黄河源地区近地面逆温层特征及形成原因分析

刘金青，聂永喜，周措毛

(1.青海省达日县气象局，达日 814299；2.青海省贵南县气象局，贵南 813199； 3.青海省果洛藏族自治州气象局，玛沁 814000)

引言

在全球变暖的大环境下，国内外相继开展对高空温度的研究，但是对大气逆温层的研究较少,尤其是对世界第三极青藏高原的近地面逆温层的研究。距地面2km左右大气边界层是人类生活和生产活动的主要空间，也是大气污染物分布、扩散和传播的主要场所[1]。因逆温层中的大气十分稳定，难以发生垂直扰动和交换，则会限制在贴地气层强烈乱流运动的发生，阻碍下方垂直运动的发展，因此当逆温层出现时，大气层结会比较稳定，而稳定层结出现在不同高度时对污染物的扩散所起的作用也截然不同，由于逆温层下部露点差小，常有雾、露、霜等天气现象伴随出现，大量烟尘、水汽等聚集在逆温层下面，使能见度变坏，易造成大气污染，对地区环境污染影响很大。因边界层对天气预报和环境监测等有重要的意义，目前，国内外的许多地区利用高空气象观测资料分析研究逆温层特征[2-8]和大气逆温层结与大气污染影响的研究[9-14]。也有学者对青藏高原地区的逆温层进行了研究，蒋兴文等[16]利用红原站2007年12月的加密探空资料分析研究认为，对流层下部逆温层的形成和变化是高原东部边界层温度日变化的直接结果。同时蒋兴文等[17]通过对青藏高原东部地区常规探空资料的分析得出，冬季对流层底部逆温的存在，对热量和水汽的垂直分布具有重要的影响，夏季大气边界层的变化与暴雨过程存在密切的关系。刘金青[18]等则对1986～2015年黄河源地区地面及高空500hPa温度变化分析中发现，逆温层的存在对500hPa的温度有明显的影响。谷良雷等[19]利用1998年在西藏安多进行的探空加密观测资料,分析出安多地区夏季晴天和阴天的晚上和早上稳定边界层特征都很明显，在近地面层很容易形成逆温层。

黄河源地区地处青藏高原腹地，三江源生态自然保护区内，地理位置特殊，该地区近地面常出现逆温层，因此，在全球气候变暖的背景下，深入探讨该地区大气边界层中的逆温层，找出其规律性及形成原因，对当地农牧业稳定发展、防灾减灾措施的实施和应对极端气候变化具有重要意义，同时为黄河源地区可持续发展的合理规划与决策以及生态环境的保护治理提供气候学上的依据。

1 资料与方法

1.1 资料

资料选用黄河源地区达日国家基准气象站(99°39′N，33°45′E，海拔高度3968m)近10a的探空观测资料，根据国家气象局《高空气象探测规范》进行取值，资料取自2008～2017a年逐日北京时08时、20时两次施放的GTS1型数字式探空仪探测资料，共计7306份，地面观测资料选取2008～2017a年日观测数据。逆温层数据使用L波段(1型)高空气象探测系统数据处理软件(V5.0.1.20170601)处理获取。

1.2 方法

此文主要讨论边界层2km以下低空逆温，在边界层中，从总的状况来看，气温是随高度的升高而降低的，但在某些情况下，在大气中某一高度范围内则出现逆温现象，气温随高度的升高而递增，具有这种气温垂直分布的气层称为逆温层，根据逆温层起始高度将其分为接地逆温层和悬浮逆温层。接地逆温层是指从地表面开始的逆温，悬浮逆温层是指从离地面一定高度开始的逆温。本文以表征逆温特征的逆温出现频率、逆温层厚度、逆温层强度这三个重要指标来分析黄河源地区的逆温特征。需统计计算的要素有：

(1)逆温日：只要08时或20时任一日出现逆温，计为一个逆温日；

(2)逆温出现频率：一月当中出现的逆温频率；

(3)逆温层起始高度H1，逆温层终止高度H2，其中接地逆温层的起始高度为0m；

(4)逆温层厚度：ΔH=H1-H2,单位为m；

(5)逆温层温度差：ΔT=T1-T2,单位为℃，式中T1为逆温起始层温度，T2为逆温终止层温度；

(6)逆温强度：用I表示，I=ΔT/ΔH×100%；表示逆温层内高度每升高100m时，温度的升高值，单位为℃/100m。

四季按照气象学方法划分，即3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月至翌年2月为冬季。

2 研究结果与分析

2.1 逆温出现频率分析

逆温出现频率的高与低,可以表明某地逆温出现的频繁程度。

由图1所示，10a(2008～2017a)间，在黄河源地区08时每月均有接地逆温出现，出现频率月变化趋势呈现“V”型变化，6月出现次数最少，出现频率为3.3%(3次)， 12月出现次数最多，出现频率为72.3%。与08时相比较，20时接地逆温层出现的次数相对较低，在 4～7月，未出现接地逆温层，8月仅出现了1次，出现频率为0.3%。12月也是出现接地逆温最多的月份，共计出现了115次，出现频率为37.1%。

