姜 平 ，劉曉冉， 孫 佳 ，王 穎 ，李永華

(1.重慶市氣候中心，重慶 401147；2.中山大學(xué)季風(fēng)與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275)

引 言

通風(fēng)量也被稱(chēng)為通風(fēng)系數(shù)或通風(fēng)指數(shù)，是單位時(shí)間單位面積空氣的流量，是描述邊界層內(nèi)大氣對(duì)污染物稀釋擴(kuò)散能力的參數(shù)，反映大氣在動(dòng)力與熱力的綜合作用下對(duì)大氣污染物的清除及擴(kuò)散能力，能夠指示某一地區(qū)的空氣質(zhì)量和污染潛勢(shì)[1-2]。一般來(lái)說(shuō)，某一地區(qū)通風(fēng)量越大，大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散能力越強(qiáng)，該地區(qū)的空氣質(zhì)量越好; 通風(fēng)量越小，大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散能力越弱，該地區(qū)的空氣質(zhì)量越差[3-6]。另外通風(fēng)量的大小對(duì)大氣環(huán)境容量和大氣自凈能力造成一定影響[7-8]。目前，通風(fēng)量被廣泛地應(yīng)用于大氣污染氣象條件分析、大氣環(huán)境承載力評(píng)估、城市通風(fēng)廊道構(gòu)建等生態(tài)環(huán)境研究及城市規(guī)劃領(lǐng)域[9-14]。

早在1989年，國(guó)內(nèi)就有研究基于探空資料分析通風(fēng)量的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)我國(guó)低通風(fēng)量區(qū)以四川盆地為中心，高通風(fēng)量區(qū)則以西北地區(qū)為中心[7]。之后李博等[15]、賀千山等[16]分別基于模式輸出結(jié)果、雷達(dá)資料等分析了蘭州、北京等不同地區(qū)通風(fēng)量的季節(jié)變化和日變化特征。重慶地處四川盆地東部，受地理?xiàng)l件影響，近地面風(fēng)速較小，氣候基準(zhǔn)態(tài)的平均風(fēng)速不足2 m·s-1。早期的觀測(cè)研究指出重慶的日平均通風(fēng)量只有1038.0 m2·s-1[7]，明顯小于其他地區(qū)。蘇秋芳等[17]對(duì)四川盆地在干、濕西南渦系統(tǒng)下的通風(fēng)量特征進(jìn)行了分析，相關(guān)成果可為特定天氣背景下的大氣污染預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。但總體而言，針對(duì)重慶地區(qū)通風(fēng)量本身多時(shí)間尺度變化特征的研究還比較少[18-22]。

本文以重慶市主城區(qū)為研究對(duì)象，采用地面氣象觀測(cè)站資料，對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行估算，并且從氣候統(tǒng)計(jì)的角度分析通風(fēng)量及與之密切聯(lián)系的混合層高度、大氣穩(wěn)定度和混合層平均風(fēng)速的多時(shí)間尺度變化特征，以期為大氣污染氣象條件分析、大氣環(huán)境承載力評(píng)估、區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)、城市通風(fēng)廊道構(gòu)建等提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

選取探測(cè)環(huán)境未發(fā)生較大改變且資料均一性較好的沙坪壩國(guó)家地面基本氣象觀測(cè)站(圖1)代表重慶主城區(qū)，采用總云量、低云量、風(fēng)速等氣象要素對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行估算。資料時(shí)間范圍是1989年1月1日至2018年12月31日，時(shí)間分辨率為6 h。其中2007年1月1日至2008年12月31日的時(shí)間分辨率為1 h，主要用于通風(fēng)量的日變化分析。

圖1 重慶市主城區(qū)沙坪壩國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站位置(填色為海拔高度，單位：m)Fig.1 The location of Shapingba national ground meteorological observation station in Chongqing main city zone (the shaded for altitude, Unit: m)

1.2 方 法

通風(fēng)量VE(m2·s-1)可用大氣混合層內(nèi)水平風(fēng)速在垂直方向的積分來(lái)表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

