廣州中心城區(qū)近地面風(fēng)和氣溫的變化特征

王禹，黃啟鋒，李思玲，林中慶，徐穗珊，譚惠芬

（1.廣州市海珠區(qū)氣象局，廣東廣州 510220；2.龍川縣氣象局，廣東龍川 517300）

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市環(huán)境問題已成為當(dāng)下研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，廣州近年來城市發(fā)展迅速，城市建筑群興起和人口密度增加，對(duì)廣州中心城區(qū)大氣邊界層特征產(chǎn)生影響。其中，城市建筑高度增加、密度增大，會(huì)使城市風(fēng)速減?。?］，風(fēng)速減小加深了大氣污染程度［2］。近年對(duì)氣象塔的風(fēng)速變化研究表明，下墊面、大氣環(huán)流背景和近地面大氣湍流強(qiáng)度的日變化均是影響近地面風(fēng)速日變化的主要因子［3-5］。大氣穩(wěn)定度是大氣湍流狀況的一種表征，也是大氣擴(kuò)散能力一個(gè)重要的綜合指數(shù)［6］。廣州城區(qū)全年均有低空逆溫出現(xiàn)，且廣州市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（air quality index，AQI）超標(biāo)時(shí)有超過50%的天數(shù)同時(shí)出現(xiàn)了低空逆溫［7-8］，出現(xiàn)霾污染過程時(shí)貼地逆溫高度為100 m左右［9］。

本研究通過對(duì)廣州塔2014—2018年風(fēng)和溫度數(shù)據(jù)及2016—2020年海珠濕地公園生態(tài)氣象站風(fēng)速風(fēng)向資料進(jìn)行分析，對(duì)近年來廣州中心城區(qū)風(fēng)速風(fēng)向變化、大氣穩(wěn)定度和逆溫特征進(jìn)行研究，從而了解城市邊界層的變化規(guī)律。

1 資料和方法

廣州塔坐落于廣州市海珠區(qū)，總塔高600 m，北望珠江，南瞰南廣場，東西兩面密布高層建筑物，為典型的城市下墊面，具有一定的代表性。廣州塔的氣象觀測數(shù)據(jù)來自距地面121 m（G3344）和526 m（G3345）的自動(dòng)氣象站，儀器采樣頻率為5 min，風(fēng)速分辨率為0.1 m/s，氣溫分辨率為0.1℃，本研究選取2014—2018年氣象數(shù)據(jù)的小時(shí)平均值為研究資料，對(duì)無效數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除處理。

濕地公園生態(tài)氣象站（G3101）為海珠區(qū)代表站，位于廣州海珠國家濕地公園內(nèi)，與廣州塔的直線距離約為4.5 km，選取此站作為10 m層氣象數(shù)據(jù)代表。儀器采樣頻率為5 min，風(fēng)速分辨率為0.1 m/s，氣溫分辨率為0.1℃，本研究選取2016—2020年氣象數(shù)據(jù)的小時(shí)平均值為研究資料。

本研究采用理查森數(shù)（Ri）法［10］計(jì)算大氣穩(wěn)定度，此方法綜合考率了不同高度風(fēng)速與溫度的梯度，對(duì)穩(wěn)定度級(jí)別的劃分更為準(zhǔn)確。大氣穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定度級(jí)別共分為6類，具體如表1所示。有研究結(jié)果表明，沿海地區(qū)以Ri法對(duì)6類大氣穩(wěn)定度的區(qū)分能力最好［11］。

表1 Ri分類標(biāo)準(zhǔn)

2 廣州中心城區(qū)近地面風(fēng)速、風(fēng)向變化

近年來對(duì)天津近地面風(fēng)速變化的特征研究發(fā)現(xiàn)80 m高度以下風(fēng)速呈下降趨勢，80 m及以上高度風(fēng)速?zèng)]有出現(xiàn)明顯變化趨勢［5］。通過對(duì)2014—2018年共5年廣州塔121 m（G3344）和526 m（G3345）的2 min平均風(fēng)速年均值變化分析，未發(fā)現(xiàn)明顯的變化趨勢，但對(duì)2016—2020年共5年濕地公園生態(tài)氣象站10 m（G3101）的2 min平均風(fēng)速年均變化分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速呈明顯下降趨勢（圖1）。隨著城市的發(fā)展，相對(duì)風(fēng)速呈逐年減小的趨勢，且越靠近地面，相對(duì)風(fēng)速的減小愈明顯，這與城市建筑的高度和密度有很大的關(guān)系，也反映了城市建筑對(duì)近地面層空氣流動(dòng)的摩擦作用［12］。

