武汉城市区域水陆风环流的形成与转化特征研究

胡辉 陈佳欣 余玲 刘立 邢攀 梁胜文

摘要大气细颗粒物PM25污染引起的雾霾天气既与本地污染物排放密切有关，也受局地特殊的风场影响.本文以武汉城市区域为研究对象，分别研究了长江沿岸的江陆风环流、东湖沿岸湖陆风环流的形成与转化特征，发现江风、湖风开始时间均为07：00—08：00，一年中最大风速均能达到2m/s左右，而春夏季江风的持续时间高于秋冬季，夏季湖风的持续时间高于春季.同时发现区域附近温度和相对湿度之间有明显的相关性，湿度变化趋势大体上跟温度变化趋势相反，且温度对相对湿度的影响存在一定的滞后性，延迟时间大约为1h.关键词江陆风；湖陆风；湿度；温度；特征

中图分类号P425

文献标志码A

0引言

目前，国内外对水陆风环流特征的研究主要集中在海陆风环流.Prtenjak等[1]研究发现克罗地亚海岸的海陆风发生频率在37%～60%之间，海风一般出现在早晨08：00，并持续约10h，下午14：00—15：00时海风风速达到最大值.荀爱萍等[2]研究发现，厦门地区海边站点海陆风日的天数较少，内陆站点的天数较多，这种区别在夏季更加明显.邱晓暖等[3]研究发现，华南、长三角、环渤海地区的海陆风特征具有明显的差异性，海风出现时间不同，低纬度较晚.同时，研究还发现，大气污染物的扩散和累积与海陆风环流特征有直接关系.Bouchlaghem等[4]发现海风进入陆地后促使污染物向下游输送，造成下游地区污染物浓度上升.王坚等[5]发现1989—2014年厦门鼓浪屿环境空气质量受工业污染影响程度的加大，与海陆风环流特征的变化密切相关.赵文龙[6]基于WRFCMAQSMOKE模式系统，验证了典型时段的海陆风对O3及其前体物的影响.吴蒙等[7]利用局地环流指数方法，发现珠三角地区在海陆风影响下低层风场的有效输送能力较弱，不利于污染物的输送扩散.刘树华[8]研究发现，京津冀地区重污染天气的形成与海陆风环流影响有关.

武汉是我国特大城市之一，市内陆地与包括长江、汉江及东湖在内的众多水域纵横交错，使得四季湿度偏大.由于每个相对独立的水域具有自己的湿度场、温度场和风场，形成局地风场环流.然而，目前有关江陆风或湖陆风环流特征的报道很少，而高湿度是形成严重雾霾的必要条件之一.因此，研究武汉城市区域水陆风场的转化特征，对武汉雾霾形成的早期诊断及预警具有重要意义.

1实验仪器及研究方法

为研究武汉长江段和东湖水域的水陆风场环流特征，在位于汉口江滩大气污染物国控监测站点布设自动气象观测设备（锦州阳光气象科技有限公司，型号为PC4），记为A点（114°30′E，30°95′N）；在位于湖北省体育局水上运动管理中心对面的东湖岸边约20m处，布设同样的自动气象观测设备，记为B点（114°37′E，30°54′N）.观测点位周边环境及设置满足《地面气象观测规范（2004）》对监测点位周围环境条件要求.观测时间为1a.

2武汉城市区域水陆风环流特征分析

定义A点的NE—S风向范围内的风为江风，则SSW—NNE风向范围内的风为陆风.当陆风转为江风时开始计时，直到其转为陆风为止，期间持续的时间为江风持续时间.通过对A点观测数据的统计分析，得到了A点区域四季江陆风的开始时间和持续时间等特征.图1是从四季中各选择具有典型特征的江陆风气象日，绘制的江陆风场变化曲线.

由图1可知，A点汉口江滩区域一年四季的江陆风场具有明显的不同，四季都受江陆风的影响，这表明江陆风已经成为长江沿岸地区一种常见的天气现象.对比图1中四季风速可知，江风的风速明显高于陆风风速，四季的最大风速都是江风，分别为15、17、2和1m/s，夏秋季高于冬春季节，陆风的风速虽小，但多在21：00—22：00左右或02：00—04：00，出现陆风的峰值.

表1给出了A点江风和陆风春夏秋冬四季的基本特征.从表1可知，江风开始时间在07：00—08：00，其中冬季江风开始时间相对春夏秋季节偏迟；同时，春夏秋冬四季江风持续时间存在差异，其中春夏季江风的持续时间高于秋冬季节.陆风开始时间为17：00—19：00，其中春夏季陆风开始时间相对秋冬季节偏迟；同时，冬季陆风的持续时间最长.对比江风和陆风的持续时间可知，除夏季外，陆风的持续时间比江风的持续时间要长.

