銀川市大氣混合層高度變化特征及其與空氣污染的關(guān)系

馬寧 任芝花 王建英 楊有林 衛(wèi)建國 李新慶

1 中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室，銀川 750002

2 寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，銀川 750002

3 寧夏氣象信息中心，銀川 750002

4 國家氣象信息中心，北京 100081

1 引言

大氣混合層高度（MLH）是反映污染物在鉛垂方向擴(kuò)散的重要參數(shù)，也是影響大氣污染物擴(kuò)散的主要氣象因子之一。近年來，對于大氣混合層高度的研究很多，主要集中在大氣混合層高度的計算方法（程水源等, 1997）、大氣混合層高度分布特征以及與大氣污染物的關(guān)系等（楊勇杰等, 2006; 葉堤等, 2008; 黃瑜等, 2015; 毛維薇和張甫仁, 2016；賀園園等，2019;韓麗娜等，2020；王建英等，2021）。比如，葉堤等（2008）根據(jù)2000～2005 年逐日4 個時次的常規(guī)氣象資料，計算并分析了重慶主城區(qū)大氣混合層厚度的頻率分布、時間變化等基本特征以及與空氣污染指數(shù)的關(guān)系，指出大氣混合層厚度是影響城市空氣質(zhì)量的重要因素。楊靜等（2011）基于1979～2008 年烏魯木齊4 個時次的地面常規(guī)氣象觀測資料，計算得出了烏魯木齊市近30 年大氣穩(wěn)定度和大氣混合層高度隨時間序列的變化特征，得出近30 年烏魯木齊大氣混合層高度隨時間基本呈現(xiàn)緩增的趨勢。李夢等（2015）利用云高儀對2014 年污染嚴(yán)重的2 月京津冀區(qū)域北京、天津、石家莊和秦皇島4 個站點MLH 進(jìn)行了同步連續(xù)觀測，分析了其各自及區(qū)域總體變化特性，指出混合層低于800 m，4 個站點細(xì)顆粒物濃度均會超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)。李金堡等（2014）利用干絕熱法計算出青島地區(qū)大氣混合層高度，并分析其變化規(guī)律，得出青島在春夏季大氣混合層高度低，在秋冬高的結(jié)論。杜吳鵬等（2017）利用北京地區(qū)2009～2014 年20 個氣象站觀測資料，計算分析了地表風(fēng)速和大氣混合層厚度的時空變化，指出大氣混合層厚度近年明顯下降，對污染擴(kuò)散較為不利。陳磊等（2017）基于2001～2014 年寧波市每日4個時次的常規(guī)氣象觀測資料和同期寧波市環(huán)保局空氣污染物濃度的日監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用最小二乘曲線擬合法計算了寧波市大氣混合層厚度，并分析了大氣混合層厚度的時間變化特征及其與空氣污染的關(guān)系，指出春季和7 月、8 月寧波市大氣混合層厚度較大，秋季和冬季大氣混合層厚度較小，而6 月大氣混合層厚度最小。

2013 年以來，城市空氣污染越來越受到重視，空氣污染物的監(jiān)測由3 種增加到6 種，空氣污染的衡量指標(biāo)由API 改為AQI，標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。銀川市作為寧夏回族自治區(qū)首府城市，其環(huán)境空氣質(zhì)量狀況倍受公眾關(guān)注，相關(guān)領(lǐng)域的專家對于銀川市空氣質(zhì)量的研究也越來越多，主要集中在污染物濃度變化特征、與地面氣象條件的關(guān)系以及污染天氣的分析方面（紀(jì)曉玲等, 2013; 張智等, 2013；張智和馮瑞萍, 2014; 劉玉蘭等, 2014; 馬寧等, 2015a; 馬寧等，2015b; 緱曉輝等, 2016; 鄧敏君等, 2018; 王建英等, 2020a;王建英等, 2021），而對于污染物在垂直方向擴(kuò)散的研究較少。本文將基于銀川高空站2008～2017 年L 波段探空秒級數(shù)據(jù)和地面觀測數(shù)據(jù)，利用干絕熱法計算大氣混合層高度，分析討論銀川市大氣混合層高度的變化特征和空氣污染物濃度以及AQI 指數(shù)的關(guān)系，找出污染物在垂直方向擴(kuò)散的規(guī)律，為空氣污染防治提供參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源及計算方法

