段 瑋,萬石云,段 旭

(1.云南省氣象科學(xué)研究所，云南 昆明 650034；2.云南省氣象臺，云南 昆明 650034)

0 引言

大氣邊界層大致在近地1～2km，人類活動集中于此的同時大氣污染排放也集中于此。在邊界層中氣溫通常隨海拔高度增加而下降，但此種梯度變化并非固定不變[1]。溫度隨高度上升而增高的現(xiàn)象即逆溫。有一定的厚度逆溫大氣層，稱為逆溫層。逆溫層結(jié)是邊界層大氣的重要特征之一，也是區(qū)域大氣環(huán)境的重要參數(shù)[2-4]。由于低空逆溫層可以抑制近地大氣污染物向高空擴(kuò)散，因此大氣邊界層內(nèi)逆溫多寡、強(qiáng)弱、位置高低成為衡量低層大氣擴(kuò)散能力的重要指標(biāo)[5-6]。目前逆溫層特征在區(qū)域、城市規(guī)劃與大氣環(huán)境管理中成為重要的考量因子[7]。邊界層逆溫可分為貼地逆溫和脫地逆溫，也可稱接地逆溫和低懸逆溫。貼地逆溫是從地表面開始的逆溫，脫地逆溫則是從離開地面一定高度開始的逆溫。貼地逆溫對地面污染影響最大。尤其當(dāng)污染源處于貼地逆溫厚度之下時，大氣污染將積聚在貼地逆溫層中造成空氣質(zhì)量惡化。鑒于以上原因目前國內(nèi)很多地區(qū)，如北京[8]、蘭州[9]、濟(jì)南[10]、呼和浩特[11]、哈爾濱[12]、三峽庫區(qū)[13]、烏魯木齊[14-15]等地都開展了逆溫層特征分析研究。

昆明地形屬于特殊的地理環(huán)境——壩子，壩子四周為高山環(huán)繞類似于盆地但有所區(qū)別，且一半的云南壩子多有大型水體，如昆明壩子(滇池)、大理壩子(洱海)、澄江壩子(撫仙湖)、宜良壩子(陽宗海)、江川壩子(星云湖)等[16]。壩子地形下大氣逆溫特征應(yīng)該有其自身特殊性。同時壩子是人口、資源集聚區(qū)，如昆明壩子是云南省會昆明市的所在地，是云南經(jīng)濟(jì)、政治中心，大理壩子也是大理白族自治州的州府。目前，昆明城市化進(jìn)程逐漸加快，空氣污染形勢日益嚴(yán)峻，但目前尚未見針對昆明壩子邊界層大氣逆溫的基礎(chǔ)分析研究工作。因此本文利用2004～2006年逐日氣象探空觀測資料分析昆明壩子邊界層大氣貼地逆溫特征及演變規(guī)律，以期為城市發(fā)展規(guī)劃、調(diào)控污染、污染預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)分析，同時也是豐富大氣邊界層在填補(bǔ)壩子地形下的科學(xué)認(rèn)識。

1 資料與方法

了解大氣垂直結(jié)構(gòu)必須依賴相應(yīng)探空觀測。昆明氣象探空站為全球氣候觀測高空探測系統(tǒng)(簡稱GCOS/GUAN)成員站。GCOS/GUAN成員站全球僅161站，中國僅有7站，其探測精度、探測高度和探測質(zhì)量是目前最高水平的。觀測過程由氫氣球帶動數(shù)字探空儀升空，儀器感應(yīng)不同高度大氣特性后返回?cái)?shù)據(jù)，由雷達(dá)接收并由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)。正常業(yè)務(wù)探測中，僅需要對20余個規(guī)定層次的大氣特性資料進(jìn)行觀測和解算，如700hPa(海拔3 300m左右)，500hPa(海拔5 500m左右)等。為配合昆明地區(qū)邊界層研究，2004年～2006年特地針對近地面(5 000m以下)大氣加密開展了間隔20m一次的探測解算輸出。因此，采用昆明國家基準(zhǔn)氣象站(102°39′E，25°00′N，海拔1 889.3m)2004年～2006年逐日北京時間08h的GTS1型數(shù)字探空儀探測資料作為分析基礎(chǔ)。

表征逆溫特征的參數(shù)有逆溫頻率、逆溫層厚度、逆溫強(qiáng)度。逆溫頻率定義為出現(xiàn)逆溫的日數(shù)與總?cè)諗?shù)的百分比，用Pnw表示如下：

(1)

