基于L波段高空探测系统的贵阳边界层上空大气逆温特征

时间：2024-05-22

闵昌红黄世芹吴丹

摘要利用贵阳L波段探空雷达建站以来2003—2017年探测资料，对贵阳大气边界层上空高度大于1 500 m逆温和强逆温的温差、频率、厚度、强度和底高等特征进行分析。结果表明，从空间分布来看，高空逆温层温差集中在1.0～5.0 ℃，占比高达90%以上。在大约16 500 m 以下的高空大气层内，逆温频率呈现“两峰一谷”的特点。平均厚度07：00、19：00分别为263、282 m，且具有一致的变化趋势。07：00、19：00逆温平均强度分别为0.76～2.38和0.75～2.11 ℃/100 m。在高空逆温区前半区间即（1 500，8 500]m 2个时次逆温平均强度均大于1.0 ℃/100 m，在此区间上呈现两低中高的单峰分布。从时间分布看，高空逆温2个时次年均频率约超过60%。冬季高空逆温频率最高，春季次之，夏季最少。2个观测时次均大于20 d 的月份出现在冬春季节。高空强逆温相对于高空逆温次数少，07：00、19：00年平均天数分别为4.93和4 d，多出现在500 hPa附近。这类逆温仍然是冬季比夏季多，厚度很薄，温差却极大。

关键词 L波段高空探测系统;边界层;高空逆温;特征

中图分类号 P41 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）10-0181-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.10.049

Abstract The characteristics of inversion and strong inversion such as temperature difference， frequency， thickness， intensity and bottom height over the atmospheric boundary layer in Guiyang are analyzed by using the data from 2003 to 2017 since the establishment of Guiyang Lband sounding radar station.The results showed that from the perspective of spatial distribution， the temperature difference in the upper inversion layer was concentrated between [1.0， 5.0] ℃， accounting for more than 90%.In the atmosphere below 16 500 m， the inversion frequency was characterized by "two peaks and one valley".The average thickness was 263 m at 07：00 and 282 m at 19：00， respectively， with the same trend.The average intensity of inversion at 07：00 and 19：00 was 0.76-2.38 and 0.75-2.11 ℃/100m， respectively.In the first half of the high altitude inversion region （1 500， 8 500] m， the average intensity of two times inversion was more than 1.0 ℃/100m and there were two low， middle and high single peak distribution in this region.From the time distribution， the annual average frequency of high altitude inversion was more than 60%.The frequency of inversion was the highest in winter， the second in spring and the least in summer.Two observation times more than 20 days appeares in winter and spring.High altitude strong inversion occurs less than high altitude inversion.The average days at 07：00 and 19：00 were 4.93d and 4d respectively， most of them were near 500 hPa.This kind of inversion was still more in winter than in summer， with very thin thickness and great temperature difference.

Key words L-band high altitude detection system;Boundary layer;High altitude inversion;Characteristics

自由大氣温度通常随着高度平均以0.65 ℃/100 m递减，但由于太阳辐射、平流、气流下沉、锋面等因素影响在对流大气中存在气温随着高度升高或者不变的逆温现象。逆温是主要污染气象条件之一，它阻碍空气的垂直运动，直接影响污染物的扩散。离地较近的大气边界层（ABL）逆温特征[1-6]及其与环境污染的关系[7-15]是气象和环境工作者们重点关注和研究的对象，并取得了许多成果和进展。相对于边界层上空的高空大气逆温层，学界研究较少。张叶晖等[16]利用无线电探空资料研究了美国墨西哥湾地区信风逆温特性，指出信风逆温仍有明显的季节和年际变化;Birner等[17]证实了对流层顶逆温层的普遍存在;樊雯璇等[18]通过分析东亚对流层顶逆温层（TIL）的时空分布指出TIL有着一致的纬向结构，在中高纬度表现对流层顶断裂的特征。

贵阳是贵州省省会城市，地处低纬度高海拔的高原地区，位于黔中山原丘陵中部，总地势西南高、东北低。常年受西风带控制，属于亚热带湿润温和型气候，兼有高原性和季风性气候特点。贵阳市年平均气温为15.3 ℃，年平均相对湿度为77%，年平均总降水量为1 129.5 mm。冬无严寒，夏无酷暑，是著名的“避暑之都”和生态旅游城市。随着生态文明建设和大气环境治理的不断深入，在前人边界层大气逆温规律及污染研究的基础上，笔者利用贵阳探空站2003—2017年 L波段高空气象探测资料对贵阳大气边界层上空逆温规律首次进行初步研究，分析贵阳高空逆温分布的基本特征，为贵阳地区环境预防和治理提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源资料来源于贵阳探空站（26°35′N，106°44′E，海拔1 223 m，）2003—2017年 07：00、19：00 L波段高空探测系统采集且经质控的温度资料。采样时间分辨率约为1.2 s。

