哈尔滨市冬末逆温、大气稳定度与大气污染概率关系

庞博，汪喜江

（1.黑龙江省气象台，黑龙江哈尔滨 150030；2.哈尔滨市气象局，黑龙江哈尔滨 150080）

哈尔滨市冬末逆温、大气稳定度与大气污染概率关系

庞博1，汪喜江2

（1.黑龙江省气象台，黑龙江哈尔滨 150030；2.哈尔滨市气象局，黑龙江哈尔滨 150080）

利用2006～2008年2月逐日地面常规观测资料和高空探测资料以及逐日的污染监测资料，统计分析了哈尔滨市2月风速、逆温和大气稳定度与大气污染的概率关系。分析结果表明：哈尔滨市2月的大气污染主要发生在风速<3 m/s，污染物浓度随着风速的增大而减小，在一定程度上反映了哈尔滨市2月的污染主要是局地污染物的累积；发生大气污染时一定有逆温出现，但有逆温时不一定就发生大气污染；大气稳定度增加，大气污染概率增大。

哈尔滨；逆温；大气稳定度；大气污染

1 引言

哈尔滨市位于44°04′～46°40′N，125°41′～130°13′E之间，海拔高度143 m。西部和西南部是松嫩平原，北部和东北部是小兴安岭山地，东部和东南部是长白山系的张广才岭。哈尔滨市属于中温带大陆性季风气候。冬季风来自高纬内陆，受极地大陆气团控制，气候寒冷干燥，逆温较多，郑红等[1]研究指出了逆温持续性、强度和层厚对大气污染扩散影响的正比关系，即逆温日数越多，超标污染日越多，逆温强度越大，污染越重的规律。本文针对冬末，主要是2月哈尔滨市大气污染与逆温、大气稳定度等的关系进行了统计分析，分析结果对于更好的预报和防御大气污染意义重大。本文选取2006～2008年2月共85 d逐日08:00和20:00地面常规观测资料及高空探测资料以及哈尔滨市环保局提供的2006～2008年2月逐日逐时的空气污染物监测资料进行研究分析。

2 哈尔滨市2月气候特征分析

2.1 污染日统计

哈尔滨市主要的大气污染物为PM10、SO2和NO2，而2006～2008年2月哈尔滨市大气污染物都是PM10，浓度超出大气污染评定标准0.15 kg/m3的轻度污染日累计共15 d（见表1），其中重度污染天数3 a累计为3 d，每年各1 d。因此后面分析中我们只讨论了PM10。

表1 2006～2008年2月哈尔滨市污染日期和对应的PM10浓度值（kg/m3）

2.1 风场分析

风是大气污染扩散的重要因子，因为风不仅决定污染物质的输送方向及其稀释冲淡的能力，而且风速增大湍流能量也会随之增大，从而加强大气扩散作用，反之，空气中的污染物就不易输送与扩散，造成污染浓度增大[2]。

根据哈尔滨市气象观测站2006～2008年2月的逐日定时地面常规观测资料，分别统计分析了地面各风向频率、平均风速（见表2）。

表2 哈尔滨市2006～2008年2月风向频率（%）、平均风速（m/s）

由表2分析得出：哈尔滨市2月各风向均有出现，以S风出现最多，频率为10.34%，W和SSW风居第二位，频率为9.77%，SW风居第三位，频率为9.05%，NNE、NE和ESE风出现的机率较小。从风速看，哈尔滨市2月平均风速为2.28 m/s，风速日变化的特点是夜间风小，日出后风速明显增大，到中午前后达最大，日落后风速明显减小。

3 大气稳定度计算方法[3]简介

大气稳定度是指整层大气的稳定程度，影响大气湍流的强弱。大气稳定度由太阳高度角，总云量、低云量、风速确定。大气稳定度分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定6级。它们分别表示为A、B、C、D、E、F。

