珠江三角洲大气边界层温度场结构特征分析

吴艳标  杜尧东  宋丽莉  毛伟康  李  琼

（广州热带海洋气象研究所，广州  510080）

    摘要  根据2000年夏季和秋季在广州番禺区进行的低空探测试验资料，分析了珠江三角洲大气边界层温度场的结构特征。结果表明，夏季，珠江三角洲500m以下空间平均温度基本上随高度递减，500~1000m之间则出现平均温度随高度递增的现象。秋季，平均温度随高度递增的现象可在不同高度上出现。气温直减率夏季大于秋季。逆温的平均出现频率中层大于上层和贴地层，秋季大于夏季。夏季贴地逆温、中层逆温和上层逆温最大厚度分别为57、140和77m，最大强度分别为0.4、1.2和1.2℃/100m，秋季贴地逆温、中层逆温和上层逆温最大厚度分别为189、381和302m，最大强度分别为1.8、1.8和 1.4℃/100m。夏、秋2季平均混合层厚度数值接近，上午的混合层厚度夏季大于秋季，而下午的混合层厚度秋季大于夏季。

    关键词：大气边界层  温度场  逆温层  混合层厚度

1 概况

珠江三角洲地处东经112°00′~115°25′，北纬22°30′~23°45′之间。包括中心城市广州、与香港毗邻的深圳、与澳门接壤的珠海、惠州(部分)、东莞、中山、江门、佛山、肇庆(部分)等，面积约4.16×10⁴km²，占广东省总面积的23.4%，人口约2238万人，占广东省总人口的31.5%，但国内生产总值却占广东省的73.7%，人均GDP分别为全国和广东省的4.1倍和2.3倍^[1]。珠江三角洲已成为中国乃至世界上最活跃的经济区之一。

    随着珠江三角洲经济的迅猛发展，以及工业化、城镇化进程的加快，大气环境也遭到前所未有的污染。广州市大气中的悬浮颗粒物为世界卫生组织标准的3~4倍，曾被列为世界上10个大气污染最严重的城市之一。1996年，珠江三角洲SO₂排放量38万t，酸雨频率高达70%以上^[2]。开展珠江三角洲大气污染物的输送、扩散和治理对策研究，已成为一项十分紧迫的任务。污染物在大气中的扩散稀释与大气稳定度密切相关，而边界层的温度结构是衡量大气稳定度的标志，因此，边界层的温度结构对大气扩散稀释能力起着重要作用^[3]。本文根据夏、秋2季在珠江三角洲中心城市广州的番禺区新垦镇进行的低空探测试验，分析大气边界层温度场结构特征，为该地区大气污染物的扩散、输送以及大气环境影响评价提供依据。

2研究方法

    试验期间的地面天气形势与珠江三角洲夏季、秋季多年的统计结果基本一致。夏季出现频率最大的天气系统是副热带高压型，约为50%；秋季出现频率最大的天气系统是冷高压型，在80%以上。在这2种天气系统控制下，地面—低层大气风速较小，代表着广州市夏秋2季常见的天气形势。

于2000年夏季、秋季分别在广州市番禺区新垦镇各进行15d的低空探测试验，试验日期夏季为7月13～28日，秋季为11月1～15日，每天的观测时间为06：00、08：00、11：00、14：00、17：00、20：00，共6次（其中2d为加密观测，增加02：00、23：00 2个时次），观测仪器为上海无线电23厂生产的GZ-2型低空探空仪，观测高度为1500m。

3 结果与分析

3.1 温度的时空分布特征

夏季和秋季平均温度的时空分布情况见图1和图2。

时间

图1 夏季试验期间平均温度时空剖面情况

时间

图2 秋季试验期间平均温度时空剖面情况

由图1、图2可以看出，夏季，500m以下空间各时次的平均温度基本上随高度递减，500～1000m之间、06：00、14：00、17：00、20：00、23：00的平均温度均出现随高度递增的现象。秋季，各时次平均温度随高度递增的现象在不同高度上出现。

    根据各个时次平均温度分析，夏季各高度层最高温度出现在11：00~17：00，50m以下贴地层的温度最高值达30℃以上，最低温度值在20℃以下，出现在02：00的1400~1500m。秋季，各高度层最高温度出现在14：00，50m以下贴地层的温度最高值在23℃以上，最低温度值在12℃以下，出现在2：00的1200~1500m处。此外，在08：00时左右的600~800m处存在一低值中心。

气温直减率夏季最大值8℃/1000m，出现在11：00，最小值4.1℃/1000m，出现在06：00。秋季最大值6.7℃/1000m，出现在14：00，最小值1.3℃/1000m，出现在08：00。