式中：dnw為出現(xiàn)逆溫日數(shù)；dtotal為觀測總?cè)諗?shù)。

逆溫層厚度定義為逆溫層底到逆溫層頂?shù)木嚯x：

ΔH=H2-H1

(2)

式中：H1為逆溫層的底高；H2為逆溫層的頂高；單位為m，對于貼地逆溫H1為0m。

逆溫強(qiáng)度定義為在逆溫層內(nèi)每升高100m溫度的逆增值(℃/100m)，用I表示：

(3)

式中：ΔT是逆溫層溫差，即逆溫層頂氣溫與逆溫層底氣溫(即地面氣溫)的溫差：

ΔT=T2-T1

(4)

式中：T1為逆溫層底部的溫度，T2為逆溫層頂部的溫度，單位為℃。

2 特征分析與討論

2.1 逆溫頻率

貼地逆溫多寡是衡量大氣底層擴(kuò)散能力的重要指標(biāo)。相對于逆溫頻率低的地區(qū)，逆溫頻率高的地區(qū)顯然不利于污染物的擴(kuò)散。

圖1為昆明貼地逆溫頻率年變化。分析可見，昆明壩子貼地逆溫一年四季均會出現(xiàn)，年變化為明顯的單峰單谷型。貼地逆溫頻率峰值出現(xiàn)在春季2月、3月，頻率為87%左右，3月～5月貼地逆溫頻率迅速降低，盛夏的6月、7月和8月出現(xiàn)谷值，頻率為25.0%～30.0%，之后9月～次年1月貼地逆溫頻率逐漸增加直至次年2月。

圖1 昆明壩子貼地逆溫頻率年變化

2.2 逆溫厚度

貼地逆溫厚度即逆溫頂高。貼地逆溫出現(xiàn)說明貼地層無強(qiáng)烈亂流運(yùn)動。若污染源排放高度低于貼地逆溫頂高，污染物的垂直擴(kuò)散受到抑制，污染物將積聚在貼地逆溫層。

由圖2可知，昆明壩子貼地逆溫厚度一般在100m～150m，并存在明顯的單峰單谷型年變化。冬春季貼地逆溫略厚，夏秋季略薄。在冬季平均厚度為140m，春季2月逆溫厚度最大，大致在150m左右；自2月之后貼地逆溫逐漸變薄，夏季7月、8月貼地逆溫層為100m左右，是貼地逆溫最薄的時段。7月之后逆溫層逐漸增厚，直到次年2月達(dá)到峰值，完成一個年變化周期。

需要注意的是昆明貼地逆溫可達(dá)300m以上厚度，其多發(fā)生于冬春季的昆明壩子及周邊地區(qū)夜間晴朗有風(fēng)的有利氣象條件下，如2006年4月20日貼地逆溫厚達(dá)400m，該夜為晴夜，夜間至早晨10m高度風(fēng)速為超過1.0m/s～4.0m/s，03∶00為1.0m/s，08∶00為3.7m/s。

圖2 昆明壩子貼地逆溫厚度年變化

2.3 逆溫強(qiáng)度

逆溫層強(qiáng)度是逆溫層中單位距離溫度變化大小，它能反映污染物穿越逆溫層的難度，是大氣層結(jié)穩(wěn)定狀況的一個重要指標(biāo)。逆溫強(qiáng)度越強(qiáng)，污染物穿越逆溫層的難度越大。

圖3為昆明貼地逆溫強(qiáng)度年變化。圖中反映貼地逆溫強(qiáng)度也存在明顯的單峰單谷型年變化。春季是逆溫強(qiáng)度最大的季節(jié)，3月逆溫平均強(qiáng)度可以達(dá)到1.6 ℃/100m左右；夏季是逆溫強(qiáng)度最弱的季節(jié)，7月平均強(qiáng)度均0.2 ℃/100m左右；由春轉(zhuǎn)夏貼地逆溫強(qiáng)度減弱較快，即過渡迅速；而由夏轉(zhuǎn)秋逆溫強(qiáng)度增強(qiáng)較為緩慢，緩慢增長的趨勢延續(xù)到冬季。

