西安边界层逆温特征及其与空气污染的关系

曹红丽，陈 奇(西安市气象局，西安 710016)

西安边界层逆温特征及其与空气污染的关系

曹红丽，陈 奇
(西安市气象局，西安 710016)

利用2007—2011年西安泾河探空站逐日07、19时探空资料和同时期空气污染物质量浓度资料，分析西安边界层逆温的变化特征及其与空气污染的关系。结果表明：西安一年四季都有逆温出现，冬季逆温最多，夏季最少，早晨多于晚上；逆温强度在0.7～1.5 ℃/100 m，冬季逆温强度最大，夏季最小；晚上逆温强度大于早晨；中等强度逆温最多；冬季的逆温层厚度最大，夏季最小，早晨的逆温层厚度均明显高于晚上；造成西安市空气污染的首要污染物是PM10，其次为SO2，再次为NO2；有逆温时的空气污染物月质量浓度值均高于无逆温时，主要污染物PM10的月质量浓度的变化与逆温厚度、强度成正比，呈现出冬半年高夏半年低的变化趋势，在逆温厚度最厚、强度最强的月份中，空气污染物质量浓度值也最大。逆温层是影响西安地区空气质量的主要气象因子之一。

边界层；逆温层；空气污染；西安

近年来，随着西安经济快速发展，城市人口急剧增加，各种工业、运输业和人们日常生活中所排放的有害气体日益增多。这些有害气体几乎都聚集在与人类生活有密切关系的边界层，不仅造成大气污染，甚至危害到了人类的生存和健康。因此空气污染已被国内外众多机构和学者所关注，并认为空气污染与气象要素有着很密切的相关性[1-2]。而逆温层是较为重要的气象因子之一。通常情况下，在边界层大气中，气温是随高度的增加而降低的。但有时在某些层次气温随高度的增加反而升高，这种现象称为逆温。出现逆温现象的大气层称为逆温层。在逆温层中，较暖又轻的空气位于较冷又重的空气上面，形成稳定的大气层结，不利于空气中的水汽、烟雾和一些有害气体的稀释扩散，加重了空气污染。受逆温层影响的地区，大气层大都趋于稳定，对流不易发生，使空气质量变得恶劣。因此逆温层的强度和厚度与大气污染物质量浓度有很大相关性。近年来我国学者对逆温层的变化特征进行了大量的研究[3-7]，本文利用西安泾河探空站的高空资料，统计分析西安边界层逆温的厚度、强度的日变化及季节变化特征，研究逆温与空气污染的关系。

1 资料和方法

2007—2011年西安泾河探空站逐日07时和19时的探空数据；西安市环保局污染监测站每日空气污染物质量浓度平均数据。

利用L波段(1)型数据处理软件[8]，分别统计每日07时和19时的贴地逆温资料。空气污染物指数的计算采用API指数法[9]。

2 边界层逆温特征

2.1 时间分布特征

分析表明，西安一年四季都有逆温出现，不论早上(07时)还是晚上(19时)，冬半年多于夏半年，其中，冬季逆温最多，其次为秋季和春季，夏季最少。07时共出现逆温613次，占总数的60%,19时出现逆温414次，占40%，说明早上(07 时)出现逆温次数多于晚上(19 时)。07时出现逆温最多的是12月,5 a共出现88次，占总数的57%；次多为11月(79次)和1月(75次)；最少为7月，共出现4次，占3%，2010年7月无逆温出现。19时出现逆温最多的是11月，共76次，占总数的51%；次多为12月(67次)和10月(64次)；最少的为7月，共出现5次(见图1)。

图1 西安2007—2011年逆温频次月分布

2.2 强度特征

逆温强度[4]是指逆温层内温度的垂直递增率，即逆温强度=(逆温层温差/逆温层的厚度)/100，指在逆温层内高度每升高100 m温度的逆增值。

从图2可以看出，西安全年逆温以弱逆温为主，强度为0.7～1.5 ℃/100 m，平均为1.2 ℃/100 m。逆温强度冬季最大，其次为秋季、春季，夏季最小。19时逆温强度平均为1.5 ℃/100 m，最大出现在10月为1.9 ℃/100 m，最小在5月和7月均为0.9 ℃/100 m；秋季最强为1.8 ℃/100 m，其次为冬季1.7 ℃/100 m和春季为1.3 ℃/100 m，夏季最小为1.2 ℃/100 m；极值出现在2010年1月3日，强度为6.8 ℃/100 m。07时平均值为1.0 ℃/100 m，最大值在1月为1.3 ℃/100 m，最小值在7、8月均为0.5 ℃/100 m；冬季最强1.2 ℃/100 m,其次为春季1.1 ℃/100 m，秋季0.9 ℃/100 m，夏季最小0.7 ℃/100 m；极值出现在2010年3月12日，强度为4.9 ℃/100 m。总之，19时逆温强度大于07时。