1.2 分析方法

1.2.1 资料预处理。采用L波段（1型）高空气象探测数据处理软件V5.01提取边界层（逆温层底高>1 500 m）上空逆温层资料。规定厚度≤30 m，温差极大的逆温层为高空强逆温，单独对此类逆温层特性进行统计分析。

1.2.2 逆温层特征量。①统计逆温层频率时，规定某日某时次观测出现至少一个逆温层记为一个逆温日（d）。②某次探测出现多层逆温，逆温强度、厚度等均按实测次数计算。③逆温强度用每升高100 m的温度递减率（℃/100 m）表示。④四季划分为春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。

2 贵阳大气高空逆温总体分布特征

2.1 高空逆温的温差分布

温差是逆温层顶高与底高位置上气温的差值，温差越大，逆温越强。从图1可看出，贵阳高空逆温层温差集中在[1.0，5.0] ℃，07：00、19：00频率占比分别为92.6%和91.7%，[1.0，3.0] ℃频率占绝对多数，约为80%。温差（5.0，9.0] ℃ 2个时次频率均约高于6%。（9.0，19.0] ℃高逆温温差频率07：00、19：00分别为1.2%和1.7%，平均分别为4.5和5.5次/a。温差大的高空逆温层出现频率傍晚高于早上。

2.2 高空逆温平均频率、平均厚度、平均强度及最大强度的空间分布

2.2.1 平均频率。在垂直间距1 000 m空间上，高空逆温的频率分布类似抛物线，07：00和19：00分布状态基本相同（图2a）。从分布图上看出，在大约16 500 m以下的高空大气层内，逆温频率呈现“两峰一谷”的特点。（1 500，2 000]m频率最高，07：00、19：00分别为18.4%和19.8%。此后随着高度升高频率逐渐递减，至（10 500，11 500]m达到谷底，频率为1.6%，此后频率又随着高度递增，（14 500，15 500]m达到第2个峰值点，07：00、19：00分别为8.8%和8.5%。该峰值处于第二对流层逆温区。

2.2.2 平均厚度。高空逆温层的平均厚度07：00、19：00分别为263、282 m， 19：00比07：00略高。平均厚度具有相当一致的变化趋势，下垫面性质对高空逆温厚度的影响不明显。07：00，（1 500，6 500]m高空区间逆温层平均厚度从344 m随着高度逐渐减至154 m，此后在（6 500，9 500]m平均厚度又缓慢增大至261 m，随后在（9 500，15 500]m平均厚度在240 m 附近呈平缓波动变化;（15 500，17 500]m平均厚度随着高度迅速增大至633 m。19：00与07：00变化趋势几乎相同，在（15 500，17 500]m平均厚度随着高度迅速增大且高于07：00。

2.2.3 平均强度。从高空每间隔1 000 m高度区间上逆温平均强度和最大强度的分布情况（图2b）可以看出，2003—2017年高空逆温平均强度07：00大于19：00，分别为1.33和1.24 ℃/100 m。07：00、19：00逆温平均强度分别为0.76～2.38和0.75～2.11 ℃/100 m。在高空逆温区前半区间即（1 500，8 500]m 2个时次逆温平均强度均大于1.0 ℃/100 m，在此区间上呈现两低中高的单峰分布，07：00、19：00在（5 500，6 500]m上平均强度最大，分别为2.38、2.11 ℃/100 m。在高空逆温区后半区间（8 500，17 500]m除19：00个别点外，2个时次逆温平均强度<1.0 ℃/100 m，平均强度在0.85 ℃/100 m附近波动变化。

2.2.4 最大强度。从图2b可以看出，07：00、19：00边界层逆温平均最大强度分别为8.56、8.72 ℃/100 m，2个时次最大强度分别为1.8～22.4和2.2～24.3 ℃/100 m。高空逆温前半区间最大强度显著高于后半区间。

