城市建设对边界层大气环境的影响

廖洁,李燕

(湖北省气象服务中心,湖北 武汉 430074)

城市建设对边界层大气环境的影响

廖洁,李燕

(湖北省气象服务中心,湖北 武汉 430074)

摘要:根据在葛店进行的3次污染气象试验的结果,分析了1987~2007年当地的低空风场与温度场的变化情况,结果表明:观测地点的地面主导风向发生偏转,明显由偏E风转为偏N风;地面气温从最开始的与鄂州气象站相关最好,逐渐变为与武汉气象站相关较好。

关键词:风场;温度场;观测

1引言

城市作为人类主要的生存聚居地和工业集中的生产场所,其气候和环境问题日益突出,城市地区相对于周围的乡村地区而言,由于其独特的下垫面,地面动力学粗糙度明显增大,地面热容量和热释放量也均比乡村地区明显增加,从而使其上空的边界层特性与周围的乡村地区大为不同。国内外大量的研究结果都表明,随着城市化的高速发展,导致城市内边界层的结构出现了相应的变化。

为了研究城市下垫面变化对城市边界层环境的影响,根据在葛店进行的3次污染气象试验中探测的温度和风廓线资料,分析了该地区边界层随下垫面变化而产生的变化。

2试验方法及数据来源

葛店位于鄂州与武汉之间,鄂州市西北部,武汉市洪山区东侧,长江之南。在葛店分别进行了3次污染气象试验,第一次在1987年的12月,第二次在2003年的12月,第三次在2007年的12月。温度探测均采用GNZ3型遥测接收仪,用双经纬仪同步跟踪气球,每隔20s读数一次,用矢量法计算气球高度和各高度的风向、风速。

3风场的变化特点

3.1　地面风场

在1987年12月的观测中,地面主导风向为E风,对应的平均风速为2.1m/s;次主导风向为SE风,对应的平均风速为1.8m/s。地面风的最大风速出现在10时,风速为1.6m/s;傍晚18时和早晨06时,风速最小为0.8m/s。观测期间的静风频率为30%。

根据2003年12月的观测结果,当地的地面风的主导风向为NE,次主导风向为NNE。静风频率为18.5%。地面最大风速出现在早晨06时,风速为3.4m/s;最小风速出现在夜间22时,1.3m/s。

2007年冬季的观测结果中,地面风的主导风向为NNE,次主导风向为NE。2007年的观测期间风速较大,静风频率为0。地面最大风速出现在中午12时,风速为4.5m/s;最小风速出现在16时,风速为2.3m/s。

随着城市规模的不断发展和建筑群与日俱增,城市下垫面的粗糙度加大,使得城市边界层的湍流加大,风场结构发生较大的改变。根据第一次1987年的观测到2007年观测结果(表1),当地的地面主导风向由E风逐渐改变为NNE风,静风频率逐渐变小,可见由于这多年的发展导致当地的地面主导风向发生较大的偏转,地面风速较以前变大。

表1　各观测时段的主导风向一览

3.2　风场随高度的变化

3.2.1　风向

1987年在评价区的低空风场在250m以下主导风向为N风,300~400m高度层的主导风向为NNE,450~500m高度层为NE,750~1000m范围内E风占主导。各高度层的静风出现频率较小,在650m高度层以下静风频率均小于5%,700m高度以上的静风频率在6%~10%之间。

2003年的观测记录显示,100m高度的主导风向为NE,随着高度的增加,200m主导风向右偏一个方位为NNE,200~600m主导风向一直稳定在NNE方向上,但偏右方位的风频率逐渐增加,700m高度主导风向又右偏一个方位,转为NE风,800~1000m的主导风向稳定在WSW方位。观测期间的静风多出现在地面,400m以下静风频率小于5%,400m以上高度层的静风频率均为0。

2007年的观测结果中,50m以上高度层的主导风向大多为NE,仅200m高度层的主导风向为ENE,但200m的次主导风向也为NE。观测期间各高度层的静风频率均不高,主要集中在300~700m高度,其他高度的静风频率均为0。

根据3次的观测数据,第一次的观测时主导风向随高度的增加存在较明显的右偏,由N风偏转为E风。第二次观测时的主导风向在高层一个较大的切变,在70m高度以下风向主要为NNE和NE,700m高度以上则突然偏转为WSW。而在2007年的观测结果中,从低层到高层的主导风向较为一致,大部分为NE。

3.2.2　风速

图1是1987年在鄂州进行观测得到的各高度层风速的变化曲线图,可以发现观测点白天风速明显小于夜间风速。各时次在50~100m高度均有明显的风速增大。14时的风速为全天最小风速,该时次的风速随着高度的增大,风速也逐渐增大。夜间20时和02时的风速随着高度增高而逐渐变小。

图1　1987年鄂州观测点各高度层风速变化曲线

2003年的观测中,在300m以下,中午14时的风速最小,清晨08时的风速最大;但到了800m高度以上,02时的风速为最小(图2)。

图2　2003年鄂州观测点各高度层风速变化曲线

根据2007年的观测结果,在700m以下,除08时外其他各时次的风速随高度变化不显著,08时的风速随着高度的升高而迅速变大。在700m高度以上,02时的风速略有下降,其他各时次的风速则迅速减小至1.0m/s以下,变化很大(图3)。

图3　2007年鄂州观测点各高度层风速变化曲线

相较于3个观测结果,观测地点的白天风速小于夜间风速,其中尤以第一次观测(1987年)的结果明显。观测期间,夜间风速在地面~100m高度之间风速增加明显,到了高层(800m高度以上)风速会略有减小,但是在2007年观测期间,在700m高度以上则出现风速迅速下降。

4温度场的变化特点

4.1　地面温度

1987年的测试期间,地面气温最低气温出现在06时,最高气温出现在14时。观测地点的地面气温与鄂州气象站的观测结果相关系数为0.9929,呈显著相关;而与武汉气象站的观测结果相关系数则为0.8507。

2003年的地面气温观测结果,与鄂州气象站的相关系数为0.965,与武汉气象站的相关结果为0.963,二者相差不大,与鄂州的相关性略大于其与武汉的相关性。而到了2007年,地面的气温观测结果中,与鄂州气象站的相关系数为0.915,与武汉气象站的相关结果为0.917,变成了与武汉的相关性略大于其与鄂州的相关性。同时,可以发现,观测地的气温与临近气象站的相关性在逐渐降低。

4.2　低空温度场

图4为1987年各时次温度随高度的变化曲线。在观测期间,从傍晚18时起,至次日08时为止,均出现不同程度的逆温现象。其中在02时的逆温强度最大。逆温均出现高度在350m以下,近地面50m以下的逆温强度均高于50m以上的逆温强度。

图4　1987年鄂州观测点各高度层温度变化曲线

在2003年的观测结果中,从夜间20时之后才开始出现逆温,直至早上08时。逆温频率最强时次同样为夜间02时(图5)。

图5　2003年鄂州观测点各高度层温度变化曲线

在2007年的各时次温度随高度的变化曲线图(图6)中,逆温最强出现在夜间02时,在早间08时出现在100~200m的低悬逆温。在2007年的观测中可以看出,观测点逆温多出现在近地200m以下,200m以上几乎无逆温出现。

图6　2007年鄂州观测点各高度层温度变化曲线

结合图4~6的变化曲线可知,1987年观测得到的

中图分类号:P4

文献标识码:A

文章编号:1674-9944(2015)01-0009-03

作者简介:廖洁(1979—),女,湖北安陆人,硕士,高级工程师,主要从事环境影响评价以及气候可行性论证方面的研究工作。

收稿日期:2014-12-04