江西九江近地层温度梯度及风廓线规律的适用性

陈胜东，徐卫民，桂保玉，辜晓青

(江西省气象科学研究所，南昌330096)

0 引言

近年来大气污染问题日益严重，引起人们的广泛重视[1-2]，而大气污染物输送、扩散主要受大气边界层的特性所制约，尤其是大气边界层中离地面100 m左右的近地层，这一层受下垫面影响最直接，气象要素的日变化最大[3-4]，同时，要对大气环境进行预报及治理，进而对城市环境进行区域规划，必须首先搞清楚区域大气边界层特征[5]。因此，许多学者高度重视大气边界层特性的研究，开展了大范围大气边界层分析[6-14]。解以杨等[15]统计了天津气象塔平均风温廓线的日变化规律，特别分析了稳定层结的风温廓线特征。刘珂等[16]分析研究了浙江三门湾沿海地区的核电厂地区大气扩散特征。孙海燕等[17]分析了2006年贵州山区边界层风温垂直廓线的结构特征。李明华等[18]根据2004年10月珠江三角洲3个观测点大气边界层观测资料，分析了珠江三角洲秋季大气边界层温度和风廓线特征。杨林[19]对浙江三门湾沿海地区的一座核电站的大气扩散特征进行了分析和研究，胡二邦[20]对中国东部沿海某拟建核电厂址进行了现场试验和风洞模拟实验。

然而受观测手段及资料长度限制，学者们过去对江西九江地区边界层风温层结特征的研究较为少见。在江西省北部通过在百米气象塔设置不同高度风温观测仪器，研究分析了该地区近地面层的温度梯度及风廓线规律，为该地区后续开展相关大气边界层观测试验和建设项目环境影响评价提供了气象背景资料和理论数据参考，对提高江西九江地区的环境保护水平、改善市民的生存环境质量等都有重要指导意义。

1 气象观测站概况

1.1 观测站地理位置

图 1 观测站厂址地理位置Figure 1 Location of the nuclear power plant

该气象铁塔观测站(位于九江核电厂)北临长江，南靠太泊湖，距离江西省省会城市南昌市约170 km，距九江县城约22 km,距九江市约80 km,距景德镇市约96 km，距安徽省境内望江县城约10 km,距安庆市约62 km(图1)。地貌类型以江岸湖滨剥蚀丘陵为主，周边丘陵山地交错，江、河、湖泊水源较多，地形较复杂。厂址区内最高标高为112.1 m(黄海高程，下同)，长江水面平均标高为9.1 m，厂址附近长江江面宽为2 400 m，下切深度标高约-6.7 m。位于长江和太泊湖之间的丘陵，山顶浑圆，山坡平缓，山体自然坡角一般为11°～27°。在丘陵与长江之间分布着狭窄的I级阶地，阶面标高14 m左右，最宽处约1.4 km。对该地区进行近地面层风廓线的分析可为该地区建设核电站提供参考。

1.2 观测试验设计及要求

该气象梯度观测站设置4层高度观测，高度分别为10 m、30 m、70 m、100 m，对4层高度风向、风速、温度进行逐时观测，仪器性能指标参数见表1。同时，根据国内气象观测的相关规定，所有传感器设备安装使用前均经过了国内有资质的单位进行过标定。

表 1 仪器性能参数Table 1 The parameter of instrument performance

2 资料与方法

2.1 资料来源

该气象塔观测系统在102 m铁塔的10 m、30 m、70 m和100 m 4个高度上分别安装风向、风速和温度传感器，实现对应高度风向、风速和温度要素的观测，通过该观测系统获取2013年5月至2014年4月逐日观测数据，该系统可以用于多层梯度气象观测，每层均可测量风速、风向、温度、湿度平均场常规参数。

2.2 数据处理

以近地层的理论框架为基础进行分析，按照近地面层风温廓线的相似性理论分析近地层风廓线规律[21]，为较好地代表近地层的稳定度，选用30 m和10 m的位温差与10 m的风速计算稳定度指标。同时数据的统计处理运用VB语言编程结合Excel统计实现，制图采用Excel软件实施。

3 结果与分析

3.1 各高度平均气温

表2、3分别给出了塔层各高度2013年5月—2014年4月期间的月平均气温与季、一整年平均气温统计结果。由表2、3可见，一整年观测期间年平均气温100 m高度为17.6 ℃，70 m高度为17.7 ℃，30 m高度为17.9 ℃，10 m高度为18.1 ℃。四季中，春季100 m高度和10 m高度分别为17.3 ℃和17.5 ℃；夏季100 m高度和10 m高度分别为28.3 ℃和28.8 ℃；秋季100 m高度和10 m高度分别为18.7 ℃和19.5 ℃；冬季气温100 m高度和10 m高度分别为6.2 ℃和6.5 ℃。各月平均温度分析(表2)表明：观测期间，最冷月为2月，平均气温5.3～5.8 ℃，最热月为8月，平均气温30.4～31.1 ℃。据九江县历年气象资料统计显示：九江县年平均温度为16.8 ℃，最冷为1月，平均气温4.0～6.0 ℃，最热为7月，平均气温为28.0～30.0 ℃。由于个例年差异性，气象铁塔在观测期间最冷、热月份与九江县平均历史资料统计不一致，但气象铁塔观测数据值与历史资料统计值是基本一致，且观测数据显示四季气温基本呈现随高度增加而趋于减小的趋势。