圖3 昆明貼地逆溫強(qiáng)度年變化

2.4 討論

2.4.1 昆明壩子貼地逆溫形成機(jī)制與地域特殊性

貼地逆溫現(xiàn)象成因主要有輻射逆溫，地形逆溫，平流逆溫，下沉逆溫，湍流逆溫和鋒面逆溫。輻射逆溫是夜晚地面因輻射冷卻而降溫，與地面接近的氣層冷卻降溫最強(qiáng)烈，而上層的空氣冷卻降溫緩慢，因此低層大氣產(chǎn)生逆溫現(xiàn)象。但在非靜穩(wěn)天氣(有風(fēng)、有降水等)下，輻散逆溫過程即被破壞。地形逆溫是由于夜間坡地輻射冷卻快，山坡上的冷空氣沿山坡下沉到谷底或盆地中，谷底或盆地中原來較暖的空氣被冷空氣抬擠上升出現(xiàn)的逆溫現(xiàn)象。水體平流逆溫是暖空氣移動到相對冷的水面出現(xiàn)的逆溫。

圖4 昆明壩子及周邊地形圖

壩子是云南具有地域特色的典型地理環(huán)境。壩子環(huán)繞封閉的特殊地形影響下壩子有其特殊的氣象動力、熱力特征和局地環(huán)流。由圖4可見昆明壩子及周邊地區(qū)地形。昆明壩子面積為1 061.5km2，其中陸地面積763.6km2，壩子西南是面積297.90km2的滇池水體，水體占壩子面積的28.06%。壩子地形對貼地逆溫的影響主要有：

第一，壩子地形局地環(huán)流對貼地逆溫的影響。如圖4昆明壩區(qū)海拔為1 880m～1 960m(昆明56778氣象測站海拔1 889.3m)，環(huán)繞壩子群山(即壩墻)海拔在2 000m～2 400m，壩區(qū)與壩墻高差大致在100m以上。壩子內(nèi)外有壩墻阻隔，在壩墻高度之下，壩子內(nèi)空氣無法自由地與外界空氣流通，減少了外界空氣對輻射冷卻過程的干擾破壞，輻射逆溫過程在壩內(nèi)受到保護(hù)而較為穩(wěn)定；而在壩墻高度以上，壩子周圍外界的空氣能充分與壩子上空空氣進(jìn)行交換等相互作用，這一作用可導(dǎo)致逆溫現(xiàn)象消失，形成貼地逆溫的逆溫層頂。即壩子環(huán)繞封閉地形保護(hù)壩區(qū)的輻射逆溫條件不受破壞。昆明貼地逆溫厚度夏季在100m，與壩區(qū)-壩墻高差相當(dāng)；冬季在150m左右，略高于壩區(qū)-壩墻高差，這可能與冬季昆明多晴夜輻射冷卻作用更強(qiáng)有關(guān)。由此可見，壩區(qū)-壩墻高差對貼地逆溫高度有重要影響。

第二，壩墻坡地地形逆溫對昆明壩子貼地逆溫的疊加效應(yīng)。壩墻坡面在對坡面附近的空氣輻射冷卻后，冷空氣沿坡地下滑至壩區(qū)，與壩區(qū)貼地逆溫可進(jìn)行疊加。

第三，滇池水體對昆明壩子貼地逆溫的綜合效應(yīng)。由于水體熱容量大于陸地，滇池水溫變化穩(wěn)定。水體對逆溫的作用取決于大氣溫度與水體溫度的差。當(dāng)比水體溫度暖的空氣水平移動到較冷的滇池水體之上即形成水體平流逆溫，對昆明壩子內(nèi)的貼地逆溫有疊加增強(qiáng)作用，這一情形也是最為常見的。夏季晨間滇池湖面上多水霧，是空氣冷卻凝結(jié)形成，也從天氣現(xiàn)象佐證了水體平流逆溫的存在。平流暖空氣主要來自夜間臨近滇池的山脈坡面冷卻不完全的下滑氣團(tuán)和夜間湖陸風(fēng)下由城市南移到滇池上空的大氣。而當(dāng)冬季北方強(qiáng)冷空氣南下影響昆明情況時，比水體溫度低的冷空氣移動到滇池水體上，此時并不構(gòu)成平流貼地逆溫。

