兰州市逆温时空分布特征及其与API首要污染指数的关系

王骥 杨银 张生财

摘要利用兰州市榆中县气象局探空资料，统计分析了2006—2013年兰州市逆温时空分布特征及其与API首要污染指数的关系。结果表明，07：00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，秋季次之，夏季最弱，10月—次年1月较集中，持续10 d以上的逆温发生在11月—次年2月；当逆温≤3 ℃时对空气质量的负贡献明显增加，当逆温厚度为>700～900 m时污染日概率高于清洁日概率；逆温持续时间为2.0～5.0 d时平均API首要污染指数、污染日概率分别为93、26%，5.1～15.0 d时分别增加至107、39%，超过15.0 d时平均API首要污染指数显著升高至141，污染日概率快速增加为68%。

关键词逆温；时空分布特征；API首要污染指数

中图分类号S161.2；P423.1文献标识码A文章编号0517-6611（2017）05-0195-04

AbstractBased on the sounding data from Yuzhong weather station， the change features of inversion and their relations with API primary air pollution index in Lanzhou City was analyzed during the period of 2006-2013.The results showed that the ground inversion at 07：00 had the most significant impact on API primary air pollution index， the ground inversion was most serious in winter， followed by autumn and summer was most weak， from October to January of following year relatively concentrated， the ground inversion duration of more than ten days main occurred in November to February of following year.When the inversion temperature was less than or equal to 3 ℃ would bring the negative contribution to the air quality increased significantly， more than 700 m and less than 900 m the probability of pollution days was higher than the cleanup days.The average of API primary pollution index was 93 when the inversion duration of 2.0 to 5.0 days， at the same time， the probability of pollution days was 26%， for 5.1 to 15.0 days was 107 and 39%，and more than 15.0 days was 141 and 68%.

Key wordsInversion；Spatial and temporal distribution characteristics；API primary pollution index

基金項目兰州市气象局科研课题“兰州城区臭氧特征分析和紫外线辐射强度分析及预报”。

作者简介王骥（1990—），男，甘肃天水人，助理工程师，从事天气预报研究。

收稿日期2016-12-02

距地面2 km左右大气边界层是人类生活和生产活动的主要空间，在人类发展、生命演化中，人类活动导致了气候变暖、冰川退缩、盐分变化，从而又引起气候的突变[1]。近地层的逆温层厚度可以从几十米到几百米，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[2-3]。

有学者利用探空气象资料分析了国内部分城市逆温层的特征[4-6]，王晓明等[7]利用吉林省长春、临江、延吉3个站探空资料，分析了吉林省冬季逆温的时空分布特征以及逆温的天气特征；郑庆锋等[8]利用上海宝山气象站1991—2009年探空资料，统计分析了上海地区大气贴地逆温的气候特征。此外，国内也有学者研究了逆温与污染的关系[9-11]，郑红等[9]分析2000—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；李景林等[10]利用2000—2006年乌鲁木齐市逆温与API（Air pollution index）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。较多学者也从不同的角度分析了兰州市逆温特征以及逆温与污染的关系[12-17]，但这些研究年代久远，所用资料相对陈旧，由于兰州探空观测场地的搬迁和气候变化等原因，前人的研究结论在一定程度上已不能满足科研和污染防控气象服务业务需求。因此，利用新资料重新研究兰州市逆温时空分布特征以及与API的关系十分必要。笔者利用兰州市榆中县气象局2006—2013年探空资料，统计分析了兰州市逆温变化特征及其与API首要污染指数的关系，为兰州市区空气污染防控提供科学依据。

1资料与方法

1.1资料来源

兰州市榆中县气象局（104.2° E、35.9° N）2006年4月1日—2013年12月31日每日07：00和19：00 L波段雷达探空资料。兰州市环保局提供的逐日4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分析方法