圖1 2014—2018年廣州塔121 m（G3344）、526 m（G3345）（a）和2016—2020年濕地公園生態(tài)氣象站10 m（G3101）（b）風(fēng)速年均值及變化趨勢

通過對(duì)廣州塔121 m（G3344）和526 m（G3345）兩個(gè)高度和濕地公園生態(tài)氣象站10 m（G3101）風(fēng)向的季節(jié)變化進(jìn)行分析（圖略）。春季，10 m風(fēng)向以東南風(fēng)為主；121 m風(fēng)向以東風(fēng)為主；526 m風(fēng)向以南風(fēng)為主。夏季，10和526 m風(fēng)向分布較紊亂；121 m風(fēng)向仍以東風(fēng)為主。秋季，10 m風(fēng)向以東北偏北風(fēng)為主；121 m風(fēng)向以西北風(fēng)和東北偏東風(fēng)為主；526 m風(fēng)向較為紊亂。冬季，10 m風(fēng)向以東北偏北風(fēng)為主；121 m風(fēng)向以西北風(fēng)為主；526 m以北風(fēng)為主。由于所選的站點(diǎn)均在海珠區(qū)內(nèi)，且距離較近，未發(fā)現(xiàn)明顯的城市微環(huán)流特征。

陸龍驊等［13］、吳息等［14］認(rèn)為近地面風(fēng)速日變化除了受下墊面和大氣環(huán)流背景影響外，還與近地面大氣湍流強(qiáng)度的日變化有關(guān)。通過對(duì)廣州塔121 m（G3344）和526 m（G3345）兩個(gè)高度的風(fēng)速日變化（圖略）分析發(fā)現(xiàn)，日出后，隨著地面溫度的升高，湍流逐漸增強(qiáng)，高層空氣動(dòng)量下傳加強(qiáng)，使低層風(fēng)速增大，在氣溫最高湍流最強(qiáng)盛的午間時(shí)段，低層風(fēng)速達(dá)到最大，午后氣溫開始下降，湍流運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，風(fēng)速隨之開始下降；日落后，地面溫度下降，湍流減弱，高、低層的空氣動(dòng)量交換減弱，導(dǎo)致高層風(fēng)速增大，低層風(fēng)速減小，趨于穩(wěn)定。劉敬樂等［5］認(rèn)為天津氣象塔風(fēng)速日變化在高、低層間存在過渡層，即轉(zhuǎn)換高度，其中春秋季的轉(zhuǎn)換高度約為120 m。同時(shí)，越接近轉(zhuǎn)換高度層，風(fēng)速日變化幅度越小。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，春季，121 m高度的風(fēng)速日變化幅度較小，最大值與最小值僅相差0.4 m/s；秋季，因?yàn)槭艽髿猸h(huán)流影響，隨湍流下傳的空氣動(dòng)量比春季低，所以日出后風(fēng)速變化趨勢較春季緩慢，121 m高度的風(fēng)速整體略低于春季，最大值與最小值僅相差0.27 m/s；冬季，121 m高度的風(fēng)速整體略低于春季，與秋季基本持平；夏季，121 m高度的風(fēng)速日變化幅度較春、秋、冬季明顯，且風(fēng)速整體偏大，最大值與最小值相差0.71 m/s。春季，526 m高度的風(fēng)速存在明顯日變化現(xiàn)象，風(fēng)速谷值區(qū)出現(xiàn)在12：00—15：00（北京時(shí)，下同），16：00起風(fēng)速開始逐步上升；秋季，526 m高度的風(fēng)速整體高于春季，風(fēng)速谷值區(qū)出現(xiàn)在12：00—16：00，可見秋季高層風(fēng)速谷值區(qū)持續(xù)時(shí)間較春季長；冬季，526 m高度的風(fēng)速整體高于春、秋季；夏季，526 m高度的風(fēng)速明顯小于其他季節(jié)。

圖2 2014—2108年春、夏、秋、冬季廣州塔121 m（G3344）、526 m（G3345）風(fēng)速日變化

2014—2018年夏季10：00—14：00低層風(fēng)速大于高層風(fēng)速，篩選2014—2018年夏季10：00—14：00的數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析，發(fā)現(xiàn)東北偏東風(fēng)和東風(fēng)占比最大（圖3）。“狹管效應(yīng)”引起風(fēng)速增大的大小與建筑的布局、數(shù)量、間距密切相關(guān)［15］。G3344安裝在廣州塔北面，上游是珠江新城，東塔（高530 m）、西塔（高440 m）與花城廣場之間形成狹管，恰好位于測站的東北到偏東方向，因此可能是東西塔之間形成的狹管效應(yīng)導(dǎo)致這個(gè)方向的風(fēng)速偏大。

