兩種方法計算河北不同地形混合層高度及其與細顆粒物的相關性研究

龐 楊，朱 銳，熊險平，李二杰

（1．滄州市氣象局，河北 滄州 061000；2．河北省氣象局，河北 石家莊050000）

0 引言

污染氣象學中，將地面以上湍流發(fā)展旺盛的大氣層稱為混合層，其厚度稱為大氣混合層高度。它能夠表征污染物在垂直方向上擴散能力，也是影響大氣污染物擴散的主要氣象因子之一。因此，對大氣混合層的研究是大氣環(huán)境研究中不可缺少的一項內(nèi)容，也是環(huán)境規(guī)劃、經(jīng)濟發(fā)展的重要依據(jù)。

關于京津冀地區(qū)大氣污染擴散條件的研究表明：在重污染季，混合層高度低不利于污染物擴散，羅氏法計算的混合層高度與PM2.5濃度的相關性強于國標法計算的混合層高度[8]。2014年京津冀污染較嚴重的地區(qū)，影響其混合層高度的主要因素是風速、輻射通量，且混合層高度與大氣細顆粒物濃度呈高度負相關[7]。在穩(wěn)定的大氣條件下，冬季大氣細顆粒物PM2.5表現(xiàn)出較強的區(qū)域性累計污染特征，而其它氣態(tài)污染物因子則表現(xiàn)出局地性、日周期性變化的污染特征[4]。對比北京APEC前后幾次靜穩(wěn)天氣時的靜穩(wěn)條件發(fā)現(xiàn)：夜間發(fā)展強烈的貼地逆溫往往使混合層高度不足百米，且大氣污染較重時邊界層表現(xiàn)為靜風、高濕、逆溫，三者共同作用，阻礙了顆粒物的擴散并使顆粒物快速吸濕增長，促使污染加重[6]。

目前河北地區(qū)大氣污染治理效果顯著，但冬季河北中南部污染仍然時有發(fā)生。本研究結合氣象數(shù)據(jù)和顆粒物觀測數(shù)據(jù)，分析了河北各地混合層高度變化規(guī)律及其與顆粒物濃度的關系，以期為大氣污染條件預報提供指標參考依據(jù)，為科學治霾提供指導。

1 資料與方法

本研究采用河北省石家莊國家基本氣象站（38.0197°N，114.3989°E）、邢臺國家基本氣象站（37.1833°N，114.3667°E）、唐山國家基本氣象站（39.65°N，118.1°E）、保定國家基本氣象站（38.7333°N，115.4833°E）、黃驊國家基本氣象站（38.4081°N，117.3214°E）觀測的地面2 m氣溫、濕度、10 m風速、日照、低/總云量等氣象數(shù)據(jù)，以及中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質量實時發(fā)布平臺的PM2.5濃度數(shù)據(jù)。

利用國標法、羅氏法[9-10]對混合層高度進行計算，國標法（GB/T 13201-91）[11]主要基于聯(lián)合頻率羅氏法計算獲得[12]，該方法利用總/低云量、太陽高度角兩個量來確定各時刻的太陽輻射等級，再結合風速判斷大氣穩(wěn)定度等級，最后獲得大氣混合層的高度。羅氏法又稱經(jīng)驗數(shù)值計算方法，該方法利用地面氣象觀測資料、大氣穩(wěn)定度以及地面粗糙度來計算混合層高度。

2 混合層高度分析

2.1 混合層高度的日變化特征

為了分析混合層高度的日變化特征，計算了2017—2019年5個站點的日變化特征，發(fā)現(xiàn)各地日變化均呈單峰型變化特征，而國標法與羅氏法計算的混合層高度均為下午最高，傍晚開始下降且后半夜平穩(wěn)。

兩種方法計算獲得的混合層高度和峰值出現(xiàn)的時間有明顯不同，羅氏法計算混合層高度峰值出現(xiàn)在14—15時，較國標法晚2 h左右，且各時刻混合層高度較國標法高200～400 m。與圖2對比發(fā)現(xiàn)：羅氏法計算混合層高度的日變化特征與細顆粒物的日變化特征更加接近，峰值時刻對應較好；國標法計算得到的混合層高度峰值則偏差近2 h。

圖2 2017—2019年PM2.5濃度小時均值

實際中的混合層高度主要受湍流摩擦、輻射通量、風速等因素影響，其峰值往往出現(xiàn)在14時前后，夜間混合層高度往往下降至400～500 m[7,14]。對比兩種方式計算的混合層高度，發(fā)現(xiàn)羅氏法在時間變化規(guī)律上更接近實況。

