北京城市氣象觀測(cè)試驗(yàn)進(jìn)展

李炬 竇軍霞

（中國氣象局北京城市氣象研究所， 北京 100089）

北京城市氣象觀測(cè)試驗(yàn)進(jìn)展

李炬 竇軍霞

（中國氣象局北京城市氣象研究所， 北京 100089）

2004年以來，北京地區(qū)開展了一系列城市氣象觀測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)涉及城市邊界層觀測(cè)、城市暴雨適應(yīng)性觀測(cè)、復(fù)雜地形和城市局地環(huán)流觀測(cè)、城市通量和能量平衡觀測(cè)以及城市熱環(huán)境觀測(cè)。研究?jī)?nèi)容包括城市邊界層結(jié)構(gòu)、城市強(qiáng)降水可預(yù)報(bào)性、山谷風(fēng)環(huán)流、海陸風(fēng)環(huán)流、城市熱島環(huán)流、城市地表能量平衡、人為熱估計(jì)和城市熱島時(shí)空分布特征等。通過觀測(cè)試驗(yàn)，揭示了北京地區(qū)城鄉(xiāng)邊界層結(jié)構(gòu)特征和差異、強(qiáng)降水條件下的邊界層結(jié)構(gòu)、城鄉(xiāng)地表能量平衡特征以及京津冀地區(qū)復(fù)雜的局地性環(huán)流特征。在大城市強(qiáng)降水的可預(yù)報(bào)性上，利用適應(yīng)性觀測(cè)方法進(jìn)行了嘗試，取得了一些初步的成果。利用固定點(diǎn)加密觀測(cè)結(jié)合流動(dòng)觀測(cè)的方法，獲取了城市CBD的精細(xì)熱島分布。這些觀測(cè)試驗(yàn)及其研究成果，對(duì)于研究復(fù)雜地形條件下的大城市和城市群的氣象問題，具有很好的參考價(jià)值。

城市氣象，外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，適應(yīng)性觀測(cè)，城市邊界層，城市熱島

1 引言

城市大氣條件和過程的觀測(cè)是提高城市天氣氣候認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。自1820年Luke Howard首次利用溫度直接觀測(cè)研究城市氣候和城市熱島以來，城市氣象觀測(cè)已有近200年的歷史[1]。針對(duì)城市氣象和城市環(huán)境問題，國際上比較有代表性的綜合觀測(cè)試驗(yàn)和計(jì)劃有：法國UBL/ESCOMPTE-CLU試驗(yàn)（馬賽）[2]、希臘MEDCAPHOT-TRACE試驗(yàn)（雅典）[3]、歐盟COST研究計(jì)劃[4]、美國URBAN 2000（鹽湖城）[5]、美國CAPLTER（鳳凰城）[6]、美國Joint Urban 2003（俄克拉荷馬）[7]、英國的PUMA（伯明翰）①http://urgent.nerc.ac.uk/Air/Projpages/A1.htm、瑞典BUBBLE（巴塞爾）[8]、日本COSMO試驗(yàn)[9]、墨西哥MIRAGE（墨西哥城）②http://urgent.nerc.ac.uk/Air/Projpages/A1.htm等。這些觀測(cè)試驗(yàn)涉及：城市地表參數(shù)的獲?。ǚ凑章?、粗糙度、濕參數(shù)）、地表能量平衡、城市邊界層結(jié)構(gòu)、城市熱島效應(yīng)（UHI）、城市環(huán)流與中尺度局地環(huán)流相互作用、城市對(duì)降水的影響和城市空氣污染等內(nèi)容。這些研究提升了對(duì)城市影響天氣、氣候的機(jī)理以及城市空氣質(zhì)量問題的認(rèn)識(shí)水平。WMO在全球開展了一系列城市氣象和環(huán)境研究（GURME）③http://mce2.org/wmogurme/項(xiàng)目，主要針對(duì)空氣質(zhì)量及其相關(guān)的氣象觀測(cè)，項(xiàng)目包括：北京大氣環(huán)境污染控制機(jī)制

研究項(xiàng)目、莫斯科超大城市可持續(xù)發(fā)展氣象服務(wù)、用被動(dòng)采樣儀進(jìn)行空氣質(zhì)量觀測(cè)（美國NOAA）、拉丁美洲城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的改進(jìn)以及上海城市氣象和環(huán)境研究示范。在國內(nèi)，大規(guī)模的城市氣象觀測(cè)和試驗(yàn)主要集中在2000年之后，2001—2003年北京開展的大氣邊界層動(dòng)力、熱力、化學(xué)綜合觀測(cè)試驗(yàn)（BECAPEX），獲取了北京城市大氣動(dòng)力和大氣化學(xué)三維結(jié)構(gòu)特征[10]；長(zhǎng)江三角洲地區(qū)低層大氣物理化學(xué)過程及其與生態(tài)系統(tǒng)的相互作用研究項(xiàng)目在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)開展了水、熱與物質(zhì)通量輸送和轉(zhuǎn)化的綜合觀測(cè)試驗(yàn)[11]；南京市城市邊界層觀測(cè)[12]與我國東部大規(guī)模城市化的氣候效應(yīng)及對(duì)策研究在長(zhǎng)三角城市群區(qū)，針對(duì)地表物理特性、陸面過程、城市冠層和大氣邊界層、大氣污染物及其輻射特性等開展了多過程的協(xié)同強(qiáng)化觀測(cè)試驗(yàn)。

