（气象学专业论文）北京城市边界层中低空风切变研究.pdf

城市边界层低空风切变研究 摘要 本文利用2 0 0 2 年一年的 风廓线资 料， 用统计的方法分析研究了城市 下垫面下的低空风切变的一些特点，为城市边界层中大气污染以 及风廓 线的研究提供有用的依据。 首先讨论了 低空风切变在塔层的一些特点，得出如下结论: 风切变在塔层的垂直分布可以看出: ( 1 ) 低空风切变是大气中的一 种常见现象， 严重的风切变在整个塔层高度范围内 都有出现， 严重风切 变出现频率比较高的塔层区域集中在塔层高度 8 0 m 和2 0 0 m之间;( 2 ) 低空风切变强度在塔层分布很复杂， 无法根据风切变平均值的大小来对 塔层分层;( 3 ) 在研究城市边界层中的低空风切变时， 应该把整个塔层 作为研究对象。 并进一步讨论了城市下垫面下的风切变的日变化和季节变化得出如 下结论: ( 1 ) 风切变的日 变化在横向随时间的变化上可以看出大部分情况 下在上午 8 : 0 0 - 1 0 : 0 0 之间有一个极大值，下午 1 9 : 0 0 - 2 1 : 0 0 有一个 极大值， 在变化上表现出近似正弦曲 线的变化; ( 2 ) 风切变在纵向随塔层 由上到下的变化可以看出大致在依次向下的塔层上持续增加然后减小， 然 后再增加的。 在季节变化上可以 看出:总的来说各层各类风切变季节变化不是很 明显的。 关键词:城市边界层 : 风切变 ; 塔层 a s t u d y o f wi n d s h e a r i n t o w e r l a y e r o v e r u r b a n l a n d s u r f a c e ab s t r a c t wi n d s h e a r o f t h e u r b a n b o u n d a ry la y e r h a s b e e n a n a l y z e d w i t h t h e o b s e r v a t i o n a l d a t a d u r i n g 2 0 0 2 o f w i n d s p e e d f r o m t h e b e ij i n g 3 2 5 m m e t e o r o l o g i c a l t o w e r .a n d c o n s e q u e n t l y , t h e s t u d y i s u s e f u l t o u n d e r s t a n d t h e d i s p e r s i o n o f p o l l u t a n t s a n d t h e c h a r a c t e r o f w i n d p r o f i l e f i r s t , t h e s t u d y w e r e t a k e n b y t h e d i s t r i b u t i o n o f d i ff e r e n t f r e q u e n c y in t e n s i t y t h a t win d s h e a r o c c u r e d i n t o w e r l a y e r .w e h a v e o b t a i n e d t h e f o l l o w i n g re s u lt s a b o u t wi n d s h e a r o v e r t h e u r b a n b o u n d a ry l a y e r . ( 1 ) wi n d s h e a r i s a c o m m o n p h e n o m e n o n i n a t m o s p h e r e . i n t h is p a p e r w e c a n g e t t h a t s e r i o u s w i n d s h e a r t a k e t h e w h o l e t o w e r l a y e r a n d t h e h i g h f r e q u e n c y t h a t s e r i o u s wi n d s h e a r o c c u r e d i n t o w e r l a y e r c a n b e s e l e c t e d b e t w e e n 8 0 m a n d 2 0 0 m . ( 2 ) t h e d i s t r ib u t i o n o f t h e win d s h e a r i s s o c o m p l e x t h a t w e c a n n o t c l a s s i 勺t o w e r la y e r b y t h e a v e r a g e o f wi n d s h e a r .