廖碧婷,黄 俊,王春林,翁静娴,李黎微,蔡 桓,吴 兑



广州地区灰霾过程和清洁过程的边界层特征对比分析

廖碧婷1,黄 俊2,王春林2,翁静娴1,李黎微1,蔡 桓1,吴 兑3,4*

(1.广州黄埔区气象局,广州 广东 510530；2.广州市气候与农业气象中心,广州 广东 510080；3.暨南大学质谱仪器与大气环境研究所,广州 广东 510630；4.暨南大学广东省大气污染在线源解析系统工程技术研究中心,广州 广东 510630)

利用2014~2016年广州国家基本气象站的微波辐射计、风廓线雷达和地面观测数据,研究广州地区灰霾过程和清洁过程的边界层结构特征.结果表明:(1)灰霾过程中,270m高度以下风速随高度递减,270m高度以上的风速随高度递增,2000m以下的风速增率小于2000m以上的风速增率,盛行风向随高度的增加呈顺时针旋转,510m高度以下风速基本小于3.0m/s,其中08:00至20:00,390m高度以下风速小于2.0m/s;清洁过程中510~1590m和2790~3000m存在风速大于5.0m/s的高值中心, 1830m高度以下,清洁过程各层的平均风速明显高于灰霾过程;(2)贴地逆温与能见度总体上呈负相关,与PM2.5浓度呈正相关,相关系数分别为-0.367和0.455,而当贴地逆温和低空逆温同时存在时,其相关性更高,其相关系数分别为-0.5和0.601,说明多层逆温的存在更容易出现灰霾天气.灰霾过程中,低空逆温与能见度和PM2.5的相关不明显,而清洁过程中,低空逆温的出现主要与冷空气南下有关,其与能见度呈正相关(0.217),和PM2.5浓度呈负相关(-0.64),低空逆温不利于灰霾天气形成;(3)灰霾过程中,贴地逆温出现频率为60.68%,平均逆温强度为1.38℃/100m,平均逆温厚度为153.20m,明显高于清洁过程; 清洁过程中,低空逆温的逆温强度、厚度和出现频率分别为0.27℃/100m、691.07m和64.61%,明显高于灰霾过程. (4)清洁过程的混合层高度明显高于灰霾过程,清洁过程的日均混合层高度(958.92m)是灰霾过程(398.03m)的2.4倍.

广州；灰霾过程；清洁过程；逆温；垂直风场；混合层高度

大气边界层是地面动量、热量和水汽向自由大气输送的重要层次,大气污染物的输送扩散与边界层中风的变化、大气层结的稳定状况、低空逆温出现频率及强度、混合层高度和厚度等气象条件有着直接的关系.在不同的气象条件下,同一污染源排放所造成的地面污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍,因此研究边界层变化特征对大气污染的形成机理研究有重要意义.

许多学者针对珠江三角洲地区边界层特征及其对大气污染的影响开展了广泛研究,取得了很多成果.经过长时间的观测研究积累,范绍佳等[1]建立了珠江三角洲大气边界层概念模型,以解释珠江三角洲大气边界层影响空气质量的一般机理,大气边界层中的风向、风速、逆温(逆温的存在、逆温强度和厚度)、混合层高度等气象条件在污染物的扩散和输送中起到了主要作用[2-7],其他研究者提出矢量和、垂直交换系数和回流指数等表征大气扩散条件的特征物理量,从近地层水平输送和垂直扩散条件定量分析大气污染形成机理[8-12],吴兑等[8]认为较小的矢量和往往对应着与区域霾天气密切相关的气流停滞区,较大的矢量和则对应较强的平流输送能力;廖碧婷等[10]则指出当垂直交换系数小于15000,该地较容易出现灰霾天气,反之则较难出现灰霾天气;陈晓阳等[12]得出,使用回流指数0.6作为阈值能较好区分局地污染物堆积与上风向污染物输送两种因素在冷高压型污染过程中何者占主导,当回流指数普遍低于0.6则是污染物局地回流堆积作用更明显,反之则是上风向污染物的输送影响更明显.大量典型个例分析证明边界层气象条件对污染的形成和消散起到重要的作用[13-21].但以往大部分研究基本是基于地面气象资料和传统探空资料研究而得,利用微波辐射计、风廓线雷达等新型垂直探测资料的研究较为薄弱,且广州地区的相关研究较少.本项目主要利用2014~2016年广州国家基本气象站的微波辐射计和风廓线雷达观测数据,研究广州地区灰霾过程和清洁过程边界层垂直气象条件变化特征,为大气污染研究和防治工作的开展提供参考.

