2003—2017年貴陽大氣邊界層的逆溫特征

閔昌紅 黃世芹 吳有恒

(1 貴州省貴陽市氣象局，貴陽 550001； 2 貴陽市烏當(dāng)區(qū)氣象局，烏當(dāng) 550018）

0 引言

地表以上大約2 km以下受下墊面強(qiáng)迫作用及熱力、動力影響的大氣邊界層是人類活動的主要區(qū)域[1]。大氣溫度隨高度的增加升高或者不變謂之逆溫，逆溫的原因很多，例如輻射致冷、下沉運(yùn)動、鋒面、暖平流和黑碳等吸收性氣溶膠使低層氣溫比高層氣溫低或者相當(dāng)。逆溫是邊界層內(nèi)主要污染氣象條件之一，逆溫時(shí)大氣狀態(tài)十分穩(wěn)定 ，垂直運(yùn)動發(fā)展受阻，直接影響湍流活動強(qiáng)弱和支配空氣污染物的擴(kuò)散[2]。逆溫導(dǎo)致邊界層層結(jié)穩(wěn)定，混合層高度降低，不利于空氣污染物的擴(kuò)散[3]。持續(xù)逆溫是形成霧霾[4-7]等污染天氣的重要?dú)庀髼l件。

逆溫結(jié)構(gòu)以及它與大氣環(huán)境污染的關(guān)系是氣象和環(huán)境工作者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。國內(nèi)學(xué)者側(cè)重于利用常規(guī)探空資料揭示逆溫層的結(jié)構(gòu)及其對大氣環(huán)境污染的影響。例如：Li等[8]利用1990—2010年中國7個臺站的探空資料，揭示了華中地區(qū)對流層逆溫的四層模式及形成機(jī)制。2011年，全國120個常規(guī)高空氣象探測站布局完成新型L波段高空氣象探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用GFE（L） 1型二次測風(fēng)雷達(dá)對數(shù)字探空儀跟蹤采樣，雷達(dá)每間隔約1 s無盲區(qū)連續(xù)自動跟蹤采集約30 km高度內(nèi)氣壓、溫度、濕度等氣象要素。數(shù)字探空儀（例如GTS1型）響應(yīng)速度快，測量精度高[9]，與傳統(tǒng)“59型”機(jī)械式探空儀相比采樣周期提高了7～10倍，探空氣球大約每升高5～7 m可獲取一組氣象要素?cái)?shù)據(jù)。由于該系統(tǒng)可以獲得大氣溫度的細(xì)微變化，近年來，利用L波段雷達(dá)探空資料研究和分析逆溫規(guī)律逐漸增多。例如：Guo等[10]利用2011—2017年120個站點(diǎn)的高分辨率探空資料分析指出我國低空對流層逆溫頻率、強(qiáng)度等表現(xiàn)出強(qiáng)烈的季節(jié)性和地理分布特性。認(rèn)為冬季最大頻率出現(xiàn)在中國東南部的原因可能是由于黑炭的加熱效應(yīng)和SEC的強(qiáng)烈沉降及逆溫共同作用的結(jié)果；夏敏潔等[11]利用L波段探空資料分析了南京低空接地和懸浮逆溫的結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)污染物濃度與逆溫強(qiáng)度呈正相關(guān)；歐娜音等[12]揭示了哈爾濱逆溫結(jié)構(gòu)特征及逆溫頻率與厚度與空氣質(zhì)量的關(guān)系。

