黃俊，廖碧婷，沈子琦，張志堅(jiān)，藍(lán)靜，王春林,5,6

(1.廣州市氣候與農(nóng)業(yè)氣象中心，廣東 廣州 511430；2.廣州市氣象臺(tái)，廣東 廣州 511430；3.黃埔區(qū)氣象局，廣東 廣州 510530；4.廣州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東 廣州 511430；5.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州 510641；6.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海 519082)

1 引 言

在邊界層氣象學(xué)中，大氣邊界層是距離地面最近的大氣層，湍流是大氣邊界層基本的特性之一，把湍流特征不連續(xù)界面以下湍流充分發(fā)展的大氣層稱為大氣邊界層，它直接受地表強(qiáng)迫的影響，通常其高度在夜間穩(wěn)定條件下的幾十米到白天大氣充分混合條件下的2 km左右[1]。大氣邊界層結(jié)構(gòu)及演變具有顯著的日變化特征，日出后，由于太陽輻射的作用使得大氣湍流混合加強(qiáng)，大氣邊界層高度逐漸升高，邊界層內(nèi)熱力和動(dòng)力混合均勻，氣溫、風(fēng)速、濕度等隨高度變化較小，此時(shí)稱為混合層（即對(duì)流邊界層）；日落后，邊界層內(nèi)湍流活動(dòng)減弱，近地層形成穩(wěn)定邊界層，其上還存在殘留層，構(gòu)成夜間邊界層[1-2]。此外，由于大氣邊界層頂常有逆溫存在，能抑制湍流混合向上發(fā)展，從而形成大氣邊界層與自由大氣的界限[2]。邊界層高度通常被用來描述大氣邊界層內(nèi)混合的垂直程度和自由對(duì)流交換層發(fā)生的水平，是大氣邊界層研究中的一個(gè)重要參數(shù)[3]。人類排放的污染物在大氣中混合、傳輸和擴(kuò)散過程，除了受大氣水平擴(kuò)散條件影響外，主要還受到垂直擴(kuò)散條件的影響，而表征大氣垂直擴(kuò)散能力的大氣邊界層高度是影響大氣污染物垂直擴(kuò)散的重要參數(shù)之一[4-5]。在一定條件下，邊界層高度越低，越不利于近地面污染物的垂直擴(kuò)散，易引起近地面污染累積加劇[5]。因此確定大氣邊界層高度對(duì)開展污染天氣的預(yù)報(bào)、形成機(jī)理研究等具有十分重要的意義。

大氣邊界層高度很難通過氣象觀測直接獲取，需要根據(jù)邊界層高度的定義，通過大氣要素廓線觀測數(shù)據(jù)、相關(guān)參數(shù)或模式計(jì)算，間接得到邊界層高度的值，而不同的定義和參數(shù)，所得到的結(jié)果也不盡相同[6-7]。近年來，隨著激光雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)等邊界層遙感探測技術(shù)的迅速發(fā)展，相比傳統(tǒng)的氣象觀測手段，由于其可持續(xù)觀測、連續(xù)穩(wěn)定、時(shí)空分辨率高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于邊界層研究，基于大氣邊界層廓線觀測產(chǎn)品估算邊界層高度的方法及其應(yīng)用研究也得到廣泛的發(fā)展[4-7]。由于邊界層內(nèi)的氣溶膠垂直分布與大氣熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，氣溶膠激光雷達(dá)發(fā)射激光，通過接收氣溶膠粒子對(duì)激光的后向散射信號(hào)來實(shí)時(shí)獲取到邊界層大氣氣溶膠濃度信息[8]，激光雷達(dá)根據(jù)反演得到的距離訂正信號(hào)或消光系數(shù)廓線來判定邊界層高度[9]?；跉馊苣z激光雷達(dá)探測得到的信號(hào)中提取出邊界層高度有很多方法，比較常用的有標(biāo)準(zhǔn)偏差法[8]、梯度法[9]、小波協(xié)方差[10]以及曲線擬合法[11]等。這些反演方法的目的都是為了尋找邊界層頂?shù)阶杂纱髿膺^渡區(qū)的信號(hào)突變位置[7]，這個(gè)位置所在的高度即為邊界層高度。而微波輻射計(jì)與氣溶膠激光雷達(dá)探測邊界層高度所依據(jù)的探測參數(shù)不同，微波輻射計(jì)被動(dòng)接受不同高度的微波信號(hào)來反演溫濕廓線，再根據(jù)溫濕廓線進(jìn)一步反演得到大氣邊界層高度。Michele等[12]提出根據(jù)溫度廓線的逆溫現(xiàn)象可以直接判斷大氣邊界層的高度。Holzworth[13]和Seibert等[3]提出用氣塊法來計(jì)算大氣邊界層高度，基于空氣從表面假想的垂直位移，并確定虛位溫等于表面值時(shí)的高度。Seibert等[2]還比較了邊界層高度的不同計(jì)算方法，認(rèn)為利用虛位溫的氣塊法是探測對(duì)流邊界層最可信賴的方法。Stull等[1]提出利用位溫的最大垂直梯度來計(jì)算邊界層高度，認(rèn)為邊界層高度是下層大氣對(duì)流不穩(wěn)定的區(qū)域和上層較穩(wěn)定區(qū)域的界限。Ao等[14]提出利用比濕也可以判別大氣混合層高度，認(rèn)為比濕的最小垂直梯度的位置即為混合層高度，Seidel等[15]提出熱力學(xué)(PTU)方法（僅依賴于溫度和濕度廓線）估算對(duì)流邊界層高度。Cimini等[16]基于多通道地基微波輻射計(jì)觀測用多元線性回歸方法反演大氣邊界層高度與激光雷達(dá)反演的邊界層高度均方根在340 m以內(nèi)，相關(guān)系數(shù)大于0.77，并且與探空觀測在白天的結(jié)果表現(xiàn)較為一致。還有很多學(xué)者對(duì)微波輻射計(jì)、探空以及氣溶膠激光雷達(dá)得到的邊界層高度進(jìn)行了對(duì)比分析，不同的觀測設(shè)備以及不同的反演方法均能較好地提取邊界層高度，但在不同地區(qū)不同的天氣條件下結(jié)果有所差異，使用激光雷達(dá)確定的邊界層高度容易受到大氣中污染物濃度的影響，其邊界層高度會(huì)高于探空觀測的逆溫層[17-18]，此外，邊界層內(nèi)相對(duì)濕度的增加、殘留層的存在是導(dǎo)致激光雷達(dá)反演邊界層高度時(shí)產(chǎn)生較大誤差的原因之一[19]。研究表明，在湍流較弱的夜間，陸地上的穩(wěn)定邊界層之上的殘留層仍然有很高的氣溶膠含量[20]，僅通過激光雷達(dá)回波信號(hào)的數(shù)據(jù)很難區(qū)分邊界層氣溶膠和殘留層中的氣溶膠，此時(shí)需要結(jié)合微波輻射計(jì)、探空等方法獲得邊界層的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)特征，綜合來確定合適的高度[21]。

