兰州市逆温特征及其与API首要污染指数关系的研究

王杰 杨银 吴红 张生财

摘 要：本文利用兰州市榆中县气象局探空资料，统计分析了2006至2013年兰州市逆温变化特征及其与API首要污染指数的关系，结果表明：07时贴地逆温直接影响兰州市区API首要污染指数，冬季逆温最强，秋季次至，夏季最弱，10月至次年1月较集中，持续10天以上的逆温发生在11月至次年2月；逆温大于3℃、厚度大于500m时对空气质量的负贡献明显增加，逆温大于7℃、厚度为700至900m时污染日概率高于清洁日概率；逆温持续时间为2至5天时平均API首要污染指数、污染日概率分别为93、26%，5至15天时分别增加到107、39%，超过15天时平均API首要污染指数显著升高到141，污染日概率快速增加为68%。

关键词：逆温特征；API首要污染指数；关系

中图分类号：P423.1

近地层的逆温层厚度可以从几十米到几百米，他就像一层厚厚的被子盖在地面上空，空气不能向上扩散，阻碍空气的垂直运动，直接影响大气污染物的扩散，大量污染物聚集在逆温层下面，造成或加重大气污染[ 1-2 ]。

国内很多城市都利用探空气象资料分析了逆温层的特征。

刘焕彬等[ 3 ]采用济南高空观测资料研究了低层逆温结构分布特征；

邹玉玲等[ 4 ]分析研究了青岛地区低空逆温层的结构和特征；

刘增强等[ 5 ]利用探空资料对乌鲁木齐市低空大气逆温特征進行分析研究；此外国内也有学者研究了逆温与污染的关系；

郑红等[ 6 ]分析了2000至2003年哈尔滨市大气污染的变化特征，得出逆温日数越多，超标污染日越多，逆温强度越大，污染越重的规律。

李景林等[ 7 ]利用2000至2006年乌鲁木齐市逆温与API资料，得出低空逆温的出现频率与大气污染指数具有相似的时间分布特征，采暖期API值越大，相应出现逆温日的比例越高，以贴地逆温多。

本文尝试利用兰州探空观测场地的搬迁后的新资料，研究了兰州市逆温时空分布特征以及与API的关系。

1 资料与方法

1.1 资料

本文利用兰州市榆中县气象局2006年4月1日至2013年12月31日每日07时和19时探空资料和兰州市环保局提供的逐日四站（兰苑宾馆，生物制品厂，铁路设计院，职工医院）API首要污染指数（API要素中污染指数最大值）。

1.2 方法

首先对兰州市逆温、逆温强度、逆温厚度的年季月变化、逆温持续日数以及悬浮逆温底高特征，之后分析逆温与API首要污染指数的关系进行了分析；

其次，再对四季春（3～5月）、夏（6～8月）、秋（9～12月）、冬（12～2月）的情况进行分析。其中逆温强度（℃/m）为逆温层内每升高1m温度的增值，污染日为API首要污染指数大于100，清洁日为API首要污染指数小于等于100。

2 逆温变化特征分析

2.1 逆温频率变化特征

2.1.1 年际变化

如表1所示， 2006至2013年，兰州市07时、19时逆温次数呈波动型减少趋势，07时平均逆温天数为267天，逆温发生概率73%，2010年逆温天数最多为301天，逆温发生概率为83%，2008年逆温天数最少为247天，发生概率68%。

19时平均逆温天数为197天，逆温发生概率54%，2010年逆温天数最多为217天，逆温发生概率为60%，2008年逆温天数最少为157天，发生概率44%。贴地逆温明显多于悬浮逆温，07时贴地逆温明显多于19时，悬浮逆温两时次接近。07时贴地逆温年平均天数为211天，占全年天数的58%，2009年最多为231天，2008年最少为203天数。19时贴地逆温年平均天数为132天，占全年天数的36%。悬浮逆温平均天数低于全年天数的20%。

2.1.2 季节变化

如表2所示，冬季逆温天数最多，07时逆温为84天，占冬季天数的91%，其中贴地逆温69天，占冬季逆温天数的82%；秋季次之，07时逆温天数为75天，占秋季天数的64%，其中贴地逆温59天，占秋季逆温天数的80%；夏季最少，07时逆温天数为55天，占夏季天数的58%，其中贴地逆温39天，占夏季逆温天数的71%。