針對(duì)北京城市的氣象觀測(cè)和研究不僅起步早、數(shù)量多，而且受到更多的關(guān)注。本文主要介紹了2004年以來，在北京及周邊開展的城市氣象觀測(cè)試驗(yàn)的情況和相關(guān)進(jìn)展。這些觀測(cè)試驗(yàn)，涉及城市邊界層觀測(cè)、城市暴雨適應(yīng)性觀測(cè)、局地環(huán)流觀測(cè)、通量觀測(cè)和城市熱環(huán)境觀測(cè)等。

2 北京地區(qū)城市氣象觀測(cè)試驗(yàn)

2.1 北京城市邊界層觀測(cè)試驗(yàn)

城市區(qū)域復(fù)雜的下墊面性質(zhì)，突出的非均勻性和建筑物導(dǎo)致的高粗糙度，其輻射性質(zhì)、熱容量、含水量、粗糙度等熱力、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)均與一般的自然地理環(huán)境有很大的差異，形成了城市區(qū)域特殊的大氣邊界層結(jié)構(gòu)。城市復(fù)雜下墊面與大氣邊界層相互作用研究，近年來已成為大氣科學(xué)研究的一個(gè)重要方面。2004、2005年夏季，中國氣象局北京城市氣象研究所開展了北京城市大氣邊界層和復(fù)雜下墊面的能量收支的綜合觀測(cè)試驗(yàn)研究。2004年夏季觀測(cè)主要針對(duì)城鄉(xiāng)邊界層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)。自北向南，分別在西三旗（郊區(qū)）、寶蓮體育公園（城區(qū)）、南郊觀象臺(tái)（郊區(qū)）布設(shè)了3臺(tái)風(fēng)廓線雷達(dá)，同時(shí)在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行每天6～8次的系留艇探空。在城區(qū)站還利用激光雷達(dá)進(jìn)行邊界層高度的連續(xù)探測(cè)（圖1和表1）。期間，南郊觀象臺(tái)進(jìn)行了每日4次的加密無線電探空觀測(cè)。

圖1 觀測(cè)站點(diǎn)（2004年夏季）

表1 觀測(cè)站點(diǎn)和儀器列表

這次觀測(cè)試驗(yàn)，獲得了大量的邊界層風(fēng)、溫、濕觀測(cè)資料。利用探測(cè)資料，對(duì)夜間邊界層低空急流進(jìn)行了研究，初步揭示了北京地區(qū)邊界層低空急流的特征[13]。30%的夜間觀測(cè)記錄出現(xiàn)了低空急流。急流平均高度為200m，最大出現(xiàn)頻率在140m左右，90%急流出現(xiàn)在320m以下。W、SW、SE是夜間低空急流的主要風(fēng)向（圖2）。不同觀測(cè)地點(diǎn)低空急流在速度、風(fēng)向和高度上存在著明顯差異。城區(qū)低空急流高度大部分時(shí)間比郊區(qū)高。在夜間穩(wěn)定邊界層條件下，低空急流與局地山谷風(fēng)環(huán)流強(qiáng)弱變化有很好的相關(guān)。進(jìn)一步的成因分析認(rèn)為，斜坡地形產(chǎn)生的熱成風(fēng)、山谷環(huán)流可能是北京夏季夜間低空急流形成的主要原因。

為獲取城區(qū)大氣邊界層結(jié)構(gòu)演變特征，利用便攜式米散射激光雷達(dá)在北洼路進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示：北京城區(qū)夏季大氣邊界層高度相對(duì)穩(wěn)定，多分布在1.8km以下，平均值為0.68km；大氣邊界層內(nèi)存在濃度較高的氣溶膠粒子，平均光學(xué)厚度（3km以內(nèi)）在0.30左右[14]。

2005年觀測(cè)是對(duì)2004年觀測(cè)的延續(xù)和補(bǔ)充。主要的探測(cè)儀器設(shè)備是4臺(tái)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)、1臺(tái)地基微波輻射計(jì)、1個(gè)系留艇（表1）。觀測(cè)的目的是捕捉強(qiáng)天氣條件城市邊界層精細(xì)的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)。在觀測(cè)期間，捕捉到了數(shù)次強(qiáng)降水天氣過程。通過對(duì)強(qiáng)降水個(gè)例的觀測(cè)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)降水前十幾小時(shí)就會(huì)出現(xiàn)雙層低空急流，急流層內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈現(xiàn)多中心結(jié)構(gòu)[15]。這些精細(xì)的溫度、水汽、風(fēng)的垂直觀測(cè)資料，有助于理解和解釋暴雨系統(tǒng)的演變。為了解北京城市O3的垂直分布特征，還利用系留艇對(duì)臭氧的垂直分布進(jìn)行了觀測(cè)。