以往關(guān)于廣州地區(qū)邊界層高度的研究大多是基于單個(gè)方法得到的結(jié)果[22-24]，較少同時(shí)開展多種觀測及多種方法的對(duì)比研究分析。本研究擬基于微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)和米散射激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別采用熱力學(xué)方法（氣塊法、位溫法、比濕法）和消光梯度法計(jì)算廣州地區(qū)的邊界層高度，與基于地面常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)采用羅氏法計(jì)算的邊界層高度進(jìn)行對(duì)比分析，研究不同邊界層高度計(jì)算方法的差異及在廣州大氣污染中的適用性，結(jié)合典型污染個(gè)例探討混合層高度對(duì)廣州地區(qū)污染天氣形成和維持的影響，為大氣污染防治工作的開展提供一定的參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來自于廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站，氣象數(shù)據(jù)來自于廣州國家基本氣象站，氣溶膠激光雷達(dá)和微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)觀測地點(diǎn)均位于廣州市氣象局觀測場，數(shù)據(jù)時(shí)段為2019年8月23日—10月14日。

2.2 基于微波輻射計(jì)的邊界層高度

微波輻射計(jì)使用的是Radiometrics公司的MP-3000A，觀測前對(duì)微波輻射計(jì)進(jìn)行了定標(biāo)。設(shè)備探測最高為10 000 m，時(shí)間分辨率為2 min，為了去除觀測噪音并進(jìn)行同步逐時(shí)比較，文中對(duì)不同方法提取的邊界層高度都做了小時(shí)內(nèi)平均以得到逐小時(shí)數(shù)據(jù)。此外大氣混合層最大高度通常在3 km高度以內(nèi)，因此在進(jìn)行計(jì)算時(shí)只使用3 km高度內(nèi)的數(shù)據(jù)?；谖⒉ㄝ椛溆?jì)觀測數(shù)據(jù)相關(guān)研究，選用3種方法反演大氣邊界層高度。

（1）氣塊法反演大氣邊界層高度（PBL_Parcel）：氣塊法定義的邊界層高度為具有環(huán)境地表溫度的氣塊由于對(duì)流運(yùn)動(dòng)從地面干絕熱上升到達(dá)的高度，也就是層結(jié)曲線與干絕熱線（從地表溫度出發(fā)）的交點(diǎn)，其物理意義為地面附近的一個(gè)小氣塊絕熱上升所能達(dá)到的平衡高度[1]。如果大氣溫度的垂直分布是已知的，氣塊法被認(rèn)為是白天對(duì)流邊界層高度反演的最佳方法[1]。

（2）位溫法反演大氣邊界層高度（PBL_Theta）：在對(duì)流邊界層或混合層中，其上方被逆溫層所覆蓋，邊界層頂附近溫度開始隨高度變化，溫度梯度也明顯增加。PBL_Theta定義為滿足Heffter規(guī)定的位溫梯度和遞減率標(biāo)準(zhǔn)的最低臨界值的高度[25]。

