北京城市化发展对大气边界层特性的影响

书书书第!!卷第期#$$%年&月大!气!科!学’()*+,+-./0*12.3456.,7(+0)898)+*8+,:.2;!!!.;-/2=#$$%徐阳阳!刘树华!胡非!等=#$$%=北京城市化发展对大气边界层特性的影响-#=大气科学!!!$%&?%@&=A/B1*CD1*C!E)/9(/(/1!F/G+)!+512=#$$%=H*32/+*8+.3I+)J)*C/0K1*)L15).*.*5(+8(10185+0),5)8,.3156.,7(+0)8K./*M10D21D+0-#=’()*+,+-./0*12.3456.,7(+0)898)+*8+,$)*’()*+,+%!!!$%&?%@&=收稿日期!#$$$##!#$$$&N?收修定稿资助项目!国家自然科学基金资助项目$&?$$!中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室开放课题E4O’PQGP#$$%P$!北京大学校长基金项目作者简介!徐阳阳!男!N%@年出生!博士研究生!主要从事大气边界层物理和环境研究’RP61)2&S/D1*CD1*C!7T/=+M/=8*通讯作者RP61)2&2,(/(/1!7T/=+M/=8*北京城市化发展对大气边界层特性的影响徐阳阳N!刘树华N!#!胡非#!马楠N!王瑶N!石宇宁N!贾海岩NN北京大学物理学院大气科学系!北京!N$$&N#中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室!北京!N$$$#%摘!要!利用中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室的北京!#?6气象塔N%%!年#$$!年夏季$&月%月%的观测资料!统计分析了各年的风速与温度廓线分布特征’统计分析结果表明!随着城市化的发展!相对风速有逐年减小的趋势!并且越靠近地面!相对风速的减小越明显!这反映了城市建筑对近地面层空气流动的摩擦作用’对风速廓线进行线性拟合得到风速随高度的垂直递增率!发现无论是N$$6以下的近地面层还是较高层!风速的垂直递增率都随城市化发展存在逐年增大的趋势!表明粗糙下垫面的影响已经向高层扩展’根据温度廓线计算了各年的温度垂直递减率!发现其有增大的趋势!这表明城市化发展对边界层热力结构同样有显著影响’本文还依据统计整理得到的近中性层结下的风速廓线资料!利用莫宁U奥布霍夫相似理论计算了下垫面的空气动力学参数!结果表明!地表粗糙度(零平面位移随着城市化发展皆有明显增加的趋势’同时!分析了各空气动力学参数与平均风速及无量纲风速的关系’其中!摩擦速度和平均风速二者基本成正相关!且摩擦速度随平均风速的增大而增大的趋势越发明显’本文研究结果对研究城市化发展对区域大气边界层结构(气候和环境影响有参考意义!可为城市大气边界层模式和区域气候模式提供参数化依据’关键词!城市化进程!边界层结构!下垫面性质!廓线!空气动力学参数文章编号!N$$@%%?$#$$%%$$?%$%!!!中图分类号!O$!!!文献标识码!4!#$%&’&(#)&*+*,-./0*102*((23&430.0’2&.*52*’5(#627(583&.*’)(%90.:;0:&.AVB1*CD1*CN!EHV9(/(/1N!#!FVG+)#!W41*N!X4YB1.N!9FHB/*)*CN!1*M-H4F1)D1*NN!#$%&’(&)*+&’),#-%./0/.(/,!0/-))1)*2-3,./,!24.(56(.7%,.&3!8.9.(5!N$$&N#0&$&:3;$)%$&)%3)*+&’),#-%./8)=($%3;$3%2-3,./,$(+&’),#-%./?-’.,&%3!@(,&.&=&)*+&’),#-%./2-3,./,!?-.(,+/$’3)*0/.(/,!8.9.(5!N$$$#%6/52.0’2!Z(+,)5/15).