基于地面觀測數據的重慶主城區(qū)通風量定量分析

姜 平 ，劉曉冉， 孫 佳 ，王 穎 ，李永華

(1.重慶市氣候中心，重慶 401147；2.中山大學季風與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275)

引 言

通風量也被稱為通風系數或通風指數，是單位時間單位面積空氣的流量，是描述邊界層內大氣對污染物稀釋擴散能力的參數，反映大氣在動力與熱力的綜合作用下對大氣污染物的清除及擴散能力，能夠指示某一地區(qū)的空氣質量和污染潛勢[1-2]。一般來說，某一地區(qū)通風量越大，大氣對污染物的擴散能力越強，該地區(qū)的空氣質量越好; 通風量越小，大氣對污染物的擴散能力越弱，該地區(qū)的空氣質量越差[3-6]。另外通風量的大小對大氣環(huán)境容量和大氣自凈能力造成一定影響[7-8]。目前，通風量被廣泛地應用于大氣污染氣象條件分析、大氣環(huán)境承載力評估、城市通風廊道構建等生態(tài)環(huán)境研究及城市規(guī)劃領域[9-14]。

早在1989年，國內就有研究基于探空資料分析通風量的時空分布特征，發(fā)現我國低通風量區(qū)以四川盆地為中心，高通風量區(qū)則以西北地區(qū)為中心[7]。之后李博等[15]、賀千山等[16]分別基于模式輸出結果、雷達資料等分析了蘭州、北京等不同地區(qū)通風量的季節(jié)變化和日變化特征。重慶地處四川盆地東部，受地理條件影響，近地面風速較小，氣候基準態(tài)的平均風速不足2 m·s-1。早期的觀測研究指出重慶的日平均通風量只有1038.0 m2·s-1[7]，明顯小于其他地區(qū)。蘇秋芳等[17]對四川盆地在干、濕西南渦系統(tǒng)下的通風量特征進行了分析，相關成果可為特定天氣背景下的大氣污染預警提供科學依據。但總體而言，針對重慶地區(qū)通風量本身多時間尺度變化特征的研究還比較少[18-22]。

本文以重慶市主城區(qū)為研究對象，采用地面氣象觀測站資料，對通風量進行估算，并且從氣候統(tǒng)計的角度分析通風量及與之密切聯系的混合層高度、大氣穩(wěn)定度和混合層平均風速的多時間尺度變化特征，以期為大氣污染氣象條件分析、大氣環(huán)境承載力評估、區(qū)域空氣質量預報服務、城市通風廊道構建等提供參考依據。

1 數據與方法

1.1 數 據

選取探測環(huán)境未發(fā)生較大改變且資料均一性較好的沙坪壩國家地面基本氣象觀測站(圖1)代表重慶主城區(qū)，采用總云量、低云量、風速等氣象要素對通風量進行估算。資料時間范圍是1989年1月1日至2018年12月31日，時間分辨率為6 h。其中2007年1月1日至2008年12月31日的時間分辨率為1 h，主要用于通風量的日變化分析。

圖1 重慶市主城區(qū)沙坪壩國家級地面氣象觀測站位置(填色為海拔高度，單位：m)Fig.1 The location of Shapingba national ground meteorological observation station in Chongqing main city zone (the shaded for altitude, Unit: m)

1.2 方 法

通風量VE(m2·s-1)可用大氣混合層內水平風速在垂直方向的積分來表示，其數學表達式如下：

通風量可利用觀測資料計算得到。其中一種方法是基于探空資料，通過確定水平風場和溫度的垂直廓線來估算通風量[23-25]，這種方法一般較為準確，但只適用于具有高空探測的特定地點。另一種方法是基于常規(guī)地面數據的通風量估算，這種方法采用一系列的物理近似，在綜合考慮大氣功能分區(qū)、太陽輻射等級、大氣穩(wěn)定度等級、混合層厚度等因素的前提下，確定邊界層通風量[26]。相對而言，后一種方法對空間地點的要求較低，具有更廣的空間覆蓋。

2 結果分析

2.1 重慶主城區(qū)通風量年際及年代際變化

圖2為1989—2018年重慶主城區(qū)通風量年際變化、年平均通風量的M-K檢驗和功率譜分析，以及大氣不穩(wěn)定類占比、混合層高度和混合層平均風速的年際變化。可以看出，重慶主城區(qū)通風量的多年平均值為1.5×103m2·s-1，該結果與張?zhí)煊畹萚18]采用類似方法計算的通風量結果相當，但稍大于徐大海等[7]采用探空資料計算的結果。重慶主城區(qū)年平均通風量在2003年發(fā)生轉折。1989—2002年，通風量位于較高水平，多年平均值約1.7×103m2·s-1，但通風量減少趨勢明顯，減少速率約50 m2·s-1·a-1。2003—2018年，通風量持續(xù)位于較低水平，多年均值不到1.3×103m2·s-1，明顯低于2003年之前。但近10 a，重慶主城區(qū)通風量有增加趨勢。重慶主城區(qū)年平均通風量具有準2～3 a的振蕩周期。不同季節(jié)，通風量的年際變化基本一致，但振蕩強度有所差異，夏季振蕩幅度最大，秋季和冬季相對較小。

