蘭州市逆溫特征及其與API首要污染指數關系的研究

王杰 楊銀 吳紅 張生財

摘 要：本文利用蘭州市榆中縣氣象局探空資料，統計分析了2006至2013年蘭州市逆溫變化特征及其與API首要污染指數的關系，結果表明：07時貼地逆溫直接影響蘭州市區API首要污染指數，冬季逆溫最強，秋季次至，夏季最弱，10月至次年1月較集中，持續10天以上的逆溫發生在11月至次年2月；逆溫大于3℃、厚度大于500m時對空氣質量的負貢獻明顯增加，逆溫大于7℃、厚度為700至900m時污染日概率高于清潔日概率；逆溫持續時間為2至5天時平均API首要污染指數、污染日概率分別為93、26%，5至15天時分別增加到107、39%，超過15天時平均API首要污染指數顯著升高到141，污染日概率快速增加為68%。

關鍵詞：逆溫特征；API首要污染指數；關系

中圖分類號：P423.1

近地層的逆溫層厚度可以從幾十米到幾百米，他就像一層厚厚的被子蓋在地面上空，空氣不能向上擴散，阻礙空氣的垂直運動，直接影響大氣污染物的擴散，大量污染物聚集在逆溫層下面，造成或加重大氣污染[ 1-2 ]。

國內很多城市都利用探空氣象資料分析了逆溫層的特征。

劉煥彬等[ 3 ]采用濟南高空觀測資料研究了低層逆溫結構分布特征；

鄒玉玲等[ 4 ]分析研究了青島地區低空逆溫層的結構和特征；

劉增強等[ 5 ]利用探空資料對烏魯木齊市低空大氣逆溫特征進行分析研究；此外國內也有學者研究了逆溫與污染的關系；

鄭紅等[ 6 ]分析了2000至2003年哈爾濱市大氣污染的變化特征，得出逆溫日數越多，超標污染日越多，逆溫強度越大，污染越重的規律。

李景林等[ 7 ]利用2000至2006年烏魯木齊市逆溫與API資料，得出低空逆溫的出現頻率與大氣污染指數具有相似的時間分布特征，采暖期API值越大，相應出現逆溫日的比例越高，以貼地逆溫多。

本文嘗試利用蘭州探空觀測場地的搬遷后的新資料，研究了蘭州市逆溫時空分布特征以及與API的關系。

1 資料與方法

1.1 資料

本文利用蘭州市榆中縣氣象局2006年4月1日至2013年12月31日每日07時和19時探空資料和蘭州市環保局提供的逐日四站（蘭苑賓館，生物制品廠，鐵路設計院，職工醫院）API首要污染指數（API要素中污染指數最大值）。

1.2 方法

首先對蘭州市逆溫、逆溫強度、逆溫厚度的年季月變化、逆溫持續日數以及懸浮逆溫底高特征，之后分析逆溫與API首要污染指數的關系進行了分析；

其次，再對四季春（3～5月）、夏（6～8月）、秋（9～12月）、冬（12～2月）的情況進行分析。其中逆溫強度（℃/m）為逆溫層內每升高1m溫度的增值，污染日為API首要污染指數大于100，清潔日為API首要污染指數小于等于100。

2 逆溫變化特征分析

2.1 逆溫頻率變化特征

2.1.1 年際變化

如表1所示， 2006至2013年，蘭州市07時、19時逆溫次數呈波動型減少趨勢，07時平均逆溫天數為267天，逆溫發生概率73%，2010年逆溫天數最多為301天，逆溫發生概率為83%，2008年逆溫天數最少為247天，發生概率68%。

19時平均逆溫天數為197天，逆溫發生概率54%，2010年逆溫天數最多為217天，逆溫發生概率為60%，2008年逆溫天數最少為157天，發生概率44%。貼地逆溫明顯多于懸浮逆溫，07時貼地逆溫明顯多于19時，懸浮逆溫兩時次接近。07時貼地逆溫年平均天數為211天，占全年天數的58%，2009年最多為231天，2008年最少為203天數。19時貼地逆溫年平均天數為132天，占全年天數的36%。懸浮逆溫平均天數低于全年天數的20%。

