论文总字数：15231字

目 录

1 引言 3

1.1 国内外研究进展 3

1.2 研究内容 4

2 数据和方法 4

2.1 采样地点和时间 4

2.2 数据分析方法 4

3 雅安地区冬季大气边界层高度和空气质量情况 4

3.1 大气边界层高度 4

3.2 空气质量情况 6

3.3 大气边界层高度和空气质量的关系 11

4 气象条件和空气污染的关系 12

4.1 逆温分析 12

4.2 风速对空气质量的影响 16

5 结论 17

参考文献 18

致谢 19

四川雅安地区冬季大气边界层变化特征

及其与空气质量的关系

孙雍

，China

Abstract：Based on the sailor sounding data of Sichuan Ya'an area from January 1, 2017 to January 15, 2017, the height change trend of the atmospheric boundary layer was obtained. The air quality data were used to analyze the changes of air quality during the observation period and the particulate matter And the influence of the pollutant gas on the air mass index AQI. Then, the relationship between the atmospheric boundary layer height and the air quality was analyzed, and the characteristics of the inversion layer structure, the wind field and the humidity during the pollution were analyzed. The air quality index was used to analyze the weather conditions. Quality of the impact. The results show that the height of the atmosphere boundary layer is negatively correlated with the air quality index. The thicker the thickness of the inversion layer, the stronger the strength, the longer the duration, the more serious the air pollution. The smaller the wind speed, the slower the pollutant diffusion, The more serious, the greater the wind speed, the faster the spread of pollutants, air pollution will be improved.

Key words：Atmospheric boundary layer height; air quality; inversion layer; wind speed

1 引言

改革开放以来，我国经济飞速发展，人民的生活水平不断提高，但是因为工厂生产时向空气中排放一些有害气体，交通工具也逐渐由汽车替代了自行车，冬季的取暖，人类对能源的消耗也越来越大，导致我国空气污染愈加严重。然而，空气质量的好坏对人类的生活具有重大的影响。高污染的空气会导致人类呼吸道疾病频发，肺癌发病率大幅提升；对植物也会造成降低品质，严重时植物枯萎死亡，农作物产量下降；对气候还会造成地面接收到的太阳辐射减少，地区降水量增加，酸雨，城市热岛效应等等。

大气中，各类污染物的主要集中地，是大气边界层，大气边界层（atmospheric boundary layer，ABL）是大气中的最底层，靠近地球表面，受地面摩擦阻力、污染物排放等因素影响的大气层区域，与人类的生活具有非常密切的联系，而近地面是大气污染的主要污染来源，大气边界层高度对于污染物能到达的高度起了决定性的作用，因此，对一个地区的大气边界层进行深入的研究有利于分析当地的大气环境^[1]。

四川雅安位于我国西南部，由于其独特的地理位置以及其周围复杂的地形，形成了雅安地区不同于我国其他地区的独特气候^[2]，随着近年来雅安地区的污染也不断加重，尤其是冬季的空气污染已经成为城市环境最为突出的问题，改善空气质量也成为了当地政府所密切关注的工作，因此对雅安地区大气边界层的研究也变得愈发重要^[3]。

本文对2017年1月雅安地区冬季大气边界层进行研究，分析雅安地区冬季大气边界层的变化特征，并结合当地空气质量因子，研究大气边界层和空气质量的关系，为雅安地区空气污染的控制提供科学依据，对当地的空气污染治理，农业，水利，气候研究，天气预报，改善城市布局规划等提供参考，致力于减少当地的大气环境污染，为创造更好的生活环境做出一份贡献。

1.1国内外研究进展

王治华^[4]等人研究了四川成都地区2004年12月9日大气边界层结构随时间的变化趋势，得出结论：Mie散射激光雷达非常有利于研究大气边界层；张国栋^[5]利用成都凤凰山机场和双流机场多年的低空探测资料，整理出了当地的风速随高度变化的曲线，深入分析了大气边界层的生消过程；胡非^[6]等人整理了19世纪90年代到20世纪初，十多年来中科院大物所对大气边界层和大气环境方面做的大量研究工作，对其做了一个总结，介绍了该期间内的研究进展；张鑫^[7]等人利用2000年9月-10月北京西部的相关资料，研究了当地大气边界层的发展变化规律，位温廓线变化规律以及风温结构对应规律；韦志刚等人^[8]对甘肃敦煌戈壁探空气球资料进行了处理，分析了敦煌地区夏季末的边界层高度以及逆温层、垂直方向上风速的特征等。

