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盆地城市地氣溫差變化特征及對顆粒物濃度的影響

2018-05-11 08:19:00肖天貴吳利彬劉雅靜文曉航
中國粉體技術(shù) 2018年3期
關(guān)鍵詞:邊界層溫差成都市

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(xué)大氣科學(xué)學(xué)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(biāo),其正負(fù)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(jié)構(gòu)和特征[2],進(jìn)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(xué)者對不同地區(qū)的感熱、地氣溫差的變化特征及其影響進(jìn)行了研究[3-6]。在感熱研究方面,沈?qū)W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(fēng)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(jié)了其對印度夏季風(fēng)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(jié)構(gòu)和特征對污染濃度影響顯著。

已有結(jié)論表明,地氣溫差對感熱通量的變化有較大影響,進(jìn)而對邊界層結(jié)構(gòu)和特征影響顯著,在已有污染氣象相關(guān)研究當(dāng)中,多針對于降水、風(fēng)、濕度等氣象要素進(jìn)行討論,而顯著影響邊界層結(jié)構(gòu)的地氣溫差研究相對較少;同時,相比經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū),同是灰霾高發(fā)區(qū)的四川盆地相關(guān)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?xùn)|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(fēng)坡,受背風(fēng)坡效應(yīng)影響顯著,因此盆地具有風(fēng)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(jié)穩(wěn)定,容易出現(xiàn)逆溫和靜風(fēng)等氣象特征,不利于大氣顆粒物的擴散[15]。本文中利用成都?xì)庀笥^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(jié)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(rèn)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(zhì)量提供科學(xué)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(zhì)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(jīng)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(nèi),出現(xiàn)頻率高達(dá)54.75%;通過計算,成都該5年的地氣溫差平均為2.01℃,標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差分別為7.95、9.77℃,結(jié)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(fù)情況,占到樣本數(shù)的21.58%,溫差為負(fù)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(dá)28.9℃,最小值為-5.4℃。各溫度出現(xiàn)的極值大小和對應(yīng)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(dǎo)致地氣溫差增加,該結(jié)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(dá)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(dá)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(dá)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(guān)系數(shù)(r)和均方根誤差(R)對擬合公式進(jìn)行檢驗,其相關(guān)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(jìn)行檢驗,其相關(guān)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(dá)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(zhì)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(zhì)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(jìn)行了初步分析(見圖5)。

圖5a為成都市PM10的分布直方圖,其質(zhì)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,其中對全年顆粒物質(zhì)量濃度的二級標(biāo)準(zhǔn)(PM10:70μg/m3,PM2.5:35 μg/m3),成都地區(qū) PM10、PM2.5相對于二級標(biāo)準(zhǔn)分別超標(biāo)93.69%、154.54%,表明成都地區(qū)顆粒物污染情況相對嚴(yán)重。

由于地氣溫差直接影響到邊界層結(jié)構(gòu)和特征,因此為了更好地突出地氣溫差與顆粒物質(zhì)量濃度之間的關(guān)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(zhì)量濃度進(jìn)行討論。

圖6為不同地氣溫差區(qū)間上顆粒物質(zhì)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(yīng)區(qū)間出現(xiàn)的顆粒物質(zhì)量濃度。

圖5 顆粒物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量濃度偏大;當(dāng)溫差越大,9—22區(qū)間(7.5~28.5 ℃),污染物質(zhì)量濃度逐漸減小。這是由于當(dāng)?shù)貧鉁夭钇髸r,往往對應(yīng)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(zhì)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(chǎn)生活、排放源強度、降水等多種因素有關(guān),還需要綜合考慮。

4 結(jié)論

地氣溫差對陸氣能量交換、邊界層結(jié)構(gòu)、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(guān)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(zhì)量濃度。

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