2.2 混合層高度的月變化特征

分別使用國標法、羅氏法計算了5個站點2017—2019年MLH的月均值，兩種方法計算得到的混合層高度變化規(guī)律基本一致，以羅氏法計算得到的混合層高度為例。從圖3可以看出，該混合層高度曲線共有兩個峰值，其一為4—5月，其次為9月；1—4月份混合層高度逐漸升高，6—8月混合層高度降低，10月份混合層高度再次下降；11月份混合層高度再次升高。

圖1 混合層高度日變化

圖3 2017—2019年混合層高度月變化

由國標法計算公式可知，該方法計算的混合層高度在靜穩(wěn)時與地面10 m風速的平方根呈線性相關，而在不靜穩(wěn)或者中性層結時直接與10 m風速呈線性相關。而由羅氏法計算公式可知，該方法計算的混合層高度不但與10 m風速相關，還與溫度露點差相關。

為了判斷兩種方式獲得的混合層高度在10—12月不同變化規(guī)律，首先要確定影響混合層高度的主要氣象要素，將5個站的氣象要素與混合層高度進行對比分析。

從表1發(fā)現(xiàn)，與國標法計算獲得的混合層高度相關性最好的氣象要素是10 m風速，各地相關性均在70%左右，日照相關性在40%～50%，而濕度的相關性在-40%左右，3個氣象要素均達到顯著相關，通過0.01相關性檢驗，溫度相關性較差，未能通過0.01相關性檢驗。

表1 2017—2019年10—12月石家莊、邢臺、唐山、保定、饒陽、黃驊混合層高度與氣象要素的相關性

與羅氏法計算獲得的混合層高度相關性最好的氣象要素為濕度、10 m風速，相關性分別達-80%、80%以上，日照相關性50%～70%，溫度相關性則較差。各氣象要素達到顯著相關，通過0.01相關性檢驗。因此10 m風速和濕度是兩種方法得出的混合層高度不同的主要因素，日照時數(shù)是次相關因素。

2.3 混合層高度的空間分布特征

本研究使用國標法與羅氏法統(tǒng)計2017—2019年河北各地區(qū)的混合層高度，結果表明，河北東南部地區(qū)大氣混合層高度的空間特征總體呈現(xiàn)：東部沿海地區(qū)比西部沿山地區(qū)高，西部沿山地區(qū)比南部平原地區(qū)高。

圖4為2017—2019年黃驊、唐山、石家莊、保定、邢臺等地按國標法、羅氏法計算的混合層高度均值。由于夜間無云量觀測數(shù)據(jù)，因此計算的每日混合層高度為日間08—20時，每3 h的混合層高度均值。

圖4 2017—2019年河北東南部混合層高度均值

2.4 混合層高度頻率分布

為了解各地混合層高度的分布特征，分別用國標法、羅氏法對各地混合層高度做頻率分布分析，由圖5發(fā)現(xiàn)：國標法計算的混合層高度，取值范圍在0.15～1.6 km，其中，石家莊、唐山、保定等地混合層高度在0.4～0.6 km處頻率最高，而邢臺在0.8～1.0 km處的頻率最高。石家莊、保定地區(qū)的混合層高度分布規(guī)律較一致，0.4～0.6 km 頻率最高，0.2～0.4 km頻率次之；唐山地區(qū)0.4～0.6 km頻率最高、0.6～0.8 km頻率次之；邢臺地區(qū)0.8～1.0 km頻率最高，0.6～0.8 km頻率次之；黃驊地區(qū)的混合層高度較前者均有不同，在0.4～0.6 km、0.6～0.8 km、0.8～1.0 km三層高度處頻率分布均勻，分別為：26.3%、27.95%、24.38%。而從羅氏法計算得到的混合層高度頻率分布見圖6，該方法計算得到的混合層高度較國標法更高，且各區(qū)間的混合層高度分布更加均勻。李二杰[8]等人的研究成果發(fā)現(xiàn)，羅氏法計算的混合層高度與PM2.5濃度的相關性更高。

圖5 利用國標法獲得各地混合層高度頻率分布圖

圖6 國標法計算混合層高度的擬合曲線

圖6 利用羅氏法獲得各地混合層高度頻率分布圖

3 混合層高度對大氣細顆粒物濃度影響

3.1 混合層高度與細顆粒物濃度的關系

為了研究混合層高度對細顆粒物的影響，本文分別用國標法、羅氏法計算混合層高度日均值并與本地PM2.5濃度日均值進行相關性分析，如表2所示，2017—2019年混合層高度與PM2.5濃度為負相關，且均通過0.01的t檢驗達到顯著相關。

表2 混合層高度與PM2.5濃度相關性 （%）

羅氏法計算混合層高度與細粒子濃度最大相關性出現(xiàn)在邢臺市為-51.2%，其次為石家莊市-48.6%，黃驊最差為-33.3%。而國標法計算混合層高度與細粒子濃度相關性最大出現(xiàn)在石家莊市為-38.1%，其次為唐山-36.7%，最差為-24.2%。