圖3 2014—2018年夏季10：00—14：00廣州塔121 m（G3344）風(fēng)向分布比例（%）

3 大氣穩(wěn)定度特征

考慮到2016—2019年廣州塔觀測數(shù)據(jù)有較好的連續(xù)性，本研究在穩(wěn)定度分析中選取2016—2019年觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除高層風(fēng)速小于等于低層風(fēng)速的數(shù)據(jù)。通過分析發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定層結(jié)（F類）在全年出現(xiàn)的概率最高，中性層結(jié)（D類）次之。

2016年是較為特殊的一年，廣州1月出現(xiàn)雨夾雪，為新中國成立以來廣州中心城區(qū)的第一場雨夾雪，罕見的冬季暴雨較為頻繁，全年降水最多的月份出現(xiàn)在1月，冬季暴雨日數(shù)（2.8 d）遠(yuǎn)超常年（0.1 d）。對(duì)2016年大氣穩(wěn)定度進(jìn)行再分析（圖4），發(fā)現(xiàn)該年不穩(wěn)定層結(jié)（A、B、C類）中冬季占比遠(yuǎn)高于其他季節(jié)，而較穩(wěn)定層結(jié)（E類）中夏秋季占比遠(yuǎn)高于冬春季。

圖4 2016年4季廣州塔大氣穩(wěn)定度占比

4 廣州塔逆溫特征

張敏等［16］認(rèn)為發(fā)生逆溫頻率的季節(jié)和日變化特征與太陽輻射的日變化特征存在較強(qiáng)的相關(guān)性，考慮到廣州塔上僅在121 m（G3344）和526 m（G3345）處安裝了自動(dòng)氣象站，因此在對(duì)逆溫的分析中以這兩層的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行逆溫的計(jì)算，當(dāng)出現(xiàn)高層氣溫高于低層時(shí)，記為一次逆溫出現(xiàn)。逆溫次數(shù)占?xì)鉁乜傆^測次數(shù)，即為逆溫頻次。

統(tǒng)計(jì)分析2016—2018年逆溫頻率的時(shí)間分布（圖5）可以看到，春季（3—5月）出現(xiàn)逆溫的頻率最高，但每個(gè)月出現(xiàn)峰值的時(shí)間不同，3月峰值出現(xiàn)在01：00，4月峰值出現(xiàn)在09：00，5月峰值出現(xiàn)在15：00，在121～526 m之間出現(xiàn)逆溫。通過對(duì)逆溫出現(xiàn)頻率的日變化分析發(fā)現(xiàn)（圖5），全年逆溫在下午時(shí)段（14：00—16：00）出現(xiàn)頻率最高，這一時(shí)段中春季（3—5月）逆溫發(fā)生頻率最高。華南前汛期（4—6月）中，4月08：00—12：00逆溫出現(xiàn)頻率最高，日落后至日出前出現(xiàn)頻率最低；而5月15：00—18：00逆溫出現(xiàn)頻率最高，下半夜至日出前出現(xiàn)頻率最低，6月02：00未出現(xiàn)過逆溫。

圖5 2016—2018年各月逆溫頻率日變化

5 結(jié)論

1）近5年濕地公園生態(tài)氣象站（G3101）10 m風(fēng)速的年均值呈下降趨勢；10 m和廣州塔121 m的風(fēng)向存在明顯的季節(jié)變化，而廣州塔526 m的風(fēng)向沒有明顯季節(jié)變化。

2）受近地面大氣湍流強(qiáng)度的日變化影響，廣州塔121 m和526 m風(fēng)速日變化特征差異明顯，其中121 m風(fēng)速日變化特點(diǎn)為白天風(fēng)速較高，夜間風(fēng)速較低，526 m風(fēng)速日變化特點(diǎn)為夜間風(fēng)速較高，白天風(fēng)速較低。在東北偏東和偏東兩個(gè)方向上存在狹管效應(yīng)，導(dǎo)致低層風(fēng)速大于高層風(fēng)速。

3）2016—2018年觀測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定層結(jié)（F類）在全年出現(xiàn)的概率最高。2016年罕見冬季暴雨，不穩(wěn)定層結(jié)在冬季占比最高。春季（3—5月）出現(xiàn)逆溫的頻率最高，但每月出現(xiàn)峰值時(shí)間不同，全年逆溫在14：00—16：00出現(xiàn)頻率最高。