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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(duì)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(qiáng)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(duì)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(duì)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(duì)印度夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間的影響。在地氣溫差研究方面，溫李明等[2]對(duì)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(diǎn)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(duì)污染濃度影響顯著。

已有結(jié)論表明，地氣溫差對(duì)感熱通量的變化有較大影響，進(jìn)而對(duì)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(duì)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(duì)較少；同時(shí)，相比經(jīng)濟(jì)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(duì)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(duì)濕度較大、陰天和霧天較多等氣候特點(diǎn)，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(kuò)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(huì)為正確認(rèn)識(shí)和了解盆地地區(qū)氣候特點(diǎn)，合理保護(hù)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(shí)地表溫度（Ts）、氣溫（Ta），和成都2013—2014年逐小時(shí)PM10、PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，對(duì)成都地區(qū)地氣溫差的變化特征及其對(duì)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(jì)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(jì)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(jì)算出的地氣溫差為正，表明地表總的效果是加熱大氣，但對(duì)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(duì)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(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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?yàn)榈貧鉁夭畋碚鞯氖堑孛鏈囟扰c氣溫的差值，夏季氣溫高，地表溫度同時(shí)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(shí)，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(xiàng)式擬合公式對(duì)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(duì)擬合公式進(jìn)行檢驗(yàn)，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(shí)為軸的軸對(duì)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(shí)平均溫度最小值出現(xiàn)在24時(shí)，為0.08℃；最大值出現(xiàn)在14時(shí)，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(shí)，第2段7～19時(shí)，第3段20～24 時(shí)，其公式為

同樣利用r和R對(duì)擬合公式進(jìn)行檢驗(yàn)，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(gè)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(gè)季節(jié)的日變化特征。如圖所示，4個(gè)季節(jié)變化趨勢相似，均以14時(shí)為軸的對(duì)稱分布，1～6時(shí)地表溫度與氣溫溫度接近，7～14時(shí)地表溫度逐漸高于氣溫，在14時(shí)附近到達(dá)地氣溫最大值，然后逐漸減小，到了20時(shí)以后溫差變化幅度減小，持續(xù)到第2天日出。各個(gè)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(duì)稱，同時(shí)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(duì)稱變化的日變化特征。

3 地氣溫差對(duì)顆粒物濃度的影響

通過對(duì)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(duì)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(duì)全年顆粒物質(zhì)量濃度的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（PM10:70μg/m3，PM2.5:35 μg/m3），成都地區(qū) PM10、PM2.5相對(duì)于二級(jí)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(duì)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(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)到28.5℃為止，共計(jì)22個(gè)區(qū)間，分區(qū)間的對(duì)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(diǎn)圖。其中X軸為地氣溫差的統(tǒng)計(jì)區(qū)間，Y軸所對(duì)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(diǎn)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(shí)，往往對(duì)應(yīng)的是中午時(shí)間，此時(shí)下墊面對(duì)大氣加熱作用最強(qiáng)，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(kuò)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(qiáng)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(duì)陸氣能量交換、邊界層結(jié)構(gòu)、以及污染擴(kuò)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(shí)出現(xiàn)在4月，最小時(shí)出現(xiàn)在11月，三次多項(xiàng)式擬合對(duì)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(shí)對(duì)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(shí)，容易出現(xiàn)較大質(zhì)量濃度。

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