( 3 ) wh e n s t u d y i n g wi n d s h e a r o f t h e u r b a n b o u n d a ry l a y e r ，w e s h o u l d t a k e t h e w h o l e t o w e r l a y e r a s t h e t a r g e t . t h e d a i l y v a r i a t i o n a n d s e a s o n l y v a r i a t i o n o f wi n d s h e a r o v e r t h e u r b a n b o u n d a r y l a y e r h a v e b e e n d i s c u s s e d .a f e w r e s u l t s w e r e g o t a s b e l l o w : ( 1 ) t h e r e i s a m a x im u m o f wi n d s h e a r b e t w e e n 8 :0 0 a m a n d 1 0 : 0 0 a m a n d t h e s a m e w a s b e t w e e n 1 9 : 0 0 p m a n d 2 1 :0 0 p m ; ( 2 ) t h e n u mb e r o f wi n d s h e a r wa s f r i s t i n c r e a s e a n d t h e n d e c r e a s e a n d i n c r e a s e i n t h e e n d. t h e s e a s o n l y v a r i a t i o n o f win d s h e a r o v e r t h e u r b a n b o u n d a r y l a y e r w a s n o t r e m a r k a b le i n g e n e r a l . k e y w o r d s u r b a n b o u n d a r y l a y e r ;w in d s h e a r ; t o w e r l a y e r m 学位论文独创性声明 本人郑重声明: 坚持以 “ 求实、创新”的科学精神从事研究工作。 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 、 .孟q自 果 。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 己经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均 已在论文中作了声明并表示 了谢意 。 作 者 签 名 : 皇 韭也一 - 日期:z o a t . i l 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版; 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅; 有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索: 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论 文在解密后适用本规定。 作者签名: 日期: 一 - 王 创 以 二 试乙 第一章引 论 第一节城市边界层 1 . 1 城市边界层具有特殊的结构及特征 城市边界层结构的突出特点是非均匀性和由大量建筑群引起的大的粗糙度，这 种复杂的 下垫面特征使得城市边界层结构与 传统的、 水平均一的 下垫面之上的大气 物理边界层有很大的差别，并由 此形成了 城市地区具有的 特殊的城市边界层结构。 对城市边界层结构的划分是随着对城市边界层结构认识的断深入而不断发展变化 的。 最早 被 大 家认同的 是。 k e w 在1 9 7 6 年 划分的 标 准， 将城市 边 界层简 单 地 划分为 两层:城市冠层 ( 物顶和地面之间的边界层)和总的 城市边界层:后来，人们又根 据城市下垫 面结构对大气物理边界层的 影响 程度对城市边界层进行进一步的 划分， 例如s t u l l ，在1 9 8 8 年仿 照o k e 的 划分 标准 将 城市边 界 层 进一 步细分为 三 层: 城 市 冠层 、 尾流 层和 混合层。 到目 前为 止， 人 们 将城市 边 界 层 划分阁 为: 城市 冠 层、 粗 糙副层、惯性副层和城市混合层，其中，城市冠层、 粗糙副层、惯性副层属于城市 近地层。 毛 i 犷 - v y v i ) 4; 0 . . ;.r no) 以 小 扩 时一 - ， 94 m t sr i 挑 a 谧性 欢ii 1 ( i 1tf - i w r il 图1 . 1 城市大气边界层的结构 在城市边界层的垂直结构中，从地面到建筑物顶这段距离为城市冠层。在这个 层次中，大气的动力特征、 热力结构特征及地面净辐射收支状况不仅直接受到城市 下垫面的结构特征如城市建筑结构、城市地方构成的非均匀性以 及认为活动等因素 的影响，同时， 大气的热力和动力特征又通过大气湍流扩散过程和局地环流的 作用 第一章引 论 第一节城市边界层 1 . 