通風(fēng)量可利用觀測(cè)資料計(jì)算得到。其中一種方法是基于探空資料，通過(guò)確定水平風(fēng)場(chǎng)和溫度的垂直廓線來(lái)估算通風(fēng)量[23-25]，這種方法一般較為準(zhǔn)確，但只適用于具有高空探測(cè)的特定地點(diǎn)。另一種方法是基于常規(guī)地面數(shù)據(jù)的通風(fēng)量估算，這種方法采用一系列的物理近似，在綜合考慮大氣功能分區(qū)、太陽(yáng)輻射等級(jí)、大氣穩(wěn)定度等級(jí)、混合層厚度等因素的前提下，確定邊界層通風(fēng)量[26]。相對(duì)而言，后一種方法對(duì)空間地點(diǎn)的要求較低，具有更廣的空間覆蓋。

2 結(jié)果分析

2.1 重慶主城區(qū)通風(fēng)量年際及年代際變化

圖2為1989—2018年重慶主城區(qū)通風(fēng)量年際變化、年平均通風(fēng)量的M-K檢驗(yàn)和功率譜分析，以及大氣不穩(wěn)定類(lèi)占比、混合層高度和混合層平均風(fēng)速的年際變化?？梢钥闯?，重慶主城區(qū)通風(fēng)量的多年平均值為1.5×103m2·s-1，該結(jié)果與張?zhí)煊畹萚18]采用類(lèi)似方法計(jì)算的通風(fēng)量結(jié)果相當(dāng)，但稍大于徐大海等[7]采用探空資料計(jì)算的結(jié)果。重慶主城區(qū)年平均通風(fēng)量在2003年發(fā)生轉(zhuǎn)折。1989—2002年，通風(fēng)量位于較高水平，多年平均值約1.7×103m2·s-1，但通風(fēng)量減少趨勢(shì)明顯，減少速率約50 m2·s-1·a-1。2003—2018年，通風(fēng)量持續(xù)位于較低水平，多年均值不到1.3×103m2·s-1，明顯低于2003年之前。但近10 a，重慶主城區(qū)通風(fēng)量有增加趨勢(shì)。重慶主城區(qū)年平均通風(fēng)量具有準(zhǔn)2～3 a的振蕩周期。不同季節(jié)，通風(fēng)量的年際變化基本一致，但振蕩強(qiáng)度有所差異，夏季振蕩幅度最大，秋季和冬季相對(duì)較小。

圖2 1989—2018年重慶主城區(qū)通風(fēng)量年際變化(a)、年平均通風(fēng)量的M-K檢驗(yàn)(b)和功率譜分析(c)，以及大氣不穩(wěn)定類(lèi)占比(d)、混合層高度(e)和混合層平均風(fēng)速(f)的年際變化Fig.2 The inter-annual variations of ventilation quantity (a), M-K test (b) and power spectrum (c) of annual mean ventilation quantity, and annual variation of percentage of atmospheric instability types (d), mixed layer height (e) and mixed layer mean wind speed (f) in Chongqing main city zone during 1989-2018

通風(fēng)量與大氣穩(wěn)定度、大氣混合層高度和混合層平均風(fēng)速密切相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，大氣越不穩(wěn)定，邊界層湍流交換和垂直混合越強(qiáng)，混合層高度越高，如果混合層平均風(fēng)速也較大，則通風(fēng)量較大。不管是年平均還是季節(jié)平均，大氣不穩(wěn)定類(lèi)(強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定和弱不穩(wěn)定3類(lèi)合計(jì))占比與混合層高度年際變化均較一致，呈略微上升趨勢(shì)，體現(xiàn)了兩者的直接聯(lián)系?；旌蠈悠骄L(fēng)速在1996年前后出現(xiàn)明顯差異，1989—1996年及1996—2018年期間其均值分別為1.58和1.83 m·s-1。在年代際尺度上，通風(fēng)量與混合層高度、混合層平均風(fēng)速的變化并不一致，可能與大尺度背景場(chǎng)的氣候變化有關(guān)。在年際變化上，年平均大氣不穩(wěn)定類(lèi)占比與混合層高度顯著相關(guān)，兩者相關(guān)系數(shù)為0.38(通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn))，表明大氣穩(wěn)定度與混合層高度存在密切聯(lián)系。然而，年平均混合層高度、混合層風(fēng)速與通風(fēng)量的相關(guān)均不顯著。季節(jié)平均上，大氣穩(wěn)定度、混合層高度和混合層風(fēng)速與通風(fēng)量的相關(guān)性與年平均基本一致。重慶主城區(qū)的通風(fēng)量以及大氣穩(wěn)定度、混合層高度和混合層風(fēng)速的年際變化，仍然需要從大氣內(nèi)部自身變率以及外部強(qiáng)迫(如下墊面的改變等)尋求可能的成因。