悬浮逆温在春、秋、冬季19时多于07时。冬季07时与19时逆温天数较为接近，逆温稳定，不易消散，且大多维持贴地逆温，不利于污染物的扩散。夏季地面升温较快，逆温层被破坏，不易形成贴地逆温，污染物也较容易扩散。

2.1.3 月际变化

如表3所示，07时贴地逆温12月最多为25天，大于20天的月份为1、10、11、12月，最少的月份为6、7月均为12天。19时贴地逆温12月最多为23天，大于20天的月份为1、11、12月，最少的月份为5月2天。07时悬浮逆温最多的为1、2、3月都为7天，最少的是8、10、11月为3天。19时悬浮逆温最多的为2、3月为10天，1月次之为9天，最少的月份为6、7、8月为2天。

2.2 逆温空间变化特征

2.2.1 悬浮逆温高度特征

2007至2013年悬浮逆温年平均底高为1235m，逐月底高6月为799m最低，其余各月均大于1000m，最高月份为4月，达到1574m。由于6月本身逆温天数较少，悬浮逆温天数更少，而兰州市区四周山体高度最高为皋兰山山顶，距地高度644.3米，当悬浮逆温底高低于周围山体高度时，污染物聚集在较小的空间难以稀释，一旦逆温底高超过周围山体高度，空间开阔，污染物被稀释，因此造成兰州市污染物集中于边界层的逆温主要为贴地逆温，悬浮逆温影响污染物的稀释和扩散的力度相对较小。

2.2.2 贴地逆温厚度、强度特征

如表6所示， 07時逆温厚度明显厚于19时，强度弱于19时。2007至2013年07时逐年年平均贴地逆温厚度为426m，最大逆温厚度出现在2008年为467m，逐年年平均逆温强度为0.0098℃/m，最大逆温强度出现在2012年为0.0107℃/m。

19时逐年年平均贴地逆温厚度为127m，最大厚度出现在2010年为141m，逐年年平均逆温强度为0.0219℃/m，最大逆温强度为0.0246℃/m，出现在2007年。

如表7所示，冬季07时逆温厚度最厚为602m，秋季次之为371m，夏季最薄为296m，秋季逆温强度最强为0.0110℃/m，夏季最弱为0.0086℃/m。

19时冬季逆温厚度最厚为153m，秋季次之为114m，春季最薄为85m，春季逆温强度最强为0.0235℃/m，夏季最弱为0.0183℃/m。

如表8所示，07时1月逆温厚度最厚为711m，其次为12月、11月、2月，在481至614m，6月最薄为261m。10月逆温强度最强为0.0119℃/m， 7月最弱为0.0084℃/m。

19時逆温厚度总体较薄，1月最厚为180m，其次为12月、2月、11月，6月最薄为81m；最强逆温强度为4月0.0260℃/m，最弱为8月0.0159℃/m。07时逆温厚度明显厚于19时，两个时次厚度差最大的为1、12月，到达531m，7月最小为191m。

3 逆温与API首要污染指数

2006至2013年逆温日数为752天，占总天数的73%。其中，≤1℃的逆温最少为24天，占总天数的1%；1～5℃的逆温最多为1531天，占总天数的54%；≥10℃的逆温为81天，占总天数的3%。逆温与污染日发生概率相关性最好，2006年至2013年逆温、逆温厚度与污染日概率相关系数分别为0.97、0.8，逆温强度相关系数较低，因此主要研究逆温、逆温厚度与污染日的关系。

3.1 逆温、逆温厚度与污染日概率关系

如图1所示，2006至2013年各级逆温中清洁日与污染日概率统计可以看出，无论有无逆温都有可能出现污染日。但是当无逆温或者逆温≤1℃出现清洁日的概率高达89%。

2006至2013年平均清洁日概率为73%，而当逆温≥3℃时污染日概率为70%，因此空气质量是负贡献，随着兰州市政府污染防控力度的不断增大，兰州市2013年污染日概率为82%，因此更小的逆温也会对空气质量产生负贡献。当逆温≥7℃时污染日出现概率高于清洁日概率，因此需要特别注意这种超强逆温。

如图2所示，当逆温厚度大于500m时对空气质量是负贡献，当逆温厚度为700m至900m之间时污染日概率高于清洁日概率，因此需要特别关注，当逆温厚度大于900m时，随着环境容载量的增大、逆温强度的减弱，污染日出现概率反而有所下降。