3.1 太阳辐射等级数R的计算

太阳辐射等级数R用总云量，低云量及太阳高度角h0按表3确定。

表3 太阳辐射等级数R

表3中太阳高度角h0计算公式为：

其中：h0为太阳高度角（角度）；t为观测时的北京时间；σ为太阳倾角（角度）。σ计算公式为：

其中：θ为360dn/365（角度）；dn为年中的日期序数，0、1、2、……364。

根据风速和太阳辐射等级数R按表4确定大气稳定度等级。

表4 大气稳定度的等级

在计算频率时我们并不计算A～B、B～C、C～D的频率，考虑到哈尔滨市的实际，为了更好的反映哈尔滨市的大气稳定度等级的情况,我们把表中A～B、B～C、C～D做如下处理：①当太阳辐射等级数R为+3时，如果风速ν≤2.4，稳定度为A，如果风速2.5≤ν≤4.9，稳定度为B；②当太阳辐射等级数R为+2时，如果风速ν≤1.0，稳定度为A，如果风速1.1≤ν≤3.9，稳定度为B，如果风速4.0≤ν≤5.4，稳定度为C，如果风速5.5≤ν，稳定度为D。以下计算不同稳定度出现频率时就是按照这样的办法处理。

4 不同气象条件与大气污染概率关系

4.1 风场与大气污染的关系

冬季边界层辐合风场垂直伸展高度较低[4]，地面风场在很大程度上代表了冬季边界层大气污染物输送场。表5统计了2006～2008年2月哈尔滨市地面风与大气污染的概率关系。可以看出，2月份哈尔滨市地面平均风速以0.1～4.9 m/ s出现频率较大，合计达82.46%，风速为静风或风速≥5.0 m/s以上大风的概率较小。在2月份93.3%的污染都发生在风速3 m/s以下，污染物浓度随着风速的增大而减小，这在一定程度上说明2月份哈尔滨市的大气污染主要是局地污染物的积累，没有外地污染物向哈市的输送。因此治理大气污染要从控制本地污染源着手。

表5 哈尔滨市2月地面风与大气污染的关系

4.2 逆温和污染的关系

大气边界层温度层结状况对大气中污染物的扩散稀释有直接影响。根据哈尔滨市探空资料统计分析了2006～2008年2月1 500 m以下的温度层结特别是逆温情况，具体的逆温出现时间、厚度和强度统计结果见表6。

哈尔滨市区2月几乎每天都有逆温出现，逆温大多为2～3层，但厚度、强度有所不同。2月贴地逆温持续时间长，而且较厚，一般从19：00开始形成至次日09：00～10：00消失。

本市接地逆温在08：00和20：00出现的频率为61%，平均厚度为267.1 m，平均强度为0.63℃/100 m。非接地逆温各高度层均有出现，其中300 m以下的逆温出现频率为42.5%，逆温平均厚度为144.6 m，平均强度为1.66℃/100 m；300～500 m高度层逆温出现频率为42.5%，逆温平均厚度为113.4 m，平均强度为1.03℃/100 m；500～1 000 m高度层逆温出现频率48.5%，逆温平均厚度为86.9 m，逆温平均强度为0.75℃/100 m；大于1 000 m高度层逆温出现频率为56%，其逆温平均厚度为113.8 m，平均强度为0.58℃/100 m。

表6 2月各类逆温高度（m）、厚度（m）、强度（℃/100m）及频率（%）统计结果

统计发现，有逆温时发生大气污染的概率是61%，发生大气污染的15 d都有逆温出现，但有逆温时不一定就发生大气污染，这取决于逆温层的强度，强度越大，发生空气污染的几率就越大，因此一次准确预报出逆温是做好污染预报的前提；污染日的当晚或早晨一定有接地逆温，且早晚的平均强度>0.75℃/100 m；早晚有接地逆温，且平均强度> 0.75℃/100 m，不一定有污染。如2006年2月15日，早晚接地逆温平均强度为0.78℃/100 m，但污染浓度仅为.084 mg/ m3，因此单一的接地逆温强度不能作为是否出现污染的指标；低层逆温强度（400 m以下）与PM10浓度的相关系数达到了0.913，置信度检验通过了99%，说明低层逆温对污染物浓度的影响较大。

