西安地区混合层厚度变化特征及对大气污染的影响

2014-10-25曹红丽

陕西气象 2014年5期

关键词：太阳辐射稳定度西安

曹红丽，苏静

(1.西安市气象局,西安 710016；2.陕西省大气探测技术保障中心，西安 710014)

西安地区混合层厚度变化特征及对大气污染的影响

曹红丽1，苏静2

(1.西安市气象局,西安 710016；2.陕西省大气探测技术保障中心，西安 710014)

利用2007—2011年西安泾河基准气候站逐日地面常规气象资料，采用统计方法，对比分析西安地区日最大混合层厚度的变化特征及对大气污染的影响,结果表明：西安年平均混合层厚度日变化在158～1 343 m之间，呈现出夜间小，正午前后大的变化趋势；日最大混合层厚度总体呈逐年递增趋势，2011年有所减小，冬半年低夏半年高；年平均日最大混合层厚度与同期降水日呈反向变化，日最大混合层厚度与空气污染物质量浓度有明显的负相关关系。

混合层厚度；变化特征；空气污染物；西安

由于地表面加热作用，促使大气增温使上、下层空气产生对流运动，大气层结趋近于绝热递减率，此层大气称为混合层，其高度称为混合层厚度(或高度)。最大混合层厚度反映了污染物在垂直方向上由于湍流和对流运动，稀释和扩散能达到的高度。近年来，混合层厚度被更多的应用于空气污染潜势预报和环境评价中[1-2]。近些年我国学者对混合层厚度的计算方法进行了大量的研究[3-6]，本文在参考前人研究结果[7-11]的基础上，计算西安市逐日最大混合层厚度，分析日最大混合层厚度年际和季节变化等基本特征，研究日最大混合层厚度分别与降水日和污染物质量浓度的关系，以期为大气环境规划和环境治理提供依据。

1 资料及计算方法

1.1 资料来源

计算混合层厚度和降水日数的资料取自西安泾河基准气候站2007—2011年逐日地面常规气象资料，该站是西安地区唯一的基准气候站,位于距离西安市中心20 km的泾河工业园区内，周围环境属于城郊。2007—2011年每日空气污染物质量浓度资料来自西安市环保局。

1.2 计算方法

利用国家标准GB/T 13201—1991规定的方法(以下简称国标法)[12]计算逐时混合层高度，挑选出最大值，得到逐日最大混合层厚度。其公式为：

当大气稳定度为A、B、C、D时，

Lb=asu10/f，

(1)

大气稳定度为E、F时

Lb=bs(u10/f)1/2。

(2)

其中，Lb为混合层厚度；u10为观测期间西安市泾河基准气候站同步观测的10 m高度处10 min平均风速，当u10gt;6 m/s时取6 m/s；大气稳定度等级采用修订的帕斯奎尔(Pasquill)稳定度分级法，分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定六级，分别表示为A、B、C、D、E、F。确定等级时首先由云量和太阳高度角查出太阳辐射等级数，再由太阳辐射等级数与地面风速查找稳定度等级。as、bs为混合层系数，根据大气稳定度和西安所在区域取值, 大气稳定度为A、B、C、D时as取值为0.073，0.060，0.041,0.019, 大气稳定度为E、F时bs取值为1.66和0.70。f为西安泾河气象站的地转参数。

2.1 混合层厚度的日变化特征

从西安2007—2011年平均混合层厚度的日变化(见表1)可看出：混合层厚度在一天中呈单峰型变化。一天中的厚度值变化在158～1 343 m之间，其中，最大值出现在13时，最小值在21时，呈现出夜间小、正午前后大的变化趋势。24小时的平均值为560 m。这种变化是由于夜间没有太阳辐射，空气的对流运动弱，早晨随着太阳的升起，地面接收的太阳辐射逐渐增加，空气的对流运动加强，混合层厚度逐渐增大，在太阳光最强的正午及午后(10—16时)混合层厚度最大，之后随着太阳辐射的减弱，混合层厚度会逐渐减小，在21时—次日05时混合层厚度值最小，且变化不大。西安最大混合层厚度5 a极大值出现在2007年2月14日13时，为3 359 m；极小值出现在2011年12月29日21时，为152 m。

表1 西安2007—2011年平均混合层厚度的日变化

2.2 日最大混合层厚度的季节变化特征

从图1可看出：西安2007—2011 年日最大混合层厚度春季(3—5月)最大，平均1 839 m，其次为夏季和秋季，冬季最小，平均1 324 m。日最大混合层厚度4月最大，为1 873 m；5月次之，为1 872 m；12月最小，为1 137 m；1月次小，为1 300 m。日最大混合层厚度呈冬半年低、夏半年高的变化趋势。由于西安属于内陆城市，气候为典型的大陆性气候，混合层厚度的季节变化与湍流运动的季节变化基本相似。春季和夏季西安太阳辐射强，大气能见度好，导致湍流运动强，混合层厚度大。而西安的秋季多连阴雨，天空云量较多，抑制了太阳辐射到达地面的热量，使湍流运动减弱，混合层厚度较小。冬季太阳辐射最小，相应的地面湍流弱，所以混合层厚度最小。

图1 西安2007—2011年日最大混合层厚度的月变化

2.3 日最大混合层厚度的年际变化特征

图 2为西安2007—2011年日最大混合层厚度年平均与年降水日的变化曲线，可以看出5 a年平均日最大混合层厚度2007—2010年呈递增趋势，2007年最小为1 504 m ，2010年最大为1 787 m， 2011年又有所减小，5 a平均值为1 601 m。

图2 西安2007—2011年年平均日最大混合层厚度与年降水日的变化

3 日最大混合层厚度与年降水日的关系

从图2可看出，在日最大混合层厚度增大的2007—2010年，年降水日逐年减少，在日最大混合层厚度最大的2010年年降水日最少，2011年的混合层厚度减小而年降水日增多。说明5 a中西安年平均日最大混合层厚度与年降水日呈反向变化。由于降水产生时多为阴天，云量多，高空湿度大，地面接收到的太阳辐射少，湍流运动弱，混合层厚度减小；另外，由于产生对流性降水时，大气迅速释放能量，混合层厚度减小。

4 日最大混合层厚度与空气污染物质量浓度的关系

在5 a的1 826组数据中，由于2009年的1月29日、4月的1—6日、24日和30日、7月31日，2010年的8月的5日、12日和31日、9月25日、10月4日，2011年的3月31日、4月1日—3日共19 d数据不完整，故删除。对比剩余1 807组完整数据的散点图，并且分析逐日最大混合层厚度与SO2、NO2、PM10平均质量浓度变化(图4)，可以看出，空气污染物质量浓度与日最大混合层厚度有明显的负相关关系，其中SO2和PM10的负相关关系较明显。即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，则日最大混合层厚度越大。