（3）比濕法反演大氣邊界層高度（PBL_Q）：比濕法定義的大氣邊界層高度為比濕q的最小垂直梯度的位置[14]。

2.3 基于氣溶膠激光雷達(dá)的邊界層高度

氣溶膠激光雷達(dá)為無錫中科光電技術(shù)有限公司的高能米散射激光雷達(dá)(型號(hào)：AGHJ-I-LIDAR(HPL))，激光器發(fā)出波長為532 nm的綠色激光束，單脈沖最大能量1 mJ，發(fā)射激光間隔時(shí)間為50 s，垂直分辨率為7.5 m，最低探測高度為75 m，最大高度可探測到15 km。

激光雷達(dá)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)的訂正處理后，由目前最為流行的Fernald后向積分算法來求解[26]，得到垂直方向上氣溶膠消光系數(shù)和退偏振比等光學(xué)參數(shù)。由于激光雷達(dá)接收信號(hào)的強(qiáng)度與大氣中的氣溶膠粒子濃度有正相關(guān)關(guān)系，與自由大氣相比，混合層中較大的氣溶膠濃度能夠后向散射更多的發(fā)射能量，而在混合層與自由大氣交界的地方，氣溶膠濃度會(huì)突變減少，在激光雷達(dá)信號(hào)廓線上有對(duì)應(yīng)的突變特征[27]。本文采用梯度法反演邊界層高度（PBL_Lidar），即激光雷達(dá)距離訂正信號(hào)對(duì)高度一階導(dǎo)數(shù)最小值所在的高度[9]，這個(gè)高度通常也對(duì)應(yīng)著位溫的躍變和風(fēng)切變[19]。距離訂正信號(hào)對(duì)高度的一階導(dǎo)數(shù)D(z)可以表示為：

D(z)廓線的最小值對(duì)應(yīng)的高度即為邊界層頂高,X(z)激光雷達(dá)的距離訂正信號(hào)。

徐棟夫等[19]基于氣溶膠激光雷達(dá)和探空對(duì)成都地區(qū)的混合層高度進(jìn)行研究，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.75，對(duì)比結(jié)果具有較好的一致性。師宇等[18]同樣基于氣溶膠激光雷達(dá)使用梯度法、標(biāo)準(zhǔn)差法和小波法能較好地提取北京地區(qū)的混合層高度，三種方法結(jié)果表現(xiàn)也較為一致，證明了該方法的有效性。此外，梯度法無需設(shè)定閾值，且使用比較成熟，因此被廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)混合層高度的反演。

2.4 羅氏法混合層高度

羅氏法混合層高度(PBL_LS)是Nozaki等[28]在1973年提出的一種用地面氣象資料估算混合層厚度的方法。該方法考慮到大氣混合層是熱力和機(jī)械湍流共同作用的結(jié)果，且邊界層上部大氣運(yùn)動(dòng)狀況與地面氣象參數(shù)間存在著相互聯(lián)系和反饋?zhàn)饔肹28]。因此，可用地面氣象參數(shù)來估算大氣邊界層高度，并提出如下計(jì)算公式：

式中PBL_LS為大氣混合層高度，（T-Td）為溫度露點(diǎn)差，P為帕斯奎爾穩(wěn)定度級(jí)別；Uz為Z厚度處所觀測的平均風(fēng)速；Z0為地面粗糙度（市區(qū)一般取0.80～2.00）；f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，f=2ωsinφ,φ為觀測點(diǎn)地理緯度，ω為地轉(zhuǎn)角速度。

3 結(jié)果與討論

3.1 觀測時(shí)段空氣質(zhì)量概況

結(jié)合觀測期間的PM2.5及O3濃度來看（圖1），可以看出9月6日之前風(fēng)速偏高，降水頻繁，PM2.5及O3濃度總體上維持優(yōu)良，大部分時(shí)段為優(yōu)；9月7—12日，受副高影響，氣溫逐漸升高，白天相對(duì)濕度下降，該時(shí)段前期風(fēng)速較低，PM2.5及O3濃度同時(shí)增高，以O(shè)3污染為主，中間9月8日傍晚出現(xiàn)降水，對(duì)PM2.5及O3有一定的清除作用，之后PM2.5及O3濃度又開始逐漸回升，空氣質(zhì)量逐漸變差出現(xiàn)輕度污染。9月13—23日，前期廣州出現(xiàn)降水，后期風(fēng)速較大，最大達(dá)4 m/s，有利于污染物的清除和稀釋，PM2.5及O3濃度均維持優(yōu)良等級(jí)。9月24日—10月5日，氣溫開始逐漸升高，地面風(fēng)速降低，長時(shí)間無降水，且白天相對(duì)濕度偏低，出現(xiàn)了一次以O(shè)3為主的光化學(xué)污染過程，PM2.5濃度因擴(kuò)散條件一般也逐漸累積，在29日出現(xiàn)了輕度污染。其中9月7—12日及9月25日—10月2日、10月10—13日，這期間主要受副高天氣系統(tǒng)影響，日最高氣溫基本在32℃以上，且無降水，白天相對(duì)濕度偏低，高溫低濕環(huán)境有利于O3的生成，因此O3濃度長時(shí)間出現(xiàn)輕度污染情況?？傮w上，觀測時(shí)段內(nèi)主要是以O(shè)3污染為主，PM2.5濃度總體上較低，僅有一天出現(xiàn)PM2.5輕度污染，出現(xiàn)O3污染的氣象環(huán)境主要是高溫低濕，且無降水的晴熱天氣條件下。