2.2 重慶主城區(qū)通風(fēng)量季節(jié)變化

圖3為1989—2018年重慶主城區(qū)通風(fēng)量、大氣不穩(wěn)定類(lèi)占比、混合層高度和混合層平均風(fēng)速的月變化?？梢钥闯?，通風(fēng)量與大氣不穩(wěn)定類(lèi)占比、混合層高度、混合層平均風(fēng)速的月變化基本一致。大氣不穩(wěn)定類(lèi)占比與混合層高度、通風(fēng)量與混合層高度、通風(fēng)量與混合層平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為0.95、0.99和0.98，均通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。通風(fēng)量夏半年明顯大于冬半年，峰值出現(xiàn)在8月，為2.12×103m2·s-1，谷值出現(xiàn)在1月，不到1.3×103m2·s-1。產(chǎn)生這種季節(jié)差異的原因可能與太陽(yáng)輻射的季節(jié)變化有關(guān)。夏半年太陽(yáng)輻射強(qiáng)，地面加熱導(dǎo)致大氣更容易出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致邊界層垂直混合更強(qiáng)，混合層高度更高，混合層風(fēng)速更為均勻且接近邊界層上層風(fēng)速，這些作用共同促使通風(fēng)量增大。

圖3 1989—2018年重慶主城區(qū)通風(fēng)量(a)、大氣不穩(wěn)定類(lèi)占比(b)、混合層高度(c)和混合層平均風(fēng)速(d)的月變化Fig.3 Monthly variations of ventilation quantity (a), percentage of atmospheric instability types (b), mixed layer height (c) and mixed layer mean wind speed (d) in Chongqing main city zone during 1989-2018

然而，重慶地區(qū)的通風(fēng)量在6月存在低值拐點(diǎn)，這可能與降水的影響有關(guān)。重慶降水6月達(dá)到最大，與降水相聯(lián)系的天氣系統(tǒng)或天氣現(xiàn)象(例如云層)可能會(huì)減弱太陽(yáng)短波輻射，抑制地面加熱，使大氣趨向穩(wěn)定，從而減弱邊界層的垂直混合，使混合層高度降低。近地面空氣因垂直混合減弱不能與上層空氣充分混合，使混合層平均風(fēng)速降低，這些作用導(dǎo)致重慶地區(qū)6月的通風(fēng)量較小。

2.3 重慶主城區(qū)通風(fēng)量日變化

圖4為2007—2008年重慶主城區(qū)通風(fēng)量、大氣不穩(wěn)定類(lèi)占比、混合層高度和混合層平均風(fēng)速的日變化?？梢钥闯?，年平均通風(fēng)量存在明顯的日變化特征。日出后，通風(fēng)量明顯增加，14:00(北京時(shí)，下同)達(dá)到峰值，約為2.0×103m2·s-1，直至20:00左右維持一個(gè)較高水平。年平均通風(fēng)量與年平均混合層高度的日變化顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.94，通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)?；旌蠈釉?2:00—17:00充分發(fā)展，其高度夏季可達(dá)1000 m。混合層高度的日變化與地面加熱有關(guān)，沙坪壩站近地面氣溫午后迅速升高，并在16:00達(dá)到峰值(圖略)。該時(shí)間段內(nèi)，邊界層熱力作用明顯并充分混合，混合層高度處于較高水平。大氣不穩(wěn)定度類(lèi)占比也存在類(lèi)似的日變化?；旌蠈悠骄L(fēng)速峰值出現(xiàn)時(shí)間較混合層高度滯后，并能維持到20:00。日落之后，雖然地面加熱少，但重慶特有的丘陵河谷地形使得熱量難以散去，尤其是在夏季，高溫往往能夠持續(xù)到午夜。這種情況下，邊界層的垂直混合仍然存在，近地面空氣在獲得上層空氣動(dòng)量后明顯加速，使得混合層平均風(fēng)速處于一個(gè)較高水平。在混合層高度和混合層平均風(fēng)速的作用下，通風(fēng)量產(chǎn)生了顯著的日變化特征。