1 城市边界层具有特殊的结构及特征 城市边界层结构的突出特点是非均匀性和由大量建筑群引起的大的粗糙度，这 种复杂的 下垫面特征使得城市边界层结构与 传统的、 水平均一的 下垫面之上的大气 物理边界层有很大的差别，并由 此形成了 城市地区具有的 特殊的城市边界层结构。 对城市边界层结构的划分是随着对城市边界层结构认识的断深入而不断发展变化 的。 最早 被 大 家认同的 是。 k e w 在1 9 7 6 年 划分的 标 准， 将城市 边 界层简 单 地 划分为 两层:城市冠层 ( 物顶和地面之间的边界层)和总的 城市边界层:后来，人们又根 据城市下垫 面结构对大气物理边界层的 影响 程度对城市边界层进行进一步的 划分， 例如s t u l l ，在1 9 8 8 年仿 照o k e 的 划分 标准 将 城市边 界 层 进一 步细分为 三 层: 城 市 冠层 、 尾流 层和 混合层。 到目 前为 止， 人 们 将城市 边 界 层 划分阁 为: 城市 冠 层、 粗 糙副层、惯性副层和城市混合层，其中，城市冠层、 粗糙副层、惯性副层属于城市 近地层。 毛 i 犷 - v y v i ) 4; 0 . . ;.r no) 以 小 扩 时一 - ， 94 m t sr i 挑 a 谧性 欢ii 1 ( i 1tf - i w r il 图1 . 1 城市大气边界层的结构 在城市边界层的垂直结构中，从地面到建筑物顶这段距离为城市冠层。在这个 层次中，大气的动力特征、 热力结构特征及地面净辐射收支状况不仅直接受到城市 下垫面的结构特征如城市建筑结构、城市地方构成的非均匀性以 及认为活动等因素 的影响，同时， 大气的热力和动力特征又通过大气湍流扩散过程和局地环流的 作用 进一步影响到城市粗糙副层、甚至更高层的大气动力和热力结构。 1 . 2 城市对城市边界层影响的复杂性 2 0 0 0 年平均4 5 %的世界人m居住在城市地区，其中在发达国家己经高于7 5 %. 预计到 2 0 0 7年将有一半的 世界人口 成为城市 居民。 正是由 于 城市居住着大量的 人 口，人类的各种生产、生活和交通等活动不断改变着城市的热 环境，这种人为的热 力因素和城市下垫面特殊的物理结构相结合使得城市边界层， 尤其是城市中 近地面 层中大气热力和动力特征变得非常复杂，这主要表现在以下几个方面: ( 1 )城市边界层特殊的下垫面性质，如大量人为的不透水水泥建筑物、沥青地 面、小的植被覆盖率以及人类活动所产生的人为热量在很大程度上影响和改变了大 气近地面层原有的热力特征， 其中比 较明显的 就是城市的热岛 现象。城市热岛现象 的存在及其对应的热岛环流不仅改变了城市边界层大气的热力结构特征，同时也一 定程度上影响了城市边界层的动力结构。 ( 2 ) 城市中大量的建筑物及其下垫面结构的非均匀性影响和改变了城市边界层， 特别是城市冠层中大气的气流运动和湍流特征。就大气湍流特征而言，城市冠层和 粗糙副 层中的湍流特征不同于传统理论中平坦、均匀地面上的近地面层大气湍流特 征，其湍流通量特别是动量通量不再是随高度不变的常数， 这就使得传统的近地面 层常值通量层相似理论在城市冠层和粗糙副层中是不完全适用的。此外，城市冠层 附近还存在因平均气流的动量向湍流动能转化而造成的强湍流切变层。 ( 3 ) 城市 大气的热力、 动力结构不仅受到城市作用的影响， 同时， 两种结 构之间 本身又是相互影响、相互作用的，这就使得城市边界层中本己 经复杂复杂的动力和 热力结构特征变得更为复杂。 ( 4 ) 具体城市的 周边地形环境对城市气象条件的 影响 也是缄市 边界层和大气污染问 题研究中不容回避的问 题。 1 . 3 城市 环境污染的严重性 在科学技术以 前所未 有的 速度和规模发展的 今天，不仅仅给人类社会带来了 物 质繁荣和技术手段的先进。在人类在享受空前的物质文明的同时，无限制的享用自 然资源，伴随着现代工业和商品经济的高速发展，这种掠夺式的生产已 经造成生态 环境的破坏，导致污染物排放量的迅速增长的积累，带来了严重的环境问题;如大 气污染、 臭氧层破坏、 水污 染、 水土流失等， 其中 一些已 经成为全球性问 题， 这些 都日益威胁着人类的生存环境。 随着社会的发展，环境污染日 益严重，尤 其是大气污染，大气层是人类生存的 组成部分。由 于人类的生 产和生活活动使大气中 增加了 其它成分，当大气成分的变 化增加到环境所能允 许的极限时， 会使大气质量恶化，对人类的生活、工作、人体 健康和精神状态， 建筑物 及设备财产等方面直接或者间 接的产生负面影响， 这种现 象就是大气污染 4 1 我国的大气污染也很严重。根据联合国环境计划署和世界卫生组织前几年发表 的一份报告 表明， 对世界上6 0 个国家1 0 -1 5 年的监测发现， 空气中的二氧化碳含 量最高，污染最严重的 城市我国占 三个:沈阳、西安和北京。而 根据中 央台的有关 报道，我国已 经增加到了8 个。 城市是一个复杂的综合体，城市大量的污染源排放和几乎所有的人群活动影响 均发生在城市边界层的近地层。 