石家庄市近地层气象要素垂直分布特征分析

摘 要：本文以石家庄近地层垂直温度梯度、湿度和风速为研究对象，根据石家庄污染气象观测点2011年冬季1月和夏季7月所观测的02∶00温度、湿度和风速资料以及加密观测采样数据08∶00和14∶00的近地层风速资料，对对流层垂直温度梯度、湿度、近地层风速随高度的变化进行统计计算和分析研究。从中得出石家庄对流层150hPa以下大气温湿变化的气象特征的认识，为河北省开展城市规划气候可行性论证提供技术支持。

关键词：垂直温度梯度;湿度;风速

中图分类号：S161

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191015051

近年来，随着城市建设的快速发展和人民生活水平的提高，城市环境问题成为城市发展中突出的问题，如城市热岛、城市干岛、城市混浊岛等，其中城市热岛效应是城市发展中最突出的问题，特别是石家庄市，由于城市发展布局、经济结构发展特点，以及地理位置特殊，气候特点明显，城市环境问题更加突出，太行山东麓的焚风加剧了城市热岛效应，使石家庄风速减小、霾日增加，政府领导和社会公众对石家庄城市环境非常关注。

本文根据石家庄台站所观测到的2011年1月和2011年7月的温度、湿度和风速资料以及经纬仪加密观测采样数据08∶00和14∶00的近地层风资料，进行分析研究，试图从中找出我国中低纬度地区海陆边界层以内环境大气温度、湿度和风速变化的气象特征和规律。为河北省开展城市规划气候可行性论证提供技术支持，并以此推动河北省城市规划气候可行性论证工作的开展。

1 资料来源与处理方法

1.1 资料来源

本文利用石家庄02∶00探空压、温、湿资料以及经纬仪加密观测采样数据08∶00和14∶00计算得到的近地层风速资料进行分析研究。资料时段为2011年1月12—18日、2011年7月10—16日，分析数据为100hPa及以下温度湿度数据;同时段08∶00和14∶00地面风速及距地100m、300m、500m、700m、900m 6层的风速资料。

1.2 方法

温度梯度是自然界中气温、水温或土壤温度随陆地高度或水域及土壤深度变化而出现的阶梯式递增或递减的现象。温度梯度可分为垂直温度梯度和水平温度梯度2类。垂直温度梯度定义为高度每升高100m气溫的变化值，用ΔT/ΔZ表示，梯度值为正时表示气温随高度的升高而递减，梯度值为负时，表示气温随高度的升高而递增，梯度绝对值越大，表示气温随高度不同产生的变化越剧烈。

垂直温度梯度不仅可以表征温度随时间、高度的变化特征，而且可以反映大气垂直向的湍流状况。公式如下：

其中，TK、 ZK分别为下层规定等压面温度和高度，TK+1、 ZK+1分别为上层规定等压面温度和高度，单位：℃/100m。

2 冬夏季代表月温度变化

近地层即地面至1000hPa层间温度梯度值均为负值，说明气温随高度的升高而递增，即石家庄冬季逆温现象是异常显著的;300～1000hPa之间，即对流层内基本上是气温随着高度上升呈现递减趋势;300hPa以上垂直温度梯度较小甚至为负值，这是因为对流层顶以上，空气垂直热交换受阻，所以温度梯度值迅速减小，气温垂直变化减弱，转为等温或逆温状态。

夏季温度垂直梯度均为正值，说明气温随高度的升高是递减的，近地面层和250hPa以上温度梯度值较小，气温下降趋势较其他层次要弱得多。

冬季温度梯度平均值为0.23℃/100m，夏季为0.60℃/100m，夏季温度随高度下降要比冬季剧烈的多。冬、夏季温度梯度值相比较可以发现，冬季近地面出现逆温现象的频率要高得多。造成这种现象的主要原因是由于地面辐射冷却作用而导致近地面层气温迅速下降。当寒流袭击过后，地面受冷气团控制，天晴风小气温低，特别到了晚上，地面热量大量地向高空散发，使近地面层气温迅速下降，而上层大气温度下降较慢，从而出现上暖下冷的“逆温”现象。

3 冬夏季代表月湿度变化

冬季1月和夏季7月湿度随高度变化与石家庄夏季多雨、冬季干冷的气候特点相一致，冬季代表月1月的平均相对湿度要小于7月。

冬季1月近地面层925hPa以下，湿度随高度的升高迅速减小，尤其是1000hPa以下，递减幅度为22.4%/100m。600～925hPa之间，湿度出现一定幅度的回升，之后随着高度的升高，空中的水汽含量越来越少，湿度也逐渐减小;夏季7月近地面层925hPa以下，湿度随高度的升高迅速减小，在700～925hPa、300～500hPa之间湿度出现了一定程度的回升现象，之后随着高度的升高，空中的水汽含量越来越少，湿度明显减小。

无论是冬季还是夏季，湿度垂直变化的总体趋势是随着高度的升高逐渐减小，这是因为地表之上的大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发、土壤蒸发及植物散发，并借助空气的垂直交换向上输送。随着空气中的水汽含量随高度的增大而减少，湿度也随之减少。

4 近地层风的变化

近地层风数据来源于人工经纬仪观测采样数据，观测仪器为ZXG01F型光学测风经纬仪，观测点E114°53′，N38°05′，拔海高度84.5m，分析数据为08∶00和14∶00近地层距地面900m以下每间隔200m的高度100m、300m、500m、700m、900m各层的风采样数据。

图1、图2分别为1月份和7月份近地层风速分布状况。从图中可以得知，无论是冬季还是夏季，从地面到300m平均风速随着距地面高度的增加而变大，但最大的风速垂直递增率出现在地面到100m之间。300m以上风速递增速率逐渐减缓。这说明，近地面层的风速受地面粗糙度的影响，出现显著的减弱趋势;随着高度增加，风速受城市化、地面粗糙度及微观环境变化的影响渐趋弱化甚至消失，风速减弱现象随之变得不明显。

冬季1月和夏季7月份同时次不同季节风速相比较发现，08∶00冬季近地层风速平均值大于夏季同时间风速，14∶00风速值二者相当;同一季节不同时段风速相比较，则是近地层同一高度层08∶00风速均大于14∶00的风速。

5 结论

由以上分析可得出如下对于石家庄市中低层气象特征的若干认识。

地表附近的对流层，无论冬季还是夏季，其温度是随着高度的增高而降低的。这是因为对流层大气的热量来源于地面辐射供给的热量，离地面越高，大气获得地面供给的热量越少，温度就越低;冬季近地面温度垂直梯度值为负值，逆温现象显著;垂直温度梯度变化值冬季小于夏季，说明夏季温度随高度下降要比冬季剧烈得多;冬夏季湿度变化的总体趋势是随着高度的升高逐渐减小，受夏季地面基础值的影响，夏季湿度变化较冬季显著;近地面层的风速受地面粗糙度的影响，出现显著的减弱趋势，即越靠近地面风速值越小;随着高度增加，风速受城市化、地面粗糙度及微观环境变化的影响渐趋弱化甚至消失，风速减弱现象随之变得不明显;由于资料和采样数据有限（只有两周的观测采样数据），因此本文的分析结论具有一定的局限性，需在进行长期高空气象要素观测采样试验的基础上作进一步的研究。

参考文献

[1] 周淑贞，束炯.城市气候学[M].北京：气象出版社，1994.

[2] 徐祥德，汤绪.城市化环境气象学引论[M].北京：气象出版社，2002.

作者简介：

梁秀慧（1970-），女，本科，高级工程师。研究方向：气象资料分析与信息处理。