羅氏法計算混合層高度與PM2.5濃度相關性較國標法更高，石家莊、邢臺、保定等地相關性明顯高于唐山、黃驊。原因主要在于：唐山、黃驊為海濱城市，由于受下午到夜間的海風影響，在熱力強制的作用下，接近地面的空氣層形成熱內(nèi)混合層。由于熱內(nèi)混合層的湍流旺盛，從而減小了混合層高度與細顆粒物的相關性[7]。

3.2 混合層高度與細顆粒物濃度的擬合分析

為了進一步研究混合層高度對細顆粒物濃度變化的影響，本研究將2017—2019年國標法、羅氏法方法計算的5個站點混合層高度日均值與PM2.5濃度日均值進行曲線擬合。圖7為國標法計算的混合層高度與PM2.5濃度擬合圖，圖8為羅氏法計算的混合層高度與PM2.5濃度擬合圖?？梢钥吹絇M2.5濃度隨混合層高度的升高而呈指數(shù)型分布。根據(jù)國家發(fā)布的GB 3095-2012空氣質量標準，PM2.5日均濃度75 μg/m3以內(nèi)為國家允許的大氣細顆粒物濃度。因此以75 μg/m3為臨界值，按照圖7、圖8中的曲線擬合方程，計算各地PM2.5濃度達標時的混合層高度，發(fā)現(xiàn)石家莊、邢臺、唐山、保定、黃驊的混合層高度分別低于710 m、914 m、257 m、587 m、261 m時，PM2.5濃度將＞75 μg/m3，而羅氏法計算混合層高度的臨界值按國標法順次為638 m、1047 m、339 m、560 m、391 m。

圖7 羅氏法計算混合層高度的擬合曲線

從表3發(fā)現(xiàn)，2017年邢臺、保定兩地國標法計算的混合層高度小于其臨界高度的概率分別為68%、64%，對應羅氏法計算的混合層高度小于其臨界高度的概率分別為27%、12%，國標法的擬合曲線說明2017年邢臺、保定兩地將分別有68%、64%的時間PM2.5超標。羅氏法中兩地有27%、12%的時間PM2.5超標。而實際2017—2019年兩地PM2.5超標時間則占全年的35.6%、38.6%，對于唐山、黃驊兩地，兩種方法計算混合層高度小于臨界高度的概率均不足10%，實況為26.3%、33.4%。石家莊地區(qū)混合層高度低于臨界高度的概率分布為25%、20%，實況為39.2%。

表3 混合層高度與細顆粒物的統(tǒng)計特征

羅氏法計算混合層高度小于臨界高度的概率與PM2.5濃度＞75 μg/m3的概率更接近，但要注意，由于羅氏法受經(jīng)驗性影響偏大，因此用羅氏法計算混合層高度時，容易出現(xiàn)系統(tǒng)性的偏高；國標法受風速影響較大，而研究地區(qū)2017—2019年平均風速為1～2 m/s，風力較小造成計算結果出現(xiàn)系統(tǒng)性的偏低。

4 結論

對河北不同地形的5個地區(qū)：石家莊、邢臺、唐山、保定、黃驊分布利用羅氏法、國標法計算混合層高度發(fā)現(xiàn)：

（1）各地日變化均呈單峰型變化特征，國標法與羅氏法計算的混合層高度均為下午最高，傍晚開始下降且后半夜平穩(wěn)。羅氏法計算的混合層高度時間變化規(guī)律與細顆粒物的日變化規(guī)律更接近。

（2）兩種方法計算的混合層高度月變化特征較為一致，峰值主要出現(xiàn)在4—5月、9月。其原因主要在于：4—5月、9月的10 m風速較其它月份偏大，因此計算得到的混合層高度較高。兩種方法的不同點在于：羅氏法對相對濕度、日照時數(shù)等氣象要素更加敏感，且相關性更高。

（3）分析混合層高度的地域分布特征發(fā)現(xiàn)：河北東部沿海地區(qū)比西部沿山地區(qū)高，西部沿山地區(qū)比南部平原地區(qū)高。從各地混合層高度的頻率分布發(fā)現(xiàn)：羅氏法計算得到的混合層高度較國標法更高，且各高度區(qū)間的分布更均勻。

（4）羅氏法計算混合層高度與PM2.5濃度相關性較國標法更高，最大相關性出現(xiàn)在邢臺市為-51%。內(nèi)陸地區(qū)混合層高度與PM2.5濃度相關性明顯高于沿海地區(qū)。

（5）混合層高度與PM2.5濃度共同擬合的指數(shù)公式，更適用于河北平原地區(qū)，在沿海地區(qū)和山區(qū)不能應用。