两种方法计算河北不同地形混合层高度及其与细颗粒物的相关性研究

庞 杨，朱 锐，熊险平，李二杰

（1．沧州市气象局，河北 沧州 061000；2．河北省气象局，河北 石家庄050000）

0 引言

污染气象学中，将地面以上湍流发展旺盛的大气层称为混合层，其厚度称为大气混合层高度。它能够表征污染物在垂直方向上扩散能力，也是影响大气污染物扩散的主要气象因子之一。因此，对大气混合层的研究是大气环境研究中不可缺少的一项内容，也是环境规划、经济发展的重要依据。

关于京津冀地区大气污染扩散条件的研究表明：在重污染季，混合层高度低不利于污染物扩散，罗氏法计算的混合层高度与PM2.5浓度的相关性强于国标法计算的混合层高度[8]。2014年京津冀污染较严重的地区，影响其混合层高度的主要因素是风速、辐射通量，且混合层高度与大气细颗粒物浓度呈高度负相关[7]。在稳定的大气条件下，冬季大气细颗粒物PM2.5表现出较强的区域性累计污染特征，而其它气态污染物因子则表现出局地性、日周期性变化的污染特征[4]。对比北京APEC前后几次静稳天气时的静稳条件发现：夜间发展强烈的贴地逆温往往使混合层高度不足百米，且大气污染较重时边界层表现为静风、高湿、逆温，三者共同作用，阻碍了颗粒物的扩散并使颗粒物快速吸湿增长，促使污染加重[6]。

目前河北地区大气污染治理效果显著，但冬季河北中南部污染仍然时有发生。本研究结合气象数据和颗粒物观测数据，分析了河北各地混合层高度变化规律及其与颗粒物浓度的关系，以期为大气污染条件预报提供指标参考依据，为科学治霾提供指导。

1 资料与方法

本研究采用河北省石家庄国家基本气象站（38.0197°N，114.3989°E）、邢台国家基本气象站（37.1833°N，114.3667°E）、唐山国家基本气象站（39.65°N，118.1°E）、保定国家基本气象站（38.7333°N，115.4833°E）、黄骅国家基本气象站（38.4081°N，117.3214°E）观测的地面2 m气温、湿度、10 m风速、日照、低/总云量等气象数据，以及中国环境监测总站的全国城市空气质量实时发布平台的PM2.5浓度数据。

利用国标法、罗氏法[9-10]对混合层高度进行计算，国标法（GB/T 13201-91）[11]主要基于联合频率罗氏法计算获得[12]，该方法利用总/低云量、太阳高度角两个量来确定各时刻的太阳辐射等级，再结合风速判断大气稳定度等级，最后获得大气混合层的高度。罗氏法又称经验数值计算方法，该方法利用地面气象观测资料、大气稳定度以及地面粗糙度来计算混合层高度。

2 混合层高度分析

2.1 混合层高度的日变化特征

为了分析混合层高度的日变化特征，计算了2017—2019年5个站点的日变化特征，发现各地日变化均呈单峰型变化特征，而国标法与罗氏法计算的混合层高度均为下午最高，傍晚开始下降且后半夜平稳。

两种方法计算获得的混合层高度和峰值出现的时间有明显不同，罗氏法计算混合层高度峰值出现在14—15时，较国标法晚2 h左右，且各时刻混合层高度较国标法高200～400 m。与图2对比发现：罗氏法计算混合层高度的日变化特征与细颗粒物的日变化特征更加接近，峰值时刻对应较好；国标法计算得到的混合层高度峰值则偏差近2 h。

图2 2017—2019年PM2.5浓度小时均值

实际中的混合层高度主要受湍流摩擦、辐射通量、风速等因素影响，其峰值往往出现在14时前后，夜间混合层高度往往下降至400～500 m[7,14]。对比两种方式计算的混合层高度，发现罗氏法在时间变化规律上更接近实况。

2.2 混合层高度的月变化特征

分别使用国标法、罗氏法计算了5个站点2017—2019年MLH的月均值，两种方法计算得到的混合层高度变化规律基本一致，以罗氏法计算得到的混合层高度为例。从图3可以看出，该混合层高度曲线共有两个峰值，其一为4—5月，其次为9月；1—4月份混合层高度逐渐升高，6—8月混合层高度降低，10月份混合层高度再次下降；11月份混合层高度再次升高。