2.2 環(huán)北京夏季暴雨適應(yīng)性外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)

城市對(duì)高影響天氣造成災(zāi)害的“放大”效應(yīng)已被廣為認(rèn)識(shí)。一些極端天氣在城市出現(xiàn)，往往會(huì)造成城市運(yùn)行的混亂，并帶來巨大的財(cái)產(chǎn)損失，提高城市高影響天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率被世界氣象組織視為21世紀(jì)具有社會(huì)影響力與科學(xué)挑戰(zhàn)的重要問題之一①《觀測(cè)系統(tǒng)研究與可預(yù)報(bào)性試驗(yàn)中國計(jì)劃（THORPEX-China）（版本1.0）》， http://www.thorpexchina.org.cn/Website/index. php?ChannelID=4&NewsID=15。2009和2010年，針對(duì)北京夏季暴雨預(yù)報(bào)難題，中國氣象局北京城市氣象研究所聯(lián)合北京區(qū)域氣象中心五?。▍^(qū)、

市）氣象局、中國科學(xué)院大氣物理研究所、中國氣象局氣象探測(cè)中心等單位，開展了環(huán)北京夏季暴雨適應(yīng)性外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，針對(duì)高影響天氣對(duì)其上游地區(qū)預(yù)報(bào)敏感區(qū)域?qū)嵤┘用苡^測(cè)，旨在將這些資料同化到數(shù)值模式中，提高該高影響天氣數(shù)值預(yù)報(bào)水平。

圖2 基于2004年夏季觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)的西三旗（第一行）、北洼路（第二行）和南郊（第三行）的急流高度、急流速度、急流風(fēng)向出現(xiàn)頻率分布

試驗(yàn)的主要目標(biāo)是：在北京夏季24h內(nèi)暴雨預(yù)報(bào)的上游敏感區(qū)采用GPS探空、無人駕駛大氣探測(cè)飛機(jī)等技術(shù)手段進(jìn)行空間加密，結(jié)合對(duì)現(xiàn)有氣象站網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間加密的方法，建成環(huán)北京夏季暴雨適應(yīng)性觀測(cè)系統(tǒng)與實(shí)施目標(biāo)觀測(cè)的指揮系統(tǒng)。對(duì)北京地區(qū)近10年來暴雨資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，確定了影響北京夏季暴雨的主要天氣型、關(guān)鍵區(qū)和關(guān)鍵觀測(cè)要素。在此基礎(chǔ)上，對(duì)主要的影響天氣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了針對(duì)關(guān)鍵區(qū)和關(guān)鍵觀測(cè)要素的觀測(cè)布局方案。2009年7—8月，包括內(nèi)蒙古、山西、河北、北京、天津在內(nèi)的廣大地區(qū)，開展了以探空觀測(cè)為主的加密觀測(cè)和針對(duì)降水過程的加強(qiáng)觀測(cè)（圖3）。根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，在天氣系統(tǒng)移動(dòng)路徑上依次啟動(dòng)加密探空（每天6次/8次）。探空觀測(cè)站詳細(xì)信息見表2。除固定探空站點(diǎn)觀測(cè)外，還試驗(yàn)了機(jī)動(dòng)觀測(cè)：利用無人氣象觀測(cè)飛機(jī)在內(nèi)蒙古太仆寺旗草原擇機(jī)進(jìn)行了多次下投探空試驗(yàn)，試驗(yàn)包括：無人掛載下投探空儀試驗(yàn)；降水天氣條件適應(yīng)性飛行試驗(yàn)；下投探空探測(cè)試驗(yàn)；利用L波段移動(dòng)探空雷達(dá)車快速機(jī)動(dòng)到山西山陰進(jìn)行了探空加強(qiáng)觀測(cè)。

利用條件非線性最優(yōu)擾動(dòng)方法（CNOP）[16]和采用集合預(yù)報(bào)相關(guān)方法對(duì)2009年觀測(cè)到的降水個(gè)例進(jìn)行了敏感區(qū)診斷研究。對(duì)2009年7月23日北京地區(qū)強(qiáng)降水個(gè)例進(jìn)行了分析（圖4），對(duì)于直接影響系統(tǒng)為颮線的局地強(qiáng)對(duì)流過程，暴雨發(fā)生前24h敏感區(qū)中的探空觀測(cè)的同化，能夠在模式中形成更加有利于颮線形

圖3 觀測(cè)儀器和布點(diǎn)（2009年7—8月）

風(fēng)廓線

成和發(fā)展的環(huán)境條件，這與OSSE試驗(yàn)結(jié)果類似，證明在敏感區(qū)進(jìn)行目標(biāo)觀測(cè)確能改進(jìn)預(yù)報(bào)效果。

