银川市大气混合层高度变化特征及其与空气污染的关系

马宁 任芝花 王建英 杨有林 卫建国 李新庆

1 中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川 750002

2 宁夏气象防灾减灾重点实验室，银川 750002

3 宁夏气象信息中心，银川 750002

4 国家气象信息中心，北京 100081

1 引言

大气混合层高度（MLH）是反映污染物在铅垂方向扩散的重要参数，也是影响大气污染物扩散的主要气象因子之一。近年来，对于大气混合层高度的研究很多，主要集中在大气混合层高度的计算方法（程水源等, 1997）、大气混合层高度分布特征以及与大气污染物的关系等（杨勇杰等, 2006; 叶堤等, 2008; 黄瑜等, 2015; 毛维薇和张甫仁, 2016；贺园园等，2019;韩丽娜等，2020；王建英等，2021）。比如，叶堤等（2008）根据2000～2005 年逐日4 个时次的常规气象资料，计算并分析了重庆主城区大气混合层厚度的频率分布、时间变化等基本特征以及与空气污染指数的关系，指出大气混合层厚度是影响城市空气质量的重要因素。杨静等（2011）基于1979～2008 年乌鲁木齐4 个时次的地面常规气象观测资料，计算得出了乌鲁木齐市近30 年大气稳定度和大气混合层高度随时间序列的变化特征，得出近30 年乌鲁木齐大气混合层高度随时间基本呈现缓增的趋势。李梦等（2015）利用云高仪对2014 年污染严重的2 月京津冀区域北京、天津、石家庄和秦皇岛4 个站点MLH 进行了同步连续观测，分析了其各自及区域总体变化特性，指出混合层低于800 m，4 个站点细颗粒物浓度均会超过国家二级标准。李金堡等（2014）利用干绝热法计算出青岛地区大气混合层高度，并分析其变化规律，得出青岛在春夏季大气混合层高度低，在秋冬高的结论。杜吴鹏等（2017）利用北京地区2009～2014 年20 个气象站观测资料，计算分析了地表风速和大气混合层厚度的时空变化，指出大气混合层厚度近年明显下降，对污染扩散较为不利。陈磊等（2017）基于2001～2014 年宁波市每日4个时次的常规气象观测资料和同期宁波市环保局空气污染物浓度的日监测数据，采用最小二乘曲线拟合法计算了宁波市大气混合层厚度，并分析了大气混合层厚度的时间变化特征及其与空气污染的关系，指出春季和7 月、8 月宁波市大气混合层厚度较大，秋季和冬季大气混合层厚度较小，而6 月大气混合层厚度最小。

2013 年以来，城市空气污染越来越受到重视，空气污染物的监测由3 种增加到6 种，空气污染的衡量指标由API 改为AQI，标准更加严格。银川市作为宁夏回族自治区首府城市，其环境空气质量状况倍受公众关注，相关领域的专家对于银川市空气质量的研究也越来越多，主要集中在污染物浓度变化特征、与地面气象条件的关系以及污染天气的分析方面（纪晓玲等, 2013; 张智等, 2013；张智和冯瑞萍, 2014; 刘玉兰等, 2014; 马宁等, 2015a; 马宁等，2015b; 缑晓辉等, 2016; 邓敏君等, 2018; 王建英等, 2020a;王建英等, 2021），而对于污染物在垂直方向扩散的研究较少。本文将基于银川高空站2008～2017 年L 波段探空秒级数据和地面观测数据，利用干绝热法计算大气混合层高度，分析讨论银川市大气混合层高度的变化特征和空气污染物浓度以及AQI 指数的关系，找出污染物在垂直方向扩散的规律，为空气污染防治提供参考依据。

2 数据来源及计算方法

本文计算大气混合层高度所用资料来源于银川市国家气候观象台2008～2017 年的L 波段探空秒级数据和地面观测数据，均经过台站质量审核和省级数据中心的业务质控。其中探空秒级数据质量控制方法包括气候学界限值检查、要素间内部一致性检查、时间一致性检查（数据突变或长时间不变检查）等（中国气象局, 2011）；本文中用到的小时气压、气温数据在业务上经过了气候学界限值检查、台站界限值检查、要素间内部一致性检查、上述时间一致性检查和空间一致性检查等（任芝花和熊安元, 2007; 任芝花等, 2015; 中国气象局, 2020)；银川六种污染物日平均质量浓度及AQI 指数均来自银川市环保局网站发布的空气质量日报，文中O3日平均质量浓度为O3日最大8 h 平均浓度。

