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、大氣穩定度、混合層厚度等污染氣象參數。不同的研究學者對不同地區的感熱、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]研究發現，春季歐亞大陸地表的熱狀況變化對于北半球夏季大氣環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，相比經濟發達地區，同是灰霾高發區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，使盆地大氣層結穩定，容易出現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據，系統研究成都地區地氣溫差的自然演變規律，并結合顆粒物濃度觀測數據，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氣候特點，合理保護和改善區域空氣質量提供科學的參考依據。

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質量濃度數據，對成都地區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℃區間內，出現頻率高達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，也發現地氣溫差為負情況，占到樣本數的21.58%，溫差為負的情況多發生在夜間。成都地區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、地表溫度的統計參數特征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，對其分析發現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的季節。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，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（r）和均方根誤差（R）對擬合公式進行檢驗，其相關系數為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地氣溫差的年變化特征。

2.2 溫差季節變化、日變化特征

圖3a為成都市2010—2014年地氣溫差季節變化柱狀圖。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在24時，為0.08℃；最大值出現在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地氣溫差的日變化特征。

圖4 成都市4個季節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個季節的日變化特征。如圖所示，4個季節變化趨勢相似，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，持續到第2天日出。各個季節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據分析發現，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%，分布頻率最高出現在20～60 μg/m3之間約占了全年48%。參考國家發布的《環境空氣質量標準》，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 PM10、PM2.5相對于二級標準分別超標93.69%、154.54%，表明成都地區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℃為一個區間，統計到28.5℃為止，共計22個區間，分區間的對顆粒物質量濃度進行討論。

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

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在不同區間的質量濃度分布圖，從圖中可明顯發現，顆粒物在地氣溫差較小的區間1—8區間（-4.5～7.5℃），顆粒物質量濃度偏大；當溫差越大，9—22區間（7.5～28.5 ℃），污染物質量濃度逐漸減小。這是由于當地氣溫差偏大時，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5 a有逐漸遞增的趨勢，溫差年變化最大時出現在4月，最小時出現在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，容易出現較大質量濃度。

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