表2 環(huán)北京暴雨觀測(cè)探空觀測(cè)站

在2009年觀測(cè)和分析的基礎(chǔ)上，2010年夏季結(jié)合預(yù)報(bào)的敏感區(qū)對(duì)降水進(jìn)行了實(shí)際的目標(biāo)觀測(cè)試驗(yàn)?；诿舾袇^(qū)的理論計(jì)算區(qū)域，采用固定站點(diǎn)時(shí)間加密觀測(cè)和移動(dòng)觀測(cè)相結(jié)合的方式，在敏感區(qū)內(nèi)及附近的業(yè)務(wù)探空站進(jìn)行時(shí)間加密觀測(cè)，在敏感區(qū)內(nèi)及附近的合適地點(diǎn)增加機(jī)動(dòng)觀測(cè)。針對(duì)2010年8月18日的降水過程，利用河北邢臺(tái)、張家口、內(nèi)蒙古呼和浩特3個(gè)業(yè)務(wù)探空站進(jìn)行了8次加密觀測(cè)。這次試驗(yàn)取得了一定的效果，為檢驗(yàn)和改進(jìn)目標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)提供了很好的機(jī)會(huì)。

圖4 敏感區(qū)觀測(cè)資料同化效果檢驗(yàn)（CNTL：控制試驗(yàn)不加觀測(cè)資料；OBS：雷達(dá)反射率；EXP：同化敏感區(qū)內(nèi)的1個(gè)探空資料）

2.3 京津冀城市群邊界層綜合觀測(cè)試驗(yàn)

我國是當(dāng)今世界上城市化發(fā)展規(guī)模最大、速度最快的地區(qū)之一。城市面積擴(kuò)展迅速，特別是城市群發(fā)展速度之快，在世界城市發(fā)展史上是罕見的，其中尤以長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲和京津冀地區(qū)三大城市群的迅猛發(fā)展為代表。從水平范圍在幾十千米量級(jí)的單個(gè)城市到幾百千米量級(jí)的城市群，城市對(duì)局地天氣、氣候的影響愈加明顯。京津冀地區(qū)處于華北平原，東臨渤海，西部是太行山山脈余脈的西山，北部是燕山山脈的軍都山，兩山在南口關(guān)溝相交，形成一個(gè)向東南展開的半圓形大山彎，通常稱之為“北京灣”。復(fù)雜的地理環(huán)境導(dǎo)致了海陸風(fēng)、山谷風(fēng)以及城市熱島作用產(chǎn)生的城市環(huán)流，這些中小尺度的局地系統(tǒng)對(duì)該地區(qū)的強(qiáng)降水、霧霾等高影響天氣產(chǎn)生著重要的影響。為深入了解城市群復(fù)雜下墊面在高影響天氣的形成、發(fā)展和衰減過程中所起的重要作用，國家科技支撐計(jì)劃“京津冀城市群高影響天氣預(yù)報(bào)中的關(guān)鍵技術(shù)研究”圍繞京津冀城市（群）局地環(huán)流及其對(duì)城市高影響天氣過程影響開展了綜合觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)城市（群）山谷風(fēng)環(huán)流、熱島環(huán)流和海陸風(fēng)環(huán)流及邊界層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)。從渤海灣（天津大港）到太行山脈與燕山山脈交匯處（北京小湯山），共布設(shè)了7臺(tái)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行同步觀測(cè)（圖5）。該區(qū)域還有北京（325m）、天津（255m）2座氣象塔。觀測(cè)時(shí)間為2010年7—8月，為期2個(gè)月。

觀測(cè)結(jié)果表明，北京存在明顯的山地―平原風(fēng)環(huán)流。由于所處地理位置不同，小湯山、海淀、南郊觀象臺(tái)和榆垡的主導(dǎo)風(fēng)向有所不同。山地平原風(fēng)環(huán)流的厚度也有所不同，小湯山、南郊觀象臺(tái)和榆垡山地―平原風(fēng)環(huán)流的厚度分別約為1500、650和550m，同時(shí)有個(gè)例分析表明，平原風(fēng)的厚度可達(dá)1400～1700m。北京山地―平原風(fēng)的水平范圍幾乎可覆蓋北京整個(gè)平原地區(qū)。天津大港的風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，大港300m以下中午至傍晚為東南風(fēng)，其余時(shí)段為東北風(fēng)，表現(xiàn)為較明顯的海陸風(fēng)環(huán)流。400～1950m以上，白天風(fēng)速較小，表現(xiàn)為偏北風(fēng)；夜間風(fēng)速較大，表現(xiàn)為東北風(fēng)。根據(jù)天津武清的風(fēng)廓線雷達(dá)資料，武清的海陸風(fēng)環(huán)流不明顯。300m以下上午表現(xiàn)為西北風(fēng)，下午表現(xiàn)為西南風(fēng)。白天風(fēng)速較小，夜間風(fēng)速較大，表現(xiàn)為東北風(fēng)。400～1050m夜間及上午均為東北風(fēng)，下午表現(xiàn)為微弱的西南風(fēng)。從天津大港和武清的海陸風(fēng)日來看，海風(fēng)的厚度大概在300m左右。圖6（a、c）為WRF模擬的2010年8月6日02和06時(shí)風(fēng)場(chǎng)沿（116.084?E，40.13609?N）和（117.8276?E，38.51733?N）的垂直剖面圖，其中橫坐標(biāo)第8、16、38和62點(diǎn)分別近似代表海淀、南郊觀象臺(tái)、武清和大港，右為風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)的風(fēng)廓線。數(shù)值模式的結(jié)果與地面實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果有較好的一致性。從模擬結(jié)果來看，海風(fēng)可以到達(dá)北京地區(qū)，甚至可達(dá)北京市區(qū)。海風(fēng)一般在下午產(chǎn)生，但是個(gè)例模擬結(jié)果也表明，海風(fēng)也有可能在10時(shí)產(chǎn)生。