Parikh^[9]等人提出了一种用于跟踪微脉冲激光雷达数据的边界层高度的新的自动化方法；Strawbridge^[10]等人利用扫描激光雷达仪器的优势测定2001年太平洋行星边界层高度；Collis^[11]等人通过弹性后向散射和差分吸收对激光雷达的颗粒和气体进行测量。

1.2 研究内容

对四川雅安地区2017年1月1日到2017年1月15日系留气艇探空资料进行处理，分析大气边界层高度、逆温层结构、风场以及湿度等特征，结合同步测量的空气质量因子分析气象条件对空气质量的影响。

2 数据和方法

2.1 采样地点和时间

本次课题的数据所使用的资料，采样地点设在四川省雅安市名山站（30°09′N，103°13′E）

名山站点采样时间为2017年1月1日至2017年1月15日。采样频率正常情况下为每天的02、05、08、11、14、17、20、23时，期间也会因一些原因导致缺测的情况。共获得探空数据86组，臭氧数据20组，PM_2.5数据83组。

空气质量数据是从http://beijingair.sinaapp.com/网上下载而来。

2.2 数据分析方法

处理数据，得到位温、比湿随高度变化的图，可以分析出大气边界层高度。用探空数据可以作出温度廓线来分析逆温层厚度和逆温强度，并且分析研究期间内逆温的变化趋势和总体特征。此外，分析观测期间内风速的变化趋势，结合同时刻AQI的数值变化，研究风速和空气质量的关系。利用空气质量的相关数据，进行相关处理后可以得出大气中各污染气体浓度的变化情况。

3 雅安地区冬季大气边界层高度和空气质量情况

3.1 大气边界层高度

探空气球所得的探空数据是包括高度、气温、气压、相对湿度、风速、风向的文件，我们利用计算公式：6.112*exp(17.67*T/(T 273.16-29.65))计算出饱和水汽压，利用公式：1000*RH*(0.62197*e^*/(P-0.378*e^*))/100)计算比湿，用公式：(T 273.15)*(1000/P)^0.286计算位温。（T为温度/℃，RH为相对湿度/%，e^*为饱和水汽压/Pa，P为气压/hPa）并作出位温、比湿廓线图（如图1），由此图可看出，随着高度的增加，位温呈增大趋势，从0-800m内位温从286.2增大到293K，可见位温的变化幅度不是很大。而比湿则随高度的增加呈减小趋势，在0-800内，从5.2降低到3.6g/kg，变化幅度也不是很大。但是在图中200米高度处我们可以看出，位温突然增大，比湿则突然减小，而这样的位温梯度变化最大，比湿明显减小的地方，即大气边界层高度。

图1：2017年1月2日05时雅安名山区位温（实线）和比湿（虚线）随高度的变化廓线

根据上述的方法方法，我们对雅安名山站点2017年1月1日至15日期间观测所得数据进行了处理，并得出这个期间内大气边界层高度的变化曲线（如图2），由于探空气球探测高度的限制以及10、11、12日缺测的原因，部分时刻或者时间段的数据缺失。从图2中可以看出2017年1月1日-2日，大气边界层高度先从220m开始快速升高，在1月2日11时达到600m，此时600m高度也是图2中的最高点，随后大气边界层高度开始迅速下降，到1月3日时，大气边界层高度以及下降到150m左右，然后又开始逐渐增高到300m左右后开始迅速下降，在1月4日17时下降到本次观测期间的最低值100m，从1月5日开始，大气边界层高度一直在250m上下徘徊，1月6日17时出现过500m的一次极值点，之后一直到1月9日仍然在250m上下徘徊。1月13日开始，大气边界层高度在500m左右维持了将近一天然后开始下降，1月15日大气边界层高度下降到200m以下。从整个过程来看，大气边界层高度大部分时间都处于一个很低的高度，均小于300m，仅有少部分时间大气边界层高度超过500m。

图2:名山2017年1月1日-2017年1月15日大气边界层高度变化

3.2 空气质量情况

一个地区的空气质量的高低反应了该地区空气污染程度的大小，空气污染的来源有很多，包括人们的交通出行、垃圾焚烧、尾气、工业排放、人类的生活取暖、地形和气象因素等等。利用大气边界层高度来表示一个地区的空气污染情况还不够精确，因此要用到空气质量指数（AQI）来评价一个地区的空气质量。用于评价空气质量的污染物主要有6项：PM_2.5浓度、PM₁₀浓度、SO₂浓度、NO₂浓度、O₃浓度、CO浓度。

空气污染指数（AQI）的取值范围定为0～500，其中0～50、51～100、101～200、201～300和大于300，分别对应空气质量为优、良、轻度污染、中度污染和严重污染。

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