城市化进程对近地层大气风温结构的影响*

季崇萍,邹 捍,张美根,周立波,马舒坡,李 鹏,朱金焕,徐 海

(1.中国科学院大气物理研究所大气边界层和大气化学国家重点实验室,北京100029;2.中国科学院研究生院,北京100029;3.北京市气象局,北京100089)

大气是生态环境的重要组成部分,正确理解城市化进程中大气状态的变化特征既是理解区域乃至全球气候变化的重要途径,也是防灾减灾和国民经济可持续发展的迫切需求。因此,进行以北京为例的城市化进程中大气变化特征研究,尤其是对人类生产生活产生直接影响的城市近地层大气变化特征研究,对于认识低层大气对城市化进程的响应,理解城市化进程对区域气候的影响,引导科学城市规划、推进生态可持续性城市发展对策研究等都具有十分现实的科学意义。

研究城市化进程对局地近地层大气乃至区域气候环境的影响,最佳方案是在城市规划建设之前就开始实施相关监测,并在城市化进程各阶段持续进行。通过对比分析不同阶段的监测数据,辅以高时空分辨率边界层数值模拟,可以较完整、细致地揭示城市化进程对局地近地层大气结构乃至区域气候环境的影响。林学椿等[1-4]通过对长期地面观测的分析研究,揭示了北京、沈阳等地区随着城市化发展,地面气温增加、热岛效应加强、相对湿度减小等现象。徐祥德等[5-9]通过对风廓线、系留汽艇、气象塔长期或一段时期加密观测的分析研究,得到城市和郊区不同地点大气边界层风、温、湿结构特征;指出随着城市化进程的推进,城市区域近地层风速有较明显的减小趋势,并且城市区域往往较周边地区具有更为明显的湍流运动。Uno等[10]的研究表明,城市边界层内建筑物对湍能的贡献十分明显。陈燕等[11-13]根据城市形态特征设计了不同建筑物高度和密度的敏感试验,结果表明建筑物一般会使城市地区风速减小,最大减小幅度可达1.6 m/s,易引起低层气流辐合;城市区域湍流动能中的机械产生作用增加,湍流交换加强,大气层结不稳定性增大,混合层高度增加。

北京于1979年建立了325 m气象塔,开始对北京区域近地层大气进行监测。过去30 a期间,气象塔周边环境随着北京城市化进程发生了巨大变化,气象塔所获得的长时间序列监测信息忠实地记录了北京城市化进程对近地层大气结构的影响,为研究城市化进程中近地层大气结构变化特征提供了可靠数据支持。针对北京325 m气象塔观测资料的分析研究指出[8],1997—2003年北京近地层平均风速存在逐渐递减的趋势,这一期间城市冠层厚度在47～63 m之间。此外,对近20 a夏季北京325 m气象塔风温观测的分析研究指出[9],近地层相对风速具有逐年减小的趋势,并且越靠近地面相对风速减小越明显。

为进一步认识北京城市化进程对城市近地层大气风温结构的影响,本文利用北京地区气候站和325 m气象塔风温梯度观测,从城市化进程不同阶段对比角度分析北京近地层大气风温结构变化特征,为认识诸如北京的超大城市高速城市化进程对大气近地层结构的影响,推动与之相关的城市精细化预报和污染扩散预测模式提供科学参考。

1 资料与质量控制

本文所使用的气象资料为北京20个气候监测站的风温观测(1971—2008年)和325 m气象塔风温梯度观测(第一阶段:1991—1995年;第二阶段:2004—2008年)。有关北京城市社会经济发展指标统计资料来源于1998—2010年北京市统计年鉴[14]。

北京325 m气象塔的观测资料由于仪器故障、系统误差及传输记录系统故障,往往存在虚假数据,需要进行质量控制[15-16]。本文所采用的质量控制方案如下:(1)剔除不符合气候统计意义的数据:如温度超过50℃,风速超50 m/s(判断依据来源于北京市气候中心所提供《北京气象汇编资料》);(2)剔除没有物理意义的数据,如风速为负,风向超过360(°);(3)剔除由于仪器或者数据传输故障导致的数据错误或数据丢失。

