济南市低空逆温特征及其对空气质量影响分析

2023-01-09何鹏程卜庆雷

农业灾害研究 2022年11期

何鹏程，卜庆雷，李恬

济南市气象局，山东济南 250100

一般情况下，对流层温度随高度升高而递减，但经常在某一层或多层出现气温不随高度变化或气温随高度升高的现象，气象上将气温不随高度而变化的大气层结称为等温层，将气温随高度升高的层结称为逆温层[1]。国内外很多学者针对边界层逆温开展了大量研究，结果表明：边界层逆温常年普遍存在，且与雾霾、暴雨、沙尘等气象灾害关系密切，受下垫面、天气气候等因素影响，其分布规律在不同地区呈现不同的年、季、月和日变化特征。例如，张佃国等[2]指出山东济南地区边界层逆温日数夏季最少，逆温强度春季最强。邓敏君等[3]认为银川市逆温与雾霾天气的季节变化特征一致。李岩瑛等[4]指出沙尘天气的边界层逆温有显著的昼夜变化，白天逆温强而多，且扬沙、沙尘暴和浮尘分别以锋面辐射逆温、扰动逆温和辐射逆温为主。夏敏洁等[5]指出南京市逆温厚度薄且多层，早晨的逆温频率和层次明显大于夜晚。也有研究表明，逆温对调节气溶胶的分布起着特殊的作用，逆温层厚度、强度和大气污染浓度呈正相关关系。

1 资料与方法

1.1 资料

所使用的资料：（1）2010—2018 年济南章丘（117.56°E，36.73°N）L波段雷达逐日08:00和20:00 3 km以下探测数据，垂直分辨率为10 m，包含气温、气压、露点温度、风向、风速等要素；（2）2010—2018年济南市逐日空气质量指数（AQI）数据。

2.2 方法

项目采用运用一阶温度梯度算法来识别逆温，同时将其中逆温温差小于1℃或者过滤了逆温厚度小于50 m的逆温。根据形成的原因不同，将逆温可分为辐射逆温、平流逆温、锋面逆温、湍流逆温和下沉逆温。

根据以下判据对逆温进行了分类：（1）逆温层中、上、下层的露点差＞0℃的逆温为锋面逆温；（2）逆温底高＜100 m且地面风速≤3 m/s的逆温为辐射逆温；（3）逆温底高＜100 m且地面风速＞3 m/s的逆温为平流逆温；（4）逆温底高＞100 m、地面风速≥5 m/s，且满足（T0-θ0）-（T1-θ1）≤0.1的逆温为湍流逆温，其中，T为气温，θ为位温，0和1分布代表逆温层以下探空最低一层和最高一层；（5）排除辐射逆温、平流逆温、锋面逆温和湍流逆温以外的逆温为下沉逆温。

对于每条廓线所包含的逆温层，计算了以下4个参数：逆温底高、逆温厚度、逆温温差（即每层逆温层顶部和底部之间的温差）、逆温强度（逆温温差/逆温厚度）。

2 济南市低空逆温特征

2.1 低空逆温频率特征

通过统计分析2010—2018年探空资料，结果表明：2010—2018年济南市低空逆温发生频率为74.4%，其中，08:00发生频率为73.9%，20:00发生频率为74.9%，20:00发生频率略高于08:00。从逆温频率的年变化可以看出，20:00发生频率最高出现在2013年，为83%，最低出现在2014年，为64%；08:00发生频率最高出现在2013年，为83%，最低出现在2010年，为70%（图1a）。从逆温频率的月变化可以看出，夏季发生频率最低，冬季最高；7—10月20:00逆温发生频率比08:00高，其他月份则相反（图1b）。辐射逆温、平流逆温、锋面逆温、湍流逆温和下沉逆温的发生频率分别为44%、5%、15%、2%和33%。济南市低空往往呈现多层逆温共存的廓线形态，出现1~3层逆温较多，出现4~5层逆温极少。其中单层逆温占比63.6%、2层逆温占比28.0%、3层逆温占比7.3%。

图1 逆温发生频率年变化（a）和月变化（b）

2.2 逆温底高特征

分析逆温底高发现，底高为0 m的占比36.8%，底高为10 m的占比6.1%，其他高度的占比均小于0.7%（图2a）。对逆温底高进行100 m滑动平均后可以发现，低空存在3个相对多发高度，分别位于100 m以下、1 150~1 750 m和1 900~2 350 m。