根据成因，逆温可分为辐射逆温、平流逆温、湍流逆温、下沉逆温、锋面逆温、地形逆温等，对兰州而言，最主要的逆温为地形逆温、辐射逆温和平流逆温。首先详细分析了兰州市逆温、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，然后分析逆温与API首要污染指数的关系。四季划分为春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—12月）、冬季（12月—次年2月），其中逆温强度为逆温层内每升高1 m温度的增值（℃/m），污染日为API首要污染指数>100，清洁日为API首要污染指数≤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。

从表1可看出，2007—2013年兰州市07：00、19：00逆温次数呈波动型减少趋势，07：00平均逆温天数为267 d，逆温发生概率73%，2010年逆温天数最多，为301 d，逆温发生概率为83%，2008年逆温天数最少，为247 d，发生概率68%。19：00平均逆温天数为197 d，逆温发生概率54%，2010年逆温天数最多，为217 d，逆温发生概率为60%，2008年逆温天数最少，为157 d，发生概率44%。贴地逆温明显多于悬浮逆温，07：00贴地逆温明显多于19：00，悬浮逆温2个时次接近；07：00贴地逆温年平均天数为211 d，占全年天数的58%，2009年最多，为231 d，2011年最少，为186 d；19：00贴地逆温年平均天数为132 d，占全年天数的36%。07：00、19：00悬浮逆温平均天数均低于全年天数的20%。

2.1.2季節变化。

由表2可见2007—2013年兰州市冬季逆温天数最多，07：00逆温为84 d，占冬季天数的91%，其中贴地逆温69 d，占冬季逆温天数的75%；秋季次之，07：00逆温天数为69 d，占秋季天数的75%，其中贴地逆温59 d，占秋季逆温天数的64%；夏季最少，07：00逆温天数为55 d，占夏季天数的58%，其中贴地逆温39 d，占夏季逆温天数的43%。悬浮逆温在春季、秋季、冬季19：00多于07：00。

冬季07：00与19：00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。

从表3可看出，2007—2013年兰州市07：00贴地逆温12月最多，为25 d，大于20 d的月份为1、10、11、12月，最少的月份为6、7月，均为12 d；19：00贴地逆温12月最多，为23 d，大于20 d的月份为1、11、12月，最少的月份为5月，仅为2 d。07：00悬浮逆温最多的为1、2、3月，均为7 d，最少的是8、10、11月，均为3 d。19：00悬浮逆温最多的为2、3月，均为10 d，1月次之，为9 d，最少的月份为6、7、8月，均为2 d。

2.2逆温空间变化特征

2.2.1悬浮逆温高度特征。

2007—2013年兰州市悬浮逆温年平均底高为1 235 m，逐月底高6月最低，为799 m，其余各月均大于1 000 m，最高月份为4月，达1 574 m。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 m，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。

2.2.2.1年际变化。

由表4可见，兰州市07：00逆温厚度明显厚于19：00，强度弱于19：00。2007—2013年07：00逐年年平均贴地逆温厚度为426 m，最大逆温厚度出现在2008年，为467 m，逐年年平均逆温强度为0.009 8 ℃/m，最大逆温强度出现在2012年，为0.010 7 ℃/m；19：00逐年年平均贴地逆温厚度为127 m，最大厚度出现在2010年，为141 m，逐年年平均逆温强度为0.021 9 ℃/m，最大逆温强度为0.024 6 ℃/m，出现在2007年。

2.2.2.2季节变化。

从表5可看出，兰州市冬季07：00逆温厚度最厚，为602 m，秋季次之，为371 m，夏季最薄，为296 m；秋季逆温强度最强，为0.011 0 ℃/m，夏季最弱，为0.008 6 ℃/m。19：00冬季逆温厚度最厚，为153 m，秋季次之，为114 m，春季最薄，为85 m；春季逆温强度最强，为0.023 5 ℃/m，夏季最弱，为0.018 3 ℃/m。

