基于gis的陜西省混合層高度時空變化特征分析

基于gis的陜西省混合層高度時空變化特征分析

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和工業(yè)化水平的顯著提高，污染日益嚴(yán)重。污染環(huán)境污染問題引起了各國政府的高度重視，越來越受環(huán)境影響和環(huán)境工作者的影響?，F(xiàn)在，它是最緊迫的環(huán)境保護問題之一。大氣的擴散能力是影響空氣質(zhì)量的主要影響因子之一,眾多研究人員開展了大量的研究工作,考察風(fēng)速、降水、穩(wěn)定度等氣象因子對大氣污染的影響[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],但大多立足于單站風(fēng)速、穩(wěn)定度、混合層高度等大氣擴散因子的特征分析,關(guān)于區(qū)域混合層高度分布特征的研究尚不多見?；旌蠈痈叨仁欠从炒髿馕廴疚镌诖怪狈较驍U散的重要參數(shù),是大氣邊界層內(nèi)發(fā)生湍流混合大氣擴散能力的重要大氣層結(jié)特征要素,也是影響大氣污染物擴散的重要氣象因子之一。大氣邊界層內(nèi)產(chǎn)生強烈的動力和熱量交換的這一層大氣稱之為混合層,污染氣象學(xué)定義混合層為湍流特征不連續(xù)界面以下湍流較充分發(fā)展的大氣層,湍流特征不連續(xù)界面的高度就是混合層高度,它表征了大氣污染物在垂直方向上被熱力湍流稀釋的范圍,混合層厚度與大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速有著密切的關(guān)系。風(fēng)和湍流是影響大氣擴散能力的主要動力因子,而大氣穩(wěn)定度則是決定大氣擴散能力的主要熱力因子。大氣混合層厚度越大,就越有利于污染物的擴散和稀釋,混合層內(nèi)污染物濃度越低,反之則越高。位溫、比濕、風(fēng)速梯度等氣象要素和物理要素在混合層內(nèi)和層頂表現(xiàn)為明顯的不連續(xù)。混合層頂像蓋子一樣限制了大氣污染物的垂直向上擴散,在混合層頂形成高濃度,其上下兩側(cè)的污染物濃度往往相差5~10倍,混合層高度越小大氣污染物濃度差值就越大,此時,混合層頂以上風(fēng)速梯度趨近于零。本文研究陜西省2006—2011年月、季和年不同穩(wěn)定度層結(jié)下的混合層高度變化規(guī)律,宏觀分析大氣邊界層內(nèi)不同區(qū)域大氣擴散能力和污染物可能堆積區(qū)域,是研究區(qū)域大氣擴散和大氣污染特征分析的需要,也是大氣環(huán)境污染預(yù)測評價的需要,并對區(qū)域大氣環(huán)境容量起著主要控制作用,可以為大氣環(huán)境規(guī)劃和環(huán)境治理提供宏觀重要的科學(xué)依據(jù)。1數(shù)據(jù)來源和方法1.1自動氣象站觀測資料及分析本文選取陜西省10個地市99個地面氣象觀測站,2006—2011年具有完整的自動氣象站觀測記錄,且均無遷站或站址變化的每日逐時氣象資料進行計算分析?；菊竞鸵话阏驹屏績H有8:00,14:00,20:00三次觀測記錄,其他時次云量采用直線內(nèi)插法補全。1.2計算方法1.2.1大氣穩(wěn)定度級別利用陜西省99個氣象臺站2006—2011年氣象觀測資料,采用帕斯奎爾(Pasquill)及其修訂的分類法對每日逐時大氣穩(wěn)定度計算分類。根據(jù)云量、云狀、太陽輻射狀況和地面風(fēng)速等常規(guī)氣象資料用A,B,C,D,E,F六個穩(wěn)定度級別來表示大氣對污染物的擴散能力,從A→F表示大氣擴散能力逐漸減弱。具體分類步驟如下:(1)太陽高度角的計算:式中:φ———當(dāng)?shù)鼐暥?λ———當(dāng)?shù)亟?jīng)度;σ———太陽傾角。式中:,dn為一年中日期序數(shù)(0,1,2,…,364);t為觀測時北京時間。(2)太陽輻射等級的確定:太陽輻射等級利用某時刻的總云量、低云量和太陽高度角由表1確定。(3)大氣穩(wěn)定度分類。