江西九江近地層溫度梯度及風廓線規(guī)律的適用性

陳勝東，徐衛(wèi)民，桂保玉，辜曉青

(江西省氣象科學研究所，南昌330096)

0 引言

近年來大氣污染問題日益嚴重，引起人們的廣泛重視[1-2]，而大氣污染物輸送、擴散主要受大氣邊界層的特性所制約，尤其是大氣邊界層中離地面100 m左右的近地層，這一層受下墊面影響最直接，氣象要素的日變化最大[3-4]，同時，要對大氣環(huán)境進行預報及治理，進而對城市環(huán)境進行區(qū)域規(guī)劃，必須首先搞清楚區(qū)域大氣邊界層特征[5]。因此，許多學者高度重視大氣邊界層特性的研究，開展了大范圍大氣邊界層分析[6-14]。解以楊等[15]統(tǒng)計了天津氣象塔平均風溫廓線的日變化規(guī)律，特別分析了穩(wěn)定層結的風溫廓線特征。劉珂等[16]分析研究了浙江三門灣沿海地區(qū)的核電廠地區(qū)大氣擴散特征。孫海燕等[17]分析了2006年貴州山區(qū)邊界層風溫垂直廓線的結構特征。李明華等[18]根據(jù)2004年10月珠江三角洲3個觀測點大氣邊界層觀測資料，分析了珠江三角洲秋季大氣邊界層溫度和風廓線特征。楊林[19]對浙江三門灣沿海地區(qū)的一座核電站的大氣擴散特征進行了分析和研究，胡二邦[20]對中國東部沿海某擬建核電廠址進行了現(xiàn)場試驗和風洞模擬實驗。

然而受觀測手段及資料長度限制，學者們過去對江西九江地區(qū)邊界層風溫層結特征的研究較為少見。在江西省北部通過在百米氣象塔設置不同高度風溫觀測儀器，研究分析了該地區(qū)近地面層的溫度梯度及風廓線規(guī)律，為該地區(qū)后續(xù)開展相關大氣邊界層觀測試驗和建設項目環(huán)境影響評價提供了氣象背景資料和理論數(shù)據(jù)參考，對提高江西九江地區(qū)的環(huán)境保護水平、改善市民的生存環(huán)境質量等都有重要指導意義。

1 氣象觀測站概況

1.1 觀測站地理位置

圖 1 觀測站廠址地理位置Figure 1 Location of the nuclear power plant

該氣象鐵塔觀測站(位于九江核電廠)北臨長江，南靠太泊湖，距離江西省省會城市南昌市約170 km，距九江縣城約22 km,距九江市約80 km,距景德鎮(zhèn)市約96 km，距安徽省境內望江縣城約10 km,距安慶市約62 km(圖1)。地貌類型以江岸湖濱剝蝕丘陵為主，周邊丘陵山地交錯，江、河、湖泊水源較多，地形較復雜。廠址區(qū)內最高標高為112.1 m(黃海高程，下同)，長江水面平均標高為9.1 m，廠址附近長江江面寬為2 400 m，下切深度標高約-6.7 m。位于長江和太泊湖之間的丘陵，山頂渾圓，山坡平緩，山體自然坡角一般為11°～27°。在丘陵與長江之間分布著狹窄的I級階地，階面標高14 m左右，最寬處約1.4 km。對該地區(qū)進行近地面層風廓線的分析可為該地區(qū)建設核電站提供參考。

1.2 觀測試驗設計及要求

該氣象梯度觀測站設置4層高度觀測，高度分別為10 m、30 m、70 m、100 m，對4層高度風向、風速、溫度進行逐時觀測，儀器性能指標參數(shù)見表1。同時，根據(jù)國內氣象觀測的相關規(guī)定，所有傳感器設備安裝使用前均經(jīng)過了國內有資質的單位進行過標定。

表 1 儀器性能參數(shù)Table 1 The parameter of instrument performance

2 資料與方法

2.1 資料來源

該氣象塔觀測系統(tǒng)在102 m鐵塔的10 m、30 m、70 m和100 m 4個高度上分別安裝風向、風速和溫度傳感器，實現(xiàn)對應高度風向、風速和溫度要素的觀測，通過該觀測系統(tǒng)獲取2013年5月至2014年4月逐日觀測數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可以用于多層梯度氣象觀測，每層均可測量風速、風向、溫度、濕度平均場常規(guī)參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

