濟南市低空逆溫特征及其對空氣質量影響分析

何鵬程，卜慶雷，李 恬

濟南市氣象局，山東濟南 250100

一般情況下，對流層溫度隨高度升高而遞減，但經(jīng)常在某一層或多層出現(xiàn)氣溫不隨高度變化或氣溫隨高度升高的現(xiàn)象，氣象上將氣溫不隨高度而變化的大氣層結稱為等溫層，將氣溫隨高度升高的層結稱為逆溫層[1]。國內(nèi)外很多學者針對邊界層逆溫開展了大量研究，結果表明：邊界層逆溫常年普遍存在，且與霧霾、暴雨、沙塵等氣象災害關系密切，受下墊面、天氣氣候等因素影響，其分布規(guī)律在不同地區(qū)呈現(xiàn)不同的年、季、月和日變化特征。例如，張佃國等[2]指出山東濟南地區(qū)邊界層逆溫日數(shù)夏季最少，逆溫強度春季最強。鄧敏君等[3]認為銀川市逆溫與霧霾天氣的季節(jié)變化特征一致。李巖瑛等[4]指出沙塵天氣的邊界層逆溫有顯著的晝夜變化，白天逆溫強而多，且揚沙、沙塵暴和浮塵分別以鋒面輻射逆溫、擾動逆溫和輻射逆溫為主。夏敏潔等[5]指出南京市逆溫厚度薄且多層，早晨的逆溫頻率和層次明顯大于夜晚。也有研究表明，逆溫對調節(jié)氣溶膠的分布起著特殊的作用，逆溫層厚度、強度和大氣污染濃度呈正相關關系。

1 資料與方法

1.1 資料

所使用的資料：（1）2010—2018 年濟南章丘（117.56°E，36.73°N）L波段雷達逐日08:00和20:00 3 km以下探測數(shù)據(jù)，垂直分辨率為10 m，包含氣溫、氣壓、露點溫度、風向、風速等要素； （2）2010—2018年濟南市逐日空氣質量指數(shù)（AQI）數(shù)據(jù)。

2.2 方法

項目采用運用一階溫度梯度算法來識別逆溫，同時將其中逆溫溫差小于1℃或者過濾了逆溫厚度小于50 m的逆溫。根據(jù)形成的原因不同，將逆溫可分為輻射逆溫、平流逆溫、鋒面逆溫、湍流逆溫和下沉逆溫。

根據(jù)以下判據(jù)對逆溫進行了分類：（1）逆溫層中、上、下層的露點差＞0℃的逆溫為鋒面逆溫；（2）逆溫底高＜100 m且地面風速≤3 m/s的逆溫為輻射逆溫；（3）逆溫底高＜100 m且地面風速＞3 m/s的逆溫為平流逆溫；（4）逆溫底高＞100 m、地面風速≥5 m/s，且滿足（T0-θ0）-（T1-θ1）≤0.1的逆溫為湍流逆溫，其中，T為氣溫，θ為位溫，0和1分布代表逆溫層以下探空最低一層和最高一層； （5）排除輻射逆溫、平流逆溫、鋒面逆溫和湍流逆溫以外的逆溫為下沉逆溫。

對于每條廓線所包含的逆溫層，計算了以下4個參數(shù)：逆溫底高、逆溫厚度、逆溫溫差（即每層逆溫層頂部和底部之間的溫差）、逆溫強度（逆溫溫差/逆溫厚度）。

2 濟南市低空逆溫特征

2.1 低空逆溫頻率特征

通過統(tǒng)計分析2010—2018年探空資料，結果表明：2010—2018年濟南市低空逆溫發(fā)生頻率為74.4%，其中，08:00發(fā) 生 頻 率 為73.9%，20:00發(fā) 生頻率為74.9%，20:00發(fā)生頻率略高于08:00。從逆溫頻率的年變化可以看出，20:00發(fā)生頻率最高出現(xiàn)在2013年，為83%，最低出現(xiàn)在2014年，為64%；08:00發(fā)生頻率最高出現(xiàn)在2013年，為83%，最低出現(xiàn)在2010年，為70%（圖1a）。從逆溫頻率的月變化可以看出，夏季發(fā)生頻率最低，冬季最高；7—10月20:00逆溫發(fā)生頻率比08:00高，其他月份則相反（圖1b）。輻射逆溫、平流逆溫、鋒面逆溫、湍流逆溫和下沉逆溫的發(fā)生頻率分別為44%、5%、15%、2%和33%。濟南市低空往往呈現(xiàn)多層逆溫共存的廓線形態(tài)，出現(xiàn)1~3層逆溫較多，出現(xiàn)4~5層逆溫極少。其中單層逆溫占比63.6%、2層逆溫占比28.0%、3層逆溫占比7.3%。

圖1 逆溫發(fā)生頻率年變化（a）和月變化（b）

2.2 逆溫底高特征

分析逆溫底高發(fā)現(xiàn)，底高為0 m的占比36.8%，底高為10 m的占比6.1%，其他高度的占比均小于0.7%（圖2a）。對逆溫底高進行100 m滑動平均后可以發(fā)現(xiàn)，低空存在3個相對多發(fā)高度，分別位于100 m以下、1 150~1 750 m和1 900~2 350 m。

從逐月逆溫底高的箱線圖可以看出，20:00逆溫底高均高于08:00（圖3a）。08:00逆溫底高在夏季最低，冬季最高，20:00的逆溫底高季節(jié)變化不明顯。

2.3 逆溫厚度特征

逆溫厚度平均為147.4 m，08:00平均厚度為159.6 m，20:00平均厚度為135.0 m。分析逆溫厚度分布頻率發(fā)現(xiàn)，逆溫厚度主要分布在40~290 m，累積發(fā)生頻率為90.9%，發(fā)生頻率峰值在90 m（圖2b）。