針對貴陽大氣邊界層逆溫結(jié)構(gòu)及其影響，2004年孫海燕[13]采用系留氣艇攜帶芬蘭維薩拉DigiCORA 探空儀對貴陽市四季代表月份開展低空逆溫試驗(yàn)，得到貴陽市 400 m 以下空間平均溫度基本上隨高度遞減，500～800 m 的等溫層和逆溫層出現(xiàn)頻率較高。曾光善等[14]利用貴陽探空站1991—1993年每日08：00和20：00探空資料（59-701探測系統(tǒng)）分析得出貴陽低空1000米逆溫層出現(xiàn)的平均頻率53%、平均厚度344 m、平均離地高度377 m和平均強(qiáng)度0.65 ℃·100m-1，并分析了季節(jié)和時(shí)次的變化。姚源山等[15]利用Micaps 資料和貴陽探空站2008—2011年08：00共4年的探空資料（GFE（L）1型高空氣象探測系統(tǒng)）分析研究得出逆溫大多出現(xiàn)在高層，以1月最大為中心，向兩側(cè)的月份逐漸減小，以7月為最小，近地層逆溫少，并概括出逆溫出現(xiàn)的4種天氣類型。逆溫層可用于確定混合層高度，而混合層高度在大氣污染預(yù)報(bào)的研究中是十分重要的參量之一。周穎[16]認(rèn)為逆溫頻率與混合層高度呈反向變化趨勢。胡明志等[17]、羅乃興等[18]分析了逆溫與污染物之間的關(guān)系，前者用回歸分析法得出多數(shù)情況下貴陽市地面大氣SO2濃度與第一逆溫層因子間是一種復(fù)合關(guān)系，后者研究指出，連續(xù)出現(xiàn)逆溫時(shí)出現(xiàn)酸雨的概率增大。

貴陽是貴州省省會城市，四面環(huán)山，秋冬季云貴靜止鋒持續(xù)時(shí)間長，地面輻射和特殊的地形地貌及天氣系統(tǒng)影響使得貴陽的逆溫與其他地區(qū)的逆溫不盡相同。前人對貴陽逆溫的研究使用資料年代較短，代表性不高，比較系統(tǒng)的分析鮮有報(bào)道。貴陽是著名的“避暑之都”和生態(tài)旅游城市，隨著大氣污染治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需要，加強(qiáng)對貴陽大氣逆溫結(jié)構(gòu)的分析對進(jìn)一步認(rèn)識貴陽大氣環(huán)境的氣象條件和建設(shè)生態(tài)貴陽具有參考意義。

1 資料和方法

采用貴陽高空氣象探測站2003—2017年每日08：00、20：00 L波段雷達(dá)探測資料，數(shù)據(jù)來源于經(jīng)三級質(zhì)控的中國氣象局氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，引用樣本共10958份。

邊界層逆溫分為貼地逆溫（底高為百葉箱干球溫度計(jì)高度）和懸浮逆溫（0 m＜逆溫層底高≤1500 m）。參照中國氣象局《高空氣象觀測規(guī)范》采用L波段（1型）高空氣象探測數(shù)據(jù)處理軟件V5.01[19]提取逐日逐次逆溫層初始資料，剔除了厚度和溫差很小的弱逆溫層干擾數(shù)據(jù)。規(guī)定某日某次觀測出現(xiàn)至少一個逆溫層記為一個逆溫日。逆溫特征用逆溫層的頻率、強(qiáng)度、厚度及底高等參量表示。頻率為某時(shí)段（時(shí)次）逆溫出現(xiàn)的天數(shù)占該時(shí)段（時(shí)次）逆溫出現(xiàn)的總天數(shù)的百分比，厚度指逆溫頂高與底高的高度差，逆溫強(qiáng)度用每100 m的溫度遞減率（℃·100 m-1）表示。

2 逆溫特征分析

2.1 貴陽市邊界層逆溫頻率的時(shí)間變化特征

2.1.1 年際變化

圖1給出貴陽市逆溫（貼地、懸浮、邊界層）年際變化。除傍晚貼地逆溫外，各逆溫頻率大致在2010—2012年前呈波動緩慢增大，之后又逐漸減小。08：00和20：00 邊界層逆溫天數(shù)分別介于180～211 d、117～169 d，年平均天數(shù)（頻率）分別為192.7 d（52.8%）、143.3 d（39.2%），逆溫出現(xiàn)最多年份分別為2010年211 d（57.8%）和2012年169 d（46.2%），最少年份分別為2015年180 d（49.3%）、2004年117 d（32.0%）。

圖1 2003—2017年貴陽市逆溫頻率的年際變化Fig. 1 Interannual variation of inversion frequency in Guiyang City from 2003 to 2017

貴陽市邊界層逆溫以脫地的懸浮逆溫為主。懸浮逆溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于貼地逆溫，年均頻率約為貼地逆溫頻率的8倍。而貼地逆溫以早上為多，傍晚幾乎不出現(xiàn)。08：00、20：00 貼地逆溫年平均天數(shù)（頻率）分別為31.4 d（8.6%）、5.6 d（1.5%）。早上貼地逆溫最多為2009年12.6 d，最少為2007年4.7 d。