产生城市污染的原因是多方面的，总的来说影响城 市大气污染水平的因子有三个:特殊的城市下垫面、污染物排放源和气象条件。从 长期或者平 均状态来说取决于城市的能 源结构， 交通和工业污染排放物的多少。 但 从短期， 实时状态而言， 却主要与背景质量及当地、当时的气象条件和大气的 扩散 能力有关。城市边界层特别是城市近地层的温、风、 湿结构和湍流结构对城市大气 污染物的 输 送、扩散、化学转化机制和干、湿清除起着重要作用。城市的局地污染 程 度主 要 取决于 城 市及周 边地区的 气 象要素 场的 分布 卜” 。 对于 北京市 这样一 个国 际化的大都市，随着汽车拥有量的急剧增加，大气污染由 煤烟还原型大气污染逐渐 向 汽车尾气为主的 氧化型大气污染转变。 而且由 于道路建设远远落后于车辆增长， 交通拥挤堵塞状况日 趋严重， 汽车驱动所产生的气体污染物和微尘，失修的 柴油发 动机排放的 细颗粒物， 臭氧等二次污 染物的 影响， 使主要交 通干线及路口 空气中的 污染物常年超标。 第二节 低空风切变 2 .1 风切变的定义 我们知 道国 际航空和 气象界均已 经公 认低空 风切变是飞机起飞和近着陆阶段的 一个 潜在的 危险因 素i8 1 . 同 时 也 都承认 它 是一 个不 易 解决的 气象 难题。 即 使“ 风切 变” 这个名 词在不少文章中的 含义也是 不一样的， 给严格和统一的定义并不是很容 易下的， 比 较常见的定义是: 平均水平风经过一个很薄的乖直气层 (薄的气层” 常 指1 0 0 米以内， 但较多见到的是取高度为3 0 米间隔的薄气层) ，所发生的风向和风 速的 变化。 大多 数报告为了 把问 题说清楚的需要， 一 般都会把所研究的 风切变的具 体内 容交 待清楚。 例如， 美联邦航空局和国 家海洋、 大气局所作的一次风切变试验 中就首先明 确告 诉我们: 低空风切变是指某地上空十分钟平均的 水平风的垂直切变。 组成部分。由 于人类的生 产和生活活动使大气中 增加了 其它成分，当大气成分的变 化增加到环境所能允 许的极限时， 会使大气质量恶化，对人类的生活、工作、人体 健康和精神状态， 建筑物 及设备财产等方面直接或者间 接的产生负面影响， 这种现 象就是大气污染 4 1 我国的大气污染也很严重。根据联合国环境计划署和世界卫生组织前几年发表 的一份报告 表明， 对世界上6 0 个国家1 0 -1 5 年的监测发现， 空气中的二氧化碳含 量最高，污染最严重的 城市我国占 三个:沈阳、西安和北京。而 根据中 央台的有关 报道，我国已 经增加到了8 个。 城市是一个复杂的综合体，城市大量的污染源排放和几乎所有的人群活动影响 均发生在城市边界层的近地层。 产生城市污染的原因是多方面的，总的来说影响城 市大气污染水平的因子有三个:特殊的城市下垫面、污染物排放源和气象条件。从 长期或者平 均状态来说取决于城市的能 源结构， 交通和工业污染排放物的多少。 但 从短期， 实时状态而言， 却主要与背景质量及当地、当时的气象条件和大气的 扩散 能力有关。城市边界层特别是城市近地层的温、风、 湿结构和湍流结构对城市大气 污染物的 输 送、扩散、化学转化机制和干、湿清除起着重要作用。城市的局地污染 程 度主 要 取决于 城 市及周 边地区的 气 象要素 场的 分布 卜” 。 对于 北京市 这样一 个国 际化的大都市，随着汽车拥有量的急剧增加，大气污染由 煤烟还原型大气污染逐渐 向 汽车尾气为主的 氧化型大气污染转变。 而且由 于道路建设远远落后于车辆增长， 交通拥挤堵塞状况日 趋严重， 汽车驱动所产生的气体污染物和微尘，失修的 柴油发 动机排放的 细颗粒物， 臭氧等二次污 染物的 影响， 使主要交 通干线及路口 空气中的 污染物常年超标。 第二节 低空风切变 2 .1 风切变的定义 我们知 道国 际航空和 气象界均已 经公 认低空 风切变是飞机起飞和近着陆阶段的 一个 潜在的 危险因 素i8 1 . 同 时 也 都承认 它 是一 个不 易 解决的 气象 难题。 即 使“ 风切 变” 这个名 词在不少文章中的 含义也是 不一样的， 给严格和统一的定义并不是很容 易下的， 比 较常见的定义是: 平均水平风经过一个很薄的乖直气层 (薄的气层” 常 指1 0 0 米以内， 但较多见到的是取高度为3 0 米间隔的薄气层) ，所发生的风向和风 速的 变化。 大多 数报告为了 把问 题说清楚的需要， 一 般都会把所研究的 风切变的具 体内 容交 待清楚。 例如， 美联邦航空局和国 家海洋、 大气局所作的一次风切变试验 中就首先明 确告 诉我们: 低空风切变是指某地上空十分钟平均的 水平风的垂直切变。 低空指的是离地6 0 0 米高度以下。 2 . 2 风切变的强度标准 关于风切变的强度也是比 较难以统一的，因为其涉及的因素较多，但是大都是 从对飞机的危害程度来进行强度分类的，下面介绍凡种强度标准。 ( 1 )大多数的人认为对飞行有意义的风切变至少要达到3 -5 海里/ 小时/ 3 0 米， 或者9 0 米气层达到1 0 -1 5 海里/ 小时。 ( 2 )国际民航组织第五次航空会议采用的低空风切变等级标准，如表 t o 类别影响程度 类交 值标准 米/ 秒/ 3 0 米 秒一 l 0微弱 1 . 0 6 . 0 ) 0 . 2 0 2 . 3 风切变形成几种可能的因素 产生风切变的成因分析是一个比 较复杂的理论问题， 甚至有些机制还不 清楚， 但比较公认的，已 经认识到的大致有以下几种因素，它包括气象方面的和地表状况 方面的，而气象条件是主要的因素。 ( 1 ) 天气尺度锋面过度区。 主要有冷锋、 暖锋和静止锋等大尺度的锋区， 而且 只有强度较强的锋区才有可能产生对飞机飞行有影响的风切变。冷锋型的风切变多 发生在锋线后，而暖锋型风切变区多发生在锋线前。这种情况下风切变区域水平尺 度较大，但是强度较弱，且多呈渐变类风切变的特征。据美国某次风切变试验结果 表明，锋面性风切变约占总数的 3 6 %，其中冷锋约为暖锋的 工 /n.暖锋风切变是比 较常见的，这和暖锋坡度小、移速慢所以较容易遇到是有关系的。 ( 2 ) 中 尺度锋面。 如海风锋、 海岸性锋等。 中尺度锋区一般都有可能发生对飞 行有影响的风切变，而且各种形式的风切变都可能发生。 ( 3 ) 雷暴云体的阵风锋和下冲气流。 这是产生强烈风切变的主要条件， 对飞行 威胁很大，多呈突变类型的风切变。其时间短、尺度小，难以 预测，造成飞机失事 的风切变往往与此有关。 ( 4 )低空强烈的逆温层以及低空急流。 这种风切变高度和逆温层高度相一致， 且多在夜间、清晨或上午早些时候发生，逆温越强风切变越强。 ( 5 ) 山 地气流波中强湍流切变区。 这是因为强气流经过复杂山 地所造成的， 有 时可相当强烈，曾有人根据实测资料表明，最强的山 地垂直阵风可达4 0 米砂 。 ( 6 ) 在城市或者有高大建筑物的 地区， 由于地表摩擦阻力的作用， 使得近地面 风受阻后风速明 显减小，从而产生垂直风切变。 2 . 4 低空风切变研究现状 1 9 7 6 年以 后，国际民 航组织， 世界气象组织， 以及各国的航空和气象机构纷纷 行动起来， 积极开展对低空风切变的研究工作，这些机构起到了重要的组织作用， 下面是 一 些 主要的 事实9 j ( 1 )国际民航组织 1 9 7 6 年发出 通告，明确表示要把低空风切变列为重要的研究课题。 1 9 7 7年正式 “ 低空风切变和湍流研究组” ，该组经常通报各国 研究情况，以及 综合发出一些有关低空切变的指导性文件。 1 9 8 0 年该 组发表了 一 个 “ 低空 风切变和颠簸研究的 进展报告，o 1 9 8 2 年发表了“ 低空风切变”综合评论。 1 9 8 3 年发表关于低空风切变的标准用语等文件和有关的气象探测资料等。 2 ) 世界 气象组织 1 9 7 9 年 1 1 月世界气象组织召开了航空气象会议。 会上对低空风切变和湍流问 题的探测、 通报等问 题进行了讨论， 并提出了 要求。 ( 3 )日 、 美合作 “ 风切变研究会” 1 9 8 0年，日 本和美国 联合成立了“ 风切变研究会” ， 该会由 航空管制人员、有 经验的 老飞 行员、航空气象预报员、 气象科研人员组成，主要负责两国有关航区的 风切变特征， 危害 情况等的 研究， 并向决 策机构提供技术参考。 ( 4 ) 美国 参与和资助风切变研究的机构有: 联邦航空局、国家航空局、国 家海洋和大气局、国防部、国 家安全运输局、国家科 学基金会，核管理委员会等单位。 大型研究计划有: 1 9 7 6 年的国家风切变研究计划，主要在纽约的 杜勒斯机场附近进行综合试验: 1 9 7 8 - 1 9 7 9 年的 下冲气流 研究 计划. 主要在芝加哥的奥亥尔机场附近; 1 9 8 1 - 1 9 8 4 年的以 风切变为主题的 机场联合研究 计划， 主要在丹佛的 斯特普顿机 场附近。 从1 9 7 7 年开始每年由f a a , n o a a , n a s a联合召开一次航空气象讨论会，每 年均把风切变问 题作为重点讨论对象，并不断提出各方面的要求。 ( 5 )苏联 1 9 7 8 年 5 月，根据国 家航空监督机构所提出的任务，苏联国家水文气象和自 然 环境检测委员会，水文气象中心，莫斯科航空气象中心等十几个单位召开了风切变 和湍流讨论 会， 会议研究了经国家水文气象和自 然环境委员会， 航空工业部和民 用 航空部批准的 “ 制定关于提出民 航飞机在风切变环境下起飞和着陆的飞行安全方法 和手段。 ” 1 9 7 9 年1 0 月又由上述单位召开了 航空气象迫切问 题的科学实践会议， 其中把风 切变和湍流作为重点研究对象。 1 9 8 2 年1 0 月全苏召开了 航空气象会议， 明确提出了 加强对航空天气的一系列工 作，其中把低空风切变探测、风切变特性研究和预报列为主要论题。 另外英、 法、 西 德、 加 拿大、 瑞典、 芬兰、澳 大利亚 等国 航空机构也都对低空 风切变问 题给予高度重视， 并开展了一些研究工作。 第三节 研究城市边界层低空风切变意义和目的 3 .1 城市发展对北京环境气象的影响 北京是我国 政治、 文化和国 际交往中心， 近年来， 城市建设突飞猛进。 