圖2 1989—2018年重慶主城區(qū)通風量年際變化(a)、年平均通風量的M-K檢驗(b)和功率譜分析(c)，以及大氣不穩(wěn)定類占比(d)、混合層高度(e)和混合層平均風速(f)的年際變化Fig.2 The inter-annual variations of ventilation quantity (a), M-K test (b) and power spectrum (c) of annual mean ventilation quantity, and annual variation of percentage of atmospheric instability types (d), mixed layer height (e) and mixed layer mean wind speed (f) in Chongqing main city zone during 1989-2018

通風量與大氣穩(wěn)定度、大氣混合層高度和混合層平均風速密切相關。一般來說，大氣越不穩(wěn)定，邊界層湍流交換和垂直混合越強，混合層高度越高，如果混合層平均風速也較大，則通風量較大。不管是年平均還是季節(jié)平均，大氣不穩(wěn)定類(強不穩(wěn)定、不穩(wěn)定和弱不穩(wěn)定3類合計)占比與混合層高度年際變化均較一致，呈略微上升趨勢，體現了兩者的直接聯系?；旌蠈悠骄L速在1996年前后出現明顯差異，1989—1996年及1996—2018年期間其均值分別為1.58和1.83 m·s-1。在年代際尺度上，通風量與混合層高度、混合層平均風速的變化并不一致，可能與大尺度背景場的氣候變化有關。在年際變化上，年平均大氣不穩(wěn)定類占比與混合層高度顯著相關，兩者相關系數為0.38(通過α=0.05的顯著性檢驗)，表明大氣穩(wěn)定度與混合層高度存在密切聯系。然而，年平均混合層高度、混合層風速與通風量的相關均不顯著。季節(jié)平均上，大氣穩(wěn)定度、混合層高度和混合層風速與通風量的相關性與年平均基本一致。重慶主城區(qū)的通風量以及大氣穩(wěn)定度、混合層高度和混合層風速的年際變化，仍然需要從大氣內部自身變率以及外部強迫(如下墊面的改變等)尋求可能的成因。

2.2 重慶主城區(qū)通風量季節(jié)變化

圖3為1989—2018年重慶主城區(qū)通風量、大氣不穩(wěn)定類占比、混合層高度和混合層平均風速的月變化?？梢钥闯?，通風量與大氣不穩(wěn)定類占比、混合層高度、混合層平均風速的月變化基本一致。大氣不穩(wěn)定類占比與混合層高度、通風量與混合層高度、通風量與混合層平均風速的相關系數分別為0.95、0.99和0.98，均通過α=0.01的顯著性檢驗。通風量夏半年明顯大于冬半年，峰值出現在8月，為2.12×103m2·s-1，谷值出現在1月，不到1.3×103m2·s-1。產生這種季節(jié)差異的原因可能與太陽輻射的季節(jié)變化有關。夏半年太陽輻射強，地面加熱導致大氣更容易出現不穩(wěn)定狀態(tài)，導致邊界層垂直混合更強，混合層高度更高，混合層風速更為均勻且接近邊界層上層風速，這些作用共同促使通風量增大。

圖3 1989—2018年重慶主城區(qū)通風量(a)、大氣不穩(wěn)定類占比(b)、混合層高度(c)和混合層平均風速(d)的月變化Fig.3 Monthly variations of ventilation quantity (a), percentage of atmospheric instability types (b), mixed layer height (c) and mixed layer mean wind speed (d) in Chongqing main city zone during 1989-2018

然而，重慶地區(qū)的通風量在6月存在低值拐點，這可能與降水的影響有關。重慶降水6月達到最大，與降水相聯系的天氣系統(tǒng)或天氣現象(例如云層)可能會減弱太陽短波輻射，抑制地面加熱，使大氣趨向穩(wěn)定，從而減弱邊界層的垂直混合，使混合層高度降低。近地面空氣因垂直混合減弱不能與上層空氣充分混合，使混合層平均風速降低，這些作用導致重慶地區(qū)6月的通風量較小。