图2 西安2007—2011年逆温强度月分布

为了便于分析，参照文献[4]将逆温强度等级分为6级(表1)，分析结果见表2和表3。

表1 逆温强度等级

表2 西安2007—2011年逆温强度的日分布 次

表3 西安2007—2011年逆温强度的季节分布 次

从表2可以看出：西安在2007—2011年3级强度的逆温出现频率最高，为27.4%；2级和4级出现频率分别为23.4%和22.2%,2～4级共占73%，占总体的近2/3；5～6级共占逆温出现频率的25.5%，约占1/4；1级出现频率最小为1.4%。说明西安中等强度的逆温最多。1～5级逆温07时出现频率明显高于19时，但6级逆温19时比07时多。从表3可看出：总体来说，不同等级逆温强度均在冬季出现最多，占总数的33%，其次为秋季和春季，分别为28.8%和23.9%，出现频次最小的为夏季，占14.3%。

2.3 厚度特征

逆温顶层高度相对于地面的高度即为逆温层厚度。从图3可以看出，西安07时的逆温层厚度均明显高于19时。不论07时还是19时，冬季逆温层厚度最大，夏季最小。07时最大逆温层厚度在12月为576 m，最小在6月为288 m，全年平均436 m。19时的最大逆温层厚度在12月为214 m，最小在6月为118 m，全年平均160 m。

图3 西安2007—2011年逆温层厚度月分布

3 逆温层与空气污染的关系

3.1 污染物指数的变化特征

利用API法计算5 a中每日的SO2、NO2和PM10的空气污染指数值,通过对西安2007—2011年API指数的计算统计发现：西安一年中NO2的API指数较小，1、2、12月SO2的平均API指数值略高于PM10，3、11月SO2和PM10的指数值相同，4—10月，PM10的指数值高于SO2。全年平均PM10的指数值最高，其次是SO2和NO2。说明造成西安市空气污染的首要污染物是PM10，其次是SO2，最后是NO2。三种空气污染物指数值冬季最大，API指数平均为66；春秋次之，API指数平均分别为48和51；夏季最小为41。最大值在12月为69,最小值在8月为40。这与西安冬季风力较小，降水少，悬浮在空气中的污染物不易扩散和沉降有关，另外，随着冬季气候变冷，城市采暖季节集中，煤炭等燃料燃烧量增多，排放的污染物也随之加大，自然加大了西安的空气污染，冬季尤为明显。全年中，三种污染物指数冬半年均高于夏半年。

3.2 逆温与空气污染物质量浓度

表4为西安市2007—2011 年全年及各季有无逆温时各种污染物质量浓度统计，从表4看出，全年中各季节有逆温时的污染物质量浓度值均比无逆温时高，SO2和NO2年平均高出20%,PM10高12%。这是因为有近地面逆温出现时，大气层结很稳定，空气的对流运动减弱，不利于地面污染物向高层和四周稀释扩散。

表4 西安市2007—2011年全年及各季有无逆温时各种污染物平均质量浓度 mg/m3

3.3 逆温层强度和厚度与空气污染物质量浓度

分析逆温层强度和厚度与主要污染物PM10质量浓度的关系(图4、图5)。可以看出，5 a西安逆温层厚度、强度与主要污染物PM10质量浓度的月变化都呈凹型分布，逆温层厚度、强度和PM10质量浓度值均为冬季最大，秋季和夏季次之，夏季最小，呈现出冬半年高、夏半年低的变化趋势。既在逆温层厚度最厚、强度最强的月份中，空气污染物质量浓度值也最大，反之，空气污染物质量浓度小。空气污染物质量浓度与逆温层厚度和强度成正比。

图4 西安2007—2011年逆温层厚度和PM10质量浓度的月变化

图5 西安2007—2011年逆温层强度和PM10质量浓度的月变化

4 结论

(1)西安一年四季都有逆温出现，不论早上(07时)还是晚上(19 时)，冬半年多于夏半年，其中，冬季逆温最多，夏季最少。早上出现逆温次数比晚上多。

(2)西安一年中逆温强度在0.7～1.5 ℃/100 m之间变化。逆温强度冬季最强，夏季最弱。西安中等强度的逆温较多。

(3)西安07时的逆温层厚度均明显高于19时。冬季的逆温层厚度最大，夏季最小。

(4)造成西安市空气污染的首要污染物是PM10，其次是SO2，最后是NO2。三种空气污染物API指数值冬季最大，春秋次之，夏季最小。全年中各季节有逆温时的污染物质量浓度均高于无逆温时。西安逆温层厚度、强度与主要污染物PM10质量浓度的变化都呈凹型变化，呈现出冬半年高夏半年低的变化特点。即在逆温厚度最厚、强度最强的月份中，空气污染物质量浓度也最大，说明逆温层是影响西安地区空气质量的主要因子之一。

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1006-4354(2014)02-0013-04

2013-01-03

曹红丽(1973—),女，汉族，学士，陕西长武人，工程师，从事高空气象观测。

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