盆地城市地氣溫差變化特征及對顆粒物濃度的影響

王 超，肖天貴，羅 琴，吳利彬，劉雅靜，文曉航

（1.成都信息工程大學大氣科學學院；高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，四川成都 610225；2.成都市溫江氣象局，四川成都 610000）

在陸氣相互作用過程研究中，地氣溫差（Ts-Ta）是計算地表感熱通量主要指標，其正負數(shù)值的大小和變化趨勢基本上反映了地表感熱通量的變化特征[1]。感熱對于陸面和大氣邊界層熱力交換起著極為重要的作用，地面感熱通量又是低層大氣的主要熱量來源之一，直接影響了局地的邊界層結構和特征[2]，進而影響大氣湍流強弱、大氣穩(wěn)定度、混合層厚度等污染氣象參數(shù)。不同的研究學者對不同地區(qū)的感熱、地氣溫差的變化特征及其影響進行了研究[3-6]。在感熱研究方面，沈學順[7]研究發(fā)現(xiàn)，春季歐亞大陸地表的熱狀況變化對于北半球夏季大氣環(huán)流的變化和東亞季風的年代有顯著影響；張盈盈等[8]分析了春季青藏高原感熱加熱變化特征，并總結了其對印度夏季風爆發(fā)時間的影響。在地氣溫差研究方面，溫李明等[2]對比分析了我國東、西部地氣溫差的變化特征及趨勢差異；王超等[9]分析了我國西北極端干旱地區(qū)的地氣溫差的變化特征。在城市污染方面，大量研究集中在京津冀、珠三角、長三角等地區(qū)的重點城市，分析了在不同程度污染事件中，污染物濃度演變規(guī)律及其氣象要素影響等特征[10-13]，研究指出邊界層結構和特征對污染濃度影響顯著。

已有結論表明，地氣溫差對感熱通量的變化有較大影響，進而對邊界層結構和特征影響顯著，在已有污染氣象相關研究當中，多針對于降水、風、濕度等氣象要素進行討論，而顯著影響邊界層結構的地氣溫差研究相對較少；同時，相比經濟發(fā)達地區(qū)，同是灰霾高發(fā)區(qū)的四川盆地相關研究也相對較少。四川盆地位于秦嶺以南，南面緊鄰云貴高原，西部與橫斷山相接東部交接于巫山，是我國第3大盆地[14]。由于地處青藏高原背風坡，受背風坡效應影響顯著，因此盆地具有風速較低，空氣中水氣含量多、相對濕度較大、陰天和霧天較多等氣候特點，使盆地大氣層結穩(wěn)定，容易出現(xiàn)逆溫和靜風等氣象特征，不利于大氣顆粒物的擴散[15]。本文中利用成都氣象觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究成都地區(qū)地氣溫差的自然演變規(guī)律，并結合顆粒物濃度觀測數(shù)據(jù)，討論了地氣溫差與顆粒物濃度的影響作用，將會為正確認識和了解盆地地區(qū)氣候特點，合理保護和改善區(qū)域空氣質量提供科學的參考依據(jù)。

1 地氣溫差分布特征

本文中利用收集到四川省成都市2010—2014年逐小時地表溫度（Ts）、氣溫（Ta），和成都2013—2014年逐小時PM10、PM2.5質量濃度數(shù)據(jù)，對成都地區(qū)地氣溫差的變化特征及其對顆粒物影響經行了分析。

圖1為成都市2010—2014年地氣溫差、氣溫、地表溫度的總體分布特征圖。圖1a為成都市地氣溫差總體分布直方圖，從圖中可以看出，成都的地氣溫差主要集中在0.3～1.2℃區(qū)間內，出現(xiàn)頻率高達54.75%；通過計算，成都該5年的地氣溫差平均為2.01℃，標準差為3.69℃。

圖1 溫度的總體分布特征Fig.1 Distribution of temperature

圖1b、c分別為成都市氣溫和地表溫度的總體分布直方圖。從圖中可以看出，氣溫和地表溫度較地氣溫差分布均勻，計算得出成都市連續(xù)5年的氣溫和地表溫度平均溫度分別為16.35、18.36℃，兩者標準差分別為7.95、9.77℃，結果見表1。從平均值的角度來看，地表溫度是高于的氣溫的，所以計算出的地氣溫差為正，表明地表總的效果是加熱大氣，但對溫差日變化分析，也發(fā)現(xiàn)地氣溫差為負情況，占到樣本數(shù)的21.58%，溫差為負的情況多發(fā)生在夜間。成都地區(qū)觀測的地氣溫差最大值可達28.9℃，最小值為-5.4℃。各溫度出現(xiàn)的極值大小和對應的地表溫度和氣溫情況詳見表1，相比較于地表溫度和氣溫，地氣溫差的方差較小，表明溫差變化幅度較小，而地表溫度的變化變化最為劇烈。

