基于格點(diǎn)資料的四川大氣混合層高度特征及與空氣質(zhì)量的關(guān)系

成 翔 , 耿 蔚 , 趙曉莉 , 曹 楊

（四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，成都 610072）

引言

地面與自由大氣的物質(zhì)和能量交換一直是大氣邊界層物理的重要問題。邊界層高度是大氣邊界層的重要參數(shù)，如何方便有效地確定邊界層高度并準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)其變化過程，對(duì)空氣污染物的擴(kuò)散，傳輸模式以及污染物預(yù)報(bào)模式都具有十分重要的意義[1]。理論上邊界層高度與地面熱通量、風(fēng)、溫度、濕度廓線有關(guān)[2]。作為大氣邊界層的一種重要表現(xiàn)形式，混合層定義為湍流特征不連續(xù)界面以下的大氣，表征污染物在垂直方向被湍流稀釋的范圍[3]，其對(duì)大氣質(zhì)量評(píng)估和污染物的存量以及分布起著重要的作用[4]。李夢(mèng)等[5]分析了大氣混合層高度變化特征及其與細(xì)顆粒污染物的關(guān)系，其結(jié)論可為區(qū)域大氣污染防治和研究提供參考。楊靜等[6]研究了烏魯木齊2001～2008年大氣混合層高度和大氣穩(wěn)定度與空氣污染的關(guān)系。程水源等[7]分析了大氣混合層高度的特點(diǎn)及應(yīng)用前景，討論了大氣混合層高度在環(huán)境保護(hù)中的作用。大多數(shù)大氣混合層高度方面的研究是基于地面氣象站和探空站觀測(cè)數(shù)據(jù)，但由于測(cè)站站點(diǎn)分布稀疏，且部分氣象要素非連續(xù)觀測(cè)，導(dǎo)致利用地面站或者探空站觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的大氣混合層高度具有一定的時(shí)空局限性。CLDAS資料由目前國內(nèi)陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)領(lǐng)域運(yùn)行的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供，它融合了大量實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)、接近真實(shí)大氣狀態(tài)的大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)以及陸面模式產(chǎn)品，具有較高的時(shí)空分辨率[8]。

四川省位于中國西南地區(qū)內(nèi)陸，地貌東西差異大，地形復(fù)雜多樣，位于地勢(shì)三大階梯中的第一級(jí)青藏高原和第三級(jí)長(zhǎng)江中下游平原之間的過渡地帶，高差懸殊，地勢(shì)呈西高東低的特點(diǎn)。四川盆地人口稠密，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，城市化水平較高，地理位置、氣候條件等因素造成污染物容易在盆地內(nèi)累積，不易稀釋擴(kuò)散[9?11]。

關(guān)于四川省大氣混合層高度變化對(duì)空氣質(zhì)量影響的研究大多是以站點(diǎn)資料為主，存在時(shí)間不連續(xù)、站點(diǎn)數(shù)量有限、空間分布不均勻等缺點(diǎn)[12?15]。本文基于CLDAS格點(diǎn)資料利用羅氏法計(jì)算四川省大氣混合層高度，分析其時(shí)空分布特征，并結(jié)合環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析大氣混合層高度變化與空氣質(zhì)量的關(guān)系，以期應(yīng)用CLDAS資料宏觀、全面地分析四川省大氣混合層高度分布、變化規(guī)律以及對(duì)污染的影響，為四川省大氣污染防治和研究提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料介紹

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)資料來源于中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站2018年1月1日～2020年12月31日的四川省空氣污染物濃度小時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO等污染物的質(zhì)量濃度。四川省內(nèi)設(shè)有106個(gè)大氣環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，除去作為對(duì)照用的清潔站和因搬遷等其他因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整的站點(diǎn)共計(jì)22個(gè)，本文用到的站點(diǎn)共有84個(gè)。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)其進(jìn)行了質(zhì)量控制，剔除了包括缺測(cè)、異常值以及僵值等問題數(shù)據(jù)。

全國智能網(wǎng)格實(shí)況融合分析產(chǎn)品（CLDAS）是氣象資料質(zhì)量控制及多源數(shù)據(jù)融合與再分析產(chǎn)品，融合了地面站、雷達(dá)以及衛(wèi)星等多源資料的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為1h，空間分辨率為5km×5km。本文所用資料為國家氣象信息中心提供的2018年1月1日～2020年12月31日CLDAS實(shí)況數(shù)據(jù)，包括風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、云量等氣象要素。

1.2 大氣混合層高度計(jì)算方法介紹

羅氏法是Nozaki等在1973年提出的一種利用地面氣象資料估算大氣混合層高度的方法。該方法考慮到大氣混合層是由熱力和機(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16?19]。因此，可用地面氣象參數(shù)來估算大氣混合層高度，并提出計(jì)算公式如下：