3 贵阳高空逆温基本特征分析

3.1 频率、平均底高的时间变化特征

3.1.1 年际变化。从表 1 可看出，贵阳高空逆温次数（频率）年际变化07：00波动幅度小于19：00。07：00、19：00 平均天数（频率）分别为207～246 d（56.6%～67.4%）、175～245 d（47.9%～67.1%），年平均天数（频率）分别为228.7 d（62.6%）、219.7 d（60.1%），07：00高空逆温层数略多于19：00，2个时次高空逆温频率约超过60%。07：00、19：00 逆温出现最多的分别为2017年246 d（67.4%）和2016年251 d（68.6%），最少分別为2008年207 d（56.6%）及2010年175 d（47.9%）。

高空逆温层的年平均底高19：00（7 302 m）明显高于07：00（6 862 m）。07：00、19：00年平均底高最低分别出现在2003年（5 045 m）、2011年（6 363 m），平均底高最高分别出现在2016年（7 638 m）、2015年（7 902 m）。

3.1.2 季节变化。从表2可看出，贵阳四季高空逆温频率具有明显的季节变化，冬季高空逆温频率最高，07：00、19：00分别为80.9%、75.0%;春季次之，07：00、19：00 频率分别为66.8%、65.4%; 夏季最少，07：00、19：00频率分别为41.4%、38.7%。除秋季外，各季高空逆温频率07：00均略高于19：00。季平均逆温频率略高于60%。高空逆温层的平均底高19：00明显高于07：00，分别为6 496、6 086 m;秋季平均底高最低，而春季最高。

3.1.3 月际变化。从表 3 可看出，2003—2017 年贵阳高空逆温层多数月（4和5月除外）平均逆温天数（频率）07：00大于19：00。全年月平均天数（频率）07：00、19：00分别为 19.1 d（62.7%）、18.3 d（60.2%）。高空逆温冬季多、夏季小。逆温月平均天数（频率）07：00、19：00为12月最多，分别为27.1 d（87.3%）和25.1 d（81.1%），次多为1月。2个观测时次均大于20 d 的月份为1、3、4、11、12月。6、7、8、9月逆温较少，天数均小于15 d，最少的月份8月07：00为11.1 d（35.9%），19：00为10.8 d（34.8%）。高空逆温层多数月份（除2、10月外）月平均底高19：00明显高于07：00，全年月平均分别为7 412、6 991 m。平均底高最低07：00出现在9月，为5 348 m，19：00出现在10月，为5 392 m;平均底高最高07：00、19：00均出现在4月，分别为8 464和8 760 m。

3.2 贵阳高空逆温层强度、厚度的变化特征

3.2.1 年际变化。从表4可看出，2003—2017 年贵阳市 07：00高空逆温年平均底高为6 862 m，年平均厚度为266 m，年平均逆温强度为1.4 ℃/100 m;19：00高空逆温年平均底高为7 302 m，年平均厚度为285 m，年平均逆温强度为1.3 ℃/100 m;可见19：00逆温年平均厚度大于 07：00，底高比07：00高，强度上07：00波动范围大于19：00，07：00最大值为2003年（2.1 ℃/100 m）、19：00最大值为2004年（1.7 ℃/100 m）;07：00最小值为2013、2015年，均1.1 ℃/100 m，19：00最小值为2015年（1.0 ℃/100 m）。

3.2.2 季节变化。从表5可看出，贵阳市 07：00高空逆温季平均底高为6 086 m，平均厚度为240 m，最大厚度为冬季（284 m），夏季最小（189 m）。19：00高空逆温季平均底高为6 496 m，平均厚度为282 m，最大厚度为冬季（325 m），春季、夏季、秋季平均厚度相当。四季19：00逆温厚度大于 07：00，底高比07：00高，与年变化规律相似。高空逆温厚度冬季较其余3季大。四季逆温强度变化平稳不显著，2个时次逆温强度介于1.2～1.6 ℃/100 m，平均为1.4 ℃/100 m。07：00比19：00强度稍大。

3.2.3 月变化。从表6可看出，贵阳 07：00高空逆温月平均底高为6 991 m，月平均厚度为247 m，冬季平均厚度大，最大厚度为12月（335 m），最小为7月（180 m）。 19：00高空逆温月平均底高为7 412 m，月平均厚度为280 m，最大厚度为12月（360 m），最小为5月（232 m）。07：00、19：00最大月平均逆温强度分别为10月2.0 ℃/100 m、9月1.6 ℃/100 m。总体上07：00比19：00强度稍大。