从逐月逆温底高的箱线图可以看出，20:00逆温底高均高于08:00（图3a）。08:00逆温底高在夏季最低，冬季最高，20:00的逆温底高季节变化不明显。

2.3 逆温厚度特征

逆温厚度平均为147.4 m，08:00平均厚度为159.6 m，20:00平均厚度为135.0 m。分析逆温厚度分布频率发现，逆温厚度主要分布在40~290 m，累积发生频率为90.9%，发生频率峰值在90 m（图2b）。

图2 逆温底高（a）、逆温厚度（b）、逆温温差（c）和逆温强度（d）分布频率

从逐月逆温厚度的箱线图可以看出，08:00逆温厚度2月最大为177 m，8月最小为122 m；20:00逆温厚度2月最大为164 m，8月最小为106 m（图3b）。各月08:00的逆温厚度均大于20:00的逆温厚度，最大差值为37 m。

图3 逆温底高（a）、逆温厚度（b）、逆温温差（c）和逆温强度（d）月变化

2.4 逆温温差特征

逆温温差平均为2.2℃，08:00平均为2.3℃，20:00平均为2.0℃。分析逆温温差分布频率发现，逆温温差主要分布在4.5℃以下，累积发生频率为91.2%，发生频率峰值在1℃（图2c）。

从逐月逆温温差的箱线图可以看出，08:00逆温温差11月最大为2.8℃，7—8月最小为1.4℃，20:00逆温温差10月最大为2.3℃，5—8月最小为1.5℃（图3c）。08:00和20:00逆温温差在5—9月接近，其他月份08:00的大于20:00的，最大差值为0.6℃。

2.5 逆温强度特征

逆温强度平均为1.8℃/100 m，08:00和20:00均为1.8℃。分析逆温强度发生发现，逆温强度主要分布在0.4~4.3℃/100 m，累积发生频率为93.3%，发生频率峰值为0.8℃/100 m（图2d）。

从逐月逆温强度的箱线图可以看出，08:00逆温强度10—11月最大为2.0℃/100 m，5月和7月最小为1.4℃/100 m；20:00逆温强度10月最大为2.3℃/100 m，7月最小为1.5℃/100 m（图3d）。各月逆温强度整体上08:00小于20:00，以9月和10月最为明显，最大差值为0.4℃/100 m。

2.6 不同类型逆温的对比

从图4可以看出，下沉逆温和锋面逆温的平均高度均在1 500 m附近，同时两者可以发生在3 km以下的任何高度，湍流逆温的平均高度为931 m。不同类型逆温的平均厚度在80~190 m之间，锋面逆温的厚度最大，平流逆温的厚度最小。不同类型逆温的平均温差分布在1.1℃~2.5℃，辐射逆温的温差最大，平流逆温的温差最小。辐射逆温的温差分布范围明显大于其他类型的逆温。不同类型逆温的平均强度分布在1.2℃~2.6℃，辐射逆温的强度最大，锋面逆温和下沉逆温的强度最小。

图4 不同类型逆温底高（a）、厚度（b）、温差（c）和强度（d）对比

3 逆温对空气质量的影响

利用2010—2018年济南市逐日AQI和上文统计出的济南低空逆温数据，初步统计了发生中度污染、重度污染和严重污染的逆温要素。

从不同污染等级的逆温层数箱线图可以看出，随着污染的加重，逆温层数增加，中度污染、重度污染、严重污染的平均逆温层数分别为1.1、1.4和1.6（图5a）。中度污染、重度污染和严重污染天气中，底高为0 m的占比分别为63%、73%和73%，为更清楚地研究不同污染等级逆温底高的差异，只统计分析底高10 m以上的底高特征。随着污染的加重，平均逆温底高越低，同时随着污染的加重，首层逆温出现的高度范围越小，高度越低（图5b）。随着污染的加重，逆温厚度增加，中度污染、重度污染、严重污染的平均逆温厚度分别为180、219和261 m（图5c）。随着污染的加重，逆温温差增加，中度污染、重度污染、严重污染的平均逆温温差分别为2.9℃、3.6℃和4.4℃（图5d）。随着污染的加重，逆温强度没有显著的增强趋势，中度污染、重度污染、严重污染的平均逆温强度分别为2.5、2.8和2.8℃/100 m。综上可以看出，逆温层数、逆温底高、逆温厚度和逆温温差与空气质量关系密切，逆温强度与空气质量的关系不显著。