2.2.2.3月际变化。

表6显示，兰州市07：00 1月逆温厚度最厚，为711 m，其次为12、11、2月，为481～614 m，6月最薄，为261 m；10月逆温强度最强，为0.011 9 ℃/m，8月最弱，为0007 9 ℃/m。19：00逆温厚度总体较薄，1月最厚，为180 m，其次为12、2、11月，4月最薄，为77 m；最强逆温强度为4月（0.026 0 ℃/m），最弱为8月（0.015 9 ℃/m）。07：00逆温厚度明显厚于19：00，2个时次厚度差最大的为1月，达531 m，7月最小，为191 m。

3逆温与API首要污染指数的关系

2006—2013年逆温日数为752 d，占总天数的73%。其中，≤1 ℃的逆温最少，为24 d，占总天数的1%；1～5 ℃的逆温最多，为1 531 d，占总天数的54%；≥10 ℃的逆温为81 d，占总天数的3%。逆温与污染日发生概率相关性最好，2006—2013年逆温、逆温厚度与污染日概率相关系数分别为0.97、0.80，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。

从图1可看出，兰州市无论有无逆温都有可能出现污染日。但当无逆温或逆温≤1 ℃出现清洁日的概率高达89%。2006—2013年平均清洁日概率为73%，而当逆温≤7 ℃时，清洁日平均概率为70%，空气质量是正贡献，因此更大的逆温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。由图2可见，当逆温厚度≤700 m时对空气质量是正贡献，当逆温厚度为>700～900 m时污染日概率高于清洁日概率；当逆温厚度>900 m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。

按照逆温持续天数2.0～5.0、5.1～10.0、10.1～15.0、>15.0 d进行分类，研究2006—2013年逆温持续天数（表7）发现，各级逆温持续天数07：00逆温持续天数个数明显多于19：00，5.1～10.0 d逆温持续天数相差最大，为57次，>15.0 d持续逆温天数相差最小，为5次。随着逆温持续天数的增加，逆温持续天数个数逐渐减少，07：00各级逆温持续天数分别占总数的32%、40%、14%、14%，19：00各级逆温持续天数分别占总数的52%、29%、10%、9%，其中07：00最长持续逆温天数为43 d，发生在2011年11月2日—12月14日；19：00最长持续逆温天数为24 d，发生在2010年11月18日—12月11日。

由图3可见，当逆温持续天数≤15.0 d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2.0～5.0 d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5.1～10.0 d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至26%、8%、5%；当逆温持续天数增加为10.1～15.0 d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15.0 d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>7 ℃、逆温厚度在>700～900 m或逆温持续15 d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、逆温的持续仅造成污染物难以扩散，因此当逆温较强且持续时间较长时，应加强防控减少污染物排放。

4结论

（1）兰州市常年存在逆温，无逆温日数仅有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，07：00贴地逆温多于19：00，07：00贴地逆温年平均天数为211 d；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07：00与19：00逆温天数较为接近，07：00贴地逆温为69 d，逆温稳定，不易消散。

（3）07：00逆温厚度明显厚于19：00，其中07：00平均逆温、逆温强度、逆温厚度分别为4.0 ℃、0.009 8 ℃/m、426 m，最大逆温强度出现在2012年，为0.010 7 ℃/m；1月逆温厚度最厚，为711 m，2、11、12月超过450 m，6月最薄，为261 m，10月逆温强度最强，为0.011 9 ℃/m，8月最弱，为0.007 9 ℃/m；悬浮逆温年平均底高为1 235 m，6月为799 m，其余月均大于1 000 m，最高为4月，达1 574 m。

（4）07：00逆温持续天数为2.0～5.0、5.1～10.0、10.1～15.0、>15.0 d的个数分别占总天数的32%、40%、14%、14%，最长持续逆温天数为43 d，发生在2011年11月2日—12月14日；当逆温>7 ℃、逆温厚度在700～900 m或逆温持续15 d以上时，污染日概率超过清洁日概率，对空气造成严重污染。

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