本文中四季的划分，采用气象上常用划分方法：春季为3～5 月，夏季为6～8 月，秋季为9～11 月，冬季为12 月和次年1～2 月。

大气混合层高度利用干绝热法计算，干绝热法是由美国Holzworth 提出的（程水源等, 1997），考虑在典型的大气条件下，夜间由于地面辐射冷却接近地面空气而形成逆温，呈稳定状态，而白天由于太阳辐射而呈现不稳定状态，忽略平流、下沉及机械湍流影响时，平均混合层高度则由清晨探空温度廓线和地面最高、最低气温而定。孟庆珍等（孟庆珍和冯艺, 1996）利用每日08:00（北京时间，下同）探空温度廓线资料以及地面观测的最高、最低温度计算了日最大、日最低和日平均混合层高度并进行了分析。本文利用每日08:00 L 波段探空秒级温度资料及地面观测的逐小时温度，计算每日逐小时混合层高度，具体求法：利用清晨08:00 气温探空资料，在埃玛图上画出08:00 气温廓线，取每日逐小时气温作干绝热曲线，廓线与曲线的交点，读取下垫面和交点处的气压值，采用图解等面积法，求得该层平均气温t，用等温大气的压高公式，由气压值计算混合层高度H（单位：m）：

其中，R为干空气比气体常数，g为重力加速度，p0为地面大气压（单位：hPa），ph为h高度的大气压（单位：hPa），T为下垫面至h高度的层内平均气温（单位：K）。

3 结果分析

3.1 银川2008～2017 年大气混合层高度变化特征

3.1.1 日变化特征

图1为银川市2008～2017 年中各时次平均MLH变化情况，如图1，MLH 年平均日变化具有明显的单峰型特征，与气温日变化特征一致。夜间随着气温逐步降低，近地层大气趋于静稳，大气湍流活动减弱，混合层高度也逐步降低，清晨07:00 达到最低，平均为23 m，此时也是银川市最低气温出现时段；白天随着太阳辐射的增强，气温也逐步升高，一般午后15:00 至16:00 达到最高，大气湍流活动也增强，随着午后气温的升高，近地层上升气流增强，混合层高度至16:00 也达到了最高，平均为1552 m，午后17:00 之后，随着太阳辐射的减弱，气温降低，大气湍流活动减弱，MLH 又呈快速下降趋势。大气混合层高度表征了大气在垂直方向的扩散能力，高度越高，表示扩散能力越强。夜间由于大气混合层高度较低，因而扩散能力较弱，白天则扩散能力较强。

图1 2008～2017 年银川市年平均和四季平均MLH 日变化Fig. 1 Annual and seasonal average daily changes the mixed layer height (MLH) in Yinchuan during 2008-2017

四季MLH 日变化特征与年平均日变化特征一致，春季的日变化幅度最大，MLH 值最大达2125 m，夏季次之，MLH 最大值为1908 m，秋季MLH 最大值为1293 m，冬季变化幅度最小，MLH 最大值为881 m。四季的日最大值均出现在16:00，最小值出现在07:00 至08:00。银川大气混合层高度的季节性变化特征与杜吴鹏等（2017）对北京地区大气混合层厚度（高度）的研究结果相类似，可能是由于同处于北方地区。由于春季影响银川市的冷暖空气活动频繁，多大风天气，降水少，天气干燥，昼夜温差大，午后升温快，大气湍流活动最强，MLH日变化幅度最大；夏季太阳辐射最强，但昼夜温差比春季小，影响银川市的冷空气活动次数少、强度弱，风力小，大气湍流活动弱于春季，MLH 日变化幅度比春季小，午后MLH 最大值也比春季小；秋季影响银川市的冷空气活动次数逐渐增多，气温下降快，大气湍流活动减弱，大气混合层高度也明显降低；冬季日照时间短，太阳辐射弱，是银川市气温最低的季节，加之冬季供暖，污染物排放强度大，大气的透光性变差，降低了到达地面的太阳辐射强度，使地面升温慢，近地层出现逆温，大气湍流活动进一步减弱，大气混合层高度进一步降低，冬季MLH 日变化幅度最小，MLH 最大值也最小。

