武漢城市區(qū)域水陸風(fēng)環(huán)流的形成與轉(zhuǎn)化特征研究

胡輝 陳佳欣 余玲 劉立 邢攀 梁勝文

摘要大氣細(xì)顆粒物PM25污染引起的霧霾天氣既與本地污染物排放密切有關(guān)，也受局地特殊的風(fēng)場影響.本文以武漢城市區(qū)域為研究對象，分別研究了長江沿岸的江陸風(fēng)環(huán)流、東湖沿岸湖陸風(fēng)環(huán)流的形成與轉(zhuǎn)化特征，發(fā)現(xiàn)江風(fēng)、湖風(fēng)開始時間均為07：00—08：00，一年中最大風(fēng)速均能達(dá)到2m/s左右，而春夏季江風(fēng)的持續(xù)時間高于秋冬季，夏季湖風(fēng)的持續(xù)時間高于春季.同時發(fā)現(xiàn)區(qū)域附近溫度和相對濕度之間有明顯的相關(guān)性，濕度變化趨勢大體上跟溫度變化趨勢相反，且溫度對相對濕度的影響存在一定的滯后性，延遲時間大約為1h.關(guān)鍵詞江陸風(fēng)；湖陸風(fēng)；濕度；溫度；特征

中圖分類號P425

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0引言

目前，國內(nèi)外對水陸風(fēng)環(huán)流特征的研究主要集中在海陸風(fēng)環(huán)流.Prtenjak等[1]研究發(fā)現(xiàn)克羅地亞海岸的海陸風(fēng)發(fā)生頻率在37%～60%之間，海風(fēng)一般出現(xiàn)在早晨08：00，并持續(xù)約10h，下午14：00—15：00時海風(fēng)風(fēng)速達(dá)到最大值.荀愛萍等[2]研究發(fā)現(xiàn)，廈門地區(qū)海邊站點海陸風(fēng)日的天數(shù)較少，內(nèi)陸站點的天數(shù)較多，這種區(qū)別在夏季更加明顯.邱曉暖等[3]研究發(fā)現(xiàn)，華南、長三角、環(huán)渤海地區(qū)的海陸風(fēng)特征具有明顯的差異性，海風(fēng)出現(xiàn)時間不同，低緯度較晚.同時，研究還發(fā)現(xiàn)，大氣污染物的擴(kuò)散和累積與海陸風(fēng)環(huán)流特征有直接關(guān)系.Bouchlaghem等[4]發(fā)現(xiàn)海風(fēng)進(jìn)入陸地后促使污染物向下游輸送，造成下游地區(qū)污染物濃度上升.王堅等[5]發(fā)現(xiàn)1989—2014年廈門鼓浪嶼環(huán)境空氣質(zhì)量受工業(yè)污染影響程度的加大，與海陸風(fēng)環(huán)流特征的變化密切相關(guān).趙文龍[6]基于WRFCMAQSMOKE模式系統(tǒng)，驗證了典型時段的海陸風(fēng)對O3及其前體物的影響.吳蒙等[7]利用局地環(huán)流指數(shù)方法，發(fā)現(xiàn)珠三角地區(qū)在海陸風(fēng)影響下低層風(fēng)場的有效輸送能力較弱，不利于污染物的輸送擴(kuò)散.劉樹華[8]研究發(fā)現(xiàn)，京津冀地區(qū)重污染天氣的形成與海陸風(fēng)環(huán)流影響有關(guān).

武漢是我國特大城市之一，市內(nèi)陸地與包括長江、漢江及東湖在內(nèi)的眾多水域縱橫交錯，使得四季濕度偏大.由于每個相對獨立的水域具有自己的濕度場、溫度場和風(fēng)場，形成局地風(fēng)場環(huán)流.然而，目前有關(guān)江陸風(fēng)或湖陸風(fēng)環(huán)流特征的報道很少，而高濕度是形成嚴(yán)重霧霾的必要條件之一.因此，研究武漢城市區(qū)域水陸風(fēng)場的轉(zhuǎn)化特征，對武漢霧霾形成的早期診斷及預(yù)警具有重要意義.

1實驗儀器及研究方法

為研究武漢長江段和東湖水域的水陸風(fēng)場環(huán)流特征，在位于漢口江灘大氣污染物國控監(jiān)測站點布設(shè)自動氣象觀測設(shè)備（錦州陽光氣象科技有限公司，型號為PC4），記為A點（114°30′E，30°95′N）；在位于湖北省體育局水上運動管理中心對面的東湖岸邊約20m處，布設(shè)同樣的自動氣象觀測設(shè)備，記為B點（114°37′E，30°54′N）.觀測點位周邊環(huán)境及設(shè)置滿足《地面氣象觀測規(guī)范（2004）》對監(jiān)測點位周圍環(huán)境條件要求.觀測時間為1a.

