北京大兴 2018年冬霾天气混合层高度分析

薛禄宇 1 戴健 2 骆思远 1

2北京市朝阳区气象局，北京，122000

摘 要:大气混合层高度是影响近地面污染物扩散重要因素之一，本文利用北京市大兴区气象站常规地面观测资料、大气成分数据及CL51云高仪观测资料，分析2018年11月至2019年3月期间内PM_2.5浓度、气象要素及混合层高度的变化特征，对污染空气的观测及预警有指导性意义：PM_2.5浓度大于99μg/m³，易出现霾天气；混合层高度BL Height1小于200m、BL Height2介于500-800m时出现霾几率较高，随着混合层高度增加，霾出现频率减少。

关键词:大兴；空气污染；云高仪；混合层

本文分析2018年11月至2019年3月大兴气象站大气成分数据及云高仪数据，在观测及预警方面对霾发生发展规律的研究进行研究，拟获得适用于霾观测及预警的关键性指标，提升霾预警能力。

1 仪器与方法

1.1观测时间及地点

大兴气象站（116°21′ 39 °43′）位于大兴区气象局内。本文对2018年11月1日至2019年3月31日的PM2.5五分钟平均浓度监测数据处理为小时平均数据。气象要素数据采用新型自动站每分钟的采样数据，其中能见度采用十分钟平均值。

1.2仪器

大兴站使用德国生产的Grimm180 环境颗粒物分析仪，利用激光散射原理测量PM2.5。仪器每周检查一次流量和滤膜负载率，并每周进行滤膜更换。所采集的数据为5分钟平均PM2.5浓度值。云高仪采用vaisala CL51型激光云高仪，其原理是通过测量发射的激光在大气中传播进行后向散射返回接收器的时间来计算云底高度及垂直方向的能见度，并且可以通过后向散射系数的突变区域探测混合层高度。总共可探测3层混合层高度，以BL Height1、BL Height2、BL Height3表示。

2 结果与讨论

2.1 霾监测情况

统计共计151天，3624个时次，有1156个时次出现了霾。大兴地区的霾在全天的时段都可出现，但观测期间，每日11-17时出现频率最低（图略）。这与大兴的地形风转换时间基本相同，霾时段内能见度主要分布在5000-7500m的范围内，即出现轻微霾的频率最高。

2.2 混合层高度频率分析

图1为观测期间3层大气混合层高度的频率分布，可知大气混合层高度的分布特征。其中BL Height1每个分箱代表100m，BL Height2和BL Height3每个分箱代表200m。BL Height1主要分布在200m以下的高度，其中100-200m的频率最高，接近60%，出现高于500m的频率较少；BL Height2的高度主要分布在200-1000m的范围内，出现在400-800m的频率为70%左右，高度超过2000m的频率较少；BL Height3的高度主要分布在500-1500m的范围内，高度分布较均匀，最高高度接近4000m。

图1 混合层高度频率分布直方图

2.3 霾过程混合层高度与气象要素的关系

为研究不同高度混合层与PM2.5浓度的关系，本文对霾期间混合层高度及所对应的PM2.5浓度进行分析。对于高度较低的BL Height1，当PM2.5浓度小于75μg/m³时，BL Height1高度大部分在200m以上，而在PM2.5浓度大于75μg/m³时，混合层高度明显下降，基本维持在100m左右的高度;对BL Height2而言，PM2.5浓度小于100μg/m³时，高度随着PM2.5浓度的升高有着明显的降低，从最高1400m左右降低到600m，在PM2.5浓度大于100μg/m³时，BL Height2高度整体维持在400m左右，同时低能见度出现的概率显著增加；对于高度较高的BL Height3，大部分PM2.5浓度都在100μg/m³以上，并且随着浓度升高，BL Height3高度逐渐下降到1000m以下，整体来看BL Height3高度分布较均匀。

雾霾天气常常引起能见度下降，还需研究反应混合层高度与能见度之间的关系。当能见度小于6000m时，混合层高度稳定，BL Height1保持在100m左右，而BL Height2及BL Height3分别保持在400m和1100m左右。而能见度大于6000m后，混合层高度有明显升高。BL Height1升高至400m，BL Height2超过了1000m，而BL Height3则变化不显著。