4 贵阳高空强逆温

4.1 定义边界层上，探空观测发现，存在着一种厚度极薄（通常为几十米）、温差极大的逆温层，称之为高度强逆温。图3为贵阳探空站2008年10月10日07：00 400 hPa附近观测到的一个厚度仅为25 m、温差达-4.6 ℃、强度18.4 ℃/100 m 的强逆温。这个薄而强的逆温层几乎阻止了水汽垂直向上的扩散，逆温层上出现了一个湿度极小的干层。

4.2 贵阳高空强逆温的特征

4.2.1 年际变化。从表7可看出，贵阳高空强逆温相对于高空逆温次数（频率）少。年际变化平均07：00略多于19：00。07：00、19：00年平均天数（频率）分别为4.93 d（1.4%）、4 d（1.1%）。07：00高空强逆温不少于10 d分别出现在2004、2005、2008和2009年，2004年最多，为17 d，2015、2016年未出现;19：00高空强逆温不少于10 d出现在2004、2005和2009年，2004年最多，为17 d，2011、2013—2016年未出现，高空强逆温近年来有总体减少的趋势。

高空强逆温年平均底高07：00高于19：00，分别为5 974和5 487 m，可见这类逆温层出现在500 hPa规定等压面上下位置较多。

4.2.2 季节变化。从表8可看出，贵阳冬季高空强逆温天数（频率）最高，07：00、19：00分别为1.87 d（2.1%）、1.27 d（1.4%），春夏季较少。季平均逆温天数（频率）07：00、19：00分别为1.37 d（1.5%）、1.05 d（1.2%）。高空逆溫层的平均底高07：00高于19：00，夏季平均底高最高，冬季最低。

4.2.3 月际变化。从表9可看出，2003—2017 年贵阳高空强逆温层多数月平均逆温天数（频率）07：00约大于19：00。全年月平均天数（频率）07：00、19：00分别为 0.40 d（1.3%）、0.35 d（1.2%），2个时次月均天数不超过1 d。月平均天数（频率）07：00最多为10月的0.93 d（3.0%）、19：00最多为2月的0.67 d（2.4%）。月平均底高07：00高于19：00，分别为5 415和5 296 m;夏季各月高于冬季各月。

5 结论

（1）贵阳高空逆温温差分布集中在[1.0，3.0] ℃，频率占绝对多数，约为80%。大约16 500 m以下的高空大气层内，逆温频率呈现“两峰一谷”的特点。（1 500，2 000]m频率最高，07：00、19：00分别为18.4%和19.8%。（10 500，11 500]m达到谷底，频率为1.6%，此后（14 500，15 500]m达到第2个峰值点，07：00、19：00分别为8.8%和8.5%。该峰值处于第二对流层逆温区。

（2）高空逆温层的平均厚度07：00、19：00分别为263、282 m， 19：00比07：00略高。平均厚度具有几乎一致的变化趋势，下垫面性质对高空逆温的厚度影响很小。（1 500，15 500]m 平均厚度在150～350 m。低层高度的厚度最大，（15 500，17 500]m平均厚度随着高度迅速增大至600 m以上。07：00、19：00逆温平均强度分别为0.76～2.38和0.75～2.11 ℃/100 m。

（3）在高空逆温区前半区间即（1 500，8 500]m 2个时次逆温平均强度均大于1.0 ℃/100 m，在此区间上呈现两低中高的单峰分布。在（5 500，6 500]m上平均强度最大，07：00、19：00分别为2.38、2.11 ℃/100 m。在高空逆温区后半区间（8 500，17 500]m除19：00个别点外，2个时次逆温平均强度<1.0 ℃/100 m，平均强度在0.85 ℃/100 m附近波动变化。

（4）贵阳高空逆温各特征要素的时间分布特征表现为：年平均频率约高于60%;高空逆温频率冬季最高，春季次之，夏季最少;逆温厚度冬季较其余3季大。四季逆温强度变化平稳不显著，2个时次介于1.2～1.6 ℃/100 m，季平均强度为1.4 ℃/100 m。逆温月平均天数（频率）12 月最多，次多为1月，最少为8月，07：00、19：00月平均厚度分别为247和280 m，最大月平均逆温强度分别为10月2.0 ℃/100 m、9月1.6 ℃/100 m。总体上季平均强度、月平均强度07：00比19：00稍大。

（5）贵阳高空观测到一类厚度很薄、温差却极大的强逆温层，目前对这类逆温产生的原因尚不清楚。强逆温相对于高空逆温次数少，07：00、19：00年平均天数分别为4.93、4 d，多出现在500 hPa附近，这类逆温仍然是冬季比夏季多。

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