本文計算大氣混合層高度所用資料來源于銀川市國家氣候觀象臺2008～2017 年的L 波段探空秒級數(shù)據(jù)和地面觀測數(shù)據(jù)，均經(jīng)過臺站質(zhì)量審核和省級數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)質(zhì)控。其中探空秒級數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法包括氣候?qū)W界限值檢查、要素間內(nèi)部一致性檢查、時間一致性檢查（數(shù)據(jù)突變或長時間不變檢查）等（中國氣象局, 2011）；本文中用到的小時氣壓、氣溫數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)上經(jīng)過了氣候?qū)W界限值檢查、臺站界限值檢查、要素間內(nèi)部一致性檢查、上述時間一致性檢查和空間一致性檢查等（任芝花和熊安元, 2007; 任芝花等, 2015; 中國氣象局, 2020)；銀川六種污染物日平均質(zhì)量濃度及AQI 指數(shù)均來自銀川市環(huán)保局網(wǎng)站發(fā)布的空氣質(zhì)量日報，文中O3日平均質(zhì)量濃度為O3日最大8 h 平均濃度。

本文中四季的劃分，采用氣象上常用劃分方法：春季為3～5 月，夏季為6～8 月，秋季為9～11 月，冬季為12 月和次年1～2 月。

大氣混合層高度利用干絕熱法計算，干絕熱法是由美國Holzworth 提出的（程水源等, 1997），考慮在典型的大氣條件下，夜間由于地面輻射冷卻接近地面空氣而形成逆溫，呈穩(wěn)定狀態(tài)，而白天由于太陽輻射而呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，忽略平流、下沉及機(jī)械湍流影響時，平均混合層高度則由清晨探空溫度廓線和地面最高、最低氣溫而定。孟慶珍等（孟慶珍和馮藝, 1996）利用每日08:00（北京時間，下同）探空溫度廓線資料以及地面觀測的最高、最低溫度計算了日最大、日最低和日平均混合層高度并進(jìn)行了分析。本文利用每日08:00 L 波段探空秒級溫度資料及地面觀測的逐小時溫度，計算每日逐小時混合層高度，具體求法：利用清晨08:00 氣溫探空資料，在?，攬D上畫出08:00 氣溫廓線，取每日逐小時氣溫作干絕熱曲線，廓線與曲線的交點，讀取下墊面和交點處的氣壓值，采用圖解等面積法，求得該層平均氣溫t，用等溫大氣的壓高公式，由氣壓值計算混合層高度H（單位：m）：

其中，R為干空氣比氣體常數(shù)，g為重力加速度，p0為地面大氣壓（單位：hPa），ph為h高度的大氣壓（單位：hPa），T為下墊面至h高度的層內(nèi)平均氣溫（單位：K）。

3 結(jié)果分析

3.1 銀川2008～2017 年大氣混合層高度變化特征

3.1.1 日變化特征

圖1為銀川市2008～2017 年中各時次平均MLH變化情況，如圖1，MLH 年平均日變化具有明顯的單峰型特征，與氣溫日變化特征一致。夜間隨著氣溫逐步降低，近地層大氣趨于靜穩(wěn)，大氣湍流活動減弱，混合層高度也逐步降低，清晨07:00 達(dá)到最低，平均為23 m，此時也是銀川市最低氣溫出現(xiàn)時段；白天隨著太陽輻射的增強(qiáng)，氣溫也逐步升高，一般午后15:00 至16:00 達(dá)到最高，大氣湍流活動也增強(qiáng)，隨著午后氣溫的升高，近地層上升氣流增強(qiáng)，混合層高度至16:00 也達(dá)到了最高，平均為1552 m，午后17:00 之后，隨著太陽輻射的減弱，氣溫降低，大氣湍流活動減弱，MLH 又呈快速下降趨勢。大氣混合層高度表征了大氣在垂直方向的擴(kuò)散能力，高度越高，表示擴(kuò)散能力越強(qiáng)。夜間由于大氣混合層高度較低，因而擴(kuò)散能力較弱，白天則擴(kuò)散能力較強(qiáng)。

圖1 2008～2017 年銀川市年平均和四季平均MLH 日變化Fig. 1 Annual and seasonal average daily changes the mixed layer height (MLH) in Yinchuan during 2008-2017