2.4 京津城市復(fù)雜下墊面通量和能量平衡觀測(cè)

在大氣邊界層中，湍流運(yùn)動(dòng)是能量、物質(zhì)和水分輸送的載體，湍流通量一直是城市邊界層綜合觀測(cè)試驗(yàn)中的基本組成部分。自20世紀(jì)90年代后半葉以來，渦度相關(guān)技術(shù)開始被廣泛地應(yīng)用于大氣、陸面、遙感、生態(tài)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，并被認(rèn)為是獲取湍流通量的最優(yōu)方法[17]。該方法能夠較準(zhǔn)確地估計(jì)出地表與大氣間的湍流交換量，對(duì)大氣模式，特別是陸面模式的檢驗(yàn)和發(fā)展、遙感產(chǎn)品的地面驗(yàn)證等都具有非常重要的作用[18]。中國氣象局北京城市氣象研究所充分利用京津科研設(shè)備和資源，利用渦動(dòng)相關(guān)儀器在北京和天津的市區(qū)、城郊結(jié)合區(qū)和遠(yuǎn)郊同步開展通量觀測(cè)，探討用地屬性、土地覆蓋類型及所占比例以及建筑物的

高度、布局等因素對(duì)湍流通量的影響過程、影響機(jī)制和影響程度。在此基礎(chǔ)上，以觀測(cè)值檢驗(yàn)城市冠層/陸面模式參數(shù)化方案的計(jì)算結(jié)果，并改進(jìn)、完善參數(shù)化方案；進(jìn)而通過Noah/SLUCM陸面模式，檢驗(yàn)其對(duì)城市地表能量平衡各分量的模擬效果。以期能為改善城市冠層/陸面模式物理過程，提高城市數(shù)值天氣預(yù)報(bào)精度，以及城市化進(jìn)程對(duì)天氣、氣候的影響提供科學(xué)依據(jù)。試驗(yàn)選擇位于北京和天津的市區(qū)、城郊結(jié)合區(qū)以及郊區(qū)的7個(gè)地點(diǎn)建立通量觀測(cè)站點(diǎn)，利用各站點(diǎn)的氣象觀測(cè)塔搭載渦度相關(guān)儀和氣象梯度觀測(cè)系統(tǒng)儀器開展觀測(cè)，各通量觀測(cè)站點(diǎn)的位置和儀器設(shè)置情況（表3）。

圖6 2010年8月6日02和06時(shí)WRF模擬結(jié)果與風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)對(duì)比

利用位于北京市北三環(huán)與北四環(huán)之間325m氣象塔上140m高度的湍流觀測(cè)資料，對(duì)該區(qū)域2009年6月—2011年12月共919d二氧化碳（CO2）通量的時(shí)間變化及各方位的分布特征進(jìn)行了分析研究，并計(jì)算了CO2年排放量（圖7）。結(jié)果表明，CO2通量受交通因素影響明顯，各季節(jié)CO2通量日間早、晚峰值與車流量高峰時(shí)間相對(duì)應(yīng)，這一特征在冬季表現(xiàn)尤為突出。冬季消耗能源取暖會(huì)顯著增加CO2的排放量；受供暖排放和植物休眠的影響，冬季CO2通量值全天均高于其他季節(jié)，其日平均值為30.1μmol·m-2·s-1，顯著高于春、夏、秋季的日平均值15.2、17.9和15.8μmol·m-2·s-1（t-test，P＜0.001）。

表3 京津城市通量觀測(cè)站儀器設(shè)置

圖7 2009年6月—2011年12月春（淺綠色）、夏（紅色）、秋（深綠色）、冬（深藍(lán)色）季節(jié)CO2通量日變化特征（細(xì)線條代表日平均值，粗線條表示3點(diǎn)滑動(dòng)平均）