表 2 气象铁塔各高度月平均温度/℃(2013年5月—2014年4月)Table 2 Monthly average temperature in each height of meteorological tower (2013-05—2014-04)

表 3 气象铁塔各高度季、年平均温度/℃(2013年5月—2014年4月) Table 3 Seasonal and annual average temperatures in each height of meteorological tower (2013-05—2014-04)

高度春季夏季秋季冬季全年100 m17.328.318.76.217.670 m17.328.319.06.317.730 m17.328.619.36.417.910 m17.528.919.56.518.1

3.2 逆温分析

图 2 气象铁塔百米季、年出现逆温平均逆温强度/(℃/100m)(2013年5月—2014年4月)Figure 2 Seasonal and annual average inversion intensity in the100-meter of Meteorological iron tower (2013-05—2014-04)

图2给出了观测期间四季及年平均百米塔层出现逆温时的逆温强度，可直观看出，四季中夏季最少，春、秋、冬季出现逆温的次数相对较多。超过1.5 ℃/100m的逆温强度时次最多的是冬季，一天24 h中有12 h以上超过1.5 ℃/100m，其次为秋季和春季，超过1.5 ℃/100m有11 h，而夏季相对最短。与逆温生消的一般规律相同，本区冬季易形成逆温，强度也较大。逆温强度变化规律是冬季较强，夏季较弱。一般从傍晚18时开始，逆温逐步增强，冬季一般在早晨2～7时达到峰值，随后开始逐步减弱，至下午16时左右达到最低，以后又开始逐步增强。从全年平均逆温强度曲线可以看出，逆温强度从傍晚18时至次日早晨7时均超过1.0 ℃/100m，而早晨8时至下午17时逆温强度则较弱(均小于1.0 ℃/100m)。表4给出了观测期间各月平均逆温强度，可以看出，2013年10月—2014年4月逆温强度最大，日平均逆温强度均在1.0 ℃/100m以上，而2014年5—9月则强度相对较弱，均小于1.0 ℃/100m。

3.3 气温梯度分析

观测期间平均气温梯度变化曲线如图3所示，可见观测期间各高度逐时平均温差变化最大不超过6 ℃，梯度温差最大(100 m与10 m高度的温度差)为-2 ℃左右。一天中气温梯度较大的时刻为10:00—16:00之间。观测期间下午14:00—16:00时气温最高，早晨6:00—8:00时气温最低。每日从9:00开始气温回升，至15:00、16:00时达到最高温度后缓慢下降，直至次日清晨出现气温最低值。图4给出了观测期间平均气温梯度季变化曲线，对比四季变化曲线可知，春季、夏季、秋季振幅较大，平均温差接近6.0 ℃，其中秋季最大，平均温差接近7.0 ℃；而冬季振幅较小，平均温差小于5.0 ℃。

表 4 气象铁塔百米各月的平均逆温强度/(℃/100m)(2013年5月—2014年4月)Table 4 Average inversion temperature in each month of meteorological tower (2013-05—2014-04)

3.4 近地面层风廓线规律的适用性

为进一步判断气象铁塔观测系统的稳定性，观测期间按月取主导风和主导风次时段的逐时观测数据组进行统计，进而分析出各月主导风下各高度与10 m高的风速比随稳定度参数的变化特征(U100/U10、U70/U10、U30/U10随Δθ30-10/U102的变化)，从而判断塔上观测仪表性能是否正常与稳定。

各月主导风向下气象塔上3个高度与10 m高的风速比随稳定度参数的变化见图5。左边是稳定层结，右边是不稳定层结，中间两图衔接处表示近中性层结条件。图示结果表明总体趋势为稳定层结条件下风速比表现随稳定度增强而增大，定性上符合通常的概念，而不稳定一侧的情况定性上显示了风速比的减小很缓慢。

图 3 铁塔各高度层全年平均气温梯度日变化曲线 Figure 3 Diurnal variation curve of annual average temperature gradient at each height level of the tower

图 4 铁塔各高度层四季平均气温梯度日变化曲线Figure 4 Diurnal variation curve of average temperature gradient of four seasons in each height of the tower

图 5 月主导风向下风速比随稳定度参数的变化Figure 5 The variation of speed ratio with the stability parameter in the dominant wind down

1) 各高度风速比随稳定度变化规律清晰，即风速比随稳定度增加而增大，不稳定的时候风速比较小，稳定的时候风速比较大。这一现象符合一般概念。

2) 近中性层结各高度风速比值离散度小，偏离中性层结则风速比值离散度增大；较稳定和较不稳定两端的数据离散度都较大。

3) 对比各高度风速比值的离散程度可知，离散度随高度增加而增大；U30/U10的数据离散最小，U100/U10离散最大。

4) 定性上未发现上述结果在观测进程中的系统性变化，说明观测期间观测仪器及其系统性能基本上是稳定的。

4 结论与展望

本区四季气温有较大差异，温差较大，日较差秋季最大，冬季最小，逆温强度是冬季较强，夏季较弱。气象塔所在地貌类型以江岸湖滨剥蚀丘陵为主，周边丘陵山地交错，江、河、湖泊水源较多，地形较为复杂。导致了塔层不同高度之间的风速比经常出现不随稳定度参数单调变化的情况，廓线规律的重复性表明观测期间系统的性能基本上是稳定的，可为该地区今后开展大气环境研究提供气象背景资料和理论数据参考。