2.1.2 季節變化

如表2所示，冬季逆溫天數最多，07時逆溫為84天，占冬季天數的91%，其中貼地逆溫69天，占冬季逆溫天數的82%；秋季次之，07時逆溫天數為75天，占秋季天數的64%，其中貼地逆溫59天，占秋季逆溫天數的80%；夏季最少，07時逆溫天數為55天，占夏季天數的58%，其中貼地逆溫39天，占夏季逆溫天數的71%。

懸浮逆溫在春、秋、冬季19時多于07時。冬季07時與19時逆溫天數較為接近，逆溫穩定，不易消散，且大多維持貼地逆溫，不利于污染物的擴散。夏季地面升溫較快，逆溫層被破壞，不易形成貼地逆溫，污染物也較容易擴散。

2.1.3 月際變化

如表3所示，07時貼地逆溫12月最多為25天，大于20天的月份為1、10、11、12月，最少的月份為6、7月均為12天。19時貼地逆溫12月最多為23天，大于20天的月份為1、11、12月，最少的月份為5月2天。07時懸浮逆溫最多的為1、2、3月都為7天，最少的是8、10、11月為3天。19時懸浮逆溫最多的為2、3月為10天，1月次之為9天，最少的月份為6、7、8月為2天。

2.2 逆溫空間變化特征

2.2.1 懸浮逆溫高度特征

2007至2013年懸浮逆溫年平均底高為1235m，逐月底高6月為799m最低，其余各月均大于1000m，最高月份為4月，達到1574m。由于6月本身逆溫天數較少，懸浮逆溫天數更少，而蘭州市區四周山體高度最高為皋蘭山山頂，距地高度644.3米，當懸浮逆溫底高低于周圍山體高度時，污染物聚集在較小的空間難以稀釋，一旦逆溫底高超過周圍山體高度，空間開闊，污染物被稀釋，因此造成蘭州市污染物集中于邊界層的逆溫主要為貼地逆溫，懸浮逆溫影響污染物的稀釋和擴散的力度相對較小。

2.2.2 貼地逆溫厚度、強度特征

如表6所示， 07時逆溫厚度明顯厚于19時，強度弱于19時。2007至2013年07時逐年年平均貼地逆溫厚度為426m，最大逆溫厚度出現在2008年為467m，逐年年平均逆溫強度為0.0098℃/m，最大逆溫強度出現在2012年為0.0107℃/m。

19時逐年年平均貼地逆溫厚度為127m，最大厚度出現在2010年為141m，逐年年平均逆溫強度為0.0219℃/m，最大逆溫強度為0.0246℃/m，出現在2007年。

如表7所示，冬季07時逆溫厚度最厚為602m，秋季次之為371m，夏季最薄為296m，秋季逆溫強度最強為0.0110℃/m，夏季最弱為0.0086℃/m。

19時冬季逆溫厚度最厚為153m，秋季次之為114m，春季最薄為85m，春季逆溫強度最強為0.0235℃/m，夏季最弱為0.0183℃/m。

如表8所示，07時1月逆溫厚度最厚為711m，其次為12月、11月、2月，在481至614m，6月最薄為261m。10月逆溫強度最強為0.0119℃/m， 7月最弱為0.0084℃/m。

19時逆溫厚度總體較薄，1月最厚為180m，其次為12月、2月、11月，6月最薄為81m；最強逆溫強度為4月0.0260℃/m，最弱為8月0.0159℃/m。07時逆溫厚度明顯厚于19時，兩個時次厚度差最大的為1、12月，到達531m，7月最小為191m。

3 逆溫與API首要污染指數

2006至2013年逆溫日數為752天，占總天數的73%。其中，≤1℃的逆溫最少為24天，占總天數的1%；1～5℃的逆溫最多為1531天，占總天數的54%；≥10℃的逆溫為81天，占總天數的3%。逆溫與污染日發生概率相關性最好，2006年至2013年逆溫、逆溫厚度與污染日概率相關系數分別為0.97、0.8，逆溫強度相關系數較低，因此主要研究逆溫、逆溫厚度與污染日的關系。

3.1 逆溫、逆溫厚度與污染日概率關系

如圖1所示，2006至2013年各級逆溫中清潔日與污染日概率統計可以看出，無論有無逆溫都有可能出現污染日。但是當無逆溫或者逆溫≤1℃出現清潔日的概率高達89%。

2006至2013年平均清潔日概率為73%，而當逆溫≥3℃時污染日概率為70%，因此空氣質量是負貢獻，隨著蘭州市政府污染防控力度的不斷增大，蘭州市2013年污染日概率為82%，因此更小的逆溫也會對空氣質量產生負貢獻。當逆溫≥7℃時污染日出現概率高于清潔日概率，因此需要特別注意這種超強逆溫。

