻率為0.3%(1次)。

由表1季度統(tǒng)計分析結果知，08時夏季接地逆溫出現(xiàn)的次數(shù)最少，10a間出現(xiàn)88次，冬季是接地逆溫出現(xiàn)次數(shù)最多的季節(jié)，共計出現(xiàn)603次，其他季度里，秋季為337次，春季為238次。08時接地逆溫季節(jié)變化趨勢為：冬季>秋季>春季>夏季。20時夏季接地逆溫層僅出現(xiàn)了1次，春季出現(xiàn)13次，同08時一樣,20時冬季和秋季出現(xiàn)接地逆溫的次數(shù)最多，分別為286、164次。

表1 黃河源地區(qū)逆溫層季度出現(xiàn)次數(shù)、逆溫層強度I、逆溫層厚度ΔH

08時懸浮逆溫在夏季出現(xiàn)的次數(shù)最多，10a間共計出現(xiàn)196次，而秋季是出現(xiàn)次數(shù)最少的季節(jié)，出現(xiàn)138次，其他季節(jié)里，春季出現(xiàn)177次，冬季出現(xiàn)166次,08時懸浮逆溫季節(jié)出現(xiàn)次數(shù)變化趨勢為：夏季>春季>冬季>秋季。20時的懸浮逆溫層在各季節(jié)出現(xiàn)次數(shù)不多，明顯低于08時出現(xiàn)的次數(shù)，總計出現(xiàn)了67次。其中冬季出現(xiàn)次數(shù)最多，為31次，春季和夏季相同，均為8次，秋季20次，20時懸浮逆溫在各季節(jié)出現(xiàn)次數(shù)變化趨勢為：冬季>秋季>春季、夏季。

2.2 逆溫層厚度分析

逆溫層厚度是表征逆溫強度的一個特征量，接地逆溫層厚度、懸浮逆溫層厚度都反映了逆溫層的時空分布狀況及其強度[8]。

由圖2所示，08時接地逆溫層厚度月變化幅度較大，年平均厚度為524.2m，6月的逆溫層平均厚度最厚，為676.3m，導致6月份逆溫層平均厚度最厚的原因，分析認為，是該月份出現(xiàn)接地逆溫次數(shù)較少的原因所致，10a中6月僅出現(xiàn)了3次接地逆溫，并不具有代表性。5、4月接地逆溫層的月平均厚度最薄，分別為394.3、397.0m，其他月份平均厚度變化在478.5～585.2m。20時接地逆溫層月平均厚度明顯小于08時，年平均厚度僅為110.1m，即早上的逆溫層厚度大于晚上， 8月在10a中僅出現(xiàn)了1次接地逆溫，月平均厚度最薄，為81.0m， 12月逆溫層月平均厚度最厚，為136.3m，其他月份接地逆溫層厚度則在88.0～131.6m變化。

08時的懸浮逆溫層厚度全年月際變化在286.0～362.3m，年平均厚度是375.6m，其中12月的懸浮逆溫層平均厚度最厚，為520.8m，9月月平均厚度最薄，為286.0m。20時懸浮逆溫層年平均厚度為146.6m，全年月平均厚度在73.0～217.5m變化，因20時懸浮逆溫層出現(xiàn)次數(shù)較少，故其月平均厚度變化曲線幅度波動較大。其中2月逆溫層平均厚度相對最厚，為217.5m(10a中出現(xiàn)2次)，8月厚度最薄，為73.0m(10a中出現(xiàn)2次)。

由表1知，08時接地逆溫層厚度在冬季最厚，為552.7m，春季接地逆溫層厚度最薄，為443.1m,春、夏、秋、冬四季接地逆溫層厚度變化趨勢呈遞增變化。20時接地逆溫厚度在冬季也是最厚，為137.8m,夏季平均厚度最薄(10a中僅出現(xiàn)了1次)，為81.0m，春季平均厚度為89.5m，秋季平均厚度為110.7m。08時懸浮逆溫層厚度在冬季最厚，小于08時接地逆溫層的厚度，為429.3m，春季厚度最薄，為335.6m，08時懸浮逆溫厚度春、夏、秋、冬四季均呈現(xiàn)呈遞增變化，但厚度小于08時接地逆溫層厚度。20時懸浮逆溫層季度平均厚度明顯小于08時，其中夏季的懸浮逆溫層厚度最厚，為154.0m(10a間合計出現(xiàn)8次),春季厚度最薄，與08時出現(xiàn)季節(jié)一致，為120.9m(10a間合計出現(xiàn)8次),20時懸浮逆溫層厚度四季變化趨勢為：夏季>秋季>冬季>春季。

2.3 逆溫強度分析

邊界層頂蓋處逆溫層的逆溫強度在一定程度能反映出邊界層發(fā)展的潛力，即逆溫越弱，邊界層的垂直發(fā)展越容易；反之，由于湍流受頂蓋負浮力作用，邊界層的垂直發(fā)展會受到阻礙[20]。逆溫強度用逆溫層內溫度垂直遞減率來表示，是衡量大氣穩(wěn)定度的重要指標[21]。

