城市建設對邊界層大氣環(huán)境的影響

廖潔,李燕

(湖北省氣象服務中心,湖北 武漢 430074)

城市建設對邊界層大氣環(huán)境的影響

廖潔,李燕

(湖北省氣象服務中心,湖北 武漢 430074)

摘要:根據(jù)在葛店進行的3次污染氣象試驗的結(jié)果,分析了1987~2007年當?shù)氐牡涂诊L場與溫度場的變化情況,結(jié)果表明:觀測地點的地面主導風向發(fā)生偏轉(zhuǎn),明顯由偏E風轉(zhuǎn)為偏N風;地面氣溫從最開始的與鄂州氣象站相關最好,逐漸變?yōu)榕c武漢氣象站相關較好。

關鍵詞:風場;溫度場;觀測

1引言

城市作為人類主要的生存聚居地和工業(yè)集中的生產(chǎn)場所,其氣候和環(huán)境問題日益突出,城市地區(qū)相對于周圍的鄉(xiāng)村地區(qū)而言,由于其獨特的下墊面,地面動力學粗糙度明顯增大,地面熱容量和熱釋放量也均比鄉(xiāng)村地區(qū)明顯增加,從而使其上空的邊界層特性與周圍的鄉(xiāng)村地區(qū)大為不同。國內(nèi)外大量的研究結(jié)果都表明,隨著城市化的高速發(fā)展,導致城市內(nèi)邊界層的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了相應的變化。

為了研究城市下墊面變化對城市邊界層環(huán)境的影響,根據(jù)在葛店進行的3次污染氣象試驗中探測的溫度和風廓線資料,分析了該地區(qū)邊界層隨下墊面變化而產(chǎn)生的變化。

2試驗方法及數(shù)據(jù)來源

葛店位于鄂州與武漢之間,鄂州市西北部,武漢市洪山區(qū)東側(cè),長江之南。在葛店分別進行了3次污染氣象試驗,第一次在1987年的12月,第二次在2003年的12月,第三次在2007年的12月。溫度探測均采用GNZ3型遙測接收儀,用雙經(jīng)緯儀同步跟蹤氣球,每隔20s讀數(shù)一次,用矢量法計算氣球高度和各高度的風向、風速。

3風場的變化特點

3.1　地面風場

在1987年12月的觀測中,地面主導風向為E風,對應的平均風速為2.1m/s;次主導風向為SE風,對應的平均風速為1.8m/s。地面風的最大風速出現(xiàn)在10時,風速為1.6m/s;傍晚18時和早晨06時,風速最小為0.8m/s。觀測期間的靜風頻率為30%。

根據(jù)2003年12月的觀測結(jié)果,當?shù)氐牡孛骘L的主導風向為NE,次主導風向為NNE。靜風頻率為18.5%。地面最大風速出現(xiàn)在早晨06時,風速為3.4m/s;最小風速出現(xiàn)在夜間22時,1.3m/s。

2007年冬季的觀測結(jié)果中,地面風的主導風向為NNE,次主導風向為NE。2007年的觀測期間風速較大,靜風頻率為0。地面最大風速出現(xiàn)在中午12時,風速為4.5m/s;最小風速出現(xiàn)在16時,風速為2.3m/s。

隨著城市規(guī)模的不斷發(fā)展和建筑群與日俱增,城市下墊面的粗糙度加大,使得城市邊界層的湍流加大,風場結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的改變。根據(jù)第一次1987年的觀測到2007年觀測結(jié)果(表1),當?shù)氐牡孛嬷鲗эL向由E風逐漸改變?yōu)镹NE風,靜風頻率逐漸變小,可見由于這多年的發(fā)展導致當?shù)氐牡孛嬷鲗эL向發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn),地面風速較以前變大。

表1　各觀測時段的主導風向一覽

3.2　風場隨高度的變化

3.2.1　風向

1987年在評價區(qū)的低空風場在250m以下主導風向為N風,300~400m高度層的主導風向為NNE,450~500m高度層為NE,750~1000m范圍內(nèi)E風占主導。各高度層的靜風出現(xiàn)頻率較小,在650m高度層以下靜風頻率均小于5%,700m高度以上的靜風頻率在6%~10%之間。

2003年的觀測記錄顯示,100m高度的主導風向為NE,隨著高度的增加,200m主導風向右偏一個方位為NNE,200~600m主導風向一直穩(wěn)定在NNE方向上,但偏右方位的風頻率逐漸增加,700m高度主導風向又右偏一個方位,轉(zhuǎn)為NE風,800~1000m的主導風向穩(wěn)定在WSW方位。觀測期間的靜風多出現(xiàn)在地面,400m以下靜風頻率小于5%,400m以上高度層的靜風頻率均為0。

