2018年北京城区和远郊区低层大气风场特征分析

曹杨 何文英 施红蓉 王普才

1 四川省气象灾害防御技术中心，成都 6100722 中国气象局大气化学重点开放实验室，北京 1000813 中国气象局大气探测重点开放实验室，成都 6102254 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室，北京 100029

1 引言

低层大气风场特征与大气污染物稀释和扩散紧密相关，对局地风场特征和变化规律进行深入分析和研究，有利于提高大气污染气象条件的预报能力 （李炬和舒文军, 2008; 吴庆梅和张胜军, 2010; 李延莉和杜静文, 2012; 曾佩生等, 2019）。此外，对低层大气风场的研究对大气动力学、天气以及气候变化的研究也是非常重要的，风场的垂直精细结构对提高天气预报准确性以及分析灾害性天气发展趋势有重要意义（李跃清, 2000; Mihalikova et al., 2012;孙绩华等, 2015）。

传统的三维风场探测，一般依靠气象业务无线电探空系统，一天只能提供两次探测数据。随着遥感技术的发展，测风雷达（如：风廓线雷达、多普勒声雷达等）作为新型的遥感探测设备可以连续24 h获得高时间分辨率的风场数据。较多学者将雷达探测资料与探空资料进行了比较，在其有效探测高度内，一致性较好（孙旭映等, 2008; 董丽萍等,2014; 吴蕾等, 2014a, 2014b;曲巧娜等, 2016; 曹杨等,2017; 阮征等, 2017）。利用测风雷达资料分析局地风场，可以更细致地获得风场垂直结构的时空变化特征（徐小峰等, 2006; 薛峰等, 2009; 徐海等, 2014;徐安伦等, 2016; 毛文茜等, 2019）。声雷达可以通过连续发射声波及检测回波信号中的多普勒频移信息，获得高时空分辨率的近地面边界层风场资料。自1968年开始出现，由于其体积小、质量轻，便于携带和安装等优势，被广泛应用于边界层物理特征分析、大气湍流特征分析和大气污染特征分析等方面（吕乃平等, 1979, 1986; 潘桃等, 1992;Anderson et al., 2005; Anandan et al., 2008; Bradley et al., 2012; Busse and Knupp, 2012）。风廓线雷达通过接收大气湍流不均匀分布产生的散射回波中的多普勒频移信息，获得高时间分辨率的高空风场资料，根据其探测高度可分为边界层、对流层和平流层雷达。目前，风廓线雷达的分布点越来越广泛，众多学者利用其对局地垂直风场特征进行分析（王柯等, 2012; 王海霞等, 2013; 董保举等, 2016; 黄书荣等, 2017）。此外，风廓线雷达在150 m高度以下存在探测盲区，可用声雷达配合使用来进行弥补 （涂小萍, 2014; 马建立等, 2015; 周芯玉等, 2015）。

本文利用2018年1月1日至12月31日在北京国家综合气象观测实验基地获得的风廓线雷达风场资料，和同时期在河北香河的华北香河全大气层野外科学观测研究站获得的多普勒声雷达风场资料，比较分析北京城区和远郊区的低层大气风场特征，为进一步研究北京地区近地大气边界层动力与化学过程提供数据支持。

2 仪器及资料

本文使用的多普勒声雷达风场资料，由中国科学院大气物理研究所安装在河北香河的华北香河全大气层野外科学观测研究站（以下简称“香河站”）观测获得。香河站坐落于廊坊市香河县（39.76°N，116.98°E），海拔高度32 m。该雷达系统通过8×8的相控阵压电式收发器向不同方向发射声波，检测回波信号中的多普勒频移获得风速。观测实验期间（2018年1月1日至12月31日），声雷达运行稳定，可以获得30～600 m高度的水平风、垂直风以及后向散射，垂直探测分辨率为10 m，共58层探测资料，探测时间分辨率为15 min。

本文使用的风廓线雷达风场资料，由安装在北京国家综合气象观测实验基地（以下简称“观象台站”）（39.81°N，116.48°E）的L波段边界层风廓线雷达（WPRD）观测获得，海拔高度32.5 m，与香河站相距约55 km，声雷达和风廓线雷达位置分布如图1。该雷达系统可获得的数据产品包括实时的采样高度上的产品数据（ROBS）、0.5 h平均的采样高度上的产品数据（HOBS）和1 h平均的采样高度上的产品数据（OOBS），本文使用的是OOBS产品。每个采样高度上所获得的数据，包括采样高度、水平风向、水平风速、垂直风速、水平方向可信度、垂直方向可信度、大气折射率结构常数（Cn2）。该雷达系统的垂直探测高度范围为150～10110 m，其中，150～4110 m高度的垂直探测分辨率为120 m，4110 m以上高度的垂直探测分辨率为240 m，共59层探测资料。