城市面 积不断扩大，城市人口明 显增加， 2 0 0 1 年城镇人口 较 1 9 7 8 年增加了4 8 2 万， 达到 了9 6 1 万， 城市机动车辆飞速增加， 至2 0 0 2 年8 月全市机动车辆保有量达 1 8 4 .4 万 量。 城市的 发展，改变了 原来的生态环境，绝大多 数自 然 植被被建筑物、 水泥和沥 青路面代替，形成特殊的 下垫面特征:人们的生产活动和生活活动增加了 额外的热 源; 城市的交通运输排放出 大量的 烟尘和气溶胶等。 这些因 素对城市气候、环境产 生了巨 大的 影响 1 0 由于城市的特殊的 下垫面性质以及人为热源等原因， 城市气温明显高于郊区， 形成“ 热岛 效 应” 1 1 - 16 . 城 市的发 展使 城市 风环境 也 发生了 变化， 盛 行风 速显 著下 降， 但高 大建 筑 物间 易 产生“ 狭管 风” 1 7 1造成 行人风 扰 ，小 范围内 产 生祸流， 阻碍污染物的扩散;城市下垫面的不透水性，使降水迅速成为径流，植物覆盖面积 小，使蒸腾和蒸发作用减小，造成市区空气湿度小于郊区;城市的发展使得城市气 候还 具 有 “ 混浊岛” 1 8 -2 1这一 特征， 城市 环 境造成 城区 污 染 物颗 粒比 郊区 多， 城 市 的能见度比郊区小。 随着北京城市规模的扩大，人口的增加和经济的飞速发展， 大气污染已 达到 从1 9 7 7 年开始每年由f a a , n o a a , n a s a联合召开一次航空气象讨论会，每 年均把风切变问 题作为重点讨论对象，并不断提出各方面的要求。 ( 5 )苏联 1 9 7 8 年 5 月，根据国 家航空监督机构所提出的任务，苏联国家水文气象和自 然 环境检测委员会，水文气象中心，莫斯科航空气象中心等十几个单位召开了风切变 和湍流讨论 会， 会议研究了经国家水文气象和自 然环境委员会， 航空工业部和民 用 航空部批准的 “ 制定关于提出民 航飞机在风切变环境下起飞和着陆的飞行安全方法 和手段。 ” 1 9 7 9 年1 0 月又由上述单位召开了 航空气象迫切问 题的科学实践会议， 其中把风 切变和湍流作为重点研究对象。 1 9 8 2 年1 0 月全苏召开了 航空气象会议， 明确提出了 加强对航空天气的一系列工 作，其中把低空风切变探测、风切变特性研究和预报列为主要论题。 另外英、 法、 西 德、 加 拿大、 瑞典、 芬兰、澳 大利亚 等国 航空机构也都对低空 风切变问 题给予高度重视， 并开展了一些研究工作。 第三节 研究城市边界层低空风切变意义和目的 3 .1 城市发展对北京环境气象的影响 北京是我国 政治、 文化和国 际交往中心， 近年来， 城市建设突飞猛进。 城市面 积不断扩大，城市人口明 显增加， 2 0 0 1 年城镇人口 较 1 9 7 8 年增加了4 8 2 万， 达到 了9 6 1 万， 城市机动车辆飞速增加， 至2 0 0 2 年8 月全市机动车辆保有量达 1 8 4 .4 万 量。 城市的 发展，改变了 原来的生态环境，绝大多 数自 然 植被被建筑物、 水泥和沥 青路面代替，形成特殊的 下垫面特征:人们的生产活动和生活活动增加了 额外的热 源; 城市的交通运输排放出 大量的 烟尘和气溶胶等。 这些因 素对城市气候、环境产 生了巨 大的 影响 1 0 由于城市的特殊的 下垫面性质以及人为热源等原因， 城市气温明显高于郊区， 形成“ 热岛 效 应” 1 1 - 16 . 城 市的发 展使 城市 风环境 也 发生了 变化， 盛 行风 速显 著下 降， 但高 大建 筑 物间 易 产生“ 狭管 风” 1 7 1造成 行人风 扰 ，小 范围内 产 生祸流， 阻碍污染物的扩散;城市下垫面的不透水性，使降水迅速成为径流，植物覆盖面积 小，使蒸腾和蒸发作用减小，造成市区空气湿度小于郊区;城市的发展使得城市气 候还 具 有 “ 混浊岛” 1 8 -2 1这一 特征， 城市 环 境造成 城区 污 染 物颗 粒比 郊区 多， 城 市 的能见度比郊区小。 随着北京城市规模的扩大，人口的增加和经济的飞速发展， 大气污染已 达到 惊人的的程度，据报道，北京是 1 9 9 9 年全球大气污染最严重的 1 0 个城市之一。尤 其是机动车辆拥有量的飞速增加下， 其排放的 尾气己 成为北京大气污染的主要来源。 所以进行城市边界层的研究是适应城市化发展的必然要求， 是城市可持续发展 的保证。 3 . 2 国内 城市边界层研究情况 近儿十年来， 随着理论研究的深人、 观测技术的进步和一系列大型大气边界层 综 合观 测实 验2 2 -3 11 的 实施， 大 气边界层 物理 研 究 有了 较大的 进展。 在水 平 均一、 粗 糙下 垫面( 比 如森林及高农 作物) 上空边界层大气湍流的 研究取得了 不少成果， 但对 水平非均一、 粗糙下垫面( 比 如 城市) 边界层大气湍流 特征的了 解较少， 这主要是由 于缺乏系统的观测资料所致。城市作为人口 密集地区，工业污染物排放较集中，近 些年来由 于城市快速发展带来的空气污染及局 地气候变化，已经引起了人们的极大 关注。因 此研究城市下垫面大气边界层显得尤为重要，这也是当今大气边界层物理 研究的热点之一。