2 北京城市化进程

北京是一座处于快速城市化进程的超大城市。城市发展在社会经济领域主要体现为城市人口的快速增长、地区人均生产总值的不断提高和市区及其周边土地利用的变化等等。新中国成立60 a来,北京全市人口由209万(1949年)激增到1 695万(2008年),城市建设用地由100 km2(1949年)扩大到3 377.15 km2(2008年)[14,17]。北京市近30 a城市下垫面覆盖类型的变化指出(图略),从1978—2005年,北京市建筑用地范围明显扩大,其中昌平、海淀和顺义地区建筑用地增加最为显著。城市的发展使得原有自然植被和裸露土地被建筑物、水泥路面、柏油马路等人工铺装所代替,城市人为热源、工业烟尘、气溶胶和颗粒物的排放也随之显著增加。人们的生产生活极大地影响着城市地区大气的热动力状况,对气温、相对湿度、能见度、风和降水等都造成了不容忽视的影响[5-6]。

图1给出的是以能源消耗(标准煤)和人均地区生产总值为代表的北京近30 a城市社会经济发展指标。可以看到,北京城市社会经济水平在过去30 a中得到了极大提升,其中1978年北京人均地区生产总值为797美元/人,2008年增长到9 618美元/人,增长幅度为1 106.8%。同时,随着社会经济的快速发展,城市能源消耗(标准煤)也在大幅增长。1980年北京全市以标准煤折算的能源消耗为1 907.7万t,1995年为3 533.3万t,2008年达到6 327.1万t,自1980—2008年(29 a)增加了3.3倍。

图1 北京人均地区生产总值和能源消耗Fig.1 Beijing per capita gross domestic product and energy consumption

城市化进程使得局部高度集中的社会生产、生活活动所消耗的燃料迅速增加。一般而言,与自然下垫面区域相比,城市地区会释放出更多的“人为热”、“人为水汽”、微尘和污染物。城市地表属性的改变也会影响到该区域的地表反照率,进而使得地表辐射平衡状况发生变化。研究表明[1,5,11-13],一般人口在百万以上的城市地区气温约比郊区高0.5～1.0℃,在晴朗无风或微风的条件下,城市热岛日夜间的差异甚至可达3℃。利用数值模式对城市土地利用变化所导致的气象环境效应研究指出[18],北京地区1980—2004年间城市化进程不同阶段土地利用属性已经对边界层热动力结构产生了显著影响,使得近地层动量、热量通量增大、近地层物质和能量输送增强。此外,城市建筑物高度的增长导致地表动力粗糙度增大,增加了对低层风场的扰动作用,促使湍流作用加强。城市群发展对局地和区域气象条件的影响研究指出[19],密集城市群的出现改变了局地热力和动力环境,造成大气流场和湍流特征的变化,使得区域内污染物的扩散、转化和累积等规律发生变化。珠三角城市群城市化进程不同阶段大气扩散条件的分析指出,城市群的发展使得区域内平均逆温增强,风速减小,扩散范围减小,导致空气污染物更易集中在城市群范围内。

3 城市化进程不同阶段地面大气风温结构特征

3.1 地面风场特征

为了更好地说明城市化发展对地面风速的影响,本文主要选取了北京地区具有代表性的站点(标准站:观象台;郊区:密云;先郊区后城区:丰台,石景山;地面测站分布见图2所示)1971—2008年地面风速观测资料进行分析,结果显示(见图3)1971—2008年北京地区地面风速具有明显的年际变化特征,其年变化幅度在0.5 m·s-1之间,风速的年际变化主要与对应时期大气环流状态及其调整有关。此外,就长期变化而言,各站地面风速呈现出不同变率的减小趋势。其中,作为北京地区代表站的观象台地面风速递减率为-0.014 m·s-1/a;由郊区发展为城区的代表站石景山和丰台地面风速递减率分别为-0.027 m·s-1/a和-0.015 m·s-1/a,在所选代表站中最显著;郊区代表站密云风速递减率最小,为-0.005 m·s-1/a。