图1 混合层高度日变化

图3 2017—2019年混合层高度月变化

由国标法计算公式可知，该方法计算的混合层高度在静稳时与地面10 m风速的平方根呈线性相关，而在不静稳或者中性层结时直接与10 m风速呈线性相关。而由罗氏法计算公式可知，该方法计算的混合层高度不但与10 m风速相关，还与温度露点差相关。

为了判断两种方式获得的混合层高度在10—12月不同变化规律，首先要确定影响混合层高度的主要气象要素，将5个站的气象要素与混合层高度进行对比分析。

从表1发现，与国标法计算获得的混合层高度相关性最好的气象要素是10 m风速，各地相关性均在70%左右，日照相关性在40%～50%，而湿度的相关性在-40%左右，3个气象要素均达到显著相关，通过0.01相关性检验，温度相关性较差，未能通过0.01相关性检验。

表1 2017—2019年10—12月石家庄、邢台、唐山、保定、饶阳、黄骅混合层高度与气象要素的相关性

与罗氏法计算获得的混合层高度相关性最好的气象要素为湿度、10 m风速，相关性分别达-80%、80%以上，日照相关性50%～70%，温度相关性则较差。各气象要素达到显著相关，通过0.01相关性检验。因此10 m风速和湿度是两种方法得出的混合层高度不同的主要因素，日照时数是次相关因素。

2.3 混合层高度的空间分布特征

本研究使用国标法与罗氏法统计2017—2019年河北各地区的混合层高度，结果表明，河北东南部地区大气混合层高度的空间特征总体呈现：东部沿海地区比西部沿山地区高，西部沿山地区比南部平原地区高。

图4为2017—2019年黄骅、唐山、石家庄、保定、邢台等地按国标法、罗氏法计算的混合层高度均值。由于夜间无云量观测数据，因此计算的每日混合层高度为日间08—20时，每3 h的混合层高度均值。

图4 2017—2019年河北东南部混合层高度均值

2.4 混合层高度频率分布

为了解各地混合层高度的分布特征，分别用国标法、罗氏法对各地混合层高度做频率分布分析，由图5发现：国标法计算的混合层高度，取值范围在0.15～1.6 km，其中，石家庄、唐山、保定等地混合层高度在0.4～0.6 km处频率最高，而邢台在0.8～1.0 km处的频率最高。石家庄、保定地区的混合层高度分布规律较一致，0.4～0.6 km 频率最高，0.2～0.4 km频率次之；唐山地区0.4～0.6 km频率最高、0.6～0.8 km频率次之；邢台地区0.8～1.0 km频率最高，0.6～0.8 km频率次之；黄骅地区的混合层高度较前者均有不同，在0.4～0.6 km、0.6～0.8 km、0.8～1.0 km三层高度处频率分布均匀，分别为：26.3%、27.95%、24.38%。而从罗氏法计算得到的混合层高度频率分布见图6，该方法计算得到的混合层高度较国标法更高，且各区间的混合层高度分布更加均匀。李二杰[8]等人的研究成果发现，罗氏法计算的混合层高度与PM2.5浓度的相关性更高。

图5 利用国标法获得各地混合层高度频率分布图

图6 国标法计算混合层高度的拟合曲线

图6 利用罗氏法获得各地混合层高度频率分布图

3 混合层高度对大气细颗粒物浓度影响

3.1 混合层高度与细颗粒物浓度的关系

为了研究混合层高度对细颗粒物的影响，本文分别用国标法、罗氏法计算混合层高度日均值并与本地PM2.5浓度日均值进行相关性分析，如表2所示，2017—2019年混合层高度与PM2.5浓度为负相关，且均通过0.01的t检验达到显著相关。

表2 混合层高度与PM2.5浓度相关性 （%）

罗氏法计算混合层高度与细粒子浓度最大相关性出现在邢台市为-51.2%，其次为石家庄市-48.6%，黄骅最差为-33.3%。而国标法计算混合层高度与细粒子浓度相关性最大出现在石家庄市为-38.1%，其次为唐山-36.7%，最差为-24.2%。