以近地層的理論框架為基礎進行分析，按照近地面層風溫廓線的相似性理論分析近地層風廓線規(guī)律[21]，為較好地代表近地層的穩(wěn)定度，選用30 m和10 m的位溫差與10 m的風速計算穩(wěn)定度指標。同時數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理運用VB語言編程結合Excel統(tǒng)計實現(xiàn)，制圖采用Excel軟件實施。

3 結果與分析

3.1 各高度平均氣溫

表2、3分別給出了塔層各高度2013年5月—2014年4月期間的月平均氣溫與季、一整年平均氣溫統(tǒng)計結果。由表2、3可見，一整年觀測期間年平均氣溫100 m高度為17.6 ℃，70 m高度為17.7 ℃，30 m高度為17.9 ℃，10 m高度為18.1 ℃。四季中，春季100 m高度和10 m高度分別為17.3 ℃和17.5 ℃；夏季100 m高度和10 m高度分別為28.3 ℃和28.8 ℃；秋季100 m高度和10 m高度分別為18.7 ℃和19.5 ℃；冬季氣溫100 m高度和10 m高度分別為6.2 ℃和6.5 ℃。各月平均溫度分析(表2)表明：觀測期間，最冷月為2月，平均氣溫5.3～5.8 ℃，最熱月為8月，平均氣溫30.4～31.1 ℃。據(jù)九江縣歷年氣象資料統(tǒng)計顯示：九江縣年平均溫度為16.8 ℃，最冷為1月，平均氣溫4.0～6.0 ℃，最熱為7月，平均氣溫為28.0～30.0 ℃。由于個例年差異性，氣象鐵塔在觀測期間最冷、熱月份與九江縣平均歷史資料統(tǒng)計不一致，但氣象鐵塔觀測數(shù)據(jù)值與歷史資料統(tǒng)計值是基本一致，且觀測數(shù)據(jù)顯示四季氣溫基本呈現(xiàn)隨高度增加而趨于減小的趨勢。

表 2 氣象鐵塔各高度月平均溫度/℃(2013年5月—2014年4月)Table 2 Monthly average temperature in each height of meteorological tower (2013-05—2014-04)

表 3 氣象鐵塔各高度季、年平均溫度/℃(2013年5月—2014年4月) Table 3 Seasonal and annual average temperatures in each height of meteorological tower (2013-05—2014-04)

高度春季夏季秋季冬季全年100 m17.328.318.76.217.670 m17.328.319.06.317.730 m17.328.619.36.417.910 m17.528.919.56.518.1

3.2 逆溫分析

圖 2 氣象鐵塔百米季、年出現(xiàn)逆溫平均逆溫強度/(℃/100m)(2013年5月—2014年4月)Figure 2 Seasonal and annual average inversion intensity in the100-meter of Meteorological iron tower (2013-05—2014-04)

圖2給出了觀測期間四季及年平均百米塔層出現(xiàn)逆溫時的逆溫強度，可直觀看出，四季中夏季最少，春、秋、冬季出現(xiàn)逆溫的次數(shù)相對較多。超過1.5 ℃/100m的逆溫強度時次最多的是冬季，一天24 h中有12 h以上超過1.5 ℃/100m，其次為秋季和春季，超過1.5 ℃/100m有11 h，而夏季相對最短。與逆溫生消的一般規(guī)律相同，本區(qū)冬季易形成逆溫，強度也較大。逆溫強度變化規(guī)律是冬季較強，夏季較弱。一般從傍晚18時開始，逆溫逐步增強，冬季一般在早晨2～7時達到峰值，隨后開始逐步減弱，至下午16時左右達到最低，以后又開始逐步增強。從全年平均逆溫強度曲線可以看出，逆溫強度從傍晚18時至次日早晨7時均超過1.0 ℃/100m，而早晨8時至下午17時逆溫強度則較弱(均小于1.0 ℃/100m)。表4給出了觀測期間各月平均逆溫強度，可以看出，2013年10月—2014年4月逆溫強度最大，日平均逆溫強度均在1.0 ℃/100m以上，而2014年5—9月則強度相對較弱，均小于1.0 ℃/100m。

