20世纪以来，随着我国工业化的快速发展和城市化进程的不断加快，污染物排放持续增加，大气污染已成为环境保护的核心问题，引起国家和社会各界高度重视。大气污染除与污染源排放有关外，还与气象条件密切相关（张杰等，2013；崔洋等，2015；尹承美等，2019），气象条件决定了大气中污染物的扩散、沉积和转化，是污染物时空分布及演变的重要影响因素（刘新民和邵敏，2004），且与污染物之间存在非常复杂的互馈作用（徐祥德等，2005），特别是大气边界层高度、逆温等气象条件是制约大气污染物稀释扩散最重要的参数之一（郑红等，2005；胡晏玲和陈思萍，2004；吴彬贵等，2010）。近地面2 km左右大气边界层是人类生活和生产活动的主要空间，也是大气污染物分布、扩散和传输的主要场所（都占良等，2019）。研究表明，低层大气温度的垂直分布，特别是逆温的变化对大气污染扩散有直接影响（都占良等，2019），逆温迫使局部次级环流限制在大气边界层内，致使污染物在垂直和水平方向上均不易扩散，造成颗粒物不断累积，进而导致重污染事件的发生（王晓明等，2009）；逆温显著影响了空气质量，逆温期间的空气质量超标率显著大于非逆温期间（刘敏等，2014；Wallace and Kanaroglou，2009）。不同逆温类型对污染物的影响不同，接地逆温是促发上海市PM_2.5污染的重要气象条件之一，当接地逆温垂直温差大于4.6 ℃或厚度大于100 m，PM_2.5质量浓度超过 100 µg·m^-3，可作为判别上海市PM_2.5 重污染天气的参考阈值（潘亮等，2021）。另外，大气边界层高度与空气污染密切相关，是影响污染物垂直扩散的重要气象参数，较低的边界层高度不利于污染物在垂直方向上输送和扩散，加剧大气污染（徐丽娜等，2021；王建英等，2020）。

宁夏回族自治区银川市地处贺兰山东侧，受山体屏障作用影响，冬季多静风。近年来，银川市经济和城市化发展迅速、人口增多，污染物排放明显增加，加之冬季供暖污染物排放量大，雾、霾天气明显增多，空气质量严重下降，已引起政府与学术界高度重视（刘玉兰等，2014；李慧等，2020）。研究发现：低空大气逆温是影响银川市空气污染的主要气象因素之一（邓敏君等，2018），持续污染过程与风速、相对湿度、能见度、边界层高度都存在显著相关关系（王建英等，2020），缺乏逆温条件下气象要素特征及其与污染物的相关性研究。为此，本文从银川市出现逆温时的天空状况、风速、相对湿度入手，分析逆温条件下气象要素特征，并结合典型个例进一步探讨逆温对PM_2.5污染的影响，以期为银川市大气污染预报预警及防治提供技术支撑。

使用银川国家高空气象观测站2015—2020年每日08：00（北京时，下同）和20：00的GTS1型数字探空仪探测资料和银川国家基准气候站逐日云量、相对湿度、风速等地面观测数据，以及银川市环境监测中心站5个国控监测点（银湖巷、宁安大街、贺兰山东路、宁化生活区、学院路）2015—2020年6种污染物质量浓度和空气质量指数（Air Quality Index，AQI）日均值监测数据，各国控监测点距离银川气象站3~8 km。

初步统计，银川市出现PM_2.5污染时，其边界层高度普遍在1 500 m以下，因此本文统计分析底高低于1 500 m的逆温。定义：底高低于100 m的逆温为贴地逆温，底高为100~1 500 m的逆温为悬浮逆温（刘玉兰等，2015）。利用GFE（L）1型二次测风雷达高空气象探测系统数据处理软件（V7.0.0.20210501），读取逆温层底高、顶高及对应的气温，剔除异常值，计算逆温出现的频率、厚度、强度。对于多层逆温，先按照厚度筛选，选取厚度最大的，若仍然存在多层，则进一步选取强度最强的。

逆温出现频率、厚度、强度计算公式如下：

式中：F（%）为逆温频率； n（d）是一段时间内逆温出现天数（08：00、20：00只要有一个时次出现逆温就计为1 d）；N（d）是这段时间的总天数；ΔH（m）为逆温层厚度；H₁、H₂（m）分别为逆温层底、顶距地高度；I[℃·（100 m）^-1]为逆温强度，表示逆温层内每升高100 m气温的增加量；ΔT（℃）为逆温层温度差：T₁、T₂（℃）分别是逆温层底、顶温度。

根据气候学定义四季：春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12月至次年2月。根据总云量定义天空状况：晴为0~3成、多云为4~7成、阴为8~10成。