為進(jìn)一步討論昆明壩子貼地逆溫的地域特殊性，表1給出了昆明與其它地區(qū)的貼地逆溫各項(xiàng)指標(biāo)的比較。

表1 昆明壩子貼地逆溫年平均指標(biāo)與其他地區(qū)的比較

由貼地逆溫頻率分析可見昆明貼地逆溫頻率最高，達(dá)到了59.9%，高于非壩子地形地區(qū)，其原因是壩子環(huán)繞閉合地形對貼地逆溫環(huán)境的保護(hù)穩(wěn)定，有利于貼地逆溫生成。貼地逆溫頻率次高的為呼和浩特，達(dá)到52.5%，呼市地處北部大青山和東南部蠻漢山構(gòu)成西南開口的喇叭口地形，地形是半封閉的，同樣有利于對貼地逆溫環(huán)境的保護(hù)。此外，烏魯木齊貼地逆溫頻率也較高，達(dá)到了52.0%，其原因與烏魯木齊地處天山北麓，三面環(huán)山，北部開闊，地形呈半閉合環(huán)繞，與壩子地形有相近之處。三峽、蘭州貼地逆溫頻率為20.0%、29%，遠(yuǎn)比封閉地形和半封閉地形要低，兩地都為峽谷地形，其原因與峽谷自身是近地層氣流通道，氣流通道效應(yīng)不利于貼地逆溫形成的靜穩(wěn)條件出現(xiàn)。對于地處魯西平原丘陵地形下的濟(jì)南，來自四面八方的近地氣流均可破壞維持貼地逆溫的大氣靜穩(wěn)狀態(tài)。而地處平原且臨海的上海因?yàn)槠皆秃ｊ戯L(fēng)的影響，貼地逆溫頻率最低，僅為17.1%。

由貼地逆溫厚度可見，壩子地形昆明的貼地逆溫厚度最薄，年平均為120m；最厚的為峽谷地區(qū)蘭州，年平均為540m。貼地逆溫的厚度差異的原因，來自地形(封閉/半封閉地形與平坦地形高差)，背景環(huán)流差異以及下墊面狀態(tài)等等，如昆明貼地逆溫與壩墻高度相當(dāng)。而三面環(huán)山的烏魯木齊冬季其中背側(cè)的天山海拔遠(yuǎn)高于昆明壩墻，并且冬季在新疆強(qiáng)大的反氣旋控制下多晴夜，其下墊面又多積雪(冬半年5個月積雪)，有利于形成比其他地區(qū)厚貼的貼地逆溫。而蘭州也兼具深谷地形，冬季地表積雪且多晴夜等有利條件。

由逆溫強(qiáng)度可見，除峽谷地形強(qiáng)度為0.47 ℃/100m，其余各地強(qiáng)度大致在1.00 ℃/100m。其原因可能與壩子(昆明)、半封閉地形(烏魯木齊、呼和哈特)、平原(濟(jì)南)、臨海平坦陸地(上海)均以輻射冷卻過程為主，形成機(jī)制相同因此強(qiáng)度相當(dāng)；而峽谷地形下谷底平坦陸面面積較少，輻射冷卻有限，其形成機(jī)制來自于坡面逆溫過程，加之峽谷氣流通道效應(yīng)的破壞，因此貼地逆溫強(qiáng)度較弱。

圖5 昆明壩子貼地逆溫形成機(jī)制概念圖

綜合上面的討論，壩子地形(包括水體)是昆明貼地逆溫的重要影響因素之一，如圖5所示，壩子地形使昆明兼具輻射逆溫、坡面地形逆溫和水體平流逆溫的共同作用，具有明顯的地域特色。

2.4.2 貼地逆溫與大氣環(huán)境條件的關(guān)系

昆明壩子貼地逆溫與大氣環(huán)境條件變化密切聯(lián)系。降水、風(fēng)、晴夜是影響逆溫形成的關(guān)鍵條件，如無降水、弱風(fēng)的晴夜條件下大氣是處于靜穩(wěn)條件的。表2給出氣象要素與貼地逆溫的相關(guān)關(guān)系。由于晴夜是一個定性的條件，其本質(zhì)反映輻射冷卻作用，氣溫日較差可以從側(cè)面量化反映這一作用。因此表2中用氣溫日較差表征晴夜?fàn)顩r。

表2 氣象要素與貼地逆溫的相關(guān)關(guān)系

注：表中粗體斜字為通過α=0.01信度檢驗(yàn).