图2 北京地面测站分布Fig.2 Location of weather stations in Beijing

图3 北京地区1971—2008年地面风速Fig.3 Surface wind speed over Beijing area form 1971 to 2008

本研究所关注的2个阶段,1991—1995年(第1阶段)和2004—2008年(第2阶段),观象台平均风速分别为2.43和2.31 m·s-1,第2阶段较第1阶段小0.12 m·s-1(5%);石景山平均风速分别为1.89和1.43 m·s-1,第2阶段较第1阶段小0.45 m·s-1(24%);密云平均风速分别为2.31和2.04 m·s-1,第2阶段较第1阶段小0.27 m·s-1(12%)。

地面风速的上述变化表明,郊区(密云)地面风速相对于城区处于较高水平,城区(石景山、丰台)地面风速随时间的减小趋势较郊区显著。这一现象与城市发展所伴随的地表覆盖属性改变,建筑物高度增长、密度增加,进而导致城市下垫面空气动力学粗糙度增大,加强了地表对低层气流的阻尼作用,使得空气流经城市地区时动量损失,风速减小有关[10-11]。

3.2 地面温度场特征

城市热岛是城市对气温影响的最突出特征。城市发展所带来的地表属性、人为热源和污染物排放等的变化必然会影响到城市热岛效应。多年以来,已有不少研究工作针对北京城市热岛效应进行了分析和探讨,得到了北京城市热岛强度变化的基本特征为冬季强、夏季弱。以往的研究工作在探讨城市热岛强度时往往采用城郊单个站点(例如,城区:观象台;郊区:密云)的温度进行比较。从北京地区长期气候观测资料来看,观象台在近30 a中有2次较大的迁移,不适宜作为城区代表站进行热岛强度的分析和讨论。为综合评价城区和郊区的温度差异,同时考虑到北京地区各测站地形高度的差异,本文采用城区4站平均代表城区温度,郊区4站平均代表郊区温度,并将城区平均气温与郊区平均气温的差值定义为城市热岛强度:

北京城市化进程中2个阶段平均温度和城市热岛强度的分析指出:各站第2阶段地面温度均比第1阶段高,其中观象台高0.5℃(4%),海淀高0.6℃(5%),石景山高0.8℃(6%),密云站高0.4℃(4%);第1阶段平均热岛强度为0.78℃,第2阶段平均热岛强度为0.93℃,第2阶段较第1阶段高0.15℃(19%)。林学椿等[2]对北京地区温度的长期变化研究指出,近40 a北京郊区的增温率为0.04℃/10 a,城市中心区的增温率为0.35℃/10 a,城市发展是城区温度增率高于郊区的主要因素。

为分析北京城市热岛的空间分布特征,将各站温度减去郊区4站平均值,得到如图3所示的北京地区城郊温差空间分布。由图4可见:(1)第1阶段,城区除朝阳站(观测站在大范围绿地内)以外,其余各站热岛强度均大于0.6℃。其中,海淀最大,达到0.91℃,其次为石景山,达到0.86℃;(2)第2阶段城区各站热岛强度均有所增加,平均热岛强度达到0.93℃。其中,海淀最大,达到1.11℃,其次为石景山,达到0.99℃;(3)第2阶段较第1阶段城郊温差大于0.5℃的范围明显增加。除主城区外,通县、门头沟、大兴等地区的温度差也超过0.5℃,分别达到0.56、0.54和0.53℃;(4)第2阶段较第1阶段城区热岛强度增加幅度最大的是南部丰台(0.2℃)和北部海淀(0.2℃)。这一现象与北京城市北部海淀科技园区、南部住宅和经济开发区的快速发展密切相关。总体来看,城市热岛的影响范围与强度随着城市化进程的推进均有所增加。结合北京城市发展,可知自1991—2008年北京城市用地范围明显扩大、人口密度迅速增长、能源消耗显著增加,这些社会经济领域的变化必然会影响到局地人为热源排放、气溶胶含量和分布、地表热容量、近地层大气动量和热量交换能力,进而影响到局地气象条件。