公式(1)中L為大氣混合層高度，（T?Td）為露點(diǎn)溫度差，P為帕斯奎爾穩(wěn)定度級(jí)別（大氣穩(wěn)定度級(jí)別為A～F，此時(shí)P的對(duì)應(yīng)取值為1～6），Uz為Z高度觀測(cè)到的平均風(fēng)速，在本文中使用10m風(fēng)，Z0為地面粗糙度。由于四川省的大氣環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)觀測(cè)站點(diǎn)基本位于市區(qū)內(nèi)，為了分析空氣污染物與大氣混合層高度之間的關(guān)系，本文中Z0統(tǒng)一采取市區(qū)值0.8m，f為地轉(zhuǎn)參數(shù)。

2 四川省大氣混合層高度的時(shí)空分布特征

2.1 空間分布

利用2018年1月1日～2020年12月31日CLDAS逐小時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算得到四川省平均大氣混合層高度，如圖1所示。四川省大氣混合層高度的空間分布特征為西高東低，盆地地區(qū)的平均大氣混合層高度在1000m左右，攀西地區(qū)和川西高原的平均大氣混合層高度在1800m左右。根據(jù)羅氏法計(jì)算公式（見公式(1)）可知，影響大氣混合層高度的因子有露點(diǎn)溫度差、大氣穩(wěn)定度、10m平均風(fēng)速以及地面粗糙度，其中大氣穩(wěn)定度起決定性因素。湍流的交換程度主要受大氣穩(wěn)定度影響，進(jìn)而影響大氣混合層的高度。當(dāng)大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，湍流活動(dòng)不顯著，導(dǎo)致大氣混合層高度較低。另一個(gè)影響大氣混合層高度的氣象因子是風(fēng)速，風(fēng)產(chǎn)生于氣壓梯度力，而氣壓梯度力主要是由于溫度的差異造成的。一般來說，兩團(tuán)空氣相遇，由于冷氣團(tuán)密度更大，空氣會(huì)從冷氣團(tuán)流向暖氣團(tuán)，這就形成了風(fēng)。冷氣團(tuán)將暖氣團(tuán)抬升，會(huì)導(dǎo)致大氣混合層高度增加。川西高原和攀西地區(qū)受地理位置和氣候條件影響，地面風(fēng)速較大，且明顯大于盆地地區(qū)，因此造成了四川省大氣混合層高度西高東低的空間分布特征。

圖1 2018年1月1日～2020年12月31日四川省大氣混合層高度的空間分布（單位：m）

2.2 季節(jié)分布

圖2為四川省大氣混合層高度季節(jié)分布，盆地地區(qū)與攀西地區(qū)、川西高原的春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12月～次年2月）大氣混合層高度有所不同。盆地地區(qū)大氣混合層高度排序?yàn)榇杭荆径荆鞠募荆厩锛?，主要因?yàn)榕璧氐貐^(qū)冬春季寒冷且風(fēng)速大，夏秋季多云少晴，冬春季大氣穩(wěn)定度要低于夏秋季，致使冬春季的大氣混合層高度高于夏秋季。攀西地區(qū)和川西高原的大氣混合層高度普遍較高，四季的平均大氣混合層高度排序一致為：冬季＞春季＞秋季＞夏季。由于川西高原屬于高原山地氣候類型，全年風(fēng)速變化不顯著，冬春季少云且相對(duì)濕度和溫度較低，造成川西高原冬春季大氣混合層高度較高。攀西地區(qū)屬于南亞熱帶亞濕潤(rùn)氣候，具有夏季長(zhǎng)、溫度日變化大，冬春季幾乎沒有云層覆蓋、日照多、太陽輻射強(qiáng)等特點(diǎn)，冬春季的晝夜溫差大，造成攀西地區(qū)的冬春季大氣混合層高度較高。

圖2 2018年1月1日～2020年12月31日四川省大氣混合層高度的季節(jié)分布（a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季，單位：m）

2.3 月變化

四川省盆地地區(qū)、川西高原和攀西地區(qū)的大氣混合層高度月變化曲線如圖3所示。盆地地區(qū)的大氣混合層高度變化趨勢(shì)呈“雙峰型”。1月開始，盆地地區(qū)的大氣混合層高度呈上升趨勢(shì)，到4月出現(xiàn)第一個(gè)峰值（1300m），隨后4～7月大氣混合層高度逐漸下降，8月出現(xiàn)第二個(gè)峰值（1100m）后繼續(xù)下降至800m，而后又緩慢攀升。川西高原和攀西地區(qū)的大氣混合層高度月均變化曲線呈“V”型，最低值出現(xiàn)在9月。

圖3 2018年1月1日～2020年12月31日四川省大氣混合層高度的月變化（單位：m）

以成都市2020年7～9月為例，分析了8月出現(xiàn)第二個(gè)峰值的原因。由公式(1)可知，影響大氣混合層高度的氣象要素包括大氣穩(wěn)定度、露點(diǎn)溫度、氣溫和風(fēng)速。如表1所示，成都市7～9月的云量差異不顯著，8月平均風(fēng)速和露點(diǎn)溫度高于7月和9月，但氣溫低于7月和9月，因此導(dǎo)致8月的大氣混合層高度明顯高于7月和9月。