*.3[)*M,7++M1*M5+67+015/0+),1*12DL+MKD/5)2)L)*C5(+.K,+0\15).*126+5+.0.2.CDM15130.65(+I+)J)*C!#?P66+5+.0.2.CD5.[+0.35(+H*,5)5/5+.3456.,7(+0)8O(D,)8.3’()*+,+481M+6D.398)+*8+,=Z(+1*12D,),)*M)815+,5(155(+0+215)\+[)*M,7++M),)*M+80+1,+!1*M152.[+02+\+2,5(+M+80+1,+),+\+*6.0+17P710+*5=Z(+\+05)812)*80+1,)*C015+.3[)*M,7++M!8128/215+MKD61T)*C12)*+103)55)*C.35(+[)*M,7++M70.3)2+!,(.[,1*)*80+1,+50+*M15K.5(5(+2.[+02+\+2,/*M+0N$$61*M5(+2+\+2,1K.\+=Z(+\+05)812M+80+1,)*C015+.35+67+015/0+![()8(),C+*+015+M30.65(+5+67+015/0+70.3)2+!),)*)*80+1,+.\+05(.,+D+10,!)*M)815)*C5(+/0K1*)PL15).*)*32/+*8+.*5(+5(+06.MD*16)8,50/85/0+.3K./*M10D21D+0=ID/5)2)L)*C5(+[)*M,7++M70.3)2+)*1*+102D*+/5012,5015)3)815).*!5(+1+0.MD*16)871016+5+0,.35(+K./*M10D21D+010+8128/215+MK1,+M.*5(+W.*)*P]K/T(.\,)6)210)5D5(+.0D!,(.[)*C1*17710+*5)*80+1,)*C50+*M.35(+0./C(*+,,2+*C5(1*ML+0.P721*+M),7218+6+*5=Z(+1P*12D,),12,.,(.[,5(155(+0+215).*,()7K+5[++*30)85).*[)*M,7++M1*M1\+01C+[)*M,7++M),2)*+10!1*M5(+)*P80+1,)*C50+*M.330)85).*[)*M,7++M[)5(5(+1\+01C+[)*M,7++M)*80+1,+,K+8.6+,6.0+1*M6.0+17710+*5=Z(+0+,/25,.35(),717+081*K+0+3+0+*8+MKD5(+0+,+108(+,.3/0K1*)L15).*1*M/0K1*+*\)0.*6+*5!1*M81*12,.70.\)M+7.5+*5)1271016+5+0)L15).*3.05(+K./*M10D21D+06.M+21,[+221,5(+0+C).*1282)615+6.M+2=&:=(.95!/0K1*)L15).*!,50/85/0+.3K./*M10D21D+0!8(10185+0),5)8,.35(+/*M+02D)*C21D+0!70.3)2+!1+0.MD*16)871016+5+0!引言随着城市的发展!城市地表热力(动力过程对城市区域的大气边界层产生作用!从而对城市区域气候和环境产生影响’近年来!城市化发展对大气边界层结构(区域气候(环境及灾害性天气的形成机理研究越来越引起人们的重视$-.*+,!N%%$)孙继松等!#$$&)蒋维楣等!#$$&%’曲绍厚等$N%N%根据#$世纪&$年代北京区域台站的资料!研究了北京城区的气象效应!指出远郊风速最大!近郊风速次之!城中心风速最小的规律’周淑贞等$N%%%分析了上海市区域多年风速资料!指出由于上海城市化的高速发展!建筑群高度增高(密度增大!导致城区下垫面粗糙度加大!因而使城区的地面风速减小!N%N年N%?年的平均风速就比N%NN年N%N?年减少#!=&^’E1*M,K+0C$N%N%对意大利帕尔玛城市#$世纪&$年代风速资料的分析研究!