昆明坝子边界层贴地逆温特征及其成因

2014-03-27万石云

云南地理环境研究 2014年4期

段玮,万石云,段旭

(1.云南省气象科学研究所，云南昆明 650034；2.云南省气象台，云南昆明 650034)

0 引言

大气边界层大致在近地1～2km，人类活动集中于此的同时大气污染排放也集中于此。在边界层中气温通常随海拔高度增加而下降，但此种梯度变化并非固定不变[1]。温度随高度上升而增高的现象即逆温。有一定的厚度逆温大气层，称为逆温层。逆温层结是边界层大气的重要特征之一，也是区域大气环境的重要参数[2-4]。由于低空逆温层可以抑制近地大气污染物向高空扩散，因此大气边界层内逆温多寡、强弱、位置高低成为衡量低层大气扩散能力的重要指标[5-6]。目前逆温层特征在区域、城市规划与大气环境管理中成为重要的考量因子[7]。边界层逆温可分为贴地逆温和脱地逆温，也可称接地逆温和低悬逆温。贴地逆温是从地表面开始的逆温，脱地逆温则是从离开地面一定高度开始的逆温。贴地逆温对地面污染影响最大。尤其当污染源处于贴地逆温厚度之下时，大气污染将积聚在贴地逆温层中造成空气质量恶化。鉴于以上原因目前国内很多地区，如北京[8]、兰州[9]、济南[10]、呼和浩特[11]、哈尔滨[12]、三峡库区[13]、乌鲁木齐[14-15]等地都开展了逆温层特征分析研究。

昆明地形属于特殊的地理环境——坝子，坝子四周为高山环绕类似于盆地但有所区别，且一半的云南坝子多有大型水体，如昆明坝子(滇池)、大理坝子(洱海)、澄江坝子(抚仙湖)、宜良坝子(阳宗海)、江川坝子(星云湖)等[16]。坝子地形下大气逆温特征应该有其自身特殊性。同时坝子是人口、资源集聚区，如昆明坝子是云南省会昆明市的所在地，是云南经济、政治中心，大理坝子也是大理白族自治州的州府。目前，昆明城市化进程逐渐加快，空气污染形势日益严峻，但目前尚未见针对昆明坝子边界层大气逆温的基础分析研究工作。因此本文利用2004～2006年逐日气象探空观测资料分析昆明坝子边界层大气贴地逆温特征及演变规律，以期为城市发展规划、调控污染、污染预报提供基础分析，同时也是丰富大气边界层在填补坝子地形下的科学认识。

1 资料与方法

了解大气垂直结构必须依赖相应探空观测。昆明气象探空站为全球气候观测高空探测系统(简称GCOS/GUAN)成员站。GCOS/GUAN成员站全球仅161站，中国仅有7站，其探测精度、探测高度和探测质量是目前最高水平的。观测过程由氢气球带动数字探空仪升空，仪器感应不同高度大气特性后返回数据，由雷达接收并由计算机采集数据。正常业务探测中，仅需要对20余个规定层次的大气特性资料进行观测和解算，如700hPa(海拔3 300m左右)，500hPa(海拔5 500m左右)等。为配合昆明地区边界层研究，2004年～2006年特地针对近地面(5 000m以下)大气加密开展了间隔20m一次的探测解算输出。因此，采用昆明国家基准气象站(102°39′E，25°00′N，海拔1 889.3m)2004年～2006年逐日北京时间08h的GTS1型数字探空仪探测资料作为分析基础。

表征逆温特征的参数有逆温频率、逆温层厚度、逆温强度。逆温频率定义为出现逆温的日数与总日数的百分比，用Pnw表示如下：

(1)

式中：dnw为出现逆温日数；dtotal为观测总日数。

逆温层厚度定义为逆温层底到逆温层顶的距离：

ΔH=H2-H1

(2)

式中：H1为逆温层的底高；H2为逆温层的顶高；单位为m，对于贴地逆温H1为0m。

逆温强度定义为在逆温层内每升高100m温度的逆增值(℃/100m)，用I表示：

(3)

式中：ΔT是逆温层温差，即逆温层顶气温与逆温层底气温(即地面气温)的温差：

ΔT=T2-T1

(4)