1 资料与方法

1.1 资料

本文气象资料来源于广州国家基本气象站,气象观测执行国家基本气象站的数据观测相关标准,所有设备进行过校准.能见度数据采用的是美国Belfort公司的Model 6000型前向散射式能见度仪.所有资料均进行了严格的质量控制,当出现明显降水时,能见度仪的观测值会出现明显降低,因此本文所用数据均已剔除出现降水时的资料.空气质量数据来自于广州环境监测中心站.本文所用的资料时段为2014~2016年.

风廓线雷达为北京无线电测量研究所生产的对流层风廓线雷达,型号为CFL-08.风廓线雷达通过发射和接收返回的电磁波信号,可提供边界层不同高度的水平方向上的风向风速、垂直速度、大气折射率结构常数、谱宽等其他探测手段难以获取的资料.实时数据采样间隔时间为6min,输出时间间隔为6min、0.5h和1h,垂直探测最大高度为16km, 3270m高度内的垂直空间分辨率为120m,3270~ 5430m高度的分辨率为240m, 5430m以上为480m.本文主要使用1h间隔的数据分析10km以下的风速风向特征.

边界层温度廓线数据是由德国生产的RPG- HATPRO-G3型微波辐射计进行同步观测,边界层温度廓线观测高度为0~2km,共有38层,分别为0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 75, 90, 110, 130, 150, 170, 200, 230, 260, 300, 340, 380, 420, 470, 520, 590, 660, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000m,边界层温度数据时间间隔为20min,本文对1h内的数据进行平均处理,得到和风廓线一致的逐小时数据时间序列.利用微波辐射计2016年观测的最低层气温日均值与广州国家基本气象站观测的气温日均值进行拟合,结果如图1所示.由图1可见,微波辐射计观测得到的地面气温日均值与广州国家基本气象站的变化趋势较为一致,呈显著的正相关,2高达0.91.这说明微波辐射计观测的温度数据具有较高的可信度.

图1 2016年广州国家基本气象站和微波辐射计最低层气温和广州国家基本气象站气温关系

1.2 方法

应用常规地面气象要素来确定混合层高度有许多方法,本文主要采用国标法计算.国标法是根据国家环境保护局制定的国家标准(GB/T13201-91)[22]中规定的计算混合层高度的方法,在对污染物的研究中较为常用.该方法考虑了大气的热力和动力影响因子,实质上是认为近地层的热状况在相当程度取决于地面加热和冷却程度[23],可以直接利用常规地面气象观测资料进行计算.

灰霾过程和清洁过程判断:排除降水日,当日均能见度小于10km且相对湿度小于等于90%时,判断为灰霾日.当连续3d出现灰霾日时,则作为一次典型灰霾过程.当连续3d日均能见度大于15km且没有出现灰霾时(小时能见度小于10km且相对湿度小于等于90%的时次)的情况,则作为一次典型清洁过程.

2 结果分析

2.1 广州地区灰霾过程和清洁过程概况

根据广州国家基本气象站日平均能见度和相对湿度资料统计得出2014~2016年广州地区的灰霾过程和清洁过程分别如表1和表2所示.由表1可见,出广州地区大范围的、持续时间长的灰霾天气过程主要出现在每年的10月至次年的4月,持续时间最长的灰霾天气过程出现在2016年11月12~19日,长达8d. 2014~2016年共出现8次典型灰霾过程和5次典型清洁过程,其中1月份最容易出现灰霾天气.所有典型灰霾过程的平均能见度为6.02km,平均相对湿度为78.31%,平均风速1.61m/s,其首要污染物主要为PM2.5或NO2.由表2可见,排除有灰霾时的清洁过程, 平均能见度为22.85km,平均相对湿度较灰霾过程低,为57.75%,其相对湿度介于29.33~ 72.67%,平均风速为3.82m/s,是灰霾过程的1.4倍.可见,发生灰霾过程期间的能见度较清洁过程低,相对湿度较清洁过程大,风速较清洁过程小.

表1 2014~2016年广州地区灰霾过程

表2 2014~2016年广州地区清洁过程

2.2 灰霾过程和清洁过程风场的垂直变化特征

对2014~2016年广州所有灰霾过程和清洁过程期间的逐时风速廓线进行平均统计,得到逐时平均风速廓线日变化,重点选取3000m高度内的数据进行分析,如图2所示.由图2(a)可知,2014~2016年广州地区灰霾过程中3000m高度以下的风速日变化不明显,逐时风速廓线差异较小,说明边界层内的风场比较稳定,大气湍流日变化比较弱,污染物难以扩散,从而有利于灰霾天气的形成和维持.垂直高度上风速总体随高度升高而增大,2000m高度下的风速递增率小于2000m以上的高层;在1600m高度下,风速基本小于4m/s,整体的风场输送能力较弱;高度510m以下的风速基本小于3.0m/s,为明显的小风层,其中13:00至17:00,风速小于3.0m/s的高度可伸展到870m.08:00至20:00,390m高度以下稳定存在风速小于2.0m/s的区域,张人文等[24]对珠江三角洲区域大气污染的研究表明,区域平均风速小于1.8m/s时会出现局地空气污染.可见,广州地区灰霾过程中,近地层存在小风层有利于灰霾天气的持续.