表1 地氣溫差、氣溫、地表溫度的統(tǒng)計參數(shù)特征Tab.1 Statistical property of Ta-Ts，Ta，Ts ℃

2 地氣溫差變化特征

2.1 溫差年際變化、年變化特征

圖2為成都市連續(xù)5年地氣溫差年際變化特征圖。圖2a為地氣溫差年際變化圖，從圖中可以看出，地氣溫差的年際變化，其中2013年的地氣溫差最大，為2.22℃，2011年的最小，為1.85℃。5年地氣溫差有增加趨勢，對其分析發(fā)現(xiàn)地表溫度和其氣溫均有增加趨勢，但前者增加更快，導致地氣溫差增加，該結論與其他城市地氣溫差變化一致[5，16]。

圖2 溫差變化特征Fig.2Variations of（Ta-Ts）

圖2b為地氣溫差的年變化曲線。從中可以看出，成都市地氣溫差最大值在4月份，為3.41℃，在11月份地氣溫差達到最小，為1.03℃。地氣溫差的年變化特征與氣溫、地表溫度的變化趨勢有所差異，氣溫的年變化，大致呈以8月為軸的軸對稱分布，在8月達到最大值，為25.61℃，1月氣溫最小，為5.41℃；地表溫度年變化趨勢和氣溫一致，均以8月為軸對稱分布，在8月達到最大值，為28.10℃，1月份為最小值，為6.80℃。因為地氣溫差表征的是地面溫度與氣溫的差值，夏季氣溫高，地表溫度同時也高，所以夏季并不是最大地氣溫差出現(xiàn)的季節(jié)。春季地表溫度上升，但氣溫增溫速度較慢，導致地氣溫差最大；冬季雖然氣溫和地表溫度均為最低的季節(jié)，但秋季地表溫度降低時，氣溫降溫速度較慢，導致秋季地氣溫差最小。

利用三次多項式擬合公式對成都地氣溫差年變化特征進行模擬，擬合公式為y=0.008 9 x3-0.217 4 x2+1.424 0 x+0.030 2，利用相關系數(shù)（r）和均方根誤差（R）對擬合公式進行檢驗，其相關系數(shù)為0.91，均方根誤差為0.28，表明該擬合公式可以較好的模擬成都地區(qū)地氣溫差的年變化特征。

2.2 溫差季節(jié)變化、日變化特征

圖3a為成都市2010—2014年地氣溫差季節(jié)變化柱狀圖。從圖中可以看出，成都市平均地氣溫差最大值在春季，平均值為2.86℃；其次為夏季，其值為2.37℃。其間地氣溫差最小的季節(jié)在秋季，為1.36℃，冬季地氣溫差也較小，但略高于秋季，為1.45℃。

圖3b為2010—2014年成都市地氣溫差日變化特征圖。分布特征大致呈以14時為軸的軸對稱分布，變化范圍在0.08～7.36℃之間，夜間地氣溫差變化幅度很小。地氣溫差的小時平均溫度最小值出現(xiàn)在24時，為0.08℃；最大值出現(xiàn)在14時，為7.36℃。