如表9所示，按照逆温持续天数2至5天，5至10天，10至15天，大于15天进行分类，研究2006至2013年逆温持续天数发现，各级逆温持续天数07时逆温持续天数个数明显多于19时，5至10天逆温持续天数相差最大为57个，大于15天持续逆温天数相差最小为5个。

隨着逆温持续天数的增加，逆温持续天数个数逐渐减少，07时各级逆温持续天数分别占总数的32%、40%、14%、14%，19时各级逆温持续天数分别占总数的52%、29%、10%、9%，其中07时最长持续逆温天数为43天，发生在2011年11月2日至2010年12月14日。19时最长持续逆温天数为24天，发生在2010年11月18日至2010年12月11日。

如图3所示，当逆温持续天数小于15天时，不同空气质量级别发生概率和平均API首要污染指数没有明显变化，当逆温持续时间为2至5天时清洁日、轻度、中度、重度污染日概率分别为73%、23%、3%、1%。

当逆温持续天数增加为5至10天时，清洁日概率减少为61%，轻度、中度、重度污染日概率分别增加到26%、8%、5%。当逆温持续天数增加为10至15天时各级空气质量级别发生概率保持稳定，而一旦逆温持续天数增加到15天以上时清洁日概率明显降低为32%，轻度、中度、重度污染日概率则明显增加，分别达到34%、23%、10%。

综合来看，当逆温增强、厚度增厚时污染日概率升高，且随着强逆温的持续污染物不断累积难以扩散，污染日概率持续升高。当逆温大于7℃、逆温厚度在700m至900m或者逆温持续15天以上时污染日概率会超过清洁日概率，需要特别注意防范。需要指出的是强逆温、逆温的持续仅仅造成污染物难以扩散，因此当逆温较强并且持续时间较长时，应加强防控减少污染物排放。

4 结论

主要结论：

1）兰州市常年存在逆温，无逆温日数只有27%，≤1℃的逆温最少为1%，1～5℃的逆温最多为54%。≥10℃的逆温较少为3%；贴地逆温明显多于悬浮逆温，07时贴地逆温多于19时，07时贴地逆温年平均天数分别为211天；悬浮逆温总体低于全年天数的20%。

2）冬季逆温天数最多，秋季次之，夏季最少。冬季07时与19时逆温天数较为接近，07时贴地逆温为69天，逆温稳定，不易消散。

3）07时逆温厚度明显厚于19时，平均逆温、逆温强度、逆温厚度分别为4.0℃、426、0.0098℃/m，最大逆温强度出现在2012年为0.0107℃/m；1月逆温厚度最厚为711m， 2、11、12月超过450m， 6月最薄为261m，10月逆温强度最强为0.0119℃/m，7月最弱为0.0084℃/m；悬浮逆温年平均底高为1235m，6月为799m，其余月均大于1000m，最高为4月达到1574m。

4）07时逆温持续天数为2至5天、5至10天、10至15天、大于15天的个数分别占总天数的32%、40%、14%、14%，最长持续逆温天数为43天，发生在2011年11月2日至2010年12月14日；当逆温大于7℃、逆温厚度在700m至900m或者逆温持续15天以上时污染日概率超过清洁日概率，对空气造成严重污染。

参考文献：

[1] 姜大膀，王式功，郎咸梅，等.兰州市区低空大气温度层结特征及其与空气污染的关系[J].兰州大学学报（自然科学版），2001， 37（4）：133-138.

[2] 蒋瑞宾，李郁竹.逆温与空气污染[J].气象，1982，8（1）：35-37.

[3] 刘焕彬，冯俊杰，王恒明.济南低空逆温层特征分析[J].山东气象，2005，25（1）：27-28.

[4] 邹玉玲，刘朝晖，马亚维，等.青岛低空逆温层特征分析[J].山东气象，2007，27（1）：28-29.

[5] 刘增强，郑玉萍，李景林，等.乌鲁木齐市低空大气逆温特征分析[J].干旱区地理，2007，30（3）：351-356.

[6] 郑红，郑凯，张桂华，等.哈尔滨冬季大气污染及逆温对污染物扩散影响[J].自然灾害学报，2005，14（4）：39-43.

[7] 李景林，郑玉萍，刘增强.乌鲁木齐市低空温度层结与采暖期大气污染的关系[J].干旱区地理，2007，30（4）：519-525.

基金项目：

兰州市气象局科研课题“兰州市污染预报方法研究”（LZ2013-3）资助

作者简介：

王杰（1988-），男，陕西渭南人，硕士，主要从事天气预报及数值模拟方面的研究。