圖1 廣州空氣質(zhì)量及氣象要素逐時(shí)變化

3.2 不同方法計(jì)算邊界層高度結(jié)果比較

觀測期間(2019年8月23日—10月14日)，基于微波輻射計(jì)、氣溶膠激光雷達(dá)、地面觀測資料使用5種方法反演得到的邊界層高度逐時(shí)變化如圖2所示，基于微波輻射計(jì)和氣溶膠激光雷達(dá)、羅氏法反演得到的結(jié)果總體上表現(xiàn)為白天高，夜間低，這主要是由于早上日出后隨著太陽輻射的逐漸加強(qiáng)，大氣湍流活動(dòng)逐漸加強(qiáng)，使得白天混合層高度逐漸升高直至達(dá)到日最大混合層高度；日落后，隨著太陽輻射逐漸減弱，大氣湍流活動(dòng)也減弱，混合層高度逐漸下降，到夜間近地面形成穩(wěn)定邊界層[1-2]。其中氣塊法得到的邊界層高度能較好反映白天混合層高度的變化，其次為羅氏法。對(duì)于激光雷達(dá)觀測，在白天，可以看到氣溶膠在混合層中的發(fā)展演變，在夜間，局地排放的氣溶膠可能通過機(jī)械湍流在一部分穩(wěn)定邊界層中擴(kuò)散，可以獲取到一部分穩(wěn)定邊界層信息，但由于觀測時(shí)段PM2.5總體濃度較低，大氣中的降水和云對(duì)激光雷達(dá)觀測的誤差有較大的影響，因此所得結(jié)果缺測較多，連續(xù)性較差，估算結(jié)果的誤差較大。

圖2 5種方法得到的逐時(shí)邊界層高度變化(PBL_Parcel：氣塊法，PBL_Theta：位溫法，PBL_q：比濕法，PBL_Lidar：激光雷達(dá)梯度法，PBL_LS：羅氏法，單位均為m)

氣塊法得到的邊界層高度與羅氏法的相關(guān)系數(shù)最高為0.5，其次與比濕法的相關(guān)系數(shù)為0.35，與位溫法相關(guān)系數(shù)為0.32，均通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，而與梯度法則無明顯的相關(guān)性。位溫法得到的邊界層高度與比濕法、梯度法的相關(guān)性表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.21和-0.16，與羅氏法結(jié)果表現(xiàn)為弱的正相關(guān)；比濕法與羅氏法的邊界層高度具有顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.3，其次與梯度法的相關(guān)系數(shù)為0.12；羅氏法與梯度法則無明顯的相關(guān)性。

圖3為對(duì)圖2的5種方法估算得到的邊界層高度結(jié)果繪制的日變化箱線圖，利用氣塊法得出的邊界層高度晝夜變化比其他方法明顯，白天日出后隨著太陽輻射的增強(qiáng)，氣溫增加，白天混合層迅速升高，在下午14時(shí)(北京時(shí)間，下同)左右到達(dá)最高值，平均高度可達(dá)1 500 m左右，之后隨著太陽輻射減弱，氣溫降低，混合層高度逐漸下降。利用位溫法得出的邊界層高度總體上顯著偏高，白天和夜間都在1 500 m以上，白天時(shí)段維持在2 000 m高度以上，可能由于觀測時(shí)段處于夏末秋初階段，近地面沒有明顯的逆溫現(xiàn)象，在3 000 m高度內(nèi)較難通過給定的逆位溫方法尋找到合適的高度，從而導(dǎo)致位溫法得出的邊界層高度偏高。利用比濕法得出的邊界層高度日變化幅度較氣塊法小，總體在600～1 000m波動(dòng)，可能與廣州地區(qū)該時(shí)段內(nèi)大氣的相對(duì)濕度變化幅度較小有關(guān)。利用羅氏法得出的邊界層高度日變化幅度也較小，總體變化幅度在700～1 000 m高度，與比濕法相當(dāng)。

圖3 不同方法估算得到邊界層高度日變化

利用梯度法得出的邊界層高度均值在500～900 m，總體上變化幅度不大。在白天，氣溶膠激光雷達(dá)得出的邊界層高度最高值主要出現(xiàn)在傍晚18—19時(shí)，而此時(shí)段大氣邊界層已由白天的混合層逐漸過渡到晚上的穩(wěn)定邊界層，混合層的發(fā)展是逐漸降低的，氣溶膠激光雷達(dá)觀測的邊界層高度更多的為氣溶膠層的高度。由于激光雷達(dá)實(shí)質(zhì)上探測的是氣溶膠層，有時(shí)無法識(shí)別出殘留層和混合層頂，可能將殘留層高度誤認(rèn)為是混合層高度，并且在夜間測量得到的結(jié)果是近地面氣溶膠層高度[19]。此外，氣溶膠激光雷達(dá)探測信號(hào)取決于大氣中污染物的分布特征，而污染物的分布主要受局地污染排放和區(qū)域輸送的影響。當(dāng)大氣中污染濃度偏低較為清潔時(shí)，大氣中氣溶膠粒子偏少，激光雷達(dá)探測得到的氣溶膠粒子信號(hào)偏少，更多可能是云或降水反饋的信號(hào)，因此在清潔天氣時(shí)，氣溶膠激光雷達(dá)不能很好地反演出大氣邊界層高度，梯度法計(jì)算結(jié)果誤差比較大，適用性效果不好。