如圖2所示，當逆溫厚度大于500m時對空氣質量是負貢獻，當逆溫厚度為700m至900m之間時污染日概率高于清潔日概率，因此需要特別關注，當逆溫厚度大于900m時，隨著環境容載量的增大、逆溫強度的減弱，污染日出現概率反而有所下降。

如表9所示，按照逆溫持續天數2至5天，5至10天，10至15天，大于15天進行分類，研究2006至2013年逆溫持續天數發現，各級逆溫持續天數07時逆溫持續天數個數明顯多于19時，5至10天逆溫持續天數相差最大為57個，大于15天持續逆溫天數相差最小為5個。

隨著逆溫持續天數的增加，逆溫持續天數個數逐漸減少，07時各級逆溫持續天數分別占總數的32%、40%、14%、14%，19時各級逆溫持續天數分別占總數的52%、29%、10%、9%，其中07時最長持續逆溫天數為43天，發生在2011年11月2日至2010年12月14日。19時最長持續逆溫天數為24天，發生在2010年11月18日至2010年12月11日。

如圖3所示，當逆溫持續天數小于15天時，不同空氣質量級別發生概率和平均API首要污染指數沒有明顯變化，當逆溫持續時間為2至5天時清潔日、輕度、中度、重度污染日概率分別為73%、23%、3%、1%。

當逆溫持續天數增加為5至10天時，清潔日概率減少為61%，輕度、中度、重度污染日概率分別增加到26%、8%、5%。當逆溫持續天數增加為10至15天時各級空氣質量級別發生概率保持穩定，而一旦逆溫持續天數增加到15天以上時清潔日概率明顯降低為32%，輕度、中度、重度污染日概率則明顯增加，分別達到34%、23%、10%。

綜合來看，當逆溫增強、厚度增厚時污染日概率升高，且隨著強逆溫的持續污染物不斷累積難以擴散，污染日概率持續升高。當逆溫大于7℃、逆溫厚度在700m至900m或者逆溫持續15天以上時污染日概率會超過清潔日概率，需要特別注意防范。需要指出的是強逆溫、逆溫的持續僅僅造成污染物難以擴散，因此當逆溫較強并且持續時間較長時，應加強防控減少污染物排放。

4 結論

主要結論：

1）蘭州市常年存在逆溫，無逆溫日數只有27%，≤1℃的逆溫最少為1%，1～5℃的逆溫最多為54%。≥10℃的逆溫較少為3%；貼地逆溫明顯多于懸浮逆溫，07時貼地逆溫多于19時，07時貼地逆溫年平均天數分別為211天；懸浮逆溫總體低于全年天數的20%。

2）冬季逆溫天數最多，秋季次之，夏季最少。冬季07時與19時逆溫天數較為接近，07時貼地逆溫為69天，逆溫穩定，不易消散。

3）07時逆溫厚度明顯厚于19時，平均逆溫、逆溫強度、逆溫厚度分別為4.0℃、426、0.0098℃/m，最大逆溫強度出現在2012年為0.0107℃/m；1月逆溫厚度最厚為711m， 2、11、12月超過450m， 6月最薄為261m，10月逆溫強度最強為0.0119℃/m，7月最弱為0.0084℃/m；懸浮逆溫年平均底高為1235m，6月為799m，其余月均大于1000m，最高為4月達到1574m。

4）07時逆溫持續天數為2至5天、5至10天、10至15天、大于15天的個數分別占總天數的32%、40%、14%、14%，最長持續逆溫天數為43天，發生在2011年11月2日至2010年12月14日；當逆溫大于7℃、逆溫厚度在700m至900m或者逆溫持續15天以上時污染日概率超過清潔日概率，對空氣造成嚴重污染。

參考文獻：

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[7] 李景林，鄭玉萍，劉增強.烏魯木齊市低空溫度層結與采暖期大氣污染的關系[J].干旱區地理，2007，30（4）：519-525.

基金項目：

蘭州市氣象局科研課題“蘭州市污染預報方法研究”（LZ2013-3）資助

作者簡介：

王杰（1988-），男，陜西渭南人，碩士，主要從事天氣預報及數值模擬方面的研究。