图2 2014~2016年广州地区灰霾过程(a)和清洁过程(b)垂直风速日变化

图2(b)给出了2014~2016年广州地区清洁过程的风场垂直变化特征.由图2可知,清洁过程的风场垂直变化特征与灰霾过程存在明显的差异.虽然300m高度以下也存在风速小于2m/s的小风层,但在日变化时间上并没有像灰霾过程那样连续,而是断断续续有高于2m/s的区域存在, 且小风层的厚度也较浅薄,有利于污染物的扩散和清除.在510~ 1590m和2790-3000m高度区域存在风速大于5.0m/s的高值中心,有利于污染物的有效扩散,这与梁碧玲等[25]研究得出400~1000m的风力强劲时,不利于灰霾天气的形成的结论较为一致.

图3 2014~2016年广州地区灰霾过程和清洁过程垂直平均风速廓线

统计灰霾和清洁过程期间0~10km高度上的平均风速廓线,最低层(0m)为地面观测数据,如图3所示,灰霾过程的平均风速垂直廓线与清洁过程的存在明显差异.灰霾过程中,除270m高度以下风速随高度递减外,270m高度以上的各层平均风速基本随高度增加而增加, 500m以下均低于2.0m/s,这与吴蒙等[11]得出污染日情况下,广州地区低层风速普遍小于3.0m/s,300m高度以下甚至小于2m/s的结论一致.此外2000m以下的各层平均风速均低于4.0m/s.清洁过程中, 270m高度以下风速也随高度递减,但风速总体比灰霾过程高,270~630m风速随高度从2.31m/s快速增加到5.72m/s,之后在630m~1230m高度内基本为等风速区,1230~2310m风速又出现随高度递减,但各层平均风速基本大于3.0m/s.清洁过程中0-1830m和3270~4710m的各层平均风速均比灰霾过程的高,但其余层高度的风速却比灰霾过程低,特别是在8000m高度以上表现得更为明显.

进一步统计了10km高度内不同高度层的风向频率,得出不同高度层的盛行风向和频率(表3).由表3可见,广州地区灰霾过程中,地面盛行风向为偏北风(N),出现频率为30.54%,150~1950m盛行风向基本为偏东风(E)或东南偏东风(ESE),2070~2910m盛行风向为西南偏西风(WSW),3030m以上盛行风向均为偏西风(W),即广州地区灰霾过程中,盛行风向随高度的增加呈顺时针旋转.第二盛行风向随高度从西北偏北风(NNW)逐渐转变到西北偏西风(WSW),也呈顺时针旋转.这与范绍佳等得出的结论较为一致[26].清洁过程中,地面盛行风向也为偏北风(N),出现频率高达64.46%,为灰霾过程的2倍,说明广州地区清洁过程主要与冷空气南下,北风加大,利于污染物扩散的天气过程有关.150~2670m盛行风向基本在东北偏北风(NNE)和偏东风(E)之间摆动,2790m以上盛行风向均为偏西风(W),第二盛行风向则随高度变化较大.总体而言,清洁过程的盛行风向随高度也大致呈顺时针旋转,但特征没有灰霾过程明显.