圖4顯示了5種方法估算得到的白天（08—18時(shí)）和夜間（19時(shí)—次日07時(shí)）時(shí)段的邊界層高度，白天時(shí)段，各種方法估算得到混合層高度平均值介于659～2 200 m之間，其中位溫法最高平均為2 207 m，這可能由于位溫法邊界層高度是基于逆位溫梯度而得出，在這段時(shí)間內(nèi)基本上以晴熱雷雨天氣為主，大氣低層較少出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，因此使用逆位溫在3 000 m高度內(nèi)尋找邊界層高度會(huì)使得估算結(jié)果偏高，且低值異常點(diǎn)偏多，估算誤差偏大。其次利用氣塊法得到的白天混合層高度平均為1 239 m，比濕法、羅氏法的結(jié)果比較接近，分別為717 m、901 m，氣溶膠激光雷達(dá)得出的結(jié)果最低，平均值為660 m，這與宋烺等[24]得出的廣州地區(qū)邊界層高度在400～1 600 m的結(jié)果較為類似。

圖4 不同方法估算得到邊界層高度總體對(duì)比

夜間時(shí)段，除了梯度法比白天略偏高外，其他幾種方法得到的結(jié)果均比白天的結(jié)果低，其中氣塊法得到的結(jié)果顯著偏低，這可能與氣塊法主要適用于白天混合層計(jì)算，不適用于夜間邊界層高度的計(jì)算。與氣塊法不同，位溫法得到的夜間邊界層結(jié)果則較為高估，比濕法、羅氏法、激光雷達(dá)梯度法得到的夜間邊界層高度總體上比較接近，平均在622～700 m。結(jié)合前人相關(guān)研究表明，對(duì)于夜間邊界層的研究較為復(fù)雜，本文得到的估算結(jié)果僅供參考，如需獲取夜間穩(wěn)定邊界層和殘存層的信息，還需要結(jié)合更多的觀測做進(jìn)一步研究。

3.3 氣象條件與邊界層高度的相關(guān)性分析

表1為氣象條件與邊界層高度的相關(guān)性分析，風(fēng)速、氣溫與邊界層高度總體上呈正相關(guān)，風(fēng)速越大、氣溫越高，越有利于大氣邊界層的發(fā)生發(fā)展，邊界層高度越高。降水和相對(duì)濕度與邊界層高度總體上是負(fù)相關(guān)關(guān)系，降水越多、相對(duì)濕度越大越不利于大氣邊界層高度的發(fā)生發(fā)展，通常降水天氣下，大氣相對(duì)濕度也相對(duì)比較高，天空中云底高度、大氣邊界層高度也比較低。

表1 氣象條件與邊界層高度的相關(guān)性分析

風(fēng)速與利用氣塊法、位溫法和羅氏法得出的邊界層高度相關(guān)性比較顯著，與比濕法、梯度法得出的邊界層高度相關(guān)性不顯著。

氣溫對(duì)邊界層高度的影響較風(fēng)速更加明顯，氣溫與氣塊法、位溫法、比濕法及羅氏法得出的邊界層高度的相關(guān)性較高，通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，其中與氣塊法得出的邊界層高度相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.71，與位溫法、羅氏法的則分別為0.373、0.326。氣溫和梯度法得出的邊界層高度的相關(guān)性不高，這可能與梯度法得到的邊界層高度是基于大氣氣溶膠作為示蹤物得出的結(jié)果有關(guān)，氣溶膠濃度的高低更多的是和局地排放有關(guān)，和地面氣溫并無直接的相關(guān)性。

相對(duì)濕度較降水與大氣邊界層高度的負(fù)相關(guān)關(guān)系更好，相對(duì)濕度與氣塊法得出的邊界層高度相關(guān)系數(shù)最高為-0.744，與羅氏法、比濕法的相關(guān)系數(shù)分別為-0.574、-0.55，與梯度法的相關(guān)系數(shù)最低為-0.074。

綜上，氣塊法得出的大氣邊界層高度與氣溫和相對(duì)濕度密切相關(guān)，其次是風(fēng)速；位溫法得出的大氣邊界層高度與氣溫、風(fēng)速、降水和相對(duì)濕度都有相關(guān)性，但主要是和氣溫相關(guān)性更大；比濕法反演的大氣邊界層高度主要和相對(duì)濕度密切相關(guān)，與風(fēng)速和降水沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性；基于地面氣象觀測資料使用羅氏法計(jì)算的大氣邊界層高度主要和相對(duì)濕度、氣溫、風(fēng)速密切相關(guān)，與降水相關(guān)性較弱；而基于氣溶膠激光雷達(dá)使用梯度法反演得到的邊界層高度更確切的是反演大氣中的物質(zhì)邊界層，大氣中的氣溶膠濃度除了和氣象條件有關(guān)，更多的是和當(dāng)?shù)匚廴九欧帕棵芮邢嚓P(guān)，因此激光雷達(dá)得到的邊界層高度與氣象要素的相關(guān)性較弱。

