基于格点资料的四川大气混合层高度特征及与空气质量的关系

成 翔 , 耿 蔚 , 赵晓莉 , 曹 杨

（四川省气象灾害防御技术中心，成都 610072）

引言

地面与自由大气的物质和能量交换一直是大气边界层物理的重要问题。边界层高度是大气边界层的重要参数，如何方便有效地确定边界层高度并准确监测其变化过程，对空气污染物的扩散，传输模式以及污染物预报模式都具有十分重要的意义[1]。理论上边界层高度与地面热通量、风、温度、湿度廓线有关[2]。作为大气边界层的一种重要表现形式，混合层定义为湍流特征不连续界面以下的大气，表征污染物在垂直方向被湍流稀释的范围[3]，其对大气质量评估和污染物的存量以及分布起着重要的作用[4]。李梦等[5]分析了大气混合层高度变化特征及其与细颗粒污染物的关系，其结论可为区域大气污染防治和研究提供参考。杨静等[6]研究了乌鲁木齐2001～2008年大气混合层高度和大气稳定度与空气污染的关系。程水源等[7]分析了大气混合层高度的特点及应用前景，讨论了大气混合层高度在环境保护中的作用。大多数大气混合层高度方面的研究是基于地面气象站和探空站观测数据，但由于测站站点分布稀疏，且部分气象要素非连续观测，导致利用地面站或者探空站观测数据计算的大气混合层高度具有一定的时空局限性。CLDAS资料由目前国内陆面数据同化系统领域运行的实时业务系统提供，它融合了大量实际观测数据、接近真实大气状态的大气驱动数据以及陆面模式产品，具有较高的时空分辨率[8]。

四川省位于中国西南地区内陆，地貌东西差异大，地形复杂多样，位于地势三大阶梯中的第一级青藏高原和第三级长江中下游平原之间的过渡地带，高差悬殊，地势呈西高东低的特点。四川盆地人口稠密，经济发达，城市化水平较高，地理位置、气候条件等因素造成污染物容易在盆地内累积，不易稀释扩散[9−11]。

关于四川省大气混合层高度变化对空气质量影响的研究大多是以站点资料为主，存在时间不连续、站点数量有限、空间分布不均匀等缺点[12−15]。本文基于CLDAS格点资料利用罗氏法计算四川省大气混合层高度，分析其时空分布特征，并结合环境空气质量监测数据分析大气混合层高度变化与空气质量的关系，以期应用CLDAS资料宏观、全面地分析四川省大气混合层高度分布、变化规律以及对污染的影响，为四川省大气污染防治和研究提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 资料介绍

大气环境监测资料来源于中国环境监测总站2018年1月1日～2020年12月31日的四川省空气污染物浓度小时数据，数据类型包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO等污染物的质量浓度。四川省内设有106个大气环境空气质量自动监测站点，除去作为对照用的清洁站和因搬迁等其他因素导致数据不完整的站点共计22个，本文用到的站点共有84个。为了保证数据的可靠性，对其进行了质量控制，剔除了包括缺测、异常值以及僵值等问题数据。

全国智能网格实况融合分析产品（CLDAS）是气象资料质量控制及多源数据融合与再分析产品，融合了地面站、雷达以及卫星等多源资料的气象观测数据，时间分辨率为1h，空间分辨率为5km×5km。本文所用资料为国家气象信息中心提供的2018年1月1日～2020年12月31日CLDAS实况数据，包括风速、气温、相对湿度、云量等气象要素。

1.2 大气混合层高度计算方法介绍

罗氏法是Nozaki等在1973年提出的一种利用地面气象资料估算大气混合层高度的方法。该方法考虑到大气混合层是由热力和机械湍流共同作用的结果，且边界层上部大气运动状况与地面气象参数间存在着相互联系和反馈作用[16−19]。因此，可用地面气象参数来估算大气混合层高度，并提出计算公式如下：

