青岛混合层高度变化特征及与空气污染的关系

时晓曚，魏晓敏，毕 玮，马 艳，孙即霖，衣 立

（1.青岛市气象局，山东 青岛 266003；2.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东 青岛 266003；3.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100）

青岛混合层高度变化特征及与空气污染的关系

时晓曚1，2，魏晓敏3，毕 玮1，2，马 艳1，2，孙即霖3，衣 立3

（1.青岛市气象局，山东 青岛 266003；2.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东 青岛 266003；3.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100）

选取青岛2000—2015年逐日地面观测资料和环境监测中心站2011—2015年逐日主要大气污染物浓度资料，分析了青岛大气混合层高度和大气稳定度的变化特征，对青岛日最大混合层高度与空气污染物浓度进行相关分析。结果表明：近16a来，青岛大气混合层高度年际变化呈逐渐减小的趋势，日变化呈现单峰结构；大气稳定度以D类的出现频率最高，深秋到初冬大气较为稳定，4—8月A，B，C类稳定度较其他月份升高；清晨和傍晚大气以中性层结为主，中午弱不稳定发展，夜间稳定层结明显增强。空气污染物质量浓度与日最大混合层高度有明显的负相关关系，污染物质量浓度越大，日最大混合层高度越小；反之，污染物质量浓度越小，日最大混合层高度越大。

混合层高度；大气稳定度；污染物；变化特征

引言

在大气边界层中，湍流特征不连续界面的高度就是混合层高度[1]。大气稳定度与湍流的发生、发展有着重要的影响。在环境气象领域，混合层高度和大气稳定度常用在空气污染潜势预报和环境评价中[2]。

近年来，专家和学者采用多种数据和不同方法，针对中国多个城市和地区的大气边界层、混合层高度和大气稳定度的特征进行了一系列研究。涂静等[3]和韩美等[4]分别从时空变化和季节变化角度分析了黄东海大气边界层高度特征以及成因，叶堤等[5]、杨兴华等[6]、司瑶冰等[7]分别从重庆、乌鲁木齐、呼和浩特混合层高度与空气污染的关系进行了分析，康桂红等[8]、雷正翠等[9]分别探究了山东大气污染时空分布特征以及聊城、锦州、常州空气质量与气象条件之间的关系，Chan等[10]从边界层和逆温角度分别分析了北京PM2.5和PM10等可吸入颗粒物的垂直结构变化和动力特征。在混合层的变化中，最大混合层高度表示其所能达到的最大高度，也就是污染物在垂直方向上由于湍流和对流活动稀释和扩散所能达到的最大高度，有研究采用最大混合层高度来探讨其与污染物浓度之间的关系[11]。现有研究主要针对北京、上海及中国西北、西南等部分城市，针对青岛市的研究较少。青岛属于中国5 个计划单列市之一，根据2014年青岛市环境状况公报[12]，虽然市区环境空气质量优良天数可达262d，但是以颗粒物为首要污染物的天气所占比例仍达97.2%，而根据韩永清[13]、万明波[14]、宋嘉佳[15]的统计结果，2013—2015年冬季青岛地区都有持续污染天气出现，大气污染防治的形势依然严峻。对青岛大气混合层高度和大气稳定度变化特征的研究，有利于了解青岛市大气低层及大气边界层的特征，探究其与空气污染的关系，对大气污染特征的研究以及治理有积极的意义。

1 数据和方法

1.1 数据

2000—2015年青岛站（54857）逐日地面观测资料（每日8次，包含总云量、低云量、风向、风速等气象要素），青岛环境监测中心站市北南站监测的2011—2015年逐日PM10，PM2.5，SO2，NO2等主要大气污染物浓度资料。青岛站位于伏龙山上，市北南站位于青岛山东侧，二者直线距离不到1km，观测环境较为相似，资料具有较好的对应关系。

1.2 大气稳定度分类法和混合层高度计算方法

Pasquill[16]在1961年提出稳定度分类表方法，将太阳辐射的指标分为强、中、弱3类，来判断大气稳定度。Turner[17]将云高、云量、太阳高度角补充到Pasquill的分类法中，来进行大气稳定度的划分，后经Donald[18]、Mohan和Siddiqui[19]等人补充，形成气象学中较为常用的Pasquill-Turner（P-T）稳定度分类法（表略）。P-T方法将大气稳定度分为极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定和稳定6个等级，由A，B，C，D，E，F来代替由极不稳定到稳定6个大气稳定度等级，此分类法中，计算大气稳定度需要运用总云量、低云量、太阳辐射、风速等要素。