四季MLH 日變化特征與年平均日變化特征一致，春季的日變化幅度最大，MLH 值最大達(dá)2125 m，夏季次之，MLH 最大值為1908 m，秋季MLH 最大值為1293 m，冬季變化幅度最小，MLH 最大值為881 m。四季的日最大值均出現(xiàn)在16:00，最小值出現(xiàn)在07:00 至08:00。銀川大氣混合層高度的季節(jié)性變化特征與杜吳鵬等（2017）對北京地區(qū)大氣混合層厚度（高度）的研究結(jié)果相類似，可能是由于同處于北方地區(qū)。由于春季影響銀川市的冷暖空氣活動頻繁，多大風(fēng)天氣，降水少，天氣干燥，晝夜溫差大，午后升溫快，大氣湍流活動最強(qiáng)，MLH日變化幅度最大；夏季太陽輻射最強(qiáng)，但晝夜溫差比春季小，影響銀川市的冷空氣活動次數(shù)少、強(qiáng)度弱，風(fēng)力小，大氣湍流活動弱于春季，MLH 日變化幅度比春季小，午后MLH 最大值也比春季??；秋季影響銀川市的冷空氣活動次數(shù)逐漸增多，氣溫下降快，大氣湍流活動減弱，大氣混合層高度也明顯降低；冬季日照時間短，太陽輻射弱，是銀川市氣溫最低的季節(jié)，加之冬季供暖，污染物排放強(qiáng)度大，大氣的透光性變差，降低了到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度，使地面升溫慢，近地層出現(xiàn)逆溫，大氣湍流活動進(jìn)一步減弱，大氣混合層高度進(jìn)一步降低，冬季MLH 日變化幅度最小，MLH 最大值也最小。

3.1.2 月季年變化特征

圖2a 為銀川2008～2017 年10 年中各月平均MLH、各月白天（08:00 至20:00）平均MLH 和夜間（20:00 至08:00）平均MLH 高度的變化，圖2b為銀川2008～2017 年10 年中各季節(jié)平均值MLH、各月白天平均MLH 和夜間平均MLH 高度的變化，圖2c 為銀川2008～2017 年10 年中逐年平均MLH 的變化情況。2008～2017 年各月平均MLH值在282～936 m，4～6 月MLH 值在800 m 以上，5 月最高為936 m，11～12 月、1～2 月MLH 值較低，都在450 m 以下，12 月最低為282 m。夜間，各月平均MLH 值為117～286 m，普遍在300 m 以下，且變化幅度不大；白天，各月平均MLH 值在441～1648 m，變化幅度較大，3～8 月在1000 m以上，且4～6 月最大，均在1500 m 以上，12 月、1 月最小，都在500 m 以下。從各年MLH 月均值看，2008～2017 年，MLH 值的最大值都集中在4～6 月，其中2008、2009 年最大值出現(xiàn)在6 月，2010～2013 年、2016 年 最 大 值 出 現(xiàn) 在4 月，2014～2015 年、2017 年最大值出現(xiàn)在5 月；MLH最小值一般出現(xiàn)在11～12 月、1～2 月，其中2008 年、2012 年 最 小 值 出 現(xiàn) 在1 月，2009 年、2014 年最小值出現(xiàn)在11 月，2010 年出現(xiàn)在2 月，2011 年、2013 年、2015～2017 年 出 現(xiàn) 在12 月，最小值出現(xiàn)在12 月居多，占50%?？傮w看，MLH值呈現(xiàn)1-2 月較低，3 月開始升高，5 月達(dá)到最高，之后逐漸下降的趨勢。季節(jié)變化方面，MLH 平均值為春季最高853 m，夏季次之，冬季最低為332 m。四季夜間的MLH 平均值在300 m 以下，且春季最高，秋季最低，變化幅度不大；四季白天MLH 平均值為春季、夏季高，為1453 m 和1273 m，秋、冬季低為754 m 和526 m，四季白天的MLH 高度較夜間明顯升高?；旌蠈痈叨鹊倪@種季節(jié)變化與太陽輻射、湍流強(qiáng)弱的季節(jié)變化是一致的。如圖2c所示，2008～2017 年逐年MLH 平均值總體呈降低趨勢，在566～621 m，2015 年最低，2012 年最高。銀川市2008～2017 年降水量呈增加趨勢，降水日數(shù)增多，多云天氣也相應(yīng)增多，另外，近年來，隨著銀川市城市化進(jìn)程加快，汽車保有量和人口密度增大，加之冬季供暖污染物排放增多，污染天氣降低了到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度，使得秋冬季多逆溫，大氣湍流活動減弱，混合層高度降低。

圖2 2008～2017 年銀川市MLH（a）月平均、（b）季節(jié)平均、（c）年平均變化Fig. 2 Variations in the (a) month, (b) season, and (c) year of MLH in Yinchuan during 2008-2017

3.1.3 頻率分析

表1 銀川市2008～2017 年各月平均MLH 值Table 1 Monthly average of MLH in Yinchuan during 2008-2017 m

