吉林松江近地層溫度梯度與風廓線規(guī)律研究

摘要：利用吉林松江百米氣象塔的觀測資料，統(tǒng)計分析了該地區(qū)近地層溫度梯度和風廓線特征，并通過相似性理論分析了各高度風速比值與穩(wěn)定度參數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明，該地區(qū)風溫廓線符合一般規(guī)律，具有典型的日變化特征；在非中性條件下隨穩(wěn)定度的增大，風速比的離散程度逐漸增大；同一高度穩(wěn)定度越大，風速比值越小。

關(guān)鍵詞：氣象塔 溫度梯度 穩(wěn)定度 風廓線

中圖分類號：P49 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0146-03

大氣邊界層處于大氣圈和地球表面的交界處，是人類生存與生產(chǎn)活動的基本場所?？諝馕廴締栴}也主要發(fā)生在這一層中。特別是大氣邊界層中離地面100m左右的近地面層，直接受地球下墊面的影響，氣象要素具有明顯的日變化特征[1]。

近年來空氣污染問題日益嚴重，大氣污染源的氣態(tài)流出物的擴散很大程度上受到大氣邊界層特性的制約。這使得許多學者對大氣邊界層特征進行了大量的研究，例如何清等利用系留氣艇于2008年冬季在烏魯木齊開展邊界層氣象要素探測，進一步認識該地冬季大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征及其對大氣污染的影響[2]。孫海燕等利用系留氣艇高空探測及超聲脈動風速儀于2006年夏季在貴州綏陽進行的監(jiān)測試驗資料分析了當?shù)厣絽^(qū)邊界層風溫垂直廓形的結(jié)構(gòu)特征[3]。李明華等利用2004年10月珠江三角洲的大氣邊界層觀測資料分析了該區(qū)域秋季大氣邊界層溫度和風廓線特征[4]。解以楊等利用天津氣象塔風溫梯度觀測資料進行統(tǒng)計分析，得到了平均風溫廓形的日變化規(guī)律，還特別分析了穩(wěn)定層結(jié)的風廓線特征[5]。針對核電廠址，李靖等利用廠址氣象塔觀測系統(tǒng)獲取的資料，對安徽吉陽核電廠址風廓線規(guī)律適用性進行了研究[6]。

為了進一步研究分析內(nèi)陸地區(qū)風廓線規(guī)律，本文根據(jù)吉林省蛟河市松江百米氣象塔觀測資料，對氣象塔梯度風速和溫度進行了統(tǒng)計分析，得出該地區(qū)近地面層風廓線的特征規(guī)律，這對該地區(qū)大氣污染的防治具有十分重要的意義。

吉林松江地處東北，屬亞溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同季，有明顯的四季更替，春季干燥風大，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷漫長。根據(jù)1971-2000年蛟河市氣象站統(tǒng)計數(shù)據(jù)，蛟河市春季平均氣溫為5.7℃，夏季平均溫度為20.3℃，秋季平均溫度為5.0℃，冬季平均溫度為-15.2℃。全年平均氣溫3.4℃，降水量708.8 mm，全年無霜期120～130d。

1 研究方法

1.1 觀測數(shù)據(jù)概述

本文利用松江氣象觀測系統(tǒng)2010年一整年觀測資料，該氣象觀測系統(tǒng)包括100m氣象塔梯度觀測系統(tǒng)和地面自動氣象站觀測系統(tǒng)，氣象塔梯度觀測項目為100m、80m、30m、10m四個高度層的溫度和風速的24h不間斷逐時觀測。該氣象站有嚴格的數(shù)據(jù)質(zhì)量保證措施，其觀測年度數(shù)據(jù)獲取率達99.3%。

1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)近地面層風溫廓線的相似性理論[7]，利用氣象塔梯度溫度、風速資料，統(tǒng)計全年各時次各高度的風速和溫度梯度特征，分析近地面層風廓線特征。以位溫差除以10m風速的平方作為穩(wěn)定度的參數(shù)指標，分析風速比（選用100m、80m、30m高度的風速分別與10m高度風速的比值）與穩(wěn)定度參數(shù)的關(guān)系。同時，根據(jù)位溫差和10m風速將穩(wěn)定度進行分類，從極不穩(wěn)定到極穩(wěn)定分為A、B、C、D、E、F六類穩(wěn)定度，并計算各穩(wěn)定度下的平均風速比。

2 結(jié)果與分析

2.1 風速特征

圖1給出了全年各高度的平均風速日變化圖。

由圖可見：風速隨時間變化大致呈‘Ω’型，即夜晚風速小，白天風速大，在午后13時左右風速達到最大，在夜間1時至5時風速最小。風速隨高度增加而增大，100m高度年平均風速為3.8m/s；80m高度年平均風速為3.5m/s；30m高度年平均風速為3.0m/s；10m高度年平均風速為2.4m/s。在早晨7時至中午12時風速比逐漸減小，在中午13時至夜間20時風速比逐漸增大，在21時至次日5時風速比變化不大。通過上述分析表明，該地區(qū)風速廓線的變化符合一般氣象規(guī)律，在氣溫較高的時段一般風速也較大，在夜間各高度風速比大于白天。