圖4 2007—2008年重慶主城區(qū)通風(fēng)量(a)、大氣不穩(wěn)定類(lèi)占比(b)、混合層高度(c)和混合層平均風(fēng)速(d)的日變化Fig.4 Diurnal variations of ventilation quantity (a), percentage of atmospheric instability types (b), mixed layer height (c) and mixed layer mean wind speed (d) in Chongqing main city zone during 2007-2008

春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)的通風(fēng)量、大氣不穩(wěn)定度類(lèi)占比、混合層高度和混合層平均風(fēng)速的日變化特征和年平均的日變化較為一致。

3 結(jié)論和討論

(1)重慶地處四川盆地東部丘陵河谷區(qū)，氣候條件不利于大氣污染物的擴(kuò)散。近30 a，重慶主城區(qū)通風(fēng)量階段性變化明顯，2003年以前位于一個(gè)較高水平，并具有明顯的減少趨勢(shì)；2003年以后位于較低水平，且有增加趨勢(shì)。四季的年代際變化與年平均基本一致。

(2)重慶主城區(qū)通風(fēng)量具有2～3 a的振蕩周期。在不同季節(jié)，通風(fēng)量的年際振蕩強(qiáng)度有所差異，夏季振蕩幅度最大，秋季和冬季相對(duì)較小。

(3)重慶主城區(qū)通風(fēng)量與混合層高度和混合層平均風(fēng)速顯著相關(guān)。通風(fēng)量的季節(jié)差異明顯，夏季最大，冬季最小。該變化可能主要由太陽(yáng)輻射和當(dāng)?shù)亟邓募竟?jié)變化引起。

(4)重慶主城區(qū)通風(fēng)量的日變化與混合層高度及混合層平均風(fēng)速基本一致，在午后達(dá)到最大，甚至能維持到傍晚。這些變化可能受地面加熱以及邊界層垂直混合狀況所控制。

基于地面觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的通風(fēng)量，常采用多種近似，如風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)律中切變指數(shù)的近似等，這些直接導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不確定性。比如日變化的計(jì)算結(jié)果表明，混合層可以在晚上出現(xiàn)，并且達(dá)到幾百米的高度，這可能與重慶地區(qū)夜間邊界層的實(shí)際情況存在出入。因此，文中所依據(jù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《大氣自凈能力等級(jí)》[29]中通風(fēng)量的計(jì)算方法是否在重慶本地適用，需后續(xù)采用更多的觀測(cè)資料(如探空廓線等)進(jìn)行驗(yàn)證。

本文側(cè)重于分析重慶主城區(qū)通風(fēng)量及與之密切聯(lián)系的混合層高度、大氣穩(wěn)定度和混合層平均風(fēng)速的多時(shí)間尺度變化特征，然而對(duì)造成其變化的主要原因涉及較少。例如，重慶主城區(qū)通風(fēng)量在2003年前后發(fā)生轉(zhuǎn)折且具有2～3 a振蕩周期等的主要原因目前還不清楚，后續(xù)工作需聯(lián)系重慶氣候?qū)嶋H，進(jìn)行歸因分析。

通風(fēng)量反映大氣在動(dòng)力與熱力綜合作用下對(duì)大氣污染物的清除及擴(kuò)散能力，能夠在一定程度上指示某一地區(qū)的空氣質(zhì)量和污染潛勢(shì)。不少研究都將通風(fēng)量與環(huán)境空氣質(zhì)量指標(biāo)(如AQI)聯(lián)系起來(lái)，分析大氣環(huán)境承載力、大氣自凈能力等的長(zhǎng)時(shí)間變化特征[8,18,20]。然而，重慶地形復(fù)雜，立體氣候顯著，不同地區(qū)通風(fēng)量可能存在明顯差異，今后研究需針對(duì)不同的地域特征，結(jié)合更多更全面的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，深入分析通風(fēng)量與空氣質(zhì)量的關(guān)聯(lián)，從而為地方空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)以及城市通風(fēng)廊道規(guī)劃等提供參考依據(jù)。