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(fēng)速為研究對(duì)象，根據(jù)石家莊污染氣象觀測(cè)點(diǎn)2011年冬季1月和夏季7月所觀測(cè)的02∶00溫度、濕度和風(fēng)速資料以及加密觀測(cè)采樣數(shù)據(jù)08∶00和14∶00的近地層風(fēng)速資料，對(duì)對(duì)流層垂直溫度梯度、濕度、近地層風(fēng)速隨高度的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和分析研究。從中得出石家莊對(duì)流層150hPa以下大氣溫濕變化的氣象特征的認(rèn)識(shí)，為河北省開展城市規(guī)劃氣候可行性論證提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：垂直溫度梯度;濕度;風(fēng)速

中圖分類號(hào)：S161

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191015051

近年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，城市環(huán)境問題成為城市發(fā)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(yīng)是城市發(fā)展中最突出的問題，特別是石家莊市，由于城市發(fā)展布局、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)展特點(diǎn)，以及地理位置特殊，氣候特點(diǎn)明顯，城市環(huán)境問題更加突出，太行山東麓的焚風(fēng)加劇了城市熱島效應(yīng)，使石家莊風(fēng)速減小、霾日增加，政府領(lǐng)導(dǎo)和社會(huì)公眾對(duì)石家莊城市環(huán)境非常關(guān)注。

本文根據(jù)石家莊臺(tái)站所觀測(cè)到的2011年1月和2011年7月的溫度、濕度和風(fēng)速資料以及經(jīng)緯儀加密觀測(cè)采樣數(shù)據(jù)08∶00和14∶00的近地層風(fēng)資料，進(jìn)行分析研究，試圖從中找出我國(guó)中低緯度地區(qū)海陸邊界層以內(nèi)環(huán)境大氣溫度、濕度和風(fēng)速變化的氣象特征和規(guī)律。為河北省開展城市規(guī)劃氣候可行性論證提供技術(shù)支持，并以此推動(dòng)河北省城市規(guī)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(jīng)緯儀加密觀測(cè)采樣數(shù)據(jù)08∶00和14∶00計(jì)算得到的近地層風(fēng)速資料進(jìn)行分析研究。資料時(shí)段為2011年1月12—18日、2011年7月10—16日，分析數(shù)據(jù)為100hPa及以下溫度濕度數(shù)據(jù);同時(shí)段08∶00和14∶00地面風(fēng)速及距地100m、300m、500m、700m、900m 6層的風(fēng)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(xiàn)的階梯式遞增或遞減的現(xiàn)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(shí)表示氣溫隨高度的升高而遞減，梯度值為負(fù)時(shí)，表示氣溫隨高度的升高而遞增，梯度絕對(duì)值越大，表示氣溫隨高度不同產(chǎn)生的變化越劇烈。

垂直溫度梯度不僅可以表征溫度隨時(shí)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(guī)定等壓面溫度和高度，TK+1、 ZK+1分別為上層規(guī)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(fù)值，說明氣溫隨高度的升高而遞增，即石家莊冬季逆溫現(xiàn)象是異常顯著的;300～1000hPa之間，即對(duì)流層內(nèi)基本上是氣溫隨著高度上升呈現(xiàn)遞減趨勢(shì);300hPa以上垂直溫度梯度較小甚至為負(fù)值，這是因?yàn)閷?duì)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(zhuǎn)為等溫或逆溫狀態(tài)。

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(shì)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(fā)現(xiàn)，冬季近地面出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象的頻率要高得多。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于地面輻射冷卻作用而導(dǎo)致近地面層氣溫迅速下降。當(dāng)寒流襲擊過后，地面受冷氣團(tuán)控制，天晴風(fēng)小氣溫低，特別到了晚上，地面熱量大量地向高空散發(fā)，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(xiàn)上暖下冷的“逆溫”現(xiàn)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(diǎn)相一致，冬季代表月1月的平均相對(duì)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(xiàn)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(xiàn)了一定程度的回升現(xiàn)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(shì)是隨著高度的升高逐漸減小，這是因?yàn)榈乇碇系拇髿庵械乃麃碜缘厍虮砻娓鞣N水體水面的蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)及植物散發(fā)，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(fēng)的變化

近地層風(fēng)數(shù)據(jù)來源于人工經(jīng)緯儀觀測(cè)采樣數(shù)據(jù)，觀測(cè)儀器為ZXG01F型光學(xué)測(cè)風(fēng)經(jīng)緯儀，觀測(cè)點(diǎn)E114°53′，N38°05′，拔海高度84.5m，分析數(shù)據(jù)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(fēng)采樣數(shù)據(jù)。

圖1、圖2分別為1月份和7月份近地層風(fēng)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(fēng)速隨著距地面高度的增加而變大，但最大的風(fēng)速垂直遞增率出現(xiàn)在地面到100m之間。300m以上風(fēng)速遞增速率逐漸減緩。這說明，近地面層的風(fēng)速受地面粗糙度的影響，出現(xiàn)顯著的減弱趨勢(shì);隨著高度增加，風(fēng)速受城市化、地面粗糙度及微觀環(huán)境變化的影響漸趨弱化甚至消失，風(fēng)速減弱現(xiàn)象隨之變得不明顯。

冬季1月和夏季7月份同時(shí)次不同季節(jié)風(fēng)速相比較發(fā)現(xiàn)，08∶00冬季近地層風(fēng)速平均值大于夏季同時(shí)間風(fēng)速，14∶00風(fēng)速值二者相當(dāng);同一季節(jié)不同時(shí)段風(fēng)速相比較，則是近地層同一高度層08∶00風(fēng)速均大于14∶00的風(fēng)速。

5 結(jié)論

由以上分析可得出如下對(duì)于石家莊市中低層氣象特征的若干認(rèn)識(shí)。

地表附近的對(duì)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?yàn)閷?duì)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(fù)值，逆溫現(xiàn)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(shì)是隨著高度的升高逐漸減小，受夏季地面基礎(chǔ)值的影響，夏季濕度變化較冬季顯著;近地面層的風(fēng)速受地面粗糙度的影響，出現(xiàn)顯著的減弱趨勢(shì)，即越靠近地面風(fēng)速值越小;隨著高度增加，風(fēng)速受城市化、地面粗糙度及微觀環(huán)境變化的影響漸趨弱化甚至消失，風(fēng)速減弱現(xiàn)象隨之變得不明顯;由于資料和采樣數(shù)據(jù)有限（只有兩周的觀測(cè)采樣數(shù)據(jù)），因此本文的分析結(jié)論具有一定的局限性，需在進(jìn)行長(zhǎng)期高空氣象要素觀測(cè)采樣試驗(yàn)的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

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