同理，定义NNW—SE风向范围内的风为湖风，S—W风向范围内的风为陆风，当陆风转为湖风时开始计时，直到其再转为陆风为止，期间持续的时间为湖风持续时间.通过对B点观测数据的统计分析，得到了B点区域有代表性的春夏季湖陆风的开始时间和持续时间等特征.图2是从春夏季中各选择具有典型特征的湖陆风气象日，绘制的湖陆风场变化曲线.

由图2可知，B点东湖湖岸区域春夏季的湖陆风场具有明显的不同.对比图2中的a和b可知，湖风风速都高于陆风风速，夏季风速最大，在2m/s左右.陆风的风速峰值小，春夏季在06～08m/s，出现在20：00左右或00：00左右.

表2是B点湖风和陆风春夏秋冬四季的基本特征.從表2可知，湖风开始于早晨07：00左右，其中冬季湖风开始时间相对春夏秋季节的偏迟，约在08：00—09：00左右；夏季湖风持续时间大于春秋季，故而夏季陆风开始时间较迟，开始于20：00，春季陆风开始于17：00.夏季湖风的持续时间高于陆风持续时间，春季陆风的持续时间则高于湖风持续时间.

3武汉城市区域温度湿度特征分析

每个相对独立的水域具有自己的湿度场、温度场和风场，形成局地风场环流.因此，由于水陆风场的不同，导致武汉长江水域和东湖水域温度与相对湿度之间存在明显的相关性.利用A点和B点气象观测数据进行温度和相对湿度的统计分析，发现温度对于相对湿度有着明显的影响.结果分别如图3和图4所示.

由图3可知，武汉城市区域长江江岸A点四季的温度湿度变化趋势一致，其中，温度变化曲线和相对湿度变化曲线几乎相对于x轴对称，且湿度变化趋势大体上跟温度变化趋势相反.从图3曲线变化还发现，温度开始升高或降低后1h左右，相对湿度才开始减小或增大，故而温度对相对湿度的影响存在一定的滞后性，延迟时间大约为1h.

由于相对湿度是空气中实际的水汽压与当时气温下的饱和水汽压之比，因此，当温度升高时，饱和水汽压升高，则相对湿度必然下降，反之亦然.相对湿度的大小跟地面蒸发作用有着直接的关系，而蒸发作用与温度和太阳辐射有关，温度越高蒸发作用必然越强，向外扩散水汽，使得相对湿度减小，温度降低蒸发作用必然也减弱，相对湿度就会回升.

由图4可知，东湖湖岸B点春夏季节的温度与相对湿度变化趋势一致，温度相对于相对湿度而言存在一定的滞后性，延迟时间大约为1h.这种变化关系，与长江江岸A点四季的温度湿度变化趋势相似，只是温度与相对湿度的峰值位置不同而已.

结合图3和图4可知，温度高低影响水陆风的发生发展.受江风和湖风影响带来的大量水汽，使得A、B点的相对湿度都偏高.因此，相对湿度的大小必然随着温度的升降而呈近相反趋势变化.

为了说明相对湿度与江陆风和湖陆风之间的关系，结合A点和B点气象观测数据，统计了A点和B点水陆风相对应的风速和相对湿度，结果分别如表3和表4所示.

由表3和表4可知，当吹江风和湖风时，环境空气的相对湿度低于吹陆风时的相对湿度，平均风速

高出陆风时2倍以上；四季江风的最大风速在1～2m/s之间，湖风的最大风速在1～22m/s之间.除夏季外，江风和陆风的相对湿度差为10%～15%，夏季时的相对湿度差大约为5%.而湖陆风在季节变换时，湖风和陆风时的相对湿度差较小.

4结束语

通过在长江江岸A点和东湖湖岸B点的气象观测研究发现，武汉城市区域的水陆风场具有以下特征：

1）江（湖）风开始时间在07：00—08：00，冬季开始时间相对偏迟在08：00—09：00，江（湖）风四季持续时间不同，春、夏季节江风的持续时间高于秋、冬季节，夏、秋季节湖风的持续时间高于冬、春季节，陆风开始于傍晚17：00—19：00，在春季、秋季、冬季，陆风的持续时间大于江（湖）风持续时间，在夏季江（湖）风持续时间大于或等于陆风持续时间.

2）相对湿度的大小受温度影响，并随着温度的升降而呈近相反趋势变化，温度对相对湿度的影响存在一定的滞后性，时间大约为1h.当吹江风和湖风时，相对湿度低于吹陆风时的相对湿度，平均风速高出陆风时2倍以上，四季江风的最大风速在1～2m/s之间，湖风的最大风速在1～22m/s之间.除夏季外，江风和陆风的相对湿度差为10%～15%，夏季时的相对湿度差大约为5%.而湖陸风在季节变换时，湖风和陆风时的相对湿度差较小.

参考文献

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