目前，混合层高度的计算方法有干绝热法、罗氏法、联合频率罗氏法等[20-21]，在3种方法的误差分析中，联合频率罗氏法误差最小。李金堡等[22]曾采用干绝热法，利用再分析资料针对青岛地区混合层的季节变化进行过分析。干绝热方法充分考虑热力湍流的影响，利用每天08时的探空资料，采用埃玛图画出气温廓线，采用14时地面气温作温度曲线，廓线与曲线的交点高度即为日平均最大混合层高度。这一方法忽略了平流、下沉和机械湍流的影响，在对污染物的研究中采用较少，同时，这一方法采用08时的探空，仅能得到逐日的高度，而对日间混合层高度的发展难以探究。国家环境保护局制定的国家标准（GB/T13201-91）[23]，基于联合频率罗氏法规定了计算混合层高度Lb的方法（下称国标法）。国标法较之干绝热方法，只要有逐时的地面观测，就能够得到混合层高度的逐时变化。因为考虑了不同时次的混合层高度变化，相对于只考虑最大混合层高度的干绝热方法，国标法得到的混合层高度略低，在计算大气污染物的地面浓度方面则更为安全，在对污染物的研究中较为常用[24]。采用实际观测资料，采用国标法，进行混合层高度Lb的计算，其公式为：

大气稳定度为A，B，C，D时

大气稳定度为E，F时

（1）、（2）式中，as，bs为混合层系数，u10为10m高度处平均风速，f为地转参数。

其计算流程图如图1。

图1 混合层高度计算流程图

其中，u10、云量（包含总云量和低云量）采用经过严格地面观测规范控制的地面观测资料，配合实际观测时间和青岛的经纬度，即可通过计算得到观测时刻青岛站混合层高度[21]。

2 混合层高度的变化特征

2.1 日间混合层高度的年际变化

2014年1月1日起，中国气象局取消了总云量及低云量等气象要素的夜间地面观测。为了保持数据的连续性，加之夜间混合层高度长期变化不大（2000—2013年，图略），图2选取日间混合层高度进行计算，给出了2000—2015年共16a日间（08—17时）大气混合层高度的年平均时间变化序列。图中可见，近16a来，日间混合层高度呈现减小的趋势，最高值出现在2002年，为1186m，2002—2008年、2013年之后是混合层高度明显减小的两个阶段，最低值出现在2014年，仅为1006m，大气日间垂向平均稀释能力有逐年减弱的趋势。据青岛市环保局发布的环境状况公报[12]，2013年空气质量优良天数为293d，2014年和2015年急剧下降到262d和266d，2014—2015空气质量的急剧下降与混合层高度的变化特点是相呼应的。

图2 2000—2015年青岛大气混合层日间高度年平均变化时序图（实线）及变化趋势线（虚线）

2.2 混合层高度的日变化

图3是2000—2015年大气混合层高度的日平均变化。可以明显看出，混合层高度的日变化呈现单峰结构，受到太阳辐射的影响，湍流活动加强，混合层发展，一天中的最大值出现在11—14时，平均高度为1262m；最低值出现在夜间02—05时，平均高度为693m。

图3 2000—2015年青岛大气混合层高度日平均变化时间序列

不同季节的日变化又稍有不同（图4），春季和夏季，混合层高度在11—12时发展到最高，秋季和冬季在午后发展到最高。这与内陆混合层高度的日变化略有不同，受到海洋的调节作用，春、夏季，午后的气温明显高于海温，近海的海气温差会造成午后风向明显交替，风速减缓，影响午后混合层高度的发展，秋、冬季，海气温差较春、夏季小，海洋的影响效应减弱，混合层高度在午后仍可发展。

图4 不同季节青岛大气混合层高度的日变化

3 大气稳定度频率的变化特征

根据青岛2000—2015年风速、总云量、低云量等气象要素资料，按照Pasquill-Turner稳定度分类方法，对逐日4时次（02，08，14，20）进行大气稳定度级别的判定，统计分析大气稳定度出现频率的年、月、日变化特征（表1、表2）。