3.1.2 月季年变化特征

图2a 为银川2008～2017 年10 年中各月平均MLH、各月白天（08:00 至20:00）平均MLH 和夜间（20:00 至08:00）平均MLH 高度的变化，图2b为银川2008～2017 年10 年中各季节平均值MLH、各月白天平均MLH 和夜间平均MLH 高度的变化，图2c 为银川2008～2017 年10 年中逐年平均MLH 的变化情况。2008～2017 年各月平均MLH值在282～936 m，4～6 月MLH 值在800 m 以上，5 月最高为936 m，11～12 月、1～2 月MLH 值较低，都在450 m 以下，12 月最低为282 m。夜间，各月平均MLH 值为117～286 m，普遍在300 m 以下，且变化幅度不大；白天，各月平均MLH 值在441～1648 m，变化幅度较大，3～8 月在1000 m以上，且4～6 月最大，均在1500 m 以上，12 月、1 月最小，都在500 m 以下。从各年MLH 月均值看，2008～2017 年，MLH 值的最大值都集中在4～6 月，其中2008、2009 年最大值出现在6 月，2010～2013 年、2016 年 最 大 值 出 现 在4 月，2014～2015 年、2017 年最大值出现在5 月；MLH最小值一般出现在11～12 月、1～2 月，其中2008 年、2012 年 最 小 值 出 现 在1 月，2009 年、2014 年最小值出现在11 月，2010 年出现在2 月，2011 年、2013 年、2015～2017 年 出 现 在12 月，最小值出现在12 月居多，占50%。总体看，MLH值呈现1-2 月较低，3 月开始升高，5 月达到最高，之后逐渐下降的趋势。季节变化方面，MLH 平均值为春季最高853 m，夏季次之，冬季最低为332 m。四季夜间的MLH 平均值在300 m 以下，且春季最高，秋季最低，变化幅度不大；四季白天MLH 平均值为春季、夏季高，为1453 m 和1273 m，秋、冬季低为754 m 和526 m，四季白天的MLH 高度较夜间明显升高。混合层高度的这种季节变化与太阳辐射、湍流强弱的季节变化是一致的。如图2c所示，2008～2017 年逐年MLH 平均值总体呈降低趋势，在566～621 m，2015 年最低，2012 年最高。银川市2008～2017 年降水量呈增加趋势，降水日数增多，多云天气也相应增多，另外，近年来，随着银川市城市化进程加快，汽车保有量和人口密度增大，加之冬季供暖污染物排放增多，污染天气降低了到达地面的太阳辐射强度，使得秋冬季多逆温，大气湍流活动减弱，混合层高度降低。

图2 2008～2017 年银川市MLH（a）月平均、（b）季节平均、（c）年平均变化Fig. 2 Variations in the (a) month, (b) season, and (c) year of MLH in Yinchuan during 2008-2017

3.1.3 频率分析

表1 银川市2008～2017 年各月平均MLH 值Table 1 Monthly average of MLH in Yinchuan during 2008-2017 m

对银川站2008～2017 年逐时MLH 值按高度区间分别统计出现频率，2000 m 内按照200 m 的间距统计，2000 m 以上为一个统计区间。银川站MLH 高度在200 m 以下所占频率最大，为47%，200～400 m 次之，为13%，400～600 m 为8%，之后随着高度的升高频率不断降低，在1800～2000 m的区间仅为2%，2000 m 以上的频率为7%。图3为600 m 以下各高度在各时次出现频率，由图可知，00:00 至08:00，600 m 以下高度频率达到90%以上，06:00 至08:00 接 近100%，13:00 至17:00，600 m 以下频率在30%以内，为一天中最小。分析结果表明，大气混合层高度夜间大部分在600 m以下，白天则随着太阳辐射的变化，MLH 值升高，在13:00 至17:00，600 m 以下出现频率最低。

图3 银川2008～2017 年600 m 以下高度区间在各时次出现频率Fig. 3 Frequency of range of MLH in Yinchuan during 2008-2017

3.2 银川大气混合层高度与空气污染的关系

3.2.1 大气混合层高度与6 种污染物质量浓度相关性分析

收集整理了2013～2015 年银川市SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5 6 种污染物的空气质量日平均浓度和2013～2017 年银川市日AQI 指数与大气混合层高度做相关性分析。结果如表2、图5，银川市6 种污染物除O3为正相关外，其余5 种污染物的质量浓度与MLH 值都为负相关，均通过0.05 的显著性检验，O3与MLH 值的相关性最好。从四季看，四季污染物质量浓度与MLH 值只有O3为正相关，其余均为负相关。冬季污染物质量浓度与MLH 值相关性最好，相关系数均在0.4 以上，夏季相关性最差，只有O3达到0.4，秋季好于春季。

表2 银川市2013～2015 年日MLH 平均值与污染物质量浓度相关系数Table 2 Correlation coefficient of the average MLH and the mass concentration of pollutants in Yinchuan during 2013-2015

由严晓瑜等（2015）的研究可知，银川市区SO2、NO2、 PM2.5 和 CO 质量浓度月变化均呈“U”型分布。银川市地处在贺兰山东侧背风坡，多静小风，加之冬季采用燃煤供暖，污染物排放强度大在冬季最为严重，随着污染的加重，能见度降低污染天气使大气透光性降低，到达地面的太阳辐射减弱，近地面升温慢，有利于逆温维持和加强，导致大气垂直方向静稳度增加，湍流活动减弱，大