2.2 溫度梯度特征

氣象塔各高度氣溫統(tǒng)計情況見圖2。

從圖中可以看出，氣象塔各高度的氣溫日變化趨勢基本一致，各高度氣溫隨高度增加逐漸降低，最高氣溫出現(xiàn)在中午14時左右，最低氣溫出現(xiàn)在早晨6時左右。廠址地區(qū)氣溫年平均日較差較大，10m高度氣溫最大日較差達6.5℃；30m高度氣溫最大日較差達6.2℃；80m高度氣溫最大日較差達5.3℃；100m高度氣溫最大日較差達5.1℃。

從溫度梯度（-ΔT/ΔZ）的日變化圖（圖3）中可看出，各高度層與10m高度層的溫度梯度的日變化規(guī)律較為明顯，各高度的溫度梯度的變化趨勢基本一致，白天數(shù)值為正，夜晚數(shù)值為負，在早晨8時至中午13時溫度梯度絕對值逐漸增大，到了午后溫度梯度絕對值逐漸減小。同時，在夜晚，隨高度降低溫度梯度絕對值逐漸增加，且溫度梯度出現(xiàn)小于0℃的時次逐漸提前，在30m高度表現(xiàn)的尤其明顯；在白天，隨高度增加溫度梯度絕對值逐漸增大。

分析表明，該地區(qū)溫度變化規(guī)律明顯，白天氣溫高，夜晚氣溫低，最高氣溫一般出現(xiàn)在中午，最低氣溫一般出現(xiàn)在凌晨，符合一般氣象規(guī)律。在夜間至凌晨溫度梯度小于0℃，層結(jié)較穩(wěn)定，有逆溫現(xiàn)象出現(xiàn)，且在低層逆溫更易出現(xiàn)；在白天溫度梯度大于或等于0℃，層結(jié)趨近于中性或偏向不穩(wěn)定。

2.3 風廓線相似性理論的研究

根據(jù)中性與非中性層結(jié)條件下風廓線的相似性理論，利用百米氣象塔100m風速、80m風速、30m風速分別和10m風速的比值為Y軸，用大氣穩(wěn)定度的判斷指標作為X軸，得出風速比值與大氣穩(wěn)定層結(jié)指標的散點圖（圖4）。

其中圖4（a）、4（c）、4（e）為不穩(wěn)定層結(jié)，圖4（b）、4（d）、4（f）為穩(wěn)定層結(jié)，同一高度的兩圖銜接處為近中性層結(jié)。

表1給出六類穩(wěn)定度下各高度風速比的平均值。

由圖表1可知，風速比隨穩(wěn)定度的變化規(guī)律較為明顯：

（1）在同一高度，穩(wěn)定度越大，風速比離散程度越大；越接近中性條件，風速比離散程度越小。

（2）在同一穩(wěn)定度下，隨高度的增加，風速比逐漸增大，且風速比的離散程度也隨高度逐漸變化，在30m高度的風速比最集中，100m高度的風速比離散程度最大。

（3）不穩(wěn)定條件下的風速比的離散程度要小于在穩(wěn)定條件下的風速比離散程度，在不穩(wěn)定層結(jié)下的X軸左端、在穩(wěn)定層結(jié)下X軸的右端的風速比離散程度均較大。

（4）大氣越穩(wěn)定，風速比值越大，大氣越不穩(wěn)定，風速比值越小，且高度越高，穩(wěn)定條件下的風速比值與不穩(wěn)定條件下的風速比值的差值越大。

3 結(jié)語

一般在內(nèi)陸地區(qū)，地形復雜，風速受地形影響較大，通過分析松江百米氣象塔的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的風溫廓線規(guī)律性較好。

通過對數(shù)據(jù)的對比分析，相似理論的適用性表明在非中性條件下隨穩(wěn)定度增大，風速比的離散程度逐漸增大。說明在非中性條件下，大氣越不穩(wěn)定，相似理論的分析結(jié)果越可靠。同時，通過溫度梯度的特征分析，在白天層結(jié)接近中性或偏不穩(wěn)定，說明在白天通過相似理論分析的結(jié)果較夜晚可靠，在夜晚相似理論的分析結(jié)果需要進行修正。通過對該地區(qū)風溫廓線特征的分析研究，可以為該地區(qū)的大氣環(huán)境研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)參考。

參考文獻

[1] 蔣維楣，徐玉貌，于洪彬.邊界層氣象學基礎(chǔ)[M].南京：南京大學出版社，1994：1-4.

[2] 何清，楊興華，劉強，等.烏魯木齊冬季大氣邊界層溫度和風廓線觀測研究[J].沙漠與綠洲氣象，2010，4（1）：6-11.

[3] 孫海燕，梅再美.貴州山區(qū)山谷地形大氣邊界層夏季風溫廓線結(jié)構(gòu)特征分析[J].陜西氣象，2008（4）：5-6.

[4] 李明華，范紹佳，王寶民，等.珠江三角洲秋季大氣邊界層溫度和風廓線觀測研究[J].應用氣象學報，2008，19（1）：53-54.

[5] 解以揚，劉學軍.天津氣象塔風溫梯度觀測資料的統(tǒng)計特征[J].氣象，2003，29（1）：12-13.

[6] 李靖，李斌.吉陽核電廠址近地面層溫度梯度及風廓線規(guī)律適用性研究[J].環(huán)境保護科學，2010，36（5）：4-6.

[7] 蔣維楣，曹文俊，蔣瑞斌.空氣污染氣象學教程[M].北京：氣象出版社，1993.