Climate Change Research Letters 气候变化研究快报, 2020, 9(5), 446-453
Published Online September 2020 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/ccrl https://doi.org/10.12677/ccrl.2020.95048
成都地区地气温差演变规律对空气质量的影响研究
龙艺文,王 超*,陈亚玲,冉欢欢,杨巨佳,肖天贵
成都信息工程大学大气科学学院,高原大气与环境四川省重点实验室,四川 成都
收稿日期:2020年8月17日;录用日期:2020年9月1日;发布日期:2020年9月8日
摘 要
地气温差的变化会直接影响地表感热通量的变化,从而影响边界层结构特征,而不同的边界层结构对空气污染物的稀释、扩散有不同的影响。本文利用成都市温江站2014年的地表观测资料和空气质量观测资料,分析了地气温差和空气质量的年、季节、日变化和季节日变化特征,讨论地气温差对空气质量的影响。结果表明:(1) 成都地区地气温差的年平均值为2.2℃,一年中地气温差的最大值出现在5月,最小值出现在11月;秋季的地气温差最小,冬季次之,春季的温差最大;地气温差的日变化显著,地气温差的变化幅度春季最大,秋季最小。(2) 总的来讲,地气温差越小越容易出现颗粒物浓度的大值;地气温差越大,越有利于污染物的稀释、扩散,空气质量越好。利用地气温差对污染物浓度的影响特征,可作为污染潜势预报的参考依据。
关键词
成都,地气温差,空气质量,污染潜势预报
A Study on the Evolution Law of Ground Temperature Difference in Chengdu and Its Influence on Air Quality
Yiwen Long, Chao Wang*, Yaling Chen, Huanhuan Ran, Jujia Yang, Tiangui Xiao
Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, College of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu Sichuan
Received: Aug. 17th, 2020; accepted: Sep. 1st, 2020; published: Sep. 8th, 2020
*通讯作者。
文章引用: 龙艺文, 王超, 陈亚玲, 冉欢欢, 杨巨佳, 肖天贵. 成都地区地气温差演变规律对空气质量的影响研究[J]. 气候变化研究快报, 2020, 9(5): 446-453. DOI: 10.12677/ccrl.2020.95048
龙艺文 等
Abstract
The change of the temperature difference between the earth and the atmosphere will directly af-fect the change of the sensible heat flux of the earth’s surface, thus affecting the structure of the boundary layer, and different boundary layer structures have different effects on the dilution and diffusion of air pollutants. Based on the meteorological and air quality observation data of Wen-jiang station in Chengdu in 2014, this paper analyzes the annual, seasonal, daily and seasonal daily variation characteristics of the ground air temperature difference and air quality, and discusses the influence of the ground air temperature difference on the air quality. The results show that: (1) the annual average value of the ground air temperature difference in Chengdu is 2.2?C. The maxi-mum value of the ground air temperature difference in a year appears in May and the minimum value in November; the autumn ground air temperature difference is the smallest, followed by winter. The daily variation of the temperature difference between the earth and the atmosphere is obvious, and the variation range of the temperature difference between the earth and the atmos-phere is the largest in spring and the smallest in autumn. (2) The smaller the ground air tempera-ture difference is, the higher the particle concentration is; the larger the ground air temperature difference is, the more conducive to the dilution and diffusion of pollutants, and the better the air quality. The characteristics of the temperature difference between ground and air can be used as a reference for the prediction of pollution potential.
Keywords
Chengdu, Ground Air Temperature Difference, Air Quality, Prediction of Pollution Potential
Copyright ? 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 引言
地气温差(Ts-Ta)是表征地表加热状况的重要指标,地气温差的正负和变化趋势基本上反映了地表感热通量的变化情况[1] [2]。在陆气相互作用过程中,感热通量能够直接影响边界层的高度、结构和特征,进而影响大气湍流、混合层厚度等气象条件[3] [4]。空气质量与污染物的排放浓度、气象条件等有密切联系[5] [6],大气稳定度、混合层厚度对污染物的稀释、扩散也能影响空气质量[7] [8] [9]。所以,研究地气温差的分布特征能够在一定程度上反映空气质量的分布状况,对空气质量的预报等有重要的现实意义。