气混合层高度降低，两者相互作用，使污染物浓度进一步升高，因此，冬季污染物质量浓度与MLH值呈较明显负相关；春季银川市风速较大，大气垂直湍流活动强，混合层高度最高，本地污染易扩散，但大风天气易使上游沙尘向银川市输送，加之本地扬尘，造成PM10 浓度明显升高，有时出现严重污染天气，所以MLH 与PM10 的相关性一般；夏季污染物排放量少，大气湍流活动强，混合层高度高，有利于污染物扩散，且夏季也是一年中降水量最多的季节，降水对污染物冲刷作用强，所以大气混合层高度与SO2、NO2、PM10、CO、PM2.5 污染物浓度的相关性最差。由严晓瑜等（2015）的研究可知O3质量浓度在一年中的最高值出现在5 月，最低值出现在12 月，这是与MLH 值的月变化规律有相似性。研究表明（王建英等, 2020b）：气温和太阳辐射强度是影响O3浓度变化的重要因素原因之一，在高温和强太阳辐射作用下，有利于O3前体物的二次转化，易造成O3出现高值，而此时也是大气湍流活动增强，大气混合层高度增高的情况，因而全年O3与MLH 值呈正相关。

为了研究各污染物浓度随着大气混合层高度的变化，对于6 种污染物质量浓度日均值超过二级标准阈值的浓度值与当日MLH 值对比，超标后的MLH 值最大值如表3 所示，SO2、NO2的日均浓度超过二级标准时，MLH 最大值均在600 m 以下，PM10 的日均浓度超过二级标准时，MLH 值在1200 m 以下，CO 的日均浓度超过二级标准时，MLH 值在200 m 以下，O3的日均浓度超过二级标准时，MLH 值在1300 m 以下，PM2.5 的日均浓度超过二级标准时，MLH 值在1100 m 以下。以2014 年为例，由图4 可知，当MLH 值升高时，除O3的浓度值是升高的，其余5 污染物浓度都是降低的。

图4 2013～2017 年银川市各污染物质量浓度变化与MLH 变化比较：（a）SO2；（b）NO2；（c）PM10；（d）CO；（e）O3；（f）PM2.5Fig. 4 Comparison between the pollutant concentration and the mixed layer height in Yinchuan during 2013-2017: (a) SO2; (b) NO2; (c) PM10; (d)CO; (e) O3; (f) PM2.5

表3 污染物质量浓度二级标准与超标MLH 最大值范围列表Table 3 Pollutant concentration level two and list of maximal mixed layer height ranges

3.2.2 大气混合层高度与AQI 指数及不同空气质量级别的分析

对银川2013～2017 年逐日AQI 指数与大气混合层高度进行相关分析，相关系数为-0.17，通过0.05 的显著性检验，表明逐日AQI 指数与MLH 为负相关，当MLH 升高时，在污染源稳定的情况下，AQI 指数是降低的。对银川2013～2017 年逐日空气质量级别与对应MLH 平均值进行分析，如图5所示，一级的MLH 平均值为569 m，二级的MLH 平均值为635 m，从二级到五级MLH 平均值为逐级下降的趋势，六级的MLH 平均值反而升高，高于四级。主要是因为空气质量级别为六级的时间大部集中在3～5 月，为大风沙尘天气多发季节，导致PM10 升高，空气污染严重。

图5 2013～2017 年银川市不同空气质量级别与MLH 平均值的关系Fig. 5 Annual average mixed layer height during the pollutant concentration level in Yinchuan during 2013-2017

4 结论

（1）银川MLH 具有明显的单峰型日变化特征，07:00 最低为23 m，16:00 最高为1552 m。夜间变化幅度不大，白天随着太阳辐射的增强，MLH呈先升后降趋势；月变化方面，各月MLH 值在282～936 m，4～6 月MLH 值最高，12 月MLH 值最低。季节变化方面，春季最高，夏季次之，冬季最低；年变化方面，2008～2017 年逐年MLH 平均值为566～610 m，2015 年最低，2012 年最高。

（2）银川MLH 高度在200 m 以下所占频率最大，为47%，200～400 m 次之，为13%，400～600 m 为8%，之后随着高度的升高频率不断降低。2000 m 以上的频率为7%。大气混合层高度在各时次出现频率也具有明显的日变化，夜间大部分在600 m 以下，白天则随着太阳辐射的变化，MLH值升高，在13:00 至17:00， 600 m 以下占比最低，为30%。

（3）银川市6 种污染物除O3外，其余5 种污染物的质量浓度与MLH 值都为负相关，均通过0.05 的显著性检验。O3与MLH 值的相关性最好。从四季看，四季污染物质量浓度与MLH 值只有O3为正相关，其余均为负相关。冬季污染物质量浓度与MLH 值相关性最好，在0.4 以上，夏季相关性最差，只有O3达到0.4，秋季好于春季。银川市逐日AQI 指数与MLH 为负相关，银川市空气质量等级一级的MLH 平均值为569 m，二级的MLH 平均值为635 m，从二级到五级MLH 平均值为逐级下降的趋势，六级的MLH 平均值反而升高，高于四级。