罗氏法计算混合层高度与PM2.5浓度相关性较国标法更高，石家庄、邢台、保定等地相关性明显高于唐山、黄骅。原因主要在于：唐山、黄骅为海滨城市，由于受下午到夜间的海风影响，在热力强制的作用下，接近地面的空气层形成热内混合层。由于热内混合层的湍流旺盛，从而减小了混合层高度与细颗粒物的相关性[7]。

3.2 混合层高度与细颗粒物浓度的拟合分析

为了进一步研究混合层高度对细颗粒物浓度变化的影响，本研究将2017—2019年国标法、罗氏法方法计算的5个站点混合层高度日均值与PM2.5浓度日均值进行曲线拟合。图7为国标法计算的混合层高度与PM2.5浓度拟合图，图8为罗氏法计算的混合层高度与PM2.5浓度拟合图。可以看到PM2.5浓度随混合层高度的升高而呈指数型分布。根据国家发布的GB 3095-2012空气质量标准，PM2.5日均浓度75 μg/m3以内为国家允许的大气细颗粒物浓度。因此以75 μg/m3为临界值，按照图7、图8中的曲线拟合方程，计算各地PM2.5浓度达标时的混合层高度，发现石家庄、邢台、唐山、保定、黄骅的混合层高度分别低于710 m、914 m、257 m、587 m、261 m时，PM2.5浓度将＞75 μg/m3，而罗氏法计算混合层高度的临界值按国标法顺次为638 m、1047 m、339 m、560 m、391 m。

图7 罗氏法计算混合层高度的拟合曲线

从表3发现，2017年邢台、保定两地国标法计算的混合层高度小于其临界高度的概率分别为68%、64%，对应罗氏法计算的混合层高度小于其临界高度的概率分别为27%、12%，国标法的拟合曲线说明2017年邢台、保定两地将分别有68%、64%的时间PM2.5超标。罗氏法中两地有27%、12%的时间PM2.5超标。而实际2017—2019年两地PM2.5超标时间则占全年的35.6%、38.6%，对于唐山、黄骅两地，两种方法计算混合层高度小于临界高度的概率均不足10%，实况为26.3%、33.4%。石家庄地区混合层高度低于临界高度的概率分布为25%、20%，实况为39.2%。

表3 混合层高度与细颗粒物的统计特征

罗氏法计算混合层高度小于临界高度的概率与PM2.5浓度＞75 μg/m3的概率更接近，但要注意，由于罗氏法受经验性影响偏大，因此用罗氏法计算混合层高度时，容易出现系统性的偏高；国标法受风速影响较大，而研究地区2017—2019年平均风速为1～2 m/s，风力较小造成计算结果出现系统性的偏低。

4 结论

对河北不同地形的5个地区：石家庄、邢台、唐山、保定、黄骅分布利用罗氏法、国标法计算混合层高度发现：

（1）各地日变化均呈单峰型变化特征，国标法与罗氏法计算的混合层高度均为下午最高，傍晚开始下降且后半夜平稳。罗氏法计算的混合层高度时间变化规律与细颗粒物的日变化规律更接近。

（2）两种方法计算的混合层高度月变化特征较为一致，峰值主要出现在4—5月、9月。其原因主要在于：4—5月、9月的10 m风速较其它月份偏大，因此计算得到的混合层高度较高。两种方法的不同点在于：罗氏法对相对湿度、日照时数等气象要素更加敏感，且相关性更高。

（3）分析混合层高度的地域分布特征发现：河北东部沿海地区比西部沿山地区高，西部沿山地区比南部平原地区高。从各地混合层高度的频率分布发现：罗氏法计算得到的混合层高度较国标法更高，且各高度区间的分布更均匀。

（4）罗氏法计算混合层高度与PM2.5浓度相关性较国标法更高，最大相关性出现在邢台市为-51%。内陆地区混合层高度与PM2.5浓度相关性明显高于沿海地区。

（5）混合层高度与PM2.5浓度共同拟合的指数公式，更适用于河北平原地区，在沿海地区和山区不能应用。