石家莊市近地層氣象要素垂直分布特征分析

摘 要：本文以石家莊近地層垂直溫度梯度、濕度和風速為研究對象，根據石家莊污染氣象觀測點2011年冬季1月和夏季7月所觀測的02∶00溫度、濕度和風速資料以及加密觀測采樣數據08∶00和14∶00的近地層風速資料，對對流層垂直溫度梯度、濕度、近地層風速隨高度的變化進行統計計算和分析研究。從中得出石家莊對流層150hPa以下大氣溫濕變化的氣象特征的認識，為河北省開展城市規劃氣候可行性論證提供技術支持。

關鍵詞：垂直溫度梯度;濕度;風速

中圖分類號：S161

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191015051

近年來，隨著城市建設的快速發展和人民生活水平的提高，城市環境問題成為城市發展中突出的問題，如城市熱島、城市干島、城市混濁島等，其中城市熱島效應是城市發展中最突出的問題，特別是石家莊市，由于城市發展布局、經濟結構發展特點，以及地理位置特殊，氣候特點明顯，城市環境問題更加突出，太行山東麓的焚風加劇了城市熱島效應，使石家莊風速減小、霾日增加，政府領導和社會公眾對石家莊城市環境非常關注。

本文根據石家莊臺站所觀測到的2011年1月和2011年7月的溫度、濕度和風速資料以及經緯儀加密觀測采樣數據08∶00和14∶00的近地層風資料，進行分析研究，試圖從中找出我國中低緯度地區海陸邊界層以內環境大氣溫度、濕度和風速變化的氣象特征和規律。為河北省開展城市規劃氣候可行性論證提供技術支持，并以此推動河北省城市規劃氣候可行性論證工作的開展。

1 資料來源與處理方法

1.1 資料來源

本文利用石家莊02∶00探空壓、溫、濕資料以及經緯儀加密觀測采樣數據08∶00和14∶00計算得到的近地層風速資料進行分析研究。資料時段為2011年1月12—18日、2011年7月10—16日，分析數據為100hPa及以下溫度濕度數據;同時段08∶00和14∶00地面風速及距地100m、300m、500m、700m、900m 6層的風速資料。

1.2 方法

溫度梯度是自然界中氣溫、水溫或土壤溫度隨陸地高度或水域及土壤深度變化而出現的階梯式遞增或遞減的現象。溫度梯度可分為垂直溫度梯度和水平溫度梯度2類。垂直溫度梯度定義為高度每升高100m氣溫的變化值，用ΔT/ΔZ表示，梯度值為正時表示氣溫隨高度的升高而遞減，梯度值為負時，表示氣溫隨高度的升高而遞增，梯度絕對值越大，表示氣溫隨高度不同產生的變化越劇烈。

垂直溫度梯度不僅可以表征溫度隨時間、高度的變化特征，而且可以反映大氣垂直向的湍流狀況。公式如下：

其中，TK、 ZK分別為下層規定等壓面溫度和高度，TK+1、 ZK+1分別為上層規定等壓面溫度和高度，單位：℃/100m。

2 冬夏季代表月溫度變化

近地層即地面至1000hPa層間溫度梯度值均為負值，說明氣溫隨高度的升高而遞增，即石家莊冬季逆溫現象是異常顯著的;300～1000hPa之間，即對流層內基本上是氣溫隨著高度上升呈現遞減趨勢;300hPa以上垂直溫度梯度較小甚至為負值，這是因為對流層頂以上，空氣垂直熱交換受阻，所以溫度梯度值迅速減小，氣溫垂直變化減弱，轉為等溫或逆溫狀態。

夏季溫度垂直梯度均為正值，說明氣溫隨高度的升高是遞減的，近地面層和250hPa以上溫度梯度值較小，氣溫下降趨勢較其他層次要弱得多。

冬季溫度梯度平均值為0.23℃/100m，夏季為0.60℃/100m，夏季溫度隨高度下降要比冬季劇烈的多。冬、夏季溫度梯度值相比較可以發現，冬季近地面出現逆溫現象的頻率要高得多。造成這種現象的主要原因是由于地面輻射冷卻作用而導致近地面層氣溫迅速下降。當寒流襲擊過后，地面受冷氣團控制，天晴風小氣溫低，特別到了晚上，地面熱量大量地向高空散發，使近地面層氣溫迅速下降，而上層大氣溫度下降較慢，從而出現上暖下冷的“逆溫”現象。