表3 2014~2016年广州地区灰霾过程和清洁过程风向频率变化

续表3

高度(m)灰霾过程清洁过程 盛行风向风频(%)第二盛行风向风频(%)平均风速(m/s)盛行风向风频(%)第二盛行风向风频(%)平均风速(m/s) 870ESE19.63E15.533.29NE30.27ENE29.975.79 990ESE17.89E17.523.51ENE30.56E20.775.74 1110E17.39ESE15.403.64ENE31.16E19.295.70 1230E17.89ESE14.413.74ENE27.89E22.265.80 1350E18.88ESE11.803.72ENE28.78E19.295.54 1470E19.13ESE11.683.78ENE29.38E18.995.20 1590E16.77S10.683.88ENE25.82E20.774.83 1710E16.02SSW10.683.89E29.08ENE24.044.39 1830E16.40SW11.803.87E34.72ENE19.584.01 1950E16.15WSW11.553.94E35.31ENE18.993.74 2070WSW14.16E13.424.11E27.60ENE19.583.45 2190WSW17.02SW11.934.45E22.26ENE16.913.42 2310WSW19.75W11.554.95ENE14.54E13.653.35 2430WSW22.11W13.795.42E14.24NNE13.653.54 2550WSW22.98W15.905.83NNE13.95NE12.463.58 2670WSW22.48N18.396.33NNE13.06N10.683.80 2790WSW30.81N26.717.21W27.00N14.847.24 2910WSW30.93W28.707.94W30.86NNW12.767.76 3030W31.18WSW28.948.62W33.23WSW8.618.49 3150W32.42WSW28.709.31W35.61WSW9.799.29 3270W31.30WSW29.329.60W42.14WSW13.3510.89 3510W29.32WSW28.829.96W47.48WSW16.3211.52 3750W35.78WSW24.4710.34W48.66WSW17.5112.18 3990W38.26WSW22.3610.78W54.01WSW16.0212.84 4230W40.62WSW20.5011.37W59.35WSW12.7613.48 4470W42.98WSW21.9912.25W61.13WSW12.4613.91 4710W45.71WSW21.2413.44W59.05WSW14.5414.13 4950W45.59WSW21.4914.63W52.52WSW18.4014.43 5190W43.85WSW21.6115.47W53.41WSW17.5115.16 5430W41.99WSW19.3816.91W50.74WSW19.5815.87 5910W40.00WSW18.2618.08W49.26WSW22.5516.45 6390W36.52WSW20.1219.29W45.70WSW26.7117.16 6870W36.77WSW25.7120.52W45.70WSW27.3020.46 7350W38.63WSW24.8422.49W51.63WSW29.9721.42 7830W44.35WSW21.6124.72W62.02WSW23.1522.46 8310W45.71WSW18.0126.66W66.17WSW18.9923.73 8790W40.62WSW18.1429.04W61.72WSW20.1824.46 9270W35.16WSW16.6532.45W49.55WSW21.6624.60 9750W26.21WSW18.0136.17W32.94WSW17.8023.98

由以上分析可知,在高度1830m以下,清洁过程各层的平均风速明显高于灰霾过程,有利于污染物的扩散,而这一高度层通常是边界层内对地面污染物影响比较大的一层.在高度1830m以上,灰霾过程的风速有时比清洁过程大,但因高层风力对灰霾天气的形成和消散作用不明显,在这里不做详细讨论分析.

2.3 灰霾过程和清洁过程的温度层结特征

对2014~2016年广州所有灰霾过程和清洁过程期间的逐时温度廓线进行平均统计,得到逐时平均温度廓线日变化,如图4所示.由图4(a)可见,灰霾过程中,广州地区的温度随高度的垂直分布日变化非常显著.白天的气温随高度呈递减型分布,尤其是中午时段(12:00~17:00).夜间时段(18:00~23:00)和凌晨时段(00:00~08:00)逆温现象较为明显.由图4(b)可见,清洁过程的温度层结特征与灰霾过程存在显著差异.清洁过程中,广州地区800m以下的气温随高度呈递减型分布,基本无逆温出现,但在800~1700m显著存在逆温现象.对灰霾过程和清洁过程的垂直温度廓线进行平均,如图5所示.由图可知,灰霾过程在近地层存在逆温现象,清洁过程则在中高层的逆温现象较明显.

图4 2014~2016年广州灰霾过程(a)和清洁过程(b)的垂直温度廓线日变化

根据吴兑等[27]的逆温计算方法,整理得到2014~2016年广州地区灰霾过程的贴地逆温(底高0~100m之间)和低空逆温(底高100~1000m之间)的平均强度、平均厚度和出现频率,如表4所示.逆温层底在1000m以上为中空逆温,它主要与天气系统的活动相联系,这里不作讨论.

由表4可见,2014~2016年灰霾过程中,广州地区都存在贴地逆温,且出现频率(出现频率=出现逆温的总时次/过程的总时数)基本都大于60%,平均出现频率高达60.68%;逆温强度除了两个过程外,其余均大于1.0℃/100m,平均逆温强度为1.38 ℃/100m,高于吴蒙等[11]利用清远探空资料得出的珠江三角洲地区污染日平均逆温强度(0.62℃/100m);逆温厚度平均为153.20m,最大可达177.27m.与吴蒙等[11]得出污染日珠江三角洲地区贴地逆温平均厚度(155m)相差不大.低空逆温出现的频率和强度都比较小,出现频率基本小于10%,逆温强度基本小于0.2℃/100m,但逆温厚度较贴地逆温大,平均逆温厚度为347.45m,最大可达828.50m.