從表2可見，降水、氣溫日較差與貼地逆溫各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)都較高，并且通過了α=0.01相關(guān)顯著性檢驗(yàn)，表明降水、氣溫日較差與昆明的貼地逆溫關(guān)系密切。降水和氣溫日較差(晴夜)通過制約地面輻射冷卻影響貼地逆溫形成，由此也進(jìn)一步證實(shí)輻射冷卻是昆明壩子貼地逆溫的主導(dǎo)機(jī)制，這與壩子中寬大的陸面有關(guān)。

風(fēng)通常被認(rèn)為是貼地逆溫的破壞條件，風(fēng)越大越不利于貼地逆溫發(fā)展和維持。然而壩子內(nèi)風(fēng)速通常不大，壩內(nèi)空氣的流動有利于近地輻射冷卻逆溫效應(yīng)向上傳遞，有利于貼地逆溫的垂直發(fā)展，因此壩子內(nèi)風(fēng)速與貼地逆溫指標(biāo)呈正相關(guān)。需要注意的是一旦超過壩墻高度來自外圍的風(fēng)對貼地逆溫起破壞作用。

由前面討論可見，昆明貼地逆溫頻率、厚度和強(qiáng)度年變化為單峰型變化，呈現(xiàn)春季(2月～4月)頻率最高、厚度最厚、強(qiáng)度最強(qiáng)，夏季(5月～7月)頻率最低、厚度最薄、強(qiáng)度最弱的特征。

圖6 昆明氣象要素年變化(2004年～2006年平均)(a)降水；(b)風(fēng)速；(c)氣溫日較差Fig.6 Annual change of meteorological factors over Kunming bazi basin(the average from 2004 to 2006) (a)precipitation；(b)wind speed；(c)daily range of temperature

圖6給出了昆明降水、風(fēng)速、地表溫度和氣溫日較差年變化。昆明春季降水(圖6a)是一年中最少的時段，即昆明地區(qū)晴天和晴夜最多的時段。氣溫日較差(圖6d)來看也處于一年中的高值區(qū)。同期風(fēng)速(圖6b)達(dá)到一年最大的時段。由此可見，春季降水少、晴夜多(氣溫日較差大)、壩內(nèi)風(fēng)速大等諸多因素有利于貼地逆溫出現(xiàn)和增厚、變強(qiáng)，因此春季是貼地逆溫頻率、厚度、強(qiáng)度的峰值季節(jié)。夏季大氣環(huán)境條件與春季迥異。由圖可見，夏季時段是一年中降水最多、風(fēng)速最小、晴夜最少(氣溫日較差小)的時段，降水導(dǎo)致地面輻射冷卻作用下降，風(fēng)速小不利于垂直方向逆溫層的增長，地溫高和晴夜少也對貼地逆溫產(chǎn)生有所抑制，因此貼地逆溫頻率、厚度和強(qiáng)度在夏季最小。由此可見貼地逆溫厚度、強(qiáng)度的年變化受降水、壩內(nèi)風(fēng)速、地表溫度、晴夜?fàn)顩r的變化影響。

3 結(jié)論

(1)昆明壩子年平均的貼地逆溫頻率為59.9%，厚度為120m，強(qiáng)度為0.9 ℃/100m。昆明壩子的貼地逆溫年變化特征為春季貼地逆溫頻率最高、厚度最厚、強(qiáng)度最強(qiáng)；夏季頻率最低、厚度最薄、強(qiáng)度最弱；春夏過渡迅速。昆明壩子貼地逆溫頻率、厚度和強(qiáng)度的季節(jié)變化與降水、壩內(nèi)風(fēng)速、地面氣溫、晴夜?fàn)顩r的季節(jié)變化密切相關(guān)，其關(guān)系為：春季降水少、晴夜最多(氣溫日較差大)、壩內(nèi)風(fēng)速大有利于貼地逆溫出現(xiàn)和增厚、變強(qiáng)。夏季降水多、風(fēng)速小、地表溫度最高、晴夜少(氣溫日較差小)，貼地逆溫過程受到抑制。

(2)壩子地形是昆明貼地逆溫的重要影響因素之一，并使昆明壩子貼地逆溫具有了區(qū)別于峽谷、丘陵平原貼地逆溫的地域特性。相比國內(nèi)其他地區(qū)，昆明壩子地形下貼地逆溫具有出現(xiàn)頻率高，厚度小，強(qiáng)度相當(dāng)?shù)娘@著特征。壩子地形對壩內(nèi)貼地逆溫有保護(hù)穩(wěn)定作用，尤其是保護(hù)輻散逆溫過程，導(dǎo)致貼地逆溫出現(xiàn)頻率明顯高于其他地區(qū)，同時壩子地形也影響逆溫厚度和強(qiáng)度。

(3)昆明貼地逆溫由輻射逆溫，地形逆溫，水體平流逆溫共同影響，但其中輻射冷卻逆溫是主導(dǎo)機(jī)制。

致謝：感謝楊家康老師、樊風(fēng)老師在此項(xiàng)工作中提供的幫助，感謝昆明觀測站提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

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