同样发现城市化的发展导致风速明显减小的现象’北京市作为我国的首都和政治文化中心!人口规模大!经济活动发达!是世界上的特大城市之一’改革开放以后!北京的城市建设十分迅速!尤其是从#$世纪%$年代初起!经历了连续十几年的高速发展!城市结构和建筑高度等都发生了很大变化’随着北京城市化步伐的加快!城市规模迅速扩大!北京三环路以外的地区已由#$世纪&$$年代的城郊下垫面发展成现在的典型城区粗糙下垫面!使得大气边界层空气动力学特征发生了变化’北京城市化发展对边界层平均风速(温度及空气动力学参数的影响如何*这是一个值得关注的问题’本文利用中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室北京!#?6气象塔的N%%!年#$$!年夏季$&月%月%的观测资料!在统计分析逐年的大气边界层风速(温度廓线特征的基础上!计算了地表粗糙度A$(零平面位移高度(摩擦速度=等大气边界层参数!并分析其变化特征’研究结果揭示了大气边界层结构及其动力学参数随着北京城市化发展的演变规律!可为城市大气边界层模式(大气扩散模式和区域气候模式的参数化提供参考依据’?!数据资料中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室的北京!#?6气象塔$!%_?‘!NN@_##‘R%$简称气象塔%!位于北京德胜门以北约#=&T6处!北三环路与北四环路之间’其东面#$$6处为南北走向的京昌高速公路!北面?$6处为东西走向的北土城西路’自N%&%年建成以来!气象塔已经积累了二十多年城市边界层气象要素分布的宝贵资料!正在城市复杂下垫面边界层研究中发挥越来越重要的作用$洪钟祥!N%!%’自气象塔建成到#$世纪%$年代初!塔址所处的地区属于北京市的城郊结合部!除正南的北三环路两侧有零星的超过?$6的建筑物外!气象塔周围约NT6的范围内没有高度超过#$6的建筑物’进入%$年代以后!随着北京市城市建设的加速发展!气象塔周围相继建成众多高大建筑物!包括北面的中鑫嘉园!南面的冠城园(国家质监总局等’气象塔周边从城郊非均匀下垫面转变为复杂的城市粗糙下垫面!所以这一阶段的铁塔观测资料很好地记录了城郊下垫面向典型城市下垫面转变的过程’本文利用的是北京!#?6气象塔N%%!#$$!年夏季$&$@大!气!科!学’()*+,+-./0*12.3456.,7(+0)898)+*8+,!!!!!!卷:.2;!!%月%的常规观测资料$其中N%%@年由于气象塔检修!仅有少量&月份观测数据!代表性相对较差%’气象塔上共有N?层自动观测平台!每#$,记录一组数据!观测高度分别为%6(N?6(!#6(&6(@?6($6(N$!6(N#$6(N$6(N@$6(N$6(#$$6(#$6(#$6(!#$6’测量的基本要素为水平风向(风速$为减小塔身的扰流影响!分为西北臂数据和东南臂数据!需根据风向选取%(温度和相对湿度$其中层%’本文首先进行了数据质量控制!剔除了明显不满足空间连续性的异常数据!然后进行统计分析和空气动力学参数的计算’@!计算方法零平面位移和地表粗糙度A$是描述下垫面空气动力学特征的重要参数’Z(.6$N%&N%直接从零平面位移的物理意义出发!提出计算的压力中心法)Q/,51,等$N%@%假设零平面位移与植物高度呈一定的比例关系)Y100155等$N%%#%建议!在城市区域可用B#+!-来估算城市零平面位移!-为建筑物平均高度’但是这些方法属于经验参数化方法!在实用中存在一定的主观性’近年来!具有快速响应能力的超声观测仪器的应用越来越普遍!尽管利用其所得到的数据可以直接计算湍流等空气动力学参数!但此方法数据采集量及难度较大!并不比间接测量更有代表性和适用性’本文采用的传统的确定地表粗糙度A$和零平面位移的廓线方法!是利用近中性大气稳定度风速廓线资料或非中性层结廓线方程迭代求最佳拟合解’此种方法物理概念简明!理论成熟!使用方便!在计算近地面层湍流通量时被广泛应用’Y0)66.*M等$N%%%%指出!用观测廓线的方法来估算零平面位移和地面粗糙度!