貴陽邊界層懸浮逆溫多于貼地逆溫與同為西南地區(qū)的重慶、成都[20]等地相反。這是因?yàn)橘F陽處于高原地形，探空觀測點(diǎn)又位于主城區(qū)地勢較高（相對高度約為100 m），不易形成盆地或地勢低洼處的地形逆溫。貴陽日照時(shí)數(shù)較少，通常貼地逆溫在晴朗無風(fēng)少云的天氣條件下地面輻射冷卻形成，故貼地逆溫不多，這是貴陽空氣優(yōu)良的氣候優(yōu)勢之一。另一方面，20：00探空觀測時(shí)，逆溫還處于形成之初，逆溫完全形成并加強(qiáng)在第二天日出之前，故早上逆溫多于晚上，大氣污染的逆溫條件明顯早上比傍晚差。

2.1.2 季節(jié)變化

貴陽市逆溫頻率季節(jié)變化明顯（圖2）。冬季懸浮逆溫最多，春秋季次之，夏季最少。貼地逆溫秋冬兩季最多，頻率相差不大，春季次之，夏季最少。從兩時(shí)次分布來看，除冬季20：00懸浮逆溫頻率高于08：00外，08：00貼地逆溫、懸浮逆溫頻率大于20：00。

圖2 2003—2017 年貴陽市逆溫頻率季節(jié)變化Fig. 2 Seasonal variation of inversion frequency in Guiyang City from 2003 to 2017

2.1.3 月際變化

懸浮逆溫、邊界層逆溫頻率的月變化近似于拋物線（圖3），以7月為最低，分別向兩側(cè)逐漸增大，1月頻率最高，次多出現(xiàn)在12月，最大最小頻率相差80%以上。邊界層逆溫兩個觀測時(shí)次均大于20 d的月份為1月、2月、3月和12 月。6月、7月、8月、9月逆溫較少，小于10 d，最少為7月08：00的5 d，20：00僅為1.2 d。貼地逆溫頻率遠(yuǎn)少于懸浮逆溫，但仍能看出其變化趨勢與懸浮逆溫基本一致。08：00、20：00 貼地逆溫月平均天數(shù)分別為2.6 d、0.5 d。08：00大于3 d的月份集中在秋季各月和12月，20：00貼地逆溫月平均天數(shù)小于1 d，說明貴陽20：00幾乎不出現(xiàn)貼地逆溫。從兩時(shí)次分布來看，08：00貼地逆溫、懸浮逆溫頻率大于20：00。

圖3 2003—2017年貴陽市逆溫頻率月際變化Fig. 3 Monthly variation of inversion frequency in Guiyang City from 2003 to 2017

2.2 貴陽市邊界層逆溫厚度、底高的時(shí)間變化特征

2.2.1 年際變化

懸浮逆溫2011年前呈波動上升，之后波動下降。貼地逆溫厚度有大致1～2 a的波動周期，08：00略呈線型增大趨勢，20：00線型減小趨勢較為明顯，08：00最大厚度為2010年的517 m，最小為2005年224 m；20：00最大厚度為2003年的420 m，最小為2016年90 m，早晚年平均厚度分別為316 m、204 m。

懸浮逆溫底高除2012年前后有較大變化外，其余年份穩(wěn)定少變。早上大氣層結(jié)穩(wěn)定，混合層高度較低，懸浮逆溫底高也相對較低（773 m/a）。下午，大氣受太陽輻射影響，空氣加熱膨脹，湍流對流加強(qiáng)，混合層高度抬升，懸浮逆溫底高也相應(yīng)抬升（895 m/a）。從兩時(shí)次分布來看，總體而言，08：00貼地逆溫厚度大于20：00，而08：00懸浮逆溫底高小于20：00。

2.2.2 季節(jié)變化

冬季08：00貼地逆溫厚度最厚，為350 m，夏季最薄，為210 m；冬季 08：00 懸浮逆溫厚度最厚，為440 m，夏季最薄，為197 m。從兩時(shí)次分布來看，08：00貼地逆溫厚度大于20：00，懸浮逆溫厚度除冬季08：00的小于20：00外，其余三季早晚接近，相差不大。