08时悬浮逆温在每月均有出现，其变化幅度不大，全年月际出现频率在12.3%～26.1%变化，其中7月出现次数最高，出现频率为26.1%， 9月出现次数最低，出现频率为12.3%。在08时同一时次，5～7月悬浮逆温比接地逆温出现的多，其他月份悬浮逆温则比接地逆温出现的少。 20时悬浮逆温层出现频率相当低，每月出现频率明显小于08时，10a中，12月出现次数最多，仅有17次，出现频率为5.5%，出现次数最少的月份是4月，出现频率为0.3%(1次)。

由表1季度统计分析结果知，08时夏季接地逆温出现的次数最少，10a间出现88次，冬季是接地逆温出现次数最多的季节，共计出现603次，其他季度里，秋季为337次，春季为238次。08时接地逆温季节变化趋势为：冬季>秋季>春季>夏季。20时夏季接地逆温层仅出现了1次，春季出现13次，同08时一样,20时冬季和秋季出现接地逆温的次数最多，分别为286、164次。

表1 黄河源地区逆温层季度出现次数、逆温层强度I、逆温层厚度ΔH

08时悬浮逆温在夏季出现的次数最多，10a间共计出现196次，而秋季是出现次数最少的季节，出现138次，其他季节里，春季出现177次，冬季出现166次,08时悬浮逆温季节出现次数变化趋势为：夏季>春季>冬季>秋季。20时的悬浮逆温层在各季节出现次数不多，明显低于08时出现的次数，总计出现了67次。其中冬季出现次数最多，为31次，春季和夏季相同，均为8次，秋季20次，20时悬浮逆温在各季节出现次数变化趋势为：冬季>秋季>春季、夏季。

2.2 逆温层厚度分析

逆温层厚度是表征逆温强度的一个特征量，接地逆温层厚度、悬浮逆温层厚度都反映了逆温层的时空分布状况及其强度[8]。

由图2所示，08时接地逆温层厚度月变化幅度较大，年平均厚度为524.2m，6月的逆温层平均厚度最厚，为676.3m，导致6月份逆温层平均厚度最厚的原因，分析认为，是该月份出现接地逆温次数较少的原因所致，10a中6月仅出现了3次接地逆温，并不具有代表性。5、4月接地逆温层的月平均厚度最薄，分别为394.3、397.0m，其他月份平均厚度变化在478.5～585.2m。20时接地逆温层月平均厚度明显小于08时，年平均厚度仅为110.1m，即早上的逆温层厚度大于晚上， 8月在10a中仅出现了1次接地逆温，月平均厚度最薄，为81.0m， 12月逆温层月平均厚度最厚，为136.3m，其他月份接地逆温层厚度则在88.0～131.6m变化。

08时的悬浮逆温层厚度全年月际变化在286.0～362.3m，年平均厚度是375.6m，其中12月的悬浮逆温层平均厚度最厚，为520.8m，9月月平均厚度最薄，为286.0m。20时悬浮逆温层年平均厚度为146.6m，全年月平均厚度在73.0～217.5m变化，因20时悬浮逆温层出现次数较少，故其月平均厚度变化曲线幅度波动较大。其中2月逆温层平均厚度相对最厚，为217.5m(10a中出现2次)，8月厚度最薄，为73.0m(10a中出现2次)。

由表1知，08时接地逆温层厚度在冬季最厚，为552.7m，春季接地逆温层厚度最薄，为443.1m,春、夏、秋、冬四季接地逆温层厚度变化趋势呈递增变化。20时接地逆温厚度在冬季也是最厚，为137.8m,夏季平均厚度最薄(10a中仅出现了1次)，为81.0m，春季平均厚度为89.5m，秋季平均厚度为110.7m。08时悬浮逆温层厚度在冬季最厚，小于08时接地逆温层的厚度，为429.3m，春季厚度最薄，为335.6m，08时悬浮逆温厚度春、夏、秋、冬四季均呈现呈递增变化，但厚度小于08时接地逆温层厚度。20时悬浮逆温层季度平均厚度明显小于08时，其中夏季的悬浮逆温层厚度最厚，为154.0m(10a间合计出现8次),春季厚度最薄，与08时出现季节一致，为120.9m(10a间合计出现8次),20时悬浮逆温层厚度四季变化趋势为：夏季>秋季>冬季>春季。