CO2通量在各方位的分布特征表明，源區(qū)內(nèi)人工建筑面積所占比例越大，CO2通量值越高，而植被覆蓋比例較高的方位，其CO2通量值相應(yīng)較小。觀測(cè)點(diǎn)附近區(qū)域是CO2的排放源，且年平均排放量達(dá)到30.0kg·m-2·a-1，但仍小于倫敦的年排放量35.5kg·m-2·a-1[19]。在北京高密度住宅區(qū)CO2通量觀測(cè)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)人為熱總量以及人為熱來自汽車排放、居民日常生活耗電和燃燒天然氣排放、冬季取暖排放以及人體新陳代謝產(chǎn)生的熱量進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，汽車行駛產(chǎn)生的人為熱在冬夏兩季節(jié)人為熱日總量中均占有較大比例；此外，供暖產(chǎn)生的人為熱是冬季人為熱總量高于夏季的重要原因。

利用位于北京325m氣象塔（城區(qū)）上140m高度的以及順義通量觀測(cè)站點(diǎn)（郊區(qū)）36m高度的湍流觀測(cè)資料，對(duì)這兩個(gè)站點(diǎn)的輻射和能量平衡各分量的數(shù)值大小、時(shí)間變化規(guī)律以及能量分配特征等進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，夏、冬季節(jié)，白天郊區(qū)凈輻射值小于城區(qū)，但夜間高于城區(qū)，郊區(qū)的凈輻射日平均值總小于城區(qū)，且冬季差異較大。郊區(qū)夏、冬季節(jié)晝間的反射率總高于城區(qū)。在能量的分配中，夏季潛熱通量占了最大比例，但冬季所占比例最小。在郊區(qū)觀測(cè)站點(diǎn)（順義），顯熱通量在凈輻射中所占比例夏、冬季節(jié)總高于熱貯量所占比值，但城區(qū)（大氣所鐵塔）情況不同，其冬季時(shí)是熱貯量所占比例最高。

2.5 北京中央商務(wù)區(qū)（CBD）熱環(huán)境觀測(cè)

城市熱島效應(yīng)是人類活動(dòng)對(duì)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生的最顯著的城市氣候效應(yīng)。在我國城市化進(jìn)程已到了前所未有的高度的背景下，定量研究城市功能區(qū)熱環(huán)境的時(shí)空演變特征，制定相應(yīng)的城市高溫?zé)岘h(huán)境防范和改善措施已成為城市可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)。通過開展城市熱島效應(yīng)的觀測(cè)和研究不僅對(duì)認(rèn)識(shí)城市微氣候特征及邊界層現(xiàn)象等具有重要價(jià)值，而且在城市建筑設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、城市環(huán)境保護(hù)、生態(tài)城市建設(shè)、城市能源利用和城市居民生活健康等方面都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。中國氣象局北京城市氣象研究所、朝陽區(qū)氣象局等多家單位聯(lián)合，從2011年開始在北京CBD地

區(qū)開展了流動(dòng)觀測(cè)結(jié)合固定觀測(cè)的城市熱環(huán)境觀測(cè)。在北京CBD一塊1.47km×0.88km區(qū)域內(nèi)，建立了32個(gè)溫濕度觀測(cè)站（圖8）。同時(shí)，利用電動(dòng)自行車，開展了對(duì)該區(qū)域進(jìn)行熱環(huán)境流動(dòng)觀測(cè)（每季度至少1次）。將便攜式溫濕傳感器、GPS等設(shè)備安裝在電動(dòng)自行車上，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)分2組同時(shí)進(jìn)行流動(dòng)測(cè)量。溫濕度、經(jīng)緯度坐標(biāo)每秒鐘采集1次，每次測(cè)量約1h，測(cè)量范圍覆蓋整個(gè)試驗(yàn)區(qū)。觀測(cè)試驗(yàn)表明電動(dòng)自行車可以勝任在較小的城市區(qū)域開展流動(dòng)觀測(cè)。與常見的汽車流動(dòng)觀測(cè)相比，電動(dòng)自行車具有自身不發(fā)熱、機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)、道路適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

基于一年的固定觀測(cè)資料分析結(jié)果表明：CBD觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)2012年夏、冬季各月平均氣溫分布特征比較穩(wěn)定，綠地覆蓋的小區(qū)、公園夏季平均氣溫較低，而主要交通路段交叉點(diǎn)和高層建筑密集區(qū)為氣溫高值中心。夏季平均氣溫的高值中心較低值中心偏高1.0℃左右；冬季，平均氣溫的低值中心較高值中心偏低0.6℃左右。下墊面類型和人為熱排放等差異是影響北京CBD觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)近地面氣溫空間分布的主要原因。夏、冬季CBD觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)與朝陽站之間的地面氣溫差值即附加城市熱島效應(yīng)周內(nèi)變化具有明顯的時(shí)間特征，清晨05時(shí)CBD觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)附加城市熱島效應(yīng)很明顯，夜間均比白天強(qiáng)、冬季比夏季明顯，周六夜間均出現(xiàn)一個(gè)峰值，周內(nèi)最高、最低及平均氣溫差有類似的分布趨勢(shì)，工作日溫差高于非工作日溫差，呈現(xiàn)出“周末效應(yīng)”。CBD觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)夏、冬季平均附加城市熱島效應(yīng)在一天24h內(nèi)存在明顯的時(shí)間變化特征。CBD觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)夏、冬季逐小時(shí)的平均氣溫均高于朝陽站，且夜間差別較大、午間差別較小。附加城市熱島強(qiáng)度在夜間維持較大值，日出后強(qiáng)度急劇下降，最低值出現(xiàn)在14時(shí)附近，日落后附加城市熱島強(qiáng)度開始增大，至午夜左右達(dá)到峰值。夏季上午UHI劇烈變化開始時(shí)間早于冬季，分析主要原因是由于冬季日出較晚，太陽輻射影響時(shí)間滯后造成的；中午時(shí)段，冬季UHI強(qiáng)度比夏季弱。

