广州中心城区近地面风和气温的变化特征

2022-04-29王禹黄启锋李思玲林中庆徐穗珊谭惠芬

广东气象 2022年2期

王禹，黄启锋，李思玲，林中庆，徐穗珊，谭惠芬

（1.广州市海珠区气象局，广东广州 510220；2.龙川县气象局，广东龙川 517300）

随着社会的发展，城市环境问题已成为当下研究的一项重要内容，广州近年来城市发展迅速，城市建筑群兴起和人口密度增加，对广州中心城区大气边界层特征产生影响。其中，城市建筑高度增加、密度增大，会使城市风速减小［1］，风速减小加深了大气污染程度［2］。近年对气象塔的风速变化研究表明，下垫面、大气环流背景和近地面大气湍流强度的日变化均是影响近地面风速日变化的主要因子［3-5］。大气稳定度是大气湍流状况的一种表征，也是大气扩散能力一个重要的综合指数［6］。广州城区全年均有低空逆温出现，且广州市环境空气质量指数（air quality index，AQI）超标时有超过50%的天数同时出现了低空逆温［7-8］，出现霾污染过程时贴地逆温高度为100 m左右［9］。

本研究通过对广州塔2014—2018年风和温度数据及2016—2020年海珠湿地公园生态气象站风速风向资料进行分析，对近年来广州中心城区风速风向变化、大气稳定度和逆温特征进行研究，从而了解城市边界层的变化规律。

1 资料和方法

广州塔坐落于广州市海珠区，总塔高600 m，北望珠江，南瞰南广场，东西两面密布高层建筑物，为典型的城市下垫面，具有一定的代表性。广州塔的气象观测数据来自距地面121 m（G3344）和526 m（G3345）的自动气象站，仪器采样频率为5 min，风速分辨率为0.1 m/s，气温分辨率为0.1℃，本研究选取2014—2018年气象数据的小时平均值为研究资料，对无效数据进行剔除处理。

湿地公园生态气象站（G3101）为海珠区代表站，位于广州海珠国家湿地公园内，与广州塔的直线距离约为4.5 km，选取此站作为10 m层气象数据代表。仪器采样频率为5 min，风速分辨率为0.1 m/s，气温分辨率为0.1℃，本研究选取2016—2020年气象数据的小时平均值为研究资料。

本研究采用理查森数（Ri）法［10］计算大气稳定度，此方法综合考率了不同高度风速与温度的梯度，对稳定度级别的划分更为准确。大气稳定度分类标准和稳定度级别共分为6类，具体如表1所示。有研究结果表明，沿海地区以Ri法对6类大气稳定度的区分能力最好［11］。

表1 Ri分类标准

2 广州中心城区近地面风速、风向变化

近年来对天津近地面风速变化的特征研究发现80 m高度以下风速呈下降趋势，80 m及以上高度风速没有出现明显变化趋势［5］。通过对2014—2018年共5年广州塔121 m（G3344）和526 m（G3345）的2 min平均风速年均值变化分析，未发现明显的变化趋势，但对2016—2020年共5年湿地公园生态气象站10 m（G3101）的2 min平均风速年均变化分析，发现风速呈明显下降趋势（图1）。随着城市的发展，相对风速呈逐年减小的趋势，且越靠近地面，相对风速的减小愈明显，这与城市建筑的高度和密度有很大的关系，也反映了城市建筑对近地面层空气流动的摩擦作用［12］。

图1 2014—2018年广州塔121 m（G3344）、526 m（G3345）（a）和2016—2020年湿地公园生态气象站10 m（G3101）（b）风速年均值及变化趋势

通过对广州塔121 m（G3344）和526 m（G3345）两个高度和湿地公园生态气象站10 m（G3101）风向的季节变化进行分析（图略）。春季，10 m风向以东南风为主；121 m风向以东风为主；526 m风向以南风为主。夏季，10和526 m风向分布较紊乱；121 m风向仍以东风为主。秋季，10 m风向以东北偏北风为主；121 m风向以西北风和东北偏东风为主；526 m风向较为紊乱。冬季，10 m风向以东北偏北风为主；121 m风向以西北风为主；526 m以北风为主。由于所选的站点均在海珠区内，且距离较近，未发现明显的城市微环流特征。