表1 2000—2015年大气各稳定度频率的月变化统计表 %

年变化方面（表1），大气稳定度以D类的出现频率最高，约为72.2%，其次是C类为13.4%，F类为8.2%，A，B，E类出现频率较低。各月以D类稳定度（中性）为主，9—12月F类稳定度频率明显升高，说明深秋到初冬大气较为稳定；4—8月份A，B，C类稳定度较其他月份升高，特别是5—7月份最明显，大气不稳定频次增加，5—7月份正是青岛强对流天气出现的集中月份。日变化方面（表2），清晨和傍晚大气以中性层结为主，中午弱不稳定发展，夜间稳定层结明显增强。

表2 2000—2015年大气各稳定度频率的日变化表 %

4 日最大混合层高度与空气污染的关系

混合层是大气低层湍流混合强烈而使污染物能充分稀释、扩散的气层，所以其高度的变化与污染物的浓度息息相关。混合层越厚、污染物稀释、扩散范围越大、污染物浓度越低。而最大混合层厚度反应了污染物可以被稀释的最大大气容量，表征了污染物在铅直方向稀释、扩散的最大范围，是污染预测的指标之一[25]。

选取青岛市环境监测中心站2011—2015年市北南站SO2，NO2，PM10等3种污染物逐日平均浓度资料和2013—2015年市北南站PM2.5污染物的逐日平均浓度资料。

将2011—2015年青岛逐日最大混合层高度与SO2，NO2，PM10，PM2.5（2013—2015）4种污染物质量浓度变化进行拟合和相关分析（图5），可以看出，空气污染物质量浓度与日最大混合层高度有明显的负相关关系，其中PM2.5，PM10，NO2的负相关关系较为明显，SO2的负相关关系较弱。经9点滑动平均后，最大混合层高度与PM10，PM2.5，NO2，SO2的相关系数分别为-0.13，-0.12，-0.25，-0.06，除去SO2仅通过95%显著性t检验外，其他都通过了99%显著性t检验。可见污染物质量浓度越大，日最大混合层厚度越小；反之，污染物质量浓度越小，日最大混合层厚度越大。

图5 青岛日最大混合层高度（蓝）与SO2（a，2011—2015年），NO2（b，2011—2015年），PM10（c，2011—2015年），PM2.5（d，2013—2015年）质量浓度（橙）变化及拟合曲线（黑、红）

5 结论

（1）青岛近16a来大气混合层高度年际变化呈逐渐减弱的趋势，大气日间垂向平均稀释能力有逐年减弱的趋势。日变化特征明显，日变化呈现单峰结构，最大值出现在11—14时，最低值出现在夜间。

（2）青岛近16a来大气稳定度以D类的出现频率最高，深秋到前冬大气较为稳定；4—8月A，B，C类稳定度较其他月升高。清晨和傍晚大气以中性层结为主，中午弱不稳定发展，夜间稳定层结明显增强。

（3）空气污染物质量浓度与日最大混合层高度有明显的负相关关系，污染物质量浓度越大，日最大混合层高度越小；反之，污染物质量浓度越小，日最大混合层高度越大。其中PM2.5、PM10、 NO2的负相关关系较为明显，SO2的负相关关系较弱。

致谢：感谢青岛环境监测中心站给予的数据支持，感谢王建林、王宜明、赵文雪给予的资料支持。

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X16

：B

：1005-0582（2016）04-0001-06

10.19513/j.cnki.issn1005-0582.2016.04.001

2016-09-21

国家自然科学基金（41605006）、环渤海区域科技协同创新基金（QYXM201506）、山东省气象局气象科学技术研究项目面上课题（2015sdqxm08）、青岛市气象局科研课题（2015qdqxm01，2015qdqxh01）和山东省优秀中青年科学家奖励基金（ZR2016DB26）共同资助

时晓曚（1987—），女，济南人，博士，工程师，主要从事海气相互作用和边界层气象学研究工作。

孙即霖（1956—），男，山东淄博人，博士，教授，主要从事海气相互作用和气候预测相关研究工作，E-mail：sunjilin@ouc.edu.cn。