图4 北京城市化进程中不同阶段城郊温差空间分布Fig.4 Distribution of the urban-rural temperature difference fo r two period of Beijing urbanization(Unit:℃)

表1 北京城市化进程中不同阶段城市热岛强度Table 1 Urban heat island intensity for different stage of Beijing urbanization/℃

值得说明的是,本研究所得到的北京城市热岛强度基本上在0.5～1.0℃之间。近2 a有研究人员利用北京城区2000年后陆续建立的城区自动站与郊区县站对比得到的热岛强度一般在2℃左右[20],明显高于本研究结果。分析其原因,主要在于城市热岛强度与所选取的代表站点密切相关。以往的研究工作在探讨城市热岛强度时往往采用城郊单个站点(城区:观象台;郊区:密云)的温度进行比较。从北京地区长期气候观测资料来看,观象台在1971—2008年期间2次迁移(1981年从位于北京城东南部的郊区大兴县旧宫迁至城区北洼路,1997年4月从城区迁回郊区原址,以上两地相距22 km),不适宜作为城区代表站进行热岛强度的分析和讨论。为综合评价城区和郊区的温度差异,本文采用城区和郊区平均温差进行分析,虽然所得到的热岛强度明显比利用单个气候或自动气象站得到的偏小,但其强度和分布特征具有更加普遍和客观的代表性。刘熙明等[21]利用城区自动站与远郊区站温度资料对夏季热岛强度的分析指出,随着北京城市化进程的不断深入,城市热岛强度>2℃的天数在逐年增加(1988年为66次,2001年为101次)。王郁等[22]利用城区自动站和郊区县站对北京夏季温度资料的分析也指出,夏季北京城市热岛水平范围已扩大到近郊区和远郊区的通州地区,分布特征也由“单中心”转为“多中心”。

4 城市化进程不同阶段近地层大气风温结构特征

4.1 近地层大气风场特征

为了认识北京城市化进程中不同阶段近地层大气风温垂直结构特征,本节主要利用北京325 m气象塔风温梯度观测进行分析。对比城市化进程中2个阶段平均风向分布(见图5),可以看到:(1)第1阶段自气象塔低层(8 m)至顶层(320 m),各层均具有明显的偏北-西南主导风频特征,这与北京地区地面站长期风频变化特征一致。表明受地形影响,近地层风场具有明显的山谷风环流特征。就整层平均而言,偏北风频率为55.0%,西南风频率为24.2%;(2)第2阶段63 m以下各层风向较为紊乱,63 m以上各层风向趋于一致,并与第1阶段相同,具有偏北-西南主导风频特征。就整层平均而言,偏北风频率为56.1%,西南风频率为19.2%(较第1阶段少5.0%)。第2阶段63 m以下各层偏北风频率较大,达到47.9%;其次为东风,达到7.3%;西南风仅为5.4%,比第1阶段减少了17.0%;(3)第1阶段63 m以下西南风频较大(22.4%),且其风速在0.3～6.0 m·s-1之间的比率较大,风速在6.0～9.0 m·s-1之间的比率相对较小。与之相比,第2阶段63 m以下西南风频明显减少(为5.4%),且所观测到的西南风风速明显较第1阶段大,其值基本上在6.0～9.0 m·s-1之间(风力约为4级)。