貴陽冬季邊界層逆溫與西北地區(qū)有明顯區(qū)別，這可能與地形、天氣系統(tǒng)和地表特性的不同有很大關(guān)系。貴州地處云貴高原東北側(cè)斜坡地帶，以山地和丘陵為主，地勢西高東低，自中部向東、南、北三面降低，海拔高度落差較大。高原地形阻擋使冬季南下冷空氣移動速度緩慢甚至停滯而形成準(zhǔn)靜止鋒，地形抬升作用使局地近地層形成順時(shí)針的次級環(huán)流，導(dǎo)致懸浮逆溫層出現(xiàn)[21]。脫地逆溫頻率高與冬季活動頻繁出現(xiàn)的云貴靜止鋒上鋒面逆溫有較好的對應(yīng)關(guān)系。而西北地區(qū)高空受天氣系統(tǒng)影響較少，懸浮逆溫相對較少。從地表性質(zhì)看，西北大漠戈壁，地表裸露，干旱少云雨，晝夜溫差比陰天多云植被豐茂的西南地區(qū)大。故西北冬季地表夜間輻射冷卻大，貼地的輻射逆溫頻率較高和強(qiáng)度總體較大。從部分已知研究大致可以印證上述分析，例如，烏魯木齊[22]以地表逆溫層為主，蘭州[23]貼地逆溫明顯多于懸浮逆溫，而銀川[24]（2013—2015年）冬季懸浮逆溫雖多于貼地逆溫，約占57%，但仍與貴陽懸浮逆溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于貼地逆溫相差很大。又如與東北地區(qū)相比，出現(xiàn)冰凍天氣時(shí)處于偏西南的逆溫強(qiáng)度普遍高于偏東北地區(qū)[25]。

2.2.3 月際變化

貼地逆溫、懸浮逆溫厚度夏半年（5—10月）各月均小于平均厚度，冬半年（11—4月）（除4月08：00貼地逆溫小于平均值）各月大于平均厚度。08：00貼地逆溫及懸浮逆溫厚度以夏季7月或8月為最低向兩側(cè)增大。08：00貼地逆溫厚度最大為12月516 m，最小為7月204 m；兩個觀測時(shí)次懸浮逆溫厚度的變化曲線非常接近，以08：00為例，懸浮逆溫厚度最大為1月660 m，最小為7月157 m，而20：00懸浮逆溫厚度最小為8月133 m。

與上述逆溫有所不同，20：00貼地逆溫厚度的最低點(diǎn)沒有出現(xiàn)在夏季月份，6—8月成為低于平均厚度的高值區(qū)間。有兩個不足100 m低值點(diǎn)，分別為4月94 m和9月84 m。最大為2月452 m。

2.3 貴陽市邊界層逆溫強(qiáng)度的時(shí)間變化特征

2.3.1 年際變化

貼地逆溫年平均強(qiáng)度為0.8～2.1 ℃·100m-1（圖4a），08：00 、20：00年平均強(qiáng)度分別為1.2 和1.5 ℃·100m-1，早上小于傍晚。15年中共有11年傍晚逆溫強(qiáng)度大于早上。08：00最大值出現(xiàn)在2005、2007和2009年，為 1.4 ℃·100m-1。20：00最大值出現(xiàn)在2016年為2.1 ℃·100m-1，早晚年均強(qiáng)度最小分別為2010年和2008年，均為0.8 ℃·100m-1?？傮w而言，貴陽市貼地逆溫的強(qiáng)度較強(qiáng)。兩個時(shí)次的懸浮逆溫年平均強(qiáng)度均為1.0 ℃·100m-1，相對于貼地逆溫強(qiáng)度年變化波動小。

2.3.2 季節(jié)變化

四季貼地逆溫強(qiáng)度均大于懸浮逆溫，20：00貼地逆溫強(qiáng)度大于08：00，季平均強(qiáng)度08：00為1.2 ℃·100m-1，20：00為1.5 ℃·100m-1，早上波動小于晚上。懸浮逆溫季節(jié)變化范圍小，季平均強(qiáng)度為0.9～1.2 ℃·100m-1，夏季最強(qiáng)，秋季最弱，平均為1.0 ℃·100m-1，兩個時(shí)次懸浮逆溫強(qiáng)度比較接近（圖4b）。