图5 2014~2016年广州地区灰霾过程和清洁过程的垂直温度廓线

清洁过程中,广州地区也存在贴地逆温,但出现频率和逆温强度都显著低于灰霾过程.其中出现频率基本小于10%,平均出现频率为8.61%;逆温强度均小于1.0℃/100m,平均逆温强度仅为灰霾过程的三分之一,为0.46℃/100m;逆温厚度平均为111.71m,最大为137.14m,也较灰霾过程小;但低空逆温的出现频率、强度和厚度反而比灰霾过程大,平均逆温强度、厚度和出现频率分别为0.27℃/100m、691.07m和64.61%.研究表明,低空逆温的形成比较复杂,可以由贴地逆温抬升而成,也可与地形及天气系统活动有关[28].而由表3可知,清洁过程中,510~1590m存在风速大于5.0m/s的高值中心,且主导风向以东北风为主,低空逆温底高介于795~873m,综合来看,广州地区清洁过程出现的低空逆温与冷空气南下有关.

表4 2014~2016年广州地区灰霾过程和清洁过程的逆温情况

表5 2014~2016年广州地区灰霾过程和清洁过程逆温强度与能见度及PM2.5浓度的相关性

注:*代表相关通过0.001的显著性检验.

由表5可知,在所选取的灰霾过程和清洁过程中,贴地逆温与能见度呈负相关,与PM2.5浓度呈正相关,平均相关系数分别为-0.367和0.455,其在灰霾过程中,贴地逆温与能见度及PM2.5浓度相关系数分别为-0.270和0.246,清洁过程中,则分别为-0.277和0.588,说明贴地逆温的存在,逆温强度的高低对污染物的扩散有较大的影响.低空逆温在灰霾过程中与能见度和PM2.5浓度的相关不太明显,而在清洁过程中则与能见度呈正相关,和PM2.5浓度呈负相关,相关系数分别为0.217和-0.640.低空逆温出现的底高基本在800m高度以上,配合风廓线雷达观测数据,这高度区间主导风向以东北风为主,这可能和清洁过程低空逆温的形成主要与冷空气南下有关,表现为低空逆温强度越强,则越不利于灰霾天气的出现.此外,当贴地逆温和低空逆温同时存在时,贴地逆温强度和能见度及PM2.5浓度的相关更高, 贴地逆温强度和能见度及PM2.5浓度的相关分别为-0.500和0.601.其中,灰霾过程的贴地逆温强度和能见度及PM2.5浓度的相关分别为-0.427和0.506,清洁过程的则分别为-0.321和0.564,这说明多层逆温的存在更不利于污染物的扩散,更容易出现灰霾天气.

由以上分析可知,贴地逆温抑制污染物的扩散,低空逆温有利于污染物的扩散,但两者同时存在时,大气扩散条件则反而更加恶化.

表6和表7统计了灰霾过程和清洁过程期间不同时刻的贴地逆温和低空逆温信息情况.由表6可见,2014~2016年广州地区灰霾过程中,贴地逆温在00:00~08:00、17:00~23:00均有很高的出现频率,基本都超过80%,在09:00~16:00出现频率则较低,其中在10:00、12:00~13:00和15:00的出现频率为0%;逆温强度则在00:00~07:00和19:00~23:00基本大于1.0℃/100m,在08:00~18:00逆温强度则小于1.0℃/100m.低空逆温在00:00~12:00均有一定的出现频率,13:00后则基本出现频率为0(14:00和22:00除外);逆温强度均较低,基本低于0.2℃/100m.由表7可见,清洁过程中,贴地逆温在00:00~08:00和17:00~23:00均有一定的出现频率,但出现频率和逆温强度都明显低于灰霾过程,在09:00~16:00的出现频率为0.低空逆温则在00:00~23:00均有较高的出现频率,基本都大于40%,逆温强度也较为均匀,介于0.29~0.37℃/100m之间.

表6 2014~2016年广州地区灰霾过程和清洁过程的逆温日变化情况

注:逐时逆温出现频率为相应时次出现逆温次数与相应时次总时数之比.