不同天氣條件下（圖9），CBD區(qū)域UHI空間分布特征均比較一致，并表現(xiàn)為白天弱夜間強(qiáng)，UHI強(qiáng)度最高出現(xiàn)在夏季晴好、微風(fēng)少云天氣條件下，最高值達(dá)4.3℃；多云、陰天天氣條件下，UHI在白天和夜間均較弱；降水天氣條件下，UHI晝夜差異最小，說明太陽輻射對(duì)UHI強(qiáng)度的影響起到關(guān)鍵作用。多云陰天、降水、霧霾天氣條件增加了對(duì)太陽輻射的遮擋以及城區(qū)人為熱排放等原因，造成冬季UHI強(qiáng)度普遍高于夏季，且夜間更為明顯。不同降水相態(tài)對(duì)UHI的影響不同，冬季降雪對(duì)UHI強(qiáng)度影響較夏季降雨天氣更為突出，霧霾天氣條件下，CBD區(qū)域UHI強(qiáng)度冬季明顯高于夏季。不同天氣條件下CBD區(qū)域UHI表現(xiàn)不同，城市下墊面特征對(duì)UHI強(qiáng)度影響較大，夏、冬季UHI空間分布基本一致。從UHI效應(yīng)差異分析結(jié)果看，下墊面條件、日照和太陽輻射、風(fēng)力、能見度、

空氣濕度、人類熱釋放、冬季城市供暖等對(duì)UHI效應(yīng)均有影響，但不同天氣條件下，各個(gè)因子的影響程度具有明顯差異。

圖8 北京CBD觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)下墊面特征及其測(cè)點(diǎn)分布（a）試驗(yàn)觀測(cè)區(qū)下墊面特征及其測(cè)點(diǎn)分布；（b）觀測(cè)點(diǎn)天穹可見圖（魚眼圖）

圖9 冬季不同天氣條件下CBD區(qū)域附加城市熱島效應(yīng)空間分布（a）晴好微風(fēng)少云天氣；（b）多云陰天天氣；（c）降水天氣；（d）霧霾天氣

3 討論和展望

本文介紹了近年來在北京開展的城市氣象觀測(cè)試驗(yàn)，目的之一是讓更多的學(xué)者了解相關(guān)的試驗(yàn)情況，進(jìn)而對(duì)觀測(cè)試驗(yàn)取得的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入應(yīng)用和挖掘。同時(shí)，這些觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)于研究與北京類似的、處于復(fù)雜地形條件下的超大城市的氣象和環(huán)境問題，也有很好的借鑒意義。在北京開展了一系列的城市氣象觀測(cè)試驗(yàn)，觀測(cè)針對(duì)和涉及的主要目標(biāo)有：城市對(duì)其上大氣的影響作用（城市熱島、城市冠層水熱通量和平衡、城市邊界層結(jié)構(gòu)），提高城市強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)，城市群局地環(huán)流及其與高影響天氣相互作用。觀測(cè)尺度從街道、小區(qū)到城市和城市群，垂直方向覆蓋了整個(gè)城市邊界層。綜觀國內(nèi)外城市氣象觀測(cè)研究，大致可以看到城市氣象觀測(cè)呈現(xiàn)出四個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：觀測(cè)從描述城市大氣基本狀態(tài)到更多關(guān)注地氣之間的能

量和物質(zhì)交換；研究尺度上強(qiáng)調(diào)對(duì)不同尺度進(jìn)行觀測(cè)和研究；新科技推動(dòng)了對(duì)城市地氣相互作用的觀測(cè)，新的傳感器、新技術(shù)和新方法被大量采用；觀測(cè)上更多地采用業(yè)務(wù)觀測(cè)和科研觀測(cè)相結(jié)合的方式，力爭(zhēng)獲取較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)資料。