3 冬夏季代表月濕度變化

冬季1月和夏季7月濕度隨高度變化與石家莊夏季多雨、冬季干冷的氣候特點相一致，冬季代表月1月的平均相對濕度要小于7月。

冬季1月近地面層925hPa以下，濕度隨高度的升高迅速減小，尤其是1000hPa以下，遞減幅度為22.4%/100m。600～925hPa之間，濕度出現一定幅度的回升，之后隨著高度的升高，空中的水汽含量越來越少，濕度也逐漸減小;夏季7月近地面層925hPa以下，濕度隨高度的升高迅速減小，在700～925hPa、300～500hPa之間濕度出現了一定程度的回升現象，之后隨著高度的升高，空中的水汽含量越來越少，濕度明顯減小。

無論是冬季還是夏季，濕度垂直變化的總體趨勢是隨著高度的升高逐漸減小，這是因為地表之上的大氣中的水汽來自地球表面各種水體水面的蒸發、土壤蒸發及植物散發，并借助空氣的垂直交換向上輸送。隨著空氣中的水汽含量隨高度的增大而減少，濕度也隨之減少。

4 近地層風的變化

近地層風數據來源于人工經緯儀觀測采樣數據，觀測儀器為ZXG01F型光學測風經緯儀，觀測點E114°53′，N38°05′，拔海高度84.5m，分析數據為08∶00和14∶00近地層距地面900m以下每間隔200m的高度100m、300m、500m、700m、900m各層的風采樣數據。

圖1、圖2分別為1月份和7月份近地層風速分布狀況。從圖中可以得知，無論是冬季還是夏季，從地面到300m平均風速隨著距地面高度的增加而變大，但最大的風速垂直遞增率出現在地面到100m之間。300m以上風速遞增速率逐漸減緩。這說明，近地面層的風速受地面粗糙度的影響，出現顯著的減弱趨勢;隨著高度增加，風速受城市化、地面粗糙度及微觀環境變化的影響漸趨弱化甚至消失，風速減弱現象隨之變得不明顯。

冬季1月和夏季7月份同時次不同季節風速相比較發現，08∶00冬季近地層風速平均值大于夏季同時間風速，14∶00風速值二者相當;同一季節不同時段風速相比較，則是近地層同一高度層08∶00風速均大于14∶00的風速。

5 結論

由以上分析可得出如下對于石家莊市中低層氣象特征的若干認識。

地表附近的對流層，無論冬季還是夏季，其溫度是隨著高度的增高而降低的。這是因為對流層大氣的熱量來源于地面輻射供給的熱量，離地面越高，大氣獲得地面供給的熱量越少，溫度就越低;冬季近地面溫度垂直梯度值為負值，逆溫現象顯著;垂直溫度梯度變化值冬季小于夏季，說明夏季溫度隨高度下降要比冬季劇烈得多;冬夏季濕度變化的總體趨勢是隨著高度的升高逐漸減小，受夏季地面基礎值的影響，夏季濕度變化較冬季顯著;近地面層的風速受地面粗糙度的影響，出現顯著的減弱趨勢，即越靠近地面風速值越小;隨著高度增加，風速受城市化、地面粗糙度及微觀環境變化的影響漸趨弱化甚至消失，風速減弱現象隨之變得不明顯;由于資料和采樣數據有限（只有兩周的觀測采樣數據），因此本文的分析結論具有一定的局限性，需在進行長期高空氣象要素觀測采樣試驗的基礎上作進一步的研究。

參考文獻

[1] 周淑貞，束炯.城市氣候學[M].北京：氣象出版社，1994.

[2] 徐祥德，湯緒.城市化環境氣象學引論[M].北京：氣象出版社，2002.

作者簡介：

梁秀慧（1970-），女，本科，高級工程師。研究方向：氣象資料分析與信息處理。