2007年的觀測結(jié)果中,50m以上高度層的主導風向大多為NE,僅200m高度層的主導風向為ENE,但200m的次主導風向也為NE。觀測期間各高度層的靜風頻率均不高,主要集中在300~700m高度,其他高度的靜風頻率均為0。

根據(jù)3次的觀測數(shù)據(jù),第一次的觀測時主導風向隨高度的增加存在較明顯的右偏,由N風偏轉(zhuǎn)為E風。第二次觀測時的主導風向在高層一個較大的切變,在70m高度以下風向主要為NNE和NE,700m高度以上則突然偏轉(zhuǎn)為WSW。而在2007年的觀測結(jié)果中,從低層到高層的主導風向較為一致,大部分為NE。

3.2.2　風速

圖1是1987年在鄂州進行觀測得到的各高度層風速的變化曲線圖,可以發(fā)現(xiàn)觀測點白天風速明顯小于夜間風速。各時次在50~100m高度均有明顯的風速增大。14時的風速為全天最小風速,該時次的風速隨著高度的增大,風速也逐漸增大。夜間20時和02時的風速隨著高度增高而逐漸變小。

圖1　1987年鄂州觀測點各高度層風速變化曲線

2003年的觀測中,在300m以下,中午14時的風速最小,清晨08時的風速最大;但到了800m高度以上,02時的風速為最小(圖2)。

圖2　2003年鄂州觀測點各高度層風速變化曲線

根據(jù)2007年的觀測結(jié)果,在700m以下,除08時外其他各時次的風速隨高度變化不顯著,08時的風速隨著高度的升高而迅速變大。在700m高度以上,02時的風速略有下降,其他各時次的風速則迅速減小至1.0m/s以下,變化很大(圖3)。

圖3　2007年鄂州觀測點各高度層風速變化曲線

相較于3個觀測結(jié)果,觀測地點的白天風速小于夜間風速,其中尤以第一次觀測(1987年)的結(jié)果明顯。觀測期間,夜間風速在地面~100m高度之間風速增加明顯,到了高層(800m高度以上)風速會略有減小,但是在2007年觀測期間,在700m高度以上則出現(xiàn)風速迅速下降。

4溫度場的變化特點

4.1　地面溫度

1987年的測試期間,地面氣溫最低氣溫出現(xiàn)在06時,最高氣溫出現(xiàn)在14時。觀測地點的地面氣溫與鄂州氣象站的觀測結(jié)果相關系數(shù)為0.9929,呈顯著相關;而與武漢氣象站的觀測結(jié)果相關系數(shù)則為0.8507。

2003年的地面氣溫觀測結(jié)果,與鄂州氣象站的相關系數(shù)為0.965,與武漢氣象站的相關結(jié)果為0.963,二者相差不大,與鄂州的相關性略大于其與武漢的相關性。而到了2007年,地面的氣溫觀測結(jié)果中,與鄂州氣象站的相關系數(shù)為0.915,與武漢氣象站的相關結(jié)果為0.917,變成了與武漢的相關性略大于其與鄂州的相關性。同時,可以發(fā)現(xiàn),觀測地的氣溫與臨近氣象站的相關性在逐漸降低。

4.2　低空溫度場

圖4為1987年各時次溫度隨高度的變化曲線。在觀測期間,從傍晚18時起,至次日08時為止,均出現(xiàn)不同程度的逆溫現(xiàn)象。其中在02時的逆溫強度最大。逆溫均出現(xiàn)高度在350m以下,近地面50m以下的逆溫強度均高于50m以上的逆溫強度。

圖4　1987年鄂州觀測點各高度層溫度變化曲線

在2003年的觀測結(jié)果中,從夜間20時之后才開始出現(xiàn)逆溫,直至早上08時。逆溫頻率最強時次同樣為夜間02時(圖5)。

圖5　2003年鄂州觀測點各高度層溫度變化曲線

在2007年的各時次溫度隨高度的變化曲線圖(圖6)中,逆溫最強出現(xiàn)在夜間02時,在早間08時出現(xiàn)在100~200m的低懸逆溫。在2007年的觀測中可以看出,觀測點逆溫多出現(xiàn)在近地200m以下,200m以上幾乎無逆溫出現(xiàn)。

圖6　2007年鄂州觀測點各高度層溫度變化曲線

結(jié)合圖4~6的變化曲線可知,1987年觀測得到的

中圖分類號:P4

文獻標識碼:A

文章編號:1674-9944(2015)01-0009-03

作者簡介:廖潔(1979—),女,湖北安陸人,碩士,高級工程師,主要從事環(huán)境影響評價以及氣候可行性論證方面的研究工作。

收稿日期:2014-12-04