由圖3所示，黃河源地區(qū)08時接地逆溫強度變化趨勢呈“V”型，全年逆溫強度月際變化在0.47～1.33℃/100m變化。其中1月份逆溫強度最強，為1.33℃/100m， 6月逆溫強度最弱(10a中僅出現(xiàn)了3次)，為0.47℃/100m。在20時，除4～7月未出現(xiàn)接地逆溫層外，其他月份接地逆溫強度月變化幅度在1.55～1.93℃/100m 之間， 其中11月接地逆溫層強度最強，為1.93℃/100m，2月、3月逆溫層強度最弱，均為1.55℃/100m。與08時逆溫層強度相比較，20時月平均接地逆溫強度明顯強于08時接地逆溫層月平均逆溫強度，兩個時次(08時和20時)月平均最強逆溫強度相差0.61℃/100m。

08時懸浮逆溫強度月際變化幅度并不大，全年逆溫強度在0.73～1.18℃/100m變化，其中2月月平均逆溫強度最強，為1.18℃/100m， 6月逆溫強度最弱，為0.73℃/100m，這與08時接地逆溫層強度最小出現(xiàn)月份一致，在08時同一時次，5～10月懸浮逆溫層月平均逆溫強度大于接地逆溫層月平均強度，11月至翌年4月，則小于接地逆溫層月平均強度，1月兩者的差值最大，為-0.33℃/100m。因20時懸浮逆溫層僅出現(xiàn)了67次，出現(xiàn)次數(shù)較少，故其月平均逆溫強度變化曲線波動幅度較大，與20時接地逆溫層不同，10a中懸浮逆溫層在不同月份均會出現(xiàn)，但出現(xiàn)次數(shù)很少，逆溫強度月平均在0.50～2.41℃/100m 波動變化，最強月平均懸浮逆溫層強度出現(xiàn)在11月(10a中出現(xiàn)7次)，為2.41℃/100m，與20時接地逆溫層最強月平均逆溫層強度出現(xiàn)月份一致，最弱月平均懸浮逆溫層強度出現(xiàn)在4月(10a中僅出現(xiàn)1次)，為0.50℃/100m。

由表1知，各季節(jié)逆溫層平均強度均不同，冬季接地逆溫平均強度最強，為1.24℃/100m，夏季逆溫平均強度最弱，為0.57℃/100m，春季和秋季分別為0.92、0.85℃/100m，四季變化趨勢為：冬季>春季>秋季>夏季。20時接地逆溫層強度明顯大于08時各季節(jié)，其中秋季逆溫強度最強，為1.80℃/100m，春季逆溫強度最弱，為1.55℃/100m，四季變化趨勢為：秋季>冬季>夏季>春季。

08時懸浮逆溫層強度在冬季最強，為1.08℃/100m，與該時次的接地逆溫層強度出現(xiàn)的季節(jié)一致，夏季逆溫強度最弱，為0.80℃/100m，同樣與該時次的接地逆溫層強度出現(xiàn)的季節(jié)一致，四季變化趨勢為：冬季>秋季>春季>夏季。20時懸浮逆溫強度也是冬季最強，為1.66℃/100m(10a中出現(xiàn)31次)，秋季最弱，為0.66℃/100m(10a中出現(xiàn)8次)，四季變化趨勢為：冬季>春季>夏季>秋季。

2.4 逆溫層與部分要素的關系分析

2.4.1 逆溫層與云量的關系

在黃河源地區(qū)當出現(xiàn)逆溫層時,天空多為無云或少云，08時總云量為0或少云(云量≤4成)的所占比例為68%，低云量為0或少云(云量≤4成)的所占比例為88%；20時總云量為0或少云(云量≤4成)的所占比例為65%，低云量為0或少云(云量≤4成)的所占比例為81%。由分析結果知，天空多為無云或少云有利于逆溫層的形成。

2.4.2 逆溫層與風速的關系

10年間(2008～2017年)，有逆溫層出現(xiàn)時，靜風在08時所占比例為71%，20時為40%。08時逆溫層起始點的平均風速為1.1m/s，終止點的平均風速為4.9m/s；20時逆溫起始點的平均風速為2.1m/s，終止點的平均風速為3.0m/s; 20時逆溫起始點的平均風速大于08時逆溫起始點的平均風速，但終止點的平均風速卻小于08時。由以上結果可知，低空風速的大小與逆溫的產生及強弱直接有關。風速較大時，空氣上下混合較強，不利于逆溫的形成。

