城市建设对边界层大气环境的影响.docx

城市建设对边界层大气环境的影响 城市建设对边界层大气环境的影响 1 引言 城市作为人类主要的生存聚居地和工业集中的生产场所，其气候和环境问题日益突出，城市地区相对于周围的乡村地区而言，由于其独特的下垫面，地面动力学粗糙度明显增大，地面热容量和热释放量也均比乡村地区明显增加，从而使其上空的边界层特性与周围的乡村地区大为不同。国内外大量的研究结果都表明，随着城市化的高速发展，导致城市内边界层的结构出现了相应的变化。 为了研究城市下垫面变化对城市边界层环境的影响，根据在葛店进行的3次污染气象试验中探测的温度和风廓线资料，分析了该地区边界层随下垫面变化而产生的变化。 2 试验方法及数据来源 葛店位于鄂州与武汉之间，鄂州市西北部，武汉市洪山区东侧，长江之南。在葛店分别进行了3次污染气象试验，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。温度探测均采用GNZ3型遥测接收仪，用双经纬仪同步跟踪气球，每隔20s读数一次，用矢量法计算气球高度和各高度的风向、风速。 3 风场的变化特点 3.1 地面风场 在1987年12月的观测中，地面主导风向为E风，对应的平均风速为2.1m/s；次主导风向为SE风，对应的平均风速为1.8m/s。地面风的最大风速出现在10时，风速为1.6m/s；傍晚18时和早晨06时，风速最小为0.8m/s。观测期间的静风频率为30%。 根据2003年12月的观测结果，当地的地面风的主导风向为NE，次主导风向为NNE。静风频率为18.5%。地面最大风速出现在早晨06时，风速为3.4m/s；最小风速出现在夜间22时，1.3m/s。 2007年冬季的观测结果中，地面风的主导风向为NNE，次主导风向为NE。2007年的观测期间风速较大，静风频率为0。地面最大风速出现在中本文由收集整理午12时，风速为4.5m/s；最小风速出现在16时，风速为2.3m/s。 随着城市规模的不断发展和建筑群与日俱增，城市下垫面的粗糙度加大，使得城市边界层的湍流加大，风场结构发生较大的改变。根据第一次1987年的观测到2007年观测结果（表1），当地的地面主导风向由E风逐渐改变为NNE风，静风频率逐渐变小，可见由于这多年的发展导致当地的地面主导风向发生较大的偏转，地面风速较以前变大。 3.2 风场随高度的变化 3.2.1 风向 1987年在评价区的低空风场在250m以下主导风向为N风，300400m高度层的主导风向为NNE，450500m高度层为NE，7501000m范围内E风占主导。各高度层的静风出现频率较小，在650m高度层以下静风频率均小于5%，700m高度以上的静风频率在6%10%之间。 2003年的观测记录显示，100m高度的主导风向为NE，随着高度的增加，200m主导风向右偏一个方位为NNE，200600m主导风向一直稳定在NNE方向上，但偏右方位的风频率逐渐增加，700m高度主导风向又右偏一个方位，转为NE风，8001000m的主导风向稳定在WSW方位。观测期间的静风多出现在地面，400m以下静风频率小于5%，400m以上高度层的静风频率均为0。 2007年的观测结果中，50m以上高度层的主导风向大多为NE，仅200m高度层的主导风向为ENE，但200m的次主导风向也为NE。观测期间各高度层的静风频率均不高，主要集中在300700m高度，其他高度的静风频率均为0。 根据3次的观测数据，第一次的观测时主导风向随高度的增加存在较明显的右偏，由N风偏转为E风。第二次观测时的主导风向在高层一个较大的切变，在70m高度以下风向主要为NNE和NE，700m高度以上则突然偏转为WSW。而在2007年的观测结果中，从低层到高层的主导风向较为一致，大部分为NE。 3.2.2 风速 图1是1987年在鄂州进行观测得到的各高度层风速的变化曲线图，可以发现观测点白天风速明显小于夜间风速。各时次在50100m高度均有明显的风速增大。14时的风速为全天最小风速，该时次的风速随着高度的增大，风速也逐渐增大。夜间20时和02时的风速随着高度增高而逐渐变小。 2003年的观测中，在300m以下，中午14时的风速最小，清晨08时的风速最大；但到了800m高度以上，02时的风速为最小（图2）。 根据2007年的观测结果，在700m以下，除08时外其他各时次的风速随高度变化不显著，08时的风速随着高度的升高而迅速变大。在700m高度以上，02时的风速略有下降，其他各时次的风速则迅速减小至1.0m/s以下，变化很大（图3）。 相较于3个观测结果，观测地点的白天风速小于夜间风速，其中尤以第一次观测（1987年）的结果明显。观测期间，夜间风速在地面100m高度之间风速增加明显，到了高层（800m高度以上）风速会略有减小，但是在2007年观测期间，在700m高度以上则出现风速迅速下降。 4 温度场的变化特点 4.1 地面温度 1987年的测试期间，地面气温最低气温出现在06时，最高气温出现在14时。观测地点的地面气温与鄂州气象站的观测结果相关系数为0.9929，呈显著相关；而与武汉气象站的观测结果相关系数则为0.8507。 2003年的地面气温观测结果，与鄂州气象站的相关系数为0.965，与武汉气象站的相关结果为0.963，二者相差不大，与鄂州的相关性略大于其与武汉的相关性。而到了2007年，地面的气温观测结果中，与鄂州气象站的相关系数为0.915，与武汉气象站的相关结果为0.917，变成了与武汉的相关性略大于其与鄂州的相关性。同时，可以发现，观测地的气温与临近气象站的相关性在逐渐降低。 4.2 低空温度场 图4为1987年各时次温度随高度的变化曲线。在观测期间，从傍晚18时起，至次日08时为止，均出现不同程度的逆温现象。其中在02时的逆温强度最大。逆温均出现高度在350m以下，近地面50m以下的逆温强度均高于50m以上的逆温强度。 在2003年的观测结果中，从夜间20时之后才开始出现逆温，直至早上08时。逆温频率最强时次同样为夜间02时（图5）。 在2007年的各时次温度随高度的变化曲线图（图6）中，逆温最强出现在夜间02时，在早间08时出现在100200m的低悬逆温。在2007年的观测中可以看出，观测点逆温多出现在近地200m以下，200m以上几乎无逆温出现。 结合图46的变化曲线可知，1987年观测得到的2015年1月 Journal of Green Science and Technology 02时的逆温最强，自地面一直持续到350m高度，而此之后观测的逆温厚度逐年降低，2003年观测的逆温厚度在250m以下，2007年则为200m以下。 5 结语 由于这多年的发展导致当地的地面主导风向发生较大的偏转，观测地点的地面主导风向由E风逐渐改变为NNE风，地面风速较以前变大，静风频率逐渐变小。在地面1000m的高空风场中，白天风速均小于夜间风速，但是白天与夜间风速差异在逐年变小。各高度层主导风向也有一定变化，从之前的随高度增加，主导风向由N风偏转为E风（1987年）而改变为