表7 2014~2016年广州地区清洁过程的逆温日变化情况

续表7

时刻贴地逆温低空逆温 平均强度平均厚度出现频率(%)平均强度平均厚度出现频率(%) 16:00--0.000.34791.2547.06 17:000.2050.0011.760.34813.0041.18 18:000.4293.3317.650.36776.8641.18 19:000.6895.0023.530.33707.0052.94 20:000.6690.0023.530.31712.3352.94 21:000.48101.0029.410.31589.8264.71 22:000.67120.0023.530.29679.7058.82 23:000.92160.0017.650.29616.4564.71

2.4 灰霾过程和清洁过程的混合层高度

基于广州国家基本气象站08:00、14:00和20:00的气象观测数据,利用国标法计算得出灰霾过程和清洁过程的混合层高度如图6所示.由图6(a)可知,灰霾过程中,广州地区混合层高度平均值为398.03m,高于徐虹等[29]得出天津重污染天气过程的混合层高度均值(150~266m).20:00的混合层高度变化趋势最为平缓,14:00的混合层高度变化幅度最大.三个时次的混合层高度高低次序大致为20:00<08:00<14:00.广州地区灰霾过程中08:00的混合层高度平均值为361.21m,14:00的混合层高度平均值为656.49m,20:00的混合层高度平均值为230.34m. 08:00和20:00的平均混合层高度与刘建等[30]得出东莞地区灰霾过程的边界层高度较为一致,14:00低于其得出的16:00的混合层高度.

清洁过程中,广州地区混合层高度平均值为958.92m. 08:00、14:00和20:00的混合层高度变化幅度均较大.三个时次的混合层高度高低次序在不同时段不一致,平均值次序和灰霾过程一致,为20:00<08:00<14时.08:00的混合层高度平均值为867.25m, 14:00的混合层高度平均值为1229.97m, 20:00的混合层高度平均值为779.34m,均明显大于灰霾过程相应时次的平均混合层高度.广州地区清洁过程的混合层高度低于刘超等[31]利用L波段探空雷达秒数据基于总理查森法、逆温法、位温梯度法和罗氏法算出北京单个清洁过程混合层高度(08:00和20:00均在1000m以上),高于徐虹等[29]得出天津清洁过程的混合层高度(462m).

混合层高度是影响能见度的另一个重要因素,混合层高度越高,越有利于污染物垂直方向的扩散,能见度越高;反之,能见度越低,有利于灰霾过程的发生.对典型清洁过程和灰霾过程期间的能见度和混合层高度进行日平均统计和线性拟合,如图7所示.由图7可知,混合层高度和能见度呈正相关关系,其相关系数为0.72,通过0.001的显著性检验,根据拟合曲线可得出,当日均能见度低于10km时,对应的日均混合层高度低于464.18m.

图7 2014~2016年广州地区清洁过程和灰霾过程期间日均能见度和日均混合层高度的拟合

3 结论

3.1 广州地区灰霾过程中, 270m高度以下风速随高度递减,270m高度以上的风速随高度增加而增大,2000m以下的风速增率小于2000m以上的风速增率,盛行风向随高度的增加呈顺时针旋转, 510m高度以下风速基本小于3.0m/s,其中08:00至20:00,390m高度以下风速小于2.0m/s.清洁过程中, 270m高度以下风速也随高度递减,510~1590m和2790~3000m存在风速大于5.0m/s的高值中心,盛行风向随高度也大致呈顺时针旋转,但特征没有灰霾过程明显. 1830m高度以下,清洁过程各层的平均风速明显高于灰霾过程,有利于边界层内污染物的扩散.

3.2 贴地逆温与能见度呈负相关,与PM2.5浓度呈正相关,相关系数分别为-0.367和0.455.灰霾过程中,贴地逆温出现频率为60.68%,平均逆温强度为1.38℃/100m,平均逆温厚度为153.2m;清洁过程中,贴地逆温出现频率为8.61%,平均逆温强度为0.46℃/100m, 平均逆温厚度为111.71m,均明显低于灰霾过程.说明贴地逆温的存在,逆温强度的高低对污染物的扩散有较大的影响.

3.3 在灰霾过程中低空逆温与能见度和PM2.5浓度的相关不太明显,而在清洁过程中则与能见度呈正相关,和PM2.5浓度呈负相关,相关系数分别为0.217和-0.64.清洁过程中,低空逆温的逆温强度、厚度和出现频率分别为0.27℃/100m、691.07m和64.61%,明显高于灰霾过程.低空逆温出现的底高基本在800m高度以上,配合风廓线雷达观测数据,这高度区间主导风向以东北风为主,这可能和低空逆温的形成主要与冷空气南下有关,因此低空逆温强度越强,越不利于出现灰霾天气.

3.4 当贴地逆温和低空逆温同时存在时,贴地逆温强度与能见度和PM2.5浓度的相关性更高, 贴地逆温强度与能见度和PM2.5浓度的相关系数分别为-0.5和0.601.其中,灰霾过程的贴地逆温强度和能见度及PM2.5浓度的相关分别为-0.427和0.506,清洁过程的则分别为-0.321和0.564,这说明多层逆温的存在更不利于污染物的扩散,更容易出现灰霾天气.