图5 北京城市化进程中不同阶段近地层风频Fig.5 Wind rose in different period of Beijing urbanization

此外,平均风向的季节变化表明:(1)第1阶段63 m以下冬夏季西南风频率分别为16.0%和25.6%,第二阶段63 m以下冬夏季西南风频率分别为1.5%和4.3%,第二阶段较第一阶段分别减少了14.5%和21.3%;(2)在西南方向风频减少的同时,其他方位风频均有所增加。其中,冬季偏西风增加最为显著(增加8.7%,达到10.5%),夏季偏东风增加最为显著(增加11.7%,达到15.5%)。

就2个阶段风向垂直分布对比而言,最大不同之处在于第一阶段各层风向分布较一致,第二阶段63 m以下西南风风频明显减少(17.0%)。这一现象与气象塔周边地区随着城市化进程的推进,下垫面属性发生巨大改变密切相关。第1阶段,北京已处于城市快速发展中(见图1),该阶段325 m气象塔所处区域已经由建塔初期的农田、农舍发展为城市道路和低层低密度建筑物群,此时气象塔半径500 m内尚未建设高大建筑物群。因此,第1阶段气象塔附近下垫面对各方向来流扰动较小,近地层各层风向趋于一致。第2阶段325 m气象塔所处区域经过了城市建设的快速发展,特别是在气象塔以南相距约100～1 000 m范围内建设完成了高层高密度建筑物群,使得偏南来向气流明显受到建筑物阻挡,气流经过气象塔南部建筑物群后尚未恢复到与来流一致的方向,就越过了观测位置,使得气象塔处于偏南气流的空腔区[8]。因此,只有当近地层低层风速较大时,绕流的偏南气流才能够被观测得到。反映在风频的垂直分布上即为近地层低层(63 m以下)西南方位风频显著减小,且被观测得到的西南风风速较大。可以认为,第2阶段,城市建筑物群对近地层风场的影响高度约为63 m。参照植物林冠定义[23],第二阶段气象塔周边地区城市冠层高度约为63 m。

图6 北京城市化进程中不同阶段近地层大气平均风速及差值的垂直分布Fig.6 Wind speed and it’s difference of surface atmosphere for the different period of Beijing urbanization(Unit:m/s)

对比北京城市化进程中2个阶段风速的垂直分布,可以看到(见图6):(1)第1阶段整层平均风速为3.63 m·s-1,第2阶段整层平均风速为3.44 m·s-1,第2阶段较第一阶段小0.19 m·s-1(6%);(2)2个阶段63 m以下风速有较大差异,其中第一阶段平均风速为2.22 m·s-1,第2阶段平均风速1.56 m·s-1,第2阶段较第1阶段风速小0.66 m·s-1(30%);(3)2个阶段63～280 m,风速差异随着高度的增加迅速减小。第1阶段平均风速为4.11 m·s-1,第2阶段平均风速为4.00 m·s-1,第2阶段较第1阶段风速小0.11 m·s-1(3%);(4)320 m高度上,第1阶段平均风速为4.47m·s-1,第2阶段平均风速为5.32m·s-1,第2阶段较第1阶段风速大0.85 m·s-1(19%)。近地层风速随着城市化进程的推进而减小,且其减少幅度随高度递减的现象很好地反映了随着城市化发展,地表粗糙元对风速的削减作用增加,并且粗糙元对风速的影响随着高度的增加逐渐减弱。

图7 北京城市化进程中不同阶段平均温度廓线Fig.7 Mean temperature profile for the different period of Beijing urbanization