3.2 逆温层特征

    逆温层是气温随高度增加而升高的大气层，属稳定层结构，对于大气湍流有抑制作用。逆温的强度、厚度、位置及出现频率对于制约局部或区域性大气扩散和污染扩散至为重要。

3.2.1 贴地层逆温特征

贴地层逆温是指逆温层底高在离地50m以上的逆温。夏季和秋季试验期间，贴地层逆温的分析结果列于表1。

表1  试验期间贴地层逆温分析结果

从表1可以看出，秋季贴地逆温的出现频率远大于夏季，秋季贴地逆温的出现频率达43.3%，夏季只有11.8%。夏季贴地逆温主要出现在08：00、20：00，频率在28%以上，02：00、06：00、14：00、23：00 4个时次没有出现。秋季贴地逆温出现频率以23：00最高，达100%，2：00、6：00、20：00在50%以上，只有17：00没有出现。贴地逆温夏、秋2季最大厚度分别为57.0m（出现在11：00）和189.0m（出现在06：00），最大强度分别为0.4℃/100m（出现在20：00）和1.8℃/100m（出现在06：00、08：00）。

3.2.2中层逆温特征

中层逆温是指底高在50～500m之间的逆温。夏季和秋季试验期间，中层逆温的分析结果列于表2。

表2  试验期间中层逆温分析结果

    从表2可以看出，夏季8个时次都出现了中层逆温，出现频率均在50%以上，其中08：00、23：00达100%。秋季除14：00外，其它7个时次也都出现了中层逆温，除17：00出现频率稍低外，其它时次出现频率均在46%以上，其中2：00、23：00达100%。中层逆温夏、秋2季最大厚度分别为140m（出现在6：00）和381m（出现在06：00），最大强度分别为1.2℃/100m（20：00）和1.8℃/100m（06：00），最大底高分别为433m（出现在14：00）和459m（出现在11：00）。

3.2.3上层逆温特征

上层逆温是指底高在500～1000m之间的逆温。夏季和秋季试验期间，上层逆温的分析结果列于表3。

表3  黄浦试验期间上层逆温分析结果

    由表3可知，夏、秋2季除02：00、23：00外，其它6个时次都出现了上层逆温，但平均出现频率在30%以下，秋季稍大于夏季。上层逆温夏、秋2季最大厚度分别为77m（出现在08：00）和302m（出现在08：00），最大强度分别为1.2℃/100m(14：00)和1.4℃/100m（14：00），最大底高分别为941m（出现在11：00）和1089m（出现在14：00）。

3.3 混合层特征

    大气在动力和热力作用下，边界层常出现上下层湍流强度的不连续性，当下层湍流强度比上层大时，则中间出现不连续界面，这个界面能抑制下层污染气体向上扩散，并将成为污染气体的反射面，使污染气体向下反射弥漫。这个界面的下层大气通常称为混合层，其界面高度即为混合层厚度。混合层厚度是大气环境评价的重要参数之一。

    混合层厚度的确定有干绝热气块法、罗氏法、国标法等^[3，4]，这些方法各有优点和缺点^[5]。本文采用干绝热气块法求算混合层厚度，各时次平均混合层厚度计算结果见图3。

      图3  夏季、秋季平均混合层厚度日变化

由图3可知，夏季和秋季平均混合层厚度具有相同的日变化趋势，早晨和夜间由于湍流较弱，混合层厚度一般较低，日出后，湍流随太阳辐射增强而增强，混合层厚度逐渐增大，在午后混合层厚度达到最大值；而后，由于湍流减弱，混合层厚度也相应减小。上午的混合层厚度夏季大于秋季，而下午的混合层厚度秋季大于夏季，因此各时次混合层厚度的平均值近似，夏季为568m，秋季为545m。

4 结论

4.1夏季500m以下各时次的平均温度基本上随高度递减，500～1000m之间则出现平均温度随高度递增的现象。秋季，各时次平均温度随高度递增的现象在不同高度上出现。贴地层的温度最高值达夏季在30℃以上，秋季在23℃以上。气温直减率夏季大于秋季。

4.2 贴地逆温的平均出现频率夏季为11.8%，秋季为43.3%；最大厚度夏季为57m，秋季为189m；最大强度夏季为0.4℃/100m，秋季为1.8℃/100m。中层逆温的平均出现频率夏季为75.9%，秋季为60.0%；最大厚度夏季为140m，秋季为381m；最大强度夏季为1.2℃/100m，秋季为1.8℃/100m。上层逆温的平均出现频率在30%以下，秋季稍大于夏季；最大厚度夏季为77m，秋季为302m；最大强度夏季为1.2℃/100m，秋季为1.4℃/100m。

4.3 夏、秋2季的混合层厚度日变化规律相似，数值接近，上午的混合层厚度夏季大于秋季，而下午的混合层厚度秋季大于夏季。

5 参考文献

1          杨士弘.珠江三角洲城市化对生态环境的影响及持续发展对策.华南师范大学学报（自然科学版），1999（3）：74~81.

2          何惠明.广东城市大气污染状况及防治对策.广东行政学院学报，2000，12（1）：69~71.

3          李宗恺，潘云仙，孙润桥.空气污染气象学原理及应用. 北京：气象出版社，1985，1~516.

4          童志权.大气环境影响评价.北京：中国环境科学出版社，1988，29~32.

5          史宝忠，郑方成，曹国良.对大气混合层高度确定方法的比较分析.西安建筑科技大学学报，1997，29（2）：138~141.

     粤港协作项目，编号CE106/98；广东省“九五”重点科技攻关项目，编号粤环1999-33-3。

第一作者吴艳标，男，1950年出生，高级工程师。