如進(jìn)一步細(xì)致分析，國內(nèi)外城市氣象觀測(cè)試驗(yàn)存在很多差異。（1）與國外城市氣象觀測(cè)和試驗(yàn)相比[1]，國內(nèi)觀測(cè)和試驗(yàn)更多面向當(dāng)前城市氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)需求。國外則更多與城市氣象、邊界層理論和機(jī)理研究相結(jié)合。國內(nèi)的觀測(cè)試驗(yàn)在規(guī)模上不遜于國外，但在學(xué)術(shù)界的知名度和影響力卻遠(yuǎn)不及國外。（2）從試驗(yàn)的參與者來看，國外此類試驗(yàn)往往會(huì)聚集眾多的研究部門、學(xué)校、政府部門甚至公司的參與，觀測(cè)資料和儀器資源往往可以實(shí)現(xiàn)很好的共享。而國內(nèi)不僅參與者少，且在資源和資料互惠和共享上很難做好。國外知名的觀測(cè)試驗(yàn)，往往具有國際特點(diǎn)，即參與者來自多個(gè)國家和組織。國內(nèi)在開展國際性的觀測(cè)試驗(yàn)方面，尚缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)和嘗試。（3）國外的觀測(cè)試驗(yàn)在設(shè)計(jì)之初，就有很高的參與度。參加試驗(yàn)各方能夠結(jié)合自身需求和條件，對(duì)觀測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)提出意見，有效保證了觀測(cè)試驗(yàn)在研究上的深度和涉及研究領(lǐng)域的廣度（包含各類參與者的需求）。而國內(nèi)的觀測(cè)試驗(yàn)，在前期的設(shè)計(jì)時(shí)，往往參與度就不夠，留給試驗(yàn)設(shè)計(jì)和籌備的時(shí)間也太短。有可能導(dǎo)致對(duì)研究問題缺乏足夠細(xì)致和深入的考慮，從而影響觀測(cè)試驗(yàn)最終的成果和效果。（4）國內(nèi)觀測(cè)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，由于各種因素的制約，不能為更多的研究者共享。這些情況，導(dǎo)致國內(nèi)觀測(cè)試驗(yàn)無論是成果和論文數(shù)量還是影響力均無法與國外相比，也是今后我們開展類似觀測(cè)試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)注意和改進(jìn)的。

當(dāng)前，如何提高城市應(yīng)對(duì)極端天氣的彈性和防御能力，減少氣象災(zāi)害損失，減緩城市熱島效應(yīng)，改善空氣質(zhì)量等問題，是政府和民眾所關(guān)心的熱點(diǎn)問題。不僅是我國各大城市，全球很多城市也面臨著類似的問題。最近，日本①http://www.mpsep.jp/english/index.html和英國②http://www.extreme-weather-impacts.net/twiki/bin/view開展了一些針對(duì)提高城市應(yīng)對(duì)極端天氣災(zāi)害彈性能力的計(jì)劃。日本正在開展東京都市圈強(qiáng)對(duì)流觀測(cè)試驗(yàn)（TOMACS），力圖利用稠密的多種探測(cè)手段協(xié)同的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)影響廣、危害大的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行觀測(cè)。這些觀測(cè)試驗(yàn)的特點(diǎn)是，將對(duì)災(zāi)害性天氣觀測(cè)、短時(shí)臨近預(yù)報(bào)以及社會(huì)應(yīng)對(duì)措施研究作為一個(gè)有機(jī)整體相結(jié)合，更加強(qiáng)調(diào)科研成果的實(shí)用性。這給我們今后的工作帶來了重要的啟示。未來的城市氣象觀測(cè)，不僅為學(xué)術(shù)研究提供觀測(cè)數(shù)據(jù)和事實(shí)，而且將更積極地參與從科研到服務(wù)和決策的“端到端”的整個(gè)研究計(jì)劃和工作中去。

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Progress in Urban Meteorological Experiments in Beijing

Li Ju, Dou Junxia
(Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089)

This paper reviews urban meteorological experiments conducted in the city of Beijing since 2004. The series of experiments related to urban boundary observation, adaptive observations on urban torrential rain, local circulation observation, urban fl ux and energy balance observation, and urban thermal environment observations, which are aiming at urban boundary layer structures, predictability of torrential rain, mountain-valley breeze, sea breeze, urban heat island circulation, urban surface energy balance, anthropochory heat estimation, and urban heat island spatial-temporal variations. These experiments revealed characteristics of urban-rural boundary layer, boundary layer structures in rainstorms, urban-rural energy balance and complex local wind systems in Beijing-Tianjin-Hebei region. For predictability of rainstorms in mega-city, methods of THORPEX are tested with some preliminary results. Using densely fi xed stations and mobile observation, a high resolution UHI distribution in CBD of the city is observed. The experiences and results of these experiments will be helpful and valuable for studying urban meteorology in a big city and city clusters with complex terrain.

urban meteorology, fi eld campaign, adaptive observation, urban boundary layer, urban heat island

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.01.005

2013年5月30日；

2013年9月3日

李炬（1971—），Email：jli@ium.cn

資助信息：公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201106050）；北京市朝陽區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（KC1103）；國家科技支撐計(jì)劃（2008BAC37B02）