受静稳天气影响，雾霾天气期间相对湿度较高。混合层高度变化与相对湿度之间也存在一定关系。相对湿度较小时，即使混合层高度较低，低能见度出现的概率也较小。当相对湿度大于60%，能见度大于5000m的概率明显降低，低能见度频繁出现，尤其在混合层高度较高的情况下，出现能见度小于3000m的概率明显增加。空气中气溶胶粒子的散射能力与其粒径有关，在相对湿度较小的环境中，气溶胶粒子粒径较小，而较高的相对湿度时促进气溶胶吸湿长大的重要条件，同时也有利于大气污染物的生成和转化，这是能见度降低的重要原因。

综上所述，霾期间大气混合层高度具有一定的变化规律，在测量的三层混合层高度中，BL Height2的变化最显著，而另外两层则比较稳定：当PM2.5浓度较高、能见度较低时，混合层高度则稳定少变；而当PM2.5小于100μg/m³或能见度大于6000m时，混合层高度则有明显升高。

2.4霾预警指标探索

水平能见度与PM2.5浓度、混合层高度的关系是以不同颜色来区分不同高度区间的BL Height2。首先，水平能见度与PM2.5浓度有着明显的负相关，随着PM2.5的升高，水平能见度呈现出指数的下降趋势。通过拟合二者相关系数达到0.83。当能见度为7500m时，PM2.5浓度为99.1μg/m³。因此当PM2.5大于99μg/m³，易出现霾天气。另外，在PM2.5浓度较低、能见度较高的情况下，混合层高度BL Height2出现大于500m的情况也较多，说明此时大气垂直扩散能力较好；但是在PM2.5与能见度均较低时，混合层高度也频繁出现小于100m的情况，推测此时是受雾的影响，空气中湿度较大，气溶胶因发生吸湿增长现象，粒径增大且消光能力增强，从而对能见度产生影响。

混合层高度与霾出现频率的关系可表示为不同程度霾出现频率随BL Height1及BL height2高度的变化趋势。BL Height1分别取0-100m、100-200m、200-500m、500-1000m及大于1000m五个区间，计算霾出现的概率。BL Height1小于200m时，出现霾的频率较高，超过50%，随着高度升高，出现霾的频率逐渐降低。BL Height2分别取0-100m、100-500m、500-1000m及>1500m五个区间。当BL Height2处于500-1000m范围内时，霾出现频率较高。小于500m时，为轻微霾和轻度霾 ，中度以上霾出现频率为0。大于500m时，中度以上霾出现频率增加，轻微霾出现频率降低。

综上，边界层高度的变化与霾发生的频率有着一定的联系，并不是混合层高度越低越有利于出现霾现象，而是随着混合层高度的升高，霾出现频率总体上呈现出先升高后下降的趋势。轻度霾和中度霾出现频率受混合层高度影响较明显，而轻微霾和中度霾出现的频率在不同混合层高度上并没有较大的变化。当PM2.5浓度大于99μg/m³时，易出现霾天气，浓度越大，霾出现频率越高。在BL Height1小于200m、BL Height2处于500m-1000m时出现霾几率较高，随着高度增加，霾出现频率减少。

3 结论

（1）2018年11月至2019年3月观测期间，大气混合层高度BL Height1主要分布在200m以下的高度，BL Height2及BL Height3主要分布在200-1000m及500-1500m的高度范围内，并且BL Height3在各个高度上的分布频率比较均匀。

（2）PM2.5浓度与混合层高度有着一定的联系。PM2.5浓度小于100μg/m³时，混合层高度随PM2.5浓度的升高而显著下降，随后BL Height1及BL Height2分别稳定在100m和400m的高度上；能见度小于6000m时，BL Height1及BL Height2稳定在100m和500m左右的高度上；能见度大于6000m后，混合层高度逐渐升高；低能见度主要出现在高相对湿度的环境下，在低相对湿度的环境中，即使混合层高度较低，低能见度出现的概率也较小，较高的相对湿度有利于气溶胶吸湿增长，从而使能见度降低。

（3）分析水平能见度与PM2.5浓度、混合层高度的关系，得知当PM2.5浓度大于99μg/m³，易出现霾天气；BL Height1小于200m、BL Height2小于500m时出现霾频率接近50%，随着混合层高度增加，霾出现频率减少。

参考文献

[1] 王跃,王莉莉等.北京冬季PM2.5重污染时段不同尺度环流形势及边界层结构分析.气候与环境研究[J],2014,19(3):174-184.

[2] 黄瑜等.无霾和有霾情况下大气混合层高度的日变化及其特征.科学技术与工程[J],2015,15(24):126-136.