图1 观测站分布位置Fig. 1 Distribution of the observation stations

观测实验期间，声雷达和风廓线雷达在不同高度上的数据获取情况如图2所示，横坐标为探测高度，纵坐标为每层高度上有效数据个数与总数据个数的百分比，每层高度总数据个数为28400，其中南郊风廓线雷达数据已经进行质量控制，只保留了水平方向可信度或垂直方向可信度为100的数据。从图中可以看出，随高度增加，有效数据百分比逐渐降低。声雷达30～230 m探测范围的数据获取率在90%以上，340 m左右降到50%以下，470 m高度以上低于10%；风廓线雷达在150～3150 m探测范围的数据获取率在90%以上，6270 m左右降到50%以下，8430 m以上低于20%。主要是因为声雷达探测范围更小，且随高度增加风速增大造成环境噪音，此外声雷达和风廓线雷达在一定高度之后数据获取率均降低，这与距离衰减影响信噪比有关（Anderson et al., 2005; 曹杨等, 2017）。

图2 （a）声雷达和（b）风廓线雷达在不同探测高度上的有效数据百分比Fig. 2 Percentage of good quality wind observations as a function of range gate: (a) Sodar; (b) WPRD (wind profiler radar)

3 低层大气风场特征分析

根据两部仪器的垂直探测范围和有效数据获取率，声雷达和风廓线雷达都能探测的低层（0～600 m）大气风场垂直分布特征，利用两部仪器2018年1月1日至12月31日风场资料分析北京城区和远郊区低层大气风场特征，香河站声雷达资料代表北京远郊区，观象台站风廓线雷达资料代表北京城区。根据其垂直探测分辨率，两部仪器重叠探测高度包括150 m、270 m、390 m和510 m，考虑到声雷达在340 m以上有效数据百分比低于50%，主要分析声雷达和风廓线雷达150 m和270 m高度的风场日变化特征。

3.1 风场垂直分布特征

以1月、4月、7月、10月分别代表冬季、春季、夏季、秋季，分析低层大气风场垂直分布特征，图3为水平风向出现频率垂直分布图，色标表示频率大小，将频率最大的风向（十六个方位）定义为盛行风向，由图可知，不同高度盛行风向差异较大，且风向的垂直变化特征在四季不同，同一季节城区和远郊区略有差异。1月和7月北京城区和远郊区的低层大气风向垂直分布特征比较一致，1月600 m以下均以西北风为主，7月由150 m的偏东风向上逐渐向南转为偏南风。4月远郊区30～300 m盛行东风，300～500 m盛行南风，500～600 m盛行东北风；城区整个低层大气以西南风为主。10月远郊区30～300 m盛行西北风，300～600 m盛行西南偏南风；城区150 m以北风为主，向上逐渐向西转为西风。北京城区和远郊区风向垂直变化特征及季节的差异与局地地形和大气环流等因素有关，春夏季城区受局地山谷风影响显著，以偏西南偏南气流为主，城区和远郊区秋冬季受冷空气活动影响，以西北风为主，与其他学者研究一致（窦晶晶等,2014; 张舒婷等, 2017）。

图3 2018年北京（a1、b1、c1、d1）远郊区和（a2、b2、c2、d2）城区水平风向出现频率垂直分布：（a）1月；（b）4月；（c）7月； （d）10月Fig. 3 Vertical distribution of the frequency of the horizontal wind direction in (a1, b1, c1, d1) suburban and (a2, b2, c2, d2) urban areas of Beijing in 2018: (a) January; (b) April; (c) July; (d) October

图4为水平风速出现频率垂直分布图，由图可知，北京城区和远郊区水平风速在四季均呈现为随高度增加逐渐增大的趋势，与大气边界层风速随高度增加而增大的理论符合。同一高度层，远郊区的平均水平风速大于城区，主要原因可能是城区高楼林立，地面粗糙度增大，受其摩擦和拖拽作用影响，低层大气水平风速小于远郊区，与其他学者研究一致（窦晶晶等, 2014）。