表1 成都市2020年7～9月氣象要素均值

2.4 日變化

如四川省四季大氣混合層高度的日變化曲線圖所示（圖4），大氣混合層高度的四季日變化趨勢(shì)基本一致，為單峰型。從00～08時(shí)大氣混合層高度逐漸降至最低，隨后逐漸增加，15時(shí)達(dá)到最大值，之后大氣混合層高度逐漸減小。這種變化趨勢(shì)主要受太陽輻射影響，日出后太陽輻射增強(qiáng)，大氣湍流活動(dòng)隨之增強(qiáng)，大氣穩(wěn)定度降低，大氣混合層高度增加，午后太陽輻射達(dá)到最大值，與大氣混合層高度的峰值對(duì)應(yīng)。

圖4 2018年1月1日～2020年12月31日四川省大氣混合層高度的日變化（a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季，單位：m）

將盆地、攀西地區(qū)和川西高原的四季大氣混合層高度日變化作對(duì)比，可以看出攀西地區(qū)和川西高原全天的大氣混合層高度比盆地的更高，冬季最為顯著。

3 大氣混合層高度與空氣質(zhì)量的關(guān)系

利用2018年1月1日～2020年12月31日空氣質(zhì)量實(shí)況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)其作為首要污染物出現(xiàn)的頻率（見表2），四川省大氣污染物主要以PM2.5和O3為主[20]，兩種污染物占比達(dá)90%左右。盆地地區(qū)PM2.5占比最高，達(dá)到了88%；攀西地區(qū)PM2.5占比最低，為68%。

表2 四川省各地區(qū)PM2.5和O3作為首要污染物出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)

3.1 大氣混合層高度與臭氧污染的關(guān)系

為了研究大氣混合層高度與O3質(zhì)量濃度的變化關(guān)系，本文選取2019年8月10日～17日成都市的一次O3污染過程為例進(jìn)行分析。利用O3質(zhì)量濃度日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均與大氣混合層高度日均值進(jìn)行對(duì)比分析。如圖5所示，O3質(zhì)量濃度與大氣混合層高度的變化趨勢(shì)基本一致，兩者相關(guān)系數(shù)為0.82，呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這是由于大氣混合層高度和O3質(zhì)量濃度均受太陽輻射影響：太陽輻射到地面，地面溫度升高，導(dǎo)致垂直方向發(fā)生對(duì)流和湍流，因而大氣混合層高度升高；O3是O2、NOx和揮發(fā)性有機(jī)物在太陽輻射下反應(yīng)形成的二次污染物，太陽輻射決定光化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生。

圖5 成都市2019年8月10～17日O3質(zhì)量濃度與大氣混合層高度變化

3.2 大氣混合層高度與PM2.5污染的關(guān)系

選取成都市2020年12月18～29日的一次PM2.5污染過程為例，分析PM2.5質(zhì)量濃度和大氣混合層高度的變化趨勢(shì)。如圖6所示，PM2.5質(zhì)量濃度和大氣混合層高度的相關(guān)系數(shù)為?0.86，呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。從2020年12月19日開始，大氣混合層高度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，不利于污染物在垂直方向上的稀釋和擴(kuò)散，細(xì)顆粒污染物不斷累積，PM2.5質(zhì)量濃度逐漸升高；12月27日，大氣混合層高度降至488m，導(dǎo)致PM2.5質(zhì)量濃度急劇攀升至178μg/m3；12月29日，由于冷空氣進(jìn)入，大氣混合層高度升至1756m，污染物濃度也從185μg/m3下降至31μg/m3。由此可見，大氣混合層高度對(duì)于PM2.5質(zhì)量濃度的變化有直接影響。

圖6 成都市2020年12月18～29日PM2.5質(zhì)量濃度與大氣混合層高度變化

4 結(jié)論

本文利用2018年1月1日～2020年12月31日的CLDAS格點(diǎn)資料和大氣環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)資料，分析四川省大氣混合層高度時(shí)空分布特征及大氣混合層高度變化與空氣質(zhì)量的關(guān)系，結(jié)論如下：

（1）受地理位置和氣候條件影響，四川省大氣混合層高度分布呈西高東低特征，盆地地區(qū)的大氣混合層高度低于攀西地區(qū)和川西高原。

（2）四川盆地與攀西地區(qū)、川西高原的大氣混合層高度季節(jié)變化有顯著性差異，盆地春季大氣混合層高度最高，秋季最低；而攀西地區(qū)、川西高原秋季最高，夏季最低。四川省各地區(qū)的大氣混合層高度月變化基本一致，盆地地區(qū)的大氣混合層高度月變化呈雙峰型，峰值分別出現(xiàn)在4月和8月。攀西高原和川西地區(qū)的大氣混合層高度月變化呈“V”型，最低值出現(xiàn)在9月。

（3）四川省各地區(qū)大氣混合層高度日變化趨勢(shì)基本一致，均呈單峰型，從08時(shí)左右大氣混合層高度逐漸增加，15時(shí)達(dá)到當(dāng)天最大值，然后又呈下降趨勢(shì)。這種變化規(guī)律主要受太陽輻射影響。

（4）四川省大氣混合層高度與PM2.5和O3兩種主要污染物的相關(guān)性較為明顯，大氣混合層高度與O3質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)，與PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著負(fù)相關(guān)。