2015—2020年银川市逆温出现频率为61%，08：00和20：00逆温频率分别为80%、41%，前者约是后者的2倍；贴地逆温最多，占逆温总天数的80%，贴地逆温频率08：00、20：00分别为62%、23%，悬浮逆温频率分别为35%、12%，两种类型逆温频率08：00均高于20：00，即清晨逆温出现次数明显多于傍晚。08：00（20：00）逆温频率自冬季、春季（秋季）、秋季（春季）、夏季依次降低，冬季08：00、20：00逆温频率分别高达92%、70%；对比发现，20：00逆温频率较08：00的季节变化更明显（图1）。

逆温厚度是衡量逆温特征的重要指标，银川市年平均逆温厚度为300 m，贴地逆温厚度为282 m，悬浮逆温厚度为317 m，悬浮逆温厚度较贴地逆温大；清晨与傍晚两时刻逆温厚度差异较大，08：00、20：00逆温厚度平均分别为 343、132 m，其中贴地逆温平均厚度08：00、20：00分别为362、93 m，悬浮逆温平均厚度分别为313、218 m，受夜间辐射降温影响，08：00逆温层厚度远大于20：00（表1）。

就季节变化（图2）而言，除20：00贴地逆温厚度季节波动较小外，08：00、20：00悬浮逆温及08：00贴地逆温厚度均存在明显季节变化特征，逆温厚度均自冬季、秋季、春季、夏季依次减小。

逆温强度与大气层结稳定度密切相关，也是表征逆温特征的重要指标之一（吕波等，2020）。2015—2020年银川市08：00和20：00的平均逆温强度分别为1.9、3.6 ℃·（100 m）^-1，20：00的逆温较08：00强；贴地、悬浮逆温平均强度分别为2.6、1.3 ℃·（100 m）^-1，贴地逆温强于悬浮逆温，其中贴地逆温强度08：00和20：00分别为1.9、3.3 ℃·（100 m）^-1，20：00贴地逆温较08：00强，而悬浮逆温强度在08：00和20：00均为1.3 ℃·（100 m）^-1，强度相当（表略）。可见，银川市逆温强度20：00较08：00强，贴地逆温较悬浮逆温强。季节变化（图3）上，各月贴地逆温均强于悬浮逆温，两时刻贴地逆温和悬浮逆温强度秋季最强、夏季最弱，且20：00贴地逆温强度季节变化最明显。

相关研究表明，银川市低空逆温出现频率冬季最高，同期PM_2.5污染物浓度亦最高（李栋梁等，2017）。因此，这里重点探究冬季天空状况和气象要素对逆温的影响。

晴天夜间辐射降温使得近地面气温下降，白天多云减弱到达地面的太阳辐射，使得近地面升温慢。云能够减弱地面的有效辐射不利于地面冷却，因此云量的多寡一定程度上影响逆温的形成及其厚度和强度（都占良等，2019）。从表2看出，晴天08：00和20：00均易出现贴地逆温，而悬浮逆温多出现在阴天；晴天逆温平均厚度最大，其次为多云天，阴天最小，而逆温强度晴天较强，多云天较弱。不同天空状况下，08：00逆温厚度大于20：00，但强度小于20：00；悬浮逆温厚度大于贴地逆温，但强度小于贴地逆温。

将地面平均风速以0.5 m·s^-1为间隔分段，统计分析不同等级风速下逆温频率、平均厚度和强度。从图4（a）看出，银川市冬季逆温频率与地面平均风速频率分布特征一致，均随风速等级呈先增后减的变化特征，当风速>1.0~1.5 m·s^-1时风速频率最高达42%，此时逆温频率亦最高，08：00、20：00逆温频率相差不大，分别为44%和46%，而小于等于0.5 m·s^-1或大于3.5 m·s^-1的风速很少出现，故此范围下极少出现逆温。08：00、20：00逆温平均强度随地面平均风速增大而减小，且后者逆温强度随风速变化幅度较前者更大，当地面风速小（大）于3.0 m·s^-1时20：00的平均逆温强（弱）于08：00[图4（b）]。以08：00、20：00逆温平均强度为基准，08：00逆温强度小于1.9 ℃·（100 m）^-1时，平均风速为1.5 m·s^-1，逆温强度大于等于1.9 ℃·（100 m）^-1时，平均风速为1.2 m·s^-1；20：00逆温强度小于3.6 ℃·（100 m）^-1时，平均风速为1.5 m·s^-1，逆温强度大于等于3.6 ℃·（100 m）^-1时，平均风速为1.1 m·s^-1。总体上，08：00逆温平均厚度随地面平均风速增大而减小，平均风速小于等于0.5 m·s^-1时逆温厚度最大；与08：00相反，20：00逆温平均厚度随地面风速增大而增大，平均风速大于3.0 m·s^-1时逆温厚度最大[图4（b）]。综上可见，当地面平均风速>1.0~1.5 m·s^-1时逆温频率最高，当地面平均风速小于等于0.5 m·s^-1时逆温最强，当地面平均风速小于等于0.5 m·s^-1（大于3.0 m·s^-1）时08：00（20：00）逆温厚度最大。