大氣穩(wěn)定度利用的某時刻的太陽輻射等級和地面10m高度平均風(fēng)速根據(jù)表2進行分類,“A—B”表示介于A、B類之間,與A、B類相差半級(表2)。1.2.2混合層結(jié)構(gòu)參數(shù)(1)當(dāng)大氣穩(wěn)定度為A,B,C和D時:(2)當(dāng)大氣穩(wěn)定度為E和F時:式中,地轉(zhuǎn)參數(shù)f=2Ωsinφ;Ω=7.29×10-5rad/s為地轉(zhuǎn)角速度;H為混合層高度;U10為10m高度處平均風(fēng)速,大于6m/s時取為6m/s;邊界層參數(shù)as,bs取值見表3。2混合層高度等值線的繪制根據(jù)逐時各類穩(wěn)定度下的混合層高度,統(tǒng)計陜西各站2006—2011年四季及全年平均混合層高度,利用GIS系統(tǒng),采用反距離加權(quán)法插值,繪制混合層高度等值線分布圖,分析其區(qū)域分布特征。2.1中小型商業(yè)地區(qū)從圖1看出,近6年平均混合層高度330~930m,整體表現(xiàn)為關(guān)中最高、陜北其次、陜南最低的分布特征,全省高值中心在關(guān)中東北部的合陽,低值中心在關(guān)中中南部秦嶺北麓的戶縣和周至。其中:陜北年平均混合層高度563.2m,為399~732m,高值中心在定邊,低值中心在陜北中部的甘泉和延川,大致呈北部高中部低的分布特征;關(guān)中平均569.6m,為329~930m,高值中心在合陽,最高值在華山,低值中心在戶縣和周至,呈東北部高西南部低的分布特征;陜南年平均479.5m,為376~617m,高值中心在商州市區(qū),低值中心在漢中盆地的城固,亦呈東北部高西南部低的分布特征。2.2混合層的高度從圖2看出,與全年一樣,四季平均混合層高度均呈關(guān)中高、陜北其次、陜南最低的分布特征,其中陜北區(qū)域北部高、中部低,關(guān)中和陜南均為東北部高、西南部低。全省高值中心在合陽,低值中心在戶縣和周至。春季陜北平均混合層高度605~713m,高值中心在定邊,低值中心在延安市區(qū)、延川和延長;關(guān)中為431~1069m,高值中心在合陽和富平,低值中心在戶縣、周至和長安;陜南在555~719m之間,高值中心在商州市區(qū),低值中心在漢中盆地的南鄭。夏季陜北平均混合層高度576~883m,高值中心在定邊,低值中心在延安市區(qū)、延川和延長;關(guān)中在396~956m之間,高值中心在合陽和富平,低值中心在戶縣、周至和長安;陜南在419~645m之間,高值中心在商州市區(qū),低值中心在漢江谷地的寧陜。秋季陜北平均混合層高度在329~638m之間,高值中心在定邊,低值中心在黃陵;關(guān)中在247~868m之間,高值中心在合陽和富平,低值中心在戶縣、周至和長安;陜南在247~600m之間,高值中心在商州市區(qū),低值中心在漢中盆地的城固。冬季陜北平均混合層高度在325~543m之間,高值中心在定邊,低值中心在甘泉;關(guān)中在241~923m之間,高值中心在合陽,低值中心在戶縣和周至;陜南在270~560m之間,高值中心在商州市區(qū),低值中心在漢中盆地的南鄭。3混合層高度、時間和特性按照陜北、關(guān)中和陜南三個氣候區(qū),分別統(tǒng)計四季和年、年內(nèi)各月以及四季和年的逐時平均混合層高度,分析其混合層高度季節(jié)、月和日變化特征。3.1季節(jié)性變化特征從表4看出,全省混合層高度均以春季為最高,其次是夏季,秋季明顯降低,冬季最低。四季和全年均以關(guān)中最高,陜北其次,陜南明顯較低。3.2混合層的季節(jié)變化從圖3看出,陜北、關(guān)中、陜南月平均混合層高度變化規(guī)律基本一致,大致以冬季12月或1月最低,隨后快速升高,4—5月達到最高,以后逐漸降低,其中,陜北和關(guān)中5月最高,陜南4月最高,陜北1月最低,關(guān)中和陜南12月最低。區(qū)域比較來看:月平均混合層高度關(guān)中最高,其次是陜北,陜南明顯較低;陜北11月至次年3月明顯低于關(guān)中,其余各月與關(guān)中相當(dāng);陜北和關(guān)中4—6月明顯較高,峰值明顯,而冬季則較低,陜南全年變化幅度相對較小,春、夏季相對較高,但峰值不顯著;陜南除1月高于陜北外,其他各月明顯低于陜北和關(guān)中。