陆龙骅等［13］、吴息等［14］认为近地面风速日变化除了受下垫面和大气环流背景影响外，还与近地面大气湍流强度的日变化有关。通过对广州塔121 m（G3344）和526 m（G3345）两个高度的风速日变化（图略）分析发现，日出后，随着地面温度的升高，湍流逐渐增强，高层空气动量下传加强，使低层风速增大，在气温最高湍流最强盛的午间时段，低层风速达到最大，午后气温开始下降，湍流运动逐渐减弱，风速随之开始下降；日落后，地面温度下降，湍流减弱，高、低层的空气动量交换减弱，导致高层风速增大，低层风速减小，趋于稳定。刘敬乐等［5］认为天津气象塔风速日变化在高、低层间存在过渡层，即转换高度，其中春秋季的转换高度约为120 m。同时，越接近转换高度层，风速日变化幅度越小。

从图2中可以发现，春季，121 m高度的风速日变化幅度较小，最大值与最小值仅相差0.4 m/s；秋季，因为受大气环流影响，随湍流下传的空气动量比春季低，所以日出后风速变化趋势较春季缓慢，121 m高度的风速整体略低于春季，最大值与最小值仅相差0.27 m/s；冬季，121 m高度的风速整体略低于春季，与秋季基本持平；夏季，121 m高度的风速日变化幅度较春、秋、冬季明显，且风速整体偏大，最大值与最小值相差0.71 m/s。春季，526 m高度的风速存在明显日变化现象，风速谷值区出现在12：00—15：00（北京时，下同），16：00起风速开始逐步上升；秋季，526 m高度的风速整体高于春季，风速谷值区出现在12：00—16：00，可见秋季高层风速谷值区持续时间较春季长；冬季，526 m高度的风速整体高于春、秋季；夏季，526 m高度的风速明显小于其他季节。

图2 2014—2108年春、夏、秋、冬季广州塔121 m（G3344）、526 m（G3345）风速日变化

2014—2018年夏季10：00—14：00低层风速大于高层风速，筛选2014—2018年夏季10：00—14：00的数据进行再分析，发现东北偏东风和东风占比最大（图3）。“狭管效应”引起风速增大的大小与建筑的布局、数量、间距密切相关［15］。G3344安装在广州塔北面，上游是珠江新城，东塔（高530 m）、西塔（高440 m）与花城广场之间形成狭管，恰好位于测站的东北到偏东方向，因此可能是东西塔之间形成的狭管效应导致这个方向的风速偏大。

图3 2014—2018年夏季10：00—14：00广州塔121 m（G3344）风向分布比例（%）

3 大气稳定度特征

考虑到2016—2019年广州塔观测数据有较好的连续性，本研究在稳定度分析中选取2016—2019年观测数据进行处理，剔除高层风速小于等于低层风速的数据。通过分析发现稳定层结（F类）在全年出现的概率最高，中性层结（D类）次之。

2016年是较为特殊的一年，广州1月出现雨夹雪，为新中国成立以来广州中心城区的第一场雨夹雪，罕见的冬季暴雨较为频繁，全年降水最多的月份出现在1月，冬季暴雨日数（2.8 d）远超常年（0.1 d）。对2016年大气稳定度进行再分析（图4），发现该年不稳定层结（A、B、C类）中冬季占比远高于其他季节，而较稳定层结（E类）中夏秋季占比远高于冬春季。

图4 2016年4季广州塔大气稳定度占比

4 广州塔逆温特征

张敏等［16］认为发生逆温频率的季节和日变化特征与太阳辐射的日变化特征存在较强的相关性，考虑到广州塔上仅在121 m（G3344）和526 m（G3345）处安装了自动气象站，因此在对逆温的分析中以这两层的气温数据进行逆温的计算，当出现高层气温高于低层时，记为一次逆温出现。逆温次数占气温总观测次数，即为逆温频次。

统计分析2016—2018年逆温频率的时间分布（图5）可以看到，春季（3—5月）出现逆温的频率最高，但每个月出现峰值的时间不同，3月峰值出现在01：00，4月峰值出现在09：00，5月峰值出现在15：00，在121～526 m之间出现逆温。通过对逆温出现频率的日变化分析发现（图5），全年逆温在下午时段（14：00—16：00）出现频率最高，这一时段中春季（3—5月）逆温发生频率最高。华南前汛期（4—6月）中，4月08：00—12：00逆温出现频率最高，日落后至日出前出现频率最低；而5月15：00—18：00逆温出现频率最高，下半夜至日出前出现频率最低，6月02：00未出现过逆温。