根据以上分析可以看出，引起空气污染应该有多方面的因素，气象条件（尤其是逆温）只是其中比较重要的因素之一。

4.3 稳定度分析及与大气污染的关系

对于一个地区污染物浓度的大小，仅用动力条件分析还不够，还要考虑热力因子，即大气的稳定度[5]。用哈尔滨观测站2006～2008年2月逐日定时风向、风速、云量资料，进行了稳定度、风向、风速联合频率统计（见表7）。统计结果表明2月以D、F出现频率最高，为59.5%；E次之，频率为52.4%；C、B分别为17.9%和10.7%，A没有出现。也就是说，哈尔滨市2月大气稳定度出现的频率以稳定类和中性类为主。从表7统计结果可以看出，大气越稳定，污染频数越大。而且我们发现F只在20：00出现，且污染频率较高，这从另一个侧面反映了夜间大气稳定对污染的贡献较大。这与文献[1]的研究结果一致。

5 小结

哈尔滨市2月风速、逆温和大气稳定度对污染物的累积和扩散有着不同的影响。2月份哈尔滨市93.3%的污染都发生在风速3 m/s以下，污染物浓度随着风速的增大而减小，这在一定程度上说明2月份哈尔滨市的大气污染主要是局地污染物的积累，没有外地污染物向哈市的输送。低层逆温，尤其是400 m以下的逆温对污染物浓度的影响较大。发生污染时一定有逆温出现，但有逆温时不一定会发生大气污染。大气稳定度增加，大气污染概率增大。夜间的大气稳定对污染的贡献较大。

表7 2006～2008年2月哈尔滨市不同稳定度出现频率（%）

[1]郑红，郑凯，张桂华，等.哈尔滨冬季大气污染及逆温对污染物扩散影响［J］.自然灾害学报，2005,14（4）:39-43.

[2]蒋纬楣，曹文俊，姜瑞宾.空气污染气象学教程[M].北京：气象出版社，1993.

[3]徐大海.风向、风速、稳定度类别联合概率分布及混合层深度的诊断估计初探[J].环境科学,1990,10（1）:13-19.

[4]苏福庆.北京及华北平原边界层大气中污染物的汇聚系统-边界层输汇[J].环境科学研究，2004，17（1）：23-27.

[5]蔡新玲，吴素良，王繁强，等.西安市近10年大气稳定度和边界层厚度特征[J].气象科技,2007，35（6）：54-57.

The Relationship between the Atmosphere Pollution Probability and the Atmosphere Stability and Late Winter Temperature Inversion in Haerbin

Pang Bo1，Wang Xi-jiang2
（1.Heilongjiang Meteorological Service，Heilongjiang Harbin 150030 2.Harbin Meteorological service，Heilongjiang Harbin 150080）

Based on the daily surface and high observations and air pollutant observations in February of 2006～2008，the Relationship between Temperature inversion and Atmospheric stabilities and Pollution Probability in Harbin were analyzed.The results showed that atmospheric pollution occur mainly in wind speed<3m/s, Pollutant concentration decreases as the wind speed increases,A certain extent,that reflect the pollution in Harbin in February was mainly local cumulative pollutant;Atmospheric pollution occur when the temperature inversion must have occur,but temperature inversion did not necessarily occur when there was Atmospheric pollution;Pollution Probability increased as the atmospheric stability increased.

Harbin;Temperature inversion;Atmospheric stabilities;Atmospheric pollution

P43

A

1002－252X（2011）02－0007－03

2011－3－6

庞博（1983-），男，黑龙江省哈尔滨市人，黑龙江大学，本科生，助理工程师.