對銀川站2008～2017 年逐時MLH 值按高度區(qū)間分別統(tǒng)計出現(xiàn)頻率，2000 m 內(nèi)按照200 m 的間距統(tǒng)計，2000 m 以上為一個統(tǒng)計區(qū)間。銀川站MLH 高度在200 m 以下所占頻率最大，為47%，200～400 m 次之，為13%，400～600 m 為8%，之后隨著高度的升高頻率不斷降低，在1800～2000 m的區(qū)間僅為2%，2000 m 以上的頻率為7%。圖3為600 m 以下各高度在各時次出現(xiàn)頻率，由圖可知，00:00 至08:00，600 m 以下高度頻率達(dá)到90%以上，06:00 至08:00 接 近100%，13:00 至17:00，600 m 以下頻率在30%以內(nèi)，為一天中最小。分析結(jié)果表明，大氣混合層高度夜間大部分在600 m以下，白天則隨著太陽輻射的變化，MLH 值升高，在13:00 至17:00，600 m 以下出現(xiàn)頻率最低。

圖3 銀川2008～2017 年600 m 以下高度區(qū)間在各時次出現(xiàn)頻率Fig. 3 Frequency of range of MLH in Yinchuan during 2008-2017

3.2 銀川大氣混合層高度與空氣污染的關(guān)系

3.2.1 大氣混合層高度與6 種污染物質(zhì)量濃度相關(guān)性分析

收集整理了2013～2015 年銀川市SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5 6 種污染物的空氣質(zhì)量日平均濃度和2013～2017 年銀川市日AQI 指數(shù)與大氣混合層高度做相關(guān)性分析。結(jié)果如表2、圖5，銀川市6 種污染物除O3為正相關(guān)外，其余5 種污染物的質(zhì)量濃度與MLH 值都為負(fù)相關(guān)，均通過0.05 的顯著性檢驗，O3與MLH 值的相關(guān)性最好。從四季看，四季污染物質(zhì)量濃度與MLH 值只有O3為正相關(guān)，其余均為負(fù)相關(guān)。冬季污染物質(zhì)量濃度與MLH 值相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)均在0.4 以上，夏季相關(guān)性最差，只有O3達(dá)到0.4，秋季好于春季。

表2 銀川市2013～2015 年日MLH 平均值與污染物質(zhì)量濃度相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient of the average MLH and the mass concentration of pollutants in Yinchuan during 2013-2015

由嚴(yán)曉瑜等（2015）的研究可知，銀川市區(qū)SO2、NO2、 PM2.5 和 CO 質(zhì)量濃度月變化均呈“U”型分布。銀川市地處在賀蘭山東側(cè)背風(fēng)坡，多靜小風(fēng)，加之冬季采用燃煤供暖，污染物排放強(qiáng)度大在冬季最為嚴(yán)重，隨著污染的加重，能見度降低污染天氣使大氣透光性降低，到達(dá)地面的太陽輻射減弱，近地面升溫慢，有利于逆溫維持和加強(qiáng)，導(dǎo)致大氣垂直方向靜穩(wěn)度增加，湍流活動減弱，大

氣混合層高度降低，兩者相互作用，使污染物濃度進(jìn)一步升高，因此，冬季污染物質(zhì)量濃度與MLH值呈較明顯負(fù)相關(guān)；春季銀川市風(fēng)速較大，大氣垂直湍流活動強(qiáng)，混合層高度最高，本地污染易擴(kuò)散，但大風(fēng)天氣易使上游沙塵向銀川市輸送，加之本地?fù)P塵，造成PM10 濃度明顯升高，有時出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣，所以MLH 與PM10 的相關(guān)性一般；夏季污染物排放量少，大氣湍流活動強(qiáng)，混合層高度高，有利于污染物擴(kuò)散，且夏季也是一年中降水量最多的季節(jié)，降水對污染物沖刷作用強(qiáng)，所以大氣混合層高度與SO2、NO2、PM10、CO、PM2.5 污染物濃度的相關(guān)性最差。由嚴(yán)曉瑜等（2015）的研究可知O3質(zhì)量濃度在一年中的最高值出現(xiàn)在5 月，最低值出現(xiàn)在12 月，這是與MLH 值的月變化規(guī)律有相似性。研究表明（王建英等, 2020b）：氣溫和太陽輻射強(qiáng)度是影響O3濃度變化的重要因素原因之一，在高溫和強(qiáng)太陽輻射作用下，有利于O3前體物的二次轉(zhuǎn)化，易造成O3出現(xiàn)高值，而此時也是大氣湍流活動增強(qiáng)，大氣混合層高度增高的情況，因而全年O3與MLH 值呈正相關(guān)。