2武漢城市區(qū)域水陸風(fēng)環(huán)流特征分析

定義A點的NE—S風(fēng)向范圍內(nèi)的風(fēng)為江風(fēng)，則SSW—NNE風(fēng)向范圍內(nèi)的風(fēng)為陸風(fēng).當(dāng)陸風(fēng)轉(zhuǎn)為江風(fēng)時開始計時，直到其轉(zhuǎn)為陸風(fēng)為止，期間持續(xù)的時間為江風(fēng)持續(xù)時間.通過對A點觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得到了A點區(qū)域四季江陸風(fēng)的開始時間和持續(xù)時間等特征.圖1是從四季中各選擇具有典型特征的江陸風(fēng)氣象日，繪制的江陸風(fēng)場變化曲線.

由圖1可知，A點漢口江灘區(qū)域一年四季的江陸風(fēng)場具有明顯的不同，四季都受江陸風(fēng)的影響，這表明江陸風(fēng)已經(jīng)成為長江沿岸地區(qū)一種常見的天氣現(xiàn)象.對比圖1中四季風(fēng)速可知，江風(fēng)的風(fēng)速明顯高于陸風(fēng)風(fēng)速，四季的最大風(fēng)速都是江風(fēng)，分別為15、17、2和1m/s，夏秋季高于冬春季節(jié)，陸風(fēng)的風(fēng)速雖小，但多在21：00—22：00左右或02：00—04：00，出現(xiàn)陸風(fēng)的峰值.

表1給出了A點江風(fēng)和陸風(fēng)春夏秋冬四季的基本特征.從表1可知，江風(fēng)開始時間在07：00—08：00，其中冬季江風(fēng)開始時間相對春夏秋季節(jié)偏遲；同時，春夏秋冬四季江風(fēng)持續(xù)時間存在差異，其中春夏季江風(fēng)的持續(xù)時間高于秋冬季節(jié).陸風(fēng)開始時間為17：00—19：00，其中春夏季陸風(fēng)開始時間相對秋冬季節(jié)偏遲；同時，冬季陸風(fēng)的持續(xù)時間最長.對比江風(fēng)和陸風(fēng)的持續(xù)時間可知，除夏季外，陸風(fēng)的持續(xù)時間比江風(fēng)的持續(xù)時間要長.

同理，定義NNW—SE風(fēng)向范圍內(nèi)的風(fēng)為湖風(fēng)，S—W風(fēng)向范圍內(nèi)的風(fēng)為陸風(fēng)，當(dāng)陸風(fēng)轉(zhuǎn)為湖風(fēng)時開始計時，直到其再轉(zhuǎn)為陸風(fēng)為止，期間持續(xù)的時間為湖風(fēng)持續(xù)時間.通過對B點觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得到了B點區(qū)域有代表性的春夏季湖陸風(fēng)的開始時間和持續(xù)時間等特征.圖2是從春夏季中各選擇具有典型特征的湖陸風(fēng)氣象日，繪制的湖陸風(fēng)場變化曲線.

由圖2可知，B點東湖湖岸區(qū)域春夏季的湖陸風(fēng)場具有明顯的不同.對比圖2中的a和b可知，湖風(fēng)風(fēng)速都高于陸風(fēng)風(fēng)速，夏季風(fēng)速最大，在2m/s左右.陸風(fēng)的風(fēng)速峰值小，春夏季在06～08m/s，出現(xiàn)在20：00左右或00：00左右.

表2是B點湖風(fēng)和陸風(fēng)春夏秋冬四季的基本特征.從表2可知，湖風(fēng)開始于早晨07：00左右，其中冬季湖風(fēng)開始時間相對春夏秋季節(jié)的偏遲，約在08：00—09：00左右；夏季湖風(fēng)持續(xù)時間大于春秋季，故而夏季陸風(fēng)開始時間較遲，開始于20：00，春季陸風(fēng)開始于17：00.夏季湖風(fēng)的持續(xù)時間高于陸風(fēng)持續(xù)時間，春季陸風(fēng)的持續(xù)時間則高于湖風(fēng)持續(xù)時間.

3武漢城市區(qū)域溫度濕度特征分析

每個相對獨立的水域具有自己的濕度場、溫度場和風(fēng)場，形成局地風(fēng)場環(huán)流.因此，由于水陸風(fēng)場的不同，導(dǎo)致武漢長江水域和東湖水域溫度與相對濕度之間存在明顯的相關(guān)性.利用A點和B點氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度和相對濕度的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)溫度對于相對濕度有著明顯的影響.結(jié)果分別如圖3和圖4所示.