公式(1)中L为大气混合层高度，（T−Td）为露点温度差，P为帕斯奎尔稳定度级别（大气稳定度级别为A～F，此时P的对应取值为1～6），Uz为Z高度观测到的平均风速，在本文中使用10m风，Z0为地面粗糙度。由于四川省的大气环境空气质量自动观测站点基本位于市区内，为了分析空气污染物与大气混合层高度之间的关系，本文中Z0统一采取市区值0.8m，f为地转参数。

2 四川省大气混合层高度的时空分布特征

2.1 空间分布

利用2018年1月1日～2020年12月31日CLDAS逐小时数据计算得到四川省平均大气混合层高度，如图1所示。四川省大气混合层高度的空间分布特征为西高东低，盆地地区的平均大气混合层高度在1000m左右，攀西地区和川西高原的平均大气混合层高度在1800m左右。根据罗氏法计算公式（见公式(1)）可知，影响大气混合层高度的因子有露点温度差、大气稳定度、10m平均风速以及地面粗糙度，其中大气稳定度起决定性因素。湍流的交换程度主要受大气稳定度影响，进而影响大气混合层的高度。当大气处于稳定状态时，湍流活动不显著，导致大气混合层高度较低。另一个影响大气混合层高度的气象因子是风速，风产生于气压梯度力，而气压梯度力主要是由于温度的差异造成的。一般来说，两团空气相遇，由于冷气团密度更大，空气会从冷气团流向暖气团，这就形成了风。冷气团将暖气团抬升，会导致大气混合层高度增加。川西高原和攀西地区受地理位置和气候条件影响，地面风速较大，且明显大于盆地地区，因此造成了四川省大气混合层高度西高东低的空间分布特征。

图1 2018年1月1日～2020年12月31日四川省大气混合层高度的空间分布（单位：m）

2.2 季节分布

图2为四川省大气混合层高度季节分布，盆地地区与攀西地区、川西高原的春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12月～次年2月）大气混合层高度有所不同。盆地地区大气混合层高度排序为春季＞冬季＞夏季＞秋季，主要因为盆地地区冬春季寒冷且风速大，夏秋季多云少晴，冬春季大气稳定度要低于夏秋季，致使冬春季的大气混合层高度高于夏秋季。攀西地区和川西高原的大气混合层高度普遍较高，四季的平均大气混合层高度排序一致为：冬季＞春季＞秋季＞夏季。由于川西高原属于高原山地气候类型，全年风速变化不显著，冬春季少云且相对湿度和温度较低，造成川西高原冬春季大气混合层高度较高。攀西地区属于南亚热带亚湿润气候，具有夏季长、温度日变化大，冬春季几乎没有云层覆盖、日照多、太阳辐射强等特点，冬春季的昼夜温差大，造成攀西地区的冬春季大气混合层高度较高。

图2 2018年1月1日～2020年12月31日四川省大气混合层高度的季节分布（a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季，单位：m）

2.3 月变化

四川省盆地地区、川西高原和攀西地区的大气混合层高度月变化曲线如图3所示。盆地地区的大气混合层高度变化趋势呈“双峰型”。1月开始，盆地地区的大气混合层高度呈上升趋势，到4月出现第一个峰值（1300m），随后4～7月大气混合层高度逐渐下降，8月出现第二个峰值（1100m）后继续下降至800m，而后又缓慢攀升。川西高原和攀西地区的大气混合层高度月均变化曲线呈“V”型，最低值出现在9月。

图3 2018年1月1日～2020年12月31日四川省大气混合层高度的月变化（单位：m）

以成都市2020年7～9月为例，分析了8月出现第二个峰值的原因。由公式(1)可知，影响大气混合层高度的气象要素包括大气稳定度、露点温度、气温和风速。如表1所示，成都市7～9月的云量差异不显著，8月平均风速和露点温度高于7月和9月，但气温低于7月和9月，因此导致8月的大气混合层高度明显高于7月和9月。

表1 成都市2020年7～9月气象要素均值

2.4 日变化

如四川省四季大气混合层高度的日变化曲线图所示（图4），大气混合层高度的四季日变化趋势基本一致，为单峰型。从00～08时大气混合层高度逐渐降至最低，随后逐渐增加，15时达到最大值，之后大气混合层高度逐渐减小。这种变化趋势主要受太阳辐射影响，日出后太阳辐射增强，大气湍流活动随之增强，大气稳定度降低，大气混合层高度增加，午后太阳辐射达到最大值，与大气混合层高度的峰值对应。