不同研究学者对不同地区的地气温差、感热通量的分布、变化特征进行了研究[10] [11] [12] [13] [14];周连童等[15]表明长江中下游地区春夏季地气温差与夏季降水存在正相关关系,华北地区有负相关关系;刘颖[16]指出青藏高原春季的地气温差与长江中下游地区夏季降水存在显著的正相关。在大气污染方面,国内学者对主要城市及城市群的空气污染问题进行了大量研究[17] [18] [19],分析讨论了不同污染过程的污染物浓度演变及其气象影响因子,郑庆锋等[20]基于上海地区AQI指数和风速、气温、相对湿度等气象要素,分析了上海地区空气质量变化特征以及气象要素对空气质量的影响;杨孝文等[21]通过对北京一次重污染过程的研究,发现稳高湿度低风速的地面气象条件等因素是造成此次大气重污染过程的主要原因;Wang等[22]研究表明行星边界层稳定,混合高度低,抑制了行星边界层的大气湍流,为霾的形成提供了有利的气象条件。
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本文采用成都温江站(103.52 E、30.45N) 2014年逐时的气温、地面温度的地面气象观测资料和PM10、PM2.5的质量浓度数据分析地气温差变化特征,对地气温差与颗粒物浓度之间的关系进行分析,讨论成都地区地气温差对空气质量的影响。
2. 地气温差演变规律
2.1. 地气温差总体分布特征
图1为地气温差、气温和地温的频率分布直方图。从图1(a)可以看出,成都地区地面–大气之间的温差主要集中在?2℃~2℃之间,约占整个地气温差频率分布的70%。地气温差的年平均值为2.2℃,方差为16℃。根据图1(b),成都地区的气温分布较为均匀,其中15℃~25℃占比较多,为48%左右。由图1(c)可知,成都地区的地表温度大多低于30℃,其中地温在20℃~24℃约为全年的16%,所占比例最高。
Figure 1. General distribution characteristics of Ts-Ta (a), Ta (b) and Ts (c) 图1. 地气温差(a)、气温(b)和地温(c)的总体分布特征
2.2. 地气温差年、季节变化特征
图2为成都地区2014年地气温差的年变化特征(a)和季节变化特征(b)。
Figure 2. Annual variations (a) and seasonal variations (b) of temperature 图2. 温度的年变化(a)和季节变化特征(b)
由图2(a)可以看出,成都地区地表温度呈现单峰型变化趋势先增温,在7月份达到最大值,然后温度开始降低。地气温差的变化呈现明显的双峰型。地表与大气之间的温差在5月份达到最大值,最大温差为3.96℃,11月出现地气温差的最小值,最小温差为0.98℃。从图2(b)中可知,地气温差在季节变化
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中先减小后增大,在秋季达到地气温差的最小值。虽然夏季接受到的太阳辐射最多,温度最高,但由于气温和地温都很高,所以地气温差在夏季并不是最大。春季地表接受的太阳辐射开始增加,地表温度上升,但气温的增温较慢,导致地面与大气之间的温差达到最大,虽然冬季的气温和地表温度都很低,地气温差并不是在冬季最小;但秋地温在秋季开始降低时,气温的降温相对较慢,所以导致秋季的地气温差最小。
2.3. 地气温差日变化特征
图3为成都地区2014年地面与大气之间温差的日变化和季节日变化特征。从图3(a)中可以看出地气温差先增加后减小,变化趋势大致是以14时为轴的对称图形。在日变化图中可知,地气温差在14时达到最大值,为8.31℃,同时可以看出,地面温度与气温在晚上8点到早上7点这段时间差异不大,地气温差基本在0℃左右。地温和气温的变化趋势大致相同,但气温的变化相对于地表温度的变化具有滞后性,这是因为太阳辐射加热地面,地面放出热量加热大气需要一定的时间。图3(b)为不同季节地气温差在的日变化特征。如图所示,四季地气温差日变化趋势相似,温差在四季都是在午后达到最大值,但在变化幅度上有明显差异,春季地气温差变化幅度最大,其变化幅度约为12.65℃,秋季变化幅度最小为5.43℃。
Figure 3. Diurnal variation (a) and seasonal diurnal variation (b) of Ts-Ta 图3. 地气温差日变化(a)和季节日变化(b)
3. 地气温差对空气质量的影响
以成都为经济中心的四川盆地已成为我国四大灰霾高发区之一。成都地区的大气污染以PM2.5和PM10为主,所以本文对空气质量的讨论主要是集中在颗粒物浓度的讨论上,以下是对颗粒物浓度变化的讨论。
图4为2014年成都地区颗粒物浓度和地气温差的年平均日变化图。从图中可知PM10和PM2.5浓度随时间的变化趋势大致相同;地气温差在日出后到傍晚这段时间有明显的变化,地面与大气之间的温差在午后到达最大值,夜间的地温与气温差异不大。从地气温差与颗粒物浓度的变化来看,在凌晨地气温差和颗粒物浓度的变化都不大;上午8时之后,地气温差开始增大,大气的湍流运动开始增强,随后颗粒物浓度出现显著降低,白天地气温差明显大于0℃,湍流较强,颗粒物逐渐降低;傍晚之后,地气温差接近于0℃,地面与大气的温度大致相等,此时湍流活动较弱,大气的扩散能力减弱,颗粒物不断累
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积,浓度在夜间大致呈现增加的趋势。地气温差和颗粒物浓度变化趋势并不一致,说明颗粒物浓度对地气温差的响应具有一定的滞后性。
为了了解地气温差与颗粒物浓度之间存在的关系,本文把地气温差从?4.5℃到28.5℃间隔1.5℃分成22个区间,分区间讨论与颗粒物浓度的关系。
Figure 4. Diurnal variation characteristics of Ts-Ta and particulate matter concentration 图4. 地气温差与颗粒物浓度的日变化特征
图5为PM10 (a)浓度和PM2.5 (b)浓度在不同地气温差区间上的分布图。从图中可以看出,低地气温差对应高的颗粒物浓度,随着地气温差的增大,颗粒物浓度逐渐减小。这是因为地面与大气之间的温度差异越大,说明地面对大气的加热作用越强,边界层顶偏高,边界层内湍流运动越活跃,有利于污染物在大气中的稀释、扩散,所以地气温差越大,观测到的颗粒物浓度就越低。
Figure 5. Scatter plot of particulate matter concentration in different regions of Ts-Ta 图5. 不同地气温差区间颗粒物浓度散点图
4. 空气质量优劣事件地气温差对比
成都地区影响空气质量的首要污染物通常为PM2.5,所以本文选取成都2014年冬季月份中最高和最低PM2.5浓度的5天进行个例分析,表1列出了2014年冬季月份PM2.5浓度最高和最低时对应的日期。
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