图4 2018年北京（a1、b1、c1、d1）远郊区和（a2、b2、c2、d2）城区水平风速及其出现频率垂直分布：（a）1月；（b）4月； （c）7月；（d）10月Fig. 4 Vertical distribution of the horizontal wind speed and its frequency in (a1, b1, c1, d1) suburban and (a2, b2, c2, d2) urban areas of Beijing in 2018: (a) January; (b) April; (c) July; (d) October

图5为垂直风速出现频率垂直分布图，正速度表示垂直速度向上，负速度表示垂直速度向下。远郊区的垂直风速集中分布在-0.1～0.1 m/s，以0值为轴，左右比较对称，表明正速度与负速度出现频率相当，与徐小峰等（2006）的研究结果一致，且四季具有相同的分布趋势。城区的垂直风速垂直分布特征在四季差异较大，1月和4月在150～390 m高度范围内，正速度出现频率明显大于负速度，集中分布在0.1～0.3 m/s，510～630 m高度范围内以0值为轴，左右对称，正速度与负速度出现频率相当，集中分布在-0.1～0.1 m/s；7月和10月在630 m高度以下，以0值为轴左右对称，正速度与负速度出现频率相当，集中分布在-0.1～0.1 m/s。

图5 2018年北京（a1、b1、c1、d1）远郊区和（a2、b2、c2、d2）城区垂直风速出现频率垂直分布：（a）1月；（b）4月；（c）7月； （d）10月Fig. 5 Vertical distribution of the frequency of the vertical wind speed in (a1, b1, c1, d1) suburban and (a2, b2, c2, d2) urban areas of Beijing in 2018:(a) January; (b) April; (c) July; (d) October

3.2 风场日变化特征

图6为北京城区和远郊区2018年1月1日至12月31日150 m高度层的风向出现频率日变化，色标表示频率大小，季节划分为3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，当年1月、2月、12月为冬季。由图可见，北京城区和远郊区的水平风向日变化特征具有季节差异，150 m和270 m （图略）高度盛行风向的日变化趋势基本一致，但随高度增加，盛行风向比例减弱。远郊区冬季风向没有显著日变化差异，白天和夜间均以西北风为主，其他3个季节风向日变化显著，春季和夏季夜间盛行偏东风，白天没有明显盛行风向，秋季夜间盛行偏西风，白天盛行西北风。城区春季、秋季和冬季均没有显著日变化差异，春季整天盛行西南风，秋冬季没有明显盛行风向，夏季夜间盛行西南风，白天盛行东北风。城区站点附近高楼林立，下垫面复杂，风向易受城市局地环境影响。

图6 2018年北京（a1、b1、c1、d1）远郊区和（a2、b2、c2、d2）城区水平风向出现频率日变化：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季； （d）冬季Fig. 6 Diurnal variation of the horizontal wind direction frequency in (a1, b1, c1, d1) suburban and (a2, b2, c2, d2) urban areas of Beijing in 2018:(a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d) winter

图7为北京城区和远郊区2018年1月1日至12月31日150 m和270 m高度层的平均水平风速日变化。从图中可以看到，北京城区和远郊区150 m和270 m高度层的水平风速日变化趋势基本一致，表现为白天小于夜间，主要是因为白天湍流活动强，水平风速在湍流耗散作用下减小，而夜间大气层结比较稳定，湍流活动较弱，对大气动能的耗散作用相应减弱，地表对风速的拖拽和摩擦作用很难向上传递，水平风速增大（张舒婷等, 2017）。从图中还可以看到，随高度增加，风速增大，且同一高度层远郊区的水平风速明显大于城区，这与城区下垫面复杂且地面粗糙度大有关，风速受其摩擦和拖拽作用影响减小。

图7 2018年北京远郊区和城区150 m和270 m高度层水平风速日变化：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig. 7 Diurnal variation of the horizontal wind speed at heights of 150 m and 270 m in suburban and urban areas of Beijing in 2018: (a) Spring;(b) summer; (c) autumn; (d) winter

图8和图9为北京远郊区和城区2018年1月1日至12月31日150 m和270 m高度层的垂直速度及垂直风频率在四季的日变化。从图中可见，远郊区正速度随高度增加而增大，负速度随高度变化很小，城区正、负速度随高度变化均较小；远郊区正、负速度出现频率反相关，正速度出现频率增大，负速度出现频率则减小，反之亦然；城区在四季正速度出现频率均明显大于负速度出现频率，特别是春季和冬季，说明城区150～270 m高度以正速度为主，与前面的分析结论一致。