3.4 邊界層高度對(duì)空氣質(zhì)量的影響

表2為邊界層高度與空氣質(zhì)量的相關(guān)性分析，不同方法得到的邊界層高度與空氣質(zhì)量各污染物濃度的相關(guān)性不同?；谥饡r(shí)O3濃度與逐時(shí)邊界層高度基本表現(xiàn)為一致的正相關(guān)關(guān)系，其中氣塊法的邊界層高度與O3濃度的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.633，其次是比濕法，相關(guān)系數(shù)為0.498。O3日最大濃度通常出現(xiàn)在14—17時(shí)，日最大混合層高度通常也出現(xiàn)在該時(shí)段內(nèi)，為剔除日變化的影響因素，使用每天15時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析，得到氣塊法與O3濃度的相關(guān)系數(shù)為0.611，比濕法為0.573，均表現(xiàn)為一致的相關(guān)性，通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，其他3種方法雖然也表現(xiàn)為相關(guān)性，但相關(guān)性較弱。此外，還對(duì)日最大O3濃度和日最大混合層高度進(jìn)行了分析，同樣可以得出呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系，基于氣塊法的相關(guān)系數(shù)為0.716，比濕法的相關(guān)系數(shù)為0.629。地面O3濃度與混合層高度正相關(guān)，主要原因是和太陽輻射的變化有關(guān)，輻射強(qiáng)、氣溫高、濕度低，大氣湍流混合就強(qiáng)，大氣混合層高度就越高，此時(shí)前體物生成O3的效率也高，從而近地面容易出現(xiàn)高濃度的O3污染。此外，邊界層高度抬升后，會(huì)加強(qiáng)邊界層內(nèi)大氣的混合狀態(tài)，珠三角塔基觀測[29]以及O3探空觀測[30]研究發(fā)現(xiàn)，大氣O3濃度隨高度上升而增加，在大氣的混合過程中，會(huì)使得上層高濃度的O3向下垂直輸送，使得近地面O3濃度升高。戚慧雯等[31]利用化學(xué)-大氣-土壤（ClASS）模式定量評(píng)估了香港地區(qū)邊界層夾卷過程（夾卷層位于邊界的頂部）對(duì)大氣邊界層內(nèi)O3濃度的影響并與大氣化學(xué)反應(yīng)的貢獻(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)夾卷過程對(duì)邊界層O3濃度具有顯著的影響，通過不同的敏感性試驗(yàn)表明，夾卷過程對(duì)O3濃度的貢獻(xiàn)量在32.1%～48.4%。因此，邊界層內(nèi)影響O3濃度的主要因素除了光化學(xué)反應(yīng)和區(qū)域輸送，還應(yīng)考慮垂直輸送的影響，而邊界層高度的高低直接影響垂直輸送的大小。Tang等[32]利用MM5-CMAQ模式模擬了中國北部O3及其前體物濃度，結(jié)果也表明自上往下的垂直混合也是城市區(qū)域近地面O3的主要來源。

表2 邊界層高度與空氣質(zhì)量的相關(guān)性分析

相較于O3，本研究得到的邊界層高度與PM2.5濃度表現(xiàn)出來的相關(guān)性較弱，且不同方法得到的結(jié)果相差較大。氣塊法、比濕法和梯度法得出的邊界層高度與PM2.5濃度呈正相關(guān)，而位溫法的邊界層高度與PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)均較低。廣州地區(qū)PM2.5濃度與邊界層高度之間弱相關(guān)性的可能原因是混合層高度對(duì)外來輸送部分所起作用不大，事實(shí)上珠三角地區(qū)顆粒物濃度很大一部分來自域外輸送貢獻(xiàn)[33]。另一方面，大氣顆粒物來源既有一次排放的，又有二次生成的，一次污染物與邊界層高度大多呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（如NO2和CO），而以O(shè)3為代表的二次污染物與邊界層高度呈正相關(guān)關(guān)系。近地面顆粒物質(zhì)量濃度與邊界層高度之間弱相關(guān)性亦可能是一次顆粒物和邊界層高度之間的負(fù)相關(guān)與二次顆粒物和邊界層高度之間的正相關(guān)相互抵消的結(jié)果[34]。近年來，二次成分在珠三角地區(qū)大氣顆粒物中所占比重越來越大，由于二次顆粒物的生成對(duì)環(huán)境依賴極為復(fù)雜，風(fēng)速、濕度、光照等因素都作用其中，這意味著其他氣象因素的協(xié)同效應(yīng)也可能是混合層高度與顆粒物濃度間相關(guān)性偏弱的原因[34-35]。邊界層高度對(duì)廣州地區(qū)PM2.5污染影響還需結(jié)合其他氣象條件進(jìn)行綜合分析，區(qū)域輸送和化學(xué)反應(yīng)對(duì)局地污染物的形成也是需要進(jìn)一步考慮的因素。