式中：T1为逆温层底部的温度，T2为逆温层顶部的温度，单位为℃。

2 特征分析与讨论

2.1 逆温频率

贴地逆温多寡是衡量大气底层扩散能力的重要指标。相对于逆温频率低的地区，逆温频率高的地区显然不利于污染物的扩散。

图1为昆明贴地逆温频率年变化。分析可见，昆明坝子贴地逆温一年四季均会出现，年变化为明显的单峰单谷型。贴地逆温频率峰值出现在春季2月、3月，频率为87%左右，3月～5月贴地逆温频率迅速降低，盛夏的6月、7月和8月出现谷值，频率为25.0%～30.0%，之后9月～次年1月贴地逆温频率逐渐增加直至次年2月。

图1 昆明坝子贴地逆温频率年变化

2.2 逆温厚度

贴地逆温厚度即逆温顶高。贴地逆温出现说明贴地层无强烈乱流运动。若污染源排放高度低于贴地逆温顶高，污染物的垂直扩散受到抑制，污染物将积聚在贴地逆温层。

由图2可知，昆明坝子贴地逆温厚度一般在100m～150m，并存在明显的单峰单谷型年变化。冬春季贴地逆温略厚，夏秋季略薄。在冬季平均厚度为140m，春季2月逆温厚度最大，大致在150m左右；自2月之后贴地逆温逐渐变薄，夏季7月、8月贴地逆温层为100m左右，是贴地逆温最薄的时段。7月之后逆温层逐渐增厚，直到次年2月达到峰值，完成一个年变化周期。

需要注意的是昆明贴地逆温可达300m以上厚度，其多发生于冬春季的昆明坝子及周边地区夜间晴朗有风的有利气象条件下，如2006年4月20日贴地逆温厚达400m，该夜为晴夜，夜间至早晨10m高度风速为超过1.0m/s～4.0m/s，03∶00为1.0m/s，08∶00为3.7m/s。

图2 昆明坝子贴地逆温厚度年变化

2.3 逆温强度

逆温层强度是逆温层中单位距离温度变化大小，它能反映污染物穿越逆温层的难度，是大气层结稳定状况的一个重要指标。逆温强度越强，污染物穿越逆温层的难度越大。

图3为昆明贴地逆温强度年变化。图中反映贴地逆温强度也存在明显的单峰单谷型年变化。春季是逆温强度最大的季节，3月逆温平均强度可以达到1.6 ℃/100m左右；夏季是逆温强度最弱的季节，7月平均强度均0.2 ℃/100m左右；由春转夏贴地逆温强度减弱较快，即过渡迅速；而由夏转秋逆温强度增强较为缓慢，缓慢增长的趋势延续到冬季。

图3 昆明贴地逆温强度年变化

2.4 讨论

2.4.1 昆明坝子贴地逆温形成机制与地域特殊性

贴地逆温现象成因主要有辐射逆温，地形逆温，平流逆温，下沉逆温，湍流逆温和锋面逆温。辐射逆温是夜晚地面因辐射冷却而降温，与地面接近的气层冷却降温最强烈，而上层的空气冷却降温缓慢，因此低层大气产生逆温现象。但在非静稳天气(有风、有降水等)下，辐散逆温过程即被破坏。地形逆温是由于夜间坡地辐射冷却快，山坡上的冷空气沿山坡下沉到谷底或盆地中，谷底或盆地中原来较暖的空气被冷空气抬挤上升出现的逆温现象。水体平流逆温是暖空气移动到相对冷的水面出现的逆温。

图4 昆明坝子及周边地形图

坝子是云南具有地域特色的典型地理环境。坝子环绕封闭的特殊地形影响下坝子有其特殊的气象动力、热力特征和局地环流。由图4可见昆明坝子及周边地区地形。昆明坝子面积为1 061.5km2，其中陆地面积763.6km2，坝子西南是面积297.90km2的滇池水体，水体占坝子面积的28.06%。坝子地形对贴地逆温的影响主要有：

第一，坝子地形局地环流对贴地逆温的影响。如图4昆明坝区海拔为1 880m～1 960m(昆明56778气象测站海拔1 889.3m)，环绕坝子群山(即坝墙)海拔在2 000m～2 400m，坝区与坝墙高差大致在100m以上。坝子内外有坝墙阻隔，在坝墙高度之下，坝子内空气无法自由地与外界空气流通，减少了外界空气对辐射冷却过程的干扰破坏，辐射逆温过程在坝内受到保护而较为稳定；而在坝墙高度以上，坝子周围外界的空气能充分与坝子上空空气进行交换等相互作用，这一作用可导致逆温现象消失，形成贴地逆温的逆温层顶。即坝子环绕封闭地形保护坝区的辐射逆温条件不受破坏。昆明贴地逆温厚度夏季在100m，与坝区-坝墙高差相当；冬季在150m左右，略高于坝区-坝墙高差，这可能与冬季昆明多晴夜辐射冷却作用更强有关。由此可见，坝区-坝墙高差对贴地逆温高度有重要影响。