图8 2018年北京远郊区和城区150 m和270 m高度层垂直风速（正、负速度）日变化：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig. 8 Diurnal variation of the average vertical wind speed at heights of 150 m and 270 m in suburban and urban areas of Beijing in 2018: (a) Spring;(b) summer; (c) autumn; (d) winter

图9 2018年北京远郊区和城区150 m和270 m高度层垂直风频率日变化：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig. 9 Diurnal variation of the frequency of the vertical wind speed at heights of 150 m and 270 m in suburban and urban areas of Beijing in 2018:(a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d) winter

远郊区和城区在150 m及270 m高度层的垂直速度及垂直风频率日变化趋势基本一致，以270 m高度层为例分析两地垂直速度日变化特征。远郊区正速度值明显大于负速度值，垂直速度在四季具有相同的日变化特征，正速度呈单峰形，峰值出现在午后，负速度呈单谷形，谷值出现时间与正速度峰值时间对应，表明午间地表热量最大的时刻湍流活动最强，整体表现为白天垂直速度大于夜间，且白天正速度出现频率大于负速度出现频率，主要是因为白天地表接收太阳辐射增加，热力作用增强，对流旺盛，湍流较强，垂直速度的量值也随之增大，并且以向上的正速度为主（张舒婷等, 2017）。城区垂直速度以正速度为主，负速度基本无日变化，正速度在四季的日变化差异较大，冬季正负速度平均值相差不大，均较小，说明湍流活动较弱，且日变化趋势不显著；春季和秋季的日变化趋势比较一致，呈单峰单谷型，峰值出现在傍晚，谷值出现在早上07:00（北京时间）左右，即白天垂直速度大于夜间，原因同前面的分析，且正速度值略大于负速度值；夏季正速度显著大于负速度，且明显大于其他三季，正速度没有显著日变化趋势，整天均较大。

4 结论

本文利用2018年1月1日至12月31日在北京观象台站获得的风廓线雷达风场资料和河北香河站获得的声雷达风场资料，比较分析北京城区和远郊区的低层大气风场特征，包括垂直分布特征及风场日变化。主要结果如下：

（1）同一季节城区和远郊区盛行风向的垂直分布特征略有差异，春夏季城区受局地山谷风影响显著，以偏西南偏南气流为主，城区和远郊区秋冬季受冷空气活动影响，以西北风为主。水平风向日变化特征具有季节差异，远郊区冬季整天均以西北风为主，春夏季夜间盛行偏东风，白天没有明显盛行风向，秋季夜间盛行偏西风，白天盛行西北风；城区夏季夜间盛行西南风，白天盛行东北风，其他三季没有显著日变化。

（2）水平风速随高度增加而增大，同一高度层，远郊区的平均水平风速大于城区，主要因为城区高楼林立，地面粗糙度增大，受其摩擦和拖拽作用影响，低层大气水平风速小于远郊区。城区和远郊区水平风速日变化趋势为白天小于夜间，主要是因为白天湍流活动强，水平风速在湍流耗散作用下减小，而夜间大气层结比较稳定，湍流活动较弱，对大气动能的耗散作用相应减弱，地表对风速的拖拽和摩擦作用很难向上传递，水平风速增大。

（3）远郊区600 m高度以下垂直风速以0值为轴，左右对称，正负速度出现频率相当，且四季分布趋势相同；城区垂直分布特征在四季差异较大，1月和4月在390 m高度以下，正速度出现频率明显大于负速度，7月和10月在630 m高度以下，正负速度出现频率相当。远郊区正速度值明显大于负速度值，垂直速度在四季具有相同的日变化特征，呈单峰形，峰值出现在午后；城区垂直速度以正速度为主，在四季的日变化差异较大，冬季日变化趋势不显著，春秋季呈单峰单谷型，白天垂直速度大于夜间，夏季正速度显著大于负速度，且明显大于其他三季，正速度没有显著日变化趋势，整天均较大。

以上分析结论表明，北京城区和郊区风场特征差异与其他特大城市相比无特殊性，其差异性主要受大气环流、局地地形、下垫面环境等因素影响。

致谢感谢北京国家综合气象观测实验基地、华北香河全大气层野外科学观测研究站提供观测数据。