3.5 邊界層高度在典型污染個(gè)例分析中的應(yīng)用

3.5.1 PM2.5污染個(gè)例分析

（1）污染天氣過程概況。

受冷高壓東移出海和低層暖濕氣流共同影響，2017年1月上旬廣州地區(qū)出現(xiàn)了一次輕度(75 μg/m3＜PM2.5濃度≤115μg/m3)到重度污染(150μg/m3＜PM2.5濃度≤250μg/m3)天氣過程[4]。PM2.5濃度優(yōu)良級(jí)別的時(shí)數(shù)占51%，輕度污染(超標(biāo))以上時(shí)數(shù)污染占49%，其中重污染時(shí)數(shù)占比8%，中度污染占比13%，輕度污染為28%。

（2）邊界層高度對(duì)PM2.5濃度的影響。

圖5為氣溶膠激光雷達(dá)反演得到的1月1—10日邊界層高度和PM2.5濃度逐時(shí)變化情況，1月6日之前，邊界層高度基本上處于較低狀態(tài)，白天高，晚上低，并且白天最高值逐步降低，不利于污染物擴(kuò)散。本次過程污染時(shí)段(PM2.5濃度＞75μg/m3)的邊界層高度最低值為267 m，最高值為1 082 m，其平均邊界層高度為620 m；在清潔時(shí)段(PM2.5濃度≤75μg/m3)的最低值為370 m，最高值為1 378 m，其平均值為876 m，清潔時(shí)段平均邊界層高度約為污染時(shí)段平均邊界高度的1.4倍。PM2.5濃度與邊界層高度總體上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為-0.56(通過0.001的顯著性檢驗(yàn))。

圖5 PM2.5濃度及激光雷達(dá)反演的大氣邊界層高度變化

3.5.2 O3污染個(gè)例分析

（1）污染天氣過程概況。

2019年9月17日—10月5日受副高及臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流（9月20—21日、30日）控制，地面受弱低槽和弱高壓脊（10月3—5日）影響，太陽輻射強(qiáng)，溫高無雨，白天空氣濕度低，在地面風(fēng)速較弱、污染物持續(xù)累積和前體物輸送的綜合作用下，廣州市出現(xiàn)一次O3輕度至中度污染過程。其中過程最大O3_8 h濃度為249.9μg/m3，達(dá)中度污染（4級(jí)），此次過程持續(xù)時(shí)間長達(dá)19天，是自2013年實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)以來，廣州地區(qū)O3超標(biāo)持續(xù)最久的一次。10月6日，受冷空氣及東風(fēng)波動(dòng)帶來的風(fēng)雨影響，大氣擴(kuò)散條件好轉(zhuǎn)，O3污染等級(jí)下降至良，污染過程結(jié)束。

（2）邊界層高度與O3濃度的相關(guān)性分析。

基于5種方法得到的邊界層高度與O3濃度的逐時(shí)變化如圖6所示，氣塊法得到的邊界層高度和O3的變化具有較好的一致性，日變化特征很類似，基本表現(xiàn)為白天高，夜間低。氣塊法得到的邊界層高度與O3的相關(guān)系數(shù)為0.671（表3），表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系，通過0.001的顯著性檢驗(yàn)，其中比較顯著的兩個(gè)夜間高O3濃度時(shí)段，9月19日02—07時(shí)和22日00—07時(shí)O3濃度均在100μg/m3以上，而這段時(shí)間的邊界層高度維持在500～900 m，顯著高于其他夜間低O3濃度時(shí)段。基于位溫法、比濕法、羅氏法得到的邊界層高度與O3的相關(guān)性也均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)均低于0.4，其中位溫法得到的邊界層高度在O3中度污染時(shí)段（9月25日—10月2日）與O3濃度的日變化具有較好一致性?；诹_氏法得到的邊界層高度前期高度較高，后期高度明顯逐漸降低。而基于梯度法得到的邊界層高度與O3濃度基本沒有表現(xiàn)出相關(guān)性，說明基于激光雷達(dá)梯度法得到的邊界層高度對(duì)于O3污染過程適用性不好。

圖6 邊界層高度與O3濃度的變化

表3 一次污染過程O3濃度與混合層高度的相關(guān)性分析

綜上，基于微波輻射計(jì)使用氣塊法得到的邊界層高度在O3污染過程中具有較好的實(shí)用性，邊界層高度越高，大氣混合越充分，越有利于O3前體物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)更多的O3，同時(shí)大氣邊界層頂?shù)膴A卷過程會(huì)使得高層的高濃度O3向低層垂直輸送[29-32]，從而導(dǎo)致近地面O3出現(xiàn)高濃度。

4 結(jié)論與討論

本文采用5種方法分析了夏末秋初時(shí)段廣州地區(qū)大氣邊界層（或混合層）高度的演變特征，定量分析了5種方法得到的大氣邊界層（或混合層）高度差異，并結(jié)合典型污染過程分析其在污染天氣過程中的應(yīng)用。