第二，坝墙坡地地形逆温对昆明坝子贴地逆温的叠加效应。坝墙坡面在对坡面附近的空气辐射冷却后，冷空气沿坡地下滑至坝区，与坝区贴地逆温可进行叠加。

第三，滇池水体对昆明坝子贴地逆温的综合效应。由于水体热容量大于陆地，滇池水温变化稳定。水体对逆温的作用取决于大气温度与水体温度的差。当比水体温度暖的空气水平移动到较冷的滇池水体之上即形成水体平流逆温，对昆明坝子内的贴地逆温有叠加增强作用，这一情形也是最为常见的。夏季晨间滇池湖面上多水雾，是空气冷却凝结形成，也从天气现象佐证了水体平流逆温的存在。平流暖空气主要来自夜间临近滇池的山脉坡面冷却不完全的下滑气团和夜间湖陆风下由城市南移到滇池上空的大气。而当冬季北方强冷空气南下影响昆明情况时，比水体温度低的冷空气移动到滇池水体上，此时并不构成平流贴地逆温。

为进一步讨论昆明坝子贴地逆温的地域特殊性，表1给出了昆明与其它地区的贴地逆温各项指标的比较。

表1 昆明坝子贴地逆温年平均指标与其他地区的比较

由贴地逆温频率分析可见昆明贴地逆温频率最高，达到了59.9%，高于非坝子地形地区，其原因是坝子环绕闭合地形对贴地逆温环境的保护稳定，有利于贴地逆温生成。贴地逆温频率次高的为呼和浩特，达到52.5%，呼市地处北部大青山和东南部蛮汉山构成西南开口的喇叭口地形，地形是半封闭的，同样有利于对贴地逆温环境的保护。此外，乌鲁木齐贴地逆温频率也较高，达到了52.0%，其原因与乌鲁木齐地处天山北麓，三面环山，北部开阔，地形呈半闭合环绕，与坝子地形有相近之处。三峡、兰州贴地逆温频率为20.0%、29%，远比封闭地形和半封闭地形要低，两地都为峡谷地形，其原因与峡谷自身是近地层气流通道，气流通道效应不利于贴地逆温形成的静稳条件出现。对于地处鲁西平原丘陵地形下的济南，来自四面八方的近地气流均可破坏维持贴地逆温的大气静稳状态。而地处平原且临海的上海因为平原和海陆风的影响，贴地逆温频率最低，仅为17.1%。

由贴地逆温厚度可见，坝子地形昆明的贴地逆温厚度最薄，年平均为120m；最厚的为峡谷地区兰州，年平均为540m。贴地逆温的厚度差异的原因，来自地形(封闭/半封闭地形与平坦地形高差)，背景环流差异以及下垫面状态等等，如昆明贴地逆温与坝墙高度相当。而三面环山的乌鲁木齐冬季其中背侧的天山海拔远高于昆明坝墙，并且冬季在新疆强大的反气旋控制下多晴夜，其下垫面又多积雪(冬半年5个月积雪)，有利于形成比其他地区厚贴的贴地逆温。而兰州也兼具深谷地形，冬季地表积雪且多晴夜等有利条件。

由逆温强度可见，除峡谷地形强度为0.47 ℃/100m，其余各地强度大致在1.00 ℃/100m。其原因可能与坝子(昆明)、半封闭地形(乌鲁木齐、呼和哈特)、平原(济南)、临海平坦陆地(上海)均以辐射冷却过程为主，形成机制相同因此强度相当；而峡谷地形下谷底平坦陆面面积较少，辐射冷却有限，其形成机制来自于坡面逆温过程，加之峡谷气流通道效应的破坏，因此贴地逆温强度较弱。

图5 昆明坝子贴地逆温形成机制概念图

综合上面的讨论，坝子地形(包括水体)是昆明贴地逆温的重要影响因素之一，如图5所示，坝子地形使昆明兼具辐射逆温、坡面地形逆温和水体平流逆温的共同作用，具有明显的地域特色。

2.4.2 贴地逆温与大气环境条件的关系

昆明坝子贴地逆温与大气环境条件变化密切联系。降水、风、晴夜是影响逆温形成的关键条件，如无降水、弱风的晴夜条件下大气是处于静稳条件的。表2给出气象要素与贴地逆温的相关关系。由于晴夜是一个定性的条件，其本质反映辐射冷却作用，气温日较差可以从侧面量化反映这一作用。因此表2中用气温日较差表征晴夜状况。

表2 气象要素与贴地逆温的相关关系

注：表中粗体斜字为通过α=0.01信度检验.

