城市建設(shè)對(duì)邊界層大氣環(huán)境的影響

2016-01-15 08:30:10廖潔李燕

綠色科技 2015年1期

廖潔,李燕

(湖北省氣象服務(wù)中心,湖北武漢 430074)

廖潔,李燕

(湖北省氣象服務(wù)中心,湖北武漢 430074)

摘要:根據(jù)在葛店進(jìn)行的3次污染氣象試驗(yàn)的結(jié)果,分析了1987~2007年當(dāng)?shù)氐牡涂诊L(fēng)場(chǎng)與溫度場(chǎng)的變化情況,結(jié)果表明:觀測(cè)地點(diǎn)的地面主導(dǎo)風(fēng)向發(fā)生偏轉(zhuǎn),明顯由偏E風(fēng)轉(zhuǎn)為偏N風(fēng);地面氣溫從最開(kāi)始的與鄂州氣象站相關(guān)最好,逐漸變?yōu)榕c武漢氣象站相關(guān)較好。

關(guān)鍵詞:風(fēng)場(chǎng);溫度場(chǎng);觀測(cè)

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(chǎng)所,其氣候和環(huán)境問(wèn)題日益突出,城市地區(qū)相對(duì)于周圍的鄉(xiāng)村地區(qū)而言,由于其獨(dú)特的下墊面,地面動(dòng)力學(xué)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(guó)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(dǎo)致城市內(nèi)邊界層的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了相應(yīng)的變化。

為了研究城市下墊面變化對(duì)城市邊界層環(huán)境的影響,根據(jù)在葛店進(jìn)行的3次污染氣象試驗(yàn)中探測(cè)的溫度和風(fēng)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(yàn)方法及數(shù)據(jù)來(lái)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(zhǎng)江之南。在葛店分別進(jìn)行了3次污染氣象試驗(yàn),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(cè)均采用GNZ3型遙測(cè)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(jì)算氣球高度和各高度的風(fēng)向、風(fēng)速。

3風(fēng)場(chǎng)的變化特點(diǎn)

3.1　地面風(fēng)場(chǎng)

在1987年12月的觀測(cè)中,地面主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋風(fēng),對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速為2.1m/s;次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾E風(fēng),對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速為1.8m/s。地面風(fēng)的最大風(fēng)速出現(xiàn)在10時(shí),風(fēng)速為1.6m/s;傍晚18時(shí)和早晨06時(shí),風(fēng)速最小為0.8m/s。觀測(cè)期間的靜風(fēng)頻率為30%。

根據(jù)2003年12月的觀測(cè)結(jié)果,當(dāng)?shù)氐牡孛骘L(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E,次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE。靜風(fēng)頻率為18.5%。地面最大風(fēng)速出現(xiàn)在早晨06時(shí),風(fēng)速為3.4m/s;最小風(fēng)速出現(xiàn)在夜間22時(shí),1.3m/s。

2007年冬季的觀測(cè)結(jié)果中,地面風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE,次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E。2007年的觀測(cè)期間風(fēng)速較大,靜風(fēng)頻率為0。地面最大風(fēng)速出現(xiàn)在中午12時(shí),風(fēng)速為4.5m/s;最小風(fēng)速出現(xiàn)在16時(shí),風(fēng)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(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的改變。根據(jù)第一次1987年的觀測(cè)到2007年觀測(cè)結(jié)果(表1),當(dāng)?shù)氐牡孛嬷鲗?dǎo)風(fēng)向由E風(fēng)逐漸改變?yōu)镹NE風(fēng),靜風(fēng)頻率逐漸變小,可見(jiàn)由于這多年的發(fā)展導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐牡孛嬷鲗?dǎo)風(fēng)向發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn),地面風(fēng)速較以前變大。

表1　各觀測(cè)時(shí)段的主導(dǎo)風(fēng)向一覽

3.2　風(fēng)場(chǎng)隨高度的變化

3.2.1　風(fēng)向

1987年在評(píng)價(jià)區(qū)的低空風(fēng)場(chǎng)在250m以下主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹風(fēng),300~400m高度層的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE,450~500m高度層為NE,750~1000m范圍內(nèi)E風(fēng)占主導(dǎo)。各高度層的靜風(fēng)出現(xiàn)頻率較小,在650m高度層以下靜風(fēng)頻率均小于5%,700m高度以上的靜風(fēng)頻率在6%~10%之間。

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

2007年的觀測(cè)結(jié)果中,50m以上高度層的主導(dǎo)風(fēng)向大多為NE,僅200m高度層的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋NE,但200m的次主導(dǎo)風(fēng)向也為NE。觀測(cè)期間各高度層的靜風(fēng)頻率均不高,主要集中在300~700m高度,其他高度的靜風(fēng)頻率均為0。

根據(jù)3次的觀測(cè)數(shù)據(jù),第一次的觀測(cè)時(shí)主導(dǎo)風(fēng)向隨高度的增加存在較明顯的右偏,由N風(fēng)偏轉(zhuǎn)為E風(fēng)。第二次觀測(cè)時(shí)的主導(dǎo)風(fēng)向在高層一個(gè)較大的切變,在70m高度以下風(fēng)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(cè)結(jié)果中,從低層到高層的主導(dǎo)風(fēng)向較為一致,大部分為NE。

3.2.2　風(fēng)速

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

圖1　1987年鄂州觀測(cè)點(diǎn)各高度層風(fēng)速變化曲線

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

圖2　2003年鄂州觀測(cè)點(diǎn)各高度層風(fēng)速變化曲線

根據(jù)2007年的觀測(cè)結(jié)果,在700m以下,除08時(shí)外其他各時(shí)次的風(fēng)速隨高度變化不顯著,08時(shí)的風(fēng)速隨著高度的升高而迅速變大。在700m高度以上,02時(shí)的風(fēng)速略有下降,其他各時(shí)次的風(fēng)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(cè)點(diǎn)各高度層風(fēng)速變化曲線

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

4溫度場(chǎng)的變化特點(diǎn)

4.1　地面溫度

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

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

4.2　低空溫度場(chǎng)

圖4為1987年各時(shí)次溫度隨高度的變化曲線。在觀測(cè)期間,從傍晚18時(shí)起,至次日08時(shí)為止,均出現(xiàn)不同程度的逆溫現(xiàn)象。其中在02時(shí)的逆溫強(qiáng)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(qiáng)度均高于50m以上的逆溫強(qiáng)度。

圖4　1987年鄂州觀測(cè)點(diǎn)各高度層溫度變化曲線

在2003年的觀測(cè)結(jié)果中,從夜間20時(shí)之后才開(kāi)始出現(xiàn)逆溫,直至早上08時(shí)。逆溫頻率最強(qiáng)時(shí)次同樣為夜間02時(shí)(圖5)。

圖5　2003年鄂州觀測(cè)點(diǎn)各高度層溫度變化曲線

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