2.3 逆温强度分析

边界层顶盖处逆温层的逆温强度在一定程度能反映出边界层发展的潜力，即逆温越弱，边界层的垂直发展越容易；反之，由于湍流受顶盖负浮力作用，边界层的垂直发展会受到阻碍[20]。逆温强度用逆温层内温度垂直递减率来表示，是衡量大气稳定度的重要指标[21]。

由图3所示，黄河源地区08时接地逆温强度变化趋势呈“V”型，全年逆温强度月际变化在0.47～1.33℃/100m变化。其中1月份逆温强度最强，为1.33℃/100m， 6月逆温强度最弱(10a中仅出现了3次)，为0.47℃/100m。在20时，除4～7月未出现接地逆温层外，其他月份接地逆温强度月变化幅度在1.55～1.93℃/100m 之间， 其中11月接地逆温层强度最强，为1.93℃/100m，2月、3月逆温层强度最弱，均为1.55℃/100m。与08时逆温层强度相比较，20时月平均接地逆温强度明显强于08时接地逆温层月平均逆温强度，两个时次(08时和20时)月平均最强逆温强度相差0.61℃/100m。

08时悬浮逆温强度月际变化幅度并不大，全年逆温强度在0.73～1.18℃/100m变化，其中2月月平均逆温强度最强，为1.18℃/100m， 6月逆温强度最弱，为0.73℃/100m，这与08时接地逆温层强度最小出现月份一致，在08时同一时次，5～10月悬浮逆温层月平均逆温强度大于接地逆温层月平均强度，11月至翌年4月，则小于接地逆温层月平均强度，1月两者的差值最大，为-0.33℃/100m。因20时悬浮逆温层仅出现了67次，出现次数较少，故其月平均逆温强度变化曲线波动幅度较大，与20时接地逆温层不同，10a中悬浮逆温层在不同月份均会出现，但出现次数很少，逆温强度月平均在0.50～2.41℃/100m 波动变化，最强月平均悬浮逆温层强度出现在11月(10a中出现7次)，为2.41℃/100m，与20时接地逆温层最强月平均逆温层强度出现月份一致，最弱月平均悬浮逆温层强度出现在4月(10a中仅出现1次)，为0.50℃/100m。

由表1知，各季节逆温层平均强度均不同，冬季接地逆温平均强度最强，为1.24℃/100m，夏季逆温平均强度最弱，为0.57℃/100m，春季和秋季分别为0.92、0.85℃/100m，四季变化趋势为：冬季>春季>秋季>夏季。20时接地逆温层强度明显大于08时各季节，其中秋季逆温强度最强，为1.80℃/100m，春季逆温强度最弱，为1.55℃/100m，四季变化趋势为：秋季>冬季>夏季>春季。

08时悬浮逆温层强度在冬季最强，为1.08℃/100m，与该时次的接地逆温层强度出现的季节一致，夏季逆温强度最弱，为0.80℃/100m，同样与该时次的接地逆温层强度出现的季节一致，四季变化趋势为：冬季>秋季>春季>夏季。20时悬浮逆温强度也是冬季最强，为1.66℃/100m(10a中出现31次)，秋季最弱，为0.66℃/100m(10a中出现8次)，四季变化趋势为：冬季>春季>夏季>秋季。

2.4 逆温层与部分要素的关系分析

2.4.1 逆温层与云量的关系

在黄河源地区当出现逆温层时,天空多为无云或少云，08时总云量为0或少云(云量≤4成)的所占比例为68%，低云量为0或少云(云量≤4成)的所占比例为88%；20时总云量为0或少云(云量≤4成)的所占比例为65%，低云量为0或少云(云量≤4成)的所占比例为81%。由分析结果知，天空多为无云或少云有利于逆温层的形成。

2.4.2 逆温层与风速的关系

10年间(2008～2017年)，有逆温层出现时，静风在08时所占比例为71%，20时为40%。08时逆温层起始点的平均风速为1.1m/s，终止点的平均风速为4.9m/s；20时逆温起始点的平均风速为2.1m/s，终止点的平均风速为3.0m/s; 20时逆温起始点的平均风速大于08时逆温起始点的平均风速，但终止点的平均风速却小于08时。由以上结果可知，低空风速的大小与逆温的产生及强弱直接有关。风速较大时，空气上下混合较强，不利于逆温的形成。