3.3 氣溫梯度分析

觀測期間平均氣溫梯度變化曲線如圖3所示，可見觀測期間各高度逐時平均溫差變化最大不超過6 ℃，梯度溫差最大(100 m與10 m高度的溫度差)為-2 ℃左右。一天中氣溫梯度較大的時刻為10:00—16:00之間。觀測期間下午14:00—16:00時氣溫最高，早晨6:00—8:00時氣溫最低。每日從9:00開始氣溫回升，至15:00、16:00時達到最高溫度后緩慢下降，直至次日清晨出現(xiàn)氣溫最低值。圖4給出了觀測期間平均氣溫梯度季變化曲線，對比四季變化曲線可知，春季、夏季、秋季振幅較大，平均溫差接近6.0 ℃，其中秋季最大，平均溫差接近7.0 ℃；而冬季振幅較小，平均溫差小于5.0 ℃。

表 4 氣象鐵塔百米各月的平均逆溫強度/(℃/100m)(2013年5月—2014年4月)Table 4 Average inversion temperature in each month of meteorological tower (2013-05—2014-04)

3.4 近地面層風廓線規(guī)律的適用性

為進一步判斷氣象鐵塔觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，觀測期間按月取主導風和主導風次時段的逐時觀測數(shù)據(jù)組進行統(tǒng)計，進而分析出各月主導風下各高度與10 m高的風速比隨穩(wěn)定度參數(shù)的變化特征(U100/U10、U70/U10、U30/U10隨Δθ30-10/U102的變化)，從而判斷塔上觀測儀表性能是否正常與穩(wěn)定。

各月主導風向下氣象塔上3個高度與10 m高的風速比隨穩(wěn)定度參數(shù)的變化見圖5。左邊是穩(wěn)定層結，右邊是不穩(wěn)定層結，中間兩圖銜接處表示近中性層結條件。圖示結果表明總體趨勢為穩(wěn)定層結條件下風速比表現(xiàn)隨穩(wěn)定度增強而增大，定性上符合通常的概念，而不穩(wěn)定一側的情況定性上顯示了風速比的減小很緩慢。

圖 3 鐵塔各高度層全年平均氣溫梯度日變化曲線 Figure 3 Diurnal variation curve of annual average temperature gradient at each height level of the tower

圖 4 鐵塔各高度層四季平均氣溫梯度日變化曲線Figure 4 Diurnal variation curve of average temperature gradient of four seasons in each height of the tower

圖 5 月主導風向下風速比隨穩(wěn)定度參數(shù)的變化Figure 5 The variation of speed ratio with the stability parameter in the dominant wind down

1) 各高度風速比隨穩(wěn)定度變化規(guī)律清晰，即風速比隨穩(wěn)定度增加而增大，不穩(wěn)定的時候風速比較小，穩(wěn)定的時候風速比較大。這一現(xiàn)象符合一般概念。

2) 近中性層結各高度風速比值離散度小，偏離中性層結則風速比值離散度增大；較穩(wěn)定和較不穩(wěn)定兩端的數(shù)據(jù)離散度都較大。

3) 對比各高度風速比值的離散程度可知，離散度隨高度增加而增大；U30/U10的數(shù)據(jù)離散最小，U100/U10離散最大。

4) 定性上未發(fā)現(xiàn)上述結果在觀測進程中的系統(tǒng)性變化，說明觀測期間觀測儀器及其系統(tǒng)性能基本上是穩(wěn)定的。

4 結論與展望

本區(qū)四季氣溫有較大差異，溫差較大，日較差秋季最大，冬季最小，逆溫強度是冬季較強，夏季較弱。氣象塔所在地貌類型以江岸湖濱剝蝕丘陵為主，周邊丘陵山地交錯，江、河、湖泊水源較多，地形較為復雜。導致了塔層不同高度之間的風速比經(jīng)常出現(xiàn)不隨穩(wěn)定度參數(shù)單調變化的情況，廓線規(guī)律的重復性表明觀測期間系統(tǒng)的性能基本上是穩(wěn)定的，可為該地區(qū)今后開展大氣環(huán)境研究提供氣象背景資料和理論數(shù)據(jù)參考。