图4 2018年1月1日～2020年12月31日四川省大气混合层高度的日变化（a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季，单位：m）

将盆地、攀西地区和川西高原的四季大气混合层高度日变化作对比，可以看出攀西地区和川西高原全天的大气混合层高度比盆地的更高，冬季最为显著。

3 大气混合层高度与空气质量的关系

利用2018年1月1日～2020年12月31日空气质量实况数据统计其作为首要污染物出现的频率（见表2），四川省大气污染物主要以PM2.5和O3为主[20]，两种污染物占比达90%左右。盆地地区PM2.5占比最高，达到了88%；攀西地区PM2.5占比最低，为68%。

表2 四川省各地区PM2.5和O3作为首要污染物出现频率统计

3.1 大气混合层高度与臭氧污染的关系

为了研究大气混合层高度与O3质量浓度的变化关系，本文选取2019年8月10日～17日成都市的一次O3污染过程为例进行分析。利用O3质量浓度日最大8小时滑动平均与大气混合层高度日均值进行对比分析。如图5所示，O3质量浓度与大气混合层高度的变化趋势基本一致，两者相关系数为0.82，呈显著正相关关系。这是由于大气混合层高度和O3质量浓度均受太阳辐射影响：太阳辐射到地面，地面温度升高，导致垂直方向发生对流和湍流，因而大气混合层高度升高；O3是O2、NOx和挥发性有机物在太阳辐射下反应形成的二次污染物，太阳辐射决定光化学反应是否发生。

图5 成都市2019年8月10～17日O3质量浓度与大气混合层高度变化

3.2 大气混合层高度与PM2.5污染的关系

选取成都市2020年12月18～29日的一次PM2.5污染过程为例，分析PM2.5质量浓度和大气混合层高度的变化趋势。如图6所示，PM2.5质量浓度和大气混合层高度的相关系数为−0.86，呈显著负相关关系。从2020年12月19日开始，大气混合层高度呈现下降趋势，不利于污染物在垂直方向上的稀释和扩散，细颗粒污染物不断累积，PM2.5质量浓度逐渐升高；12月27日，大气混合层高度降至488m，导致PM2.5质量浓度急剧攀升至178μg/m3；12月29日，由于冷空气进入，大气混合层高度升至1756m，污染物浓度也从185μg/m3下降至31μg/m3。由此可见，大气混合层高度对于PM2.5质量浓度的变化有直接影响。

图6 成都市2020年12月18～29日PM2.5质量浓度与大气混合层高度变化

4 结论

本文利用2018年1月1日～2020年12月31日的CLDAS格点资料和大气环境空气质量监测资料，分析四川省大气混合层高度时空分布特征及大气混合层高度变化与空气质量的关系，结论如下：

（1）受地理位置和气候条件影响，四川省大气混合层高度分布呈西高东低特征，盆地地区的大气混合层高度低于攀西地区和川西高原。

（2）四川盆地与攀西地区、川西高原的大气混合层高度季节变化有显著性差异，盆地春季大气混合层高度最高，秋季最低；而攀西地区、川西高原秋季最高，夏季最低。四川省各地区的大气混合层高度月变化基本一致，盆地地区的大气混合层高度月变化呈双峰型，峰值分别出现在4月和8月。攀西高原和川西地区的大气混合层高度月变化呈“V”型，最低值出现在9月。

（3）四川省各地区大气混合层高度日变化趋势基本一致，均呈单峰型，从08时左右大气混合层高度逐渐增加，15时达到当天最大值，然后又呈下降趋势。这种变化规律主要受太阳辐射影响。

（4）四川省大气混合层高度与PM2.5和O3两种主要污染物的相关性较为明显，大气混合层高度与O3质量浓度呈显著正相关，与PM2.5质量浓度呈显著负相关。