3.5 清洁过程的混合层高度明显高于灰霾过程,清洁过程的日均混合层高度(958.92m)是灰霾过程(398.03m)的2.4倍.混合层高度和能见度呈正相关关系,其相关系数为0.72.根据两者线性相关分析可得,当日均能见度低于10km时,对应的日均混合层高度低于464.18m.

[1] 范绍佳,王安宇,樊 琦,等.珠江三角洲大气边界层特征及其概念模型[J]. 中国环境科学, 2006,26(增刊):4-6.

[2] 李明华,范绍佳,王宝民,等.珠江三角洲秋季大气边界层温度和风廓线观测研究[J]. 应用气象学报, 2008,19(1):53-60.

[3] 陈训来,冯业荣,范绍佳,等.离岸型背景风和海陆风对珠江三角洲地区灰霾天气的影响[J]. 大气科学, 2008,32(3):530-542.

[4] 李颖敏,范绍佳,张人文.2008年秋季珠江三角洲污染气象分析 [J]. 中国环境科学, 2011,31(10):1585-1591.

[5] 李婷苑,邓雪娇,范绍佳,等.2010年广州亚运期间空气质量与污染气象条件分析[J]. 环境科学, 2012,33(9):2932-2938.

[6] 李浩文,张阿思,步巧利,等.2015年干季佛山一次重空气污染过程形成机理研究[J]. 环境科学学报, 2017,37(8):3044-3053.

[7] 吴 蒙,罗 云,吴 兑,等.佛山地区干季边界层垂直风温结构对空气质量的影响[J]. 环境科学学报, 2017,37(12):4458-4466.

[8] 吴 兑,廖国莲,邓雪娇,等.珠江三角洲霾天气的近地层输送条件研究[J]. 应用气象学报, 2008,19(1):1-9.

[9] 吴 蒙,范绍佳,吴 兑,等.广州地区灰霾与清洁天气变化特征及影响因素分析 [J]. 中国环境科学, 2012,32(8):1409-1415.

[10] 廖碧婷,吴 兑,陈 静,等.灰霾天气变化特征及垂直交换系数的预报应用 [J]. 热带气象学报, 2012,(3):417-424.

[11] 吴 蒙,吴 兑,范绍佳.基于风廓线仪等资料的珠江三角洲污染气象条件研究[J]. 环境科学学报, 2015,35(3):619-626.

[12] 陈晓阳,冯 旭,范绍佳,等.回流指数在空气质量变化研究中的应用[J]. 环境科学学报, 2016,36(3):1032-1041.

[13] 吴 兑,吴 晟,李海燕,等.穗港晴沙两重天-2010年3月17-23日珠三角典型灰霾过程分析 [J]. 环境科学学报, 2011,31(4):695-703.

[14] 吴 兑,吴 晟,李 菲,等.粗粒子气溶胶远距离输送造成华南严重空气污染的分析 [J]. 中国环境科学, 2011,31(4):540-545.

[15] 李 菲,吴 兑,谭浩波,等.广州地区旱季一次典型灰霾过程的特征及成因分析[J]. 热带气象学报, 2012,28(1):113-122.

[16] 杨 武,罗秋红,李晓娜,等.2006~2008年秋季广州市重大气污染过程特征研究 [J]. 热带气象学报, 2012,(1):123-133.

[17] 董春卿,郑有飞,武永利,等.边界层方案对山西冬季一次静稳天气PM2.5浓度模拟的影响 [J]. 中国环境科学, 2016,36(6):1669-1680.

[18] 杨 鹏,朱 彬,高晋徽,等.一次以南京为中心的夏季PM2.5污染岛污染事件的数值模拟 [J]. 中国环境科学, 2016,36(2):321-330.

[19] 邓 涛,吴 兑,邓雪娇,等.广州地区一次严重灰霾过程的垂直探测[J]. 中国科学:地球科学, 2014,44(10):2307-2314.

[20] 高晓荣,谭浩波,邓 涛,等.三种激光雷达监测污染物分布和输送对比[J]. 中国环境科学, 2018,38(2):444-454.

[21] 廖碧婷,黄 俊,邓雪娇,等.基于微波辐射计分析低能见度的液态含水量特征[J]. 中国环境科学, 2018,38(10):3673-3682.

[22] 国家环境保护局.(GB/T13201-91)制定地方大气污染物排放标准的技术方法[S]. 北京:中国环境科学出版社, 1991:3-4.

[23] 杜川利,唐 晓,李星敏,等.城市边界层高度变化特征与颗粒物浓度影响分析[J]. 高原气象, 2014,33(5):1383-1392.

[24] 张人文,范绍佳.珠江三角洲风场对空气质量的影响[J]. 中山大学学报(自然科学版), 2011,(6):130-134.