由圖3可知，武漢城市區(qū)域長江江岸A點四季的溫度濕度變化趨勢一致，其中，溫度變化曲線和相對濕度變化曲線幾乎相對于x軸對稱，且濕度變化趨勢大體上跟溫度變化趨勢相反.從圖3曲線變化還發(fā)現(xiàn)，溫度開始升高或降低后1h左右，相對濕度才開始減小或增大，故而溫度對相對濕度的影響存在一定的滯后性，延遲時間大約為1h.

由于相對濕度是空氣中實際的水汽壓與當(dāng)時氣溫下的飽和水汽壓之比，因此，當(dāng)溫度升高時，飽和水汽壓升高，則相對濕度必然下降，反之亦然.相對濕度的大小跟地面蒸發(fā)作用有著直接的關(guān)系，而蒸發(fā)作用與溫度和太陽輻射有關(guān)，溫度越高蒸發(fā)作用必然越強(qiáng)，向外擴(kuò)散水汽，使得相對濕度減小，溫度降低蒸發(fā)作用必然也減弱，相對濕度就會回升.

由圖4可知，東湖湖岸B點春夏季節(jié)的溫度與相對濕度變化趨勢一致，溫度相對于相對濕度而言存在一定的滯后性，延遲時間大約為1h.這種變化關(guān)系，與長江江岸A點四季的溫度濕度變化趨勢相似，只是溫度與相對濕度的峰值位置不同而已.

結(jié)合圖3和圖4可知，溫度高低影響水陸風(fēng)的發(fā)生發(fā)展.受江風(fēng)和湖風(fēng)影響帶來的大量水汽，使得A、B點的相對濕度都偏高.因此，相對濕度的大小必然隨著溫度的升降而呈近相反趨勢變化.

為了說明相對濕度與江陸風(fēng)和湖陸風(fēng)之間的關(guān)系，結(jié)合A點和B點氣象觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了A點和B點水陸風(fēng)相對應(yīng)的風(fēng)速和相對濕度，結(jié)果分別如表3和表4所示.

由表3和表4可知，當(dāng)吹江風(fēng)和湖風(fēng)時，環(huán)境空氣的相對濕度低于吹陸風(fēng)時的相對濕度，平均風(fēng)速

高出陸風(fēng)時2倍以上；四季江風(fēng)的最大風(fēng)速在1～2m/s之間，湖風(fēng)的最大風(fēng)速在1～22m/s之間.除夏季外，江風(fēng)和陸風(fēng)的相對濕度差為10%～15%，夏季時的相對濕度差大約為5%.而湖陸風(fēng)在季節(jié)變換時，湖風(fēng)和陸風(fēng)時的相對濕度差較小.

4結(jié)束語

通過在長江江岸A點和東湖湖岸B點的氣象觀測研究發(fā)現(xiàn)，武漢城市區(qū)域的水陸風(fēng)場具有以下特征：

1）江（湖）風(fēng)開始時間在07：00—08：00，冬季開始時間相對偏遲在08：00—09：00，江（湖）風(fēng)四季持續(xù)時間不同，春、夏季節(jié)江風(fēng)的持續(xù)時間高于秋、冬季節(jié)，夏、秋季節(jié)湖風(fēng)的持續(xù)時間高于冬、春季節(jié)，陸風(fēng)開始于傍晚17：00—19：00，在春季、秋季、冬季，陸風(fēng)的持續(xù)時間大于江（湖）風(fēng)持續(xù)時間，在夏季江（湖）風(fēng)持續(xù)時間大于或等于陸風(fēng)持續(xù)時間.

2）相對濕度的大小受溫度影響，并隨著溫度的升降而呈近相反趨勢變化，溫度對相對濕度的影響存在一定的滯后性，時間大約為1h.當(dāng)吹江風(fēng)和湖風(fēng)時，相對濕度低于吹陸風(fēng)時的相對濕度，平均風(fēng)速高出陸風(fēng)時2倍以上，四季江風(fēng)的最大風(fēng)速在1～2m/s之間，湖風(fēng)的最大風(fēng)速在1～22m/s之間.除夏季外，江風(fēng)和陸風(fēng)的相對濕度差為10%～15%，夏季時的相對濕度差大約為5%.而湖陸風(fēng)在季節(jié)變換時，湖風(fēng)和陸風(fēng)時的相對濕度差較小.

參考文獻(xiàn)

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