以5%为间隔，分析不同等级地面相对湿度下逆温频率、平均厚度和强度。从图5（a）看出，银川市08：00和20：00逆温频率与地面相对湿度的关系一致且值非常接近，逆温频率随相对湿度等级增大呈先升后降的变化特征，当地面相对湿度小于等于15%或大于85%时，无逆温出现；当地面相对湿度>30%~60%时，逆温出现频率相对较大，各等级逆温频率值接近，在10%~15%之间，两时刻累积频率均达74%。从图5（b）看出，逆温平均厚度随地面相对湿度变化无明显规律，而逆温平均强度整体随相对湿度增大逐渐减弱，在近地面低湿条件下逆温更强。可见，近地面相对湿度明显影响逆温出现次数，但对逆温强度影响较弱，对逆温厚度无影响。

综上所述，冬季晴天、地面风速>1.0~1.5 m·s^-1、地面相对湿度>30%~60%时，银川市大气边界层易出现逆温；风速对逆温强度和厚度影响较大，风速越小，逆温强度越强、厚度越大，而相对湿度对逆温强度影响较弱，对逆温厚度无影响。

前面分析结果表明，银川市08：00逆温出现频率明显大于20：00，故本文重点分析冬季08：00逆温厚度、强度与PM_2.5日平均质量浓度的相关性。可以看出（表略），银川市冬季08：00贴地逆温和悬浮逆温厚度、强度与PM_2.5质量浓度均呈正相关，相关系数分别为0.38、0.26、0.16和0.07，仅0.07未通过α=0.05的显著性检验，表明逆温越厚、强度越强，对近地层污染物的垂直扩散抑制作用越明显，致使污染物不断累积、质量浓度增大。

依据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）：HJ633—2012》（中国环境监测总站，2012），对2015—2020年银川市冬季以PM_2.5为首要污染物的污染日进行统计，发现近6 a银川市大气污染日数累计147 d，其中轻度污染91 d，中度污染30 d，重度污染26 d；污染天气，大气边界层出现逆温143 d，08：00和20：00均有逆温出现135 d，其中贴地逆温、悬浮逆温分别占88%、12%。可见，冬季PM_2.5污染与逆温关系密切，尤其两时刻均有逆温且为贴地逆温时易出现PM_2.5污染天气。

表3统计了银川市冬季PM_2.5不同等级污染天气下大气边界层08：00逆温频率、厚度及强度，发现当出现PM_2.5轻度污染天气时，08：00出现贴地、悬浮逆温频率分别为87%、13%，逆温平均厚度分别为596、600 m，逆温平均强度分别为1.4、1.0 ℃·（100 m）^-1；当出现PM_2.5中度污染天气时，08：00出现的逆温均为贴地逆温，逆温平均厚度与强度分别为715 m、1.5 ℃·（100 m）^-1；当出现PM_2.5重度污染天气时，08：00出现贴地、悬浮逆温频率分别为84%、16%，逆温平均厚度分别为703、311 m，逆温平均强度均为1.7 ℃·（100 m）^-1。上述分析可见，贴地逆温对PM_2.5污染天气影响较大，贴地逆温厚度超过596 m、强度超过1.4 ℃·（100 m）^-1时，易发生PM_2.5污染天气，且随着逆温厚度增大、强度增强，污染加重。

大气污染是污染物不断排放且在不利其扩散的气象条件下逐渐累积形成，主要受云量、风速、相对湿度等气象条件影响（张新科等，2021），低温、高湿、小风速、无降水天气出现高等级污染的可能性较大（黄蕾等，2020）。统计发现，银川市冬季出现PM_2.5轻度、中度、重度污染天气时，清晨天空状况为晴的占比最大，分别为62%、52%、42%，随着污染程度加重，阴的占比逐渐增大（图6），平均相对湿度分别为54%、57%、63%，平均风速均为1.3 m·s^-1。可见，银川市冬季PM_2.5污染天气，早晨多为晴天，风速较小，相对湿度一般超过54%，且随着湿度增大污染加重。

剔除沙尘污染天气，分析2015—2020年银川市平均边界层高度与PM_2.5质量浓度的逐日变化（图7），发现夏季随着边界层高度升高，PM_2.5质量浓度降低，冬季随着边界层高度降低，PM_2.5质量浓度升高，边界层高度与PM_2.5质量浓度呈显著负相关，相关系数为-0.43（通过α=0.05的显著性检验）。轻度、中度、重度污染时，边界层高度平均分别为344、321、291 m，表明随着边界层高度降低，污染加重。