2.3 重慶主城區(qū)通風量日變化

圖4為2007—2008年重慶主城區(qū)通風量、大氣不穩(wěn)定類占比、混合層高度和混合層平均風速的日變化?？梢钥闯觯昶骄L量存在明顯的日變化特征。日出后，通風量明顯增加，14:00(北京時，下同)達到峰值，約為2.0×103m2·s-1，直至20:00左右維持一個較高水平。年平均通風量與年平均混合層高度的日變化顯著相關，相關系數達0.94，通過α=0.01的顯著性檢驗?；旌蠈釉?2:00—17:00充分發(fā)展，其高度夏季可達1000 m?；旌蠈痈叨鹊娜兆兓c地面加熱有關，沙坪壩站近地面氣溫午后迅速升高，并在16:00達到峰值(圖略)。該時間段內，邊界層熱力作用明顯并充分混合，混合層高度處于較高水平。大氣不穩(wěn)定度類占比也存在類似的日變化?；旌蠈悠骄L速峰值出現時間較混合層高度滯后，并能維持到20:00。日落之后，雖然地面加熱少，但重慶特有的丘陵河谷地形使得熱量難以散去，尤其是在夏季，高溫往往能夠持續(xù)到午夜。這種情況下，邊界層的垂直混合仍然存在，近地面空氣在獲得上層空氣動量后明顯加速，使得混合層平均風速處于一個較高水平。在混合層高度和混合層平均風速的作用下，通風量產生了顯著的日變化特征。

圖4 2007—2008年重慶主城區(qū)通風量(a)、大氣不穩(wěn)定類占比(b)、混合層高度(c)和混合層平均風速(d)的日變化Fig.4 Diurnal variations of ventilation quantity (a), percentage of atmospheric instability types (b), mixed layer height (c) and mixed layer mean wind speed (d) in Chongqing main city zone during 2007-2008

春、夏、秋、冬4個季節(jié)的通風量、大氣不穩(wěn)定度類占比、混合層高度和混合層平均風速的日變化特征和年平均的日變化較為一致。

3 結論和討論

(1)重慶地處四川盆地東部丘陵河谷區(qū)，氣候條件不利于大氣污染物的擴散。近30 a，重慶主城區(qū)通風量階段性變化明顯，2003年以前位于一個較高水平，并具有明顯的減少趨勢；2003年以后位于較低水平，且有增加趨勢。四季的年代際變化與年平均基本一致。

(2)重慶主城區(qū)通風量具有2～3 a的振蕩周期。在不同季節(jié)，通風量的年際振蕩強度有所差異，夏季振蕩幅度最大，秋季和冬季相對較小。

(3)重慶主城區(qū)通風量與混合層高度和混合層平均風速顯著相關。通風量的季節(jié)差異明顯，夏季最大，冬季最小。該變化可能主要由太陽輻射和當地降水的季節(jié)變化引起。

(4)重慶主城區(qū)通風量的日變化與混合層高度及混合層平均風速基本一致，在午后達到最大，甚至能維持到傍晚。這些變化可能受地面加熱以及邊界層垂直混合狀況所控制。

基于地面觀測數據計算的通風量，常采用多種近似，如風速隨高度變化的指數律中切變指數的近似等，這些直接導致計算結果的不確定性。比如日變化的計算結果表明，混合層可以在晚上出現，并且達到幾百米的高度，這可能與重慶地區(qū)夜間邊界層的實際情況存在出入。因此，文中所依據的國家標準《大氣自凈能力等級》[29]中通風量的計算方法是否在重慶本地適用，需后續(xù)采用更多的觀測資料(如探空廓線等)進行驗證。

本文側重于分析重慶主城區(qū)通風量及與之密切聯系的混合層高度、大氣穩(wěn)定度和混合層平均風速的多時間尺度變化特征，然而對造成其變化的主要原因涉及較少。例如，重慶主城區(qū)通風量在2003年前后發(fā)生轉折且具有2～3 a振蕩周期等的主要原因目前還不清楚，后續(xù)工作需聯系重慶氣候實際，進行歸因分析。

通風量反映大氣在動力與熱力綜合作用下對大氣污染物的清除及擴散能力，能夠在一定程度上指示某一地區(qū)的空氣質量和污染潛勢。不少研究都將通風量與環(huán)境空氣質量指標(如AQI)聯系起來，分析大氣環(huán)境承載力、大氣自凈能力等的長時間變化特征[8,18,20]。然而，重慶地形復雜，立體氣候顯著，不同地區(qū)通風量可能存在明顯差異，今后研究需針對不同的地域特征，結合更多更全面的環(huán)境監(jiān)測數據，深入分析通風量與空氣質量的關聯，從而為地方空氣質量預報服務以及城市通風廊道規(guī)劃等提供參考依據。