只有弄清城市大气边界层变化特征，才能为城市空气污染的预报 与治理，为城市发展的合理化规划提供科学的依据。 近年 来曾 经 利 用 北京3 2 5 m气 象塔 3 51 的长 期观 测资 料 通过有 效的 观测资 料 质 量控制，研究了北京市城市化发展对边界层结构和湍流特征的影响，得到了下垫面 粗 糙 度、 边 界 层 逆 温、 风极 值、 低空 风切 变以 及 湍流的 统 计特征。 例如王学 永3 2 1等 在城郊下垫面下通过对1 9 7 9 年8 月至 1 9 8 0 年7 月6 5 0 次塔层风廓线进行统计分析 来研究低空 风切变，并对1 9 8 0 年8 月3 1 晚影响北京地区的两次雷暴天气过程对塔 层 各要素 和 参量的 影响 进行了 综 合分 析3 3 1 由 于 城市化的发展， 气象塔周围 不断 有大型建筑物出 现。 从1 9 8 6 年到工 98 年 的1 2 年间， 下垫面粗糙度从平均。 . 6 3 m增长到平均3 .8 6 m ， 特别是常通量厚度由平 均5 0 -6 0 m增长到l o o m左右。 最近的 研究 发现粗糙 度又增长到最高可达4 . 1 m 。 证 实了 北 京3 2 5 m气 象塔的 下垫 面 从城、 郊结 合型 完 全转为 粗 糙的 城 市型3 4 1 。 使 得 该 塔成为当 前国 际 上研究城市 边界层泪城市空气污染的一个难得的理 想观测平台。 刘 辉志 和 洪 钟祥 3 6 利 用3 2 5 m气 象塔上4 7 m . 1 2 0 m和2 8 0 m三个不同 高 度的 超声 观 测资料，分析了湍流统计量随高度的分布规律，并发现当 有冷空气经过时，边界层 中 感热 通 量 会有明 显 增大。 刘小 红p 7 1等对北 京 地区 一次 特大强 风过 程边 界 层结 构 进 行了 研究， 利用北京3 2 5 m气象塔资料对1 9 9 3 年4 月9 日 北京地区出 现的 一次 特大 强 风过程的 边界层结构( 风、 温、风切变及阵 风特征) 进行了分析。 在低空风切变的 研究方面， 赵鸣 3 8 1 等曾 经在城市下垫面上研究 低层大气垂直风切变的一些性质。 3 .3 低空风切变研究的目的 由于边界层中垂直风切变刘于航空、建筑、大气污染均有重要影响，但是低空 风切变具有特殊的时空特征，它使得常规的气象仪器观测网的设置在研究中显得毫 无用处。而且由 于国内 没有专用的 探测设各和实测资料也很有限，所以 低空风切变 在国内 的研究是很少的。王 学永 等对 1 9 7 9 年8 月至1 9 8 0 年7 月北京3 2 5 m气象塔 6 5 。 次 塔层风廓 线进 行了 统计 分析 发 现3 2 -3 3 1 ， 低空 风切 变是 大 气中的 一 种常 见 现象。 并通过对 1 9 8 0 年8 月3 1 晚影响北京地区的两次雷暴天气过程的塔层各要素和参量 的影响情况的综合分析，探讨了雷暴型风切变对于飞机飞行的影响。 由于北京气象塔建成初期，除正南面北三环路两侧有零星建筑物高度超过5 0 m 外， 以 气象塔为中心1 k m 范围内无超过2 0 m的建筑物。 地面条件具有典型的城郊复 杂下垫面条件，当时对于研究城郊复杂下垫面条件下的大气边界层结构是非常合适 的，而一般的飞机场址都位于城郊复合带。进入2 0 世纪8 0 年代末以后，随着北京 市城市建设和城市化的决 速发展，该地区逐渐发展成为有很多高 大建筑物且分布不 均匀的 城市下垫 面， 现在气象 塔向东2 0 0 m 是南北走向 的八达岭高速， 向 北5 0 m 是东 西走向的北土城西路， 向南1 0 0 。 是一排高度为8 0 m 左右的冠城园住宅区， 充分说明 现在的气象塔已 经处于城市粗糙复杂下垫面中。由于其位置和结构的特点， 该塔已 经被 作为 研究城 市 边界层 和 监测 城 市低 层大 气 污染 垂 直 分布的 理 想观测 平台 洲 。 本 文正是在这个前提下利用2 0 0 2 年一年的风廓线资料， 用统计的 方法分析研究了 城市 下垫面下的低空风切变的一些特点。 为城市边界层中大气污染以 及风廓线的研究提 供有用的依据。 第二章实验仪器和数据 第一节 引言 为了 获得合适本次实验的数据就要对实验设备进行了 解以 及对数据进行整编， 由于设备位置和结构的特殊， 并且数据不仅量大， 而且在数据的取舍上难度比 较大， 所以 在进行数据质量控制的过程中做了大量的工作。 第二节 实验设备 2 . 2 . 1 北京3 2 5 米气象塔简介 北 京3 2 5 m气 象 塔，建于1 9 7 4 年， 1 9 7 9 年8 月 正 式 投入 使用， 位于北 纬3 9 0 5 8 ， 东经工 1 6 0 2 2 , 海拔高度4 9 m ， 位于北京市区北三环路和北四 环路之间， 南 距北三环约 7 0 0米， 气象塔向东 2 0 0米处为南北走向的八达岭高速公路， 北侧 5 0 米处为东西走向的 北土城西路， 南面1 0 0 米耸立一排高度为8 0 米左右的冠城园住宅 区。由于北京气象塔建成初期，除正南面北三环路两侧有零星建筑物高度超过5 0 m 外， 以气象塔为中心 1 k m 范围内 无超过2 0 m的建筑物。 