（1）基于微波輻射計(jì)使用氣塊法、比濕法以及基于地面觀測資料使用羅氏法得到的邊界層日變化較為明顯。基于微波輻射計(jì)氣塊法的混合層高度變化能夠較好地表征白天大氣邊界層演變特征。利用位溫法、氣塊法、羅氏法、比濕法和梯度法計(jì)算得出白天平均混合層高度分別為2 207 m、1 239 m、901 m、717 m和660 m，其中位溫法顯著高估，羅氏法、比濕法和梯度法的結(jié)果比較接近，氣溶膠激光雷達(dá)得出的結(jié)果最低，這與宋烺等[24]得出的廣州地區(qū)邊界層高度在400～1 600 m的結(jié)果較為類似。

（2）基于微波輻射計(jì)得到的邊界層高度與大氣中的氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象條件密切相關(guān)，體現(xiàn)了大氣的結(jié)構(gòu)特征及混合狀態(tài)；而基于氣溶膠激光雷達(dá)得到的邊界層高度實(shí)際上是得到了大氣中的物質(zhì)邊界層，大氣中的物質(zhì)(氣溶膠濃度)除了和氣象條件有關(guān)，更多的是和當(dāng)?shù)匚廴九欧帕棵芮邢嚓P(guān)。

（3）基于微波輻射計(jì)使用氣塊法和比濕法得到白天混合層高度與近地面O3濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)在0.5以上，邊界層內(nèi)影響O3濃度的主要因素除了光化學(xué)反應(yīng)和區(qū)域輸送，還應(yīng)考慮垂直輸送的影響?；跉馊苣z激光雷達(dá)得到的邊界層高度在優(yōu)良（降水或多云天氣)時(shí)段可用性不高，但在出現(xiàn)氣溶膠污染天氣時(shí)，能較好地表現(xiàn)出大氣的污染情況，與PM2.5濃度的相關(guān)性較好。

本文所用5種方法計(jì)算的大氣邊界層高度結(jié)果在統(tǒng)計(jì)學(xué)上都有差異，其原因主要是探測儀器原理及垂直分辨率不同，定義大氣邊界層高度公式的物理意義及參數(shù)不同，因此就導(dǎo)致不同方法得到的大氣邊界層高度表現(xiàn)為不一致[15]。不同方法得到的結(jié)果在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有一定的相關(guān)性，不同方法間的相關(guān)性在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是顯著的，但比較?。ㄏ嚓P(guān)系數(shù)低于0.5，有部分是負(fù)相關(guān)），其中氣塊法與羅氏法的相關(guān)系數(shù)最高為0.5。基于微波輻射計(jì)的位溫法得到的大氣邊界層高度最高，主要是研究時(shí)段在夏末秋初，中低層大氣逆溫現(xiàn)象不明顯，使得結(jié)果顯著偏高，估算誤差較大，而在逆溫明顯的冬春季節(jié)可能應(yīng)用效果較好?；谖⒉ㄝ椛溆?jì)氣塊法的大氣邊界層高度日變化幅度較明顯，能夠較好地表征大氣邊界層演變特征，對(duì)于白天混合層高度的特征具有較好的應(yīng)用價(jià)值[17]。比濕法、羅氏法的結(jié)果比較接近，日變化幅度沒有氣塊法明顯?；诩す饫走_(dá)信號(hào)廓線特征使用梯度法得到的邊界層高度與其他方法的結(jié)果差異較為明顯，實(shí)際上氣溶膠激光雷達(dá)探測大氣邊界層是由大氣中的氣溶膠物質(zhì)來界定的，探測的是氣溶膠層，稱作物質(zhì)邊界層或許更為合理[8-9]，這種方法與傳統(tǒng)的熱力(動(dòng)力)方法確定的混合層高度不一定完全吻合，并且一些湍流或非湍流過程也會(huì)對(duì)探空探測的物理參量垂直廓線造成影響[13]。梯度法在清潔天氣或降水、多云天氣時(shí)捕捉大氣邊界層的能力受到限制，但在氣溶膠污染天氣時(shí)使用效果較好[4]。

還應(yīng)注意到，氣塊法雖然物理意義清晰，能夠較好表征白天混合層演變特征,其結(jié)果的合理性已在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證[36-37]，但它體現(xiàn)的是邊界層大氣的理想混合狀態(tài)[38]。理想狀態(tài)下，混合層中大氣位溫的垂直分布,而真實(shí)的位溫廓線在垂直方向會(huì)有波動(dòng)甚至傾斜，不是一條標(biāo)準(zhǔn)的垂直線，有邊界層云存在時(shí)也是如此，在這種情況下，使用氣塊法確定混合層高度就可能出現(xiàn)偏差[27,38]，此外，平流等天氣過程會(huì)對(duì)混合層的垂直結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而影響位溫的垂直結(jié)構(gòu),在這種情況下使用氣塊法確定混合層高度就會(huì)產(chǎn)生偏差[38]。