為了研究各污染物濃度隨著大氣混合層高度的變化，對于6 種污染物質(zhì)量濃度日均值超過二級標(biāo)準(zhǔn)閾值的濃度值與當(dāng)日MLH 值對比，超標(biāo)后的MLH 值最大值如表3 所示，SO2、NO2的日均濃度超過二級標(biāo)準(zhǔn)時，MLH 最大值均在600 m 以下，PM10 的日均濃度超過二級標(biāo)準(zhǔn)時，MLH 值在1200 m 以下，CO 的日均濃度超過二級標(biāo)準(zhǔn)時，MLH 值在200 m 以下，O3的日均濃度超過二級標(biāo)準(zhǔn)時，MLH 值在1300 m 以下，PM2.5 的日均濃度超過二級標(biāo)準(zhǔn)時，MLH 值在1100 m 以下。以2014 年為例，由圖4 可知，當(dāng)MLH 值升高時，除O3的濃度值是升高的，其余5 污染物濃度都是降低的。

圖4 2013～2017 年銀川市各污染物質(zhì)量濃度變化與MLH 變化比較：（a）SO2；（b）NO2；（c）PM10；（d）CO；（e）O3；（f）PM2.5Fig. 4 Comparison between the pollutant concentration and the mixed layer height in Yinchuan during 2013-2017: (a) SO2; (b) NO2; (c) PM10; (d)CO; (e) O3; (f) PM2.5

表3 污染物質(zhì)量濃度二級標(biāo)準(zhǔn)與超標(biāo)MLH 最大值范圍列表Table 3 Pollutant concentration level two and list of maximal mixed layer height ranges

3.2.2 大氣混合層高度與AQI 指數(shù)及不同空氣質(zhì)量級別的分析

對銀川2013～2017 年逐日AQI 指數(shù)與大氣混合層高度進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為-0.17，通過0.05 的顯著性檢驗，表明逐日AQI 指數(shù)與MLH 為負(fù)相關(guān)，當(dāng)MLH 升高時，在污染源穩(wěn)定的情況下，AQI 指數(shù)是降低的。對銀川2013～2017 年逐日空氣質(zhì)量級別與對應(yīng)MLH 平均值進(jìn)行分析，如圖5所示，一級的MLH 平均值為569 m，二級的MLH 平均值為635 m，從二級到五級MLH 平均值為逐級下降的趨勢，六級的MLH 平均值反而升高，高于四級。主要是因為空氣質(zhì)量級別為六級的時間大部集中在3～5 月，為大風(fēng)沙塵天氣多發(fā)季節(jié)，導(dǎo)致PM10 升高，空氣污染嚴(yán)重。

圖5 2013～2017 年銀川市不同空氣質(zhì)量級別與MLH 平均值的關(guān)系Fig. 5 Annual average mixed layer height during the pollutant concentration level in Yinchuan during 2013-2017

4 結(jié)論

（1）銀川MLH 具有明顯的單峰型日變化特征，07:00 最低為23 m，16:00 最高為1552 m。夜間變化幅度不大，白天隨著太陽輻射的增強(qiáng)，MLH呈先升后降趨勢；月變化方面，各月MLH 值在282～936 m，4～6 月MLH 值最高，12 月MLH 值最低。季節(jié)變化方面，春季最高，夏季次之，冬季最低；年變化方面，2008～2017 年逐年MLH 平均值為566～610 m，2015 年最低，2012 年最高。

（2）銀川MLH 高度在200 m 以下所占頻率最大，為47%，200～400 m 次之，為13%，400～600 m 為8%，之后隨著高度的升高頻率不斷降低。2000 m 以上的頻率為7%。大氣混合層高度在各時次出現(xiàn)頻率也具有明顯的日變化，夜間大部分在600 m 以下，白天則隨著太陽輻射的變化，MLH值升高，在13:00 至17:00， 600 m 以下占比最低，為30%。

（3）銀川市6 種污染物除O3外，其余5 種污染物的質(zhì)量濃度與MLH 值都為負(fù)相關(guān)，均通過0.05 的顯著性檢驗。O3與MLH 值的相關(guān)性最好。從四季看，四季污染物質(zhì)量濃度與MLH 值只有O3為正相關(guān)，其余均為負(fù)相關(guān)。冬季污染物質(zhì)量濃度與MLH 值相關(guān)性最好，在0.4 以上，夏季相關(guān)性最差，只有O3達(dá)到0.4，秋季好于春季。銀川市逐日AQI 指數(shù)與MLH 為負(fù)相關(guān)，銀川市空氣質(zhì)量等級一級的MLH 平均值為569 m，二級的MLH 平均值為635 m，從二級到五級MLH 平均值為逐級下降的趨勢，六級的MLH 平均值反而升高，高于四級。