圖2 逆溫底高（a）、逆溫厚度（b）、逆溫溫差（c）和逆溫強度（d）分布頻率

從逐月逆溫厚度的箱線圖可以看出，08:00逆溫厚度2月最大為177 m，8月最小為122 m；20:00逆溫厚度2月最大為164 m，8月最小為106 m（圖3b）。各月08:00的逆溫厚度均大于20:00的逆溫厚度，最大差值為37 m。

圖3 逆溫底高（a）、逆溫厚度（b）、逆溫溫差（c）和逆溫強度（d）月變化

2.4 逆溫溫差特征

逆溫溫差平均為2.2℃，08:00平均為2.3℃，20:00平均為2.0℃。分析逆溫溫差分布頻率發(fā)現(xiàn)，逆溫溫差主要分布在4.5℃以下，累積發(fā)生頻率為91.2%，發(fā)生頻率峰值在1℃（圖2c）。

從逐月逆溫溫差的箱線圖可以看出，08:00逆溫溫差11月最大為2.8℃，7—8月最小為1.4℃，20:00逆溫溫差10月最大為2.3℃，5—8月最小為1.5℃（圖3c）。08:00和20:00逆溫溫差在5—9月接近，其他月份08:00的大于20:00的，最大差值為0.6℃。

2.5 逆溫強度特征

逆溫強度平均為1.8℃/100 m，08:00和20:00均為1.8℃。分析逆溫強度發(fā)生發(fā)現(xiàn)，逆溫強度主要分布在0.4~4.3℃/100 m，累積發(fā)生頻率為93.3%，發(fā)生頻率峰值為0.8℃/100 m（圖2d）。

從逐月逆溫強度的箱線圖可以看出，08:00逆溫強度10—11月最大為2.0℃/100 m，5月和7月最小為1.4℃/100 m；20:00逆溫強度10月最大為2.3℃/100 m，7月 最 小 為1.5℃/100 m（圖3d）。各月逆溫強度整體上08:00小于20:00，以9月和10月最為明顯，最大差值為0.4℃/100 m。

2.6 不同類型逆溫的對比

從圖4可以看出，下沉逆溫和鋒面逆溫的平均高度均在1 500 m附近，同時兩者可以發(fā)生在3 km以下的任何高度，湍流逆溫的平均高度為931 m。不同類型逆溫的平均厚度在80~190 m之間，鋒面逆溫的厚度最大，平流逆溫的厚度最小。不同類型逆溫的平均溫差分布在1.1℃~2.5℃，輻射逆溫的溫差最大，平流逆溫的溫差最小。輻射逆溫的溫差分布范圍明顯大于其他類型的逆溫。不同類型逆溫的平均強度分布在1.2℃~2.6℃，輻射逆溫的強度最大，鋒面逆溫和下沉逆溫的強度最小。

圖4 不同類型逆溫底高（a）、厚度（b）、溫差（c）和強度（d）對比

3 逆溫對空氣質量的影響

利用2010—2018年濟南市逐日AQI和上文統(tǒng)計出的濟南低空逆溫數(shù)據(jù)，初步統(tǒng)計了發(fā)生中度污染、重度污染和嚴重污染的逆溫要素。

從不同污染等級的逆溫層數(shù)箱線圖可以看出，隨著污染的加重，逆溫層數(shù)增加，中度污染、重度污染、嚴重污染的平均逆溫層數(shù)分別為1.1、1.4和1.6（圖5a）。中度污染、重度污染和嚴重污染天氣中，底高為0 m的占比分別為63%、73%和73%，為更清楚地研究不同污染等級逆溫底高的差異，只統(tǒng)計分析底高10 m以上的底高特征。隨著污染的加重，平均逆溫底高越低，同時隨著污染的加重，首層逆溫出現(xiàn)的高度范圍越小，高度越低（圖5b）。隨著污染的加重，逆溫厚度增加，中度污染、重度污染、嚴重污染的平均逆溫厚度分別為180、219和261 m（圖5c）。隨著污染的加重，逆溫溫差增加，中度污染、重度污染、嚴重污染的平均逆溫溫差分別為2.9℃、3.6℃和4.4℃（圖5d）。隨著污染的加重，逆溫強度沒有顯著的增強趨勢，中度污染、重度污染、嚴重污染的平均逆溫強度分別為2.5、2.8和2.8℃/100 m。綜上可以看出，逆溫層數(shù)、逆溫底高、逆溫厚度和逆溫溫差與空氣質量關系密切，逆溫強度與空氣質量的關系不顯著。

圖5 不同污染等級逆溫層數(shù)（a）、底高（b）、厚度（c）、溫差（d）對比

4 結論

基于章丘站每日2次的探空資料，采用客觀識別方法統(tǒng)計分析了濟南低空逆溫特征及其與空氣質量的關系。主要得出了以下結論：

（1）2010—2018年濟南市低空逆溫發(fā)生頻率為74.4%，20:00發(fā)生頻率略高于08:00，夏季發(fā)生頻率最低，冬季最高。濟南市低空往往呈現(xiàn)多層逆溫共存的廓線形態(tài)，多出現(xiàn)1~3層逆溫，極少出現(xiàn)4~5層逆溫。

（2）低空存在3個相對多發(fā)高度，分別位于100 m以下、1 150~1 750 m和1 900~2 350 m；逆溫厚度平均為147.4 m，主要分布在40~290 m；逆溫溫差平均為2.2℃，主要分布在4.5℃以下；逆溫強度平均為1.8℃/100 m，主要分布在0.4~3.0℃/100 m；

（3）污染越嚴重，逆溫層數(shù)越多，逆溫層越低，逆溫越厚，逆溫溫差越大，逆溫強度沒有顯著增強。