2.4.3 逆温层与露、霜、雾的关系

在黄河源地区出现逆温层时，观测到露、霜、雾等天气现象的比例高达91%，这主要是因为由于逆温层下部温度低，露点差小，相对湿度大，所以常有露、霜、雾等天气现象伴随出现。在逆温层上下，空气湿度存在着明显的差别，由数据分析得知，08时逆温起始层的平均湿度为72%，终止层的平均湿度为45%， 20时逆温起始层的平均湿度为36%，终止层的平均湿度为28%，逆温起始层的相对湿度小于终止层，而08时起始、终止层的相对湿度又大于20时。这与蒋兴文等等[16]利用红原站2007年12月的加密探空资料分析研究是一致的，其分析得出由于边界层逆温的存在，大气处于非常稳定的层结状况，大量的水汽被截留在逆温层内，由于近地层的强逆温，大量水汽在该逆温层顶堆积，在近地层形成非常强的逆湿。

2.5 黄河源地区逆温层的成因

黄河源地区地处青藏高原腹地，青海省东南部，三江源生态保护区内，平均海拔4000多米，地形由西北向东南倾斜，巴颜喀拉山脉从西北向东南延伸。在青藏高原特殊的动力、热力作用下形成了高原独有的气候背景，黄河源地区属典型的高原大陆性气候，整个青藏高原冬季是个冷源，高原及上空因经圈环流的作用，出现系统的下沉气流区，冬季天气稳定，天气过程少，又由于高原冬季是个冷源，更增加了天气的稳定性[22]。夏季则受受南亚高压位置的变化，在西南季风作用下，孟加拉湾水汽沿西南气流进入境内，同时由于青藏高原本身的影响，造成这一带低涡和切变活动比较频繁。

太阳辐射是以短波的形式将能量传输到地球，大气对太阳短波辐射几乎是透明的，吸收很少，但对地面的长波辐射却能强烈吸收[23]，当部分太阳辐射通过大气到达地表后，地面开始吸收太阳发出的短波辐射，自身的温度上升，并且放出长波辐射加热大气。

在黄河源地区，日落之后，在晴朗无云或者少云的夜间，地面辐射开始冷却，湍流减弱，贴近地面气层也会随之降温。由于越靠近地面，受到地表的影响越大，所以气层越靠近地面，其温度降低的就越多，离地面越远，气层失去的温度就越少，进而就形成了自地面向上的逆温，随着地表长波辐射冷却的加剧，逆温强度会越来越强，在日出之前达到最强。日出之后，地表开始吸收太阳的短波辐射并增温，自身以长波辐射的形式对近地面的空气加热，随着太阳高度角的增大，太阳辐射逐渐增强，地面很快增温，近地面较热的空气在浮力作用下上升，湍流较强，接地逆温层便逐渐自下而上的消失。

综上所述,黄河源地区的逆温主要是在地理位置、气候背景、天气条件共同作用影响下形成的。

3 结论

在黄河源地区，在近地面(距地2000m)有时会出现两层逆温同时存在现象，在10a(2008～2017a)的资料统计中发现，08时出现22次，20时出现1次。蒋兴文等[16]利用2007年12月的加密探空资料,对青藏高原东部的边界结构分析得出，当近地面开始出现逆温时，在近地面之上也同时存在逆温，随着辐射冷却的加强，两个逆温层可以连通，进而在边界层形成非常深厚的逆温层。因达日站缺少加密观测资料，此现象有待进一步研究。

(1)逆温层的出现频率有明显的时次、月际、季度变化，冬季是逆温层出现最多的季节，08时次出现频率多于20时次。5～7月08时次，悬浮逆温比接地逆温出现的多，其他月份接地逆温层出现频率比悬浮逆温层多。

(2)08时逆温层厚度比20时厚，08时接地逆温层厚度大于同时次的悬浮逆温层厚度，20时接地逆温层厚度则小于同时次的悬浮逆温层厚度。除20时悬浮逆温层厚度夏季最厚外,其他时次在冬季最厚。

(3)接地逆温层强度在08时次1月最强，20时在11月最强，20时接地逆温层强度明显强于08时。08时悬浮逆温强度在2月最强，5～10月悬浮逆温强度大于同时次接地逆温强度，20时悬浮逆温层强度在11月最强(该时次逆温层出现很少)。除20时接地逆温层强度在秋季最强外，其他时次逆温层强度均在冬季最强。

(4)云量的多少、风速的大小对逆温层的产生及强弱直接有关，出现逆温层时，地面常伴有露、霜、雾等天气现象，逆温层上下的湿度存在明显差别。

(5)黄河源地区的逆温主要是在气候背景、地理条件、天气条件共同作用影响下形成，是地面辐射作用的结果。