从表2可见，降水、气温日较差与贴地逆温各项指标的相关系数都较高，并且通过了α=0.01相关显著性检验，表明降水、气温日较差与昆明的贴地逆温关系密切。降水和气温日较差(晴夜)通过制约地面辐射冷却影响贴地逆温形成，由此也进一步证实辐射冷却是昆明坝子贴地逆温的主导机制，这与坝子中宽大的陆面有关。

风通常被认为是贴地逆温的破坏条件，风越大越不利于贴地逆温发展和维持。然而坝子内风速通常不大，坝内空气的流动有利于近地辐射冷却逆温效应向上传递，有利于贴地逆温的垂直发展，因此坝子内风速与贴地逆温指标呈正相关。需要注意的是一旦超过坝墙高度来自外围的风对贴地逆温起破坏作用。

由前面讨论可见，昆明贴地逆温频率、厚度和强度年变化为单峰型变化，呈现春季(2月～4月)频率最高、厚度最厚、强度最强，夏季(5月～7月)频率最低、厚度最薄、强度最弱的特征。

图6 昆明气象要素年变化(2004年～2006年平均)(a)降水；(b)风速；(c)气温日较差Fig.6 Annual change of meteorological factors over Kunming bazi basin(the average from 2004 to 2006) (a)precipitation；(b)wind speed；(c)daily range of temperature

图6给出了昆明降水、风速、地表温度和气温日较差年变化。昆明春季降水(图6a)是一年中最少的时段，即昆明地区晴天和晴夜最多的时段。气温日较差(图6d)来看也处于一年中的高值区。同期风速(图6b)达到一年最大的时段。由此可见，春季降水少、晴夜多(气温日较差大)、坝内风速大等诸多因素有利于贴地逆温出现和增厚、变强，因此春季是贴地逆温频率、厚度、强度的峰值季节。夏季大气环境条件与春季迥异。由图可见，夏季时段是一年中降水最多、风速最小、晴夜最少(气温日较差小)的时段，降水导致地面辐射冷却作用下降，风速小不利于垂直方向逆温层的增长，地温高和晴夜少也对贴地逆温产生有所抑制，因此贴地逆温频率、厚度和强度在夏季最小。由此可见贴地逆温厚度、强度的年变化受降水、坝内风速、地表温度、晴夜状况的变化影响。

3 结论

(1)昆明坝子年平均的贴地逆温频率为59.9%，厚度为120m，强度为0.9 ℃/100m。昆明坝子的贴地逆温年变化特征为春季贴地逆温频率最高、厚度最厚、强度最强；夏季频率最低、厚度最薄、强度最弱；春夏过渡迅速。昆明坝子贴地逆温频率、厚度和强度的季节变化与降水、坝内风速、地面气温、晴夜状况的季节变化密切相关，其关系为：春季降水少、晴夜最多(气温日较差大)、坝内风速大有利于贴地逆温出现和增厚、变强。夏季降水多、风速小、地表温度最高、晴夜少(气温日较差小)，贴地逆温过程受到抑制。

(2)坝子地形是昆明贴地逆温的重要影响因素之一，并使昆明坝子贴地逆温具有了区别于峡谷、丘陵平原贴地逆温的地域特性。相比国内其他地区，昆明坝子地形下贴地逆温具有出现频率高，厚度小，强度相当的显著特征。坝子地形对坝内贴地逆温有保护稳定作用，尤其是保护辐散逆温过程，导致贴地逆温出现频率明显高于其他地区，同时坝子地形也影响逆温厚度和强度。

(3)昆明贴地逆温由辐射逆温，地形逆温，水体平流逆温共同影响，但其中辐射冷却逆温是主导机制。

致谢：感谢杨家康老师、樊风老师在此项工作中提供的帮助，感谢昆明观测站提供相关数据。

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