4.2 近地层大气温度场特征

对北京城市化进程中2个阶段近地层大气平均温度的分析指出(见图7):(1)第1阶段整层平均气温为12.91℃,第2阶段整层平均气温为13.27℃,第2阶段较第1阶段偏高0.36℃(3%);(2)就温度梯度变化而言,8～320 m的温度梯度第1阶段为-0.53℃/100 m,第2阶段为-0.63℃/100m,第2阶段较第1阶段温度梯度增加19%;(3)近地层低层8～63 m的温度梯度,第1阶段为-1.1℃/100 m,第2阶段为-0.45℃/100 m,第2阶段较第1阶段小59%;近地层高层63～320 m的温度梯度,第1阶段为-0.41℃/100 m,第2阶段为-0.66℃/100 m,第2阶段较第1阶段大60%。可以看到,虽然第2阶段近地层整层温度梯度是增加的,但在低层8～63 m温度梯度明显减小,这可能与受下垫面粗糙元影响,近地层低层湍流活动较强,大气混合作用明显,造成温度垂直递减率减小有关。整层(8～320 m)大气温度垂直递减率增加,主要与气象塔周边下垫面热力和动力学性质随着城市化进程所产生的显著变化有关。目前气象塔周边主要是高层高密度建筑物群和柏油路面,地表热容量较小,在太阳辐射加热下能够迅速升温,同时耦合高层高密度建筑物群对气流的摩擦、拖曳作用,使得近地层大气的通风量和热力散失能力减弱,感热通量增加,进而导致温度垂直递减率增大。

5 结论

通过对北京325 m气象塔不同阶段(第1阶段:1991—1995年;第2阶段:2004—2008年)风温梯度观测,北京地区标准气候站长期风温观测(1971—2008年,20个站)和北京城市社会经济发展指标(1978—2008年)的分析,表明北京城市化进程已经导致该地区近地层大气特征的明显变化:

(1)1971—2008年北京地区地面风速具有明显的年际变化,其年变化幅度在±0.5 m·s-1之间。就长期变化而言,各站地面风速呈现不同变率的减小趋势。其中,由郊区发展为城区的代表站石景山和丰台地面风速递减率在所选代表站中最大,分别达到-0.027和-0.015 m·s-1/a。城市化进程第2阶段,各站地面风速较第一阶段减小5%～24%。这与城市发展所导致的下垫面粗糙度增加,地表对低层气流的阻尼作用增大,使得空气流经城市地区动量损失,风速减小有关。

(2)北京城市化进程中的2个阶段地面温度具有较大变化。第1阶段平均气温为13.05℃,平均热岛强度为0.78℃。第2阶段平均气温为13.55℃,平均热岛强度为0.93℃。第2阶段较第1阶段温度升高0.5℃(4%),热岛强度增加0.15℃(19%)。城区内热岛强度增加幅度最大的区域是南部丰台(0.2℃)和北部海淀(0.2℃)。这一现象与北京城市北部海淀科技园区、南部住宅和经济开发区的快速发展密切相关;

(3)北京城市化进程中的2个阶段近地层低层(63 m以下)风向风速有较大变化,高层(63 m以上)变化较小。就2个阶段风向垂直分布对比而言,最大不同之处在于第1阶段各层风向分布较为一致,第2阶段63 m以下西南风风频明显减少(17%)。近地层低层(63 m以下)第2阶段较第1阶段平均风速减少0.66 m·s-1(30%),近地层高层(63～280 m)2个阶段风速差异随着高度的增加迅速减小。近地层风向风速特征的变化与气象塔周边地区随着城市化进程的推进,逐渐被高层高密度建筑物群覆盖,地表粗糙度增加,下垫面对近地层流场产生明显的阻挡、拖曳作用密切相关;

(4)北京城市化进程中的2个阶段近地层温度梯度具有明显变化。8～320 m,第1阶段温度垂直递减率为-0.53℃/100 m,第2阶段为-0.63℃/100 m,第2阶段较第1阶段增加19%。这与气象塔周边土地利用属性变化所导致的下垫面热容量、粗糙度的改变对近地层大气感热通量的影响有关。

(5)2004—2008年近地层大气风温结构特征表明,气象塔63 m以下流场基本反映城市冠层流场特征,325 m气象塔周边城市冠层厚度约为63 m。

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