[25] 梁碧玲,张 丽,钟雪平.边界层风场对深圳秋冬季灰霾天气的影响 [J]. 广东气象, 2017,39(6):15-18.

[26] 范绍佳,祝 薇,王安宇,等.珠江三角洲地区边界层气象特征研究[J]. 中山大学学报(自然科学版), 2005,44(1):99-102.

[27] 吴 兑,陈位超,游积平,等.海口西郊海岸地带低层大气结构研究[J]. 热带气象学报, 1995,11(2):123-132.

[28] 吴祖常,董保群,任阵海,等.内伶仃岛及其附近海面低层大气的平均结构 [J]. 热带气象, 1991,7:162-169.

[29] 徐 虹,肖致美,孔 君.天津市冬季典型大重污染过程特征 [J]. 中国环境科学, 2017,37(4):1239-1246.

[30] 刘 建,范绍佳,吴 兑,等.珠江三角洲典型灰霾过程的边界层特征 [J]. 中国环境科学, 2015,35(6):1664-1674.

[31] 刘 超,花 丛,张恒德,等.L波段探空雷达秒数据在污染天气边界层分析中的应用[J]. 气象, 2017,43(5):591-597.

Comparative analysis on the boundary layer features of haze processes and cleaning process in Guangzhou.

LIAO Bi-ting1, HUANG Jun2, WANG Chun-lin2, WENG Jin-xian1, LI Li-wei1, CAI Huan1, WU Dui3,4*

(1.Guangzhou Huangpu Meteorology, Guangzhou 510530, China；2.Climatic Center of Guangdong Province, Guangzhou 510080, China；3.Jinan University Institute of Mass Spectrometry and Atmospheric Environment, Guangzhou 510630；4.Guangdong Engineering Research Center for Online Atmospheric Pollution Source Apportionment Mass Spectrometry System, Jinan University, Guangzhou 510630, China)., 2018,38(12)：4432~4443

Base on the ground weather data and data of microwave radiometer and wind profile from 2014 to 2016 in Guangzhou national climate observatory, the characteristics of boundary layer structure of the typical during haze processes and cleaning process in Guangzhou are studied. The results are showed as follows:(1) In haze process, the wind speed decreases with height below 270m, but increases with height over 270m, and the increase rate of wind speed below 2000m is lower than that over 2000m. The prevailing wind direction rotates clockwise with height. The wind speed below 510m height is basically less than 3.0m/s, and from 08am to 20pm, the wind speed is less than 2.0m/s below 390m. In cleaning process, there is a speed higher than 5.0m/s zone at 510~1590m and 2790~3000m respectively. Below the height of 1830m, the average wind speed of each layer in the cleaning process is obviously higher than that in haze process. (2) The low temperature inversion was negatively correlated with visibility and positively correlated with concentration of PM2.5, and the correlation coefficients are -0.367 and 0.455respectively. The correlation coefficients is higher when the low temperature inversion and low altitude inversion are simultaneously, and the correlation coefficients are -0.5 and 0.601, respectively. It shows that the existence of multilayer inversion is more prone to haze weather. In haze process, the correlation of low altitude inversion to visibility and PM2.5was not obvious. In cleaning process, the occurrence of low altitude inversion was mainly related to the cold air coming down from the north, which was positively correlated with visibility (0.217), and negatively correlated with the concentration of PM2.5(-0.64). Low altitude inversion is not conducive to the formation of haze weather. (3) During haze process, the frequency of the low temperature inversion is 60.68%, the average inversion intensity is 1.38℃/100m, and the averageinversion layer thickness is 153.2m, which is obviously higher than that of the cleaning process. During cleaning process, the average frequency of occurrence, inversion intensity and inversion layer thickness of low temperature inversion are 64.61%, 0.27℃ /100m and 691.07m respectively, which are significantly higher than those of haze process. (4) The mixing layer height of cleaning process is obviously higher than that of the haze process. The daily mixing layer height (958.92m) of cleaning process is 2.4times that of haze process (398.03m).

Guangzhou；haze process；cleaning process；temperature inversion；vertical wind field；mixing height

A

1000-6923(2018)12-4432-12

廖碧婷(1986-),女,广东清远人,工程师,硕士,主要研究方向大气物理学与大气环境.发表论文10余篇.

2018-05-19

国家重点研发计划项目课题(2016YFC0203305, 2016YFC0201901);广州市产学研协同创新重大专项(201604020028);广东省气象局科研项目(GRMC2017M27,2016Q10);广东省气象局科技创新团队计划项目(201704)

* 责任作者, 教授, wudui.vip@foxmail.com