为进一步揭示逆温及气象要素变化对PM_2.5污染的影响，选取2016年12月11—19日（简称“12·11”过程）、2016年12月31日至2017年1月6日（简称“12·31”过程）银川市两次典型持续污染过程，并将污染过程分为积累、持续和清除3个阶段，分析各阶段平均风速、相对湿度、逆温强度、边界层高度等要素变化特征。从表4看出，两次污染过程，积累—持续阶段平均风速逐渐减小、相对湿度和逆温强度逐渐增大、边界层高度逐渐降低，随后清除阶段逆温减弱消失、风速逐渐增大、相对湿度逐渐减小。

从两次污染过程的T-ln P图看出：“12·11”污染过程[图8（a）]，积累阶段（12月9—10日），贴地和悬浮逆温同时存在，近地层逆温强度1.2 ℃·（100 m）^-1，边界层高度280 m；持续阶段（12月11—19日），大部分时间都存在贴地逆温，且逆温强度增大，边界层高度波动降低，为260~280 m，其中19日08：00贴地逆温强度达3.2 ℃·（100 m）^-1，边界层高度260 m，19日污染最严重，PM_2.5日平均质量浓度为201 µg·m^-3，达到重度污染；清除阶段（12月20—21日），逆温减弱消失，边界层高度升高，近地面污染物浓度迅速减小，空气质量转为良。“12·31”污染过程[图8（b）]，积累阶段（2016年12月29—30日），30日08：00贴地逆温强度0.8 ℃·（100 m）^-1，边界层高度1 000 m；持续阶段（2016年12月31日至2017年1月6日），贴地逆温持续存在，边界层高度迅速降至280~320 m，其中1月3日08：00同时出现贴地和悬浮逆温，逆温强度达2.9 ℃·（100 m）^-1，边界层高度降至280 m，3日污染最严重，PM_2.5日平均质量浓度为210 µg·m^-3，达到重度污染；清除阶段（2017年1月7—9日），逆温减弱消失，边界层高度升高，近地面污染物浓度迅速下降，空气质量转为良。

综上所述，两次污染过程积累到持续阶段均存在贴地逆温，且相对湿度逐渐增加、风速逐渐减小、边界层高度降低，逆温增强时段与污染最重时段相对应，逆温层的存在增强了大气层结稳定度，为污染过程的维持和发展提供有利的气象条件；清除阶段，逆温减弱消失，相对湿度减小，风速逐渐增大。

利用2015—2020年银川气象站探空、地面气象观测资料及同期国控点空气质量监测数据，分析银川市大气边界层逆温特征与影响因素及其对冬季PM_2.5污染的影响，得到以下结论：

（1）银川市大气边界层出现的逆温多为贴地逆温，贴地逆温较悬浮逆温强度大、厚度小；与20：00相比，08：00更易出现逆温，且逆温厚度大、强度小；逆温频率和厚度冬季最大，其次为秋季，夏季最小，而逆温强度秋季最强，夏季最弱。

（2）冬季，银川市晴天大气边界层易出现贴地逆温，阴天易出现悬浮逆温，晴天逆温厚度（强度）较阴天大（强）；逆温出现时风速较小，地面平均风速为1.0~1.5 m·s^-1时逆温频率最高；地面风速越小，逆温强度越强、厚度越大；地面相对湿度为30%~60%时，逆温频率相对较高。

（3）贴地逆温是影响银川市冬季PM_2.5污染天气的主要气象因素之一，当逆温厚度超过596 m、强度超过1.4 ℃·（100 m）^-1时，易发生PM_2.5污染天气，且随着逆温厚度增大、强度增强，污染加重。出现PM_2.5污染天气时，早晨多为晴天，通常平均风速小于1.3 m·s^-1、相对湿度大于54%，且随着湿度增大污染加重。

（4）银川市大气边界层高度与PM_2.5质量浓度呈显著负相关，轻度、中度和重度污染天气下边界层高度平均分别为344、321、291 m，表明随着边界层高度降低，污染加重。两次典型持续PM_2.5污染过程分析，进一步揭示不同污染阶段边界层逆温及气象要素的变化特征，即随着风速减小、相对湿度和逆温强度增大、边界层高度降低，污染逐渐加重。

本文统计分析了银川市大气边界层逆温与气象要素特征及其对PM_2.5污染的影响，定量给出了逆温和PM_2.5污染天气的气象要素阈值，可为冬季大气污染预报预警提供一定参考，但仍需结合污染过程形成机理探讨逆温对PM_2.5污染的影响，进一步验证逆温的气象要素特征和阈值。