地面条件具有典型的城郊复 杂 下垫 面条 件11 1当 时 对于 研究 城 郊复 杂下垫 面 条 件下的 大气 边界 层结 构是非 常合 适的，而一般的飞 机场址都位于城郊复合带。进入2 0 世纪8 0 年代末以后，随着北 京市城市建设和城市化的决 速发展，该地区逐渐发展成为有很多高大建筑物且分布 不均匀的城市下垫面， 现在气象塔的位置，充分说明 现在的气象塔己 经处于城市粗 糙复杂下垫面中幻 。 而且由 于其位置和结构的 特点，该 塔己 经被作为研究城市边界 层和监测城市低层大气污染垂直分布的理想观测平台。 该塔塔体采用通风良 好的钢管行架式结构 ( 通风系数为 0 . 2 5 ) ， 塔体上下具有 相同的等边三角形横截面，边长为2 . 7 m ,塔身由相隔 1 2 0 。的3 组钢丝绳 ( 每组5 根)分别固定在三个地锚上。塔上共装有巧层观测平台，观测高度分别为8 , 1 5 , 3 2 , 4 7 , 6 5 , 8 0 , 1 0 3 , 1 2 0 , 1 4 0 , 1 6 0 , 1 8 0 , 2 0 0 , 2 4 0 , 2 8 0 和3 2 0 m 。这样的分层 与其他国家相比是比较细致的。 塔的1 5 个观测层次上均按盛行风向装有两个活动伸 臂， 一个指向 东南， 一个指向西北，臂端离开塔柱边缘约4 . l m 。安装两个伸臂是为 了避免由于气流通过塔体时造成的绕流对测风传感器的影响。 测量的基本要素为: 水平风向、 风速、 温度和相对湿度。 2 . 2 . 2仪器简介 第二章实验仪器和数据 第一节 引言 为了 获得合适本次实验的数据就要对实验设备进行了 解以 及对数据进行整编， 由于设备位置和结构的特殊， 并且数据不仅量大， 而且在数据的取舍上难度比 较大， 所以 在进行数据质量控制的过程中做了大量的工作。 第二节 实验设备 2 . 2 . 1 北京3 2 5 米气象塔简介 北 京3 2 5 m气 象 塔，建于1 9 7 4 年， 1 9 7 9 年8 月 正 式 投入 使用， 位于北 纬3 9 0 5 8 ， 东经工 1 6 0 2 2 , 海拔高度4 9 m ， 位于北京市区北三环路和北四 环路之间， 南 距北三环约 7 0 0米， 气象塔向东 2 0 0米处为南北走向的八达岭高速公路， 北侧 5 0 米处为东西走向的 北土城西路， 南面1 0 0 米耸立一排高度为8 0 米左右的冠城园住宅 区。由于北京气象塔建成初期，除正南面北三环路两侧有零星建筑物高度超过5 0 m 外， 以气象塔为中心 1 k m 范围内 无超过2 0 m的建筑物。 地面条件具有典型的城郊复 杂 下垫 面条 件11 1当 时 对于 研究 城 郊复 杂下垫 面 条 件下的 大气 边界 层结 构是非 常合 适的，而一般的飞 机场址都位于城郊复合带。进入2 0 世纪8 0 年代末以后，随着北 京市城市建设和城市化的决 速发展，该地区逐渐发展成为有很多高大建筑物且分布 不均匀的城市下垫面， 现在气象塔的位置，充分说明 现在的气象塔己 经处于城市粗 糙复杂下垫面中幻 。 而且由 于其位置和结构的 特点，该 塔己 经被作为研究城市边界 层和监测城市低层大气污染垂直分布的理想观测平台。 该塔塔体采用通风良 好的钢管行架式结构 ( 通风系数为 0 . 2 5 ) ， 塔体上下具有 相同的等边三角形横截面，边长为2 . 7 m ,塔身由相隔 1 2 0 。的3 组钢丝绳 ( 每组5 根)分别固定在三个地锚上。塔上共装有巧层观测平台，观测高度分别为8 , 1 5 , 3 2 , 4 7 , 6 5 , 8 0 , 1 0 3 , 1 2 0 , 1 4 0 , 1 6 0 , 1 8 0 , 2 0 0 , 2 4 0 , 2 8 0 和3 2 0 m 。这样的分层 与其他国家相比是比较细致的。 塔的1 5 个观测层次上均按盛行风向装有两个活动伸 臂， 一个指向 东南， 一个指向西北，臂端离开塔柱边缘约4 . l m 。安装两个伸臂是为 了避免由于气流通过塔体时造成的绕流对测风传感器的影响。 测量的基本要素为: 水平风向、 风速、 温度和相对湿度。 2 . 2 . 2仪器简介 风向、 风速、温度等传感器性能如下: ( 1 )风速仪采用铝制三杯式传感器，风杯直径 6 0 m m，转臂长 9 0 m m，风 杯启动风速为 0 . 4 m / s ,距离常数为 4 m 左右，量程为 0 -5 0 m / s ,测量精度为士 ( 0 . 2 + 0 . 0 2 x 实际风速) ; ( 2 ) 风向 仪采用双片 锲型铝制尾翼风向 杯， 风标全长4 7 c m , 阻尼比约为0 . 3 , 风向 传感器启动风速为0 . 4 m / s ，测量精度为士5 0; ( 3 )温度仪采用铂电阻作为传感器，有通风和防辐射措施， 量程为一 3 0 - + 5 0 c ,测量精度为0 . i 0c ; ( 4 ) 湿度仪: 采用高 分子薄膜电 容作为传感器， 量程为。 -1 0 0 % r h , 测量精度 为2 0 时在0 -8 0 % r h 范围内为1 2 % ， 在8 0 -1 0 0 % r h 范围内为士 3 % , 响应时间为