圖3 成都市地氣溫差變化特征Fig.3Seasonal and diurnal variation of（Ta-Ts）

利用分段擬合的方式模擬成都地區(qū)地氣溫差日變化特征，即第1段1～6時，第2段7～19時，第3段20～24 時，其公式為

同樣利用r和R對擬合公式進行檢驗，其相關系數(shù)和均方根誤差分別為0.96、0.73，表明分段擬合公式可以較好地模擬成都地區(qū)地氣溫差的日變化特征。

圖4 成都市4個季節(jié)各溫度日變化特征圖Fig.4 Diurnal variation of temperature in four seasons

圖4為地氣溫差、地表溫度、氣溫分別在春、夏、秋、冬4個季節(jié)的日變化特征。如圖所示，4個季節(jié)變化趨勢相似，均以14時為軸的對稱分布，1～6時地表溫度與氣溫溫度接近，7～14時地表溫度逐漸高于氣溫，在14時附近到達地氣溫最大值，然后逐漸減小，到了20時以后溫差變化幅度減小，持續(xù)到第2天日出。各個季節(jié)地氣溫差日變化最大值分別為11.15、7.79、4.51、6.23 ℃，最小值分別為-0.17、0.14、0.29、-0.07℃。不同季節(jié)地氣溫差變化幅度不同，其中春季和冬季地氣溫差變化幅度較大，夏季和秋季變化幅度較小。地表溫度和氣溫日變化并不對稱，同時氣溫變化延遲于地表溫度變化，且變化幅度更小，從而使得溫差日變化出現(xiàn)對稱變化的日變化特征。

3 地氣溫差對顆粒物濃度的影響

通過對成都市顆粒物質量濃度的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在2013—2014年成都市PM10和PM2.5的年平均質量濃度值分別為135.58、89.09 μg/m3，其均方差分別為104.11、69.79 μg/m3，對其分布特征進行了初步分析（見圖5）。

圖5a為成都市PM10的分布直方圖，其質量濃度主要集中在0～150 μg/m3之間，約占整年的80%，其中在50～100 μg/m3區(qū)間尤為突出，約占35%；圖5b為成都市 PM2.5的分布直方圖，PM2.5主要集中在 0～100 μg/m3，約占全年的85%，分布頻率最高出現(xiàn)在20～60 μg/m3之間約占了全年48%。參考國家發(fā)布的《環(huán)境空氣質量標準》，其中對全年顆粒物質量濃度的二級標準（PM10:70μg/m3，PM2.5:35 μg/m3），成都地區(qū) PM10、PM2.5相對于二級標準分別超標93.69%、154.54%，表明成都地區(qū)顆粒物污染情況相對嚴重。

由于地氣溫差直接影響到邊界層結構和特征，因此為了更好地突出地氣溫差與顆粒物質量濃度之間的關系，把地氣溫差從-4.5℃開始劃分，每1.5℃為一個區(qū)間，統(tǒng)計到28.5℃為止，共計22個區(qū)間，分區(qū)間的對顆粒物質量濃度進行討論。

圖6為不同地氣溫差區(qū)間上顆粒物質量濃度分布區(qū)間散點圖。其中X軸為地氣溫差的統(tǒng)計區(qū)間，Y軸所對應區(qū)間出現(xiàn)的顆粒物質量濃度。

圖5 顆粒物質量濃度分布特征Fig.5 Distribution of particle concentration

圖6 不同地氣溫差區(qū)間顆粒物質量濃度散點圖Fig.6 Scatter plot of particle concentration in each temperature range

圖6a、b分別為PM10和PM2.5在不同區(qū)間的質量濃度分布圖，從圖中可明顯發(fā)現(xiàn)，顆粒物在地氣溫差較小的區(qū)間1—8區(qū)間（-4.5～7.5℃），顆粒物質量濃度偏大；當溫差越大，9—22區(qū)間（7.5～28.5 ℃），污染物質量濃度逐漸減小。這是由于當?shù)貧鉁夭钇髸r，往往對應的是中午時間，此時下墊面對大氣加熱作用最強，邊界層高度偏高，邊界層湍流活躍[17-18]，有利于在水平和垂直方向上顆粒物的傳輸和擴散，因此觀測到的顆粒物質量濃度偏低。值的注意的是，地氣溫差僅是影響顆粒物濃度的一方面因素，濃度變化還受人類生產生活、排放源強度、降水等多種因素有關，還需要綜合考慮。

4 結論

地氣溫差對陸氣能量交換、邊界層結構、以及污染擴散等方面有著重要影響。

1）成都市平均地氣溫差為2.01℃，連續(xù)5 a有逐漸遞增的趨勢，溫差年變化最大時出現(xiàn)在4月，最小時出現(xiàn)在11月，三次多項式擬合對溫差的年變化擬合的效果較好。

2）溫差的日變化明顯，大致關于14時對稱分布，分段擬合可以較好地模擬出成都溫差的日變化特征。

3）成都市顆粒物污染明顯，PM10、PM2.5年平均值分別為 135.58、89.09 μg/m3，地氣溫差偏小時，容易出現(xiàn)較大質量濃度。

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