3.3四季和年混合層高度的日變化特征3.3.1混合層高度變化從圖4看出,陜北、關(guān)中、陜南近6年年均混合層高度日變化規(guī)律基本一致,均呈現(xiàn)單峰型。6:00開始迅速升高,13:00達到最高,隨后開始降低,17:00后迅速降低,20:00至次日6:00持續(xù)較低并波動變化,1:00—5:00處于谷值時段。區(qū)域比較來看:關(guān)中和陜北白天7:00—17:00各時刻平均混合層高度明顯高于陜南,夜間三大區(qū)域相差不大,其中陜南夜間21:00至次日5:00明顯高于陜北,略低于關(guān)中;陜北和關(guān)中各時刻差異相對較小,其中13:00至20:00陜北大多數(shù)時刻高于關(guān)中,其余時刻低于關(guān)中。3.3.2混合層高度變化從圖5看出,陜北、關(guān)中、陜南近6年四季混合層高度日變化規(guī)律基本一致,均呈單峰型。大致從日出后開始迅速升高,13:00前后達到最高,16:00開始迅速降低,日落后至次日日出前持續(xù)較低。夏季峰值持續(xù):時間最長(12:00—16:00),春季其次(12:00—15:00),秋、冬季較短(13:00)。春季20:00至次日6:00,夏季20:00至次日5:00,以及秋、冬季19:00至次日7:00持續(xù)較低。區(qū)域比較來看:四季陜北和關(guān)中全天平均混合層高度差異不大,大部分時間關(guān)中略高于陜北;陜南春、夏季白天、秋季9:00至16:00以及冬季10:00至15:00明顯低于陜北和關(guān)中,而秋季夜間18:00至次日7:00、冬季夜間17:00至次日7:00大多高于陜北和關(guān)中。4混合層的高度混合層高度是反映大氣污染物在大氣邊界層內(nèi)垂直擴散能力和湍流混合擴散能力的重要氣象參數(shù),混合層高度越大,就越有利于污染物的擴散和稀釋,而大氣層結(jié)穩(wěn)定度是決定混合層厚度的最主要因子。關(guān)中區(qū)域由于城市化的快速發(fā)展,鋼筋水泥和柏油形成的城市下墊面不斷拓展,白天太陽輻射使得地表升溫遠比陜北和陜南快,大氣垂直對流和湍流活動強烈,不穩(wěn)定類天氣較多,因此總體混合層高度也相對較高。夜間由于地面快速降溫,穩(wěn)定類天氣較多,近地層也更容易形成逆溫,因此夜間混合層高度較低,使得晝、夜間混合層高度差異較大。而陜南以丘陵山地為主,受秦嶺的阻隔,形成亞熱帶氣候,植被茂盛,且多陰、雨、大霧等天氣,中性類天氣較多,因此混合層高度相對較低,但全天變化幅度相對較小。陜北北部位于毛烏素沙漠南緣,南部黃土高原植被相對稀疏,因此整體則介于二者之間。陜西春季受西南暖濕氣流和西北氣流的交替影響,地面風(fēng)速相對較大,加之地面因太陽輻射快速升溫,不穩(wěn)定類天氣增多,垂直對流和湍流不斷加強,因此混合層高度較高。而夏季長時間受西太平洋副熱帶高壓控制,地面風(fēng)速相對春季小,因此混合層高度略小于春季。秋、冬季西北干冷氣流逐漸占據(jù)主導(dǎo),隨著太陽不斷南歸,太陽輻射不斷減少,地面風(fēng)速也逐漸減小,冬季太陽輻射最弱,風(fēng)速相對最小,垂直對流和湍流也最弱,穩(wěn)定類天氣出現(xiàn)頻率較高,近地層也更容易形成逆溫,因此混合層高度最低。5混合層的季節(jié)動態(tài)(1)全年和四季平均混合層高度均以關(guān)中最高、陜北其次、陜南最低,其中陜北區(qū)域北部高、中部低,關(guān)中和陜南均為東北部高、西南部低。全省高值中心在關(guān)中東北部的合陽,低值中心在關(guān)中中南部秦嶺北麓的戶縣和周至。陜北高值中心在定邊,低值中心在延安市區(qū)、延川和延長;關(guān)中高值中心在合陽和富平,低值中心在戶縣、周至和長安;陜南高值中心在商州市區(qū),低值中心在漢中盆地。(2)各區(qū)域混合層高度均以春季最高,夏季其次,冬季最低,大致以冬季12月或1月最低,隨后快速升高,4—5月達到最高,以后逐漸降低,其中,陜北和關(guān)中5月最高,陜南4月最高,陜北1月最低,關(guān)中和陜南12月最低;日變化均呈單峰型,日出