2.4.3 逆溫層與露、霜、霧的關系

在黃河源地區(qū)出現(xiàn)逆溫層時，觀測到露、霜、霧等天氣現(xiàn)象的比例高達91%，這主要是因為由于逆溫層下部溫度低，露點差小，相對濕度大，所以常有露、霜、霧等天氣現(xiàn)象伴隨出現(xiàn)。在逆溫層上下，空氣濕度存在著明顯的差別，由數(shù)據分析得知，08時逆溫起始層的平均濕度為72%，終止層的平均濕度為45%， 20時逆溫起始層的平均濕度為36%，終止層的平均濕度為28%，逆溫起始層的相對濕度小于終止層，而08時起始、終止層的相對濕度又大于20時。這與蔣興文等等[16]利用紅原站2007年12月的加密探空資料分析研究是一致的，其分析得出由于邊界層逆溫的存在，大氣處于非常穩(wěn)定的層結狀況，大量的水汽被截留在逆溫層內，由于近地層的強逆溫，大量水汽在該逆溫層頂堆積，在近地層形成非常強的逆濕。

2.5 黃河源地區(qū)逆溫層的成因

黃河源地區(qū)地處青藏高原腹地，青海省東南部，三江源生態(tài)保護區(qū)內，平均海拔4000多米，地形由西北向東南傾斜，巴顏喀拉山脈從西北向東南延伸。在青藏高原特殊的動力、熱力作用下形成了高原獨有的氣候背景，黃河源地區(qū)屬典型的高原大陸性氣候，整個青藏高原冬季是個冷源，高原及上空因經圈環(huán)流的作用，出現(xiàn)系統(tǒng)的下沉氣流區(qū)，冬季天氣穩(wěn)定，天氣過程少，又由于高原冬季是個冷源，更增加了天氣的穩(wěn)定性[22]。夏季則受受南亞高壓位置的變化，在西南季風作用下，孟加拉灣水汽沿西南氣流進入境內，同時由于青藏高原本身的影響，造成這一帶低渦和切變活動比較頻繁。

太陽輻射是以短波的形式將能量傳輸?shù)降厍?，大氣對太陽短波輻射幾乎是透明的，吸收很少，但對地面的長波輻射卻能強烈吸收[23]，當部分太陽輻射通過大氣到達地表后，地面開始吸收太陽發(fā)出的短波輻射，自身的溫度上升，并且放出長波輻射加熱大氣。

在黃河源地區(qū)，日落之后，在晴朗無云或者少云的夜間，地面輻射開始冷卻，湍流減弱，貼近地面氣層也會隨之降溫。由于越靠近地面，受到地表的影響越大，所以氣層越靠近地面，其溫度降低的就越多，離地面越遠，氣層失去的溫度就越少，進而就形成了自地面向上的逆溫，隨著地表長波輻射冷卻的加劇，逆溫強度會越來越強，在日出之前達到最強。日出之后，地表開始吸收太陽的短波輻射并增溫，自身以長波輻射的形式對近地面的空氣加熱，隨著太陽高度角的增大，太陽輻射逐漸增強，地面很快增溫，近地面較熱的空氣在浮力作用下上升，湍流較強，接地逆溫層便逐漸自下而上的消失。

綜上所述,黃河源地區(qū)的逆溫主要是在地理位置、氣候背景、天氣條件共同作用影響下形成的。

3 結論

在黃河源地區(qū)，在近地面(距地2000m)有時會出現(xiàn)兩層逆溫同時存在現(xiàn)象，在10a(2008～2017a)的資料統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，08時出現(xiàn)22次，20時出現(xiàn)1次。蔣興文等[16]利用2007年12月的加密探空資料,對青藏高原東部的邊界結構分析得出，當近地面開始出現(xiàn)逆溫時，在近地面之上也同時存在逆溫，隨著輻射冷卻的加強，兩個逆溫層可以連通，進而在邊界層形成非常深厚的逆溫層。因達日站缺少加密觀測資料，此現(xiàn)象有待進一步研究。

(1)逆溫層的出現(xiàn)頻率有明顯的時次、月際、季度變化，冬季是逆溫層出現(xiàn)最多的季節(jié)，08時次出現(xiàn)頻率多于20時次。5～7月08時次，懸浮逆溫比接地逆溫出現(xiàn)的多，其他月份接地逆溫層出現(xiàn)頻率比懸浮逆溫層多。

(2)08時逆溫層厚度比20時厚，08時接地逆溫層厚度大于同時次的懸浮逆溫層厚度，20時接地逆溫層厚度則小于同時次的懸浮逆溫層厚度。除20時懸浮逆溫層厚度夏季最厚外,其他時次在冬季最厚。

(3)接地逆溫層強度在08時次1月最強，20時在11月最強，20時接地逆溫層強度明顯強于08時。08時懸浮逆溫強度在2月最強，5～10月懸浮逆溫強度大于同時次接地逆溫強度，20時懸浮逆溫層強度在11月最強(該時次逆溫層出現(xiàn)很少)。除20時接地逆溫層強度在秋季最強外，其他時次逆溫層強度均在冬季最強。

(4)云量的多少、風速的大小對逆溫層的產生及強弱直接有關，出現(xiàn)逆溫層時，地面常伴有露、霜、霧等天氣現(xiàn)象，逆溫層上下的濕度存在明顯差別。

(5)黃河源地區(qū)的逆溫主要是在氣候背景、地理條件、天氣條件共同作用影響下形成，是地面輻射作用的結果。