圖4 2003—2017年貴陽市貼地、懸浮逆溫強(qiáng)度的時(shí)間變化Fig. 4 Time variation of temperature inversion intensity of ground and suspension in Guiyang City from 2003 to 2017

2.3.3 月際變化

總體上，貼地逆溫強(qiáng)度及變幅大于懸浮逆溫，2個時(shí)次懸浮逆溫月平均強(qiáng)度變化不大，多數(shù)月份（2、6月除外）20：00貼地逆溫強(qiáng)度大于08：00，貼地、懸浮逆溫強(qiáng)度的變化趨勢并不明顯。08：00貼地逆溫強(qiáng)度為1.0～1.4 ℃·100m-1，10月最強(qiáng)為1.4 ℃·100m-1，12月最弱，為1.0 ℃·100m-1。20：00強(qiáng)度最小為2月0.9 ℃·100m-1，強(qiáng)度最大為5月2.4 ℃·100m-1。早晚懸浮逆溫最大分別為7月的1.4 ℃·100m-1和8月1.3 ℃·100m-1，最小為10月的0.8 ℃·100m-1（圖4c）。

3 結(jié)論

2003—2017年基于L波段高空探測系統(tǒng)的貴陽大氣邊界層的逆溫特征主要結(jié)論為：

1） 貴陽市邊界層逆溫頻率年際變化較為平穩(wěn)，波動較??；冬季逆溫頻率最多，春秋季次之，夏季最少；邊界層逆溫天數(shù)1月最多，12月次之，最少為7月。逆溫年際、季節(jié)、月季的時(shí)間分布表現(xiàn)為懸浮逆溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于貼地逆溫。08：00和20：00 貼地逆溫月平均天數(shù)分別為2.6 d、0.5 d，因此貴陽的貼地逆溫不多，近地空氣受污染的氣象條件較為理想。尤其是20：00時(shí)，每月幾乎不出現(xiàn)貼地逆溫。

2）貼地逆溫年、季、月厚度08：00＞20：00，貼地、懸浮逆溫厚度冬季＞春季＞秋季＞夏季，即逆溫具有夏季薄，冬季厚的特點(diǎn)。08：00貼地逆溫年平均厚度大于20：00，08：00、20：00年平均厚度分別為316 m、204 m。冬季 08：00厚度最厚，為350 m，夏季最薄，為210 m；冬季各月 08：00 逆溫厚度顯著大于其余各月，超過500 m，其中最大出現(xiàn)在12月，厚度為516 m，7月最薄，為 204 m；20：00最大厚度為2月的452 m，最小厚度為5月的86 m。貴陽懸浮逆溫平均底高的年、季、月變化基本一致，即08：00的小于20：00，08：00平均底高位于750 m左右，20：00的在900 m高度附近。

3）貼地逆溫年平均強(qiáng)度為0.8～2.1 ℃·100m-1，早上小于傍晚。四季貼地逆溫強(qiáng)度大于懸浮逆溫。相對貼地逆溫，貴陽懸浮逆溫強(qiáng)度的年、季、月時(shí)間變化較為平穩(wěn)，懸浮逆溫年平均逆溫強(qiáng)度為1.0 ℃·100m-1，季節(jié)變化為0.9～1.2 ℃·100m-1，月平均逆溫最大強(qiáng)度出現(xiàn)在7月。從年、季、月變化看，總體上貼地逆溫強(qiáng)度、變幅大于懸浮逆溫。

4）貴陽邊界層逆溫特征與已知地區(qū)研究結(jié)果有相同也有不同，相同主要表現(xiàn)在秋冬季頻率高、強(qiáng)度較大，夏季頻率低、強(qiáng)度較小；不同在于，貴陽冬季懸浮逆溫頻率較高，冰凍天氣時(shí)逆溫強(qiáng)度大，甚至在700 hPa附近出現(xiàn)大于0 ℃的暖溫層，秋冬季節(jié)逆溫強(qiáng)于春夏季。